低温共烧玻璃陶瓷材料的制备及性能、机理研究

论文摘要

根据最近国内外低温共烧陶瓷材料的研究进展及存在的主要问题，采用差热分析仪、X-射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪、阻抗分析仪、热学性能和力学性能测试仪等系统研究了添加剂及氧化物取代对堇青石基玻璃的结构、烧结性能、相组成、介电性能、热膨胀性能和力学性能等的影响规律；新型系列玻璃／陶瓷复合材料中陶瓷引入量和烧结（热压）工艺与烧结、相组成、介电性能、热学特性、显微组织与力学性能的影响规律；提出了微晶玻璃的烧结、晶化机理、相变机理和烧结过程中石英和方石英的析出机理以及AlN／堇青石玻璃陶瓷复合材料的补强增韧机制。主要结果如下：系统地探讨了氧化铋和烧结工艺与堇青石基微晶玻璃的相转变、烧结特性、物理性能和界面特性的关系：氧化铋的加入降低了堇青石的μ相向α相转变的温度，有效促进了烧结致密化。介电常数和抗折强度均随氧化铋的增加而增加，且与密度变化曲线相似；介电损耗随氧化铋的增加呈“V”字变化。热膨胀系数随氧化铋的变化基本呈线性增加。氧化铋的合理添加量为3～5wt％。900～950℃烧结致密样品的介电常数约为5.3，介电损耗为10-3，抗折强度大于130MPa，热膨胀系数约为3.5×10-6K-1，极化普适关系指数n为0.5～0.9，具有良好的温度和频率稳定性。材料与银电极的界面结合良好，银元素的扩散深度约5μm，材料具有高的可靠性。首次提出了氧化铈在玻璃中的作用机制。添加少量氧化铈起到网络修饰体的作用，有利于降低玻璃的粘度，促进堇青石的μ相向α相的转变和烧结致密化。添加过多氧化铈不利于烧结。样品的介电性能取决于氧化铈含量和烧结温度、晶体相的组成及致密程度。热膨胀系数随氧化铈的增加呈“倒Z字”变化。热膨胀系数随温度的增加基本上呈线性减小的趋势，这与析出堇青石晶体的数量有关。抗折强度随氧化铈的增加呈先增后减的趋势，且与气孔率的变化曲线相似。添加氧化铈为4wt％的样品能够低温烧结（≤950℃）。样品具有良好的温度和频率稳定性，其介电常数为5.3，介电损耗为2×10-3，热膨胀系数为2.5～2.8×10-6K-1，抗折强度为115MPa，能够满足低温共烧陶瓷的要求。首次系统地研究了添加氧化锌和氧化锌取代氧化铝对微晶玻璃结构、烧结、相转变、显微组织和物理性能的影响规律。添加1.5～3wt％氧化锌有利于降低玻璃的粘度，促进玻璃粉体的烧结。添加过多的氧化锌将使玻璃容易析晶而不利于烧结。随氧化锌的增加，有利于锌铝尖晶石和石英晶体相的析出。添加3wt％氧化锌样品的晶体析出顺序与红外光谱强吸收峰的位置变化相吻合。随氧化锌的增加，介电常数大体上呈增加趋势，介电损耗在氧化锌为1～3wt％时有最小值。膨胀系数随氧化锌的增加呈线性增加。随氧化锌的增加，抗折强度先升后降，在氧化锌为1.5wt％达到最大值。添加1.5～3.0wt％氧化锌样品低温（≤950℃）烧结后具有低的介电常数（5.0～5.3），低的介电损耗(2×10-3)，低的热膨胀系数(3.0～4.8×10-6K-1)，较高的抗折强度（≥120MPa）。样品的温度和频率稳定性良好。随氧化锌替代量的增加，玻璃的熔化温度和晶化温度明显降低，玻璃转变温度呈先降后升的趋势。当氧化锌为5wt％和8wt％时，主晶相为α—堇青石；11wt％时，主晶相变为锌铝尖晶石和石英。氧化锌的合理取代量为8wt％。900～925℃烧结的样品具有97％的相对密度，低的介电常数（5.0～5.2），低的介电损耗(＜10-3)，低的热膨胀系数(4.0-4.2×10-6K-1)和高的抗折强度（≥125MPa），是一种优质的低温共烧陶瓷材料。提出了添加氧化铈微晶玻璃的烧结机制和晶化机理：玻璃粉体的烧结机制属于粘性流动占主导地位的液相烧结过程。推导出气孔率随时间的变化和烧结动力学常数K与烧结温度的关系分别为：—ln p=kt+B和ln k=C-E／R T。据此可算出添加0wt％，2wt％、4wt％和7wt％氧化铈样品的烧结活化能分别为221kJ／mol，203.1kJ／mol、196.0kJ／mol和232.0kJ／mol。该烧结数学模型适用于烧结初、中期。随氧化铈的增加，玻璃的析晶活化能逐渐增加，添加氧化铈不利于玻璃的析晶。所有玻璃样品均为表面晶化机理。基于晶体结构和玻璃“分相”的理论，首次提出了硼玻璃／钙（锶）长石复合材料烧结过程中石英和方石英的析出机理。