ZnO-B2O3/SiO2玻璃/陶瓷的LTCC技术研究

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低温共烧陶瓷技术(LTCC)是近年来微电子封装领域中发展最迅速的分支。为满足节能、低成本的需求,并希望能和半导体器件、金属、甚至塑料实现更大规模的集成度,进一步实现多功能封装,这就要求介质陶瓷的烧结温度低于700℃,甚至更低。由此,具有超低温共烧特性的新介电陶瓷吸引了研究者的关注。因此,开发出能满足LTCC要求的工业化应用的新型超低温烧结介质陶瓷具有重要的意义。  本文制备了以3ZnO-2B2O3(3Z2B)玻璃作为基质,SiO2作为陶瓷填充相的3Z2B玻璃基超低温烧结陶瓷。研究讨论3Z2B玻璃和SiO2配比、烧结温度对其物相组成、致密化过程、显微结构和介电性能的影响。实验中,采用X-射线衍射仪、扫描电镜、差热分析、能谱等分析方法研究其结构与性能,采用平行板电容法测试其介电性能。得到的主要研究成果如下:  (1)玻璃陶瓷复合陶瓷样品的烧结致密度随烧结温度的升高而增大,其致密化机制为液相烧结,SiO2添加量为5wt%-20wt%时可在小于700℃温度下烧结致密。在650℃烧结温度下,随着样品中SiO2添加量增加,其介电常数减小,介电损耗降低。各组分样品的介电损耗随着烧结温度的升高而降低,介电常数随温度升高而增大后趋于稳定,其中SiO2添加量为15wt%时其烧结致密温度为650℃,介电性能优良,在1MHz频率测试下的εr为6.1,tgδ为1.3×10-3。由于SiO2添加量的增加,烧结致密温度也随之升高,因此合理控制SiO2的添加量不仅能够优化3Z2B/SiO2玻璃陶瓷复合体系的介电性能,并且能在较低的温度实现玻璃陶瓷复合体系的超低温烧结。  (2)在650℃-700℃烧结的样品中主要物相有α-Zn(BO2)2,Zn3B2O6,SiO2,3Z2B玻璃与添加物SiO2之间没有发生明显反应,无硅酸盐相生成,说明SiO2与3Z2B玻璃在烧结过程中不发生反应。  (3)在与银电极的共烧特性研究中,银没有与3Z2B/SiO2玻璃/陶瓷体系发生反应,银与3Z2B/SiO2玻璃陶瓷的接触性良好,并且在样品中也没有发生扩散。  以性能较好的85%3Z2B-15%SiO2配比为无机粉料,采用流延工艺制备低温共烧陶瓷生带。研究了各有机组分和流延工艺参数对流延浆料的影响。配置了可用于流延的浆料,借助流延成型工艺制备了生瓷带,通过烧结得到LTCC封装材料。主要成果如下:  (1)浆料的分散稳定性随着分散剂的增加而得到改善,当分散剂添加量为4wt%时分散效果最好,超过4%时分散效果变差,其原因是过多的分散剂又相互缠绕造成浆料的悬浮性变差。浆料的粘度随粘接剂的含量增大而增大,且随着增塑剂的含量的增加,先减小后增大,当增塑剂与粘接剂比值R为0.5时,浆料的粘度最低,流动性最好。  (2)适合流延用浆料的最佳配方为:溶剂100-150wt%、磷酸三丁酯4wt%、粘接剂15wt%、R为0.5。其流延出的生带平整光滑无裂纹,拉伸强度为2.2MPa。生带烧结收缩率为20.21%。收缩率较大,其主要原因是浆料的固含量偏低,生带中残留的未挥发的溶剂较多,对烧结收缩率影响大,因此流延生带的干燥工艺有待改善。此外,在银与生带共烧的过程中,银并没有发生反应及扩散,银与介质层的结合度较好。因此该材料体系在LTCC应用领域中具有潜在的应用价值。
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