多類(lèi)型陶瓷基片
 Φ100 Al2O3基片和Φ40 Al2O3基片
（中國粉體技術(shù)網(wǎng)/班建偉）隨著(zhù)現代宇航、通信、計算機數據處理、軍事工程等電子系統朝著(zhù)小型輕量化、高性能、高可靠性方向迅速發(fā)展，集成電路的使用范圍日益擴大。除了應致力于大規模和超大規模集成電路芯片技術(shù)研究之外，另一重要方面就是大力發(fā)展高密度互聯(lián)技術(shù)，其中用于高密度多層互連的大尺寸超薄陶瓷基片是技術(shù)實(shí)現的關(guān)鍵材料，需要滿(mǎn)足極高的要求，即高面形精度，低表面粗糙度；良好的電絕緣性；較高的導熱系數；良好的力學(xué)性能與高穩定性。而中國建材總院系列高性能氧化鋁陶瓷基片的成功研制與批量生產(chǎn)為我國自主裝備研發(fā)，作出了很大的貢獻。
高性能基片市場(chǎng)前景廣闊
高性能陶瓷基片起著(zhù)承載膜元件、互連、外貼元件和包封等作用，在大功率電路中，基片還要發(fā)揮散熱作用。作為混合集成電路（HIC）和多芯片組件（MCM）的關(guān)鍵材料之一，基板占其總成本的60%左右。精密陶瓷基片發(fā)展的總方向是低介電常數、高熱導率和低成本化。
目前實(shí)際生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)應用的陶瓷基片材料有Al2O3、AlN、SiC、BeO、BN、莫來(lái)石和玻璃陶瓷等。其中BeO和SiC熱導率很高，但BeO具有毒性，應用范圍小，所以產(chǎn)量低；SiC因體積電阻小、介電常數較大、介電損耗較高，不利于信號的傳輸，且成型工藝復雜，設備昂貴，所以應用范圍也很??；AlN陶瓷基片是新一代高性能陶瓷基片，具有很高的熱導率（理論值為319W/m.K，商品化的AlN陶瓷基片熱導率大于140W/m.K）、較低的介電常數和介電損耗，以及和硅相匹配的熱膨脹系數等優(yōu)點(diǎn)，但由于成本高，一直沒(méi)能大規模應用；Al2O3陶瓷基片雖然熱導率低（20~25W/m.K），但氧化鋁陶瓷基片具有良好的機械強度、穩定性、耐高壓性和絕緣性。另外，因其生產(chǎn)工藝相對簡(jiǎn)單，制造成本遠低于其他陶瓷基片，是目前應用最廣泛的陶瓷基片，其市場(chǎng)占有率超過(guò)了90%。
大尺寸基片成我國技術(shù)短板
對于大尺寸薄膜用基片材料的研究，國內的研究水平普遍不高，原因之一是由于國外大公司將此類(lèi)材料的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行保密，其二是由于材料研究難度大、成本高、周期長(cháng)。美國CoorsTek公司和日本Kyocera公司在陶瓷基片的生產(chǎn)方面始終保持著(zhù)國際領(lǐng)先地位。當前這兩家公司仍然在不斷改進(jìn)和完善陶瓷基片生產(chǎn)線(xiàn)，特別是美國CoorsTek公司，該公司為了適應大規模集成電路的發(fā)展需求，這兩年進(jìn)一步加大了產(chǎn)品研發(fā)投入，產(chǎn)品性能大幅提升，使其在大規模集成電路用陶瓷基片領(lǐng)域進(jìn)一步確立了國際領(lǐng)先地位。隨著(zhù)我國集成電路的高速發(fā)展，這些國際大公司紛紛在我國設立銷(xiāo)售分公司或建廠(chǎng)生產(chǎn)，目前國內使用的高端薄膜電路用陶瓷基片均為美國CoorsTek和日本Kyocera等公司提供。
國內的研究機構雖然也在這方面做了不少工作，但都沒(méi)有達到實(shí)用化。目前市場(chǎng)急需的用于軍用系列的薄膜電路和高可靠、高端民用薄膜電路高性能氧化鋁陶瓷基片尺寸主要為4英寸和5英寸，而這種尺寸基片主要依賴(lài)歐美國家和日本的進(jìn)口，這極大制約了我國混合微電子電路的發(fā)展。
瞄準尖端技術(shù)開(kāi)展不懈攻關(guān)
大尺寸99%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(shù)的提高與發(fā)展具有重要意義。面對電子產(chǎn)品向短小、輕薄、高速、多功能、高可靠性方向的發(fā)展趨勢，使得市場(chǎng)需求，立足國內，突破大尺寸99%精密氧化鋁陶瓷基片的制備技術(shù)，成為當前一項非常重要的任務(wù)。針對市場(chǎng)高等級薄膜電路用大尺寸氧化鋁陶瓷基片4英寸、5英寸，主要依賴(lài)進(jìn)口的現狀，有必要投資以用于薄膜電路用大尺寸精密氧化鋁陶瓷基片的批量制備技術(shù)的研究，用來(lái)替代進(jìn)口產(chǎn)品。
