CN112062473B - 一种高强度莫来石基微晶玻璃材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子陶瓷材料领域，提供一种高强度莫来石基微晶玻璃材料及其制备方法；用以解决现有MgO‑Al2O3‑SiO2系微晶玻璃材料抗弯强度偏低而导致与硅芯片封装不可靠、稳定性差等问题。本发明高强度莫来石基微晶玻璃材料按照质量百分比组成如下：MgO为10～14wt％、Al2O3为30～34wt％、SiO2为41～45wt％、B2O3为1～5wt％、ZrO2为5～9wt％、Y2O3为1～5wt％；该微晶玻璃材料以莫来石为主晶相，大大增强了材料的机械性能(抗弯强度为180～230MPa、杨氏模量为85～100GPa)；并且，材料的体积密度大(2.72～2.76g/cm3)、结晶度高(60％～70％)；同时，本发明高强度莫来石基微晶玻璃材料的介电常数低：5.0～6.0(@1MHz)，介质损耗低：1.0～2.0×10‑3(@1MHz)，提高信号传输速度；热膨胀系数较低：4.0～5.0×10‑6/℃，适用于制作大规模集成电路的封装基板。

Description

一种高强度莫来石基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，涉及一种高强度莫来石基微晶玻璃材料及其制备方法；特别适用于制作大规模集成电路的封装基板。
背景技术
随着大规模集成电路的飞速发展，对封装材料的要求变得更高；MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃由于热膨胀系数低、低频介电性能优良等特点，从而被研究者密切关注；但目前研制的MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃还存在烧结温度过高、机械性能差等缺点。
例如，Journal of Materials Science，2007，42：7239-7244报道，CaO掺杂对镁铝硅系微晶玻璃性能的影响，该玻璃组分为(21-x)MgO-xCaO-26Al2O3-53SiO2-5(B2O3+P2O5)，当x＝5时，混料放入刚玉坩埚中于1520～1540℃保温4h，用PVA造粒成型后在950℃下烧结2h，得到得性能最好；其中，热膨胀系数偏高、为5.04×10-6/℃，与硅芯片不能良好匹配；抗弯强度太低、为：128MPa，难以保证硅芯片封装的可靠性和稳定性；另外，作为封装基板材料的重要指标，杨氏模量及介电性能均未说明。
针对上述问题，本发明的发明人在申请号201910707118.0的发明专利中公开了“一种低损耗低热膨胀镁铝硅基微晶玻璃材料及其制备方法”，该微晶玻璃组分按质量百分比如下：MgO为10～20wt％、Al2O3为20～30wt％、SiO2为45～50wt％、ZrO2为5～10wt％、B2O3为1～5wt％、CaO为1～5wt％；混料于1450～1550℃熔融保温1～2h，用丙烯酸造粒成型并在900～950℃下烧结1～2h，最后得到的材料具有以下性能：抗弯强度为140～190MPa，杨氏模量为80～100GPa，介电常数为5.2～6.2(@1MHz)，介质损耗为0.5～2×10-3(@1MHz)，热膨胀系数为2.5～4.5×10-6/℃；但是，作为封装基板材料，抗弯强度仍然偏低，导致与硅芯片封装不可靠、稳定性差等问题。
基于此，本发明提供一种高强度莫来石基微晶玻璃材料及其制备方法，用于制作大规模集成电路的封装基板。
发明内容
