第二章厚膜元件與材料 2 1厚膜基板2 2厚膜導體與材料2 3厚膜電阻及材料2 4厚膜介質材料2 5厚膜鐵氧體磁性材料及厚膜電感器2 6其他厚膜材料 1 上課課件 2 1厚膜基板 一 基板的作用與要求1 作用承載作用 厚膜元件 外貼元器件 互連導體以及整個電路 絕緣作用 提供元器件之間的電絕緣 導熱 散熱作用 將元器件工作時產生的熱量即時散發出去 2 上課課件 3 上課課件 4 上課課件 2 要求基板的性能對厚膜元件和整個電路性能 工藝有很大的影響 特別在可靠性和工藝重現性等方面關系十分密切 基板要求 1 表面性能表面平整 光滑 具有適當的表面光潔度 2 電性能 v s高 tg 小 保證絕緣性能 5 上課課件 3 熱性能導熱性高基板的熱膨脹系數應與電路所用的材料相匹配 4 機械性能機械強度和硬度高 能經受機械振動 沖擊和熱沖擊良好的加工性能 切割 加工和鉆孔等 6 上課課件 5 化學性能化學穩定性高 不受各種化學試劑和溶劑的影響 與電路材料有很好的相容性 6 其他性能耐高溫 經受多次高溫燒結不變形 成本要低 重量輕 7 上課課件 二 常用的基板材料 常用基板種類 陶瓷基板 金屬 包括金屬芯型 基板 樹脂基板 8 上課課件 氧化鋁陶瓷基板 金屬基板 9 上課課件 樹脂基板 10 上課課件 1 陶瓷基板 優點 耐高溫 1000 熱脹系數小 導熱性好 絕緣強度高 缺點 脆 易碎 種類 氧化鋁陶瓷 Al2O3 氧化鈹 BeO 氮化鋁 AlN 碳化硅 SiC 多層陶瓷基板 11 上課課件 1 氧化鋁基板 主要成分Al2O3 Al2O3含量越高 基板性能 電性能 機械強度 表面光潔度等 越好 但燒結溫度高 價格貴 厚膜電路一般采用94 Al2O3瓷 晶粒尺寸3 5 m 85瓷和75瓷性能較前者稍差 但成本較低 所以目前國內外也有采用 12 上課課件 氧化鋁基板的性能 13 上課課件 熱導率和氧化鋁含量的關系 14 上課課件 優點 價格適中 各種性能基本滿足厚膜電路的要求 與厚膜混合集成電路相容性比較好 目前使用最廣泛 缺點 熱導率沒有氧化鈹基板 氮化鋁基板高 15 上課課件 2 氧化鈹基板 優點 熱導率高 常溫下2 64J cm s 僅次于銀 銅 金與鋁相近 為氧化鋁的10倍 體積電阻率大 介電系數小 高頻下損耗小 適于高頻 大功率電路 能與大多數厚膜漿料相容 16 上課課件 缺點 粉末有毒 價格較貴 機械強度不如氧化鋁 如果不考慮成本和毒性 氧化鈹是一種理想的基片材料 17 上課課件 氧化鈹 基板的性能 18 上課課件 氧化鈹陶瓷有負的電阻率溫度系數 99 5 氧化鈹電阻率與溫度的關系 19 上課課件 20 上課課件 3 氮化鋁基板是一種新型陶瓷基板 優點 熱導率高 與99 5 BeO陶瓷大致相同 為氧化鋁的8 10倍 熱導率與溫度的關系比氧化鈹瓷小 抗彎強度大 硬度小 機械加工比較容易 抗彎強度比氧化鋁大但硬度僅為氧化鋁的一半 21 上課課件 熱脹系數比氧化鈹小 4 4ppm 與Si接近 這有利于組裝大規模IC芯片 與Au Ag Pd和Cu漿料的相容性較好 可作高頻 大功率電路基板 還適于高密度 大功率的微波電路以及大規模厚膜IC 缺點 成本高 對雜質含量敏感 