CN102030471B - 一种低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片及其制备方法 - Google Patents

一种低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片及其制备方法。属于由低软化点、低损耗玻璃和陶瓷复合的新材料及其制备技术领域。具体是：将熔制的玻璃，在高温状态淬冷到水中，粗碎，球磨成玻璃粉，按照一定配比与陶瓷粉混合成复合粉料。本发明的低软化点低损耗玻璃和陶瓷料，与有机体系配成浆料，流延成生瓷料带，印刷微电路图形的金属浆料，低温共烧获得多层微电路封装基片。该玻璃和陶瓷料具有相对介电常数6.0到9.0连续可调、介质损耗低、微电路立体集成、耐温高、频率温度稳定性好等特点。在高速电路、滤波器、功率开关、微带天线阵、大功率波导等电路中，是一种具有广泛应用前景的新型微电子封装材料。

Description

一种低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片及其制备方法，属于有机和无机和金属复合材料领域。
背景技术
随着混合集成电路(HIC)、微波多芯片组件(MCM)等微电子技术的快速发展。对制造高速互联电路的电子封装材料与多层印刷微电路的基片要求越来越迫切。美国休斯公司于上世纪八十年代提出的低温共烧陶瓷(Low TemperatureCo-fired Ceramics，LTCC)新构思与新技术，使得微电子平面二维封装技术，快速发展到了高可靠的立体三微系统封装阶段。在国防、民用高科技微电子的高端领域，有着广泛而迫切的应用需求。
LTCC技术以新材料为基础，以精密高效的流延工艺制备生瓷料带为特征，这种材料具有布线间距宽(布线宽度和间距可小至0.003inch)、设计灵活、埋置多种无源元件、可靠性高、低阻抗金属化及优良的高频特性等优点。因此日本、美国等发达国家对LTCC材料体系的研究高度关注。目前国内对LTCC材料的研究处于起步阶段，拥有自主知识产权的、与玻璃和陶瓷相关复合材料体系发明专利尚未报导，LTCC商品化材料尚为空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于微电子电路封装的低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片，本发明的另一目的是提供上述低温共烧多层微电路基片的制备方法。
本发明的技术方案为：一种低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片，其特征是由多层的玻璃和陶瓷生料带及其相应的金属浆料印刷的微电路所组成；
其中玻璃和陶瓷生料带的原料组分及各组分占生料带浆料的重量百分含量分别为：钙钡镁硼硅酸盐系玻璃料22～43％；陶瓷粉17～43％；有机流延体系28～60％；其中，所述的钙钡镁硼硅酸盐系玻璃，其组分和各组分占钙钡镁硼硅酸盐系玻璃总量的重量百分含量分别为：CaO 5～20wt％；BaO 8～30wt％；MgO2～10wt％；SiO2 30～60wt％；B2O3 10～30wt％；Na2O 0.5～4wt％；K2O 0.5～4wt％；Al2O3 0.5～5wt％。
优选陶瓷料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷中的任意一种或两种。优选金属浆料为Au或Ag电子浆料(市售)，其烧成温度为800～900℃。
优选所述的有机流延体系由溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂四种成分组成，各成分占有机流延体系总重的重量百分含量分别为：溶剂60～80wt％；分散剂2～20wt％；粘结剂4～15wt％；增塑剂1～10wt％。
优选所述的溶剂为丙酮或丁酮中的任意一种或两种；分散剂为三乙醇胺或蓖麻油中的任意一种或两种；粘结剂为聚乙烯缩丁醛或聚乙烯醇中的任意一种或两种；增塑剂为邻笨二甲酸二丁酯或邻笨二甲酸二辛酯中的任意一种或两种。
本发明还提供了上述低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片的制备方法，其具体步骤如下：
a.玻璃料的制备：
(1)按钙钡镁硼硅酸盐系玻璃配方分别称取CaO、BaO、MgO、SiO2、B2O3、Na2O、K2O和Al2O3，混合8～12h；
(2)置于铂金坩埚内，于1350～1550℃下保温1～5h使其完全熔融和均匀化，倒入蒸馏水中得到透明的碎玻璃；
(3)分别将所得到的碎玻璃经湿法球磨，得到平均粒径为0.5～2μm的钙钡镁硼硅酸盐系玻璃粉料；
b.生料带的制备：
称取钙钡镁硼硅酸盐系玻璃和陶瓷粉末混合粉置于尼龙罐中，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，球磨8～12h，经真空除泡后流延成型，自然干燥后，得到低软化温度玻璃和陶瓷的生瓷料带；
