厚膜混合集成电路#课堂课件

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1、第二章第二章 厚膜元件与材料厚膜元件与材料2.1 2.1 厚膜基板厚膜基板2.2 2.2 厚膜导体与材料厚膜导体与材料2.3 2.3 厚膜电阻及材料厚膜电阻及材料 2.4 2.4 厚膜介质材料厚膜介质材料2.5 2.5 厚膜铁氧体磁性材料及厚膜电感器厚膜铁氧体磁性材料及厚膜电感器2.6 2.6 其他厚膜材料其他厚膜材料1上课课件#2.1 2.1 厚膜基板厚膜基板一、基板的作用与要求一、基板的作用与要求 1. 1. 作用作用承载作用：厚膜元件、外贴元器件、互承载作用：厚膜元件、外贴元器件、互连导体以及整个电路；连导体以及整个电路；绝缘作用：提供元器件之间的电绝缘；绝缘作用：提供元器件之间的电绝缘

2、；导热、散热作用：将元器件工作时产生导热、散热作用：将元器件工作时产生的热量即时散发出去；的热量即时散发出去；2上课课件#3上课课件#4上课课件# 2 2、要求、要求基板的性能对厚膜元件和整个电路性能、工艺基板的性能对厚膜元件和整个电路性能、工艺有很大的影响，特别在可靠性和工艺重现性等有很大的影响，特别在可靠性和工艺重现性等方面关系十分密切。方面关系十分密切。基板要求基板要求: : 1 1）表面性能）表面性能 表面平整、光滑，具有适当的表面光洁度。表面平整、光滑，具有适当的表面光洁度。 2 2）电性能）电性能 v v 、s s 高，高，tgtg小，保证绝缘性能。小，保证绝缘性能。5上课课件#3

3、 3）热性能）热性能 导热性高导热性高 基板的热膨胀系数应与电路所用的材料相基板的热膨胀系数应与电路所用的材料相 匹配。匹配。4 4）机械性能）机械性能 机械强度和硬度高机械强度和硬度高-能经受机械振动、冲能经受机械振动、冲 击和热冲击击和热冲击 良好的加工性能良好的加工性能-切割、加工和钻孔等切割、加工和钻孔等 6上课课件#5 5）化学性能）化学性能 化学稳定性高化学稳定性高-不受各种化学试剂和溶剂不受各种化学试剂和溶剂 的影响。的影响。 与电路材料有很好的相容性。与电路材料有很好的相容性。6 6）其他性能）其他性能 耐高温，经受多次高温烧结不变形耐高温，经受多次高温烧结不变形; ; 成本要

4、低成本要低; ; 重量轻重量轻; ;7上课课件#二、常用的基板材料二、常用的基板材料 常用基板种类：常用基板种类： 陶瓷基板；陶瓷基板； 金属（包括金属芯型）基板；金属（包括金属芯型）基板； 树脂基板；树脂基板；8上课课件#氧化铝陶瓷基板氧化铝陶瓷基板金属基板9上课课件#树脂基板树脂基板10上课课件# 1 1、陶瓷基板：、陶瓷基板： 优点优点：耐高温（：耐高温（10001000），热胀系数小，导热性），热胀系数小，导热性 好，绝缘强度高。好，绝缘强度高。 缺点缺点：脆、易碎。：脆、易碎。 种类种类：氧化铝陶瓷（：氧化铝陶瓷（AlAl2 2O O3 3）、氧化铍（）、氧化铍（BeOBeO）、）、

5、 氮化铝（氮化铝（AlNAlN）、碳化硅）、碳化硅 （SiCSiC）、多层陶）、多层陶 瓷基板。瓷基板。11上课课件#1 1）氧化铝基板：）氧化铝基板： 主要成分主要成分AlAl2 2O O3 3 ，AlAl2 2O O3 3含量越高，基板性能含量越高，基板性能（电性能、机械强度、表面光洁度等）越好。但烧（电性能、机械强度、表面光洁度等）越好。但烧结温度高、价格贵。结温度高、价格贵。 厚膜电路一般采用厚膜电路一般采用9494AlAl2 2O O3 3瓷（晶粒尺寸瓷（晶粒尺寸3 35 5m m）。）。 8585瓷和瓷和7575瓷性能较前者稍差，但成本较低，所瓷性能较前者稍差，但成本较低，所以目前