长石独特的晶体结构使得M2+（M=Ca，Sr）填充在四面体组成的通道空隙中来平衡电价保持电中性。在适当的条件下，组成中的M2+（M=Ca，Sr）和玻璃中的组分容易发生相互扩散，使得陶瓷颗粒周围的玻璃组成发生了改变。由玻璃“分相”理论可知，Ca2+、Sr2+和Zn2+的共同作用导致了玻璃的分相。α-石英从富SiO2中析出。温度增加加剧了“分相”，方石英越容易从富硅玻璃相中直接析出，同时石英也能转变为方石英。这与添加氧化铝抑制方石英的机理有所不同。系统研究了玻璃／陶瓷复合材料的组成和物理性能的关系。介电常数、热膨胀系数和显微硬度随陶瓷含量的增加而增加，而介电损耗随之减小。烧结中α-石英和方石英的析出增加了材料的热膨胀系数，但对材料的介电性能影响不大。硼酸铝的生成对玻璃／尖晶石复合材料的介电和热膨胀性能有益。添加10wt％硼酸铝能完全抑制高硅玻璃／硼酸铝复合材料中石英和方石英的析出。750～1000℃制备的复合材料具有优良的综合性能，能够用于微电子封装领域。首次提出了AlN／堇青石玻璃复合材料的强化机制主要是载荷传递，增韧机制主要是裂纹的绕道偏转、分叉和钉扎与增强颗粒相的拔出。系统研究了AlN及热压工艺和复合材料烧结特性、介电性能、热学性能和力学性能的内在关系。随AlN的增加，致密度略有下降，介电常数和介电损耗逐渐增加。随热压温度提高，相对密度明显增加，介电常数和介电损耗都降低。增加保温时间可提高致密度。热膨胀系数和热导率随AlN的增加而增加。AlN引入量不同的样品表现出不同的导热特性。抗折强度和断裂韧性随AlN的增加逐渐增加。当AlN引入量为40％时，抗折强度和断裂韧性都达到最大值，分别从基体的117MPa和1.27MPa.m1／2提高到212MPa和3.04MPa.m1／2。AlN与堇青石玻璃不发生化学反应，化学相容性好。采用真空热压法低温（≤1000℃）制备的样品具有低介电常数（5.6～6.6）、低介电损耗（＜0.18％）、与Si匹配的热膨胀系数、较高的热导率(6.5Wm-1K-1)、高的力学性能、良好的温度和频率稳定性，能够满足高密度电子封装的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究开发低温共烧陶瓷材料的意义
• 1.1.1 现代信息产业的快速发展对封装材料的迫切需求
• 1.2 微电子封装技术的发展现状
• 1.3 电子封装基板材料的种类
• 1.3.1 陶瓷
• 1.3.2 环氧玻璃
• 1.3.3 金刚石
• 1.4 低温共烧陶瓷（LTCC）基板技术和材料的特性
• 1.4.1 共烧基板的特性
• 1.4.2 低温共烧基板技术的特点
• 1.5 低温共烧陶瓷基板的种类
• 1.5.1 微晶玻璃体系
• 1.5.2 玻璃/陶瓷体系
• 1.5.3 非晶玻璃系（陶瓷系）
• 1.6 微晶玻璃基板的制备工艺
• 1.6.1 熔融法
• 1.6.2 烧结法
• 1.6.3 溶胶—凝胶法
• 1.7 低温共烧玻璃陶瓷基板的烧结和晶化机理
• 1.7.1 玻璃/陶瓷复合材料的低温烧结机理
• 1.7.2 微晶玻璃体系（烧结法）的烧结机理
• 1.7.3 陶瓷系的烧结机理
• 1.7.4 微晶玻璃粉体颗粒的烧结模型与致密化方程
• 1.7.5 微晶玻璃的晶化动力学
• 1.8 堇青石晶体的结构和性质
• 1.8.1 堇青石的三种变体
• 1.8.2 稳定态堇青石的基本结构
• 1.8.3 非稳定态μ-堇青石的结构
• 1.8.4 不同形态堇青石的性质
• 1.9 低温共烧堇青石玻璃陶瓷的相组成及性能研究
• 1.9.1 基础玻璃组成对堇青石玻璃晶化的影响
• 1.9.2 添加剂对堇青石玻璃晶化的影响
• 1.9.3 低温烧结玻璃陶瓷基板材料的性能研究
• 1.9.4 提高低温共烧陶瓷基板材料导热性能的措施
• 1.10 低温共烧陶瓷基板材料的近期研究重点
• 第二章 本文的研究思路、实验方案及分析测试方法
• 2.1 本文的研究思路
• 2.2 本文的主要研究内容
• 2.3 实验采用的主要原材料及规格
• 2.4 试验采用的主要设备
• 2.5 试样制备方法
• 2.5.1 堇青石微晶玻璃样品的制备
• 2.5.2 陶瓷/硼硅酸盐玻璃复合材料样品的制备
• 2.5.3 热处理样品制备工艺
• 2.5.4 热压AlN/堇青石玻璃复合材料的制备
