CN108558215A - 一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子陶瓷材料领域，具体提供一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃及其制备方法，用以克服已有陶瓷材料存在热膨胀系数高(与硅芯片匹配度差)、抗弯强度低、介电常数高、介质损耗大等问题；采用本发明组份及制备工艺能够制备出热膨胀系数低(2.5～3.5×10‑6/℃)、抗弯强度高(200～280MPa)、杨氏模量高(90～110GPa)、介电常数低(5.0～5.5@1MHz),介质损耗低(0.3～0.5×10‑3@1MHz)、绝缘可靠的高强度低热膨胀系数微晶玻璃，满足LTCC电子封装基板材料的要求；同时，本发明工艺简单、稳定性高、生产成本低，适合工业化批量生产。

Description

一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃及其制备方法
技术领域
本发明属于电子陶瓷材料领域，涉及一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃及其制备方法，该材料适用于电子封装，尤其是超大规模集成电路的封装。
背景技术
现代半导体产业飞速发展，使得电子封装技术向更先进的高密度、三维封装形势发展，这对电子封装基板材料提出了更高要求，电子陶瓷材料由于其在机械、电、热特性等方面性能稳定，在各种封装形式中得到了广泛应用。
低温共烧陶瓷(LTCC)因其优良的机械、介电，热学性能，在封装材料领域发展迅速，LTCC技术对基板材料主要有以下几点要求：(1)烧结温度低于950℃，以便与低电阻率、低熔点的金属导线实现共烧；(2)机械强度高，以便对基板起到支撑和保护的作用；(3)热膨胀系数与所使用的半导体材料(Si:3.0～3.5×10-6/℃)匹配，从而减小使用过程中基板材料与键合在其表面的半导体芯片的热应力；(4)介电常数低，介质损耗低。介电常数越小，信号传输越快，介电损耗会引起能量耗散，其中大部分是以热能的形式损耗，降低了器件工作的寿命及其稳定性。目前LTCC材料主要以微晶玻璃为主，普遍存在抗弯强度较低，热膨胀系数偏高，介质损耗偏高的弱点，在稍大冲击下容易出现微裂纹或发生断裂，并且不能与硅芯片实现良好的热匹配，严重影响封装芯片的可靠性。因此，必须开发一种具有低热膨胀系数(2～4×10-6/℃)、高抗弯强度(≥160MPa)，且电性能好的低温共烧陶瓷材料，实现与硅芯片的热匹配，满足电子封装尤其是制作封装基板的需要。堇青石基微晶玻璃作为一种优良的LT CC材料已被广泛关注，该材料主要是由MgO、Al2O3、SiO2等氧化物组成，其机械强度高，介电性能优良，具有良好的热稳定性和抗热冲击性，但目前研制出的镁铝硅微晶玻璃需要在很高的烧结温度下才能达到足够高的抗弯强度，其热膨胀系数也不能与硅芯片实现良好的热匹配，且介电常数和损耗较高。
申请号201410847989.X的发明专利公开了“一种堇青石基纳米微晶玻璃及其制备方法”，该微晶玻璃原料主要化学成分按优选质量百分比记：MgO为15～35wt％、Al2O3为8～30wt％、SiO2为50～60wt％，晶核剂TiO2、ZrO2、P2O5为2～20wt％，助溶剂B2O5为1～3wt％，将原料混合均匀后熔融后水淬得基础玻璃，研磨干燥后得玻璃粉，压制成型制备坯体，500～700℃核化处理，1050～1200℃析晶处理，冷却后即得到该微晶玻璃，其抗弯强度最高为182MPa，有待提高，但其烧结温度过高，成本较高，其他性能未作详细说明。
基于此，本发明提供一种低温烧结(850～900℃)，高抗弯强度(200～280MPa)，高杨氏模量(90～110GPa)，低热膨胀系数(2.5～3.5×10-6/℃)，低介电常数及损耗的微晶玻璃及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术中已有陶瓷材料存在热膨胀系数高(与硅芯片匹配度差)、抗弯强度低、介电常数高、介质损耗大等问题，本发明提供一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃及其制备方法，以该材料制作的电子封装基板的热膨胀系数低，能实现与硅芯片的良好热匹配，又具有高抗弯强度，且介电性能好、生产工艺简单、稳定性高、成本低。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃，主晶相为堇青石及其固溶体，其特征在于，所述微晶玻璃按照质量百分比，由以下组分构成：
MgO为5～15wt％、
Al2O3为25～35wt％、
SiO2为40～50wt％、
B2O3为1～5wt％、
ZnO为1～10wt％、
ZrO2为1～10wt％。
上述高强度低热膨胀系数微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、以MgO、Al2O3、SiO2、B2O3、ZnO、ZrO2为原料，按照组分配方进行计算、称重，混合后湿式球磨1～3小时，混合均匀并干燥；
步骤2、将混合原料置于坩埚中，加热使其在1450～1500℃下高温熔融1～3小时，得到玻璃原液，并将玻璃原液在去离子水中水淬得到玻璃渣；
步骤3、将玻璃渣经过湿式球磨1～2小时后，干燥得到玻璃粉，再以锆球为介质湿式球磨6～7小时，再烘干并过筛，制得粉体；
步骤4、将粉体造粒、压制成型，得到胚体；
