9

粘结剂：
PVB(聚乙烯醇聚丁醛树脂）

分散剂：
DBP（邻苯二甲酸二丁酯）、鱼油、合成油

烧成温度：
1500-1600 º C

气氛：
加湿H2、H2-N2、NH3的分解混合气
10
(b) Al2O3陶瓷金属化

共烧法 厚膜法 薄膜法 难熔金属法
难熔金属法
厚膜法
薄膜法
共烧法
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(c) Al2O3基板表面金属化 — 难熔金属法

4
a-Al2O3

Al3+与O2-之间为强固的离子键； O2-阴离子近似于密排六方排列； Al3+阳离子占据了2/3的八面体空 隙位置，即每个Al3+位于6个O2-构 成的八面体的中心; a-Al2O3结构的填充极为密实，其 物理性能，化学性能稳定， 具有 密度高、机械强度大等特性。
②热导率/(W/m· K) ③绝缘耐压/(kV/mm)
④r
⑤莫氏硬度 ⑥表观密度/(103kg/m3)
⑦弹性模量/105MPa
⑧比热容/(10-1kcal/kg· º C) Al2O3% ⑨tan/10-4
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厚膜混合IC用基板 表面粗糙度，价格 、与布线导体结合力; 常用96wt%的Al2O3基板。

薄厚膜混合IC用基板
厚度几百nm以下，薄膜的物理性能、电气性能受表面 粗糙度影响很大; 保证表面平滑，表面被覆玻璃釉（几十微米）。

薄膜混合IC用基板
纯度99%以上，表面粗糙度小
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(b) LSI用基板

同时烧成技术制作的LSI封装，气密性好、可靠性高；
机械强度高、热导率高，在多端子、细引脚节距、高
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液相的流动性要好，烧结后期在AlN晶粒生长过程的 驱动下向三角晶界处流动，而不致于在AIN晶粒间形 成热阻层。

进一步的在烧结的过程中能够从三角晶界处流向基板 表面，从而净化AlN的晶界;

助烧剂最好不与AlN发生反应，否则产生晶格缺陷，
难以形成AlN完整晶形。

助烧剂：碱土金属或稀土金属的氧化物、氟化物等， 如Y2O3、CaO、CaF2等。



25

AlN的热导率理论值：320 W／(m· K）；实际值：< 200 W／(m· K）;

AlN主要靠声子传热，在热传输过程中，晶体中的缺 陷、晶界、气孔、电子以及声子本身都会产生声子散 射，从而影响A1N基板的热导率;

声子散射对热导率K的影响关系式为:
K =1/3cvl
c: 比热容；v = 声子运动速度； l: 声子平均自由程
一；

机械强度、热导率比Al2O3低；
介电常数比Al2O3低，有利提高传输速度；


制造、金属化方法与Al2O3基本相同；
21
日立公司开发莫来石用于多层电路板；
导体层：W，44层
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3、氮化铝基板
（1） AlN 陶瓷性质

热导率高（> Al2O3）
热膨胀系数与Si匹配 (适用高密度封装、MCM)
第三章 陶瓷基板制造技术
第一节 陶瓷基板概论
1、陶瓷基板具备条件 2、陶瓷基板的制造方法 3、流延成型工艺 4、陶瓷基板的金属化 第二节 各类陶瓷基板
1、氧化铝基板2、莫来石基板
3、氮化铝基板4、碳化硅基板 5、氧化铍基板
1
1、氧化铝基板
（1）Al2O3陶瓷的基本性质

优良的机械强度；
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为了提高AlN的热导率：
必须对陶瓷的微结构进行控制，排除点阵畸变、位
错、层错、非平衡点缺陷等晶体缺陷，尽量保证晶
体的完整性； 减少气孔、第二相析出。
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(3) AlN 粉的制备

电子级AlN粉要求纯度高、烧结性活性好； AlN粉中的杂质特别是氧的含量，对陶瓷基板的性能 有显著影响；氧含量提高会严重降低基板的热导率；

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(4) AlN 基板的制造

AlN自扩散系数小 常压下2440℃升华
常规烧结

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(a) 使用超细粉制备基板：

纳米尺度的颗粒，在比该材料的熔化温度低的条件下 熔融。颗粒的尺度越小，熔化温度越低。在超细状态 下的AlN粉可以在比它的升华温度低得多的时候完成
烧结。

受粉体的性能影响较大，如果小粒径的AlN粉没有达

此外，在表面电镀Ni、Au、Ag等，改善导体膜的 焊接性能。
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MnO -Al2O3系相图
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经Mo-Mn法处理的Al2O3基板焊接截面结构
焊料 Ni电镀层 Mo-Mn 中间层（MnO · Al2O3） Al2O3基板
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（6）Al2O3 陶瓷基板的应用
(a) 混合集成电路用基板
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①抗弯强度/10M