6、国内外也有采用。以目前国内外也有采用。12上课课件#氧化铝基板的性能13上课课件#热导率和氧化铝含量的关系14上课课件#优点：优点：价格适中；价格适中；各种性能基本满足厚膜电路的要求；各种性能基本满足厚膜电路的要求；与厚膜混合集成电路相容性比较好，目前使与厚膜混合集成电路相容性比较好，目前使用最广泛；用最广泛；缺点：缺点：热导率没有热导率没有氧化铍基板氧化铍基板、氮化铝基板高。、氮化铝基板高。15上课课件#2 2）氧化铍基板：）氧化铍基板： 优点：优点：热导率高（常温下热导率高（常温下2.64J/cm2.64J/cm s s），仅次），仅次于银、铜、金与铝相近，为氧化铝的于银、铜、金与铝相近，

7、为氧化铝的1010倍；倍；体积电阻率大；体积电阻率大；介电系数小、高频下损耗小、适于高频、大功介电系数小、高频下损耗小、适于高频、大功率电路；率电路；能与大多数厚膜浆料相容。能与大多数厚膜浆料相容。 16上课课件#缺点：缺点： 粉末有毒，价格较贵、机械强度不如氧化铝。粉末有毒，价格较贵、机械强度不如氧化铝。 如果不考虑成本和毒性，氧化铍是一种理想的基如果不考虑成本和毒性，氧化铍是一种理想的基 片材料。片材料。 17上课课件#密度（g/cm3)2.95抗弯强度(N/cm2)18620热胀系数(10-6)8.5热导率(J/cm）2.64介电常数(J/cm）6.8介电损耗（ 10- ）2体电阻率（

8、cm）1017 （25）绝缘强度（/cm）与基板的厚度有关最高使用温度(）1800氧化铍（.）基板的性能18上课课件#氧化铍陶瓷有氧化铍陶瓷有负的电阻率温负的电阻率温度系数。度系数。99.5%99.5%氧化铍电阻率与温度的关系氧化铍电阻率与温度的关系19上课课件#20上课课件#3 3）氮化铝基板）氮化铝基板 是一种新型陶瓷基板。是一种新型陶瓷基板。优点：优点：热热导率高（与导率高（与99.5%BeO99.5%BeO陶瓷大致相同，为氧化铝陶瓷大致相同，为氧化铝 的的8 81010倍）；倍）；热导率与温度的关系比氧化铍瓷小；热导率与温度的关系比氧化铍瓷小；抗弯强度大、硬度小、机械加工比较容易（抗弯

9、抗弯强度大、硬度小、机械加工比较容易（抗弯强度比氧化铝大但硬度仅为氧化铝的一半）；强度比氧化铝大但硬度仅为氧化铝的一半）；21上课课件#热胀系数比氧化铍小（热胀系数比氧化铍小（4.4ppm/4.4ppm/），与），与SiSi接近，接近， 这有利于组装大规模这有利于组装大规模ICIC芯片；芯片；与与AuAu、Ag-PdAg-Pd和和CuCu浆料的相容性较好，可作高频、浆料的相容性较好，可作高频、 大功率电路基板，还适于高密度、大功率的微波大功率电路基板，还适于高密度、大功率的微波 电路以及大规模厚膜电路以及大规模厚膜ICIC。缺点：缺点： 成本高；对杂质含量敏感；成本高；对杂质含量敏感；22上课

10、课件#AlNAl2O3BeO密度（g/cm3)3.33.92.9抗弯强度(N/cm2)392002352018620热胀系数(10-6)4.57.3 8热导率(J/cm）11.60.22.51介电常数(J/cm）8.88.56.5介电损耗（ 10- ）51035体电阻率（/cm）1011011014绝缘强度（/cm）140170 100 100氧化铝、氧化铍、氮化铝基板性能比较23上课课件#氧化铝、氮化铝、氧化铍的热导率与温度的关系氧化铝、氮化铝、氧化铍的热导率与温度的关系24上课课件# 几种陶瓷基板热膨胀系数的比较几种陶瓷基板热膨胀系数的比较25上课课件#4 4）碳化硅基板：）碳化硅基板：

