CN103178024B - 具有复合介电常数的基板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有复合介电常数的基板，该基板以低介电常数硅石气凝胶材料为基体，在其中镶嵌与基体材料的介电常数不同的一种或多种介电常数各不相同的陶瓷材料。本发明还涉及制备这种具有复合介电常数的基板的方法。根据本发明，使得同一基板的不同区域具有不同的介电常数，满足了某些特殊应用的要求。

Description

具有复合介电常数的基板及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及电子封装领域，具体地，涉及一种具有复合介电常数的基板，还涉及该基板的制备方法。

【背景技术】

电子封装产品即电子产品的保护罩，让电子产品免受外界环境的影响，比如化学腐蚀、氧化等等。为了让电子产品更好的经久耐用，提高寿命，电子封装工艺技术就显得非常重要了。随着电子技术的飞速发展，封装的小型化和组装的高密度化以及各种新型封装技术的不断涌现，对电子封装的质量要求也越来越高。

在功率电子封装中，电子封装基板应具有高热导率、适合的热膨胀系数、强度高、重量轻、工艺简单、原料成本低等特点，这些是研制高性能电子封装基板需要关注的重要问题。

硅石气凝胶(又称SiO₂气凝胶)是目前应用较多的一种电子封装基板的材料。硅石气凝胶的主要成分是SiO₂，是通过溶胶凝胶方法将有机或无机硅源制备成湿凝胶，然后用气体取代凝胶中的液体，通过干燥控制添加剂及干燥工艺的控制，保持其空间网络结构基本不变，从而得到纳米多孔的硅石气凝胶材料。SiO₂气凝胶的介电常数很低(1-2)，热稳定好，还具有绝缘、轻质、无毒、阻燃、廉价等性能，在低介电常数无铅PCB基板材料中有很好的应用前景。

目前使用的基板材料主要有陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷、树脂等。其中陶瓷材料由于绝缘性能好，化学性质稳定，热导率高，高频特性好及其它优良性能而具有特殊的地位。传统的陶瓷基板材料有BeO、Al₂O₃，以及近年开发的SiC、AlN及其复合材料。

一般的基板具有单一的介电常数，然而对于某些特殊应用的要求，需要在同一基板的不同区域具有不同的介电常数，这样，一般的基板并不能满足这一要求。

【发明内容】

本发明提供一种具有复合介电常数的基板及其制备方法，以低介电常数硅石气凝胶材料为基体，在其中镶嵌多种介电常数不同的陶瓷材料，使得同一基板的不同区域具有不同的介电常数，满足了某些特殊应用的要求。

