CN108424132A - 一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子陶瓷封装材料领域，具体提供一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料及其制备方法，应用于集成电路芯片的陶瓷封装，特别适用于陶瓷球栅阵列封装。本发明采用低温共烧工艺，其制备工艺简单，原材料绿色环保不含RoHS中限定污染物质，材料性能稳定；针对特定封装环境条件，形成热膨胀系数固定的封装材料。本发明提供高热膨胀高强度陶瓷封装材料介电性能优良：介电常数6～7，介电损耗小＜1.0×10‑3，抗弯强度为190‑210MPa，杨氏模量高达70‑80GPa，热膨胀系数为11～12×10‑6/℃；为大规模集成电路的制造提供了一种极好的封装材料，将来能够与热膨胀系数为11～12×10‑6/℃的新型PCB板热匹配性能良好。通过添加MnO，封装材料的热膨胀系数被控制在11‑12×10‑6/℃之间，且封装材料的强度得到显著的提升。

Description

一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电子陶瓷封装材料领域，涉及一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料及其制备方法及其制备方法，应用于集成电路芯片的陶瓷封装，特别适用于陶瓷球栅阵列(CBGA)封装。
背景技术
随着以电子计算机为核心、集成电路产业为基础的现代信息产业的发展，以及便携式通讯系统对电子产品的迫切需求，电子产业得到了迅猛发展，同时也带动了与之密切相关的电子封装的发展。所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁--芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。
从封装技术的发展来讲，主要经历了芯片针脚由少到多和针脚变焊球的过程；现阶段的主流封装技术是BGA(Ball Grid Array)封装；而根据封装材料及结构和键合方式的不同又分为四大类，即塑料球栅阵列PBGA、陶瓷球栅阵列CBGA、陶瓷圆柱球栅阵列CCGA、载带球栅阵列TBGA；其中封装材料作为是封装技术的重要组成，为芯片提供电连接、保护、支撑、散热、组装等功效。陶瓷封装材料以其优良的电学、机械、热学及工艺特性，满足高频、数字、射频和微波器件的单芯片封装或多芯片组装的技术要求，在各类得到电子设备中得到了广泛应用。但在目前的陶瓷封装材料中仍存在着，材料制备工艺复杂，封装材料与电极材料热匹配性差，封装材料原料具有污染性等缺点。
申请公布号为CN106904953A的发明专利中公开了高密度封装用高热膨胀系数陶瓷材料及其制备方法，该材料中，以质量百分比计，所述陶瓷材料的组分包括：SiO2：55～70wt％，BaO：20～30wt％，B2O3：5～10wt％，Al2O3：2～5wt％，Y2O3：0.1～1wt％，及CrO2与ZrO2混合物：1～3wt％。制备的高膨胀系数低温共烧陶瓷材料，介电常数(5～6)，介电损耗tanδ<4.0×10-3，热膨胀系数为12～15ppm/℃，抗弯强度高达170～240MPa，杨氏模量为50～70GPa。申请公布号为CN106045323A的发明专利中公开了一种高热膨胀系数陶瓷材料及其制备方法，该高热膨胀系数陶瓷材料配方为：CaO：20～65wt％，B2O3：5～15wt％，SiO2：20～55wt％，Al2O3：0～10wt％，ZrO2：0～10wt％，Cr2O3或Co2O3：0～2wt％及25～65wt％石英砂。该材料的介电常数在5.0～6.5，介电损耗＜1.0×10-3，绝缘电阻率＞1.0×108Ω·cm，热膨胀系数为8.5～12.5×10-6/℃。以上材料的热膨胀系数跨度区间太大，将来无法与热膨胀系数为11～12ppm/℃的新型PCB板进行热匹配，难以满足一些环境条件下的应用；并且原料中均含有Cr元素，会对环境造成污染。
由此可见，迫切需要研究一种热膨胀系数系列化的高强度高热膨胀陶瓷封装材料，使得其将来能够应用在特定的环境条件下，让该封装材料与热膨胀系数为11～12ppm/℃的新型PCB板的热匹配性更佳并且降低原材料中重金属的污染。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料及其制备方法；该陶瓷封装材料具备抗弯强度高，杨氏模量高，介电系数适中，介电损耗低且与特定热膨胀系数的PCB板以及电极材料相匹配，材料性能稳定等优点；此外，该材料体系不含RoHS中限定污染物质(铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚)，对人体伤害小，有利于环境保护；同时，材料制备工艺简单方便，适用于大规模工业生产。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料，其特征在于：
以重量百分比(wt％)计，所述高热膨胀高强度陶瓷封装材料由以下组分构成：
Al2O3：1～5wt％；
BaO：20～30wt％；
B2O3：5～10wt％；
SiO2：60～70wt％；
ZrO2+MnO：1～5wt％，其中，ZrO2+MnO任意比例混合。
上述高热膨胀高强度陶瓷封装材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：以B2O3、BaO、SiO2、Al2O3、ZrO2、MnO为原料，按照配方比例进行计算、称量并混合均匀，得到混合料；
步骤2：将步骤1所得混合料经球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的粉体；
步骤3：将步骤2所得粉体装入坩埚，在电炉中于600-700℃温度下预烧2-3小时；
步骤4：将步骤3预烧料经过研磨、过筛后成为得到均匀分散的粉料，再进行造粒，压制成型，得到胚体；
