專利名稱：用于混合式集成電路的陶瓷基片的制作方法
此項(xiàng)發(fā)明涉及用于混合式集成電路的陶瓷基片。
在射頻模塊中需要使用大量的薄陶瓷基片。這些?？?微帶線)的技術(shù)使用了高電介常數(shù)基片上的印刷電路以減小電路尺寸、降低成本及簡化設(shè)計(jì)。當(dāng)陶瓷基片作為薄膜的無源底座時(shí)，其物理特性很重要，如表面粗糙度，電阻率、導(dǎo)熱性及密度，表面粗糙度影響薄膜導(dǎo)體的均勻性同時(shí)要求高電阻率防止漏電和短路。足夠的導(dǎo)熱性防止由于溫度偏移造成設(shè)備變形同時(shí)高密度提高抗彎曲強(qiáng)度。
常規(guī)地，在Al2O3基片上安裝薄膜電路(FIC工藝)或混合式集成電路(HIP工藝)。此基片提供具有高導(dǎo)熱性和高電阻率的惰性強(qiáng)平臺(tái)。然而，較低的電介常數(shù)(K～9.6)對(duì)電路性能有一定的影響。當(dāng)用在這些模塊(微帶線)中時(shí)，陶瓷基片應(yīng)具有高電介常數(shù)，使導(dǎo)體間的相互作用很強(qiáng)。由于Ba2Ti9O20陶瓷具有高電介常數(shù)，K＝40，低微波損耗，在4GHz時(shí)，Q＝10000和電介常數(shù)不隨溫度變化等特性，所以已用于諧振器中。需要的是從這種陶瓷材料中制造出具有無缺陷、無大顆粒的光滑表面的有用基片。
此項(xiàng)發(fā)明體現(xiàn)了用在用金屬化薄膜的射頻模塊中的細(xì)薄Ba2Ti9O20陶瓷基片。具有密度為98.5％(4.56g/cm3)、高損耗特性和光滑的表面接近單相的陶瓷的構(gòu)成，是通過使初使粉末在1020℃至1090℃，優(yōu)選溫度1030℃至1075℃，最佳溫度1045℃至1075℃的范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)反應(yīng)，將預(yù)反應(yīng)后的粉末加工成所要求的形狀，然后在1330℃至1350℃、優(yōu)選溫度1340℃至1350℃范圍內(nèi)燒結(jié)成形來保證的。Ba2Ti9O20化合物中摻入稍多些的TiO2會(huì)比按照標(biāo)準(zhǔn)配比或摻入稍多些的Ba離子具有更光滑的表面。由這種預(yù)反應(yīng)粉末形成的基片比在高于1075℃條件下形成的基片具有較少的表面缺陷。較低的燒結(jié)溫度也降低基片/定位器反應(yīng)的可能性。


圖1表示在1330℃至1390℃條件下燒結(jié)后的粉末，其預(yù)反應(yīng)溫度與密度間的曲線圖。畫圓圈點(diǎn)表明大顆粒的Ba2Ti4O9作為主相。
大的Ba2Ti9O20陶瓷基片正被考慮用于射頻模塊中。基片厚度范圍在0.010至0.080英寸之內(nèi)，優(yōu)選厚度范圍在0.025至0.030英寸?；瑧?yīng)滿足一定的絕緣性、強(qiáng)度、厚度及光滑等技術(shù)要求。為滿足絕緣性指標(biāo)，Ba2Ti9O20陶瓷密度必須均勻同時(shí)當(dāng)密度至少為4.568g/cm3時(shí)，可獲得足夠的強(qiáng)度。為達(dá)到此密度，常規(guī)的粉末處理工藝要求使用1135℃至1145℃的高預(yù)反應(yīng)溫度和大約1390℃的高燒結(jié)溫度。通常，在1100℃至1150℃下已對(duì)BaTiO3和TiO2粉末進(jìn)行預(yù)反應(yīng)至少6小時(shí)，然后在1380℃至1390℃下將粉末在氧氣中燒結(jié)達(dá)6小時(shí)，從而獲得了適用于諧振器的陶瓷。
在用常規(guī)的制造細(xì)薄Ba2Ti9O20基片(0.025～0.030英寸)工藝中所面臨的一個(gè)問題是在燒結(jié)過程中Ba2Ti9O20陶瓷基片與支承基片的安裝器(陶瓷底座)之間產(chǎn)生反應(yīng)。這種反應(yīng)在基片表面與陶瓷底座或蓋重(cover weights)連接處產(chǎn)生缺陷。第二種缺陷，是其直徑或深度≥0.002英寸的較大表面顆粒，也影響具有線寬≥0.004英寸，厚度～0.0003英寸的導(dǎo)體的薄膜金屬化。由于不正確的預(yù)反應(yīng)或不合適的陽離子標(biāo)準(zhǔn)配比，當(dāng)BaTi4O9顆?？焖偕L時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)后一種缺陷。
