一種電子封裝導(dǎo)熱陶瓷基板材料的研究

高鳴陽

摘 要：芯片產(chǎn)業(yè)，越來越受到國家的重視。而在整條集成電路產(chǎn)業(yè)鏈條中，電子封裝產(chǎn)業(yè)的重要性越發(fā)凸顯，電子封裝基板材料又是電子封裝諸多要素中的核心。而隨著芯片的器件密度和功率不斷攀升，基板散熱能力已經(jīng)愈發(fā)成為限制電子系統(tǒng)整體性能提高的重要因素，因此在本文中我們將研發(fā)一種導(dǎo)熱性能較好的陶瓷基板材料，來嘗試改善這個(gè)問題。

關(guān)鍵詞：芯片;散熱;陶瓷基板

引言

集成電路（integratedcircuit）簡稱IC，或者又可以叫做芯片，是現(xiàn)代工業(yè)皇冠上最璀璨的明珠。無論是5G通信，云計(jì)算與大數(shù)據(jù)，人工智能，乃至新能源汽車乃至宇航產(chǎn)業(yè)，皆離不開各種高性能芯片的大規(guī)模使用，但是有一個(gè)事實(shí)值得我們警惕，芯片已經(jīng)連續(xù)多年蟬聯(lián)我國進(jìn)口冠軍，甚至大幅超過了國內(nèi)自給率只有百分之三十的石油，在這個(gè)嚴(yán)峻的形勢下，集成電路的產(chǎn)業(yè)越來越受到國家的重視[1]。而在整條集成電路產(chǎn)業(yè)鏈條中，電子封裝產(chǎn)業(yè)的重要性越發(fā)凸顯，電子封裝基板材料又是電子封裝諸多要素中的核心。

1.電子封裝基板材料概述

作為一種優(yōu)秀的基板材料，，應(yīng)該具備以下幾種特性

（1）較好的散熱能力，也就是相對高的熱導(dǎo)率，保護(hù)電子器件的穩(wěn)定性不因過高的溫度而受到影響;

（2）良好的高頻特性，通常意味著較低的介電常數(shù)，減少信號傳輸?shù)难舆t，使基板更適應(yīng)5G時(shí)代高頻通信的需求;

（3）適宜的熱膨脹系數(shù)，通常基板上的電子芯片是由硅制作而成的，所以基板材料的線膨脹系數(shù)要盡量與硅的相匹配，這樣才能避免因?yàn)闇囟壬仙龑?dǎo)致的熱應(yīng)力導(dǎo)致芯片脫焊;

（4）良好的絕緣特性，材料電阻率一定要小，否則會有漏電和短路現(xiàn)象，影響芯片的正常工作[2];

1.1電子封裝基板材料分類

目前電子封裝基板主要分為高分子塑料基板，金屬基板，陶瓷基板三種類型，目前占據(jù)最大市場份額的基板材料為高分子塑料基板，其價(jià)格低廉，應(yīng)用范圍較廣，但由于高分子材料固有的本征特性，熱導(dǎo)率極低，不能滿足高速發(fā)展的電子系統(tǒng)的散熱要求。金屬基板材料熱導(dǎo)率很高，但本身為導(dǎo)電材料，在進(jìn)行芯片封裝時(shí)需要額外加入絕緣層，大大提升了工藝成本。以上兩種材料的的線膨脹系數(shù)與硅相差較大，在溫度反復(fù)變化時(shí)，容易出現(xiàn)基板變形，芯片脫焊等問題。陶瓷材料是當(dāng)前市場占有率僅次于塑料材料的基板材料。而其相對上述兩種材料也具有很多優(yōu)點(diǎn)，（a）絕緣性好，一般來說，陶瓷材料的電阻率都很低，不需要額外的絕緣工藝，成本較低 （b）高頻特性優(yōu)秀，陶瓷材料的介電系數(shù)較小，信號延遲低，可以提升信號的傳輸速度。（c）熱膨脹系數(shù)適合，相對于塑料和金屬材料，陶瓷的物理特性與硅這種非金屬晶體材料更為接近，因此線膨脹系數(shù)的匹配程度也較好，熱穩(wěn)定性較高。（d）熱導(dǎo)率相對較高，陶瓷材料，尤其是純度較高的陶瓷材料，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂塑料基板0.3 W/（m·K）的熱導(dǎo)率，有些如BeO、SiC等材料，其理論熱導(dǎo)率甚至不亞于金屬。

