CN105271758A - 3d封装ltcc基片材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D封装LTCC基片材料及其制备方法，该基片材料是由无机玻璃陶瓷料和有机流延体系组成；无机玻璃陶瓷料由包覆α-Al₂O₃和低软化点玻璃组成；低软化点玻璃是钙硼铝硅玻璃或铅硼硅玻璃；有机流延体系由溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂组成。制备方法是：首先制备低软化点玻璃；然后将低软化点玻璃粉包覆α-Al₂O₃提高界面润湿力；最后将包覆α-Al₂O₃粉末和低软化点玻璃粉料的混合粉，加入有机流延体系流延成型得到高密度封装基片。该材料可用于低温共烧陶瓷系统、微波天线、滤波器件等领域。

Description

3D封装LTCC基片材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子材料与器件技术领域，具体涉及一种多层高密度封装LTCC基板材料及其制备方法。

背景技术

低温共烧陶瓷(LTCC，LowTemperatureCo-firedCeramics的缩写)是一种新型材料，用于实现高集成度、高性能电子封装。新型高密度封装LTCC多层电路基片作为微波新型电子材料与元器件的典型代表，由于其设计的灵活性和性能的优异性而脱颖而出，其是采用LTCC技术，把印有导电带图形和含有互连通孔的多层生料带相叠，在900℃温度以下烧结而形成的一种互连结构。3D封装LTCC多层电路基片可以最大限度增大布线密度和缩小互连长度，是实现微型化、高密度微波电路的一种理想的互连基板。多层基片中每层都可以单独完成电路设计，采用微波传输线、逻辑控制线和电源线的混合信号设计并将它们组合在同一个三维立体微波互连结构中，实现相应的电讯功能。LTCC技术为多层线路和电子元器件的设计带来了巨大的灵活性，但许多相关技术亟待开发。目前研究最多的主要有材料性能、收缩率控制、共烧匹配性的调制问题，但对于改性填充相陶瓷界面的研究相对较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种3D封装LTCC基片材料及其制备方法。通过玻璃包覆陶瓷相，改性陶瓷界面提高界面润湿力，获得一种低玻璃相含量的LTCC材料，可用于制备大面积的厚膜基板，应用于集成电路、MCM组件、蓝牙模块及光电子技术等领域。

3D封装LTCC基片材料，是由无机玻璃陶瓷料和有机流延体系组成。其中无机玻璃陶瓷料由包覆α-Al₂O₃(D₅₀＝2～4um)和低软化点玻璃组成；低软化点玻璃是钙硼铝硅玻璃或铅硼硅玻璃；有机流延体系由溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂组成。

所述的低软化点玻璃是钙硼铝硅玻璃或铅硼硅玻璃。

其中钙硼铝硅玻璃由CaO、SiO₂、Al₂O₃、B₂O₃、K₂O、Na₂O、Li₂O、MgO八种成分组成，各成分的含量为：CaO10～20wt％；SiO₂40～60wt％；Al₂O₃5～15wt％；B₂O₃5～10wt％；K₂O0.5～3wt％；Na₂O1～3wt％；Li₂O0.1～2wt％；MgO3～5wt％。

铅硼硅玻璃由CaO、SiO₂、B₂O₃、PbO、Na₂O、K₂O、MgO七种成分组成，各成分的含量为：CaO5～20wt％；SiO₂30～60wt％；B₂O₃10～30wt％；PbO10～25wt％；Na₂O0.5～3wt％；K₂O0.5～3wt％；MgO0.5～1wt％。

有机流延体系由9-10.5wt％粘结剂、78～82wt％溶剂、4-4.5wt％分散剂、5-7wt％增塑剂组成。所述的粘结剂是聚乙烯醇缩丁醛，所述的溶剂是乙醇与甲乙酮的混合物，其中乙醇占有机流延体系的48～55wt％；甲乙酮占有机流延体系的25～30wt％；所述的分散剂是鲱鱼油；所述的增塑剂是邻苯二甲酸丁苄酯。

低介3D封装LTCC基片材料的制备过程如下：

步骤一、低软化点玻璃的制备

①钙铝硼硅玻璃主要由CaO、SiO₂、Al₂O₃、B₂O₃、K₂O、Na₂O、Li₂O、MgO八种成分组成。各成分的含量为：CaO10～20wt％；SiO₂40～60wt％；Al₂O₃5～15wt％；B₂O₃5～10wt％；K₂O0.5～3wt％；Na₂O1～3wt％；Li₂O0.1～2wt％；MgO3～5wt％。