Ba2Ti9O20是在高溫下，BaCO3和TiO2或BaTiO3和TiO2反應(yīng)形成幾種Ba—Ti—O化合物中的一種。如果初始粉末按照適當(dāng)比例充分混合后，預(yù)反應(yīng)粉末生成多種化合物的含量取決于溫度和加熱時(shí)間。除Ba2Ti9O20相外，在預(yù)反應(yīng)過程中會(huì)生成其它相，包括Ba4Ti13O30、BaTi4O9和BaTi5O11。除非在預(yù)反應(yīng)過程中生成至少15％的Ba2Ti9O20相，否則不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高密度、接近單相，具有高損耗特性的Ba2Ti9O20陶瓷。這種情況是由于在預(yù)反應(yīng)和燒結(jié)過程中Ba2Ti9O20相對(duì)于BaTi4O9具有較慢的生成動(dòng)力，和在預(yù)反應(yīng)和燒結(jié)過程中BaTi4O9顆粒的加速生長。一旦生成較大顆粒，BaTi4O9相對(duì)穩(wěn)定且趨向集中在加熱表面，使表面粗糙度增加。
在以往Ba—Ti—O陶瓷工藝過程中，如使用Ba2Ti9O20作為低損耗、高絕緣性的諧振器陶瓷，目的是使加工的陶瓷具有機(jī)械穩(wěn)定性、高損耗特性和較低諧振器頻率溫度系數(shù)。這些目的是通過對(duì)陽離子標(biāo)準(zhǔn)配比的精確控制、采用高純度原材料，高密度處理工藝、完全氧化過程及對(duì)TiO2的第二相抑制來達(dá)到的。要求在較高燒結(jié)溫度即1390℃左右產(chǎn)生這種特性的陶瓷。較低溫度的預(yù)反應(yīng)下產(chǎn)生的粉末不含有一定量的Ba2Ti9O20，就不能生產(chǎn)出適用于諧振器的陶瓷。這些陶瓷經(jīng)常含有大量的BaTi4O9第二相，從而降低電介常數(shù)，增加溫度系數(shù)。當(dāng)降低燒結(jié)溫度以防止BaTi4O9的形成時(shí)，陶瓷密度和損耗特性也隨之降低。
在射頻模塊中使用Ba2Ti9O20基片，由于它具有已金屬化而不是正被非金屬化的表面，因此其固有的損耗特性就不顯得那么重要。同樣地，就諧振器陶瓷而言，要求在化合物中摻入過量的Ba以避免基片產(chǎn)生細(xì)微裂紋。我們已發(fā)現(xiàn)基片的細(xì)薄截面降低了再氧化的需要和產(chǎn)生細(xì)微裂紋的趨勢，這一現(xiàn)象不取決于在射頻模塊中的標(biāo)準(zhǔn)配比。我們還發(fā)現(xiàn)如果預(yù)反應(yīng)溫度降低到一定范圍且仍能進(jìn)行充分地反應(yīng)，則較低的預(yù)反應(yīng)溫度容許較低的燒結(jié)溫度并使生成的陶瓷基片性能得到改善。降低燒結(jié)速度也將減少基片/安裝器的反應(yīng)程度。另外，由于較低的溫度減小了象彎曲或裂紋等方面的變形和產(chǎn)生較小的表面顆粒，從而還能改善平滑度，擁有更光滑的表面。申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)預(yù)反應(yīng)溫度在1020℃至1090℃范圍內(nèi)，優(yōu)選溫度在1030℃至1075℃范圍，然后在1330℃至1350℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，產(chǎn)生的細(xì)薄基片具有高密度(≥4.559/cm3)和光滑的表面。摻入稍過量的TiO2所生成的化合物比按照標(biāo)準(zhǔn)配比或摻入稍過量的Ba離子所生成的化合物具有更光滑的表面。
將BaTiO3＋TiO2充分地混合得到適用于制造基片的粉末。配比公式是BaTiO3＋3.5XTiO2，這里X從1.001至1.01。X值是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的，以在燒結(jié)過程中，產(chǎn)生具有少量的TiO2第二相位的陶瓷。由于電容的大溫度系數(shù)，不期望X值過大。
將預(yù)反應(yīng)后的粉末放在具有1/2英寸的ZrO2介質(zhì)的水中碾磨5個(gè)小時(shí)之后，使粉末干燥并結(jié)成顆粒。在900℃的條件下，將粉末在空氣中充分加熱一段時(shí)間以去掉任何粘滯的雜質(zhì)，然后把預(yù)加熱后的粉末加工成各種形狀和尺寸。采用如沖壓、澆鑄、滾動(dòng)鑄壓成型等方法將這些粉末加工成細(xì)薄的形狀。在1330℃至1390℃下，在氧氣中燒結(jié)6小時(shí)。
在拋光的圓盤或取樣管上測量顆粒的大小，在1150℃下進(jìn)行熱蝕，通過浸沒法獲得顆粒的密度。在熱蝕的前后用光學(xué)方法檢查圓盤剖面的微結(jié)構(gòu)得到第二相的資料。采用一個(gè)在2mm的軌道上帶有一個(gè)12μm直徑的觸針的輪廓儀(Dectak II，Veeco Corp)測量表面粗糙度。通過染料著色程度確定是否有造成不穩(wěn)定絕緣特性的微細(xì)裂紋出現(xiàn)。
