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跨越:从“技术短板”到“国内唯一”

bt365官网总院建设高性能氧化铝陶瓷基片生产基地纪实

来源:科技管理部发布时间:2015/2/12 14:05:11

  随着现代宇航、通信、计算机数据处理、军事工程等电子系统朝着小型轻量化、高性能、高可靠性方向迅速发展,集成电路的使用范围日益扩大。除了应致力于大规模和超大规模集成电路芯片技术研究之外,另一重要方面就是大力发展高密度互联技术,其中用于高密度多层互连的大尺寸超薄陶瓷基片是技术实现的关键材料,需要满足极高的要求,即高面形精度,低表面粗糙度;良好的电绝缘性;较高的导热系数;良好的力学性能与高稳定性。而bt365官网总院系列高性能氧化铝陶瓷基片的成功研制与批量生产为我国自主装备研发,作出了很大的贡献。

  高性能基片市场前景广阔

  高性能陶瓷基片起着承载膜元件、互连、外贴元件和包封等作用,在大功率电路中,基片还要发挥散热作用。作为混合集成电路(HIC)和多芯片组件(MCM)的关键材料之一,基板占其总成本的60%左右。精密陶瓷基片发展的总方向是低介电常数、高热导率和低成本化。

  目前实际生产和开发应用的陶瓷基片材料有Al2O3、AlN、SiC、BeO、BN、莫来石和玻璃陶瓷等。其中BeO和SiC热导率很高,但BeO具有毒性,应用范围小,所以产量低;SiC因体积电阻小、介电常数较大、介电损耗较高,不利于信号的传输,且成型工艺复杂,设备昂贵,所以应用范围也很小;AlN陶瓷基片是新一代高性能陶瓷基片,具有很高的热导率(理论值为319W/m.K,商品化的AlN陶瓷基片热导率大于140W/m.K)、较低的介电常数和介电损耗,以及和硅相匹配的热膨胀系数等优点,但由于成本高,一直没能大规模应用;Al2O3陶瓷基片虽然热导率不高(20~25W/m.K),但氧化铝陶瓷基片具有良好的机械强度、稳定性、耐高压性和绝缘性。另外,因其生产工艺相对简单,制造成本远低于其他陶瓷基片,是目前应用最广泛的陶瓷基片,其市场占有率超过了90%。

  大尺寸基片成我国技术短板

  对于大尺寸薄膜用基片材料的研究,国内的研究水平普遍不高,原因之一是由于国外大公司将此类材料的关键技术进行保密,其二是由于材料研究难度大、成本高、周期长。美国CoorsTek公司和日本Kyocera公司在陶瓷基片的生产方面始终保持着国际领先地位。当前这两家公司仍然在不断改进和完善陶瓷基片生产线,特别是美国CoorsTek公司,该公司为了适应大规模集成电路的发展需求,这两年进一步加大了产品研发投入,产品性能大幅提升,使其在大规模集成电路用陶瓷基片领域进一步确立了国际领先地位。随着我国集成电路的高速发展,这些国际大公司纷纷在我国设立销售分公司或建厂生产,目前国内使用的高端薄膜电路用陶瓷基片均为美国CoorsTek和日本Kyocera等公司提供。

  国内的研究机构虽然也在这方面做了不少工作,但都没有达到实用化。目前市场急需的用于军用系列的薄膜电路和高可靠、高端民用薄膜电路高性能氧化铝陶瓷基片尺寸主要为4英寸和5英寸,而这种尺寸基片主要依赖欧美国家和日本的进口,这极大制约了我国混合微电子电路的发展。

  瞄准尖端技术开展不懈攻关

  大尺寸99%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意义。面对电子产品向短小、轻薄、高速、多功能、高可靠性方向的发展趋势,使得市场需求,立足国内,突破大尺寸99%精密氧化铝陶瓷基片的制备技术,成为当前一项非常重要的任务。针对市场高等级薄膜电路用大尺寸氧化铝陶瓷基片4英寸、5英寸,主要依赖进口的现状,有必要投资以用于薄膜电路用大尺寸精密氧化铝陶瓷基片的批量制备技术的研究,用来替代进口产品。

