專(zhuān)利名稱：一種鈣鋁硼硅系玻璃+熔融石英體系低溫共燒陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低熱膨脹系數(shù)的低溫共燒陶瓷材料及其制備方法，屬于電子封裝材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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(méi)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。低溫共燒陶瓷 (Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC)技術(shù)，作為近年來(lái)興起的一種新的電子封裝技術(shù)，受到了國(guó)內(nèi)外科研人員的廣泛重視和研究。它涉及電路設(shè)計(jì)，微波技術(shù)、材料科學(xué)等廣泛領(lǐng)域。尤其是起到關(guān)鍵作用的材料技術(shù)得到了廣泛的重視。
LTCC技術(shù)主要具有以下幾方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)(1) LTCC可以直接與金屬在大氣中共燒，減少了工藝環(huán)節(jié)。(2)可采用低熔點(diǎn)、高電導(dǎo)率的金、銀、銅等作為導(dǎo)線材料。因此降低了成本，又能獲得良好的性能。( 基板設(shè)計(jì)靈活。其中包括布線靈活，介電常數(shù)可調(diào)，層數(shù)可變等優(yōu)勢(shì)。
目前正在研究的和已經(jīng)投入生產(chǎn)的主流LTCC材料主要分為兩類(lèi)，即微晶玻璃體系和玻璃+陶瓷體系。微晶玻璃系LTCC材料主要是通過(guò)玻璃的成核和結(jié)晶過(guò)程，得到致密的陶瓷材料。其缺點(diǎn)在于結(jié)晶過(guò)程難以控制，材料性能難以預(yù)測(cè)，尤其是介電損耗，工藝窗口窄，器件穩(wěn)定性較差，不利于大批量生產(chǎn)。
與之相比，玻璃+陶瓷體系材料具有以下優(yōu)勢(shì)(1)更好地機(jī)械性能。由于玻璃量的減少，陶瓷填充相的加入提高了材料的機(jī)械性能。( 較低的熱膨脹系數(shù)、介電常數(shù)和介電損耗。( 易操作，易控制?？赏ㄟ^(guò)選用合適的玻璃、陶瓷相，調(diào)整兩者的比例控制所得材料的性質(zhì)
經(jīng)過(guò)多年研究，LTCC技術(shù)已經(jīng)日益成熟，而國(guó)內(nèi)仍處于起步階段。目前，材料的熱機(jī)械性能是影響LTCC器件可靠性的主要因素，其中最關(guān)鍵的是熱膨脹系數(shù)。LTCC封裝材料與所載硅基板芯片材料熱膨脹系數(shù)(3.5X10_6/°C)的匹配可減小機(jī)械應(yīng)力，從而確保系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性。因此開(kāi)發(fā)具有低熱膨脹系數(shù)的LTCC材料，對(duì)實(shí)現(xiàn)微電子產(chǎn)品的小型化，高性能和可靠性具有重大的意義。同時(shí)，LTCC材料應(yīng)在較低溫度下(< 1000°C)達(dá)到較高的致密度，一般情況下，材料的氣孔率應(yīng)小于5%。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是開(kāi)發(fā)一種具有低熱膨脹系數(shù)的低溫共燒陶瓷材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的該材料的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)如下
一種鈣鋁硼硅系玻璃+熔融石英低溫共燒陶瓷材料，低溫共燒陶瓷材料包括低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相，其中鈣鋁硼硅低熔點(diǎn)玻璃相占總體材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為
所述的低溫共燒陶瓷材料，低熔點(diǎn)玻璃相中各氧化物的摩爾百分含量如下
CaO18.0-28.0 mol%Al2O39.0-16.0 mol%SiO249.0-63.0 mol%
B2O38.0~9.0mol%
本發(fā)明的所述的低溫共燒陶瓷材料的制備方法，步驟如下
(1)低熔點(diǎn)玻璃的原料準(zhǔn)備按低熔點(diǎn)玻璃相所需各氧化物的摩爾百分含量稱取原料，并混合均勻；
(2)低熔點(diǎn)玻璃的制備將上述混合均勻的混合物裝入坩堝，在1500 1600°C下保溫3 5小時(shí)，將熔融的玻璃液直接倒入去離子水中，得到玻璃渣，球磨，制得平均粒度為 1 3 μ m的玻璃粉；
(3)高熔點(diǎn)陶瓷填充相的制備將熔融石英粉球磨后，得到平均粒度為3 5μπι 的熔融石英粉；
(4)材料成型將50 70%重量百分比的低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相混合均勻后，加入混合材料的重量的3%聚乙烯醇粘結(jié)劑，造粒干壓后制成坯片；
