CN110342915A - 一种高热膨胀钙硼硅基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，提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料及其制备方法，适用于大规模集成电路芯片的陶瓷封装。本发明中，陶瓷封装材料由以下组分构成：CaO：15～40wt％；SiO2：45～70wt％；B2O3：5～10wt％；Al2O3：2～5wt％；ZrO2+Nd2O3：1～5wt％，其中，ZrO2和Nd2O3任意比例混合。本发明陶瓷材料热膨胀系数稳定在11～13×10‑6/℃，与PCB板有着很好的匹配性；力学性能优良，抗弯强度高达150～210MPa，杨氏模量60～80GPa；介电性能好，介电常数低至5.0～5.5(1MHz)，介电损耗小于1.2×10‑3(1MHz)；在微波频率下也能保持好的介电性能，介电常数5.6～5.8(1～10GHz)，介电损耗<3.8×10‑3(1～10GHz)。本发明制备的陶瓷材料完全满足芯片二级封装的要求，适用于制作大规模集成电路的CBGA封装封装。

Description

一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料及其制备方法
技术领域
本发明属于芯片封装材料领域，涉及一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料及其制备方法，适用于大规模集成电路封装。
背景技术
大规模集成电路的发展，对于封装提出了小型化、多引脚的要求，陶瓷球栅阵列(CBG A)封装方式能轻松满足这些要求而被广泛应用。但是CBGA封装对于材料的要求很高：1、高的热膨胀系数，与PCB封装相匹配，尽量避免热应力的产生；2、足够高的机械强度，为芯片提供物理支撑；3、优良的介电性能，有利于信号的传输。例如，在公开号为CN102167514A，发明名称为为“封装用微晶玻璃陶瓷材料及其制备方法”的专利文献中，其材料配方为：CaO：35～50mol％，B2O3：10～30mol％，SiO2：15～50mol％，ZrO2：0～2mol％，TiO2：0～2mol％；该材料的介电常数偏高，大于6.2，对于封装材料来说，不利于信号的传输。又如公开号为CN104944786A，发明名称为“一种低温烧结低介玻璃陶瓷复合封装材料及其制备方法”的专利文献中，其材料由40wt％～62.5wt％的MKBS玻璃和37.5wt％～60wt％的Al2O3复合而成；在性能方面，介电损耗(<4×10-3)偏高，在信号传输时，会产生较大的热损耗；机械强度(～110MPa)低，不利于对于芯片的物理保护。同时，以上专利文献中均未提及热膨胀系数这一关键指标，具有高热膨胀系数的封装材料能与PCB板相匹配，尽量避免热不匹配应力的产生。
因此，开发出一种高膨胀、高强度、低介、低损耗的陶瓷封装材料势在必行，以满足大规模集成电路封装，尤其是CBGA封装要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的封装材料难以同时满足CBGA封装对于热学、力学及介电性能的要求，提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料及其制备方法，该材料力学性能优良，介电常数低，介电损耗小，且热膨胀系数高(11～13ppm/℃)，很好地满足了大规模集成电路中CBGA封装要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，其特征在于：
所述陶瓷封装材料由以下组分构成(以质量百分比计)：
CaO：15～40wt％；
SiO2：45～70wt％；
B2O3：5～10wt％；
Al2O3：2～5wt％；
ZrO2+Nd2O3：1～5wt％，其中，ZrO2和Nd2O3任意比例混合。
进一步的，所述陶瓷封装材料的热膨胀系数为11～13×10-6/℃，抗弯强度为150～210MPa，杨氏模量为60～80GPa，介电常数为5.0～5.5@1MHz、5.6～5.8@1～10GHz，介电损耗<1.2×10-3@1MHz、<3.8×10-3@1～10GHz。
上述高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照配方比例计算CaO、SiO2、B2O3、Al2O3、ZrO2、Nd2O3的原材料质量，称量并混合均匀得到混合料；
(2)将所得混合料经球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的粉体；
(3)将所得粉体装入坩埚，在电炉中于600～800℃温度下预烧2～3小时；
(4)将预烧料再次球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的粉料；
(5)将所得粉料进行造粒，压制成型得到胚体；
(6)将所得胚体置于电炉，排胶后于900～1000℃下烧结1～2小时，得到高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料。
本发明的有益效果在于：
本发明制备的高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料具有高的热膨胀系数(11～13×10-6/℃)，与PCB板有着很好的匹配性，减少了热应力的产生；力学性能优良，抗弯强度高达150～210MP a，杨氏模量60～80GPa，对于芯片能提供很好的物理保护作用；介电性能好，介电常数低至5.0～5.5(1MHz)，介电损耗小于1.2×10-3(1MHz)，减小了信号传输过程中的延迟和热损耗；在微波频率下也能保持好的介电性能，介电常数5.6～5.8(1～10GHz)，介电损耗<3.8×10-3(1～10GHz)。并且原料中不含有毒有害元素，制备方法简单，生产成本低，易于实现大规模生产。综上所述，本发明制备的陶瓷材料完全满足芯片CBGA封装的要求。