根据本发明的第一个主要方面，提供一种具有复合介电常数的基板，该基板包括基体材料和镶嵌在基体材料中的与基体材料的介电常数不同的一种或多种陶瓷材料。

根据本发明的一个方面，一种或多种陶瓷材料的介电常数各不相同。

根据本发明的一个方面，陶瓷材料镶嵌在基体材料的表面。

根据本发明的一个方面，基体材料为硅石气凝胶。

根据本发明的一个方面，陶瓷材料包括BeO、Al₂O₃、SiC、AlN以及Ba_1-xSr_xTiO₃。

根据本发明的一个方面，陶瓷材料加工成圆形薄片或方形薄片。

根据本发明的一个方面，薄片厚度小于基板厚度的50％。

根据本发明的第二个主要方面，提供一种制备具有复合介电常数的基板的方法，该方法包括以下步骤：

a、将介电常数不同的一种或多种陶瓷材料加工成一定形状，置于气凝胶浇注模具中待用；

b、将硅源材料加入到一定量的溶剂中，搅拌均匀成为溶胶，加入干燥控制添加剂，再滴入催化剂，在溶胶成为凝胶之前，注入气凝胶浇注模具模具中，静置使之成为凝胶；

c、将凝胶老化一段时间后，用置换剂除去凝胶孔内的水，并用表面修饰剂进行疏水处理，接着进行干燥，从而得到具有复合介电常数的基板。

根据本发明的一个方面，硅源材料包括正硅酸乙酯(TEOS)、正硅酸甲酯(TMOS)、酸性硅溶胶、水玻璃。

根据本发明的一个方面，陶瓷材料包括BeO、Al₂O₃、SiC、AlN以及Ba_1-xSr_xTiO₃。

根据本发明的一个方面，陶瓷材料加工成圆形薄片或方形薄片。

根据本发明的一个方面，薄片厚度小于基板厚度的50％。

根据本发明的一个方面，溶剂为去离子水和无水乙醇。

根据本发明的一个方面，干燥控制添加剂为甲酰胺和乙二醇。

根据本发明的一个方面，催化剂是盐酸、醋酸或氨水。

根据本发明的一个方面，静置过程中的温度为室温。

根据本发明的一个方面，凝胶老化时间为2-30天。

根据本发明的一个方面，置换剂是乙醇或丙酮。

根据本发明的一个方面，表面修饰剂是三甲基氯硅烷。

根据本发明的一个方面，干燥的方式包括常温常压干燥、超临界干燥或冷冻干燥。

根据本发明的第三个主要方面，提供一种制备具有复合介电常数的基板的方法，该方法包括以下步骤：

a、将介电常数不同的一种或多种陶瓷材料加工成一定形状，置于气凝胶浇注模具中待用；

b、以丙烯酰胺为单体，亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，聚丙烯酰胺为分散剂，混合后研磨制成悬浮体；

c、向已经制备好的悬浮体中加入四甲基乙二胺作为催化剂，并以过硫酸铵水溶液为引发剂，搅拌均匀后，抽真空除去悬浮体中气泡成浆状物待用；

d、在气凝胶浇注模具中放入纤维布，再将待用成浆状物注入已放置不同陶瓷薄片和纤维布的气凝胶浇注模具中，将模具加热后脱模、干燥并排胶，从而得到具有复合介电常数的基板。

根据本发明的一个方面，陶瓷材料包括BeO、Al₂O₃、SiC、AlN以及Ba_1-xSr_xTiO₃。

根据本发明的一个方面，陶瓷材料加工成圆形薄片或方形薄片。

根据本发明的一个方面，薄片厚度小于基板厚度的50％。

根据本发明的一个方面，丙烯酰胺浓度为15mass％。

根据本发明的一个方面，丙烯酰胺∶亚甲基双丙烯酰胺的体积比为24∶1。

根据本发明的一个方面，聚丙烯酰胺含量为二氧化硅气凝胶粉体重量的1mass％。

根据本发明的一个方面，研磨方式为球磨，时间为48小时。

根据本发明的一个方面，悬浮体的固相体积分数为70vol％。

根据本发明的一个方面，加入的四甲基乙二胺体积分数为0.15vol％。

根据本发明的一个方面，加入的过硫酸铵水溶液的体积分数为0.4vol％，而其溶液浓度为5mass％。

根据本发明的一个方面，抽真空时间为5分钟。

根据本发明的一个方面，加热方式为60℃水浴恒温加热15分钟。

根据本发明的一个方面，干燥方式为室温下干燥48小时，然后放入60℃的烘箱中干燥12小时，再在110℃的温度下干燥24小时。

根据本发明的一个方面，排胶温度为400℃。

应当认识到，本发明以上各方面中的特征可以在本发明的范围内自由组合，而并不受其顺序的限制——只要组合后的技术方案落在本发明的实质精神内。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明的附图作简单地介绍，其中：

图1示意性地显示了本发明的具有复合介电常数的基板的横截面。

图2示意性地显示了根据本发明的制备具有复合介电常数的基板的一种方法的流程。

图3示意性地显示了根据本发明的制备具有复合介电常数的基板的另一种方法的流程。

【具体实施方式】

下文将结合本发明的优选实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

需要明白，下文的描述(包括附图)仅仅是示例性的，而非对本发明的限制性描述。在以下描述中会涉及到部件、原料的具体数量或比例，然而也需要明白的是，这些数量或比例也仅仅是示例性的，本领域技术人员可以参照本发明任意选取适当数量或比例的部件、原料。并且，在本发明中所提及的“第一”、“第二”等字眼，并非表示对部件重要性的排序，仅仅作区别部件名称之用。

除非另有明确定义，本申请上下文中使用的术语具有本领域中通常使用的含义。

参见图1，其示意性地显示了本发明的具有复合介电常数的基板10的横截面。该基板10包括优选地为硅石气凝胶的基体材料1和镶嵌在基体材料中的、与其介电常数不同的一种或多种陶瓷材料2。优选地，陶瓷材料2包括BeO、Al₂O₃、SiC、AlN以及Ba_1-xSr_xTiO₃等介电常数各不相同的材料。这些陶瓷材料优选地加工成圆形薄片或方形薄片，并优选地镶嵌在基体材料的表面；而薄片的厚度优选地小于基板厚度的50％。

