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、降低成本及簡化設計。當陶瓷基片作為薄膜的無源底座時，其物理特性很重要，如表面粗糙度，電阻率、導熱性及密度，表面粗糙度影響薄膜導體的均勻性同時要求高電阻率防止漏電和短路。足夠的導熱性防止由于溫度偏移造成設備變形同時高密度提高抗彎曲強度。
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熱性和高電阻率的惰性強平臺。然而，較低的電介常數(shù)(K～9.6)對電路性能有一定的影響。當用在這些模塊(微帶線)中時，陶瓷基片應具有高電介常數(shù)，使導體間的相互作用很強。由于Ba2Ti9O20陶瓷具有高電介常數(shù)，K＝40，低微波損耗，在4GHz時，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。
此項發(fā)明體現(xiàn)了用在用金屬化薄膜的射頻模塊中的細薄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)進行預反應，將預反應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會比按照標準配比或摻入稍多些的Ba離子具有更光滑的表面。由這種預反應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/定位器反應的可能性。


圖1表示在1330℃至1390℃條件下燒結(jié)后的粉末，其預反應溫度與密度間的曲線圖。畫圓圈點表明大顆粒的Ba2Ti4O9作為主相。
大的Ba2Ti9O20陶瓷基片正被考慮用于射頻模塊中?；穸确秶?.010至0.080英寸之內(nèi)，優(yōu)選厚度范圍在0.025至0.030英寸?；瑧獫M足一定的絕緣性、強度、厚度及光滑等技術(shù)要求。為滿足絕緣性指標，Ba2Ti9O20陶瓷密度必須均勻同時當密度至少為4.568g/cm3時，可獲得足夠的強度。為達到此密度，常規(guī)的粉末處理工藝要求使用1135℃至1145℃的高預反應溫度和大約1390℃的高燒結(jié)溫度。通常，在1100℃至1150℃下已對BaTiO3和TiO2粉末進行預反應至少6小時，然后在1380℃至1390℃下將粉末在氧氣中燒結(jié)達6小時，從而獲得了適用于諧振器的陶瓷。
在用常規(guī)的制造細薄Ba2Ti9O20基片(0.025～0.030英寸)工藝中所面臨的一個問題是在燒結(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。這種反應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英寸的導體的薄膜金屬化。由于不正確的預反應或不合適的陽離子標準配比，當BaTi4O9顆?？焖偕L時，就會出現(xiàn)后一種缺陷。
Ba2Ti9O20是在高溫下，BaCO3和TiO2或BaTiO3和TiO2反應形成幾種Ba—Ti—O化合物中的一種。如果初始粉末按照適當比例充分混合后，預反應粉末生成多種化合物的含量取決于溫度和加熱時間。除Ba2Ti9O20相外，在預反應過程中會生成其它相，包括Ba4Ti13O30、BaTi4O9和BaTi5O11。除非在預反應過程中生成至少15％的Ba2Ti9O20相，否則不會產(chǎn)生一個高密度、接近單相，具有高損耗特性的Ba2Ti9O20陶瓷。這種情況是由于在預反應和燒結(jié)過程中Ba2Ti9O20相對于BaTi4O9具有較慢的生成動力，和在預反應和燒結(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)。這些目的是通過對陽離子標準配比的精確控制、采用高純度原材料，高密度處理工藝、完全氧化過程及對TiO2的第二相抑制來達到的。要求在較高燒結(jié)溫度即1390℃左右產(chǎn)生這種特性的陶瓷。較低溫度的預反應下產(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)。當降低燒結(jié)溫度以防止BaTi4O9的形成時，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)生細微裂紋。我們已發(fā)現(xiàn)基片的細薄截面降低了再氧化的需要和產(chǎn)生細微裂紋的趨勢，這一現(xiàn)象不取決于在射頻模塊中的標準配比。我們還發(fā)現(xiàn)如果預反應溫度降低到一定范圍且仍能進行充分地反應，則較低的預反應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。申請人已發(fā)現(xiàn)預反應溫度在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)進行燒結(jié)，產(chǎn)生的細薄基片具有高密度(≥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準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。
將預反應后的粉末放在具有1/2英寸的ZrO2介質(zhì)的水中碾磨5個小時之后，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間以去掉任何粘滯的雜質(zhì)，然后把預加熱后的粉末加工成各種形狀和尺寸。采用如沖壓、澆鑄、滾動鑄壓成型等方法將這些粉末加工成細薄的形狀。在1330℃至1390℃下，在氧氣中燒結(jié)6小時。
在拋光的圓盤或取樣管上測量顆粒的大小，在1150℃下進行熱蝕，通過浸沒法獲得顆粒的密度。在熱蝕的前后用光學方法檢查圓盤剖面的微結(jié)構(gòu)得到第二相的資料。采用一個在2mm的軌道上帶有一個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)定絕緣特性的微細裂紋出現(xiàn)。
圖1表示了預反應和燒結(jié)溫度對燒結(jié)后陶瓷密度的影響。對密度＞4.559/cm3、在≤1045℃預反應的粉末必須在低于1370℃以下進行燒結(jié)而在1135℃下的預反應的粉末必須在1350℃以上進行燒結(jié)。在1030℃至1075℃進行預反應生成的粉末在1350℃下進行燒結(jié)可達到最高密度。產(chǎn)生第二相的情況是用一個特殊的符號(大圓圈)表示的。將用在1135℃、1100℃和1075℃下預反應并在1330℃至1400℃范圍內(nèi)進行燒結(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中進行比較。對于相同的密度，用在較低溫度下預反應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 預反應溫度℃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由預反應粉末做成的陶瓷微結(jié)構(gòu)通常是＞95％的Ba2Ti9O20相位。將從≤1045℃下預反應并在≥1370℃下進行燒結(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)，對在＞1090℃預反應的粉末，Ba2Ti9O20顆粒的尺寸隨燒結(jié)溫度從1330℃時的3～5μm增加到在1390℃時的10—15μm。
本領域技術(shù)人員很容易對本發(fā)明進行附加的改進及修正。因此，本發(fā)明從廣義方面上講，并不局限于具體技術(shù)細節(jié)，相應的設備及本文所顯示和描繪的圖表數(shù)據(jù)。相應地，允許對此發(fā)明進行各種修正，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)明概念的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.一個生產(chǎn)Ba2Ti9O20陶瓷基片的工藝過程，包括預反應包含TiO2與BaCO3和BaTiO3兩者之中至少一種的初始材料，將預反應后的材料加工成所要求的薄片，然后對構(gòu)成的預反應后的材料進行燒結(jié)，其中為確保生成具有光滑表面的高密度結(jié)構(gòu)，所述預反應在1020℃至1090℃范圍內(nèi)進行，所述燒結(jié)過程在1330℃至1350℃范圍內(nèi)進行。
2.在權(quán)利要求1所述的工藝過程中，所述的初始反應材料是BaTiO3和TiO2。
3.在權(quán)利要求2所述的工藝過程中，初始材料按照一個配比公式進行混合，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，所述的預反應溫度范圍從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H01L23/15GK1117478SQ9510558
公開日1996年2月28日 申請日期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 申請人:美國電報電話公司