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1、外 文 资 料 翻 译流延成型的高介电常数陶瓷复合基片在微电子学上的应用Alfred I.Y. Tok*, Freddy Y.C. Boey, K.A. Khor摘 要目前器件的微型化和集成电路程序包的高器件计数已经显著地增加了在多层陶瓷电容外壳和多层电容器上的应用。生产这种陶瓷基板的关键是使用精确控制带厚、均一、表面光滑的流延带。决定流延成型产品性能的关键是素坯膜厚度的控制。目前，生产和精确再生产小而薄的基板受制于几个因素，其中之一是精确控制素坯膜的厚度。它反过来又受到各种工艺参数和配方所使用的材料的影响。流延成型是在流延机上通过改变刮刀间隙和流延速度成膜。我们可以推断出流延时使用低的流延速
2、度可以获得高精度的带的厚度。然而，当要求的带越薄时，精度就会降低，为了确保精度需要增加流延速度的优化应用。因此当流延成型时为了获得精确和重复性的结果需要优化设定流延速度和刮刀高度设置。确定该优化组合将取决于最终产品所要求的厚度。由科学S.A.1999年发表保留所有权利。关键词：陶瓷，流延带，氧化铝，带厚，流延刮刀1. 引言微电子封装材料工业趋向于实现大的致密化，小型化和更高的运行速度的趋势迫使增加了对更高的热性能，更好的电介质强度和更高的可靠性材料的需求，这导致增加了多层陶瓷基板形式的使用，例如在针栅阵列和球栅阵列上的应用。当前使用的高性能系统例如高纯度氧化铝基板导致了较薄的基板的使用。目前，
3、一种用于生产精确控制厚度和均一性的扁平陶瓷基板的主要方法是流延成型工艺。这方法基本上开始于一个特殊配方的泥浆，它用一个刀片刮成片状或层状，然后干燥成一个有弹性的片状固体，随后它可以烧结成一个硬层陶瓷基板。流延成型的应用有很多，其中有一些是氧化铝和氮化铝基质和厚膜电路、薄压电陶瓷执行器、光伏太阳能电池-使用莫来石作为基质归因于它们的热膨胀系数相似于的硅。在参考书目中可以发现更加全面的应用。为了这个项目已经发展了用一种特殊的能够产生薄且平坦一致基质的压力控制单元。目前的研究工作综合的分为三个方面，材料，基于氧化铝/氮化铝复合泥浆的工艺配方，控制系统的发展和产生所需的有尺寸精度和一致性要求的流延条的
4、进程模型，和最后发展的最佳脱脂及烧结过程的最终复合多层基质。图一、一个连续的流延过程在流延成型过程，陶瓷颗粒和其它必要的添加剂分散在溶剂中形成浆料，浆料在流延机上通过刮刀成膜，要么流延台是移动的（图一），要么在固定的流延表面使用移动的的流延槽。浆料经过干燥就形成了薄的陶瓷素坯膜。干燥以后，带中仍然保留有高的有机成分。这些有机成分在烧的时候会在素坯膜中产生开气孔，它必须通过烧结，一个高扩散过程来消除。控制素坯膜的厚度是流延成型产品的关键。目前，生产和精确再生产小而薄的基板受制于几个因素，其中之一是精确控制素坯膜的厚度。它反过来又受到各种工艺参数和配方所使用的材料的影响。用于Al2O3基质的工艺参
5、数和配方已经得到了最优化，这就是后来适用于流延成型的复合Al2O3/AlN基板。为了能够更准确的预测带的厚度，流动性的理论模型已经得到使用。Chou等用流动力学的原理分析了流延成型的流动性。他们认为类似牛顿流体的泥浆包含有隙科特和观域泊肃叶流流体，可以用下面的方程预测厚度： (1)在他们的分析中，体积流量源于在流延槽线性变化的压力（观域泊肃叶流）和阻力（隙科特）流体，衍变的体积流量如下： (2)带的厚度公式表明了带的厚度，和刮刀间隙ho之间的关系。刮刀间隙的减小或增加能够通过改变浆料顶端压力或流延速度线性受到影响。作为流延成型浆料很少会表现为牛顿流体，其它尝试模拟流延成型的流变性能已经开始了研
6、究。这些工作中包括在非牛顿浆料中使用Bingham方程的Ring和通过用Herschel-Bulkley模型研究浆料性能的Huang 等等。图二、流延成型工艺流程 2. 实验过程制作陶瓷带的整个工艺步骤总结在流程图中如图二。流延成型使用的配方列在下面的表一中。复合溶剂的选择是为了改善机体的溶解性，防止聚合物表面团聚。加入成分的先后顺序影响浆料的粘度，归因于选择性吸附和吸水率的影响。分散剂独立的引用到其它聚合物中是至关重要的，它可以防止其它聚合物吸附到陶瓷颗粒表面，因此可以使浆料粘度更加均一。塑性剂在粘结剂之前加入浆料，因为这样可以促进粘结剂更好的溶解在整个浆料中，这是由于在塑性剂中加入粘结剂的
