CN101298365B - 电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉的制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉的制备和应用，包括下列步骤：将ZnO，B2O3，SiO2，Pb3O4等组分原料按重量百分比称量，搅拌均匀，熔炼成玻璃液，轧成碎薄片，烘干过筛，制得微晶玻璃粉，在ZrO2胶体中掺入Y2O3制备超细ZrO2粉；再将玻璃粉和超细ZrO2粉按一定比例混和，制得改性锌硼硅铅系玻璃粉。将改性玻璃粉调和成浆料，再将浆料均匀地涂封在电子、半导体器件P-N结合面处，烧结固化。本发明的优点是：提供的改性锌硼硅铅系玻璃，具有足够的强度，断裂韧性和抗折强度，抗热震性好，低膨胀性、与晶体管硅单晶有良好的匹配性及优良的电学性，具有更高的抗高低温冲击强度。

Description

电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉的制备和应用
技术领域
本发明属于电子、半导体器件钝化封装材料技术领域，特别是涉及一种高可靠适应高低温骤变的电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉的制备和应用。
背景技术
随着半导体技术的发展，电子、半导体器件的钝化封装也越来越受到重视，ZnO-B2O3-SiO2-PbO锌硼硅铅系微晶玻璃由于其同单晶硅有良好的热膨胀匹配系数，体积小、耐高温、耐疲劳性好，能有效阻止外界杂质的影响，降低Na+的迁移率，而成为一种良好的封装材料。但是由于该材料本身属脆性材料，韧性的不足使其容易在高低温骤变冲击使用中炸裂而使电子、半导体器件失效或大幅度降低性能。
用含Y2O3超细ZrO2粉改善锌硼硅微晶玻璃材料的抗热震性能的研究尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用含Y2O3超细ZrO2改性的抗高低温骤变的锌硼硅铅系电子、半导体器件钝化封装玻璃粉，作为一种具有封装、固化、保护、促进作用的新型功能材料，该玻璃粉可广泛应用于航天航空、飞行器、船舶，军工装备等行业的电子功率器件、密封器件上。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案如下：当锌硼硅铅系玻璃粉中引入含Y2O3超细ZrO2粉后，由于单斜的m-ZrO2转变到四方的t-ZrO2转化晶格常数变化很大，伴随有像碳素钢中的奥氏体与马氏体之间的转变相似的体积效应约5％。根据ZrO2相变特点，如果ZrO2晶粒从高温冷却下来时，因滞后效应，材料中一部分的ZrO2就能以稳定的ZrO2的形式保存下来，并在基体中储存了相变弹性压应变能。当受到外力作用时，基体对ZrO2压抑作用得到松弛，ZrO2颗粒就发生四方到单斜的相转变，并在机体中引起微裂纹，它吸收了裂纹扩展的能量，削弱或阻止了裂纹的扩展，达到增韧补强的目的。
电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉的制备步骤：
(1)在石英坩埚或白金坩埚中，将下列各组分原料按重量百分比称量，混合，搅拌均匀；
ZnO                           56-63；
B2O3                          20-25；
SiO2                          6-10；
Pb3O4                         4-7；
混合料AA或混合料BB            4-7，
所述混合料AA由下列各组分原料按其占AA重量百分比称量混合：
Al2O3                         8.0-10.5；
Bi2O3                         45.5-49.0；
CeO                           29.0-30.5；
Nb2O3                         13.0-18.5，
所述混合料BB由下列各组分原料按其占BB重量百分比称量混合：
Al2O3                       7.2-8.5；
Bi2O3                       41.0-45.0；
CeO                         26.8-27.5；
Nb2O3                       13.2-14.9；
Sb2O3                       5.5-8.3。
(2)使用高温熔炉在1300-1380℃将所述石英坩埚或白金坩埚中混合料熔炼成均匀玻璃液；
(3)使用耐热不锈钢水冷连续轧片机将玻璃液轧成0.5mm的碎薄片，淬碎，烘干；
