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第二章厚膜元件與材料2.1厚膜基板2.2厚膜導(dǎo)體與材料2.3厚膜電阻及材料2.4厚膜介質(zhì)材料2.5厚膜鐵氧體磁性材料及厚膜電感器2.6其他厚膜材料第二章厚膜元件與材料2.1厚膜基板12.1厚膜基板一、基板的作用與要求1.作用承載作用:厚膜元件、外貼元器件、互連導(dǎo)體以及整個(gè)電路;絕緣作用:提供元器件之間的電絕緣;導(dǎo)熱、散熱作用:將元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量即時(shí)散發(fā)出去;2.1厚膜基板一、基板的作用與要求2厚膜混合集成電路課件第21章3厚膜混合集成電路課件第21章4

2、要求基板的性能對(duì)厚膜元件和整個(gè)電路性能、工藝有很大的影響,特別在可靠性和工藝重現(xiàn)性等方面關(guān)系十分密切。基板要求:1)表面性能表面平整、光滑,具有適當(dāng)?shù)谋砻婀鉂嵍取?)電性能ρv、ρs高,tgδ小,保證絕緣性能。2、要求53)熱性能導(dǎo)熱性高基板的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與電路所用的材料相匹配。4)機(jī)械性能機(jī)械強(qiáng)度和硬度高---能經(jīng)受機(jī)械振動(dòng)、沖擊和熱沖擊良好的加工性能---切割、加工和鉆孔等

3)熱性能65)化學(xué)性能化學(xué)穩(wěn)定性高--不受各種化學(xué)試劑和溶劑的影響。與電路材料有很好的相容性。6)其他性能耐高溫,經(jīng)受多次高溫?zé)Y(jié)不變形;成本要低;重量輕;5)化學(xué)性能7二、常用的基板材料常用基板種類(lèi):陶瓷基板;金屬(包括金屬芯型)基板;樹(shù)脂基板;二、常用的基板材料常用基板種類(lèi):8氧化鋁陶瓷基板金屬基板氧化鋁陶瓷基板金屬基板9樹(shù)脂基板樹(shù)脂基板101、陶瓷基板:

優(yōu)點(diǎn):耐高溫(1000℃),熱脹系數(shù)小,導(dǎo)熱性好,絕緣強(qiáng)度高。

缺點(diǎn):脆、易碎。

種類(lèi):氧化鋁陶瓷(Al2O3)、氧化鈹(BeO)、氮化鋁(AlN)、碳化硅(SiC)、多層陶瓷基板。1、陶瓷基板:111)氧化鋁基板:主要成分Al2O3,Al2O3含量越高,基板性能(電性能、機(jī)械強(qiáng)度、表面光潔度等)越好。但燒結(jié)溫度高、價(jià)格貴。厚膜電路一般采用94~Al2O3瓷(晶粒尺寸3~5μm)。85瓷和75瓷性能較前者稍差,但成本較低,所以目前國(guó)內(nèi)外也有采用。1)氧化鋁基板:12氧化鋁基板的性能氧化鋁基板的性能13熱導(dǎo)率和氧化鋁含量的關(guān)系熱導(dǎo)率和氧化鋁含量的關(guān)系14優(yōu)點(diǎn):價(jià)格適中;各種性能基本滿(mǎn)足厚膜電路的要求;與厚膜混合集成電路相容性比較好,目前使用最廣泛;缺點(diǎn):熱導(dǎo)率沒(méi)有氧化鈹基板、氮化鋁基板高。優(yōu)點(diǎn):152)氧化鈹基板:優(yōu)點(diǎn):熱導(dǎo)率高(常溫下2.64J/cm·℃·s),僅次于銀、銅、金與鋁相近,為氧化鋁的10倍;體積電阻率大;介電系數(shù)小、高頻下?lián)p耗小、適于高頻、大功率電路;能與大多數(shù)厚膜漿料相容。2)氧化鈹基板:16缺點(diǎn):粉末有毒,價(jià)格較貴、機(jī)械強(qiáng)度不如氧化鋁。