1.2陶瓷基板材料的研究現(xiàn)狀

1.2.1氧化鋁（Al2O3）

氧化鋁陶瓷呈白色，熱導(dǎo)率為16W/（m·K）～24W/（m·K），熱膨脹系數(shù)為7.0×106/°C～8.0×106/°C，介電常數(shù)為10左右，是目前市面上占有率最大的一種陶瓷基板材料，占有率高達(dá)八成以上，但氧化鋁與硅的線膨脹系數(shù)匹配度較差，且介電常數(shù)也相對較高，不太適用于高頻應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2.2氮化鋁（AlN）

氮化鋁陶瓷呈灰白色，導(dǎo)熱能力優(yōu)秀，且線膨脹系數(shù)4×106/°C，與硅的匹配度較好，介電常數(shù)為8～10，是一種目前研究前景較好的陶瓷材料，但ALN本身具有水解特性，不能直接與水接觸，需要增加防水工藝，且需要無氧氣氛燒結(jié)，燒結(jié)溫度也很高，這些問題都大大增加了制造成本，限制了氮化鋁陶瓷基板材料的應(yīng)用。

1.2.3氧化鈹（BeO）

氧化鈹陶瓷材料呈白色，其相對分子量較低，導(dǎo)致材料熱導(dǎo)率高，如純度為99%的BeO室溫?zé)釋?dǎo)率可達(dá)310W/（m·K）;介電常數(shù)為6.7，單論性能來說，氧化鈹是一種性能極為優(yōu)秀的基板材料，但是其本身的生產(chǎn)過程會產(chǎn)生一個(gè)劇毒的環(huán)境，危險(xiǎn)性高，且燒結(jié)溫度接近兩千度，所以產(chǎn)品的推廣受到了嚴(yán)重的阻礙，只有軍事，衛(wèi)星通信等不計(jì)成本，對性能有極高要求的領(lǐng)域，才有一些應(yīng)用。

1.2.4尖晶石陶瓷

尖晶石結(jié)構(gòu)陶瓷材料呈白色，硬度高，熱導(dǎo)率接近甚至超過氧化鋁陶瓷，介電常數(shù)小于氧化鋁陶瓷，品質(zhì)因子也較高，是一種很有潛力的陶瓷基板材料，目前研究較多的是ZnAl2O4尖晶石陶瓷材料，其燒結(jié)致密溫度據(jù)報(bào)道為1650℃，接近常見馬弗爐的溫度上限，且因?yàn)閆n2+在高溫?zé)Y(jié)時(shí)容易揮發(fā)[3]，所以燒結(jié)產(chǎn)物容易出現(xiàn)細(xì)小空洞且發(fā)生形變，影響材料本身的導(dǎo)熱及介電性能。因此，如何使改良ZnAl2O4基微波介質(zhì)陶瓷性能特性，且能夠克服上述缺陷，成為了本課題想要解決的技術(shù)問題。

2.選題依據(jù)

一般來說，對于非金屬物質(zhì)來說，組成較為簡單的化合物熱導(dǎo)率相對較高，這就是為何純相物質(zhì)的熱導(dǎo)率要高于混合物，因?yàn)槲镔|(zhì)中如果含有太多復(fù)雜相，根據(jù)非金屬物質(zhì)導(dǎo)熱理論，聲子的傳導(dǎo)就是受到更多的阻礙，因此，我們想到通過一種與Zn2+性質(zhì)較為相似的離子對其進(jìn)行取代，是晶體結(jié)構(gòu)不要受到太大影響的同時(shí)解決高溫下Zn2+蒸發(fā)的問題，來提高熱導(dǎo)率合介電性能。通過查閱資料，我們發(fā)現(xiàn)MgAl2O4和ZnAl2O4同為尖晶石結(jié)構(gòu)，且Zn2+離子與Mg2+比較接近，另外并沒有看到MgAl2O4在燒結(jié)時(shí)有元素蒸發(fā)的報(bào)道。因此考慮使用Mg2+來部分取代Zn2+來提高ZnAl2O4基陶瓷材料的性能。