11、以以-SiC-SiC为主，掺以微量为主，掺以微量 BeO (0.1-0.35%)BeO (0.1-0.35%)的新型基板。的新型基板。 优点：优点：热导率是金属铝的热导率是金属铝的1.21.2倍，比倍，比BeOBeO瓷还要高，瓷还要高，从热扩散系数、热容量看该基板传热比从热扩散系数、热容量看该基板传热比CuCu还还要好。要好。 SiCSiC基板的抗弯强度为基板的抗弯强度为44100N/44100N/2 2与氧化铝相与氧化铝相近。近。26上课课件#热胀系数与单晶硅几乎相同，所以适合组热胀系数与单晶硅几乎相同，所以适合组装大规模装大规模ICIC芯片。芯片。缺点缺点 体积电阻率比氧化铝和氧化铍低。体

12、积电阻率比氧化铝和氧化铍低。 介电系数高，因此高频性能不如氧化铝。介电系数高，因此高频性能不如氧化铝。27上课课件#新型SiC陶瓷与其它材料的性能比较 性能材料热导率(J/cm)体电阻率（/cm）热胀系数0400(10-6/ )介电常数（室温，1MHz）新型SiC陶瓷2.71410133.740一般SiC陶瓷0.6710134.2-BeO陶瓷2.41101386.8Al2O3陶瓷0.1710146.88.5Si单晶1.283.54.011928上课课件#5 5）多层陶瓷基板：）多层陶瓷基板： 为了提高组装密度，使电路高密度化、小型化、为了提高组装密度，使电路高密度化、小型化、高速化而研制的陶瓷

13、基板（多为氧化铝瓷）。高速化而研制的陶瓷基板（多为氧化铝瓷）。 多层化的方法有三种：多层化的方法有三种： 29上课课件# a. a.厚膜多层法：厚膜多层法： 在氧化铝基板上交替印烧导体（在氧化铝基板上交替印烧导体（AuAu、Ag-PdAg-Pd等）和等）和 介质浆料。介质浆料。特点：特点： 制造灵活性大制造灵活性大; ; 可在空气中烧结，温度可在空气中烧结，温度1000;1000; 层内含电阻、电容等，制造过程容易实现自动层内含电阻、电容等，制造过程容易实现自动 化。化。 缺点：缺点： 制作微细线困难，层数也不能太多；制作微细线困难，层数也不能太多； 可焊性、密封性不如其它二种方法。可焊性、密

14、封性不如其它二种方法。 30上课课件#厚膜电路底层布图 厚膜电路介质层布图 31上课课件#厚膜电路顶层布图32上课课件#b.b.印刷多层法：印刷多层法： 将与生基板成分相同的氧化铝制成浆料；将与生基板成分相同的氧化铝制成浆料； 交替在氧化铝基板上交替在氧化铝基板上印刷和干燥印刷和干燥 MoMo、W W等导等导 体以及氧化铝介质浆料；体以及氧化铝介质浆料； （此时各层间的印刷导体就可以通过层间的通孔（此时各层间的印刷导体就可以通过层间的通孔实现层间连接）。实现层间连接）。 在在1500150017001700的还原气氛中烧成；的还原气氛中烧成； 在烧成导体部分镀在烧成导体部分镀NiNi、AuAu

15、形成焊接区；形成焊接区；33上课课件#c. c. 生基板叠层法：生基板叠层法： 在生基板上冲好通孔；在生基板上冲好通孔； 在生基板上印刷在生基板上印刷MoMo、W W等导体；等导体； 重叠所需层数，在重叠所需层数，在490-1470N/cm490-1470N/cm2 2压力和压力和80 80 150 150下叠压；下叠压； 在在1500-17001500-1700的还原气氛中烧成。的还原气氛中烧成。 在烧结过程中，薄片里的在烧结过程中，薄片里的SiOSiO2 2、CaOCaO、MgOMgO扩散扩散到导体层中形成中间层，从而可得牢固的结合强度到导体层中形成中间层，从而可得牢固的结合强度 34上课

