1. 常用电子封装陶瓷基片材料的分类及特点






电子封装基片材料的种类很多，常用基片主要分为塑料封装基片、金属封装基片和陶瓷封装基片3大类。塑料封装材料通常热导率不高、可靠性不好，在要求较高的场合并不适用；金属封装材料热导率高，但一般热膨胀系数不匹配，而且价格较高。






陶瓷基片是电子封装中一种常用的基片材料，与塑料基片和金属基片相比，优点在于：（1）绝缘性能好，可靠性高；（2）介电系数较小，高频性能好；（3）热膨胀系数小，热导率高；（4）气密性好，化学性能稳定，对电子系统起到较强的保护作用[3]。因而它适用于航空、航天和军事工程的高可靠、高频、耐高温、气密性强的产品封装。超小型片式电子元器件在移动通信、计算机、家用电器和汽车电子等领域有广泛应用，而其载体材料也常采用电子封装陶瓷基片。






目前几种常用的电子封装用陶瓷基片材料有氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氧化铍(BeO)。






1.1  Al2O3陶瓷基片






Al2O3陶瓷一般是指以Al2O3为主要原料，α-Al2O3为主晶相、Al2O3含量在75%以上的各种陶瓷，它具有原料来源丰富、价格低廉、机械强度和硬度较高、绝缘性能良好、耐热冲击性能、抗化学侵蚀性能良好、尺寸精度高、与金属附着力好等优点，是一种综合性能较好的陶瓷基片材料。Al2O3陶瓷基片广泛应用于电子工业，占陶瓷基片总量的90%，已成为电子工业不可缺少的材料。






目前使用的Al2O3陶瓷基片大多采用多层基片，Al2O3含量提高了电绝缘性能、热导率和耐冲击性能都会有所提高，但同时会导致烧结温度的上升和生产成本增加。为了降低烧结温度，同时保证Al2O3陶瓷基片的力学性能和电性能，往往加入一定量的烧结助剂，如B2O3、MgO、CaO、SiO2、TiO2、Nb2O5、Cr2O3、CuO、Y2O3、La2O3和Sm2O3等金属氧化物来促进烧结[1]。






虽然Al2O3陶瓷基片的产量多、应用广，但因为热导率相对硅单晶而言偏高，故Al2O3陶瓷基片在高频、大功率、超大规模集成电路的使用中受到限制。






1.2 AlN陶瓷基片






AlN陶瓷基片是一种新型的基片材料，AlN晶体的晶格常数为a=0.3110nm，c=0.4890nm，属六方晶系，是以[AlN4]四面体为结构单元的纤锌矿型共价键化合物，具有优良的热传导性、可靠的电绝缘性、低的介电常数和介电损耗、无毒，以及与硅相匹配的热膨胀系数等一些列优良特性，被认为是新一代高集成度半导体基片和电子器件封装的理想材料[2]。






上世纪80年代，部分发达国家就开展AlN陶瓷基片的研发，其中日本处于世界的前列。日本如今还有许多企业研发和生产AlN陶瓷基片，如京陶、日本特殊陶业、住友金属工业、富士通、东芝、日本电气等。制备AlN陶瓷的核心原料AlN粉体制备工艺复杂、能耗高、周期长、价格昂贵。高成本限制了AlN陶瓷的广泛应用，因此目前AlN陶瓷基片主要应用于高端产业[4]。






1.3 Si3N4陶瓷基片






Si3N4具有3种结晶结构，分别是α相、β相和γ相，其中α相和β相是Si3N4最为常见的形态，均为六方结构。Si3N4具有硬度大、强度高、热膨胀系数小、高温蠕变小、抗氧化性能好、热腐蚀性能好、摩擦系数小等诸多优异性能。单晶氮化硅的理论热导率可达400W/（m·K），具有成为高导热基片的潜力。此外，Si3N4的热膨胀系数为3.0×10-6℃左右，与Si、SiC和GaAs等材料匹配良好，这使Si3N4陶瓷成为一种极具吸引力的高强高导热电子器件基板材料[4]。






但Si3N4陶瓷介电性能稍差（介电常数为8.3，介电损耗为0.001~0.1），生产成本也偏高，限制其作为电子封装陶瓷基片的应用。 






1.4 SiC陶瓷基片






SiC陶瓷的热导率很高，高温下为100~400W/(m·k)，是Al2O3的13倍；抗氧化性能好，分解温度在2500℃以上，在氧化气氛中1600℃仍可以使用；而且电绝缘性好，热膨胀系数低于Al2O3和AlN。SiC陶瓷有很强的共价键特性，较难烧结，通常添加少量的硼或铝的氧化物作为烧结助剂来提高致密度。实验表明，铍、硼、铝及其化合物均是最有效的添加剂，可使SiC陶瓷致密度达到98%以上[3]。






