一文詳解集成電路封裝基板工藝

隨著信息技術革命的到來，集成電路產業飛速發展，電子系統集成度的提高將導致功率密度升高，以及電子元件和系統整體工作產生的熱量增加，因此，有效的電子封裝必須解決電子系統的散熱問題。 在此背景下，陶瓷基板具備優良的散熱性能使得市場對其需求快速爆發，尤其是氮化鋁陶瓷基板產品，盡管價格遠高于其它基板，仍是供不應求甚至“一片難求”，這是為什么呢？

原因很簡單，小編認為有三點：其一，性能好，用起來“香”，物有所值，在某些領域無法替代，一分錢一分貨的道理大家都懂。其二，生產過程”歷經八十一難”，得之不易，對原材料要求高，制品制備工藝復雜，生產門檻較高。其三，市場發展迅速，產能擴張速度跟不上需求增速，供貨周期長，價格自然水漲船高。今天我們就這三點進一步了解氮化鋁陶瓷基板。 出色的導熱性能 首先，封裝基板主要利用材料本身具有的高熱導率，將熱量從芯片 (熱源) 導出，實現與外界環境的熱交換。對于功率半導體器件而言，封裝基板必須滿足以下要求：

(1)熱導率高，滿足器件散熱需求；

(2)耐熱性好，滿足功率器件高溫(大于200°C)應用需求；

(3)熱膨脹系數匹配，與芯片材料熱膨脹系數匹配，降低封裝熱應力；

(4)介電常數小，高頻特性好，降低器件信號傳輸時間，提高信號傳輸速率；

(5)機械強度高，滿足器件封裝與應用過程中力學性能要求；

(6)耐腐蝕性好，能夠耐受強酸、強堿、沸水、有機溶液等侵蝕；

(7)結構致密，滿足電子器件氣密封裝需求。

氮化鋁性能如何呢？氮化鋁作為陶瓷基板材料其性能如下：

（1）氮化鋁的導熱率較高，室溫時理論導熱率最高可達320W/(m·K)，是氧化鋁陶瓷的8～10倍，實際生產的熱導率也可高達200W/(m·K)，有利于LED中熱量散發，提高LED性能；

（2）氮化鋁線膨脹系數較小，理論值為4.6×10-6/K，與LED常用材料Si、GaAs的熱膨脹系數相近，變化規律也與Si的熱膨脹系數的規律相似。另外，氮化鋁與GaN晶格相匹配。熱匹配與晶格匹配有利于在大功率LED制備過程中芯片與基板的良好結合，這是高性能大功率LED的保障；

（3）氮化鋁陶瓷的能隙寬度為6.2eV，絕緣性好，應用于大功率LED時不需要絕緣處理，簡化了工藝；

（4）氮化鋁為纖鋅礦結構，以很強的共價鍵結合，所以具有高硬度和高強度，機械性能較好。另外，氮化鋁具有較好的化學穩定性和耐高溫性能，在空氣氛圍中溫度達1000℃下可以保持穩定性，在真空中溫度高達1400℃時穩定性較好，有利于在高溫中燒結，且耐腐蝕性能滿足后續工藝要求。

由以上看來，氮化鋁陶瓷具有高熱導率、高強度、高電阻率、密度小、低介電常數、無毒、以及與Si 相匹配的熱膨脹系數等優異性能，是最具發展前途的一種陶瓷基板材料。

復雜繁瑣的生產過程 氮化鋁陶瓷基板的生產過程較為復雜繁瑣，其主要體現在兩個方面，高端氮化鋁粉體的制備與基板的制備。我們分別來了解下這兩方面。 1、氮化鋁粉體 幾乎所有的陶瓷制品的質量都極大受到原材料品質的影響，對氮化鋁陶瓷基板來說更是如此。 （1）粉體制備方法 目前制備氮化鋁粉體的方法主要有Al2O3粉碳熱還原法、Al粉直接氮化法、自蔓延高溫合成法、化學氣相沉積法、等離子體法等。AlN粉體作為一種性能優異的粉體原料，國內外研究者通過不斷的科技創新來解決現有工藝存在的技術問題，同時也在不斷探索新的、更高效的制備技術。目前最主要的工藝仍是碳熱還原法和直接氮化法，這兩種工藝具有技術成熟、設備簡單、得到產品質量好等特點，已在工業中得到大規模應用。

（來源：蔣周青等.氮化鋁粉體制備技術的研究進展） （2）影響粉體性能因素較多 氮化鋁陶瓷產品的性能直接取決于原料粉體的特性，尤其是氮化鋁最有價值的特性——導熱性。影響氮化鋁陶瓷導熱性的因素主要有：氧及其它雜質的含量、燒結的致密度、顯微結構等。而這些因素體現在氮化鋁粉體上則為：氮化鋁的純度、顆粒的粒徑、顆粒的形狀等參數上。 （3）易水解，難存儲運輸，需對粉體進一步改性處理 相比氮化鋁的其它優異性能，氮化鋁粉體有個大問題就是容易水解。它在潮濕的環境極易與水中羥基形成氫氧化鋁，在AlN粉體表面形成氧化鋁層，氧化鋁晶格溶入大量的氧，降低其熱導率，而且也改變其物化性能，給AlN粉體的應用帶來困難。目前的應對方法是，借助化學鍵或物理吸附作用在AlN顆粒表面涂覆一種物質，使之與水隔離，從而避免其水解反應的發生。抑制水解處理的方法主要有：表面化學改性和表面物理包覆。