如果不考慮成本和毒性,氧化鈹是一種理想的基片材料。

厚膜混合集成電路課件第21章17密度(g/cm3)2.95抗彎強(qiáng)度(N/cm2)18620熱脹系數(shù)(×10-6)8.5熱導(dǎo)率(J/cm·℃·s)2.64介電常數(shù)(J/cm·℃·s)6.8介電損耗(×10-4)2體電阻率(Ω·cm)1017(25℃)絕緣強(qiáng)度(kV/cm)與基板的厚度有關(guān)最高使用溫度(℃)1800氧化鈹(99.5%)基板的性能密度(g/cm3)2.95抗彎強(qiáng)度(N/cm2)1862018氧化鈹陶瓷有負(fù)的電阻率溫度系數(shù)。99.5%氧化鈹電阻率與溫度的關(guān)系氧化鈹陶瓷有負(fù)的電阻率溫度系數(shù)。99.5%氧化鈹電阻率與溫度19厚膜混合集成電路課件第21章203)氮化鋁基板是一種新型陶瓷基板。優(yōu)點(diǎn):熱導(dǎo)率高(與99.5%BeO陶瓷大致相同,為氧化鋁的8~10倍);熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系比氧化鈹瓷?。豢箯潖?qiáng)度大、硬度小、機(jī)械加工比較容易(抗彎強(qiáng)度比氧化鋁大但硬度僅為氧化鋁的一半);3)氮化鋁基板21熱脹系數(shù)比氧化鈹?。?.4ppm/℃),與Si接近,這有利于組裝大規(guī)模IC芯片;與Au、Ag-Pd和Cu漿料的相容性較好,可作高頻、大功率電路基板,還適于高密度、大功率的微波電路以及大規(guī)模厚膜IC。缺點(diǎn):

成本高;對(duì)雜質(zhì)含量敏感;熱脹系數(shù)比氧化鈹?。?.4ppm/℃),與Si接近,22AlNAl2O3BeO密度(g/cm3)3.33.92.9抗彎強(qiáng)度(N/cm2)392002352018620熱脹系數(shù)(×10-6)4.57.38熱導(dǎo)率(J/cm·℃·s)1~1.60.22.51介電常數(shù)(J/cm·℃·s)8.88.56.5介電損耗(×10-4)5~1035體電阻率(Ω/cm)>1014>1014>1014絕緣強(qiáng)度(kV/cm)140~170100100氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁基板性能比較AlNAl2O3BeO密度(g/cm3)3.33.92.9抗23氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)臒釋?dǎo)率與溫度的關(guān)系氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)臒釋?dǎo)率與溫度的關(guān)系24幾種陶瓷基板熱膨脹系數(shù)的比較幾種陶瓷基板熱膨脹系數(shù)的比較254)碳化硅基板:以α-SiC為主,摻以微量BeO(0.1-0.35%)的新型基板。優(yōu)點(diǎn):熱導(dǎo)率是金屬鋁的1.2倍,比BeO瓷還要高,從熱擴(kuò)散系數(shù)、熱容量看該基板傳熱比Cu還要好。SiC基板的抗彎強(qiáng)度為44100N/㎝2與氧化鋁相近。4)碳化硅基板:26熱脹系數(shù)與單晶硅幾乎相同,所以適合組裝大規(guī)模IC芯片。缺點(diǎn)體積電阻率比氧化鋁和氧化鈹?shù)?。介電系?shù)高,因此高頻性能不如氧化鋁。熱脹系數(shù)與單晶硅幾乎相同,所以適合組裝大規(guī)模IC芯片。27新型SiC陶瓷與其它材料的性能比較

性能材料熱導(dǎo)率(J/cm·℃·s)體電阻率(Ω/cm)熱脹系數(shù)0~400℃(×10-6/℃)介電常數(shù)(室溫,1MHz)新型SiC陶瓷2.714×10133.740一般SiC陶瓷0.67<10134.2-BeO陶瓷2.41>101386.8Al2O3陶瓷0.17>10146.88.5Si單晶1.283.5~4.0119新型SiC陶瓷與其它材料的性能比較性能熱導(dǎo)率(J/cm·285)多層陶瓷基板:為了提高組裝密度,使電路高密度化、小型化、高速化而研制的陶瓷基板(多為氧化鋁瓷)。

