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當前,隨著微電子產業的飛速發展,對陶瓷材料有了更高的需求。HTCC材料制作的器件涵蓋了廣泛的應用領域。比如電子組件(多層電容器,多層執行器和R-C濾波器),3D多芯片模塊(工程設計管理系統,汽車應用中的變速箱控制,航空航天和醫療工程領域中的高頻應用),智能3D封裝,微機電系統(MEMS)封裝以及實驗室芯片系統。


HTCC高溫共燒陶瓷材料介紹

圖源自佳利電子官網

一、HTCC特點及應用


HTCC技術可實現密封的直通過孔密集的金屬互連。因此HTCC技術常用于軍事、航空航天、醫療器械、和高溫領域,特別是在汽車、高功率、無線通信和RF封裝方面。

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HTCC陶瓷材料

HTCC高溫共燒陶瓷材料介紹


HTCC材料是在高于1500℃的環境下燒結而成。由于HTCC材料的熱穩定性良好,所以它非常適合在超高溫環境下的應用。
 
高溫共燒陶瓷中較為重要的是以氧化鋁、莫來石(主體為Al2O3-SiO2)和氮化鋁為主要成分的陶瓷。常見的HTCC生瓷帶有氧化鋁陶瓷、氮化鋁陶瓷以及氧化鋯陶瓷等,采用流延法制備的生瓷帶厚度一般為50μm到700μm不等。
 
2.1 氧化鋁
 
在燒結過程中,陶瓷顆粒相變為致密材料,樣品大約收縮15%到20%不等。其中,在超高溫領域中,99.99%氧化鋁高溫共燒陶瓷的應用最為廣泛HTCC氧化鋁生瓷帶的一些基本材料特性參數如下圖所示。
 
參數
大小
介電常數
9.5-9.9
密度(g/cm3)
3.8-3.95
楊氏模量(GPa)
340-380
泊松比
0.2-0.23
抗彎強度(MPa)
450-650
熱導率(Wm-1K-1)
25-35
熱膨脹系數(ppm℃-1)
6-8
莫氏硬度
9.0
介電損耗(25℃,1MHz)
0.0001
體積電阻率(Ω.cm)
1×1014
介電擊穿電壓(KV/mm)
>15
燒結溫度
1500-1700
 
生瓷坯在進行高溫燒結的過程中往往會有一定的收縮比例,其收縮比例大約在15%-20%之間,為了使本論文設計的傳感器達到設計要求以及性能要求,在燒結前,必須給生瓷坯按照收縮比來計算尺寸,防止其最終產品達不到要求。
 
氧化鋁陶瓷技術是一種比較成熟的微電子封裝技術,它由92~96%氧化鋁,外加4~8%的燒結助劑在1500-1700℃下燒結而成,其導線材料為鎢、鉬、鉬一錳等難熔金屬。

該基板技術成熟,介質材料成本低,熱導率和抗彎強度較高。但是,氧化鋁多層陶瓷基板有下列缺點:
(1)介電常數高,影響信號傳輸速度的提高; 
(2)導體電阻率高,信號傳輸損耗較大;
(3)熱膨脹系數與硅相差較大,從而限制了它在巨型計算機上的應用。
 
2.2 莫來石

莫來石的介電常數為7.3-7.5,而氧化鋁(96%)的介電常數為9.4,高于莫來石,所以莫來石的信號傳輸延遲時間可比氧化鋁小17%左右,并且,莫來石的熱膨脹系數與硅很接近,所以這種基板材料得到了快速發展。
 
例如日立、Shinko等公司均開發了莫來石多層陶瓷基板,并且其產品具有良好的性能指標。不過此基板的布線導體只能采用鎢、鎳、鉬等,電阻率較大而且熱導率低于氧化鋁基板。
 
2.3 氮化鋁

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AlN-HTCC圖源自丸和

對于氮化鋁基板來說,由于氮化鋁熱導率高,熱膨脹系數與Si、SiC和GaAs等半導體材料相匹配,其介電常數和介質損耗均優于氧化鋁,并且AlN是較硬的陶瓷,在嚴酷的環境條件下仍能很好地工作。

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氮化鋁基板所具有的缺點是:
(1)布線導體電阻率高,信號傳輸損耗較大;
(2)燒結溫度高,能耗較大;
(3)氮化鋁基板與鎢、鉬等導體共燒后,其熱導率有所下降;
(4)絲網印刷的電阻器及其他無源元件不能并入高溫共燒工藝,因為這些無源元件的漿料中的金屬氧化物,會在該工藝的還原氣氛下反應而使性能變壞;
(5)外層導體必須鍍鎳鍍金保護其不被氧化,同時增加表面的電導率并提供能夠進行線焊和錫焊元器件貼裝的金屬化層。

雖然有這些缺點,但從總體上來說,氮化鋁基板比其他高溫共燒陶瓷基板有更多的優勢,在高溫共燒陶瓷領域有很好的發展前途。主要應用在傳感器封裝、表面貼裝封裝、MEMS封裝、光通信封裝、LED封裝等。

三、材料決定用途

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圖源自NGK官網


HTCC不同的材料組成決定了其不同的應用,相應的其材料的缺點也在某種程度上限制了應用。HTCC陶瓷粉體材料廠家主要有:東曹、住友、艾森達、揚州中天利等企業。

整體而言,HTCC基板具有結構強度高、熱導率高、化學穩定性好和布線密度高等優點,因此在當前大功率微組裝電路中具有廣泛的應用前景。

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文章來源:網絡整理

1.王海星,陶瓷封裝HTCC高溫壓力傳感器的設計與研究;
2.ChartierT,BruneauA.Aqueoustapecastingofaluminasubstrates[J].Journalofthe
EuropeanCeramicSociety,1993,12(4):243-247.
3.FuZ,RoosenA.Shrinkageoftapecastproductsduringbinderburnout[J].Journalofthe
AmericanCeramicSociety,2015,98(1):20-29.
4.TokAIY,BoeyFYC,KhorMKA.Tapecastingofhighdielectricceramicsubstrates
formicroelectronicspackaging[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,1999,
8(4):469-472.


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2021第三屆高端電子陶瓷產業高峰論壇

11月26日·江蘇昆山

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主要議題


序號

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如有演講意向,請聯系周小姐:18320865613(微信同電話號碼)


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2021年11月26日(周五):7:30-9:00簽到;8:50-18:00會議;18:00-19:30晚宴

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作者 ab

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