2、基板制備 （1）陶瓷基片的成型 流延成型制備氮化鋁陶瓷基片的主要工藝，將氮化鋁粉料、燒結助劑、粘結劑、溶劑混合均勻制成漿料，通過流延制成坯片，采用組合模沖成標準片，然后用程控沖床沖成通孔，用絲網印刷印制金屬圖形，將每一個具有功能圖形的生坯片疊加，層壓成多層陶瓷生坯片，在氮氣中約700℃排除粘結劑，然后在1800℃氮氣中進行共燒，電鍍后即形成多層氮化鋁陶瓷。此外，氮化鋁基板的成型方式還有注射成型、流延等靜壓成型等。 （2）關鍵步驟-燒結 燒結可以說是氮化鋁基板制備中至關重要的一步，主要牽扯到燒結方式的選擇、燒結溫度的控制、燒結助劑的添加、燒結氣氛的控制等。目前AlN基片較常用的燒結工藝一般有5種，即熱壓燒結、無壓燒結、放電等離子燒結(SPS)、微波燒結和自蔓延燒結。AlN陶瓷基片一般采用無壓燒結，該燒結方法是一種最普通的燒結，雖然工藝簡單、成本較低，但燒結溫度一般偏高，在不添加燒結助劑的情況下，一般無法制備高性能陶瓷基片。在燒結爐中，燒結溫度的均勻性深刻影響著AlN陶瓷。燒結溫度均勻性的研究也為大批量生產、降低生產成本提供了保障，有利于實現AlN陶瓷基片產品的商業化生產。

對于陶瓷致密燒結，添加助燒劑無疑是最為經濟、有效的方法。AlN陶瓷基板可選用的燒結助劑有CaO、Li2O、B2O3、Y2O3、CaF2、CaC2以及CeO2等。這些材料在燒結過程發揮著雙重作用，首先與表面的Al2O3結合生成液相鋁酸鹽，在粘性流動作用下，加速傳質，晶粒周圍被液相填充，原有的粉料相互接觸角度得以調整，填實或者排出部分氣孔，促進燒結。同時助燒劑可與氧反應，降低晶格氧含量。在AlN陶瓷的燒結工藝中，燒結氣氛的選擇也十分關鍵的。一般的AlN陶瓷燒結氣氛有3種：還原型氣氛、弱還原型氣氛和中性氣氛。還原性氣氛一般為CO，弱還原性氣氛一般為H2，中性氣氛一般為N2。在還原氣氛中，AlN陶瓷的燒結時間及保溫時間不宜過長，燒結溫度不宜過高，以免AlN被還原。在中性氣氛中不會出現上述情況，所以一般選擇在氮氣中燒結，這樣可以獲得性能更好的AlN陶瓷。 ? 市場狀況 在粉體方面，目前掌握高性能氮化鋁粉生產技術的廠家并不多，主要分布在日本、德國和美國。日本的德山化工生產的氮化鋁粉被全球公認為質量最好、性能最穩定，公司控制著高純氮化鋁全球市場75%的份額。日本東洋鋁公司的氮化鋁粉性能較好，在日本和中國受到不少客戶的青睞。在國內，開展AlN粉研究、生產的廠家也有一些，主要有中電科第43所、國瓷材料、廈門鉅瓷、寧夏艾森達新材料科技有限公司、寧夏時星科技有限公司、煙臺同立高科新材料股份有限公司、遼寧德盛特種陶瓷制造有限公司、山東鵬程陶瓷新材料科技有限公司、三河燕郊新宇高新技術陶瓷材料有限公司、福建施諾瑞新材料有限公司、晉江華清新材料科技有限公司等。但是由于國內氮化鋁粉末行業發展時間晚，產業化時間短，產量很低，粉體性能與國外相比也存在較大差距，只能滿足國內部分市場的需求。而在陶瓷基片方面，我國氮化鋁陶瓷基片生產企業規模較小，研發投入資金有限，技術人員較少且經驗不足，導致我國氮化鋁陶瓷基片行業整體水平較低，產品缺乏競爭力，以中低端產品為主，高端氮化鋁基片同樣依賴于進口。日本有多家企業研發和生產氮化鋁陶瓷基片，是全球最大的氮化鋁陶瓷基片生產國，主要研發生產氮化鋁陶瓷基片產品的公司包括如京瓷、日本特殊陶業、住友金屬工業、富士通、東芝、日本電氣等。由于氮化鋁陶瓷基片的特殊技術要求，加上設備投資大、制造工藝復雜，高端氮化鋁陶瓷基片核心制造技術被日本等國家的幾個大公司掌控。目前我國在加力追趕階段，國內已有福建華清電子材料科技有限公司、中電科四十三所、三環集團、河北中瓷、合肥圣達電子、浙江正天新材料、深圳市佳日豐泰電子、寧夏艾森達、寧夏時星、福建臻璟、江蘇富樂德、南京中江等多個企業實現了氮化鋁陶瓷基板的國產化，隨著中國下游電子產業的不斷發展，未來氮化鋁基板的市場需求也會隨之增長；此外，隨著我國氮化鋁基板生產技術的不斷提升，氮化鋁基板產品也將不斷升級，將會進一步推動其應用領域的拓展，需求規模也會得到擴張。整體來看，未來中國氮化鋁基板行業發展前景十分廣闊。