②钙铅硼硅玻璃主要由CaO、SiO₂、B₂O₃、PbO、Na₂O、K₂O、MgO七种成分组成。各成分的含量为：CaO5～20wt％；SiO₂30～60wt％；B₂O₃10～30wt％；PbO10～25wt％；Na₂O0.5～3wt％；K₂O0.5～3wt％；MgO0.5～1wt％。

称取低软化点玻璃各组份，混合8～12h得到混合粉料；将混合粉料置于铂金坩埚内，在1350～1500℃下保温0.5～2h使其完全熔融后，倒入去离子水中淬冷得到透明粗玻璃；经辊磨机粗碎后，球磨0.5h～1h后，过100目筛得到中位粒径为0.5～4μm粉料；

步骤二、包覆α-Al₂O₃

(1)称取5～10wt％低软化点玻璃粉与90～95wt％α-Al₂O₃粉末混合均匀后置入电炉，以2～5℃/min升温至500～800℃，保温10～20min，随炉冷却后，经球磨过筛得到中位粒径为2～4μm包覆α-Al₂O₃的粉末；

步骤三、流延成型得到高密度封装基片

(1)在聚四氟乙烯罐中，称取包覆α-Al₂O₃粉末和低软化点玻璃粉料的混合粉，加入有机流延体系，按玻璃陶瓷粉质量百分比为1：5加入氧化锆球，以150r/min球磨8h，经真空除泡后流延成型，自然干燥后，得到LTCC生料带；

(2)将LTCC生料带，进行裁剪、叠合、热压，置于硅碳棒炉内，以2℃/min升温至450℃，保温1～4h后，以5～10℃/min升温至850-880℃，保温10～60min，随炉冷却后取出，得到高密度封装基片。

得到的高密度封装LTCC基片低损耗玻璃陶瓷材料具有以下特点：

(1)所制生料带电路基片面积≥100×100mm²，单层标准厚度0.05～0.5±0.05mm可控，基片层数≥10层，翘曲度≤100μm/100mm；

(2)在900℃以下烧结，能与Au浆、Ag浆较好的共烧匹配；

(3)烧结瓷体介电性能ε_r为7.0～9.0，tanδ<0.2％(0.1～1GHz)，击穿电压>1000V/Mil，绝缘电阻率1×10¹²Ω，X、Y轴收缩率9.0～15％、Z轴收缩率10～15％；

(4)击穿电压>1000V/Mil，绝缘电阻率1×10¹²Ω；

(5)烧结瓷体的介电性能：在10MHz下，介电常数为7.5～8.5，介电损耗<0.2％。

附图说明

图1为实施例1所得试样烧成后的SEM图；

图2为实施例4所得试样烧成后的SEM图。

具体实施方式

以下将结合实施例具体说明本发明的技术方案。

实施例1-6所涉及的工艺参数见表1、2、3所示,制备方法如下：

步骤一、低软化点玻璃的制备

按照表1所示的称取低软化点玻璃各组份，混合12h得到混合粉料；将混合后粉料置于铂金坩埚内，在1500℃下保温1h使其完全熔融后，倒入去离子水中淬冷得到透明粗玻璃；经辊磨机粗碎，采用转速为500r/min的快速磨，球磨1h后，烘干，过100目筛得到平均粒径为0.5～4μm粉料；为试验用低软化点玻璃粉料。

表1本发明实施例中各低软化玻璃各组分含量(单位wt％)

按照实施例1的含量，采用表2的工艺参数进行实验

表2

实施例	混合时间/h	熔融温度/℃	熔融时间/h	球磨时间/h
					7	8	1350	0.5	0.5
8	10	1400	1	0.8
					9	12	1500	2	1

步骤二、包覆α-Al₂O₃

将α-Al₂O₃粉末与低软化点玻璃粉混合均匀。将混合粉体置入电炉，以2～5℃/min升温至500～800℃，保温10～20min，随炉冷却后，得到预烧后的包覆α-Al₂O₃陶瓷；经球磨烘干后，过筛得到平均粒径为1～4μm包覆α-Al₂O₃粉末。

