多元硼硅酸鹽玻璃+氮化鋁低溫共燒陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多元硼硅酸玻璃+AlN低溫共燒陶瓷材料及其制備方法。該材料包括低熔點的多元玻璃相和氮化鋁陶瓷相，其中復(fù)合材料中低熔點玻璃相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（50～70wt%）。本發(fā)明制備的低溫共燒復(fù)合材料燒結(jié)溫度低，可在（750～850）℃下實現(xiàn)燒結(jié)，大大低于目前LTCC材料的燒結(jié)溫度的上限（950℃）；復(fù)合材料的熱導(dǎo)率較高，所得材料的致密度高，氣孔率低。另外本發(fā)明制備材料的工藝過程簡單，成本低廉。
【專利說明】多元硼硅酸鹽玻璃+氮化鋁低溫共燒陶瓷材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低燒結(jié)溫度，低介電常數(shù)，相對高熱導(dǎo)率的多元硼硅酸鹽玻璃+ 氮化鋁陶瓷的低溫共燒復(fù)合材料及其制備方法，屬于電子封裝材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子線路日益向微型化、集成化的方向發(fā)展。而電子封裝技術(shù)的發(fā)展沒有與之形成配套，成為制約微電子技術(shù)繼續(xù)發(fā)展的瓶頸。目前，低溫共燒陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramics,LTCC)技術(shù)普遍應(yīng)用于多層芯片線路模塊化設(shè)計中，它除了在成本和集成封裝方面的優(yōu)勢外，在布線線寬和線間距、低阻抗金屬化、設(shè)計的多樣性及優(yōu)的高頻性能等方面都顯現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
[0003]目前LTCC技術(shù)應(yīng)用于電子封裝材料主要有以下優(yōu)點:(1)燒結(jié)溫度低(<950°0， 可以用高電導(dǎo)率低熔融溫度的金屬作為導(dǎo)線材料。(2)良好的介電性能，低的介電常數(shù) ? 10)，保證了信號的傳輸速度；低的介電損耗(< 10 _ 3)，減小器件的損耗。(3)與半導(dǎo)體芯片相匹配的熱膨脹系數(shù)，保證材料的熱穩(wěn)定性。(4)基板設(shè)計靈活。其中包括布線靈活， 熱膨脹系數(shù)可調(diào)，層數(shù)可變等優(yōu)勢。
[0004]目前研究和應(yīng)用比較廣泛的LTCC材料主要有兩大體系，即微晶玻璃體系和玻璃+ 陶瓷復(fù)合體系。前者是將特定組成的基礎(chǔ)玻璃，經(jīng)過加熱煅燒過程，析出大量微晶的玻璃固體材料，材料最終的性能主要由析出晶體的種類和數(shù)量決定，該體系具有成分可調(diào)，工藝簡單等優(yōu)點，其缺點在于最終性質(zhì)的不可預(yù)測性。后者是將具有低熔點的玻璃相與高熔點的陶瓷相復(fù)合燒結(jié)得到的復(fù)合材料，材料最終的性能由玻璃和陶瓷兩者的性質(zhì)共同決定。相對于微晶玻璃體系，該體系具有操作簡單，性能可控，強度高等優(yōu)點。
[0005]隨著微電子封裝正朝著高密度，大功率的方向發(fā)展，這對基板材料的散熱性能提出了更高的要求。AlN陶瓷作為一種優(yōu)異的電子封裝材料，具有高熱導(dǎo)率(相當(dāng)于Al2O3陶瓷的5~10倍)，低介電常數(shù)，與硅匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點。然而其燒結(jié)溫度高(1800°C)， 低溫常壓下很難與其他材料燒結(jié)致密。因此，將低熔點的玻璃相與AlN陶瓷相復(fù)合，在低溫下達(dá)到致密燒結(jié)，且提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，對實現(xiàn)微電子產(chǎn)品的小型化，集成化具有重大意義。專利CN1363534A公開了一種硼硅酸鉛玻璃/AlN低溫共燒陶瓷材料，其可在950~ 1000°C下燒結(jié)致密，熱導(dǎo)率達(dá)到llW/m*K ;又專利CN101161605公開了一種硼硅酸玻璃+氮化鋁陶瓷低溫共燒材料，其可在750~850°C下燒結(jié)燒結(jié)致密；文獻(xiàn)A1N/MAS微晶玻璃復(fù)合材料的熱物理性能(中南大學(xué)學(xué)報，2007年12月38 (6)，1078-1082)中，陳國華等人制備了可在900-1000°C下燒結(jié)的低溫共燒陶瓷材料；文獻(xiàn)AlN / SiO2-B2O3-ZnO-Bi2O3低溫共燒玻璃陶瓷(電子元件與材料，2008年I月27(1)，57-61)中，趙宏生等人制備了在950°C下可以很好燒結(jié)的玻璃/AlN復(fù)合材料。然而上述現(xiàn)有的文獻(xiàn)報道中，雖然材料的燒結(jié)溫度滿足低溫?zé)Y(jié)的要求，且性能較好，但是這些體系在燒結(jié)過程中都是采用熱壓燒結(jié)，這大大限制了其實際中的應(yīng)用。因此研究和開發(fā)可在常壓下燒結(jié)致密的AlN/玻璃復(fù)合材料具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是開發(fā)一種在常壓下可實現(xiàn)致密燒結(jié)的玻璃和氮化鋁陶瓷復(fù)合的低溫共燒陶瓷材料，且所得的復(fù)合材料具有較低的介電常數(shù)和相對較高的熱導(dǎo)率。本發(fā)明的另一目的是提供一種燒結(jié)溫度低，工藝簡單，成本低廉的該材料的制備方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)如下:
[0008]一種低熔點的多元硼硅酸鹽玻璃+氮化鋁陶瓷粉低溫共燒陶瓷材料，復(fù)合材料中玻璃相的含量為50~70wt% ;其中所述的多元硼硅酸玻璃粉體是用一般玻璃熔制工藝自制，其主要成分為:CaO (15.0 ~20.2wt%) ；Ba0(25.0 ~28.2wt%) ；B203(21.5 ~28.0wt%)；SiO2 (18.8 ~23.0wt%) ；Li20(2.0 ~5.0wt%) ；Ζη0(2.0 ~5.0wt%) ;Α1203 (1.9 ~5.0wt%)。所述的高熔點陶瓷相為AlN陶瓷。
[0009]本發(fā)明提供了上述低溫共燒陶瓷材料的制備方法，在氮氣保護(hù)下常壓燒結(jié)，具體步驟如下:
[0010](I)低熔點玻璃原料的準(zhǔn)備:按低熔點玻璃相所需各氧化物的質(zhì)量百分含量稱取所需原料，并混合均勻；
[0011](2)低熔點玻璃的制備:將高溫連續(xù)玻璃熔爐升至1450°c，然后將上述混合好的玻璃原料均勻地加入玻璃熔爐中的石英坩堝中，用去離子水承接從石英坩堝出口處流出的玻璃熔液，得到玻璃熔塊；將得到的玻璃熔塊首先用氧化鋁研缽研磨得到均勻的玻璃粗粉，然后球磨18h得到玻璃細(xì)粉；
[0012]材料成型:將上述制備的低熔點玻璃按質(zhì)量分?jǐn)?shù)(50~70)wt%與氮化鋁陶瓷粉球磨濕混，混合均勻后干燥，然后加入玻璃+氮化鋁復(fù)合粉料總質(zhì)量3wt%的PVA進(jìn)行造粒，然后干壓制成所需坯片；
[0013](3)燒結(jié):將所得的坯片首先在空氣中550°C下排膠，然后在流動的氮氣中常壓燒結(jié)至750-850°C，保溫2h，制得低溫共燒陶瓷材料。
[0014]上述制備方法中，所述球磨的球料比為3:1，球磨介質(zhì)為無水乙醇。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點在于:低溫共燒陶瓷材料燒結(jié)溫度低，在(750~850) °C實現(xiàn)燒結(jié)，大大低于目前LTCC材料的上限溫度(950°C )，可與金、銀、銅等導(dǎo)體材料共燒；所得材料致密化程度高，氣孔率低，如圖1所示；工藝流程簡單，成本低廉；所得材料的熱導(dǎo)率高于目前商用低溫共燒材料。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明中實施例2的低溫共燒陶瓷材料的SEM圖
[0017]圖2為本發(fā)明中實施例5的低溫共燒陶瓷材料的SEM圖
【具體實施方式】
[0018]實施例1
[0019]本發(fā)明具體實施例中，多元硼硅玻璃中各氧化物的質(zhì)量百分比含量如下:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種多元硼硅酸鹽玻璃+氮化鋁陶瓷構(gòu)成的低溫共燒復(fù)合材料；其特征是復(fù)合材料由低熔點玻璃相和高熔點的陶瓷相組成，玻璃相的含量在50~70wt%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料，其特征是所述玻璃中各氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:CaO 15.0 ~20.2%;BaO 25.0-28.2%；B2O3 21.5-28.0%:SiO2 18.8 ~23%;Li2O 2.0 ~5.0%;ZnO 2.0 ~5.0%;Al2O1 1.9 ~5.0%,:
3.權(quán)利要求1的低溫共燒復(fù)合材料的制備方法，其特征是在氮氣的保護(hù)下常壓燒結(jié)； 步驟如下:1)低熔點玻璃原料的準(zhǔn)備:按低熔點玻璃相所需各氧化物的質(zhì)量百分含量稱取原料， 并混合均勻；2)低熔點玻璃的制備:將高溫連續(xù)玻璃熔爐升至1450°C，然后將上述混合好的玻璃原料均勻地加入玻璃熔爐中的石英坩堝中，用去離子水承接從石英坩堝出口處流出的玻璃熔液，得到玻璃熔塊；將得到的玻璃熔塊首先用氧化鋁研缽研磨得到均勻的玻璃粗粉，然后球磨18h得到玻璃細(xì)粉；3)材料成型:將上述制備的低熔點玻璃按(50~70)wt%與氮化鋁陶瓷粉球磨濕混， 混合均勻后干燥，然后加入玻璃+氮化鋁總質(zhì)量3wt%聚乙烯醇粘結(jié)劑，造`粒干壓后制成坯片;4)燒結(jié):將所得的坯片首先在馬弗爐中550°C下排膠，然后在流動的氮氣中燒結(jié)至 750~850°C，制得低溫共燒陶瓷材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征是所述球磨的球料比為3:1，球磨介質(zhì)為無水乙醇。
【文檔編號】C03C3/066GK103553558SQ201310487431
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】楊德安, 袁利娜, 申娜娜 申請人:天津大學(xué)