低热膨胀LTCC基板材料研究

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低温共烧陶瓷(LTCC)技术是实现电子元器件高密度封装的理想技术手段。现有LTCC基板材料的热膨胀系数多在5~8ppm/℃,过高的热膨胀系数会导致Si芯片与封装基板之间的热失配问题严重,降低封装的可靠性,因此开展低热膨胀系数LTCC基板材料的研究具有极其重要的意义。论文以低软化点La2O3-B2O3微晶玻璃与B2O3-SiO2玻璃作为烧结助剂,与低热膨胀系数陶瓷相复合,制备低热膨胀系数(<4.5ppm/℃)的LTCC基板材料,研究其低温烧结致密化行为与性能。研究了La2O3-B2O3-Ca O(LBC)与La2O3-B2O3-CaO-P2O5(LBCP)微晶玻璃的结构、相组成、热物理性能和析晶行为,探讨了La2O3/B2O3比值对微晶玻璃理化性能的影响。结果表明,La2O3/B2O3比值的改变会影响微晶玻璃的玻璃网络结构,La2O3/B2O3比值的增大会降低微晶玻璃的玻璃化转变温度和软化温度,析出更多的LaBO3晶体相,增大微晶玻璃的自发析晶倾向;另外,微晶玻璃的析晶活化能随La2O3/B2O3比值的增大而增大,析晶过程中形核速率也与La2O3/B2O3有关。将LBC微晶玻璃与Al2O3进行复合,研究了LBC微晶玻璃/Al2O3复相材料的烧结行为与性能。结果表明LBC微晶玻璃能够实现Al2O3的低温烧结致密化,两者在烧结过程中无界面反应。复相材料的性能受到微晶玻璃的成分与复相材料中Al2O3含量的共同影响。改用LBCP微晶玻璃与堇青石制成复相材料,并研究了玻璃/陶瓷比例对复相材料性能的影响。结果表明,复相材料中微晶玻璃与堇青石发生了较轻微的界面反应,主晶相为堇青石相与LaBO3相。玻璃/陶瓷比例过高或过低均易对复相材料的致密程度造成不良影响。堇青石的添加能够有效降低复相材料的热膨胀系数,同时La2O3/B2O3比值的降低也有助于复相材料热膨胀系数的控制。850℃烧结致密的复相材料具有优良的性能,介电常数为4.8~7.5,介电损耗约为2.0×10-3,热膨胀系数最低为4.12ppm/℃,与Ag电极具有良好的共烧兼容性,满足低热膨胀LTCC基板材料的应用需求。设计制备了一种低软化点、无定形态B2O3-Si O2(BS)玻璃,并研究了BS玻璃的理化性能,发现其拥有较低密度、较低热膨胀系数和理想的介电性能。将BS玻璃与Al2O3复合,研究了玻璃/陶瓷比例和烧结制度对复相材料烧结行为与性能的影响。结果表明该复相材料不发生界面反应或析出晶相,易于在低温下烧结致密。较高的玻璃/陶瓷比例和烧结温度有利于复相材料致密度的提升。固定玻璃/陶瓷质量比之后,在体系中引入β-锂辉石构成三元复相材料,并研究了β-锂辉石添加量对复相材料性能的影响。发现复相材料在烧结过程中仍不发生界面反应,β-锂辉石含量的提升有利于复相材料致密烧结,而且对降低材料的热膨胀系数起到了明显作用。基于该材料体系,获得了较现有商业化产品具有综合性能优势的复相材料,具有低介电常数(6.2)和介电损耗(1.9×10-3),热膨胀系数(3.57ppm/℃)与Si芯片基本一致,同时具有较高的抗弯强度(156MPa)。
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