(5)燒結(jié)將所得坯片在900 1000°C下燒結(jié)，制得低溫共燒陶瓷材料。
所述球磨的球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水。
所述的燒結(jié)工藝是，在保證不析出二氧化硅晶相的情況下，升溫至所需溫度，保溫 1小時(shí)后，在爐中自然冷卻至室溫。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于低溫共燒陶瓷材料燒結(jié)溫度低，在(900 1000) °C實(shí)現(xiàn)燒結(jié)， 因此可與金、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(jiǎn)單，成本低廉；所得材料具有較低的熱膨脹系數(shù)。


圖1為本發(fā)明中實(shí)施例3中低溫共燒陶瓷材料的SEM圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
本發(fā)明具體實(shí)施例中，鈣鋁硼硅玻璃中各氧化物的摩爾百分比含量如下
CaO18.0 mol%Al2O310.0 mol%SiO263.0 mol%B2O39.0 mol%。
本實(shí)施例中低溫共燒陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟
(1)低熔點(diǎn)玻璃的原料準(zhǔn)備按上述各氧化物的摩爾百分含量稱取低熔點(diǎn)鈣鋁硼硅玻璃所需原料，并混合均勻。
(2)低熔點(diǎn)玻璃的制備將上述混合均勻的混合物裝入坩堝，在1500°C下保溫4小時(shí)，將熔融的玻璃液直接倒入去離子水中，得到玻璃渣，球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，制得平均粒度為3 μ m的玻璃粉。
(3)高熔點(diǎn)陶瓷填充相的制備將購(gòu)得的熔融石英粉球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，得到平均粒度為4 μ m的熔融石英粉
(4)材料成型將70wt%的低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相混合均勻后，加入 3wt %聚乙烯醇粘結(jié)劑，造粒干壓后制成坯片。
(5)燒結(jié)將所得坯片在900°C下燒結(jié)，保溫1小時(shí)后，在爐中自然冷卻至室溫，制得低溫共燒陶瓷材料。
本實(shí)施例中所制得低溫共燒陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)為4. 70X10_6/°C。該材料的氣孔率為18.6%。
實(shí)施例2
本發(fā)明具體實(shí)施例中，鈣鋁硼硅玻璃中各氧化物的摩爾百分比含量如下
CaO23.0 mol%Al2O316.0 mol%SiO253.0 mol%B2O38.0 mol%
本實(shí)施例中低溫共燒陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟
(1)低熔點(diǎn)玻璃的原料準(zhǔn)備按上述各氧化物的摩爾百分含量稱取低熔點(diǎn)鈣鋁硼硅玻璃所需原料，并混合均勻。
(2)低熔點(diǎn)玻璃的制備將上述混合均勻的混合物裝入坩堝，在1550°C下保溫4小時(shí)，將熔融的玻璃液直接倒入去離子水中，得到玻璃渣，球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，制得平均粒度為1 μ m的玻璃粉。
(3)高熔點(diǎn)陶瓷填充相的制備將購(gòu)得的熔融石英粉球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，得到平均粒度為3 μ m的熔融石英粉
(4)材料成型將70wt%的低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相混合均勻后，加入混合均勻后材料的重量的3%的聚乙烯醇粘結(jié)劑，造粒干壓后制成坯片。
(5)燒結(jié)將所得坯片在900°C下燒結(jié)，保溫1小時(shí)后，在爐中自然冷卻至室溫，制得低溫共燒陶瓷材料。
本實(shí)施例中所制得低溫共燒陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)為6. 2X10_6/°C。該材料的氣孔率為1. 1%。
實(shí)施例3
本發(fā)明具體實(shí)施例中，鈣鋁硼硅玻璃中各氧化物的摩爾百分比含量如下
5CaO23.0 mol%Al2O39.0 mol%SiO260.0 mol%B2O38.0 mol%
本實(shí)施例中低溫共燒陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟
(1)低熔點(diǎn)玻璃的原料準(zhǔn)備按上述各氧化物的摩爾百分含量稱取低熔點(diǎn)鈣鋁硼硅玻璃所需原料，并混合均勻。
(2)低熔點(diǎn)玻璃的制備將上述混合均勻的混合物裝入坩堝，在1550°C下保溫5小時(shí)，將熔融的玻璃液直接倒入去離子水中，得到玻璃渣，球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，制得平均粒度為1. 5 μ m的玻璃粉。
