一文详解集成电路封装基板工艺

随着信息技术革命的到来，集成电路产业飞速发展，电子系统集成度的提高将导致功率密度升高，以及电子元件和系统整体工作产生的热量增加，因此，有效的电子封装必须解决电子系统的散热问题。 在此背景下，陶瓷基板具备优良的散热性能使得市场对其需求快速爆发，尤其是氮化铝陶瓷基板产品，尽管价格远高于其它基板，仍是供不应求甚至“一片难求”，这是为什么呢？

原因很简单，小编认为有三点：其一，性能好，用起来“香”，物有所值，在某些领域无法替代，一分钱一分货的道理大家都懂。其二，生产过程”历经八十一难”，得之不易，对原材料要求高，制品制备工艺复杂，生产门槛较高。其三，市场发展迅速，产能扩张速度跟不上需求增速，供货周期长，价格自然水涨船高。今天我们就这三点进一步了解氮化铝陶瓷基板。 出色的导热性能 首先，封装基板主要利用材料本身具有的高热导率，将热量从芯片 (热源) 导出，实现与外界环境的热交换。对于功率半导体器件而言，封装基板必须满足以下要求：

(1)热导率高，满足器件散热需求；

(2)耐热性好，满足功率器件高温(大于200°C)应用需求；

(3)热膨胀系数匹配，与芯片材料热膨胀系数匹配，降低封装热应力；

(4)介电常数小，高频特性好，降低器件信号传输时间，提高信号传输速率；

(5)机械强度高，满足器件封装与应用过程中力学性能要求；

(6)耐腐蚀性好，能够耐受强酸、强碱、沸水、有机溶液等侵蚀；

(7)结构致密，满足电子器件气密封装需求。

氮化铝性能如何呢？氮化铝作为陶瓷基板材料其性能如下：

（1）氮化铝的导热率较高，室温时理论导热率最高可达320W/(m·K)，是氧化铝陶瓷的8～10倍，实际生产的热导率也可高达200W/(m·K)，有利于LED中热量散发，提高LED性能；

（2）氮化铝线膨胀系数较小，理论值为4.6×10-6/K，与LED常用材料Si、GaAs的热膨胀系数相近，变化规律也与Si的热膨胀系数的规律相似。另外，氮化铝与GaN晶格相匹配。热匹配与晶格匹配有利于在大功率LED制备过程中芯片与基板的良好结合，这是高性能大功率LED的保障；

（3）氮化铝陶瓷的能隙宽度为6.2eV，绝缘性好，应用于大功率LED时不需要绝缘处理，简化了工艺；

（4）氮化铝为纤锌矿结构，以很强的共价键结合，所以具有高硬度和高强度，机械性能较好。另外，氮化铝具有较好的化学稳定性和耐高温性能，在空气氛围中温度达1000℃下可以保持稳定性，在真空中温度高达1400℃时稳定性较好，有利于在高温中烧结，且耐腐蚀性能满足后续工艺要求。

由以上看来，氮化铝陶瓷具有高热导率、高强度、高电阻率、密度小、低介电常数、无毒、以及与Si 相匹配的热膨胀系数等优异性能，是最具发展前途的一种陶瓷基板材料。

复杂繁琐的生产过程 氮化铝陶瓷基板的生产过程较为复杂繁琐，其主要体现在两个方面，高端氮化铝粉体的制备与基板的制备。我们分别来了解下这两方面。 1、氮化铝粉体 几乎所有的陶瓷制品的质量都极大受到原材料品质的影响，对氮化铝陶瓷基板来说更是如此。 （1）粉体制备方法 目前制备氮化铝粉体的方法主要有Al2O3粉碳热还原法、Al粉直接氮化法、自蔓延高温合成法、化学气相沉积法、等离子体法等。AlN粉体作为一种性能优异的粉体原料，国内外研究者通过不断的科技创新来解决现有工艺存在的技术问题，同时也在不断探索新的、更高效的制备技术。目前最主要的工艺仍是碳热还原法和直接氮化法，这两种工艺具有技术成熟、设备简单、得到产品质量好等特点，已在工业中得到大规模应用。

（来源：蒋周青等.氮化铝粉体制备技术的研究进展） （2）影响粉体性能因素较多 氮化铝陶瓷产品的性能直接取决于原料粉体的特性，尤其是氮化铝最有价值的特性——导热性。影响氮化铝陶瓷导热性的因素主要有：氧及其它杂质的含量、烧结的致密度、显微结构等。而这些因素体现在氮化铝粉体上则为：氮化铝的纯度、颗粒的粒径、颗粒的形状等参数上。 （3）易水解，难存储运输，需对粉体进一步改性处理 相比氮化铝的其它优异性能，氮化铝粉体有个大问题就是容易水解。它在潮湿的环境极易与水中羟基形成氢氧化铝，在AlN粉体表面形成氧化铝层，氧化铝晶格溶入大量的氧，降低其热导率，而且也改变其物化性能，给AlN粉体的应用带来困难。目前的应对方法是，借助化学键或物理吸附作用在AlN颗粒表面涂覆一种物质，使之与水隔离，从而避免其水解反应的发生。抑制水解处理的方法主要有：表面化学改性和表面物理包覆。