圖1表示了預(yù)反應(yīng)和燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)后陶瓷密度的影響。對(duì)密度＞4.559/cm3、在≤1045℃預(yù)反應(yīng)的粉末必須在低于1370℃以下進(jìn)行燒結(jié)而在1135℃下的預(yù)反應(yīng)的粉末必須在1350℃以上進(jìn)行燒結(jié)。在1030℃至1075℃進(jìn)行預(yù)反應(yīng)生成的粉末在1350℃下進(jìn)行燒結(jié)可達(dá)到最高密度。產(chǎn)生第二相的情況是用一個(gè)特殊的符號(hào)(大圓圈)表示的。將用在1135℃、1100℃和1075℃下預(yù)反應(yīng)并在1330℃至1400℃范圍內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)的粉末制造的陶瓷基片樣品的密度和表面粗糙度在表1中進(jìn)行比較。對(duì)于相同的密度，用在較低溫度下預(yù)反應(yīng)的粉末制造出來的高密度陶瓷可得到較小的表面粗糙度。
表I基片特性燒結(jié)溫度 預(yù)反應(yīng)溫度℃1135℃ 1100℃ 1075℃密度粗糙度 密度 粗糙度 密度 粗糙度14004.603g/cm352μm13904.595 44 4.599 5213804.58813704.572 34 4.598 3613504.539 31 4.588 30 4.598 2813404.498 4.567 3113304.548 23 4.569 21由預(yù)反應(yīng)粉末做成的陶瓷微結(jié)構(gòu)通常是＞95％的Ba2Ti9O20相位。將從≤1045℃下預(yù)反應(yīng)并在≥1370℃下進(jìn)行燒結(jié)的粉末得到的陶瓷是例外的。在這些溫度下，有助于BaTi4O9顆粒的生長并在較小的Ba2Ti9O20和TiO2顆粒的晶格中發(fā)現(xiàn)很大的BaTi4O9顆粒(～500μm×100μm)，對(duì)在＞1090℃預(yù)反應(yīng)的粉末，Ba2Ti9O20顆粒的尺寸隨燒結(jié)溫度從1330℃時(shí)的3～5μm增加到在1390℃時(shí)的10—15μm。
本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易對(duì)本發(fā)明進(jìn)行附加的改進(jìn)及修正。因此，本發(fā)明從廣義方面上講，并不局限于具體技術(shù)細(xì)節(jié)，相應(yīng)的設(shè)備及本文所顯示和描繪的圖表數(shù)據(jù)。相應(yīng)地，允許對(duì)此發(fā)明進(jìn)行各種修正，而不脫離在附加權(quán)利要求和與之等效的范圍下所定義的總體發(fā)明概念的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一個(gè)生產(chǎn)Ba2Ti9O20陶瓷基片的工藝過程，包括預(yù)反應(yīng)包含TiO2與BaCO3和BaTiO3兩者之中至少一種的初始材料，將預(yù)反應(yīng)后的材料加工成所要求的薄片，然后對(duì)構(gòu)成的預(yù)反應(yīng)后的材料進(jìn)行燒結(jié)，其中為確保生成具有光滑表面的高密度結(jié)構(gòu)，所述預(yù)反應(yīng)在1020℃至1090℃范圍內(nèi)進(jìn)行，所述燒結(jié)過程在1330℃至1350℃范圍內(nèi)進(jìn)行。
2.在權(quán)利要求1所述的工藝過程中，所述的初始反應(yīng)材料是BaTiO3和TiO2。
3.在權(quán)利要求2所述的工藝過程中，初始材料按照一個(gè)配比公式進(jìn)行混合，即BaTiO3＋3.5XTiO2，其中X值為1.001～1.01之間。
4.在權(quán)利要求1所述的工藝過程中，所述的預(yù)反應(yīng)溫度范圍從1045℃至1075℃。
5.在權(quán)利要求1所述的工藝過程中，所述的燒結(jié)溫度范圍從1340℃至1350℃。
6.在權(quán)利要求1所述的工藝過程中，所述的薄結(jié)構(gòu)厚度范圍從0.010至0.080英寸。
7.在權(quán)利要求1所述的工藝過程中，所述厚結(jié)構(gòu)厚度范圍從0.025至0.030英寸。
8.在權(quán)利要求1所述的工藝過程中，燒結(jié)后的結(jié)構(gòu)表面粗糙度小于30μ英寸。
9.按照權(quán)利要求1的方法生產(chǎn)一個(gè)Ba2Ti9O2基片，其中所述基片的密度大于4.55g/cm3，基片主表面粗糙度小于30μ英寸。
全文摘要
本文是生產(chǎn)薄Ba
文檔編號(hào)H01L23/15GK1117478SQ9510558
公開日1996年2月28日 申請(qǐng)日期1995年5月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月2日
發(fā)明者小亨利·邁爾斯·奧布萊恩, 瓦倫·威廉·羅茲 申請(qǐng)人:美國電報(bào)電話公司