本发明的目的在于针对上述MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃材料抗弯强度偏低而导致与硅芯片封装不可靠、稳定性差等问题，提供一种高强度莫来石基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：提供一种高强度莫来石基微晶玻璃材料，其特征在于，按照质量百分比组成如下：：MgO为10～14wt％、Al2O3为30～34wt％、SiO2为41～45wt％、B2O3为1～5wt％、ZrO2为5～9wt％、Y2O3为1～5wt％。
上述高强度莫来石基微晶玻璃材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)以MgCO3、Al2O3、SiO2、H3BO3、ZrO2、Y2O3为原料，计算出配方料的实际用量，称量并混合均匀；
(2)用去离子水球磨3～4小时后，放入干燥箱10小时，然后置于坩埚中，在1450～1500℃高温下熔融1～2小时，熔融完全后水淬得到玻璃渣；
(3)将玻璃渣放入陶瓷罐中球磨0.5～1小时，然后干燥8小时得到玻璃粉；
(4)将所得到的玻璃粉用去离子水球磨6～8小时，干燥后得到粒径均匀的粉体；
(5)向粉体中加入PVA进行造粒，在20MPa压制成型，然后在空气氛围中，以900～950℃的温度烧结1～2小时，即得到高强度莫来石基微晶玻璃。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过熔融法和固相法合成了以莫来石为主晶相的微晶玻璃，莫来石相中的[AlO4]四面体是以顶点相连、如图3所示，其吸附阳离子的能力比玻璃相中的[SiO4]四面体更强，因此提高了材料的稳定性；一方面，由于莫来石的强度和热膨胀系数都比堇青石要高，这种差异性使得两相界面处产生了更大的内应力，故而增强了材料的机械性能；另一方面，材料的体积密度大(2.72～2.76g/cm3)、结晶度高(60％～70％)，说明材料内部析出的晶相较多，结构致密，在外部压力下不容易被破坏，这也是材料具有优良机械性能的原因；尤其，在950℃烧结，抗弯强度可达232MPa，杨氏模量可达98GPa，大大提高了封装的可靠性。同时，本发明高强度莫来石基微晶玻璃材料的介电常数低：5.0～6.0(@1MHz)，介质损耗低：1.0～2.0×10-3(@1MHz)，提高信号传输速度；热膨胀系数较低：4.0～5.0×10-6/℃，适用于制作大规模集成电路的封装基板。
附图说明
图1为实施例3的一种高强度莫来石基微晶玻璃材料的XRD图。
图2为实施例3的一种高强度莫来石基微晶玻璃材料断面的SEM图。
图3为莫来石的晶体结构图。
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
Figure BDA0002605762290000031
其具体实施例如下：
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3～4小时，混合均匀并干燥后，将混合料置于坩埚中，于1450～1500℃熔融1～2h，水淬后得到玻璃渣，球磨0.5～1h后，干燥并继续用去离子水球磨6～8h，然后干燥将该粉体以PVA作为粘结剂造粒、压制成型后，900～950℃保温1～2h，即得到一种高强度莫来石基微晶玻璃材料，其介电性能、热性能、机械性能、体积密度及结晶度如表2所示：
表2
Figure BDA0002605762290000032
其中，实施例3的一种高强度莫来石基微晶玻璃的XRD图如图1所示，由图可见，主晶相为Mullite(莫来石)，次晶相为Cordienite(堇青石)和ZrO2；实施例3的一种高强度莫来石基微晶玻璃断面的SEM图如图2所示，由图可见，材料的孔洞很少，结构致密，晶相的生长很均匀，并且紧密地接合在一起，因而使材料获得了优异的机械性能。
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)