2、基板制备 （1）陶瓷基片的成型 流延成型制备氮化铝陶瓷基片的主要工艺，将氮化铝粉料、烧结助剂、粘结剂、溶剂混合均匀制成浆料，通过流延制成坯片，采用组合模冲成标准片，然后用程控冲床冲成通孔，用丝网印刷印制金属图形，将每一个具有功能图形的生坯片叠加，层压成多层陶瓷生坯片，在氮气中约700℃排除粘结剂，然后在1800℃氮气中进行共烧，电镀后即形成多层氮化铝陶瓷。此外，氮化铝基板的成型方式还有注射成型、流延等静压成型等。 （2）关键步骤-烧结 烧结可以说是氮化铝基板制备中至关重要的一步，主要牵扯到烧结方式的选择、烧结温度的控制、烧结助剂的添加、烧结气氛的控制等。 目前AlN基片较常用的烧结工艺一般有5种，即热压烧结、无压烧结、放电等离子烧结(SPS)、微波烧结和自蔓延烧结。AlN陶瓷基片一般采用无压烧结，该烧结方法是一种最普通的烧结，虽然工艺简单、成本较低，但烧结温度一般偏高，在不添加烧结助剂的情况下，一般无法制备高性能陶瓷基片。 在烧结炉中，烧结温度的均匀性深刻影响着AlN陶瓷。烧结温度均匀性的研究也为大批量生产、降低生产成本提供了保障，有利于实现AlN陶瓷基片产品的商业化生产。

对于陶瓷致密烧结，添加助烧剂无疑是最为经济、有效的方法。AlN陶瓷基板可选用的烧结助剂有CaO、Li2O、B2O3、Y2O3、CaF2、CaC2以及CeO2等。这些材料在烧结过程发挥着双重作用，首先与表面的Al2O3结合生成液相铝酸盐，在粘性流动作用下，加速传质，晶粒周围被液相填充，原有的粉料相互接触角度得以调整，填实或者排出部分气孔，促进烧结。同时助烧剂可与氧反应，降低晶格氧含量。 在AlN陶瓷的烧结工艺中，烧结气氛的选择也十分关键的。一般的AlN陶瓷烧结气氛有3种：还原型气氛、弱还原型气氛和中性气氛。还原性气氛一般为CO，弱还原性气氛一般为H2，中性气氛一般为N2。在还原气氛中，AlN陶瓷的烧结时间及保温时间不宜过长，烧结温度不宜过高，以免AlN被还原。在中性气氛中不会出现上述情况，所以一般选择在氮气中烧结，这样可以获得性能更好的AlN陶瓷。   市场状况 在粉体方面，目前掌握高性能氮化铝粉生产技术的厂家并不多，主要分布在日本、德国和美国。日本的德山化工生产的氮化铝粉被全球公认为质量最好、性能最稳定，公司控制着高纯氮化铝全球市场75%的份额。日本东洋铝公司的氮化铝粉性能较好，在日本和中国受到不少客户的青睐。 在国内，开展AlN粉研究、生产的厂家也有一些，主要有中电科第43所、国瓷材料、厦门钜瓷、宁夏艾森达新材料科技有限公司、宁夏时星科技有限公司、烟台同立高科新材料股份有限公司、辽宁德盛特种陶瓷制造有限公司、山东鹏程陶瓷新材料科技有限公司、三河燕郊新宇高新技术陶瓷材料有限公司、福建施诺瑞新材料有限公司、晋江华清新材料科技有限公司等。 但是由于国内氮化铝粉末行业发展时间晚，产业化时间短，产量很低，粉体性能与国外相比也存在较大差距，只能满足国内部分市场的需求。 而在陶瓷基片方面，我国氮化铝陶瓷基片生产企业规模较小，研发投入资金有限，技术人员较少且经验不足，导致我国氮化铝陶瓷基片行业整体水平较低，产品缺乏竞争力，以中低端产品为主，高端氮化铝基片同样依赖于进口。日本有多家企业研发和生产氮化铝陶瓷基片，是全球最大的氮化铝陶瓷基片生产国，主要研发生产氮化铝陶瓷基片产品的公司包括如京瓷、日本特殊陶业、住友金属工业、富士通、东芝、日本电气等。由于氮化铝陶瓷基片的特殊技术要求，加上设备投资大、制造工艺复杂，高端氮化铝陶瓷基片核心制造技术被日本等国家的几个大公司掌控。 目前我国在加力追赶阶段，国内已有福建华清电子材料科技有限公司、中电科四十三所、三环集团、河北中瓷、合肥圣达电子、浙江正天新材料、深圳市佳日丰泰电子、宁夏艾森达、宁夏时星、福建臻璟、江苏富乐德、南京中江等多个企业实现了氮化铝陶瓷基板的国产化，随着中国下游电子产业的不断发展，未来氮化铝基板的市场需求也会随之增长；此外，随着我国氮化铝基板生产技术的不断提升，氮化铝基板产品也将不断升级，将会进一步推动其应用领域的拓展，需求规模也会得到扩张。整体来看，未来中国氮化铝基板行业发展前景十分广阔。

参考来源：

[1]程 浩，陈明祥等.电子封装陶瓷基板

[2]蒋周青等.氮化铝粉体制备技术的研究进展

[3]刘战伟等.氮化铝粉末的制备方法及影响因素

[4]李友芬等.AlN陶瓷烧结技术研究进展

[5]张云等.高导热氮化铝陶瓷烧结技术研究进展

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附 集成电路封装基板工艺详解

编辑：黄飞