需要明白的是，陶瓷材料2也可仅包括一种材料，此时只要该一种材料与作为基体材料1的硅石气凝胶的介电常数不同，也可以获得本发明意义下的具有复合介电常数的基板10。

图2和图3示意性地显示了根据本发明的制备具有复合介电常数的基板的方法的流程。其具体的制备方式可以参见下列具体实施例。

制备方法实施例一：

将介电常数不同的陶瓷材料BeO、Al₂O₃、SiC、AlN等分别加工成圆形薄片，其中薄片厚度小于目标基板厚度的50％。将加工好的不同陶瓷薄片按照指定要求置于气凝胶浇注模具中，待用。

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，以一定量的去离子水和无水乙醇为溶剂(摩尔比为正硅酸乙酯∶水∶乙醇＝1∶3.5∶4-20)，以甲酰胺和乙二醇为干燥控制添加剂，搅拌均匀后，加入干燥控制添加剂，滴入浓度为0.35mol/L的氨水做催化剂并调节pH值。

在溶胶交联之后、成为凝胶之前，将其注入中准备好的模具中，在室温下静置使之成为凝胶。

等凝胶老化20天后，用乙醇做置换剂除去凝胶孔内的水，并用三甲基氯硅烷作表面修饰剂进行疏水处理，再在常温常压下进行干燥，从而得到二氧化硅气凝胶低介电常数材料为基体的、特定区域中镶嵌有不同介电常数材料的复合介电常数基板。

制备方法实施例二：

将介电常数不同的陶瓷材料BeO、Al₂O₃、SiC、AlN等分别加工成方形薄片，其中薄片厚度小于目标基板厚度的50％。将加工好的不同陶瓷薄片按照指定要求置于气凝胶浇注模具底部，待用。

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，以一定量的去离子水和无水乙醇为溶剂(摩尔比为正硅酸乙酯∶水∶乙醇＝1∶3.5∶4-20)，以甲酰胺和乙二醇为干燥控制添加剂，搅拌均匀后，加入干燥控制添加剂，滴入浓度为0.35mol/L的氨水做催化剂并调节pH值。

在溶胶交联之后、成为凝胶之前，将其注入中准备好的模具中，在室温下静置使之成为凝胶。

等凝胶老化20天后，用乙醇做置换剂除去凝胶孔内的水，并用三甲基氯硅烷作表面修饰剂进行疏水处理，再在常温常压下进行干燥，从而得到二氧化硅气凝胶低介电常数材料为基体的、表面特定区域中镶嵌有不同介电常数材料的复合介电常数基板。

制备方法实施例三：

将介电常数不同的陶瓷材料BeO、Al₂O₃、SiC、AlN等分别加工成圆形薄片，其中薄片厚度小于目标基板厚度的50％。将加工好的不同陶瓷薄片按照指定要求置于气凝胶浇注模具中，待用。

以水玻璃为硅源，以一定量的去离子水和无水乙醇为溶剂(摩尔比为水玻璃∶水∶乙醇＝1∶3∶4-20)，以甲酰胺和乙二醇为干燥控制添加剂，搅拌均匀后，加入干燥控制添加剂，滴入质量分数为1.5％的盐酸做催化剂并调节pH值。

在溶胶交联之后、成为凝胶之前，将其注入中准备好的模具中，在室温下静置使之成为凝胶。

等凝胶老化20天后，用乙醇做置换剂除去凝胶孔内的水，并用三甲基氯硅烷作表面修饰剂进行疏水处理，再在常温常压下进行干燥，从而得到二氧化硅气凝胶低介电常数材料为基体的、特定区域中镶嵌有不同介电常数材料的复合介电常数基板。

制备方法实施例四：

将介电常数不同的陶瓷材料BeO、Al₂O₃、SiC、AlN等分别加工成方形薄片，其中薄片厚度小于目标基板厚度的50％。将加工好的不同陶瓷薄片按照指定要求置于气凝胶浇注模具底部，待用。

以浓度为15mass％的丙烯酰胺为单体，亚甲基双丙烯酰胺为交联剂(其中，丙烯酰胺∶亚甲基双丙烯酰胺的体积比为24∶1)，再以含量为二氧化硅气凝胶粉体重量的1mass％的聚丙烯酰胺作为分散剂，混合球磨时间48小时，制备成固相体积分数70vol％的悬浮体。

向已经制备好的悬浮体中加入0.15vol％的四甲基乙二胺作为催化剂，以0.4vol％的过硫酸铵水溶液(溶液的浓度为5mass％)作为引发剂，搅拌均匀后，抽真空5分钟，除去悬浮体中气泡后作为浆料待用。

