低温烧结钙硼硅系复相玻璃陶瓷性能研究

摘要

随着微电子信息技术的迅猛发展，对电子封装提出了更高的要求。仅靠各类元器件的小型化、引脚节距的微细化尚不能实现真正意义上的高密度封装。需要在基板的材料、结构、制作方法及性能上有所突破。低温共烧陶瓷材料的共烧温度一般在800-950℃之间，可以采用高导电率的金属作为多层布线的导体材料，与内埋钌系电阻、电容一次烧成，近年来受到广泛关注。
　　 本论文以低介电常数、低介电损耗和低烧结温度的钙硼硅(CaO-B2O3-SiO2，简称CBS)系低温共烧陶瓷为研究对象。首先在确定玻璃熔制工艺基础上，研究了硼硅玻璃(B2O3-SiO2，简称BSG)对CBS玻璃陶瓷结构与性能的影响。采用正交实验研究有机添加剂对浆料和生料带性能的影响，制备了稳定的流延浆料并获得大面积、平整、光滑、厚度可控的生料带。最后探讨了生料带在烧结过程中的排胶、收缩特性和低频、微波频率的介电性能，为材料的实用化奠定了基础。
　　 针对钙硼硅纯三元玻璃试样烧结温度高、烧结温度范围较窄和烧结后容易变形的缺点，采用引入第二相BSG玻璃，系统研究了CBS/BSG复相玻璃陶瓷的结构与性能。BSG玻璃的添加量大于20wt％时，可以使体系的烧结温度降低到900℃以下，在30wt％-50wt％的BSG玻璃添加范围内，两相玻璃均具有良好的相容性，BSG玻璃的引入使体系中低介电常数，高热膨胀系数的α-石英增多，体系的介电常数降低，实现介电常数在5.60-6.20范围内可调，但添加50wt％BSG玻璃的试样热膨胀系数增大到10.4×10-6·C-1，绝缘电阻率下降，物理性能恶化。
　　 选用31wt％乙醇、13wt二甲苯和56wt％异丙醇作为混合溶剂体系，相对玻璃粉料加入2wt％蓖麻油作为分散剂可以有效地改善粉料在有机媒介中的流变特性；正交实验结果表明固含量是影响浆料粘度的主要因素，生坯密度与所考虑的各因素及其交互作用无密切关系，PVB和DBP的交互作用及固含量对生料带从流延机上剥离影响较大。固含量为50wt％，相对CBS/BSG复合玻璃粉添加2wt％蓖麻油、7.5wt％PVB、4.5wt％DBP时，制备的浆料粘度为2.1Pa·s，生坯体积密度可达1.60g·cm-3，生料带的卷曲半径约1mm，且生料带较容易从流延机上剥离。生料带上、下表面的颗粒分布均匀且结构致密。
　　 将生料带以1℃·min-1升温到450℃保温2h，继续升温到550℃，可保证排胶完全且素坯平整。生料带开始收缩温度约为650℃，与银导体的开始收缩温度400-600℃较接近。烧结收缩率随升温速度增加而降低；在31-124MPa范围内改变成型压力，875℃烧结试样在X、Y方向的收缩率可以从16％调整到23％，Z方向的收缩率可以从2.4％调整到20％。随着成型压力的升高，介电常数略有上升，介电常数的温度系数变化不明显。在93MPa下热压成型，875℃保温15min烧成的试样介电性能优越，10GHz下介电常数5.93，介电损耗为9×10-4，绝缘电阻率≥1014Ω·cm，热膨胀系数为9.0x10-6℃-1，可以满足低温共烧陶瓷基板材料的使用要求。