多層化的方法有三種:

5)多層陶瓷基板:29a.厚膜多層法:在氧化鋁基板上交替印燒導(dǎo)體(Au、Ag-Pd等)和介質(zhì)漿料。特點(diǎn):制造靈活性大;可在空氣中燒結(jié),溫度<1000℃;層內(nèi)含電阻、電容等,制造過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。缺點(diǎn):

制作微細(xì)線(xiàn)困難,層數(shù)也不能太多;可焊性、密封性不如其它二種方法。

a.厚膜多層法:30厚膜電路底層布圖

厚膜電路介質(zhì)層布圖

厚膜電路底層布圖厚膜電路介質(zhì)層布圖31厚膜電路頂層布圖厚膜電路頂層布圖32b.印刷多層法:將與生基板成分相同的氧化鋁制成漿料;交替在氧化鋁基板上印刷和干燥Mo、W等導(dǎo)體以及氧化鋁介質(zhì)漿料;(此時(shí)各層間的印刷導(dǎo)體就可以通過(guò)層間的通孔實(shí)現(xiàn)層間連接)。在1500~1700℃的還原氣氛中燒成;在燒成導(dǎo)體部分鍍Ni、Au形成焊接區(qū);b.印刷多層法:33c.生基板疊層法:在生基板上沖好通孔;在生基板上印刷Mo、W等導(dǎo)體;

重疊所需層數(shù),在490-1470N/cm2壓力和80–150℃下疊壓;在1500-1700℃的還原氣氛中燒成。

在燒結(jié)過(guò)程中,薄片里的SiO2、CaO、MgO擴(kuò)散到導(dǎo)體層中形成中間層,從而可得牢固的結(jié)合強(qiáng)度

c.生基板疊層法:34優(yōu)點(diǎn):(后兩種二種方法)*利用生基板有柔軟性、容易吸收有機(jī)溶劑的特性,可印出高分辨率的微細(xì)線(xiàn),容易實(shí)現(xiàn)多層化和高密度布線(xiàn)。*由于導(dǎo)體和絕緣層燒結(jié)成整體,所以密封性好,可靠性高。缺點(diǎn):設(shè)計(jì)靈活性不如厚膜多層法,燒結(jié)溫度也偏高。

優(yōu)點(diǎn):(后兩種二種方法)352.金屬基板陶瓷基板缺點(diǎn):脆、易碎。

不易制成大面積的基板,為此開(kāi)發(fā)了金屬基板。

金屬基板:在金屬板(主要是鋼板和鋁板)上涂復(fù)絕緣膜而成。2.金屬基板陶瓷基板缺點(diǎn):脆、易碎。36金屬鋁基板金屬鋁基板37優(yōu)點(diǎn):價(jià)格比陶瓷低;

散熱性良好;

加工和成形簡(jiǎn)單,可用于通孔連接;

缺點(diǎn):通孔周?chē)突暹吘壍挠詫訒?huì)凸起,影響

印刷;

釉層中的堿離子也會(huì)發(fā)生遷移;

工作溫度低600℃

分類(lèi):優(yōu)點(diǎn):價(jià)格比陶瓷低;

散熱性良好;

38

1)涂釉鋼板低碳鋼上涂敷玻璃釉層,850℃燒成

1)392)金屬芯基板:

2)金屬芯基板:403)襯銅金屬基板:

3)襯銅金屬基板:414)絕緣金屬基板(IMST基板)

