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薄膜电路用大尺寸精密氧化铝陶瓷基片

发布日期:2019年5月15日

大尺寸精密氧化铝陶瓷基片是当前混合集成 电路的首选材料,对IC技术的提高与发展具有 重要的意义。中国建筑材料科学研究总院陶瓷科 学研究院对氧化铝陶瓷基片的研究最早可追溯到 上世纪70 年代,制备工艺是采用流延法和注浆 法。“九五”至“十一五”期间,针对用户需求, 相继开展并完成了“低表面粗糙度陶瓷基片”和 “特种微晶陶瓷基片”等项目的研究,解决了包 括凝胶注模等多项关键制备技术,获得了表面粗 糙度小于Ra=0.006μm的材料,为批量制备氧 化铝陶瓷基片奠定了技术基础。

针对国内高等级薄膜电路用大尺寸氧化铝陶瓷基片 (4”、5”)主要依赖进口的现状,结合多年以来的技术积 累,陶瓷科学研究院开展了氧化铝陶瓷基片产业化研究, 产品规格品种和应用领域进一步拓宽,产能规模得到了 有效扩大。

成果简介

成果一:高质量、大尺寸陶瓷素坯成型技术

氧化铝陶瓷基片生产的核心技术是高质量陶瓷坯片 的成型, 要求成形坯片表面平整光滑,厚度均匀一致,烧 结收缩率稳定,而且具有良好的柔韧性以满足后续冲切、 加工的需要。氧化铝陶瓷坯片成型方法有多种:干压法 和热压铸法不能制备厚/ 径比小的薄型坯片,且表面质 量较差;轧膜法生产的坯片不可避免会形成方向性,造 成烧结后纵横向尺寸难以控制, 性能也会出现各向异性;

有机料浆流延法是目前国内外工业化生产高质量氧化铝 陶瓷坯片的通用方法,但设备投资昂贵,原材料成本高, 特别是需要使用高挥发性有毒溶剂如甲苯、二甲苯、三 氯乙烯等,会造成严重的环境污染,在一些发达国家已 不允许使用;水基料浆流延法是近些年来国内外研究的 热点,但由于水溶剂挥发困难,生产效率低,挥发过程 中易使坯片表面出现针孔缺陷,特别是由于脱水干燥过 程会产生较大收缩而导致坯片开裂, 至今未能应用于工业 化大生产。最近清华大学发明了一种水基料浆流延凝胶 法制备陶瓷坯片的技术,但该工艺仍需使用昂贵的流延 机设备且需进一步增加氮气保护装置,同时湿凝胶坯片 从载膜带上剥离及缠卷困难很大,至今未能实现工业化 生产。

水基凝胶注模法是制备氧化铝陶瓷基片的一种新工 艺。其工艺与传统的有机料浆流延法制备坯片的原理和思路不同之处在于:流延成形需待料浆中有机溶剂挥发 后靠粘结剂固结定形才能从载膜带上剥离下来,而凝胶 注模法是水基料浆凝胶固化先完成,从模板上揭下后再 自然干燥脱去水溶剂,这就导致所用设备和工艺存在很 大的差别。与有机流延法相比,水基凝胶注模法生产氧 化铝陶瓷基片的优势表现为:目前,陶瓷科学研究院可批量制备5”及以下不同规 格型号的氧化铝陶瓷基片(如图1所示),其微观结构已 接近国际最先进水平(见图2)。

成果二:大尺寸陶瓷基片的超精冷加工技术

陶瓷基片的厚度、表面粗糙度等关键性能指标通过 研磨抛光工序实现。大尺寸陶瓷基片的研磨抛光与小尺 寸的陶瓷基片的加工工艺有较大差别,对2 英寸陶瓷基 片来说,当厚度尺寸加工到0.3 毫米以下时,由于陶瓷基 片表面存在应力,极易翘曲变形,导致产品的平行度和平整度差,而这些指标恰恰是陶瓷基片核心的性能指标。 通过选择合适的抛光材料、调整研磨抛光的压力转 速、退火整形等工艺手段减小或消除陶瓷基片表面应力, 以达到高性能陶瓷基片的面形精度。

陶瓷科学研究院制备的氧化铝陶瓷基片的各项性能 全面超过GB/T 14639-93 国家标准规定的指标,也高于 日本京瓷同类产品的技术指标和美国高等级(Supertrate) 薄膜电路基片标准要求。表1为该院生产的陶瓷基片与 国内同类产品的性能比较。

表1 与国内同类产品的性能比较
  国内 CBMA
Al2O3/wt% 96、99.6 99.9
体积密度/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
抗弯强度/MPa 350~400 511

 

展望

陶瓷基片属于功能陶瓷中市场份额较大的一类材 料,大体占1/5以上。随着我国电子工业特别是微电子 工业的迅速发展,对氧化铝陶瓷基片的需求量不断增 大,其中高等级和特殊规格99% 氧化铝基片基本靠进 口,外企在中国独资厂家如京瓷(上海)、九豪(昆山) 等厂家有少量生产,市场空缺。根据现有用户和潜在用户提供的数据,薄膜基片的用途和市场需求预测情 况为:微波通信、雷达用T/R 组件等,(5~10)万 套/年,(0。5~1。0)万平方米;LSI、VLSI用数据采 集电路,高速存储器等,(10~15)万平方米;光电、 红外等传感器件,(3~5)万套/年,(0。3~0。5)万平方米;医用混合电路,(0~1)万套/年,0。02万平 方米;电功率起爆电路,(5~6)万套/ 年,(0。1~0。2) 万平方米。预计项目完成后2年内可以占有电功率起 爆电路90% 的市场份额,占光电、红外等传感器件 10%的市场份额。

氧化铝陶瓷系列
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