[发明专利]高热导率的低温共烧陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电子封装材料领域，涉及一种低温共烧陶瓷材料，尤其是高热导率的低温共烧陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

低温共烧陶瓷（Low temperature co~fired ceramics, LTCC）可以与高电导率的金属（如金，银，铜等）在850~950℃下一体化共烧，具有介电性能可调，低的热膨胀系数（与硅的相匹配），高的化学稳定性和良好的机械性能等众多优点，该技术在微电子封装和器件制造领域已成功应用了二十多年。

LTCC材料经过20余年的发展，根据材料体系的不同大致可分为两大类：微晶玻璃体系和玻璃/陶瓷复合体系。微晶玻璃体系LTCC材料主要通过成核与晶化过程，使其成为致密的具有一定强度的陶瓷材料，然而作为单一的微晶玻璃，其结晶难以完全控制，随着热处理条件的变化，其性状变化较大，尤其是介电损耗。因此该体系的主要缺点是工艺窗口窄，器件稳定性差，不利于大批量生产。

玻璃/陶瓷复合体系是LTCC材料制备的主要方式之一。现有的玻璃-陶瓷体系LTCC材料的陶瓷相主要为氧化铝，由于氧化铝无法低温烧成，因此该体系的基体材料通常选用低软化点的玻璃，其与陶瓷填充料的比例是决定LTCC材料的综合性能关键因素（例如参见CN1716459A）。在实际应用中，为了达到致密烧结，满足基板介电及热膨胀性能的要求，玻璃的重量百分比含量通常超过了50wt%，然而，玻璃的低热导率极大地影响了材料整体的热传导性能。而且现如今，微电子封装正朝着高密度、大功率的方向快速发展，这对基板材料的散热性能提出了更高的要求。目前，商业化应用的LTCC材料的热导率偏低，仅为2~5 Wm^-1k^-1，严重影响了其在电子封装领域的进一步应用和发展。

目前，国内外研究人员通过采用高热导率的陶瓷填料替代传统的氧化铝，以期望提高玻璃/陶瓷复合体系LTCC材料的热导率。在众多高热导率陶瓷填料中，具有优异综合性能的氮化铝具有六方Wurtzite结构，与氧化铝相比，氮化铝具有优良的热传导性和较低的介电常数，被认为是理想的基板材料。例如CN101161605A公开一种玻璃/陶瓷复合体系的低温共烧陶瓷材料，其包括氮化铝等高热传导性陶瓷材料与硼酸盐系列的粉末状玻璃材料，其公开的低温共烧陶瓷材料的热导率约为12.5 Wm^-1k^-1。又，CN100469730C公开一种氮化铝/硼酸盐玻璃低温共烧陶瓷材料，其可将热导率提高到10 Wm^-1k^-1左右。然而上述现有的文献报道中，虽然材料的热导率有一定的提高，但是AlN/玻璃复合体系的热导率约为仍然较低，尚没有更大的技术突破。因此研究和开发新的具有高热导率的低温共烧陶瓷材料仍具有重要的意义。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明人经过锐意的研究，发现采用微晶玻璃作为玻璃/陶瓷复合体系LTCC材料的玻璃相，并通过调整玻璃相的组份及其含量可进一步调节低温共烧陶瓷材料的热膨胀系数、热导率和烧结温度，同时，烧结过程中微晶化的玻璃相可以促进声子热传导。另外，申请人还意识到添加高热导的一维材料用以“连接”高热导率的陶瓷填料，可形成三维立体化的网络状导热结构，可能进一步增强材料的热传导性能和机械强度。

因此，本发明人在此提供一种高热导率的低温共烧陶瓷材料，其特征在于，所述低温共烧陶瓷材料由微晶玻璃、高热导率的陶瓷填料和高热导率的一维材料复合组成，其中，所述高热导率的一维材料的重量百分含量为1～25wt%，优选5～25wt%。

本发明的低温共烧陶瓷材料采用微晶玻璃作为玻璃/陶瓷复合体系LTCC材料的玻璃相，烧结过程中微晶化的玻璃相可以促进声子热传导，可提高LTCC材料的热传导性。此外，添加高热导的一维材料，可以“连接”高热导率的陶瓷填料，形成三维立体化的网络状导热结构，可进一步增强材料的热传导性能和机械强度：例如，本发明可将低温共烧陶瓷材料的热导率提高至18.8 Wm^-1k^-1，同时具有低的热膨胀系数4.2×10^-6/℃，低的相对介电常数6.5和介电损耗1.6×10^-3（1 MHz），以及较好的机械性能（抗弯强度可达226 MPa），可用作一种综合性能优良的高热导率的低温共烧陶瓷基板材料，适合在大功率电子器件和高密度封装中使用。