钙铝硅氟氧玻璃/陶瓷系LTCC材料的制备与性能研究

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低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics,LTCC)材料是电子封装技术中十分重要的组成部分,也是较为复杂的工艺环节,LTCC材料对于电子封装模块的性能、质量和相关工艺材料的选择都有着非常重要的影响,而玻璃/陶瓷复合材料因其体系较多、性能易实现系列化已成为目前应用最为广泛的LTCC基板材料。本文选择玻璃/陶瓷复合材料作为研究对象,以钙铝硅氟氧(CFAS)玻璃为基础,刚玉、石英作为陶瓷填充料制备LTCC基板材料,并通过改变CFAS玻璃中CaF2和Al2O3的含量对复合材料的组织结构及性能进行优化。实验采用了高温熔融法制备CFAS玻璃,利用X射线衍射分析仪及扫描电子显微镜(SEM)分析了试样的晶相组成和微观结构,采用三点抗弯法测试试样的机械强度,利用精密阻抗分析仪来测试试样的介电常数和介电损耗。实验结果表明,CFAS玻璃对刚玉填充料的润湿性较好,当刚玉含量达到复合材料的30 wt.%,且试样的烧结温度为850℃时,此时材料中析出少量的新相钙长石(CaAl2Si2O8),复合材料的体积密度和抗折强度均达到极大值,分别为2.89 g/cm3和290 MPa,热膨胀系数为5.08×10-6/℃(20-500℃),与硅芯片的热膨胀系数接近,且此时的介电性能达到最优组合,介电常数和介电损耗分别为3.13和2.45×10-3(1 MHz)。而石英玻璃以最佳比例作为填充料时,可以使复合材料的良好烧结温度降低到830℃,但是与CFAS玻璃/刚玉复合材料相比,其抗折强度有所降低,热膨胀系数为10.27×10-6/℃(20-500℃),难以与硅芯片的热膨胀系数相匹配,且CFAS玻璃对石英颗粒的润湿性较差,造成其介电损耗恶化严重。CFAS玻璃组分中CaF2含量的增加,会使复合材料的最佳烧结温度有所降低,且随CaF2含量的增加,复合材料的体积密度和抗折强度均呈现出先减小后增大又减小的趋势,热膨胀系数则随CaF2含量的增加逐渐变大,介电性能变化不大。玻璃组分中Al2O3比例的增大,复合材料的抗折强度并没有达到预想的提升效果,最大值只有245 MPa。并且Al2O3含量的增加会使最佳致密状态下试样的介电常数和介电损耗增大,分别为4.92和2.63×10-3(1 MHz),但是复合材料的介电性能在高频下的稳定性并没有因Al2O3含量的增加而受到影响。
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