(4)再使用钢玉罐球磨机粉碎，将上述步骤(3)玻璃碎片粉碎，过200-250目筛子，制得玻璃粉；
(5)使用熔胶-凝胶法在ZrO2胶体中掺入Y2O3制备超细ZrO2粉，其中Y2O3重量为超细ZrO2粉重量的5.2±0.5％；
(6)球磨机粉碎含有Y2O3的超细ZrO2粉，使其颗粒度D50＝1.8-2.5μm；
(7)再将步骤(4)制备的玻璃粉，以及步骤(6)制备的超细ZrO2粉，放入YCQ100超声波振荡器中加球混和，混合搅拌均匀，其中步骤(6)制备的超细ZrO2粉的重量为玻璃粉重量的5-16％，制得电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉；
电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉的应用步骤：
(1)将电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉，用10兆以上的去离子水调和成浆料，再将浆料均匀地涂封在电子、半导体器件P-N结合面处；
(2)置于氮气保护的电炉中在700-750℃烧结10-30分钟，固化封装。
本发明的优点是：提供的电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃，具有足够的强度，断裂韧性、抗折强度高，低膨胀性、抗热震性好，与晶体管硅单晶有良好的匹配性及优良的电学性；具有更高的抗高低温冲击强度。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步阐述。
实施例一
电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉的制备步骤：
(1)在石英坩埚或白金坩埚中，将下列各组分原料按重量百分比称量，混合，搅拌均匀；
Figure S2008100361907D00041
所述混合料AA由下列各组分原料按其占AA重量百分比称量混合：
  成分   Al2O3   Bi2O3   CeO   Nb2O3
  含量(wt％)   8.3   46.7   29.0   16.0
(2)使用高温熔炉在1360℃将所述石英坩埚或白金坩埚中混合料熔炼成均匀玻璃液；
(3)使用耐热不锈钢水冷连续轧片机将玻璃液轧成0.5mm的碎薄片，淬碎，烘干；
(4)再使用钢玉罐球磨机粉碎，将上述步骤(3)玻璃碎片粉碎，过200目筛子，制得玻璃粉；
(5)使用熔胶-凝胶法在ZrO2胶体中掺入Y2O3制备超细ZrO2粉，其中Y2O3重量为超细ZrO2粉重量的5.2±0.5％；
(6)球磨机粉碎含有Y2O3的超细ZrO2粉，使其颗粒度D50＝2.5μm；
(7)再将步骤(4)制备的玻璃粉，以及步骤(6)制备的超细ZrO2粉，放入YCQ100超声波振荡器中加球混和，混合搅拌均匀，其中步骤(6)制备的超细ZrO2粉的重量为玻璃粉重量的10％，制得改性锌硼硅铅系电子器件钝化封装玻璃粉；
电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉的应用步骤：
(1)将改性锌硼硅铅系电子器件钝化封装玻璃粉，用10兆以上的去离子水调和成浆料，再将浆料均匀地涂封在电子、半导体器件P-N结合面处；
(2)置于氮气保护的电炉中在720℃烧结15分钟，固化封装。
实施例二
按实施例一中步骤进行，在步骤(1)，
所述混合料AA由下列各组分原料按其占AA重量百分比称量混合：
  成分   Al2O3   Bi2O3   CeO   Nb2O3
  含量(wt％)   9.2   47.4   30.2   13.2
在步骤(2)，熔制温度1380℃，在步骤(4)，过250目筛子，在步骤(6)，筛分得颗粒度D50＝2.1μm，在步骤(7)，超细ZrO2粉的重量为玻璃粉重量的15％；在应用部分步骤(2)，电炉温度700℃烧结20分钟，按钝化封装工艺固化。测试各种性能，参见性能比较表。
实施例三
按实施例一中步骤进行，在步骤(1)，
Figure S2008100361907D00061
所述混合料BB由下列各组分原料按其占BB重量百分比称量混合：
Figure S2008100361907D00062
在步骤(2)，熔制温度1340℃，在步骤(4)，过200目筛子，在步骤(6)，筛分得颗粒度D50＝2.0μm，在步骤(7)，超细ZrO2粉的重量为玻璃粉重量的10％；在应用部分步骤(2)，电炉温度740℃烧结20分钟，按钝化封装工艺固化。测试各种性能，参见性能比较表。
实施例四
按实施例一中步骤进行，在步骤(1)，
Figure S2008100361907D00063
所述混合料BB由下列各组分原料按其占BB重量百分比称量混合：
Figure S2008100361907D00071