中國建筑材料科學(xué)研究總院是國內最先開(kāi)展“低表面粗糙度陶瓷基片”的研究單位，已經(jīng)在材料組成設計、材料強度、低表面粗糙度等制備技術(shù)方面取得了重要突破。在國家科技經(jīng)費支持下，針對軍用電子產(chǎn)品需求，該院開(kāi)展并完成了“低表面粗糙度陶瓷基片”和“特種微晶陶瓷基片”的研究，基片材料為99.99%氧化鋁陶瓷。該項研究在陶瓷體團聚結構的消除、細晶粒顯微結構控制、水基凝膠注模工藝及超精拋光等方面取得了重要技術(shù)突破。材料的介電性能、力學(xué)性能、表面粗糙度均達到了國際先進(jìn)水平，其中表面粗糙度為Ra0.004~0.006μm，抗彎強度≥500MPa，達到了國內先進(jìn)水平。
該院制備的Φ11×0.55mm、40×40×0.3mm等規格陶瓷基片用于薄膜工藝制備的軍用電路，綜合性能優(yōu)于國內其他單位提供的99.9%氧化鋁陶瓷基片。表面粗糙度是陶瓷基片的重要指標，表1、表2分別是中國建筑材料科學(xué)研究總院生產(chǎn)的陶瓷基片與國內、國外同類(lèi)產(chǎn)品的性能比較。比較中可以發(fā)現，該院研制的氧化鋁基片各項性能指標均處于國內領(lǐng)先水平，部分性能指標甚至超出國際知名公司，正是基于其優(yōu)良的性能指標，2013年該院“薄膜電路用大尺寸精密氧化鋁陶瓷基片的研制開(kāi)發(fā)”項目獲得專(zhuān)家一致認可，項目以?xún)?yōu)異的成績(jì)完成驗收。
中國建材總院盡管在軍用薄膜電路基片研究技術(shù)上取得了突出成績(jì)，但現有的技術(shù)尚不能批量化制備大尺寸薄膜電路用精密氧化鋁陶瓷基片。主要原因是現有技術(shù)只是實(shí)驗室技術(shù)，尚未攻克產(chǎn)品工程化和產(chǎn)業(yè)化中的關(guān)鍵技術(shù)難題，特別是基片的批量成型和批量磨拋光技術(shù)，并由此導致產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(cháng)，成品率較低。因此，如何實(shí)現基片的批量成型和批量磨拋光技術(shù)是工藝和設備改進(jìn)完善的關(guān)鍵。
自主創(chuàng )新成功實(shí)現批量生產(chǎn)
知其不足，惟有奮起直追，中國建材總院作為國家級的科研院所，一直秉承著(zhù)“科技領(lǐng)先，服務(wù)建設”的發(fā)展理念，以高度的社會(huì )責任心攻克了眾多共性關(guān)鍵技術(shù)，愿為推進(jìn)我國自主裝備建設而勇當先鋒。2011年，中國建材總院自籌資金，著(zhù)手“薄膜電路用大尺寸精密氧化鋁陶瓷基片”生產(chǎn)線(xiàn)建設。萬(wàn)事開(kāi)頭難，基片要求表面粗糙度達到Ra0.004~0.006μm，而且要實(shí)現批量生產(chǎn)，要求一天生產(chǎn)不得少于500片，面對苛刻的技術(shù)要求及前所未有的出產(chǎn)能力，中國建材總院科研團隊潛心鉆研，抱著(zhù)“最困難之時(shí)，就是離成功不遠之日”的決心，自主創(chuàng )新，改進(jìn)設備，在困難重重中開(kāi)拓出了一條自己的路，用了短短半年時(shí)間，搭建起一條大尺寸氧化鋁基片生產(chǎn)線(xiàn)，這條生產(chǎn)線(xiàn)從基片的配料、成型、干燥到研磨拋光，全部進(jìn)行自主研發(fā)，并嚴格遵從專(zhuān)機專(zhuān)用，專(zhuān)人專(zhuān)用，每一道工序都力求精益求精，目前已生產(chǎn)出世界一流的氧化鋁基片。
千淘萬(wàn)漉雖辛苦，吹盡狂沙始到金。如今這條生產(chǎn)線(xiàn)已突破了“薄膜電路用大尺寸精密氧化鋁陶瓷基片”生產(chǎn)過(guò)程中的工藝技術(shù)瓶頸。通過(guò)對成型工藝進(jìn)行改進(jìn)并自主研發(fā)了一款用于批量成型的基片成型裝置，日均成型基片可達1000片；自主研制改造10套大型研磨拋光設備，有效解決了大尺寸氧化鋁批量化深加工難題，極大地提升了基片的產(chǎn)能，產(chǎn)能規模達到20000m2/年以上；產(chǎn)品性能全面達到國際陶瓷基片主要生產(chǎn)廠(chǎng)商的產(chǎn)品性能指標（部分指標甚至超過(guò)國際先進(jìn)水平）。
如今，中國建材總院建起高性能氧化鋁陶瓷基片生產(chǎn)基地，實(shí)現批量生產(chǎn)，成為目前國內唯一能提供高性能沖擊片雷管用特種薄膜電路用基片的單位?？傇?ldquo;薄膜電路用大尺寸精密氧化鋁陶瓷基片”生產(chǎn)線(xiàn)采用精益管理模式，努力加快創(chuàng )新步伐；產(chǎn)品力求走高端路線(xiàn)，注重能效結合。新產(chǎn)品種類(lèi)主要有：5英寸及以下規格薄膜電路用99氧化鋁基片，5英寸及以下規格光學(xué)儀器用氧化鋁陶瓷白板，2～5英寸微電子用氧化鋯陶瓷基片，2～5英寸微電子用ZTA陶瓷基片，2～5英寸光學(xué)儀器設備用彩色陶瓷基片，4英寸及以下規格電子元件用氧化鋁陶瓷承燒基板，4英寸及以下規格ZnO陶瓷基片靶材。產(chǎn)品主要用于民用數據采集電路、高速存儲器、光電、紅外、激光等傳感器件、組件，以及國防軍工微波通信、雷達用T/R電功率起爆電路。
|