但是SiC的介电常数太高，是AlN的4倍，耐压强度低，所以仅适合密度较低的封装而不适合高密度封装。除了用于集成电路组件、阵列组件以及激光二极管等之外，也用于具有导电性的结构零件。






1.5 BeO陶瓷基片






BeO是碱土金属氧化物中唯一的六方纤锌矿结构，由于BeO具有纤锌矿型和强共价键结构，而且相对分子质量很低，因此，BeO具有极高的热导率，是氧化铝的10倍左右，其室温热导率可达250W/（m·K），与金属的热导率相当，并且在高温、高频下，其电气性能、耐热性、耐热冲击性、化学稳定性俱佳。






BeO虽然有一些良好的特性，但BeO的致命缺点是其粉末的剧毒性，长期吸入BeO粉尘会引起中毒甚至危及生命，并会对环境造成污染，这极大影响了BeO陶瓷基片的生产和应用[5]。另外，BeO的生产成本很高，这也限制了它的生产和推广应用。其用途仅限于以下几个方面：高功率晶体管的散热片、高频及大功率半导体器件的散热盖板、发射管、行波管、激光管、速调管等。在航空电子设备和卫星通讯中，为了追求高导热和理想高频特性，有时也采用BeO陶瓷基片。






1.6 BN陶瓷基片






BN有2种不同的结晶形式：六方晶型和立方晶型。其中立方晶型BN硬度很高，耐温度高达1500~1600℃，适用于超硬材料；六方晶型BN在正确的热处理作用下，在很高的温度仍能保持很高的化学及机械稳定性。BN材料具有较高的热稳定性、化学稳定性和电绝缘性，同时BN陶瓷的热导率常温下与不锈钢相等，介电性能好。BN比大多数的陶瓷脆性好，并且热膨胀系数小，有很强的抗热震性，可以承受1500℃以上的温差急剧变化。






立方BN和六方结构的BN都是在高温高压下制备的，是比较典型的共价键晶体。BN由于具有热导率高，且热导性能几乎不随温度变化，介电常数小，绝缘性能好等特点，应用于雷达窗口、大功率晶体管的管座、管壳、散热片以及微波输出窗等。但立方BN价格昂贵，不宜用于生产通常使用的高热导率陶瓷材料；热膨胀系数与硅不匹配也限制了其应用[3]。






2. 电子封装陶瓷基片流延成型工艺






流延成型是电子陶瓷基片材料的一种重要的成型工艺。流延成型已经成为生产多层电容器(MLC)和多层陶瓷基片(MLCP)的主要技术。






2.1 非水基流延成型






传统的流延成型工艺即非水基流延成型工艺，其工艺包括浆料制备、球磨、脱泡、成型、干燥、剥离基带等工序。先将配好的粉料加上溶剂，必要时再加上抗聚凝剂、除泡剂、烧结促进剂等，在球磨罐中进行湿式混磨，使活性粉粒在溶剂中充分分散、悬浮、均匀化，然后再加入粘合剂、增塑剂、润滑剂等再次混磨，形成稳定、流动性好的浆料。经过真空除泡，进行流延机成型，坯片厚度由刮刀调整，最后经过合适温度、湿度等环境再将坯带脱模备用[3]。






非水基流延成型工艺的适用范围较广、坯体缺陷尺寸较小、生产效率高、产品性能较稳定等，获得广泛的应用。其不足之处在于使用的溶剂是有机物，不仅增加成本呢，而且对环境也有一定的污染。另外，由于浆料中有机物含量较高，生坯密度低，脱脂过程中坯体易变形，影响产品质量。所以水基流延法被研究并获得了很大的发展。






2.2 水基流延成型






由于水基流延成型工艺是用水代替有机物溶剂，因此，水基流延成型具有成本低、使用安全和便于大规模生产等优点，但也由此产生一些不足，如水对陶瓷粉料的润湿性能较差，挥发慢，干燥时间长；浆料脱气困难，影响坯体的质量；陶瓷坯片柔韧性较差，强度不高，容易出现裂纹缺陷等[1]。






为弥补上述两种方法的不足，人们提出了一些新的流延工艺，如凝胶流延成型工艺、紫外引发聚合物成型工艺、流延等静压复合成型工艺等。






结语






随着微电子封装产业的发展，电子封装材料将成为一个技术含量高、经济效益好，具有重要地位的工业领域，具有广阔的发展前景。为了满足电子系统小型化、低成本、开发可靠性、散热性优良、价格适宜的多层陶瓷基片材料是今后的发展重点。