步骤5：将步骤4压制成型所得胚体置于电炉，排胶后于900-950℃下烧结1-2小时，得高热膨胀高强度陶瓷封装材料。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料及其制备方法，采用低温共烧工艺，其制备工艺简单，原材料绿色环保不含RoHS中限定污染物质(铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚)，材料性能稳定；针对特定封装环境条件，形成热膨胀系数固定的封装材料。本发明提供高热膨胀高强度陶瓷封装材料介电性能优良：介电常数6～7，介电损耗小＜1.0×10-3，抗弯强度为190-210MPa，杨氏模量高达70-80GPa，热膨胀系数为11～12×10-6/℃；为大规模集成电路的制造提供了一种极好的封装材料，将来能够与热膨胀系数为11～12×10-6/℃的新型PCB板热匹配性能良好。通过添加MnO，封装材料的热膨胀系数被控制在11-12×10-6/℃之间，且封装材料的强度得到显著的提升。
附图说明
图1为实施例No.4的高热膨胀高强度陶瓷封装材料低温共烧后的断面SEM图。
图2为实施例No.4的高热膨胀高强度陶瓷封装材料低温共烧后的XRD衍射分析图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
具体实施例
实施例1
本实施例提供一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料，由以下组分构成：Al2O3：1wt％，BaO：20wt％，B2O3：5wt％，SiO2：70wt％，ZrO2+MnO：4wt％；
其制备过程为：计算各组分的原材料的实际用量，称量并混料均匀后，经过球磨、烘干、过筛后得到的混合粉体，预烧600℃保温2小时后，再经过研磨、过筛后的粉体，对该粉体材料进行造粒，干压成型后，在空气气氛中于950℃烧结并保温2小时后自然冷却得到致密陶瓷样品No.1，其各项性能见表1。
实施例2
本实施例提供一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料，由以下组分构成：Al2O3：2wt％，BaO：25wt％，B2O3：8wt％，SiO2：60wt％，ZrO2+MnO：5wt％；
其制备过程为：计算各组分的原材料的实际用量，称量并混料均匀后，经过球磨、烘干、过筛后得到的混合粉体，预烧650℃保温3小时后，再经过研磨、过筛后的粉体，对该粉体材料进行造粒，干压成型后，在空气气氛中于940℃烧结并保温1.5小时后自然冷却得到致密陶瓷样品No.2，其各项性能见表1。
实施例3
本实施例提供一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料，由以下组分构成：Al2O3：4wt％，BaO：26wt％，B2O3：6wt％，SiO2：61wt％，ZrO2+MnO：3wt％；
其制备过程为：计算各组分的原材料的实际用量，称量并混料均匀后，经过球磨、烘干、过筛后得到的混合粉体，预烧6800℃保温2.5小时后，再经过研磨、过筛后的粉体，对该粉体材料进行造粒，干压成型后，在空气气氛中于900℃烧结并保温1小时后自然冷却得到致密陶瓷样品No.3，其各项性能见表1。
实施例4
本实施例提供一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料，由以下组分构成：Al2O3：3wt％，BaO：21wt％，B2O3：6wt％，SiO2：66wt％，ZrO2+MnO：4wt％；
其制备过程为：计算各组分的原材料的实际用量，称量并混料均匀后，经过球磨、烘干、过筛后得到的混合粉体，预烧630℃保温2小时后，再经过研磨、过筛后的粉体，对该粉体材料进行造粒，干压成型后，在空气气氛中于930℃烧结并保温2小时后自然冷却得到致密陶瓷样品No.4，其各项性能见表1；其显微结构如图1所示，XRD衍射分析图如图2所示。
实施例5
本实施例提供一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料，由以下组分构成：Al2O3：2wt％，BaO：22wt％，B2O3：7wt％，SiO2：68wt％，ZrO2+MnO：1wt％；
其制备过程为：计算各组分的原材料的实际用量，称量并混料均匀后，经过球磨、烘干、过筛后得到的混合粉体，预烧700℃保温2.5小时后，再经过研磨、过筛后的粉体，对该粉体材料进行造粒，干压成型后，在空气气氛中于920℃烧结并保温1.5小时后自然冷却得到致密陶瓷样品No.5，其各项性能见表1。
表1 实施例中样品经过烧结后的性能
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种高热膨胀高强度陶瓷封装材料，其特征在于：
以重量百分比(wt％)计，所述高热膨胀高强度陶瓷封装材料由以下组分构成：
Al2O3：1～5wt％；
BaO：20～30wt％；
B2O3：5～10wt％；
SiO2：60～70wt％；
ZrO2+MnO：1～5wt％，其中，ZrO2和MnO任意比例混合。
2.按权利要求1所述高热膨胀高强度陶瓷封装材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：以B2O3、BaO、SiO2、Al2O3、ZrO2、MnO为原料，按照配方比例进行计算、称量并混合均匀，得到混合料；
步骤2：将步骤1所得混合料经球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的粉体；
步骤3：将步骤2所得粉体装入坩埚，在电炉中于600-700℃温度下预烧2-3小时；
步骤4：将步骤3预烧料经过研磨、过筛后成为得到均匀分散的粉料，再进行造粒，压制成型，得到胚体；
步骤5：将步骤4压制成型所得胚体置于电炉，排胶后于900-950℃下烧结1-2小时，得高热膨胀高强度陶瓷封装材料。
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