CN110357435B - 一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料及其制备方法，属于电子陶瓷材料领域。本发明中微晶玻璃组成成分包括：MgO为10～15wt％、Al₂O₃为25～35wt％、SiO₂为40～50wt％、ZrO₂为4～8wt％、B₂O₃为2～6wt％、CaO为1～5wt％、MnO为0.5～2wt％。采用本发明组份及制备工艺能够制备出抗弯强度高170～250MPa、杨氏模量高80～100GPa、介电常数低6.0～6.5(@1MHz)，介质损耗低2.0～2.5×10^‑3(@1MHz)、热膨胀系数低(5.0～5.5×10^‑6/℃)的微晶玻璃，满足电子封装基板材料的基本要求。尤其，本发明微晶玻璃材料的机械性能显著提升，在超大集成电路封装中具有潜在的应用价值。

Description

一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料及其制备方法

技术领域

本发明属于电子陶瓷材料领域，涉及一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料及其制备方法；该材料适用于超大规模集成电路的封装。

背景技术

随着超大规模集成电路向更高的集成度、更大的尺寸方向发展，对封装材料提出了更高的要求，低温共烧陶瓷(LTCC)在芯片封装领域得到了广泛应用；其中，MgO-Al₂O₃-SiO₂系微晶玻璃具有机械性能优良、热膨胀系数低以及低频介电性能优异等特点在芯片级地封装中已被广泛关注；但目前研制出的MgO-Al₂O₃-SiO₂系微晶玻璃存在着需要在较高的烧结温度下才能达到足够高的抗弯强度及杨氏模量、且介电损耗偏高等难题。

例如，Journal of Materials Science，2014，25:2149-2154报道，MgO掺杂对锂铝硅微晶玻璃性能的影响，该微晶玻璃组分按质量百分比如下：Li₂O为4wt％、Al₂O₃为15wt％、SiO₂为63.5wt％、MgO为5.5wt％、ZrO₂为4wt％、CaO为3wt％、B₂O₃为5wt％。混料于1500℃熔融保温2h，水淬干燥并研磨得到玻璃粉，将所得玻璃粉球磨8h后干燥过筛得到均匀粉体，造粒成型并在800℃下保温1h，得出综合性能最优；其抗弯强度为145MPa，热膨胀系数为2.89×10^-6/℃，介电常数为7.1(@1MHz)，介质损耗为2.02×10^-3(@1MHz)，不足之处是抗弯强度偏低，介电损耗偏高，热匹配较差。

例如，《材料导报》2011,10,25(10)报道，MgO-Al₂O_3-SiO₂系堇青石微晶玻璃的制备及性能研究中，该玻璃组分按质量百分比：MgO为24wt％、Al₂O₃为22wt％、SiO₂为54wt％，以2wt％ZrO₂+3wt％TiO₂为晶核剂，2wt％B₂O₃为助溶剂；混合料于1580℃保温4h，水淬干燥并研磨得到玻璃粉，造粒成型并分别在850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃晶化温度下分别保温4h，得出在1100℃晶化温度下的微晶玻璃具有最好性能，其抗弯强度为182MPa，而该发明其他性能未作详细说明，不足之处是烧结温度过高，抗弯强度偏低。

基于此，本发明通过Mn的掺杂，抑制了Indialite的形成，产生了一种新相Enstatite，通过(MgAl₂Si₃O₁₀)_0.6和Enstatite的相嵌结构，在低温(900～950℃)烧结下，得到良好的机械性能：抗弯强度为170～250MPa，杨氏模量为80～100Gpa；同时，介电常数为6.0～6.5(@1MHz)，介电损耗为2.0～2.5×10^-3(@1MHz)，热膨胀系数为5.0～5.5×10^-6/℃。

发明内容

本发明针对背景技术中已有陶瓷材料抗弯强度偏低、介电常数高、介质损耗大及烧结温度高等问题，导致与硅芯片封装不可靠、稳定性差、信号传输延时较大及功耗耗较高等问题，提供一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料，其特征在于，按照质量百分比组成如下：