7、溶解性涉及到溶解系统。在一致的烧结气氛中氧化铝粉末和氧化镁、料球混合，在高纯度刚玉球磨罐中以60rpm的转速球磨24小时。图三、南洋理工大学的流延成料球比是1.5:1。球磨以后，分散剂和溶剂加入混合的粉末中来形成浆料。浆料置于超声波容器里用47kHZ,35W超声波45分钟。在用超声波排胶后往浆料中顺序的加入塑性剂和粘结剂，浆料机械混合2个小时，从而分解溶剂中的有机添加剂，达到均匀的混合。混料完成后，均匀的浆料放入真空度达700毫米汞柱（90千帕）的真空装置中20分钟。最后，浆料通过两个开口0.032和0.020毫米的尼龙过滤器过滤到成型室内，消除了任何余留的凝聚物，骨料，研磨碎片和污染物。流延
8、成型在流延机上通过括刀制成一定厚度的素坯膜，流延料槽及刮刀在固定的流延台上移动，使浆料成为平面（图三）。通过刮刀上的微调旋钮调节刮刀与膜衬带之间的间隙厚度，其精确度可以达到0.01毫米。精确的成膜速度可以通过调节电机的转速来达到。改变刮刀间隙和流延速度来成膜。浆料的配方和其它工艺参数比如流延温度和压力在整个流延过程中保持不变。素胚的厚度在不同的位置精确测量，形成了平均价值。通过把素坯膜夹在两片已知厚度的薄玻璃中，用千分尺测量总厚度来精确测量。这种测量方法会减轻千分尺下颚的压力，可能会引起素坯膜一小部分被压紧，导致结果不精确。3. 结果与分析为了建立一个精确的模型来讨论流变性能和预测膜的厚度，各
9、种倾向就产生了。接下来的结果就是从最近的工作中获得的。图四、三种不同刮刀间隙下用不同的流延速度获得的素坯膜厚度图四描述了对三种不同的刮刀间隙改变其流延速度来体现了素坯膜的厚度。对于三种刮刀间隙来说，素坯膜厚度都是随着流延速度的增加呈指数性减少。这表明刮刀间隙的这种变化不会成比例的引起素坯膜的厚度变化。当素坯膜的厚度通过刮刀间隙来体现的时候能够得到更加清楚的说明。如图五所示的5,10和20mm/s的三种流延速度。图五、三种不同流延速度下不同的刮刀间隙获得的素坯膜厚度图五清楚的表明了存在一种能够达到最大素坯膜厚度的流延速度。虽然对于非常细的刮刀间隙素坯膜的厚度明显的增加，但是能够快速变平成一定厚度
10、。这也表明了刮刀间隙的最小值越小流延速度就越快。这在图六得到了体现。图六、不同流延速度获得的最大素坯膜厚度上面的结果说明最大的难度是怎样保持素坯膜厚度的一致性，特别是对于薄的素坯膜。如图七所示，理想的来说，当厚度独立于刮刀间隙只取决于流延速度就能够获得我们所想要的素坯膜厚度。图六也表明了越快的流延速度越会降低获得的素坯膜厚度。然而，这就看来在给定压力和浆料粘度的情况下都存在一个高度完美的厚度的极限值，甚至是流延速度非常快。通过分析物理流体流动过程展开了更深的研究。在牛顿流体模型中建议总容积流量通过线性相加压力(观域泊肃叶流)和阻力（隙科特）流来获得。平行板之间可以用一个简单的压力流模型来分析。
11、（图八）它很好的表示出了在两个平行板之间（无阻力的）压力流流动速率呈抛物线，这种流量可以由下面公式表示： （3）它指出，上面的原理也能描述成流体在一个流延成型系统中从y = ho/2 到y =ho的流动速度剖面图，图中有一条带，带以在y = ho/2恰好取得Umax的速度移动。这个流延成型系统中的体积流量就会如公式三中描绘的恰好为压力速率的一半。使用这种系统分析，刮刀间隙为Xo的体积流量就能够得到，相比于线性得到的体积流量，它们都有一个Umax的速率带。从这个结果中可以看出，在这两种预测中12.5%的时候存在着不同如公式4和公式5所示。 （4) (5)因而上面的方程提出的线性变化的压力（观域泊
12、肃叶流）和阻力（隙科特）流体不适用于流延成型系统。公式五是以基本的流体流动为根据衍生出来的，它提供了一个更合乎逻辑的物理描述流延成型系统。图七、不同流延速度设置刮刀间隙达到最大的素坯膜厚度图八、流体流速剖面的原理图当前正在做的工作是使用近似上面提出的非牛顿（剪薄）构成的模型来推导流体流变公式的工作，因为流变学实验证明流延成型浆料的性质正如非牛顿剪薄流体。这将由实验结果验证。4. 结论实验结果表明流延时流延速度越慢越能获得高精度的带的厚度。然而，当要求的带越薄时，精度就会降低，为了确保精度需要增加流延速度的优化应用。因此当流延成型时为了获得精确和重复性的结果需要优化设定流延速度和刮刀高度设置。确定该优化组合将取决于最终产品所要求的厚度。理论模型可用于检验流延成型系统所预测的带的厚度的可靠性。因此,目前的工作集中于推导描述流体性质的精确模型和精确预测流延带厚度的领域。
