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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
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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
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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。
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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。
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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
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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)
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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)
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Al2O3基板各种特性与其含量关系
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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
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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
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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
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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： MPa 热导率低
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莫来石基板上搭载的Si圆片翘曲低
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莫来石多层电路基板芯片载体
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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。
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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
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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
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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。
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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。
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各种基板及Si的热膨胀系数对比
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AlN应用－LSI用基板
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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。
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SiC基板的热导率与温度的关系
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SiC应用－VLSI高散热封装基板
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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
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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
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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
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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
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LTCC制造流程
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LTCC应用－高密度混合基板
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LTCC应用－高频部件
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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。
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厚膜材料的特性 烧结温度控制在850℃～950℃
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各种陶瓷金属化
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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陶瓷芯片载体的制作
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陶瓷封装
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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。
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CBGA IBM的微型BGA封装 HITACHI的微型BGA封装
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LCC-Leadless Ceramic Carrier
Intel公司的LCC封装
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多芯片陶瓷封装 无源器件嵌入层间以减小面积
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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
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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
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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
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致谢 哈尔滨工业大学 张威
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