[其他]以玻璃为粘结组分的金属陶瓷衬底

说明书

本申请与S.H.Butt的题为“低热膨胀性与高热导率衬底”的4，569，692号美国专利有关。

虽然本发明易获得广泛的应用，但它特别适用于作微电子技术的衬底。本发明主要针对，将热膨胀性与热导率不相同的材料粘结在一起，形成一种在刚性与热性能上都得到提高的粘结复合材料。

低膨胀性材料，在微电子工业中广泛用作半导体封装、多元装置混合电路封装、片载体与印刷电路板等的衬底材料。当衬底的热膨胀系数成为关键因素，即当硅片或低膨胀性的无引线基片直接安装在这种衬底上时，属于上述应用中的后一部分就尤其有用。

就当前的工艺水平来说，在多数情况下，低膨胀性的陶瓷与金属衬底材料可能用膨胀性较高的金属代替。一般而论，高膨胀性的金属材料，是与经适当选择的高膨胀性玻璃或有机粘合剂结合使用的。这些材料的组合体与以低热膨胀系数（CTE）的硅为基质的微电子元件之间的CTE失配是通过粘结剂或焊料剂之类的固定体系来调节的，这类体系防止了，在典型的脆性与易碎的半导体元件内出现不能承受的高热应力。然而，由于高CTE金属衬底与低CTE半导体基片间严重失配，就未必容易给出可对它们之间生成的潜在热应力进行调节的元件固定体系。为了更好地评价本发明的这类独特材料的优点，下面列举出传统衬底材料的局限性。

氧化铝陶瓷当前被最广泛地用作这类衬底材料。在氧化铝与半导体基片的CTE之间存在中等程度的失配。这样程度的失配，对于固定在氧化铝衬底上的基片，当经历热循环时，一般不会产生无法承受的高应力。甚至当此种基片的尺寸相当地大，或当此基片刚性地粘附到衬底上时，上述的失配性通常也是可接受的。氧化铝类陶瓷特别具有吸引力，因为它们的价格低于绝大多数其它的低膨胀性衬底材料。但是，氧化铝陶瓷有许多缺点，例如尺寸公差控制性欠佳以及导热性差等，即热导率的范围从约10～20瓦/米-°K（W/m-°K）。此外，制造能力限制着氧化铝陶瓷衬底的面积小于约50平方英寸。

具有约190W/m-°K的颇高的热导率的氧化铍陶瓷，在特殊应用中可取代氧化铝陶瓷。铍所固有的高成本，导致了这类陶瓷材料衬底极其昂贵。氧化铍衬底另一缺点是它的毒性，需要谨慎的处置和格外细心的控制其粉尘。但是，即使存在高的材料成本、昂贵的加工费用和毒性控制问题，在要求提高热导率时，经常采用氧化铍衬底。

具有热导率约为142W/m-°K的钼金属带，有时用作衬底材料，特别用于混合电路封装。尽管钼的价格昂贵并且难以加工，但它确能提供高的热导率，同时又有约49×10^-7英寸/英寸/℃的低CTE。采用钼部件的严重缺点是，由于它的抗氧化性能差，特别难以加工。

低膨胀性衬底用的包覆金属，一般包括包覆到一种具有很低热膨胀性的镍铁合金（例如殷钢）芯料上的高导热性与高热膨胀性的铜或铜合金。这样得到的复合件具有与氧化铝陶瓷和氧化铍陶瓷相当的CTE。包以铜或包以铜合金的目的，在于改进镍合金较差的导热性。然而，这里所改进的导热性主要表现在展拓到衬底的长宽方向的平面中。与此同时，通过这种复合金属件厚度（主要由镍铁合金芯料组成）上的导热率，仍然相当地低。这类镍铁合金的成本以及制造包覆金属所涉及到的较高加工用费，造成了这类衬底材料价格昂贵，然而和与之性能相当的氧化铍衬底或钼衬底对照，仍属价廉的。

本发明是针对称作金属陶瓷的复合材料。顾名思义，这类材料包括金属和陶瓷的混合物。这种材料与尺寸相当的金属衬底相比，优点是提高了刚性而重量较轻。它与陶瓷衬底相比，具有高得多的CTE和热导率，并且有导电性。而且，这种金属陶瓷是在远比陶瓷烧结温度（约1600℃）低的温度下制造的，同时加工费用一般也较低。除此，这种金属陶瓷的CTE与热导率能在较广的数值范围内选择。迄今为止的问题是，这类材料不易粘结成电子技术应用中所需的刚性结构。