CN104961350A - 一种低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料及其制备方法，其中玻璃陶瓷复合基板材料的成分为：75wt％～95wt％的CBS玻璃，以及5wt％～25wt％的Al2O3；所述CBS玻璃的摩尔配比为CaO：B2O3：SiO2＝x：y：z，其中，0.33<x<0.5，0.12<y<0.3,0.3<z<0.5；所述Al2O3为α型Al2O3。本发明的配方不含重金属成分，可在高频领域产品中应用，绿色环保无污染；由传统的烧结工艺1200℃以上降到900℃以下，烧结温度的进一步降低，有节能优势；介电常数从6～9可调，损耗低(tanδ<5×10-3)，谐振频率温度系数稳定,机械强度高(＞200MPa)，材料性能稳定，而且制备工艺较为成熟，易于推广。

Description

一种低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料及其制备方法
技术领域
本发明属于介质玻璃陶瓷复合基板材料领域，尤其涉及低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料及其制备的方法。
背景技术
现代半导体产业的飞速发展，对电子封装提出了更高的要求，多层基板技术应运而生。低温共烧玻璃陶瓷(LTCC)多层基板的应用，提高了信号的传输速度和布线密度，可以满足VLSI高密度封装的要求，是现代通信技术的关键基础材料，在便携式移动电话、电视卫星接收器、军事雷达方面有着十分重要的应用，在现代通讯工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用。低温共烧玻璃陶瓷材料体系的开发已成为当今电子封装领域研究的热点。
电子器件和电子装置中元器件的复杂化、密集化和功能化，对封装基板及布线工程提出越来越高的要求，主要表现在下述几点：(1)信号传输的高速化迫切要求降低介电常数，介电损耗和减小引线距离；(2)为减小体积，许多电子元件，如电阻、电容、甚至电感，要内藏于基板之中；(3)为减小封装体积，减少了封装环节，裸芯片实装最为典型。封装的许多功能，如电气连接，物理保护，应力缓和，散热防潮，尺寸过渡，规格化、标准化等，正逐渐部分或全部地由基板来承担；(4)良好的化学稳定性和机械性能。传统陶瓷Al2O3具有中低介电常数(9～10)，高机械强度(>400MPa)，优异的化学稳定性，是一种良好的基板材料。然而，纯Al2O3陶瓷烧结温度却较高(1400～1500℃)，不能直接与Ag、Cu等低熔点金属共烧。为了降低烧结温度，传统的方法一种为掺入低熔点氧化物，如B2O3及V2O5，然而游离的B2O3及V2O5在后期流延过程中易导致浆料粘度过大而不稳定，限制了其实际应用；另一种方法是Al2O3-晶化玻璃，即在晶化玻璃中参入少量陶瓷作为成核剂，产品的最终性能决定于样品的晶化程度。但这种方法所需要的晶化玻璃量很大，造成成本较高，极大限制了玻璃陶瓷复合基板材料的发展。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种可低温烧结(800～850℃)，具有低介电常数(6～9)，低损耗且频率温度系数稳定的低介玻璃陶瓷复合基板材料及其制备方法。可应用于便携式移动电话、电视卫星接收器、军事雷达等民用及国防工业中，工艺简单，易于工业化生产且材料性能稳定。
本发明的技术解决方案是，提供一种低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料及其制备方法，其中，低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料，由以下组分组成：75wt％～95wt％的CBS玻璃，以及5wt％～25wt％的Al2O3；所述CBS玻璃的摩尔配比为CaO：B2O3：SiO2＝x：y：z，其中，0.33<x<0.5，0.12<y<0.3,0.3<z<0.5；所述Al2O3为α型Al2O3。
如上所述低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料的制备方法，包括以下步骤：
a、按照所述CBS玻璃的组分配比，将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合；
b、将步骤a中配好的混合粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合，然后烘干；
c、将烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融，冷却后形成CBS玻璃碎块；
d、将上述CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨，然后在100℃下烘干获得CBS玻璃粉；
e、将上述CBS玻璃粉与占其重量百分比为5～25％的Al2O3混合，以去离子水为溶剂，湿式球磨混合，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将步骤e造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为10～20Mpa；
g、将步骤f干压成型的材料在800～850℃大气气氛中烧结，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
进一步的，所述步骤b和d中的湿式球磨时间均为5～10小时，步骤e中的湿式球磨时间为8～24小时。
进一步的，所述步骤c中烘干后在1500℃大气气氛中高温熔融的时间为0.5～1小时，所述步骤g中在800～850℃大气气氛中烧结时间为0.5～1小时。
更进一步的，所述步骤c中的的冷却方式为水淬。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明的配方不含重金属成分，可在高频领域产品中应用，绿色环保无污染，满足欧共体最新出台的RHOS和WEEE的严格标准要求。
2、由传统的烧结工艺1200℃以上降到900℃以下，烧结温度的进一步降低，有节能优势。
3、介电常数从6～9可调，损耗低(tanδ<5×10-3)，谐振频率温度系数稳定,机械强度高(＞200MPa)。
4、本发明低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料在通信领域的应用，可提高信号的传输速度和布线密度，可以满足VLSI高密度封装的要求，是现代通信技术的关键基础材料，在便携式移动电话、电视卫星接收器、军事雷达方面有着十分重要的应用，在现代通讯工具的小型化、集成化过程中正发挥着越来越大的作用，具有重要工业应用价值。
附图说明
图1为实施例1在825度烧结的XRD(X射线衍射图)；
图2为实施例3在825度烧结的XRD(X射线衍射图)；
图3为实施例5在825度烧结的XRD(X射线衍射图)；
图4为实施例1在825度烧结的SEM(扫描电镜图)；
图5为实施例3在825度烧结的SEM(扫描电镜图)；
图6为实施例5在825度烧结的SEM(扫描电镜图)。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明作出进一步的说明。
一种低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料，其特征在于，由以下组分组成：75wt％～95wt％的CBS玻璃，以及5wt％～25wt％的Al2O3；所述CBS玻璃的摩尔配比为CaO：B2O3：SiO2＝x：y：z，其中，0.33<x<0.5，0.12<y<0.3,0.3<z<0.5；所述Al2O3为α型Al2O3。