c.多层微电路基片制备：
将生瓷料带，进行裁剪、金属浆料印刷电路、通孔、填孔、热压叠合，置于硅碳棒炉内，以1～3℃/min升温至370～450℃，保温1～4h后，以5～10℃/min升温至840～860℃，保温10～60min，随炉冷却后，得到低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片。
金属浆料印刷电路时，可以用一种浆料印刷，然后热压叠合，也可以分别用不同的金属浆料印刷；然后热压叠合。
优选步骤C中热压的温度为70～120℃，压力为1000～4000psi；叠合的层数3～200层。
有益效果：
本发明低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片材料的特点：
(1)所制生料带表面平整、光滑，单层面积≥120×120mm2，单层标准厚度0.120±0.05mm；
(2)烧结温度较低，在850℃左右；
(3)烧成收缩率12～15％(X、Y轴)、15～20％(Z轴)；能与Au，Ag等低熔点金属布线共烧；
(4)烧结瓷体具有优异的介电性能：在10MHz下，介电常数低6.0～9.0连续可调，介电损耗＜0.0015；
(5)生料带烧结体晶粒细小、分布均匀，气孔率低、结构致密。
附图说明
图1为实施例1所制备的玻璃和陶瓷多层微电路基片照片；
图2为实施例1所制备的玻璃和陶瓷烧结体微观结构SEM图。
具体实施方式
实施例1-3
表1为本发明具体实施例1-3中的钙钡镁硼硅酸盐系玻璃各组分含量。按表1所示分别称取各组分，经8h混匀后，在铂金坩埚内于1400℃下保温2h使其完全熔融和均匀化，倒入蒸馏水中得到透明的钙钡镁硼硅酸盐系碎玻璃，将所得到的碎玻璃，经湿法球磨(用玛瑙球)得到平均粒径为0.7μm钙钡镁硼硅酸盐系玻璃粉料。按表2的配方进行流延成型干燥后，得到本发明用的生料带。对生料带进行切片、用Au浆印制电路、通孔、填孔、叠20层，并在80℃等静压下(3000psi)压制成型。然后从室温以1℃/min升温到400℃保温2h以保证试样中的有机物充分排除，然后以5℃/min升温到850±10℃，保温15min。对烧结体性能测试如表3所示。实施例1所制备的玻璃和陶瓷多层微电路基片照片如图1所示；实施例1所制备的玻璃和陶瓷烧结体微观结构SEM图如图2所示；
表1本发明中钙钡镁硼硅酸盐系玻璃各组分含量(wt％)
  组分   CaO   BaO   MgO   SiO2   B2O3   Na2O   K2O   Al2O3
  No.1   8.3   25.7   4.5   33.4   20.6   3.7   2.6   1.2
  No.2   19   11.5   2.5   44.4   14.5   2.1   1.5   4.5
  No.3   8.5   15.5   7.6   50.8   10   0.8   3.7   3.1
表2低损耗玻璃和陶瓷流延生料带各组分的含量(wt％)
Figure BDA0000028661160000041
表3LTCC基片用低损耗玻璃和陶瓷材料烧结收缩与介电性能
Figure BDA0000028661160000042
实施例4-6
表4为本发明具体实施例4-6中的钙钡镁硼硅酸盐系玻璃各组分含量。按表4所示分别称取各组分，经8h混匀后，在铂金坩埚内于1550℃下保温4h使其完全熔融和均匀化，倒入蒸馏水中得到透明的钙钡镁硼硅酸盐系碎玻璃，将所得到的碎玻璃，经湿法球磨(用玛瑙球)得到平均粒径为2μm钙钡镁硼硅酸盐系玻璃粉料。按表5的配方进行流延成型干燥后，得到本发明用的生料带。对生料带进行切片、分别用Au浆印刷40片，用Ag浆印刷40片电路、通孔、填孔、共叠80层，下面为用Ag浆印刷的，并在100℃等静压下(3000psi)压制成型。然后从室温以3℃/min升温到440℃保温3h以保证试样中的有机物充分排除，然后以7℃/min升温到850±10℃，保温45min。对烧结体性能测试如表6所示。
表4本发明中钙钡镁硼硅酸盐系玻璃各组分含量(wt％)
  组分   CaO   BaO   MgO   SiO2   B2O3   Na2O   K2O   Al2O3
  No.4   8.3   25.7   4.5   33.4   20.6   3.7   2.6   1.2
  No.5   19   11.5   2.5   44.4   14.5   2.1   1.5   4.5
  No.6   8.5   15.5   7.6   50.8   10   0.8   3.7   3.1
表5低损耗玻璃和陶瓷流延生料带各组分的含量(wt％)
Figure BDA0000028661160000051
表6LTCC基片用低损耗玻璃和陶瓷材料烧结收缩与介电性能
Figure BDA0000028661160000052

