氧化铝陶瓷技术-电子封装和互连用氧化铝讲解
文章来源:BALAB | 作者:佰力博 | 发布时间:2024-04-23 | 168 次浏览 | 分享到:

关键词:压电陶瓷制备 压电陶瓷检测 

电子封装和互连用氧化铝

大多数用于电子应用的独立氧化铝基板,通过厚膜或薄膜工艺应用导电膜,其氧化铝含量为96%或99.5%。99.5%的基板通常用于高频应用,因为其更高的纯度改善了介电损耗特性。它们也可能比低氧化铝品种具有更好的烧成平整度和更光滑的表面,这些也是高频操作所需的属性。细粒的99.5%氧化铝的烧成表面光洁度为1至2微英寸的中心线平均值(CLA),而粗粒氧化铝的为8至10微英寸CLA。

带式铸造技术用于制造各种形状、厚度和配置的三维氧化铝结构。这里的起始材料是通常为92%的“坯体”氧化铝带,它是在医生刀片过程中从浆料中铸造的。浆料由氧化铝粉末、烧结剂、有机粘合剂和溶剂组成,铸造在厚度由医生刀片控制的塑料片上。浆料在短时间内干燥成为一种灵活的带,可以容易地从塑料片上移除。带材被切割成大小或成型。毛坯上用硬化的工具钢冲头打上一系列孔洞或通孔,形成精确的图案。对于原型工作,可以使用一个编程的冲头来定位所需图案中的通孔。这些孔将用金属浆料在筛网或模板印刷过程中填充,并用于制造层间的电连接。出于促进电路密度的考虑,希望尽可能缩小通孔的尺寸:通常为10 mil(250 µm),当前实际的最小值为5 mil(125 µm)。然后,毛坯被印上适合该层的金属图案——即信号、地线、电源或设备连接。当所有互连板的层都完成了通孔的冲孔和填充,以及导体图案的印刷后,这些层在几百psi的压力下进行层压。然后在适当的气氛中以足够高的温度烧结层压部件,通常为1700°C。烧结后,暴露的导体被镀上可焊或可线键合的金属。

烧结陶瓷所需的高温要求使用耐火金属作为导体。使用钨或钼锰混合物,“钼锰”,这些金属的电阻大约是厚膜基板中使用的铜、金或银的3倍。因此,在最后烧结后需要一个额外的镀层。

带式铸造技术也是构建集成电路芯片的陶瓷密封包装的基础。这种包装在其最简单的形式中,由安装芯片的基层、围绕芯片安装区域形成边界的第二层和焊接金属盖的密封环组成。第二层由一系列金属化的手指组成,这些手指在最终产品中延伸到包装的外部。基层和密封环也进行了金属化。烧结后,此时为钨的暴露金属层被镀上可线键合或可焊接的金属化层。集成电路芯片通过电路路径与外部电路接触,该路径由芯片到包装垫的1-mil金或铝线组成,以及通过陶瓷层到包装外壁的钨路径。从包装到安装板的电气联系有两种方式完成。在最常用的技术中,一个镀金属的引线框架被钎焊到包装的金属化表面,然后将引线焊接到板上的焊盘或通孔上。较少使用的替代方案是使用无引线芯片载体,其中一个可焊接的焊盘镀在包装的底面,所有的焊盘同时焊接到板上的配对焊盘上。

使用带式铸造的氧化铝多层过程制成的基板近年来在多芯片模块(MCM)应用中受到了相当的关注。一个MCM由一个集成电路板上密集排列的芯片阵列组成,每个侧面几英寸。与有机层压板相比,共烧陶瓷因其热导率几乎高出两个数量级而具有吸引力,这在高密度电路中是一个重要考虑因素。此外,氧化铝和氮化铝陶瓷与硅的热膨胀系数(CTE)匹配得更紧密,与有机板相比。由于类似的原因,氧化铝和AlN也适用于球栅阵列(BGA)安装芯片。

低温共烧陶瓷 (LTCC)

低温共烧陶瓷(LTCC)是共烧氧化铝讨论的逻辑延伸,这是一项新近发展的技术。

LTCC技术在大多数方面与前文讨论的高温共烧技术(HTCC)类似。主要区别在于材料。HTCC基于氧化铝或氮化铝,需要1700°C或更高的烧结温度。因此,与HTCC一起使用的导电材料必须是耐火材料——钨或钼锰,并且具有相对较高的电阻。而LTCC则使用除陶瓷外还含有高玻璃含量的材料,从而允许在低于1000°C的温度下烧结。因此,导电层可以使用金、银或铜,这些材料的电阻远低于耐火金属。降低的烧结温度使得收缩更可预测。由于LTCC的烧结温度与厚膜相似,因此可以在传统的厚膜带式炉中完成烧结。因此,生产率也得到了提高。

1983年,DuPont电子材料部门和休斯飞机公司在费城的ISHM会议上首次推出了LTCC材料系统。随后DuPont推出了一整套胶带和导体系统,用于构建完整系统。随后推出了可焊导体和筛选电阻墨水。它们的属性与氧化铝和厚膜电介质的属性相似。

1980年代末,许多潜在用户开始试验LTCC,认为它是厚膜技术的一种进步。Ferro电子材料在1980年代末进入市场,推出了一种含有可结晶组分的胶带,该胶带在高频下提供低介电损耗。这种胶带的属性包括在表1.13中。除了材料生产商提供的LTCC系统外,电子系统制造商也在开发满足自身需求的胶带。Mattox描述了推动发展的需求、这些需求带来的权衡以及电子系统制造商为满足这些需求所参与的许多项目。在大多数情况下,这些需求包括能够在超过100 MHz的计算机时钟速度下运行;在热膨胀系数(CTE)上与氧化铝、硅或砷化镓匹配;以及能够实现高电路密度。

Nishigaki等人在日本名古屋的Narumi China Corporation描述了一个包括钌氧化物电阻器、银导体和后烧结铜导体的LTCC胶带系统。该胶带由40%的氧化铝和60%的氧化铝-硅-钙-硼氧化物玻璃组成,介电常数为7.7。烧结胶带的热导率约为2.5 W/(m⋅K)。在圣地亚哥海军海洋系统指挥部的合同下,巴尔的摩的Westinghouse电子系统集团和匹兹堡的Westinghouse系统与技术中心开发了一个介电常数为4.1的胶带系统。该胶带与DuPont内层金和可焊顶层铂金兼容。在同一项目上,还开发了一种低介电常数的厚膜电介质,并已由DuPont推向市场。

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