附图说明
图1为实施例3的高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料断面SEM图。
图2为实施例3的高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料XRD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。
实施例1
本实施例提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，由以下组分构成：CaO：32wt％，S iO2：50wt％，B2O3：10wt％，Al2O3：5wt％，ZrO2+Nd2O3：3wt％；
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700℃保温3小时后，再经二次球磨、烘干过筛后，对该粉体材料进行造粒，干压成型，在空气气氛中于970℃烧结并保温1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钙硼硅基陶瓷封装材料，由以下组分构成：CaO：30wt％，S iO2：54.5wt％，B2O3：8wt％，Al2O3：4wt％，ZrO2+Nd2O3：3.5wt％；
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600℃保温2小时后，再经二次球磨、烘干过筛后，对该粉体材料进行造粒，干压成型，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.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钙硼硅基陶瓷封装材料，由以下组分构成：CaO：40wt％，SiO2：50wt％，B2O3：5wt％，Al2O3：3wt％，ZrO2+Nd2O3：2wt％；
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800℃保温3小时后，再经二次球磨、烘干过筛后，对该粉体材料进行造粒，干压成型，在空气气氛中于930℃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钙硼硅基陶瓷封装材料，由以下组分构成：CaO：25wt％，SiO2：60wt％，B2O3：8wt％，Al2O3：5wt％，ZrO2+Nd2O3：2wt％；
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3小时后，再经二次球磨、烘干过筛后，对该粉体材料进行造粒，干压成型，在空气气氛中于980℃烧结并保温1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。
实施例5
本实施例提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，由以下组分构成：CaO：36wt％，SiO2：50wt％，B2O3：7wt％，Al2O3：4wt％，ZrO2+Nd2O3：3wt％；
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800℃保温2小时后，再经二次球磨、烘干过筛后，对该粉体材料进行造粒，干压成型，在空气气氛中于950℃烧结并保温1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
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 (3)

1.一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，其特征在于：
所述陶瓷封装材料由以下组分构成(以质量百分比计)：
CaO：15～40wt％；
SiO2：45～70wt％；
B2O3：5～10wt％；
Al2O3：2～5wt％；
ZrO2+Nd2O3：1～5wt％，其中，ZrO2和Nd2O3任意比例混合。
2.按权利要求1所述高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，其特征在于，所述陶瓷封装材料的热膨胀系数为11～13×10-6/℃，抗弯强度为150～210MPa，杨氏模量为60～80GPa，介电常数为5.0～5.5@1MHz、5.6～5.8@1～10GHz，介电损耗<1.2×10-3@1MHz、<3.8×10-3@1～10GHz。
3.按权利要求1所述高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照配方比例计算CaO、SiO2、B2O3、Al2O3、ZrO2、Nd2O3的原材料质量，称量并混合均匀得到混合料；
(2)将所得混合料经球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的粉体；
(3)将所得粉体装入坩埚，在电炉中于600～800℃温度下预烧2～3小时；
(4)将预烧料再次球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的粉料；
(5)将所得粉料进行造粒，压制成型得到胚体；
(6)将所得胚体置于电炉，排胶后于900～1000℃下烧结1～2小时，得到高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料。
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