MgO为10～15wt％、

Al₂O₃为25～35wt％、

SiO₂为40～50wt％、

ZrO₂为4～8wt％、

B₂O₃为2～6wt％、

CaO为1～5wt％、

MnO为0.5～2wt％。

进一步的，所述微晶玻璃材料的抗弯强度为170～250MPa，杨氏模量为80～100GPa，介电常数为6.0～6.5(@1MHz)，介电损耗为2.0～2.5×10^-3(@1MHz)，热膨胀系数为5.0～5.5×10^-6/℃。

上述高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

(1)计算出配方中各氧化物MgO、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、B₂O₃、CaO、MnO所对应原料的实际用量，称量并混合均匀；

(2)混合后球磨2～4小时，干燥后将混合料置于坩埚中，在1500～1600℃高温熔融1～2小时，熔融完全后倒入去离子水中水淬得到透明均一的玻璃渣；

(3)将所得到的玻璃渣，在氧化铝罐中以锆球、去离子水为介质球磨1小时，干燥后得到玻璃粉；

(4)将所得到的玻璃粉，在尼龙罐中以锆球、去离子水为介质球磨6～8小时，干燥、过筛后得到均匀分散的粉体；

(5)向粉体中加入丙烯酸进行造粒，干压成型后于900～950℃烧结1～2小时，即得到高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料，通过Mn的掺杂，抑制了Indialite的形成，产生了一种新相Enstatite，通过(MgAl₂Si₃O₁₀)_0.6和Enstatite的相嵌结构，在低温(900～950℃)烧结下，得到良好的机械性能：抗弯强度为170～250MPa，杨氏模量为80～100Gpa，大大提高了封装的可靠性；同时，介电常数低6.0～6.5(@1MHz)，介质损耗低2.0～2.5×10^-3(@1MHz)，提高信号传输速度，大大降低了功耗；热膨胀系数较低5.0～5.5×10^-6/℃。由此可见，本发明对于超大集成电路的封装具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为实施例3的一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃的XRD图。

图2为实施例3的一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃断面的SEM图。

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。

本发明提供5个实施例，分别编号为NO.1～5，其中，每个实施例中微晶玻璃材料的组份及其工艺条件如下表1所示：

表1

具体制备过程如下：

按照设计配方表1中各氧化物质量百分比准确计算出对应原料实际用量，混合球磨2～4小时，混合均匀并干燥后，将混合料置于坩埚中，在1500～1600℃大气气氛中高温熔融1～2h，水淬后得到玻璃渣，将玻璃渣球磨1～2h打碎后，外掺0～2wt％的MnO湿法球磨6～8h,干燥过筛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，900～950℃保温1～2h，即得到一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料，其介电性能、热性能及机械性能分别如表2所示：

表2

其中，实施例3的一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃的XRD图如图1所示；实施例3的一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃断面的SEM图如图2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 (3)

1.一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料，其特征在于，按照质量百分比组成如下：

MgO为10～15wt％、

Al₂O₃为25～35wt％、

SiO₂为40～50wt％、

ZrO₂为4～8wt％、

B₂O₃为2～6wt％、

CaO为1～5wt％、

MnO为1wt％；

所述高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料具有(MgAl₂Si₃O₁₀)_0.6和Enstatite的相嵌结构，抗弯强度为220～247MPa。

2.按权利要求1所述高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料，其特征在于，所述微晶玻璃材料的杨氏模量为80～100GPa，介电常数为6.0～6.5(@1MHz)，介电损耗为2.0～2.5×10^-3(@1MHz)，热膨胀系数为5.0～5.5×10^-6/℃。

3.按权利要求1所述高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃的制备方法，包括以下步骤：

(1)计算出配方中各氧化物MgO、Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、B₂O₃、CaO、MnO所对应原料的实际用量，称量并混合均匀；

(2)混合后球磨2～4小时，干燥后将混合料置于坩埚中，在1500～1600℃高温熔融1～2小时，熔融完全后倒入去离子水中水淬得到透明均一的玻璃渣；

(3)将所得到的玻璃渣，在氧化铝罐中以锆球、去离子水为介质球磨1小时，干燥后得到玻璃粉；

(4)将所得到的玻璃粉，在尼龙罐中以锆球、去离子水为介质球磨6～8小时，干燥、过筛后得到均匀分散的粉体；

(5)向粉体中加入丙烯酸进行造粒，干压成型后于900～950℃烧结1～2小时，即得到高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃。

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