1.一种高强度莫来石基微晶玻璃材料，其特征在于，所述微晶玻璃材料按照质量百分比其组成如下：MgO为10~14wt%、Al2O3为30~34wt%、SiO2为41~45wt%、B2O3为1~5wt%、ZrO2为5~9wt%、Y2O3为1~5wt%；所述微晶玻璃材料以莫来石为主晶相。
2.按权利要求1所述高强度莫来石基微晶玻璃材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）以MgCO3、Al2O3、SiO2、H3BO3、ZrO2、Y2O3为原料，计算出配方料的实际用量，称量并混合均匀；
（2）用去离子水球磨3~4小时后，放入干燥箱10小时，然后置于坩埚中，在1450~1500℃高温下熔融1~2小时，熔融完全后水淬得到玻璃渣；
（3）将玻璃渣放入陶瓷罐中球磨0.5~1小时，然后干燥8小时得到玻璃粉；
（4）将所得到的玻璃粉用去离子水球磨6~8小时，干燥后得到粒径均匀的粉体；
（5）向粉体中加入PVA进行造粒，在20MPa压制成型，然后在空气氛围中，以900~950℃的温度烧结1~2小时，得到高强度莫来石基微晶玻璃。
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Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3726695A (en) * 1971-12-28 1973-04-10 Corning Glass Works Glass-ceramics containing mullite
US3834981A (en) * 1972-10-27 1974-09-10 Corning Glass Works Ceramic and glass-ceramic articles produced from beta-spodumene
US4519828A (en) * 1982-07-06 1985-05-28 Corning Glass Works Transparent glass-ceramics containing mullite
US5356841A (en) * 1991-02-27 1994-10-18 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Glass-ceramic composite
CN102173587A (zh) * 2011-03-03 2011-09-07 电子科技大学 电子基板用微晶玻璃材料及制备方法
CN104108882A (zh) * 2014-04-11 2014-10-22 海南大学 一种浮法微晶玻璃及其制备方法
CN104445952A (zh) * 2014-11-14 2015-03-25 武汉理工大学 一种高硬度透明微晶玻璃及其制备方法
CN108558215A (zh) * 2018-05-24 2018-09-21 电子科技大学 一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃及其制备方法
CN108947257A (zh) * 2018-05-24 2018-12-07 电子科技大学 一种堇青石基微晶玻璃材料及其制备方法
CN110342824A (zh) * 2019-08-01 2019-10-18 电子科技大学 一种低损耗低热膨胀镁铝硅基微晶玻璃材料及其制备方法
CN110357435A (zh) * 2019-08-01 2019-10-22 电子科技大学 一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8925350B2 (en) * 2010-07-23 2015-01-06 King Abdulaziz City For Science And Technology Preparation of sintered cordierite glass-ceramic bodies

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3726695A (en) * 1971-12-28 1973-04-10 Corning Glass Works Glass-ceramics containing mullite
US3834981A (en) * 1972-10-27 1974-09-10 Corning Glass Works Ceramic and glass-ceramic articles produced from beta-spodumene
US4519828A (en) * 1982-07-06 1985-05-28 Corning Glass Works Transparent glass-ceramics containing mullite
US5356841A (en) * 1991-02-27 1994-10-18 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Glass-ceramic composite
CN102173587A (zh) * 2011-03-03 2011-09-07 电子科技大学 电子基板用微晶玻璃材料及制备方法
CN104108882A (zh) * 2014-04-11 2014-10-22 海南大学 一种浮法微晶玻璃及其制备方法
CN104445952A (zh) * 2014-11-14 2015-03-25 武汉理工大学 一种高硬度透明微晶玻璃及其制备方法
CN108558215A (zh) * 2018-05-24 2018-09-21 电子科技大学 一种高强度低热膨胀系数微晶玻璃及其制备方法
CN108947257A (zh) * 2018-05-24 2018-12-07 电子科技大学 一种堇青石基微晶玻璃材料及其制备方法
CN110342824A (zh) * 2019-08-01 2019-10-18 电子科技大学 一种低损耗低热膨胀镁铝硅基微晶玻璃材料及其制备方法
CN110357435A (zh) * 2019-08-01 2019-10-22 电子科技大学 一种高强度高模量镁铝硅系微晶玻璃材料及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Influence of Y2O3 Addition on Crystallization,Thermal,Mechanical,and Electrical Properties of BaO-Al2O3-B2O3-SiO2 Glass-Ceramic for Ceramic Ball Grid Array Package";李波等;《Journal of ELECTRONIC MATERIALS》;20171020;第47卷(第1期);第766页摘要、第769页图4 *

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