(3)高熔點(diǎn)陶瓷填充相的制備將購(gòu)得的熔融石英粉球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，得到平均粒度為4 μ m的熔融石英粉
(4)材料成型將70wt%的低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相混合均勻后，加入 3wt %聚乙烯醇粘結(jié)劑，造粒干壓后制成坯片。
(5)燒結(jié)將所得坯片在900°C下燒結(jié)，保溫1小時(shí)后，在爐中自然冷卻至室溫，制得低溫共燒陶瓷材料。
本實(shí)施例中所制得低溫共燒陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)為4.80X10_6/°C。該材料的氣孔率為2. 2%。本實(shí)例的SEM圖見(jiàn)附圖1。
實(shí)施例4
本發(fā)明具體實(shí)施例中，鈣鋁硼硅玻璃中各氧化物的摩爾百分比含量如下
CaO28.0 mol%Al2O315.0 mol%SiO249.0 mol%B2O38.0 mol%
本實(shí)施例中低溫共燒陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟
(1)低熔點(diǎn)玻璃的原料準(zhǔn)備按上述各氧化物的摩爾百分含量稱取低熔點(diǎn)鈣鋁硼硅玻璃所需原料，并混合均勻。
(2)低熔點(diǎn)玻璃的制備將上述混合均勻的混合物裝入坩堝，在1600°C下保溫3小時(shí)，將熔融的玻璃液直接倒入去離子水中，得到玻璃渣，球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，制得平均粒度為3 μ m的玻璃粉。
(3)高熔點(diǎn)陶瓷填充相的制備將購(gòu)得的熔融石英粉球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，得到平均粒度為5 μ m的熔融石英粉
(4)材料成型將70wt%的低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相混合均勻后，加入 3wt %聚乙烯醇粘結(jié)劑，造粒干壓后制成坯片。
(5)燒結(jié)將所得坯片在900°C下燒結(jié)，保溫1小時(shí)后，在爐中自然冷卻至室溫，制得低溫共燒陶瓷材料。
本實(shí)施例中所制得低溫共燒陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)為7.95X10_6/°C。該材料的氣孔率為2.9%。
實(shí)施例5
本發(fā)明具體實(shí)施例中，鈣鋁硼硅玻璃中各氧化物的摩爾百分比含量如下
CaO23.0 mol%Al2O316.0 mol%SiO253.0 mol%B2O38.0 mol%
本實(shí)施例中低溫共燒陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟
(1)低熔點(diǎn)玻璃的原料準(zhǔn)備按上述各氧化物的摩爾百分含量稱取低熔點(diǎn)鈣鋁硼硅玻璃所需原料，并混合均勻。
(2)低熔點(diǎn)玻璃的制備將上述混合均勻的混合物裝入坩堝，在1550°C下保溫4小時(shí)，將熔融的玻璃液直接倒入去離子水中，得到玻璃渣，球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，制得平均粒度為1 μ m的玻璃粉。
(3)高熔點(diǎn)陶瓷填充相的制備將購(gòu)得的熔融石英粉球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，得到平均粒度為3 μ m的熔融石英粉
(4)材料成型將50wt%的低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相混合均勻后，加入 3wt %聚乙烯醇粘結(jié)劑，造粒干壓后制成坯片。
(5)燒結(jié)將所得坯片在1000°C下燒結(jié)，保溫1小時(shí)后，在爐中自然冷卻至室溫，制得低溫共燒陶瓷材料。
本實(shí)施例中所制得低溫共燒陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)為4.95X10_6/°C。該材料的氣孔率為4.4%。
實(shí)施例6
本發(fā)明具體實(shí)施例中，鈣鋁硼硅玻璃中各氧化物的摩爾百分比含量如下
CaO23.0 mol%Al2O39.0 mol%SiO260.0 mol%B2O38.0 mol%
本實(shí)施例中低溫共燒陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟
(1)低熔點(diǎn)玻璃的原料準(zhǔn)備按上述各氧化物的摩爾百分含量稱取低熔點(diǎn)鈣鋁硼硅玻璃所需原料，并混合均勻。
(2)低熔點(diǎn)玻璃的制備將上述混合均勻的混合物裝入坩堝，在1550°C下保溫5小時(shí)，將熔融的玻璃液直接倒入去離子水中，得到玻璃渣，球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，制得平均粒度為1. 5 μ m的玻璃粉。