22 上課課件 氧化鋁 氧化鈹 氮化鋁基板性能比較 23 上課課件 氧化鋁 氮化鋁 氧化鈹的熱導率與溫度的關系 24 上課課件 幾種陶瓷基板熱膨脹系數的比較 25 上課課件 4 碳化硅基板 以 SiC為主 摻以微量BeO 0 1 0 35 的新型基板 優點 熱導率是金屬鋁的1 2倍 比BeO瓷還要高 從熱擴散系數 熱容量看該基板傳熱比Cu還要好 SiC基板的抗彎強度為44100N 2與氧化鋁相近 26 上課課件 熱脹系數與單晶硅幾乎相同 所以適合組裝大規模IC芯片 缺點體積電阻率比氧化鋁和氧化鈹低 介電系數高 因此高頻性能不如氧化鋁 27 上課課件 新型SiC陶瓷與其它材料的性能比較 28 上課課件 5 多層陶瓷基板 為了提高組裝密度 使電路高密度化 小型化 高速化而研制的陶瓷基板 多為氧化鋁瓷 多層化的方法有三種 29 上課課件 a 厚膜多層法 在氧化鋁基板上交替印燒導體 Au Ag Pd等 和介質漿料 特點 制造靈活性大 可在空氣中燒結 溫度 1000 層內含電阻 電容等 制造過程容易實現自動化 缺點 制作微細線困難 層數也不能太多 可焊性 密封性不如其它二種方法 30 上課課件 厚膜電路底層布圖 厚膜電路介質層布圖 31 上課課件 厚膜電路頂層布圖 32 上課課件 b 印刷多層法 將與生基板成分相同的氧化鋁制成漿料 交替在氧化鋁基板上印刷和干燥Mo W等導體以及氧化鋁介質漿料 此時各層間的印刷導體就可以通過層間的通孔實現層間連接 在1500 1700 的還原氣氛中燒成 在燒成導體部分鍍Ni Au形成焊接區 33 上課課件 c 生基板疊層法 在生基板上沖好通孔 在生基板上印刷Mo W等導體 重疊所需層數 在490 1470N cm2壓力和80 150 下疊壓 在1500 1700 的還原氣氛中燒成 在燒結過程中 薄片里的SiO2 CaO MgO擴散到導體層中形成中間層 從而可得牢固的結合強度 34 上課課件 優點 后兩種二種方法 利用生基板有柔軟性 容易吸收有機溶劑的特性 可印出高分辨率的微細線 容易實現多層化和高密度布線 由于導體和絕緣層燒結成整體 所以密封性好 可靠性高 缺點 設計靈活性不如厚膜多層法 燒結溫度也偏高 35 上課課件 2 金屬基板 陶瓷基板缺點 脆 易碎 不易制成大面積的基板 為此開發了金屬基板 金屬基板 在金屬板 主要是鋼板和鋁板 上涂復絕緣膜而成 36 上課課件 金屬鋁基板 37 上課課件 優點 價格比陶瓷低 散熱性良好 加工和成形簡單 可用于通孔連接 缺點 通孔周圍和基板邊緣的釉層會凸起 影響印刷 釉層中的堿離子也會發生遷移 工作溫度低600 分類 38 上課課件 1 涂釉鋼板低碳鋼上涂敷玻璃釉層 850 燒成 39 上課課件 2 金屬芯基板 40 上課課件 3 襯銅金屬基板 41 上課課件 4 絕緣金屬基板 IMST基板 42 上課課件 3 樹脂基板分類 硬質樹脂基板柔性樹脂基板硬質板的主要材料 紙酚醛樹脂 紙環氧樹脂 玻璃環氧樹脂 柔性板主要材料 聚酯 聚酰亞胺 玻璃環氧樹脂等 43 上課課件 44 上課課件 優點 加工簡便 成本低 可電鍍制作細線 適于自動化生產 缺點 耐熱性差 熱沖擊性差 高溫下的化學穩定性差 4