3.實(shí)驗(yàn)步驟與樣品分析

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

第一步;將ZnO、MgO、Al2O3按照化學(xué)通式Zn1-xMgxAl2O4進(jìn)行配料形成混合物;

第二步;將第一步配制得到的混合物放入聚四氟乙烯球磨罐中，以去離子水作為分散劑，瑪瑙球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，其中：混合物：磨球：去離子水的質(zhì)量比為1∶3∶1.5，在行星式球磨機(jī)上球磨12小時(shí);得到混合均勻的球磨料a;

第三步;將第二步得到的球磨料a放入70℃烘箱中烘干得到干燥粉體a;

第四步;將第三步得到的干燥粉體置于氧化鋁坩堝中，在1300℃的大氣氛圍條件下預(yù)燒3小時(shí)，得到預(yù)燒粉體;

第五步;將第四步得到的預(yù)燒粉體一并置于聚四氟乙烯球磨罐中進(jìn)行二次球磨，以去離子水作為分散劑，瑪瑙球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，其中：混合物：磨球：去離子水的質(zhì)量比為1∶3∶1.5，在行星式球磨機(jī)上球磨12小時(shí)，得到混合均勻的球磨料b;

第六步;將第五步所得的球磨料b放入70℃烘箱中烘干得到干燥粉體b;

第七步;在第六步所得干燥粉體b中加入占干燥粉體b的質(zhì)量百分比為8%的聚乙烯醇得到粒料，然后將粒料在瑪瑙研缽中研磨，將研磨后的粉體過100目篩后，經(jīng)10MPa壓制成直徑為14.6mm，厚度為2mm的圓柱形試樣;

第八步;將第七步得到的圓柱形試樣置于馬弗爐中，按照3℃/min溫度曲線進(jìn)行升溫，溫度達(dá)到550℃時(shí)保溫2小時(shí)進(jìn)行排膠，而后繼續(xù)按照3℃/min溫度曲線進(jìn)行升溫，升溫至1550℃～1650℃時(shí)，在此溫度下維持5小時(shí)進(jìn)行燒結(jié)，最終制得ZnAl2O4基微波介質(zhì)陶瓷材料。

圖1（a）、（b）分別為純相ZnAl2O4陶瓷與Zn0.9Mg0.1Al2O4陶瓷的SEM圖，從圖中可以看出（a）顆粒大小不均勻，且晶粒上有空洞，且晶粒邊緣有破損，這是Zn2+揮發(fā)造成的;圖1（b）中可以看出：由于Mg2+的引入，顆粒大小變得均勻，排列緊密，且晶粒變大。

4.總結(jié)

上述實(shí)驗(yàn)的主要變量是材料中Zn與Mg的比例與燒結(jié)溫度，通過測試燒結(jié)好的樣品，發(fā)現(xiàn)在化學(xué)組成為Zn0.9Mg0.1Al2O4的尖晶石基陶瓷材料導(dǎo)熱與介電性能最為優(yōu)秀，相比于在1650℃燒結(jié)致密純ZnAl2O4，介電常數(shù)由8.5降到了8.3，Q·f值從70500GHz升高到了141000GHz，熱導(dǎo)率從13.1W/（m·K）升高到了18.2W/（m·K），且燒結(jié)致密溫度也降低了100℃到了1550℃。因此可以說是成功提高改善了ZnAl2O4基陶瓷材料的性能，使其成為了一種性能更為優(yōu)異的電子封裝陶瓷基板材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾小亮，孫蓉，于淑會，許建斌，汪正平.電子封裝基板材料研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].集成技術(shù)，2014，3（06）：76-83.

[2]程浩，陳明祥，羅小兵，彭洋，劉松坡.電子封裝陶瓷基板[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2019，40（04）：265-292.

[3]雷文，呂文中.低介微波介質(zhì)陶瓷基板材料研究進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展，2012，31（07）：16-25+50.