[发明专利]一种堇青石基微晶玻璃材料及其制备方法

说明书

本发明属于电子陶瓷材料领域，提供一种堇青石基微晶玻璃材料及其制备方法，用以克服现有陶瓷材料因热膨胀系数大、抗弯强度太小、介电常数高、介质损耗高等导致与硅芯片匹配度差的问题，本发明属于镁铝硅体系，主晶相为堇青石，致密度高，抗弯强度高达230MPa，杨氏模量高80～100GPa，热稳定性好，热膨胀系数低1.5～2.5×10^‑6/℃(20～600℃)，与硅芯片形成良好的匹配；同时，其介电常数可调4.5～5.0，介质损耗低tanδ<0.6×10^‑3，提高信号传输速度，大大降低了功耗；另外，其制备工艺中，将传统的烧结工艺1100℃以上降低到900℃以下，在提高性能的前提下，烧结温度进一步降低，节约生产成本；并且整个制备工艺流程简单，原料来源丰富减小能耗，对工业化生产具有重要意义。

技术领域

本发明属于电子陶瓷材料领域，涉及一种堇青石基低热膨胀微晶玻璃材料及其制备方法；该材料适用于电子封装，尤其是超大规模集成电路的封装。

背景技术

信息技术的迅猛发展，推动着集成电路系统不断朝着高密度化、超大规模化和多功能化方向发展，半导体芯片性能的飞速提高也使得电子封装技术向更先进的高密度、三维封装形势发展，这对电子封装基板材料提出了更高要求，尤其是需要具有足够高的抗弯强度和优良的介电性能，且在热膨胀系数方面需要基板与芯片相匹配。电子陶瓷材料由于其在机械、电、热特性等方面性能稳定，已广泛应用于各种封装形式中。

低温共烧陶瓷(LTCC)是一种迅速发展的电子陶瓷材料，是将具有低温共烧能力的陶瓷作为基板，在其上组装各种部件及低电阻率导线，在1000℃以下制得微电子产品的技术，在超大规模集成电路的封装领域应用广泛。但是，目前商用LTCC材料普遍抗弯强度较低，热膨胀系数偏高，例如Ferro公司的A6系列7.0×10^-6/℃，DuPont公司的951系列5.8×10^-6/℃，不能与硅芯片实现良好的热匹配，介电性能也亟待改进，严重影响封装芯片的可靠性。因此，必须开发一种具有高强度(≥160MPa)、低热膨胀系数(1.0～3.0×10^-6/℃)，且低介电、低损耗的低温共烧陶瓷材料，确保实现与硅芯片的热匹配，降低信号延迟及能量损耗，满足电子封装尤其是超大规模集成电路封装基板的需要。MgO-Al₂O₃-SiO₂系微晶玻璃作为一种优良的 LTCC材料已被广泛关注，该材料主要是由MgO、Al₂O₃、SiO₂等氧化物组成，主晶相为堇青石相，其机械强度高，介电性能优良，具有良好的热稳定性和抗热冲击性，但目前研制出的镁铝硅系微晶玻热膨胀系数不能与硅芯片实现良好的热匹配，介质损耗高，且需要在很高的烧结温度下才能达到足够高的抗弯强度。

例如，在《材料导报》2011,10,25(10)“MgO-Al₂O_3-SiO₂系堇青石微晶玻璃的制备及性能研究”中，基础玻璃组分按质量百分比：MgO为24wt％、Al₂O₃为22wt％、SiO₂为54wt％，以2wt％ZrO₂+3wt％TiO₂为晶核剂，2wt％B₂O₃为助溶剂，混合料于1580℃保温4h，水淬干燥并研磨得到玻璃粉，造粒成型并分别在850℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃晶化温度下分别保温4h，得出在1100℃晶化温度下的微晶玻璃具有最好性能，其抗弯强度为182MPa，而该发明其他性能未作详细说明，不足之处是烧结温度过高。