如上所述低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料的制备方法，包括以下步骤：
a、按照所述CBS玻璃的组分配比，将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合；
b、将步骤a中配好的混合粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合，然后烘干；
c、将烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融，冷却后形成CBS玻璃碎块；
d、将上述CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨，然后在100℃下烘干获得CBS玻璃粉；
e、将上述CBS玻璃粉与占其重量百分比为5～25％的Al2O3混合，以去离子水为溶剂，湿式球磨混合，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将步骤e造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为10～20Mpa；
g、将步骤f干压成型的材料在800～850℃大气气氛中烧结，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
作为优选的，所述步骤b和d中的湿式球磨时间均为5～10小时，步骤e中的湿式球磨时间为8～24小时。
作为优选的，所述步骤b中在烘干后在1500℃大气气氛中高温熔融的时间为0.5～1小时，所述步骤g中在850～900℃大气气氛中烧结时间为0.5～1小时。
作为优选的，所述步骤c中的的冷却方式为水淬。
表1中列出了本发明实施例1-8中低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料各组分的实际配比以及烧结温度。
表2中给出了本发明1-8实施例制得的低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料的微波介电性能，本发明实施例采用圆柱介质谐振器法进行微波介电性能的评价，检测方法为GB/T7265.2-1987开式腔法。
表1
表2
实施例1
a、将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合，其质量分别为36g、24.04g以及14.832g；
b、将步骤a配好的粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合6小时，然后烘干；
c、将烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融1小时，冷却后形成CBS玻璃碎块；
d、将CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨6小时，然后在100℃下烘干获得CBS玻璃粉；
e、将上述CBS玻璃粉与3.94g Al2O3混合，以去离子水溶剂，湿式球磨混合8小时，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将上述造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为20Mpa；
g、将步骤f干压成型的材料在825℃大气气氛中烧结1小时，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
实施例2
a、将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合，其质量分别为36g、24.04g以及14.832g；
b、将步骤a配好的粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合6小时，然后烘干；
c、将烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融1小时，冷却后形成CBS玻璃碎块；
d、将CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨6小时，然后在100℃下烘干获得CBS玻璃粉；
e、将上述CBS玻璃粉与3.94g Al2O3混合，以去离子水溶剂，湿式球磨混合8小时，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将上述造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为20Mpa；
g、将步骤f干压成型的材料在850℃大气气氛中烧结1小时，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
实施例3
a、将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合，其质量分别为36g、24.04g以及14.832g；
b、将步骤a配好的粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合6小时，然后烘干；
c、将烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融1小时，冷却后形成CBS玻璃碎块；
d、将CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨6小时，然后在100℃下烘干获得CBS玻璃粉；
e、将上述CBS玻璃粉与8.32g Al2O3混合，以去离子水溶剂，湿式球磨混合8小时，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将上述造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为20Mpa；
g、将步骤f干压成型的材料在825℃大气气氛中烧结1小时，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
实施例4
a、将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合，其质量分别为36g、24.04g以及14.832g；
b、将步骤a配好的粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合6小时，然后烘干；
c、将烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融1小时，冷却后形成CBS玻璃碎块；
d、将CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨6小时，然后在100℃下烘干获得CBS玻璃粉；
e、将上述CBS玻璃粉与8.32g Al2O3混合，以去离子水溶剂，湿式球磨混合8小时，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将上述造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为20Mpa；
g、将步骤f干压成型的材料在850℃大气气氛中烧结1小时，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
实施例5
a、将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合，其质量分别为36g、24.04g以及14.832g；
