LTCC用硼硅玻璃及生瓷带制备与性能研究

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低温共烧陶瓷(LowTemperatureCo-firedCeramic,LTCC)材料具有优良的介电性能、低热膨胀性能、可设计性能,满足高密度封装的需求,近年来得到了广泛的关注,已经应用于通讯、航空领域,成为无源集成的主流技术。  本文以硼硅玻璃/α-Al2O3为研究对象,研究配方组成、烧成工艺对试样介电性能、收缩性能、微观结构的影响;采用流延成型工艺制备硼硅玻璃/α-Al2O3生瓷带,探讨分散剂、增塑剂、粘结剂含量对生瓷带性能的影响,并对生瓷带与金属银的匹配性能进行评估。从实际生产中出现的问题出发,探讨粘结剂对LTCC生瓷带力学性能影响。  添加碱金属氧化物可以降低硼硅玻璃玻璃/α-Al2O3的烧结温度,随着碱金属添加量的增加,硼硅玻璃/α-Al2O3的烧成试样体积密度、收缩率、抗弯强度先上升后下降。碱金属添加量增加,硼硅玻璃/α-Al2O3试样的致密化温度降低,烧成温度过高会引起试样内部闭气孔发生膨胀,导致玻璃结构松弛。实验表明:优化碱金属添加量为2.4mol%且Na2O与K2O摩尔比为1∶1时,介电损耗值较小,为3.5×10-3。  硼硅玻璃与α-Al2O3按照质量比52∶48复合,在800-900℃之间烧成。玻璃/α-Al2O3试样在820℃未能烧结致密;当烧成温度升高至850℃,试样的体积密度、收缩率、介电常数均达到最大值,并且硼硅玻璃与α-Al2O3反应生成钙长石晶体;880℃烧成的试样,介电损耗降低;温度升至900℃,烧成试样内部气体膨胀产生大气孔,介电损耗增大。880℃烧成试样体积密度为3.08g/cm3,在10kHz下介电损耗为2.0×10-3,介电常数为7.7。使用α-SiO2代替α-Al2O3与硼硅玻璃复合后烧成试样的介电常数降低至4.75,收缩率低于10%,介电损耗为2.4×10-3,可以满足基板材料的应用要求。  采用流延成型制备硼硅玻璃/α-Al2O3生瓷带,对不同溶剂体系与不同分散剂含量的悬浮液进行流变性能测试,通过改变硼硅玻璃/α-Al2O3粉体的体积固含量和增塑剂与粘结剂的质量比来优化流延浆料组成,并研究了流延配方对制备生瓷带的体积密度、孔隙率以及烧成后致密度、微观结构与物相的影响。结果得出:甲乙酮-异丙醇混合溶剂对硼硅玻璃/α-Al2O3粉体润湿性能较好,相同体积固含量的剪切粘度最小。最佳分散剂用量为粉体质量的1.5%。流延体系的最佳玻璃/α-Al2O3粉体体积百分含量为71%,增塑剂与粘结剂质量比为0.65,所得生瓷带的体积密度为1.92g/cm3,孔隙率为25.12%。850℃烧成后试样断面光滑,气孔较少,体积密度为3.07g/cm3。在25-500℃范围内的热膨胀系数为7.30×10-6/℃,满足LTCC材料应用要求。  流延成型制备的生瓷带与银浆匹配性能良好,金属银与陶瓷界面处未见明显的裂痕、脱落、陶瓷相与银互相渗透的现象,银浆与生瓷带多层共烧时,层数较少时未见有明显缺陷,层数较多时(大于10),试样内部应力释放,会产生明显裂痕。  为了解决生瓷带在等静压叠合过程中出现的连接孔变形问题,采用不同的PVB配制不同固含量的流延浆料并流延制备出生瓷带,测试硼硅玻璃/α-Al2O3生瓷带的拉伸强度、杨氏模量与断裂伸长率。随着固含量的增加,相同PVB制备的生瓷带拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率均减小;固含量相同、PVB羟基含量相同的条件下,高分子量PVB生瓷带的拉伸强度、杨氏模量、断裂伸长率较大;使用羟基含量高的PVB,生瓷带拉伸强度与杨氏模量显著提高,而PVB羟基含量对断裂伸长率无明显影响。  对不同PVB制备的硼硅玻璃/α-Al2O3生瓷带的体积密度进行测试,随着固含量的增加,体积密度减小,气孔率增大。固含量相同时,高分子量的PVB制备生瓷带的体积密度相对较小,而羟基含量对生瓷带的体积密度影响很小。使用羟基含量较高的PVB制备的生瓷带在等静压过程中连接孔的变形小,而PVB的分子量对连接孔的变形大小无明显影响。
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