步骤三、流延成型得到LTCC生料带

(1)参照表3，在聚四氟乙烯罐中，称取包覆α-Al₂O₃粉末和低软化点玻璃粉料的混合粉，加入有机流延体系，按玻璃陶瓷粉质量百分比为1：5加入氧化锆球，以150r/min球磨8h，经真空除泡后流延成型，自然干燥后，得到本发明所需的LTCC生料带；

(2)将LTCC生料带，进行裁剪、叠合、等静压下(100MPa)压制成型，置于硅碳棒炉内，以2℃/min升温至450℃，保温1～4h以保证试样中的有机物充分排除，以5～10℃/min升温至850-880℃，保温10～60min，随炉冷却后取出，得到高密度封装基片。

对试样断面SEM图谱如图1、2所示，可以看出烧结后的样品断面致密。对烧结体的性能测试如表4所示。

表3生料带各组分的含量(wt％)

表4玻璃陶瓷材料烧结性能

Claims (6)

1.3D封装LTCC基片材料，其特征在于，是由无机玻璃陶瓷料和有机流延体系组成；

其中无机玻璃陶瓷料由包覆α-Al₂O₃和低软化点玻璃组成；

低软化点玻璃是钙硼铝硅玻璃或铅硼硅玻璃；

有机流延体系由溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂组成。

2.根据权利要求1所述的3D封装LTCC基片材料，其特征在于，钙硼铝硅玻璃由CaO、SiO₂、Al₂O₃、B₂O₃、K₂O、Na₂O、Li₂O、MgO组成，各成分的含量为：CaO10～20wt％；SiO₂40～60wt％；Al₂O₃5～15wt％；B₂O₃5～10wt％；K₂O0.5～3wt％；Na₂O1～3wt％；Li₂O0.1～2wt％；MgO3～5wt％。

3.根据权利要求1所述的3D封装LTCC基片材料，其特征在于，铅硼硅玻璃由CaO、SiO₂、B₂O₃、PbO、Na₂O、K₂O、MgO组成，各成分的含量为：CaO5～20wt％；SiO₂30～60wt％；B₂O₃10～30wt％；PbO10～25wt％；Na₂O0.5～3wt％；K₂O0.5～3wt％；MgO0.5～1wt％。

4.根据权利要求1所述的3D封装LTCC基片材料，其特征在于，有机流延体系由9-10.5wt％粘结剂、78～82wt％溶剂、4-4.5wt％分散剂、5-7wt％增塑剂组成。

5.根据权利要求4所述的3D封装LTCC基片材料，其特征在于，所述的粘结剂是聚乙烯醇缩丁醛，所述的溶剂是乙醇与甲乙酮的混合物，其中乙醇占有机流延体系的48～55wt％；甲乙酮占有机流延体系的25～30wt％；所述的分散剂是鲱鱼油；所述的增塑剂是邻苯二甲酸丁苄酯。

6.权利要求1所述的低介3D封装LTCC基片材料的制备过程如下：

步骤一、低软化点玻璃的制备

称取低软化点玻璃各组份，混合8～12h得到混合粉料；将混合粉料置于铂金坩埚内，在1350～1500℃下保温0.5～2h使其完全熔融后，倒入去离子水中淬冷得到透明粗玻璃；经辊磨机粗碎后，球磨0.5h～1h后，过100目筛得到中位粒径为0.5～4μm粉料；

步骤二、包覆α-Al₂O₃

(1)称取5～10wt％低软化点玻璃粉与90～95wt％α-Al₂O₃粉末混合均匀后置入电炉，以2～5℃/min升温至500～800℃，保温10～20min，随炉冷却后，经球磨过筛得到中位粒径为2～4μm包覆α-Al₂O₃的粉末；

步骤三、流延成型得到高密度封装基片

(1)在聚四氟乙烯罐中，称取包覆α-Al₂O₃粉末和低软化点玻璃粉料的混合粉，加入有机流延体系，按玻璃陶瓷粉质量百分比为1：5加入氧化锆球，以150r/min球磨8h，经真空除泡后流延成型，自然干燥后，得到LTCC生料带；

(2)将LTCC生料带，进行裁剪、叠合、热压，置于硅碳棒炉内，以2℃/min升温至450℃，保温1～4h后，以5～10℃/min升温至850-880℃，保温10～60min，随炉冷却后取出，得到高密度封装基片。