将准备好的气凝胶浇注模具中放入纤维布，再将待用浆料注入已放置不同陶瓷薄片和纤维布的模具中。将模具置于60℃的水浴中恒温15分钟；然后脱模后在室温下干燥48小时，再放入60℃的烘箱中干燥12小时，又再110℃的温度下干燥24小时。最后将其在400℃环境下排胶，得到以二氧化硅气凝胶低介电常数材料为基体的、特定区域镶嵌有不同介电常数材料的复合介电常数基板。

制备方法实施例五：

将介电常数不同的陶瓷材料BeO、Al₂O₃、SiC、AlN等分别加工成圆形薄片，其中薄片厚度小于目标基板厚度的50％。将加工好的不同陶瓷薄片按照指定要求置于气凝胶浇注模具中，待用。

以浓度为15mass％的丙烯酰胺为单体，亚甲基双丙烯酰胺为交联剂(其中，丙烯酰胺∶亚甲基双丙烯酰胺的体积比为24∶1)，再以含量为二氧化硅气凝胶粉体重量的1mass％的聚丙烯酰胺作为分散剂，混合球磨时间48小时，制备成固相体积分数70vol％的悬浮体。

向已经制备好的悬浮体中加入0.15vol％的四甲基乙二胺作为催化剂，以0.4vol％的过硫酸铵水溶液(溶液的浓度为5mass％)作为引发剂，搅拌均匀后，抽真空5分钟，除去悬浮体中气泡后作为浆料待用。

将准备好的气凝胶浇注模具中放入纤维布，再将待用浆料注入已放置不同陶瓷薄片和纤维布的模具中。将模具置于60℃的水浴中恒温15分钟；然后脱模后在室温下干燥48小时，再放入60℃的烘箱中干燥12小时，又再110℃的温度下干燥24小时。最后将其在400℃环境下排胶，从而得到二氧化硅气凝胶低介电常数材料为基体的、表面特定区域中镶嵌有不同介电常数材料的复合介电常数基板。

根据本发明的方法制备的复合介电常数基板在不同区域中具有不同的介电常数，满足了某些特殊应用的要求。

需要明白，以上根据优选的实施方式对本发明作了详细的描述，不过需要理解的是，本发明的范围并不局限于这些具体的实施方式，而是包括本领域技术人员根据本发明的公开能够做出的任何改动和变更。

Claims (9)

1.一种具有复合介电常数的基板，该基板包括基体材料和镶嵌在基体材料中的与基体材料的介电常数不同的多种陶瓷材料，所述陶瓷材料的介电常数各不相同。

2.根据权利要求1所述的基板，其特征在于，所述陶瓷材料镶嵌在所述基体材料的表面。

3.根据权利要求1所述的基板，其特征在于，所述基体材料为硅石气凝胶。

4.根据权利要求1所述的基板，其特征在于，所述陶瓷材料包括BeO、A1₂O₃、SiC、AlN以及Ba_1-xSr_xTiO₃。

5.根据权利要求1所述的基板，其特征在于，所述陶瓷材料加工成圆形薄片或方形薄片。

6.根据权利要求5所述的基板，其特征在于，所述圆形薄片或方形薄片的厚度小于所述基板的厚度的50％。

7.一种制备具有复合介电常数的基板的方法，该方法包括以下步骤：

a、将介电常数不同的一种或多种陶瓷材料加工成一定形状，置于气凝胶浇注模具中待用；

b、将硅源材料加入到一定量的溶剂中，搅拌均匀成为溶胶，加入干燥控制添加剂，再滴入催化剂，在溶胶成为凝胶之前，注入气凝胶浇注模具模具中，静置使之成为凝胶；

c、将凝胶老化一段时间后，用置换剂除去凝胶孔内的水，并用表面修饰剂进行疏水处理，接着进行干燥，从而得到具有复合介电常数的基板。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述硅源材料包括正硅酸乙酯(TEOS)、正硅酸甲酯(TMOS)、酸性硅溶胶、水玻璃。

9.一种制备具有复合介电常数的基板的方法，该方法包括以下步骤：

a、将介电常数不同的一种或多种陶瓷材料加工成一定形状，置于气凝胶浇注模具中待用；

b、以丙烯酰胺为单体，亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，聚丙烯酰胺为分散剂，混合后研磨制成悬浮体；

c、向已经制备好的悬浮体中加入四甲基乙二胺作为催化剂，并以过硫酸铵水溶液为引发剂，搅拌均匀后，抽真空除去悬浮体中气泡成浆状物待用；

d、在气凝胶浇注模具中放入纤维布，再将待用成浆状物注入已放置不同陶瓷薄片和纤维布的气凝胶浇注模具中，将模具加热后脱模、干燥并排胶，从而得到具有复合介电常数的基板。