b、将步骤a配好的粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合6小时，然后烘干；
c、将烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融1小时，冷却后形成CBS玻璃碎块；
d、将CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨6小时，然后在100℃下烘干获得CBS玻璃粉；
e、将上述CBS玻璃粉与13.21g Al2O3混合，以去离子水溶剂，湿式球磨混合8小时，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将上述造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为20Mpa；
g、将步骤f干压成型的材料在825℃大气气氛中烧结1小时，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
实施例6
a、将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合，其质量分别为36g、24.04g以及14.832g；
b、将步骤a配好的粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合6小时，然后烘干；
c、将烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融1小时，形成CBS玻璃碎块；
d、将CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨6小时，然后在100℃下烘干获得CBS玻璃粉；
e、将上述CBS玻璃粉与13.21g Al2O3混合，以去离子水溶剂，湿式球磨混合8小时，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将上述造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为20Mpa；
g、将步骤f干压成型的材料在850℃大气气氛中烧结1小时，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
实施例7
a、将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合，其质量分别为36g、24.04g以及14.832g；
b、将步骤a配好的粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合6小时，然后烘干；
c、将烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融1小时，冷却后形成CBS玻璃碎块；
d、将CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨6小时，然后在100℃下烘干获得CBS玻璃粉；
e、将上述CBS玻璃粉与18.72g Al2O3混合，以去离子水溶剂，湿式球磨混合8小时，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将上述造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为20Mpa；
g、将步骤f干压成型的材料在825℃大气气氛中烧结1小时，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
实施例8
a、将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合，其质量分别为36g、24.04g以及14.832g；
b、将步骤a配好的粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合6小时，然后烘干；
c、将烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融1小时，冷却后形成CBS玻璃碎块；
d、将CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨6小时，然后在100℃下烘干获得CBS玻璃粉；
e、将上述CBS玻璃粉与18.72g Al2O3混合，以去离子水溶剂，湿式球磨混合8小时，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将上述造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为20Mpa；
g、将步骤f干压成型的材料在850℃大气气氛中烧结1小时，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
由图1、图2以及图3分别示出的实施例1、3和5在850度烧结的X射线衍射图，可见随着Al2O3的加入会出现Al2O3相；由图4、图5以及图6分别示出的实施例1、3和5在850度烧结的扫描电镜图，结合表2中的性能检测结果，可见，在一定范围内，随着Al2O3比重的增加，极大促进了烧结材料的致密度，玻璃陶瓷材料的介电常数也随之变化，材料的抗弯强度也得到了很大的提高，改善了材料的机械性能。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料，其特征在于，由以下组分组成：75wt％～95wt％的CBS玻璃，以及5wt％～25wt％的Al2O3；所述CBS玻璃的摩尔配比为CaO：B2O3：SiO2＝x：y：z，其中，0.33<x<0.5，0.12<y<0.3,0.3<z<0.5；所述Al2O3为α型Al2O3。
2.如权利要求1所述低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料的制备方法，包括以下步骤：
a、按照所述CBS玻璃的组分配比要求，将CaCO3、SiO2以及H3BO3的粉末混合；
b、将上述配好的混合粉末以去离子水为溶剂，湿式球磨混合，然后烘干；
c、将上述烘干后的粉末在1500℃大气气氛中高温熔融，冷却后形成CBS玻璃碎块；
d、将上述CBS玻璃碎块以去离子水为溶剂，湿式球磨，然后在100℃下烘干，获得CBS玻璃粉；
e、将CBS玻璃粉与占其重量百分比为5～33％的Al2O3混合，以去离子水溶剂，湿式球磨混合，烘干后添加剂量占原料总质量的3～6％的丙烯酸溶液作为粘结剂进行造粒；
f、将上述造粒得到的颗粒干压成型，成型压力为10～20Mpa；
g、将上述干压成型的材料在800～850℃大气气氛中烧结，制成高强度玻璃陶瓷复合基板材料。
3.根据权利要求2所述的低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤b和d中的湿式球磨时间均为5～10小时，步骤e中的湿式球磨时间为8～24小时。
4.根据权利要求2或3所述的低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤c中烘干后在1500℃大气气氛中高温熔融的时间为0.5～1小时，所述步骤g中在800～850℃大气气氛中烧结时间为0.5～1小时。
5.根据权利要求2所述的低温烧结高强度玻璃陶瓷复合基板材料的制备方法，其特征在于，所述步骤c中的的冷却方式为水淬。
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