4)絕緣金屬基板(IMST基板)423、樹(shù)脂基板

分類(lèi):硬質(zhì)樹(shù)脂基板柔性樹(shù)脂基板硬質(zhì)板的主要材料:紙酚醛樹(shù)脂、紙環(huán)氧樹(shù)脂、玻璃環(huán)氧樹(shù)脂。柔性板主要材料:聚酯、聚酰亞胺、玻璃環(huán)氧樹(shù)脂等。3、樹(shù)脂基板43厚膜混合集成電路課件第21章44優(yōu)點(diǎn):加工簡(jiǎn)便;成本低;可電鍍制作細(xì)線(xiàn),適于自動(dòng)化生產(chǎn)。缺點(diǎn):耐熱性差;熱沖擊性差;高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性差。優(yōu)點(diǎn):45各種樹(shù)脂基板的特性性能材料體積電阻率Ω·cm介電常數(shù)耐熱性℃/min熱導(dǎo)率J/cm·℃·s尺寸精度%紙酚醛樹(shù)脂1013-10144.2-4.8130/30-0.1紙環(huán)氧樹(shù)脂1013-10144.3-4.8130/30-0.1耐熱玻璃環(huán)氧樹(shù)脂5×1015-164.6-5.0300/30S2.9×10-30.05玻璃聚酰亞胺3×1015-164.6-5.0300/2-0.04聚酯4×10153.1130/240-0.2各種樹(shù)脂基板的特性性能體積電介電常數(shù)46小結(jié)掌握厚膜基板種類(lèi)、作用、基本要求、各類(lèi)基板的主要性能。小結(jié)47作業(yè)1、基板在厚膜電路中起什么作用?基板的性能對(duì)電路有什么影響?2、厚膜電路中使用的基板有哪些?各有什么特點(diǎn)?作業(yè)48THANKYOUTHANKYOU49第二章厚膜元件與材料2.1厚膜基板2.2厚膜導(dǎo)體與材料2.3厚膜電阻及材料2.4厚膜介質(zhì)材料2.5厚膜鐵氧體磁性材料及厚膜電感器2.6其他厚膜材料第二章厚膜元件與材料2.1厚膜基板502.1厚膜基板一、基板的作用與要求1.作用承載作用:厚膜元件、外貼元器件、互連導(dǎo)體以及整個(gè)電路;絕緣作用:提供元器件之間的電絕緣;導(dǎo)熱、散熱作用:將元器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量即時(shí)散發(fā)出去;2.1厚膜基板一、基板的作用與要求51厚膜混合集成電路課件第21章52厚膜混合集成電路課件第21章53

2、要求基板的性能對(duì)厚膜元件和整個(gè)電路性能、工藝有很大的影響,特別在可靠性和工藝重現(xiàn)性等方面關(guān)系十分密切?;逡?1)表面性能表面平整、光滑,具有適當(dāng)?shù)谋砻婀鉂嵍取?)電性能ρv、ρs高,tgδ小,保證絕緣性能。2、要求543)熱性能導(dǎo)熱性高基板的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與電路所用的材料相匹配。4)機(jī)械性能機(jī)械強(qiáng)度和硬度高---能經(jīng)受機(jī)械振動(dòng)、沖擊和熱沖擊良好的加工性能---切割、加工和鉆孔等

3)熱性能555)化學(xué)性能化學(xué)穩(wěn)定性高--不受各種化學(xué)試劑和溶劑的影響。與電路材料有很好的相容性。6)其他性能耐高溫,經(jīng)受多次高溫?zé)Y(jié)不變形;成本要低;重量輕;5)化學(xué)性能56二、常用的基板材料常用基板種類(lèi):陶瓷基板;金屬(包括金屬芯型)基板;樹(shù)脂基板;二、常用的基板材料常用基板種類(lèi):57氧化鋁陶瓷基板金屬基板氧化鋁陶瓷基板金屬基板58樹(shù)脂基板樹(shù)脂基板591、陶瓷基板:

優(yōu)點(diǎn):耐高溫(1000℃),熱脹系數(shù)小,導(dǎo)熱性好,絕緣強(qiáng)度高。

缺點(diǎn):脆、易碎。

種類(lèi):氧化鋁陶瓷(Al2O3)、氧化鈹(BeO)、氮化鋁(AlN)、碳化硅(SiC)、多層陶瓷基板。1、陶瓷基板:601)氧化鋁基板:主要成分Al2O3,Al2O3含量越高,基板性能(電性能、機(jī)械強(qiáng)度、表面光潔度等)越好。但燒結(jié)溫度高、價(jià)格貴。厚膜電路一般采用94~Al2O3瓷(晶粒尺寸3~5μm)。85瓷和75瓷性能較前者稍差,但成本較低,所以目前國(guó)內(nèi)外也有采用。1)氧化鋁基板:61氧化鋁基板的性能氧化鋁基板的性能62熱導(dǎo)率和氧化鋁含量的關(guān)系熱導(dǎo)率和氧化鋁含量的關(guān)系63優(yōu)點(diǎn):價(jià)格適中;各種性能基本滿(mǎn)足厚膜電路的要求;與厚膜混合集成電路相容性比較好,目前使用最廣泛;缺點(diǎn):熱導(dǎo)率沒(méi)有氧化鈹基板、氮化鋁基板高。優(yōu)點(diǎn):642)氧化鈹基板:優(yōu)點(diǎn):熱導(dǎo)率高(常溫下2.64J/cm·℃·s),僅次于銀、銅、金與鋁相近,為氧化鋁的10倍;體積電阻率大;介電系數(shù)小、高頻下?lián)p耗小、適于高頻、大功率電路;能與大多數(shù)厚膜漿料相容。2)氧化鈹基板:65缺點(diǎn):粉末有毒,價(jià)格較貴、機(jī)械強(qiáng)度不如氧化鋁。

如果不考慮成本和毒性,氧化鈹是一種理想的基片材料。

厚膜混合集成電路課件第21章66密度(g/cm3)2.95抗彎強(qiáng)度(N/cm2)18620熱脹系數(shù)(×10-6)8.5熱導(dǎo)率(J/cm·℃·s)2.64介電常數(shù)(J/cm·℃·s)6.8介電損耗(×10-4)2體電阻率(Ω·cm)1017(25℃)絕緣強(qiáng)度(kV/cm)與基板的厚度有關(guān)最高使用溫度(℃)1800氧化鈹(99.5%)基板的性能密度(g/cm3)2.95抗彎強(qiáng)度(N/cm2)1862067氧化鈹陶瓷有負(fù)的電阻率溫度系數(shù)。99.5%氧化鈹電阻率與溫度的關(guān)系氧化鈹陶瓷有負(fù)的電阻率溫度系數(shù)。99.5%氧化鈹電阻率與溫度68厚膜混合集成電路課件第21章693)氮化鋁基板是一種新型陶瓷基板。優(yōu)點(diǎn):熱導(dǎo)率高(與99.5%BeO陶瓷大致相同,為氧化鋁的8~10倍);熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系比氧化鈹瓷??;抗彎強(qiáng)度大、硬度小、機(jī)械加工比較容易(抗彎強(qiáng)度比氧化鋁大但硬度僅為氧化鋁的一半);3)氮化鋁基板70熱脹系數(shù)比氧化鈹小(4.4ppm/℃),與Si接近,這有利于組裝大規(guī)模IC芯片;與Au、Ag-Pd和Cu漿料的相容性較好,可作高頻、大功率電路基板,還適于高密度、大功率的微波電路以及大規(guī)模厚膜IC。缺點(diǎn):

成本高;對(duì)雜質(zhì)含量敏感;熱脹系數(shù)比氧化鈹小(4.4ppm/℃),與Si接近,71AlNAl2O3BeO密度(g/cm3)3.33.92.9抗彎強(qiáng)度(N/cm2)392002352018620熱脹系數(shù)(×10-6)4.57.38熱導(dǎo)率(J/cm·℃·s)1~1.60.22.51介電常數(shù)(J/cm·℃·s)8.88.56.5介電損耗(×10-4)5~1035體電阻率(Ω/cm)>1014>1014>1014絕緣強(qiáng)度(kV/cm)140~170100100氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁基板性能比較AlNAl2O3BeO密度(g/cm3)3.33.92.9抗72氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)臒釋?dǎo)率與溫度的關(guān)系氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹?shù)臒釋?dǎo)率與溫度的關(guān)系73幾種陶瓷基板熱膨脹系數(shù)的比較幾種陶瓷基板熱膨脹系數(shù)的比較744)碳化硅基板:以α-SiC為主,摻以微量BeO(0.1-0.35%)的新型基板。優(yōu)點(diǎn):熱導(dǎo)率是金屬鋁的1.2倍,比BeO瓷還要高,從熱擴(kuò)散系數(shù)、熱容量看該基板傳熱比Cu還要好。SiC基板的抗彎強(qiáng)度為44100N/㎝2與氧化鋁相近。4)碳化硅基板:75熱脹系數(shù)與單晶硅幾乎相同,所以適合組裝大規(guī)模IC芯片。缺點(diǎn)體積電阻率比氧化鋁和氧化鈹?shù)?。介電系?shù)高,因此高頻性能不如氧化鋁。熱脹系數(shù)與單晶硅幾乎相同,所以適合組裝大規(guī)模IC芯片。76新型SiC陶瓷與其它材料的性能比較

