氮化铝(AlN)陶瓷具有高热导率、低介电常数、高强度、高硬度、无毒性、热膨胀系数与Si相近等良好的物理性能,且具有优异的化学稳定性和耐腐蚀性能,采用氮化铝作为介质隔离材料制备的AlN多层布线共烧基板,是大功率模块、大规模集成电路的理想散热和封装材料。
一、氮化铝共烧基板的制造工艺
氮化铝高温共烧多层基板(High Temperature Co-Fired Ceramic,HTCC)的制造工艺流程是在AlN粉中加入烧结助剂、添加剂等进行混合制成陶瓷浆料,通过流延成型工艺,制备出AlN生瓷片,将预先设计好的电路通过打孔、填空,印刷等方式用金属浆料制作到生瓷片上,然后再经过叠层、高温烧结等工艺最终制程高导热高密度的陶瓷基板。主要制造流程如下图所示:
由于高导热率的AlN陶瓷一般只能在高温(1600℃以上)烧成,一般的贵金属导体如Pd-Ag、Au等不适合作AlN的共烧导体,只能采用钨W(熔点3400℃)、钼Mo(熔点2623°C)等高熔点金属作为AlN的共烧导体。钨、钼浆料的焊接性能差,需要在表层镀镍钯金增加焊接能力,进行后续装配。高温共烧是制作AlN多层陶瓷基板的关键工艺,对AlN多层陶瓷基板的平整性、金属导体的附着性及方阻等影响很大。
二、氮化铝共烧基板的应用领域
AlN多层陶瓷基板既具备传统多层陶瓷基板三维集成的优势,同时又具有优越的散热性能,既可以对电路热量进行快速耗散又可以提升封装密度,同时还可以匹配半导体材料的热膨胀系数。AlN多层陶瓷基板在高密度、大功率多芯片组件(MCM-Multichip Module,MCM)的封装、LED封装、光通信封装以及MEMS封装等方面具有广泛的应用前景。
1.多芯片组件(MCM)
大规模集成电路的发展,对芯片之间的互连提出了更高的要求,高端电子系统中高密度封装技术逐渐成为发展主流。多芯片组件是微电子封装的高级形式,它是把裸芯片与微型元件组装在同一个高密度布线基板上,组成能够完成一定的功能的模块甚至子系统。MCM还能够实现电子系统的小型化、高密度化,是实现系统集成的重要途径,在MCM中高密度布线的多层基板技术是实现高密度封装的关键。
AlN是功率MCM首选的基板材料和封装材料,在功率MCM中具有广泛的应用前景。由于AlN热膨胀系数与硅接近,使得AlN基板与Si之间产生的热应力小,力学强度高,使用AlN做基板的MCM有高的可靠性,且AlN热导率高、热阻比氧化铝低,所构成的组件往往可以不使用散热片或其他冷却结构,从而降低成本,减轻重量。现在功率MCM产品中,已广泛采用AlN多层陶瓷基板作封装结构或散热基板。2.MEMS
在MEMS系统中,包括传感器、执行器和控制驱动电路等部分,它是微电子和微机械技术的集成。在MEMS中,各部分之间结构紧密,互相影响,电路部分发热量达,机械运动部分十分脆弱,容易损坏,因此保证各部分间良好的信号传输,提供有效的保护措施是非常关键的,这对MEMS的封装技术提出了更高的要求。
采用AlN陶瓷制作的高密度封装用多层布线共烧陶瓷基板能够满足MEMS对封装的要求,是MEMS封装的理想材料之一。