步骤5、将坯体在850～900℃烧结并保温1～2小时，得到高强度低热膨胀系数微晶玻璃。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃，采用本发明组份及制备工艺能够制备出热膨胀系数低(2.5～3.5×10-6/℃)、抗弯强度高(200～280MPa)、杨氏模量高(90～110GPa)、介电常数低(5.0～5.5@1MHz),介质损耗低(0.3～0.5×10-3@1MHz)、绝缘可靠的高强度低热膨胀系数微晶玻璃，满足LTCC电子封装基板材料的要求；同时，本发明能够实现低温烧结：850～900℃，且工艺简单、稳定性高、生产成本低，适合工业化批量生产。
附图说明
图1为实施例3的低热膨胀系数微晶玻璃材料的XRD衍射图谱
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃，其组分为：MgO为15wt％、Al2O3为27wt％、SiO2为48wt％、B2O3为3wt％、ZnO为2wt％、ZrO2为5wt％，精确计算出对应氢氧化物实际用量，湿式球磨2小时，混合均匀并干燥后，置于坩埚中在1450℃高温熔融1小时，水淬后得到玻璃渣，将玻璃渣球磨1小时后干燥得到玻璃粉，将玻璃粉以去离子水为溶液湿式球磨7小时得到均匀分散的粉体，将该粉体以丙烯酸作为粘结剂造粒、压制成型后，在900℃烧结并保温1小时，即得到高强度低热膨胀系数微晶玻璃，其机械性能、介电性能及热性能见下表。
实施例2
本实施例提供一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃，其组分为：MgO为13wt％、Al2O3为29wt％、SiO2为46wt％、B2O3为3wt％、ZnO为3wt％、ZrO2为6wt％，精确计算出对应氢氧化物实际用量，湿式球磨2小时，混合均匀并干燥后，置于坩埚中在1450℃高温熔融1小时，水淬后得到玻璃渣，将玻璃渣球磨1小时后干燥得到玻璃粉，将玻璃粉以去离子水为溶液湿式球磨7小时得到均匀分散的粉体，将该粉体以丙烯酸作为粘结剂造粒、压制成型后，在900℃烧结并保温1.5小时，即得到高强度低热膨胀系数微晶玻璃，其机械性能、介电性能及热性能见下表。
实施例3
本实施例提供一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃，其组分为：MgO为11wt％、Al2O3为31wt％、SiO2为44wt％、B2O3为3wt％、ZnO为4wt％、ZrO2为7wt％，精确计算出对应氢氧化物实际用量，湿式球磨2小时，混合均匀并干燥后，置于坩埚中在1475℃高温熔融1小时，水淬后得到玻璃渣，将玻璃渣球磨1小时后干燥得到玻璃粉，将玻璃粉以去离子水为溶液湿式球磨6小时得到均匀分散的粉体，将该粉体以丙烯酸作为粘结剂造粒、压制成型后，在875℃烧结并保温1.5小时，即得到高强度低热膨胀系数微晶玻璃，其机械性能、介电性能及热性能见下表。
实施例4
本实施例提供一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃，其组分为：MgO为9wt％、Al2O3为33wt％、SiO2为42wt％、B2O3为3wt％、ZnO为5wt％、ZrO2为8wt％，精确计算出对应氢氧化物实际用量，湿式球磨2小时，混合均匀并干燥后，置于坩埚中在1450℃高温熔融1小时，水淬后得到玻璃渣，将玻璃渣球磨1小时后干燥得到玻璃粉，将玻璃粉以去离子水为溶液湿式球磨7小时得到均匀分散的粉体，将该粉体以丙烯酸作为粘结剂造粒、压制成型后，在875℃烧结并保温1小时，即得到高强度低热膨胀系数微晶玻璃，其机械性能、介电性能及热性能见下表。
实施例5
本实施例提供一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃，其组分为：MgO为7wt％、Al2O3为35wt％、SiO2为40wt％、B2O3为3wt％、ZnO为6wt％、ZrO2为9wt％，精确计算出对应氢氧化物实际用量，湿式球磨2小时，混合均匀并干燥后，置于坩埚中在1450℃高温熔融1小时，水淬后得到玻璃渣，将玻璃渣球磨1小时后干燥得到玻璃粉，将玻璃粉以去离子水为溶液湿式球磨7小时得到均匀分散的粉体，将该粉体以丙烯酸作为粘结剂造粒、压制成型后，在850℃烧结并保温1.5小时，即得到高强度低热膨胀系数微晶玻璃，其机械性能、介电性能及热性能见下表。
其中实施例3制备得的高抗弯强度低热膨胀系数的低温共烧陶瓷材料的XRD衍射分析图如图1所示。
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)

1.一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃，主晶相为堇青石及其固溶体，其特征在于，所述微晶玻璃按照质量百分比，由以下组分构成：
MgO为5～15wt％、
Al2O3为25～35wt％、
SiO2为40～50wt％、
B2O3为1～5wt％、
ZnO为1～10wt％、
ZrO2为1～10wt％。
2.按权利要求1所述高强度低热膨胀系数微晶玻璃的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、以MgO、Al2O3、SiO2、B2O3、ZnO、ZrO2为原料，按照组分配方进行计算、称重，混合后湿式球磨1～3小时，混合均匀并干燥；
步骤2、将混合原料置于坩埚中，加热使其在1450～1500℃下高温熔融1～3小时，得到玻璃原液，并将玻璃原液在去离子水中水淬得到玻璃渣；
步骤3、将玻璃渣经过湿式球磨1～2小时后，干燥得到玻璃粉，再以锆球为介质湿式球磨6～7小时，再烘干并过筛，制得粉体；
步骤4、将粉体造粒、压制成型，得到胚体；
步骤5、将坯体在850～900℃烧结并保温1～2小时，得到高强度低热膨胀系数微晶玻璃。
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