  中国建筑材料科学研究总院是国内最先开展“低表面粗糙度陶瓷基片”的研究单位,已经在材料组成设计、材料强度、低表面粗糙度等制备技术方面取得了重要突破。在国家科技经费支持下,针对军用电子产品需求,该院开展并完成了“低表面粗糙度陶瓷基片”和“特种微晶陶瓷基片”的研究,基片材料为99.99%氧化铝陶瓷。该项研究在陶瓷体团聚结构的消除、细晶粒显微结构控制、水基凝胶注模工艺及超精抛光等方面取得了重要技术突破。材料的介电性能、力学性能、表面粗糙度均达到了国际先进水平,其中表面粗糙度为Ra0.004~0.006μm,抗弯强度≥500MPa,达到了国内先进水平。该院制备的Φ11×0.55mm、40×40×0.3mm等规格陶瓷基片用于薄膜工艺制备的军用电路,综合性能优于国内其他单位提供的99.9%氧化铝陶瓷基片。表面粗糙度是陶瓷基片的重要指标,表1、表2分别是中国建筑材料科学研究总院生产的陶瓷基片与国内、国外同类产品的性能比较。比较中可以发现,该院研制的氧化铝基片各项性能指标均处于国内领先水平,部分性能指标甚至超出国际知名公司,正是基于其优良的性能指标,2013年该院“薄膜电路用大尺寸精密氧化铝陶瓷基片的研制开发”项目获得专家一致认可,项目以优异的成绩完成验收。

  bt365官网总院尽管在军用薄膜电路基片研究技术上取得了突出成绩,但现有的技术尚不能批量化制备大尺寸薄膜电路用精密氧化铝陶瓷基片。主要原因是现有技术只是实验室技术,尚未攻克产品工程化和产业化中的关键技术难题,特别是基片的批量成型和批量磨抛光技术,并由此导致产品生产周期长,成品率较低。因此,如何实现基片的批量成型和批量磨抛光技术是工艺和设备改进完善的关键。

  自主创新成功实现批量生产

  知其不足,惟有奋起直追,bt365官网总院作为国家级的科研院所,一直秉承着“科技领先,服务建设”的发展理念,以高度的社会责任心攻克了众多共性关键技术,愿为推进我国自主装备建设而勇当先锋。2011年,bt365官网总院自筹资金,着手“薄膜电路用大尺寸精密氧化铝陶瓷基片”生产线建设。万事开头难,基片要求表面粗糙度达到Ra0.004~0.006μm,而且要实现批量生产,要求一天生产不得少于500片,面对苛刻的技术要求及前所未有的出产能力,bt365官网总院科研团队潜心钻研,抱着“最困难之时,就是离成功不远之日”的决心,自主创新,改进设备,在困难重重中开拓出了一条自己的路,用了短短半年时间,搭建起一条大尺寸氧化铝基片生产线,这条生产线从基片的配料、成型、干燥到研磨抛光,全部进行自主研发,并严格遵从专机专用,专人专用,每一道工序都力求精益求精,目前已生产出世界一流的氧化铝基片。

  千淘万漉虽辛苦,吹尽狂沙始到金。如今这条生产线已突破了“薄膜电路用大尺寸精密氧化铝陶瓷基片”生产过程中的工艺技术瓶颈。通过对成型工艺进行改进并自主研发了一款用于批量成型的基片成型装置,日均成型基片可达1000片;自主研制改造10套大型研磨抛光设备,有效解决了大尺寸氧化铝批量化深加工难题,极大地提升了基片的产能,产能规模达到20000m2/年以上;产品性能全面达到国际陶瓷基片主要生产厂商的产品性能指标(部分指标甚至超过国际先进水平)。

  如今,bt365官网总院建起高性能氧化铝陶瓷基片生产基地,实现批量生产,成为目前国内唯一能提供高性能冲击片雷管用特种薄膜电路用基片的单位。总院“薄膜电路用大尺寸精密氧化铝陶瓷基片”生产线采用精益管理模式,努力加快创新步伐;产品力求走高端路线,注重能效结合。新产品种类主要有:5英寸及以下规格薄膜电路用99氧化铝基片,5英寸及以下规格光学仪器用氧化铝陶瓷白板,2~5英寸微电子用氧化锆陶瓷基片,2~5英寸微电子用ZTA陶瓷基片,2~5英寸光学仪器设备用彩色陶瓷基片,4英寸及以下规格电子元件用氧化铝陶瓷承烧基板,4英寸及以下规格ZnO陶瓷基片靶材。产品主要用于民用数据采集电路、高速存储器、光电、红外、激光等传感器件、组件,以及国防军工微波通信、雷达用T/R电功率起爆电路。(摘自bt365官网报)

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