散热性等高密度封装中，Al2O3基板作用重大。
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(c) 多层电路基板
IBM308X, TCM，
基板：90mm × 90mm,
布线：共烧Mo； L：120 m
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NEC, 100 mm 100mm, PI布线; PI介电常数低，提高信号传输速度。
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2、莫来石基板

3Al2O3 · 2SiO2, 是Al2O3-SiO2体系最稳定晶相之
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(b) Al2O3碳热还原法：
Al2O3 + N2 + 3C → 2AlN + 3CO

两步完成:
第一步由C还原生成气相中间产物Al(g)、
Al2O (g)；第二步氮化生成AlN；

常加入CaO、CaF2、Y2O3等作为催化剂；有效地降低
活化能，提高反应速率；

加适当过量的碳，既能加快反应速率，提高转换率，
也有助于控制粉末团聚，获得理想的粒径分布；

AlN粉的纯度较高，成型和烧结性能都比较好； 缺点：合成温度高，反应时间长，颗粒度比较大。
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Al2O3碳热还原机理：
C还原Al2O3 Al2O3(s) + 3C(s) 2Al(g) + 3CO(g) Al2O3(s) + 2C(s) Al2O(g) + 2CO(g) 2Al(g) + N2(g) 2AlN(s) [或 Al2O(g) + N2(g) + C(s) 2AlN(s) + CO(g) ]

通过点阵或晶格振动，即借助晶格波或热波进行 热传递; 载热声子通过结构基元(原子、离子或分子)间进行 相互制约、相互协调的振动来实现热的传递； 如果晶体为具有完全理想结构的非弹性体，则热 可以自由地由晶体的热端不受任何干扰和散射向 冷端传递，热导率可以达到很高的数值； 热导率主要由晶体缺陷和声子自身对声子散射控 制。
23
AlN晶体结构


a = 0.31 nm; c = 0.498 nm;
属六方晶系，是以【AlN4】四方体 为结构单元的纤维矿型； 共价键化合物； AIN晶体呈白色或灰色； 常压下分解温度为2 200～2 450℃； 理论密度为3.26 g／cm3。
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(2) AlN 的导热机理
良好导热特性，适用于高温环境；
具有耐抗侵蚀和磨耗性；
高电气绝缘特性。
2

良好表面特性，提供优异平面度与平坦度； 抗震效果佳； 低曲翘度； 高温环境下稳定性佳； 可加工成各种复杂形状。
3
（2）Al2O3晶体结构

具有多种同质异晶体; a(三方)、b(六方)、g(四方)、h(ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ轴)、r(晶系 未定)、χ (六方)、κ(六方)、δ(四方)、θ(单斜)Al2O3等10多种变体； 主要有a(三方)、b(六方)、g(四方)相； a-Al2O3为高温稳定相，工业上使用最多。
到一定的含量，是无法在设定的温度下完成烧结;

生产大量的纳米状态的AlN粉会提高生产成本; 需要解决超细粉的团聚问题，（给后续工艺带来一定 的困难，比如流延成型等）。
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(b) 热压(或热等静压)烧结法：

用于制造高性能的块体AlN陶瓷材料的制备;
工艺条件复杂，不适合进行批量生产；


只能制作简单形状的瓷体，并且共烧基板采用这种工




直接键合铜金属化;
AlN-W共烧金属化。

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(6) AlN 基板的应用 (a) LSI封装
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(b) 超高频（VHF)频带功率放大器模块
散热基板结构剖面
(c) 大功率器件、激光二极管基板
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4、碳化硅(SiC)基板
(1) SiC基板的特性

热扩散系数大（> 铜1.1cm2/s); 热膨胀系数与Si更加接近; 缺点：

Al2O3分解 2Al2O3(s) 4Al(g) + 3O2(g) 2C(s) + O2(g) 2CO(g) 2Al(g) + N2(g) 2AlN(s)

CO还原氧化铝 Al2O3(s) + 2CO(g) Al2O(g) + 2CO(g) Al2O(g) + 2CO(g) + N2(g) 2AlN(s) + CO(g)
艺会受到很大的局限性，无法用于电子封装基板的生 产。
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(c) 常压烧结法：
助烧剂
选择原则:

在较低的温度与AlN颗粒表层的A12O3发生共溶，形
成液相，这样才能降低烧结温度;

产生的液相对AlN颗粒能够具有良好润湿性，有效起 到烧结作用;