Claims (5)

1.一种低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片，其特征是由多层的玻璃和陶瓷生料带及其相应的金属浆料印刷的微电路所组成；
其中玻璃和陶瓷生料带的原料组分及各组分占生料带浆料的重量百分含量分别为：钙钡镁硼硅酸盐系玻璃料22～43%；陶瓷粉17～43%；有机流延体系28～60%；
其中，所述的钙钡镁硼硅酸盐系玻璃，其组分和各组分占钙钡镁硼硅酸盐系玻璃总量的重量百分含量分别为：CaO 5～20wt%；BaO 8～30wt%；MgO 2～10wt%；SiO2 30～60wt%；B2O3 10～30wt%；Na2O 0.5～4wt%；K2O 0.5～4wt%；Al2O30.5～5wt%；
其中陶瓷料为氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷中的任意一种或两种；
其中所述的有机流延体系由溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂四种成分组成，各成分占有机流延体系总重的重量百分含量分别为：
溶剂60～80wt%；分散剂2～20wt%；粘结剂4～15wt%；增塑剂1～10wt%。
2.根据权利要求1所述的低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片，其特征在于金属浆料为Au或Ag电子浆料，其烧成温度为800～900℃。
3.根据权利要求1所述低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片，其特征在于所述的溶剂为丙酮或丁酮中的任意一种或两种；分散剂为三乙醇胺或蓖麻油中的任意一种或两种；粘结剂为聚乙烯缩丁醛或聚乙烯醇中的任意一种或两种；增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯或邻苯二甲酸二辛酯中的任意一种或两种。
4.一种制备如权利要求1所述的低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片的方法，其具体步骤如下：
a.玻璃料的制备：
（1）按钙钡镁硼硅酸盐系玻璃配方分别称取CaO、BaO、MgO、SiO2、B2O3、Na2O、K2O和Al2O3，混合8～12h；
（2）置于铂金坩埚内，于1350～1550℃下保温1～5h使其完全熔融和均匀化，倒入蒸馏水中得到透明的碎玻璃；
（3）分别将所得到的碎玻璃经湿法球磨，得到平均粒径为0.5～2μm的钙钡镁硼硅酸盐系玻璃粉料；
b.生料带的制备： 
称取钙钡镁硼硅酸盐系玻璃和陶瓷粉末混合粉置于尼龙罐中，加入溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂，球磨8～12h，经真空除泡后流延成型，自然干燥后，得到低软化温度玻璃和陶瓷的生瓷料带；
c.多层微电路基片制备：
将生瓷料带，进行裁剪、金属浆料印刷电路、通孔、填孔、热压叠合，置于硅碳棒炉内，以1～3℃/min升温至370～450℃，保温1～4h后，以5～10℃/min升温至840～860℃，保温10～60min，随炉冷却后，得到低温共烧玻璃和陶瓷多层微电路基片。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于步骤C中热压的温度为70～120℃，压力为1000～4000psi；叠合的层数3～200层。 
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