16、课件#优点：优点：（后两种二种方法）（后两种二种方法） 利用生基板有柔软性、容易吸收有机溶剂的特利用生基板有柔软性、容易吸收有机溶剂的特 性，可印出高分辨率的微细线，容易实现多性，可印出高分辨率的微细线，容易实现多 层化和高密度布线。层化和高密度布线。 由于导体和绝缘层烧结成整体，所以密封性由于导体和绝缘层烧结成整体，所以密封性 好，可靠性高。好，可靠性高。缺点：缺点： 设计灵活性不如厚膜多层法，烧结温度也偏高。设计灵活性不如厚膜多层法，烧结温度也偏高。 35上课课件#2.2.金属基板金属基板 陶瓷基板缺点：脆、易碎。陶瓷基板缺点：脆、易碎。 不易制成大面积的基板，为此开发了金不易制成大面积的

17、基板，为此开发了金属基板。属基板。 金属基板：金属基板：在金属板（主要是钢板和铝板）在金属板（主要是钢板和铝板） 上涂复绝缘膜而成。上涂复绝缘膜而成。36上课课件#金属铝基板37上课课件# 优点：价格比陶瓷低；优点：价格比陶瓷低； 散热性良好；散热性良好； 加工和成形简单，可用于通孔连接；加工和成形简单，可用于通孔连接； 缺点：通孔周围和基板边缘的釉层会凸起，影响缺点：通孔周围和基板边缘的釉层会凸起，影响 印刷；印刷； 釉层中的碱离子也会发生迁移；釉层中的碱离子也会发生迁移； 工作温度低工作温度低 600600 分类：分类：38上课课件# 1 1）涂釉钢板）涂釉钢板 低碳钢上涂敷玻璃釉层，低碳

18、钢上涂敷玻璃釉层，850850烧成烧成 39上课课件#2 2）金属芯基板：）金属芯基板： 40上课课件#3 3）衬铜金属基板：）衬铜金属基板： 41上课课件#4 4）绝缘金属基板（）绝缘金属基板（IMSTIMST基板）基板） 42上课课件# 3 3、树脂基板、树脂基板 分类：分类：硬质硬质树脂基板树脂基板 柔性柔性树脂基板树脂基板硬质板的主要材料：纸酚醛树脂、纸环氧硬质板的主要材料：纸酚醛树脂、纸环氧树脂、玻璃环氧树脂。树脂、玻璃环氧树脂。柔性板主要材料：聚酯、聚酰亚胺、玻璃柔性板主要材料：聚酯、聚酰亚胺、玻璃环氧树脂等。环氧树脂等。43上课课件#44上课课件#优点：优点： 加工简便；加工简便

19、； 成本低；成本低；可电镀制作细线，适于自动化生产。可电镀制作细线，适于自动化生产。缺点：缺点：耐热性差；耐热性差；热冲击性差；热冲击性差； 高温下的化学稳定性差。高温下的化学稳定性差。45上课课件#各种树脂基板的特性 性能材料体积电阻率 cm介电常数 耐热性/min热导率J/cm尺寸精度 %纸酚醛树脂1013-10144.2-4.8130/30-0.1纸环氧树脂1013-10144.3-4.8130/30-0.1耐热玻璃环氧树脂51015-164.6-5.0300/30S2.910-30.05玻璃聚酰亚胺31015-164.6-5.0300/2-0.04聚酯410153.1130/240-0.246上课课件#小结小结 掌握厚膜基板种类、作用、基本要求、掌握厚膜基板种类、作用、基本要求、各类基板的主要性能。各类基板的主要性能。47上课课件# 作作 业业 1 1、基板在厚膜电路中起什么作用？基板、基板在厚膜电路中起什么作用？基板 的性能对电路有什么影响？的性能对电路有什么影响？2 2、厚膜电路中使用的基板有哪些、厚膜电路中使用的基板有哪些? ?各有各有 什么特点？什么特点？48上课课件#49上课课件#