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    薄膜電路用大尺寸精密氧化鋁陶瓷基片

    發布日期:2019年5月15日

    大尺寸精密氧化鋁陶瓷基片是當前混合集成 電路的首選材料,對IC技術的提高與發展具有 重要的意義。中國建筑材料科學研究總院陶瓷科 學研究院對氧化鋁陶瓷基片的研究最早可追溯到 上世紀70 年代,制備工藝是采用流延法和注漿 法。“九五”至“十一五”期間,針對用戶需求, 相繼開展并完成了“低表面粗糙度陶瓷基片”和 “特種微晶陶瓷基片”等項目的研究,解決了包 括凝膠注模等多項關鍵制備技術,獲得了表面粗 糙度小于Ra=0.006μm的材料,為批量制備氧 化鋁陶瓷基片奠定了技術基礎。

    針對國內高等級薄膜電路用大尺寸氧化鋁陶瓷基片 (4”、5”)主要依賴進口的現狀,結合多年以來的技術積 累,陶瓷科學研究院開展了氧化鋁陶瓷基片產業化研究, 產品規格品種和應用領域進一步拓寬,產能規模得到了 有效擴大。

    成果簡介

    成果一:高質量、大尺寸陶瓷素坯成型技術

    氧化鋁陶瓷基片生產的核心技術是高質量陶瓷坯片 的成型, 要求成形坯片表面平整光滑,厚度均勻一致,燒 結收縮率穩定,而且具有良好的柔韌性以滿足后續沖切、 加工的需要。氧化鋁陶瓷坯片成型方法有多種:干壓法 和熱壓鑄法不能制備厚/ 徑比小的薄型坯片,且表面質 量較差;軋膜法生產的坯片不可避免會形成方向性,造 成燒結后縱橫向尺寸難以控制, 性能也會出現各向異性;

    有機料漿流延法是目前國內外工業化生產高質量氧化鋁 陶瓷坯片的通用方法,但設備投資昂貴,原材料成本高, 特別是需要使用高揮發性有毒溶劑如甲苯、二甲苯、三 氯乙烯等,會造成嚴重的環境污染,在一些發達國家已 不允許使用;水基料漿流延法是近些年來國內外研究的 熱點,但由于水溶劑揮發困難,生產效率低,揮發過程 中易使坯片表面出現針孔缺陷,特別是由于脫水干燥過 程會產生較大收縮而導致坯片開裂, 至今未能應用于工業 化大生產。最近清華大學發明了一種水基料漿流延凝膠 法制備陶瓷坯片的技術,但該工藝仍需使用昂貴的流延 機設備且需進一步增加氮氣保護裝置,同時濕凝膠坯片 從載膜帶上剝離及纏卷困難很大,至今未能實現工業化 生產。

    水基凝膠注模法是制備氧化鋁陶瓷基片的一種新工 藝。其工藝與傳統的有機料漿流延法制備坯片的原理和思路不同之處在于:流延成形需待料漿中有機溶劑揮發 后靠粘結劑固結定形才能從載膜帶上剝離下來,而凝膠 注模法是水基料漿凝膠固化先完成,從模板上揭下后再 自然干燥脫去水溶劑,這就導致所用設備和工藝存在很 大的差別。與有機流延法相比,水基凝膠注模法生產氧 化鋁陶瓷基片的優勢表現為:目前,陶瓷科學研究院可批量制備5”及以下不同規 格型號的氧化鋁陶瓷基片(如圖1所示),其微觀結構已 接近國際最先進水平(見圖2)。

    成果二:大尺寸陶瓷基片的超精冷加工技術

    陶瓷基片的厚度、表面粗糙度等關鍵性能指標通過 研磨拋光工序實現。大尺寸陶瓷基片的研磨拋光與小尺 寸的陶瓷基片的加工工藝有較大差別,對2 英寸陶瓷基 片來說,當厚度尺寸加工到0.3 毫米以下時,由于陶瓷基 片表面存在應力,極易翹曲變形,導致產品的平行度和平整度差,而這些指標恰恰是陶瓷基片核心的性能指標。 通過選擇合適的拋光材料、調整研磨拋光的壓力轉 速、退火整形等工藝手段減小或消除陶瓷基片表面應力, 以達到高性能陶瓷基片的面形精度。

    陶瓷科學研究院制備的氧化鋁陶瓷基片的各項性能 全面超過GB/T 14639-93 國家標準規定的指標,也高于 日本京瓷同類產品的技術指標和美國高等級(Supertrate) 薄膜電路基片標準要求。表1為該院生產的陶瓷基片與 國內同類產品的性能比較。

    表1 與國內同類產品的性能比較
      國內 CBMA
    Al2O3/wt% 96、99.6 99.9
    體積密度/g·m-3 3.70~3.90 ≥ 3.95
    表面粗糙度Ra/μm  0.05~0.0125 0.004~0.008
    表面粗糙度Ry/μm 0.3~0.8 0.06~0.08
    抗彎強度/MPa 350~400 511

     

    展望

    陶瓷基片屬于功能陶瓷中市場份額較大的一類材 料,大體占1/5以上。隨著我國電子工業特別是微電子 工業的迅速發展,對氧化鋁陶瓷基片的需求量不斷增 大,其中高等級和特殊規格99% 氧化鋁基片基本靠進 口,外企在中國獨資廠家如京瓷(上海)、九豪(昆山) 等廠家有少量生產,市場空缺。根據現有用戶和潛在用戶提供的數據,薄膜基片的用途和市場需求預測情 況為:微波通信、雷達用T/R 組件等,(5~10)萬 套/年,(0.5~1.0)萬平方米;LSI、VLSI用數據采 集電路,高速存儲器等,(10~15)萬平方米;光電、 紅外等傳感器件,(3~5)萬套/年,(0.3~0.5)萬平方米;醫用混合電路,(0~1)萬套/年,0.02萬平 方米;電功率起爆電路,(5~6)萬套/ 年,(0.1~0.2) 萬平方米。預計項目完成后2年內可以占有電功率起 爆電路90% 的市場份額,占光電、紅外等傳感器件 10%的市場份額。

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