电子器件与组件结构设计 王华涛 哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院 办公室：A 楼208 Tel：5297952 Email：wanghuatao@hit.edu.cn 留下板书

第六章 陶瓷封装结构 陶瓷封装的特点及应用； 陶瓷封装材料； 厚膜材料与工艺； 陶瓷芯片载体制造工艺； 主要结构形式与特点； 微组装

陶瓷封装的特点 信号传输速度与介电常数的平方根成反比。

陶瓷封装的应用 由于陶瓷封装性能卓越，在航空航天、国防军事及大型计算机方面有广泛的应用。 在高端封装市场的占有率逐年提高。 一类主要适用于高速器件，采用介电常数低、易于多层化的基板（如Al2O3基板，玻璃陶瓷共烧基板） 另一类主要适用于高散热的要求，采用高热导率的基板（如AlN基板，BeO基板等） 在高端封装市场的占有率逐年提高。 电子产品及设备向着高速化、多功能、小型化的发展永无止境。与此相伴，DIP、QFP、BGA、CSP、基板上直接搭载裸芯片等高密度的封装形式不断向前发展。为了适应这种发展形式，对基板材料的低介电常数、低热膨胀系数，高热导率等方面提出的要求也越来越严格。

陶瓷封装的类型 陶瓷封装包括金属陶瓷封装和一般陶瓷封装。 代表品种 CDIP（ceramic dual in-line package） 陶瓷双列直插封装 LCCC（leadless ceramic chip carrier） 陶瓷无引线芯片载体 CQFP（ceramic quad flat package） 陶瓷四边引脚扁平封装 CBGA（ceramic ball grid array） 陶瓷球栅阵列

陶瓷封装材料 多种材料选择 氧化铝Al2O3 莫来石(3Al2O3·2SiO2) 氮化铝AlN 碳化硅SiC 氧化铍BeO 低温共烧陶瓷(LTCC)

氧化铝Al2O3 优点 缺点 价格低 综合性能最好：气密性、机械性能、耐热性、化学稳定性等方面好 应用最多：HIC(hybrid integrated circuits)基板、LSI(Large Scale Integration Circuit)封装基板、多层电路基板 缺点 介电常数高：约为10 热导率较低：20W/(m.K)

Al2O3基板各种特性与其含量关系

Al2O3应用－HIC用基板 厚膜 薄膜 表面粗糙度大的价格较低 一般采用纯度95％的Al2O3 丝网印刷法形成贵金属浆料图形－烧成－结合力大 薄膜 薄膜元件物理性能、电气性能受表面粗糙度影响大 多采用局部被釉基板 近年来，薄膜HIC采用表面粗糙度小，99％的Al2O3

Al2O3应用－ LSI用基板 同时烧成法制作的LSI封装用Al2O3基板，气密性好、可靠性高 在电子封装从DIP－PGA－BGA－CSP(chip-scale package)－裸芯片实装的整个发展历程中， Al2O3基板一直发挥关键作用

Al2O3应用－多层电路基板 IBM4300系列用Al2O3多层电路基板 NEC开发的Al2O3多层电路基板

莫来石（3Al2O3·2SiO2） 缺点 优点 化学稳定性好、热稳定性高、质量轻 介电常数低，约为6：高频电特性、信号传输速度高 CTE(热膨胀系数, Coefficient of Thermal Expansion)低：共烧时与导体Mo、W间应力低 VHSIC应用的封装或基板材料 缺点 机械强度低：160-220MPa 热导率低

莫来石基板上搭载的Si圆片翘曲低

莫来石多层电路基板芯片载体

氮化铝AlN 缺点 优点 高强度、轻质量、高耐热、高耐腐蚀 热导率高：>200W/(m.K) Al2O3 的10倍 CTE与硅片匹配好 高密度、大功率用：MEMS封装、MCM(Multi-Chips Module 多芯片模块)封装用基板 缺点 价格较高 基板金属化较困难 AlN人造矿物。纤锌矿型晶体结构。

影响AlN陶瓷热导率的因素 传热机制是晶格振动 各种缺陷对声子造成散射，使热导率下降 必须对陶瓷微结构进行控制

AlN粉末制作方法 还原氮化法（吸热反应） 直接氮化法（放热反应） 粒径小、粒度分布一致性好 耗能 生产物需要粉碎，不容易获得理想的粒度分布 节能

AlN基板制作方法－生片叠层法 将AlN原料粉末、有机粘结剂及溶剂、表面活性剂混合制成陶瓷浆料－流延－叠层－热压－脱脂－烧成 必须从原料粉末的选择和处理、烧结助剂、烧成条件等方面采取措施，控制杂质。

AlN的热导率与原料中氧杂质含量关系 目前，工业生产水平的热导率达到170W/(m.K)已经不成问题。

各种基板及Si的热膨胀系数对比

AlN应用－LSI用基板

碳化硅SiC 缺点 优点 耐磨性好，耐药品性好 热导率高、热扩散系数大 CTE与硅更接近 用于低电压、VLSI(Very Large Scale Integrated Circuit)高散热封装基板 缺点 介电常数偏高：1MHz时为40、1GHz时为15 绝缘耐压差：电场强度达到数百伏/厘米时，易被击穿 强共价键化合物，硬度仅次于金刚石。高纯碳化硅的热导率仅次于金刚石。