(3)高熔點(diǎn)陶瓷填充相的制備將購(gòu)得的熔融石英粉球磨后(球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水)，得到平均粒度為4 μ m的熔融石英粉
(4)材料成型將60wt%的低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相混合均勻后，加入 3wt %聚乙烯醇粘結(jié)劑，造粒干壓后制成坯片。
(5)燒結(jié)將所得坯片在950°C下燒結(jié)，保溫1小時(shí)后，在爐中自然冷卻至室溫，制7得低溫共燒陶瓷材料。
本實(shí)施例中所制得低溫共燒陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)為4. 75X10_6/°C。該材料的氣孔率為1.3%。
本發(fā)明提出的一種鈣鋁硼硅系玻璃+熔融石英體系低溫共燒陶瓷材料及其制備方法，已通過(guò)實(shí)施例進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明的內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的內(nèi)容進(jìn)行改動(dòng)或適當(dāng)變更與組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。特別需要指出的是，所有相類(lèi)似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，他們都被視為包括在本發(fā)明的精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
1.一種鈣鋁硼硅系玻璃+熔融石英低溫共燒陶瓷材料，其特征是低溫共燒陶瓷材料包括低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相，其中鈣鋁硼硅低熔點(diǎn)玻璃相占總體材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 70%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫共燒陶瓷材料，其特征是，低熔點(diǎn)玻璃相中各氧化物的摩爾百分含量如下CaO18.0-28.0 mol%Al2O39.0-16.0 mol%SiO249.0-63.0 mol%B2O38.0~9.0mol%
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低溫共燒陶瓷材料的制備方法，其特征步驟如下(1)低熔點(diǎn)玻璃的原料準(zhǔn)備按低熔點(diǎn)玻璃相所需各氧化物的摩爾百分含量稱取原料，并混合均勻；(2)低熔點(diǎn)玻璃的制備將上述混合均勻的混合物裝入坩堝，在1500 1600°C下保溫 3 5小時(shí)，將熔融的玻璃液直接倒入去離子水中，得到玻璃渣，球磨，制得平均粒度為1 3 μ m的玻璃粉；(3)高熔點(diǎn)陶瓷填充相的制備將熔融石英粉球磨后，得到平均粒度為3 5μ m的熔融石英粉；(4)材料成型將50 70%重量百分比的低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相混合均勻后，加入混合材料的重量的3%聚乙烯醇粘結(jié)劑，造粒干壓后制成坯片；(5)燒結(jié)將所得坯片在900 1000°C下燒結(jié)，制得低溫共燒陶瓷材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3述的低溫共燒陶瓷材料的制備方法，其特征是，所述球磨的球料比為3 1，球磨介質(zhì)為去離子水。
5.根據(jù)權(quán)利要求3述的低溫共燒陶瓷材料的制備方法，其特征是所述的燒結(jié)工藝是， 在保證不析出二氧化硅晶相的情況下，升溫至所需溫度，保溫1小時(shí)后，在爐中自然冷卻至室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈣鋁硼硅系玻璃+熔融石英體系低溫共燒陶瓷材料及其制備方法，其中鈣鋁硼硅低熔點(diǎn)玻璃相占總體材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50～70％。按低熔點(diǎn)玻璃相所需各氧化物的摩爾百分含量稱取原料，在1500～1600C下保溫3～5小時(shí)，將熔融的玻璃液直接倒入去離子水中，得到玻璃渣，球磨制得平均粒度為1～3μm的玻璃粉；將熔融石英粉球磨后，得到平均粒度為3～5μm的熔融石英粉；將50～70％重量百分比的低熔點(diǎn)玻璃相和高熔點(diǎn)陶瓷填充相混合均勻后，加入混合材料的重量的3％聚乙烯醇粘結(jié)劑，造粒干壓后制成坯片；燒結(jié)制得低溫共燒陶瓷材料。低溫共燒陶瓷材料燒結(jié)溫度低，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，材料具有較低的熱膨脹系數(shù)；工藝流程簡(jiǎn)單，成本低廉。
文檔編號(hào)C03C10/00GK102503137SQ20111031018
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者夏國(guó)斌, 楊德安 申請(qǐng)人:天津大學(xué)