在步骤(2)，熔制温度1340℃，在步骤(4)，过250目筛子，在步骤(6)，筛分得颗粒度D50＝1.8μm，在步骤(7)，超细ZrO2粉的重量为玻璃粉重量的15％；在应用部分步骤(2)，电炉温度750℃烧结30分钟，按钝化封装工艺固化。测试各种性能，参见性能比较表。
实施例五
按实施例一中步骤进行，在步骤(1)，
所述混合料BB由下列各组分原料按其占BB重量百分比称量混合：
在步骤(2)，熔制温度1320℃，在步骤(4)，过250目筛子，在步骤(6)，筛分得颗粒度D50＝1.8μm，在步骤(7)，超细ZrO2粉的重量为玻璃粉重量的5％；在应用部分步骤(2)，电炉温度750℃烧结20分钟，按钝化封装工艺固化。测试各种性能，参见性能比较表。
性能比较表
测试名称   实施例一   实施例二   实施例三   实施例四   实施例五   未改性微晶玻璃
  膨胀系数(/℃)   37.5×10-7   37.1×10-7   37.6×10-7   37.2×10-7   39.0×10-7   41.0×10-7
  抗热震性(℃)   0-220   0-240   0-220   0-240   0-190   0-180
  断裂韧性(MPa·m0.5) 1.56 1.65 1.57 1.65 1.26 0.965
  抗折强度(MPa) 67 65 68 65 75 55
所使用的测试仪器为：万能试验机，TC-100常温接触式导热系数测定仪，402ES-3电子热膨胀仪，DC-4006高低温恒温槽。
所采用的测试标准为国标GB1970-94标准。
经使用实测材料的断裂韧性从0.965MPa·m0.5提高到1.685MPa·m0.5，提高了60％左右，抗折强度从55MPa提高到75MPa，提高了30％左右，抗热震性从0℃-180℃提高到0℃-260℃，提高了30％左右，导热系数和热膨胀系数均有3-8％的下降，有利于抗冷热骤变性能提高。

Claims (2)

1.一种电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉的制备，其特征在于，包含下列步骤：
(1)在石英坩埚或白金坩埚中，将下列各组份原料按重量百分比称量，混合，搅拌均匀；
ZnO                  56-63；
B2O3                 20-25；
SiO2                 6-10；
Pb3O4                4-7；
混合料AA或混合料BB   4-7，
所述混合料AA由下列各组分原料按其占AA重量百分比称量：
Al2O3                8.0-10.5；
Bi2O3                45.5-49.0；
CeO                  29.0-30.5；
Nb2O3                13.0-16.0，
所述混合料BB由下列各组分原料按其占BB重量百分比称量：
Al2O3                7.2-8.5；
Bi2O3                41.0-45.0；
CeO                  26.8-27.5；
Nb2O3                13.2-14.9； 
Sb2O3            5.5-8.3，
(2)使用高温熔炉在1300-1380℃将所述石英坩埚或白金坩埚中配合料熔炼成均匀玻璃液；
(3)使用耐热不锈钢水冷连续轧片机将玻璃液轧成0.5mm的碎薄片，淬碎，烘干；
(4)再使用钢玉罐球磨机粉碎，将上述步骤(3)玻璃碎片粉碎，过200-250目筛子，制得玻璃粉；
(5)使用溶胶-凝胶法在ZrO2胶体中掺入Y2O3制备超细ZrO2粉，其中Y2O3重量为超细ZrO2粉重量的5.2±0.5％；
(6)球磨机粉碎含有Y2O3的超细ZrO2粉，使其颗粒度D50＝1.8-2.5μm；
(7)再将步骤(4)制备的玻璃粉，以及步骤(6)制备的超细ZrO2粉，超声波混合，加球，搅拌均匀，其中步骤(6)制备的超细ZrO2粉的重量为玻璃粉重量的5-16％，制得电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉。
2.一种如权利要求1所述的电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉的应用，其特征在于，包含下列步骤：
(1)将电子器件钝化封装改性锌硼硅铅系玻璃粉，用10兆以上的去离子水调和成浆料，再将浆料均匀地涂封在电子、半导体器件P-N结合面处；
(2)置于氮气保护的电炉中在700-750℃烧结10-30分钟，固化封装。 
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