SiC基板的热导率与温度的关系

SiC应用－VLSI高散热封装基板

采用Al2O3基板8.5℃/W，采用SiC基板4.9℃/W SiC应用－MCM用基板 从芯片到散热片外界的总热阻 采用Al2O3基板8.5℃/W，采用SiC基板4.9℃/W

氧化铍BeO 优点 缺点 热导率高：是Al2O3的十几倍，适于大功率电路 介电常数低：可用于高频电路

低温共烧陶瓷LTCC 开发背景 Al2O3、莫来石及AlN基板，烧结温度均1500℃～1900 ℃，若采用同时烧成法，则导体只能选择难熔金属Mo、W等。这将造成以下问题： 共烧需要在还原气氛中，增加工艺难度；温度过高，需要特殊烧结炉 Mo、W电阻率高，布线电阻大，增大损耗，信号易失真，布线微细化受到限制 介质材料介电常数大，增大信号传输延迟时间，不适于超高频电路 Al2O3热膨胀系数（7×10-6 /℃)与Si的（3×10-6 /℃)相差太大，若用于裸芯片，热循环应力不好解决

LTCC基板的要求 烧成温度必须控制在950℃以下 介电常数要低 热膨胀系数要与搭载的芯片接近 有足够高的机械强度

LTCC制造流程

LTCC应用－高密度混合基板

LTCC应用－高频部件

厚膜材料与工艺 厚膜金属化法：在陶瓷基板上通过丝网印刷形成导体（电路布线）及电阻等，经过烧结形成电路及引线接点等。 厚膜工艺：将粒度1～5µm金属粉末，添加百分之几的玻璃粘结剂，再加有机载体，包括有机溶剂、粘稠剂和表面活性剂等，经过球磨混练成厚膜导体浆料，再经过烧成，导体与基板结合在一起。

厚膜材料的特性 烧结温度控制在850℃～950℃

各种陶瓷金属化

陶瓷基板的制作步骤 球磨机 球磨 陶瓷浆料 将原料粉末、有机粘接剂、增塑剂、分散剂、有机溶剂等混合，经球磨机球磨后制成陶瓷浆料。 材料制备 生片成形 定尺裁片 熟片烧成 金属化图形 将原料粉末、有机粘接剂、增塑剂、分散剂、有机溶剂等混合，经球磨机球磨后制成陶瓷浆料。 球磨机 球磨 陶瓷浆料

陶瓷基板的制作步骤 陶瓷生片 流延机 陶瓷浆料烧成前有以下几种典型的成形方法：流延成形法、粉末压制法、挤压成形法和射出成形法。 材料制备 生片成形 定尺裁片 熟片烧成 金属化图形 陶瓷浆料烧成前有以下几种典型的成形方法：流延成形法、粉末压制法、挤压成形法和射出成形法。 流延机 陶瓷生片

陶瓷基板的制作步骤 材料制备 生片成形 定尺裁片 熟片烧成 金属化图形 根据用途将生片裁成不同形状及尺寸 裁片机 陶瓷生片

陶瓷基板的制作步骤 材料制备 生片成形 定尺裁片 熟片烧成 金属化图形 烧结炉

陶瓷基板的制作步骤 材料制备 生片成形 定尺裁片 熟片烧成 金属化图形 丝网印刷机

陶瓷基板的制作工艺流程 叠片－热压－脱脂－基片烧成－印刷电路图形－电路烧成 叠片－印刷电路图形－热压－脱脂－共烧 印刷电路图形－叠层－热压－脱脂－共烧

陶瓷芯片载体的制作

陶瓷封装

CQFP 引线框架与陶瓷载体通过硬钎焊连接；在芯片载体上固定芯片和其他元件；盖板焊接或采用玻璃封接；裁切引线框架；整形。

CBGA IBM的微型BGA封装 http://www.PracticalComponents.com HITACHI的微型BGA封装

LCC-Leadless Ceramic Carrier Intel公司的LCC封装

多芯片陶瓷封装 无源器件嵌入层间以减小面积

微组装技术 对尺寸介于微米和毫米之间的物体进行组装，称为微组装。 传统组装尺寸大于1mm，纳米组装尺寸小于1µm，微组装是介于传统组装和纳米组装之间的组装技术。 微组装技术目前主要用MEMS

微组装分类 借助电子显微镜用镊子进行人工装配 基于视觉的远程控制的微装配 高精度机器人 夹具尺寸小于100µm的微夹持器

陶瓷封装结构总结 1、陶瓷封装的特点及应用 2、Al2O3基板各种特性与其含量关系 3、阐述AlN陶瓷热导率的影响因素 4、比较各种陶瓷基板在热学性能方面的特点 5、各种陶瓷基板的优缺点 6、低温共烧陶瓷的开发背景 7、列举生瓷的成形方法及技术要点 8、CQFP制作工艺过程 9、微组装的概念及分类

致谢 哈尔滨工业大学 张威