CN111635221A - 一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子陶瓷封装材料技术领域，具体提供一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料及其制备方法，适用于高密度封装。本发明所述陶瓷材料由以下组分构成：CaO：25～55wt％，SiO2：35～65wt％，Al2O3：3～12wt％，B2O3：4～10wt％，Gd2O3：1～4wt％；该陶瓷材料具有优异的机械性能，包括抗弯强度(170～206MPa)和杨氏模量(68～77GPa)，足以在封装中提供稳定的支撑保护；优良的介电性能，包括介电常数(5.0～5.9@1MHz，5.7～5.9@15GHz)和介电损耗(<9.4×10‑4@1MHz，<3.5×10‑3@15GHz)，使得信号能够有效地高速传输；还有与PCB相匹配的高热膨胀系数(>10×10‑6)，能够减少封装中因热失配而产生的热应力，延长了芯片的寿命，这些都完全满足高密度封装的需求，尤其是CBGA的封装要求；此外，该材料制备工艺简单成熟，耗能相对较少，成本较低，适合大规模生产应用。

Description

一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电子陶瓷封装材料技术领域，涉及一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料及其制备方法，适用于高密度封装。
背景技术
随着电子封装向高密度化发展，封装材料的作用显得至关重要。高密度封装广泛采用陶瓷球栅阵列封装结构(CBGA)，但是陶瓷封装模块通过植球技术安装在PCB上会出现热失配的问题。很多传统的陶瓷材料已不能满足高密度封装技术的需求，钙铝硅系陶瓷是一种很有前景的封装材料。
近年来，晶玻璃受到广泛关注和研究，如镁铝硅体系以堇青石为主晶相，其力学性能和热学性能分别为抗弯强度≥130Mpa和CTE<3ppm/℃；钙硼硅系微晶玻璃的主晶相为硅灰石，具有代表性的是美国Ferro公司的A6系列，其热膨胀系数5～6ppm/℃和抗弯强度150MPa；钙铝硅体系的主晶相为硅灰石或钙长石，例如，在申请号为CN104446338B的发明专利中公开了一种钙铝硅玻璃基低温共烧陶瓷材料及其制备方法，该发明材料中成分组成：钙铝硅玻璃40～60wt％；碳化硅2～5wt％；镁橄榄石10～20wt％；碳纳米管5～10wt％；这种低温共烧陶瓷材料有着低介电常数(5.2@1MHz)，利于信号的传输；但热膨胀系数为6.0×10-6/℃，很难实现与PCB的热匹配，导致热应力的产生。
因此，迫切需要研究一种高密度封装用陶瓷材料，在具备优良电学性能和机械性能的同事，且满足CBGA封装中与PCB的热匹配，达到高密度封装的要求。
发明内容
本发明的目的在于解决高密度封装中出现的热失配问题，研究了一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料，该材料具有优良的机械性能和电学性能，且兼备与PCB相匹配的高热膨胀系数，性能稳定，特别适合于CBGA封装。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料，其特征在于：
所述陶瓷材料由以下组分构成(以质量百分比计)：
CaO：25～55wt％；
SiO2：35～65wt％；
Al2O3：3～12wt％；
B2O3：4～10wt％；
Gd2O3：1～4wt％。
进一步的，所述钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料的主晶相为石英、硅灰石和方石英。
上述钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将CaO、SiO2、Al2O3、B2O3、Gd2O3的原始粉末按配方比例称量，得到混合料；
(2)将所得混合料经球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的干燥粉体；
(3)将所得干燥粉体装入坩埚，置于600～770℃温度下预烧1～3小时得到预烧料；
(4)将预烧料进行二次球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的粉料；
(5)将所得粉料用丙烯酸进行造粒，干压成型得到坯体；
(6)将压制成型所得坯体置于电炉，排胶后于900～1000℃下烧结1～3小时，得到钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料。
本发明的有益效果在于：
本发明制备的一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料，在掺入适量的稀土氧化物Gd2O3后能有效降低材料的烧结激活能，促进了致密烧结而提高材料的致密性，获得了优异的机械性能，包括抗弯强度(至170～206MPa)和杨氏模量(至68～77GPa)，足以在封装中提供稳定的支撑保护；优良的介电性能，包括介电常数(5.0～5.9@1MHz，5.7～5.9@15GHz)和介电损耗(<9.4×10-4@1MHz，<3.5×10-3@15GHz)，使得信号能够有效地高速传输；还有与PCB相匹配的高热膨胀系数，能够减少封装中因热失配而产生的热应力，延长了芯片的寿命，这些都完全满足高密度封装的需求，尤其是CBGA的封装要求；此外，该材料制备工艺简单成熟，耗能相对较少，成本较低，适合大规模生产应用。
附图说明
图1为实施例3的钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料断面SEM图。
图2为实施例3的钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料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
本实施例提供一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料，由以下组分构成：CaO：47wt％，A l2O3：5wt％，SiO2：38wt％，B2O3：7wt％，Gd2O3：3wt％；
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720℃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.1，其各项性能见表1。
实施例2
本实施例提供一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料，由以下组分构成：CaO：40wt％，A l2O3：8wt％，SiO2：45wt％，B2O3：5wt％，Gd2O3：2wt％；
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770℃保温1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900℃烧结并保温3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
本实施例提供一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料，由以下组分构成：CaO：33wt％，A l2O3：3wt％，SiO2：52wt％，B2O3：8wt％，Gd2O3：4wt％；
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990℃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。
本实施例制备得钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料的断面SEM图如图1所示、XRD图如图2所示；由图1可见，白色的硅灰石晶粒包含于无定形的玻璃相中，这些晶粒通过弯曲和钝化材料中的裂纹尖端来提高断裂功，这阻碍了裂纹穿过晶相，可提高材料的抗弯强度；由图2可见，钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料中主要包含三种晶相：硅灰石、方石英和石英相，方石英相具有高热膨胀系数(～50ppm/℃)，其含量增加可以提高材料的热膨胀系数。
实施例4
本实施例提供一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料，由以下组分构成：CaO：25wt％，Al2O3：10wt％，SiO2：60wt％，B2O3：4wt％，Gd2O3：1wt％；
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650℃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970℃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。
表1实施例中样品经过烧结后的性能
Figure BDA0002541423370000041
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)

1.一种钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料，其特征在于：
所述陶瓷材料由以下组分构成(以质量百分比计)：
CaO：25～55wt％；
SiO2：35～65wt％；
Al2O3：3～12wt％；
B2O3：4～10wt％；
Gd2O3：1～4wt％。
2.按权利要求1所述钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料，其特征在于：所述钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料的主晶相为石英、硅灰石和方石英。
3.按权利要求1所述钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将CaO、SiO2、Al2O3、B2O3、Gd2O3的原始粉末按配方比例称量，得到混合料；
(2)将所得混合料经球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的干燥粉体；
(3)将所得干燥粉体装入坩埚，置于600～770℃温度下预烧1～3小时得到预烧料；
(4)将预烧料进行二次球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的粉料；
(5)将所得粉料用丙烯酸进行造粒，干压成型得到坯体；
(6)将压制成型所得坯体置于电炉，排胶后于900～1000℃下烧结1～3小时，得到钙铝硅系高密度封装用陶瓷材料。
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