性能材料熱導(dǎo)率(J/cm·℃·s)體電阻率(Ω/cm)熱脹系數(shù)0~400℃(×10-6/℃)介電常數(shù)(室溫,1MHz)新型SiC陶瓷2.714×10133.740一般SiC陶瓷0.67<10134.2-BeO陶瓷2.41>101386.8Al2O3陶瓷0.17>10146.88.5Si單晶1.283.5~4.0119新型SiC陶瓷與其它材料的性能比較性能熱導(dǎo)率(J/cm·775)多層陶瓷基板:為了提高組裝密度,使電路高密度化、小型化、高速化而研制的陶瓷基板(多為氧化鋁瓷)。

多層化的方法有三種:

5)多層陶瓷基板:78a.厚膜多層法:在氧化鋁基板上交替印燒導(dǎo)體(Au、Ag-Pd等)和介質(zhì)漿料。特點(diǎn):制造靈活性大;可在空氣中燒結(jié),溫度<1000℃;層內(nèi)含電阻、電容等,制造過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。缺點(diǎn):

制作微細(xì)線(xiàn)困難,層數(shù)也不能太多;可焊性、密封性不如其它二種方法。

a.厚膜多層法:79厚膜電路底層布圖

厚膜電路介質(zhì)層布圖

厚膜電路底層布圖厚膜電路介質(zhì)層布圖80厚膜電路頂層布圖厚膜電路頂層布圖81b.印刷多層法:將與生基板成分相同的氧化鋁制成漿料;交替在氧化鋁基板上印刷和干燥Mo、W等導(dǎo)體以及氧化鋁介質(zhì)漿料;(此時(shí)各層間的印刷導(dǎo)體就可以通過(guò)層間的通孔實(shí)現(xiàn)層間連接)。在1500~1700℃的還原氣氛中燒成;在燒成導(dǎo)體部分鍍Ni、Au形成焊接區(qū);b.印刷多層法:82c.生基板疊層法:在生基板上沖好通孔;在生基板上印刷Mo、W等導(dǎo)體;

重疊所需層數(shù),在490-1470N/cm2壓力和80–150℃下疊壓;在1500-1700℃的還原氣氛中燒成。

在燒結(jié)過(guò)程中,薄片里的SiO2、CaO、MgO擴(kuò)散到導(dǎo)體層中形成中間層,從而可得牢固的結(jié)合強(qiáng)度

c.生基板疊層法:83優(yōu)點(diǎn):(后兩種二種方法)*利用生基板有柔軟性、容易吸收有機(jī)溶劑的特性,可印出高分辨率的微細(xì)線(xiàn),容易實(shí)現(xiàn)多層化和高密度布線(xiàn)。*由于導(dǎo)體和絕緣層燒結(jié)成整體,所以密封性好,可靠性高。缺點(diǎn):設(shè)計(jì)靈活性不如厚膜多層法,燒結(jié)溫度也偏高。

優(yōu)點(diǎn):(后兩種二種方法)842.金屬基板陶瓷基板缺點(diǎn):脆、易碎。

不易制成大面積的基板,為此開(kāi)發(fā)了金屬基板。

金屬基板:在金屬板(主要是鋼板和鋁板)上涂復(fù)絕緣膜而成。2.金屬基板陶瓷基板缺點(diǎn):脆、易碎。85金屬鋁基板金屬鋁基板86優(yōu)點(diǎn):價(jià)格比陶瓷低;

散熱性良好;

加工和成形簡(jiǎn)單,可用于通孔連接;

缺點(diǎn):通孔周?chē)?/p>

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