• 2.5.5 测试电学性能的样品制备工艺
• 2.6 样品的结构分析方法
• 2.6.1 X-射线衍射分析方法
• 2.6.2 红外光谱分析方法
• 2.7 形貌及能谱分析方法
• 2.8 样品的性能测试方法
• 2.8.1 样品的体积密度和显气孔率
• 2.8.2 差热分析（DTA）
• 2.8.3 抗折强度
• 2.8.4 断裂韧性
• 2.8.5 显微硬度
• 2.8.6 热膨胀系数
• 2.8.7 热导率
• 2.8.8 介电性能
• 第三章 添加氧化铋的堇青石基微晶玻璃制备和性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 氧化铋对微晶玻璃相组成的影响
• 3.2.1 添加氧化铋微晶玻璃的组成
• 3.2.2 不同氧化铋含量玻璃的差热分析曲线
• 3.2.3 氧化铋对微晶玻璃相组成和相变过程的影响
• 3.2.4 氧化铋在微晶玻璃中的分布状态
• 3.3 添加氧化铋的微晶玻璃的烧结性能
• 3.4 添加氧化铋的微晶玻璃热膨胀性能
• 3.4.1 氧化铋对样品热膨胀性能的影响
• 3.4.2 烧结热处理工艺对样品热膨胀性能的影响
• 3.5 微晶玻璃的介电性能研究
• 3.5.1 氧化铋对样品介电性能的影响
• 3.5.2 烧结温度对微晶玻璃介电性能的影响
• 3.5.3 微晶玻璃介电性能的温度特性
• 3.5.4 微晶玻璃介电性能的频率特性
• 3.6 微晶玻璃的力学性能研究
• 3.7 微晶玻璃与银电极界面的微观结构和元素分布特性研究
• 3.8 本章小结
• 第四章 添加氧化铈的堇青石微晶玻璃制备和性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 氧化铈对玻璃的结构和相组成的影响
• 4.2.1 基础玻璃的组成
• 4.2.2 不同氧化铈含量玻璃的差热和红外光谱分析
• 4.2.3 氧化铈对微晶玻璃相组成和相变过程的影响
• 4.2.4 氧化铈在微晶玻璃中的分布状态
• 4.3 氧化铈对微晶玻璃烧结机制的影响
• 4.3.1 氧化铈对微晶玻璃密度和气孔率的影响
• 4.3.2 氧化铈对微晶玻璃烧结动力学的影响
• 4.3.3 氧化铈对微晶玻璃晶化动力学的影响
• 4.4 微晶玻璃热膨胀性能研究
• 4.4.1 氧化铈和烧结温度对样品热膨胀性能的影响
• 4.5 微晶玻璃介电性能研究
• 4.5.1 氧化铈对微晶玻璃介电性能的影响
• 4.5.2 烧结温度对微晶玻璃介电性能的影响
• 4.5.3 微晶玻璃介电性能的温度特性
• 4.5.4 微晶玻璃介电性能的频率特性
• 4.6 微晶玻璃力学性能研究
• 4.7 微晶玻璃与银电极界面微观结构和元素分布特性研究
• 4.8 本章小结
• 第五章 氧化锌对微晶玻璃烧结、微结构和性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 添加氧化锌对微晶玻璃烧结和性能的影响
• 5.2.1 氧化锌对玻璃结构和相组成的影响
• 5.2.2 氧化锌对微晶玻璃相组成和相变过程的影响
• 5.2.3 添加氧化锌微晶玻璃的烧结机制
• 5.2.4 氧化锌对微晶玻璃微观组织的影响
• 5.2.5 微晶玻璃的热膨胀性能研究
• 5.2.6 氧化锌微晶玻璃的介电性能研究
• 5.2.7 微晶玻璃力学性能研究
• 5.2.8 微晶玻璃与银电极界面的微观结构研究
• 5.3 氧化锌取代氧化铝的微晶玻璃烧结、相组成和性能
• 5.3.1 玻璃的组成
• 5.3.2 氧化锌取代氧化铝对玻璃结构的影响
• 5.3.3 氧化锌取代氧化铝对微晶玻璃相组成和相变过程的影响
• 5.3.4 氧化锌取代氧化铝微晶玻璃的烧结特性
• 5.3.5 氧化锌取代量为8wt%的微晶玻璃的物理性能
• 5.4 本章小结
• 第六章 新型玻璃/陶瓷复合材料的制备和性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 硼硅酸盐玻璃的特性
• 6.2.1 硼硅酸盐玻璃的组成和特性
• 6.2.2 高硅氧硼硅酸盐玻璃的组成和特性
• 6.3 硼玻璃/尖晶石复合材料的制备与性能研究
• 6.3.1 尖晶石陶瓷粉体的制备
• 6.3.2 硼玻璃/尖晶石复合材料的制备
• 6.3.3 玻璃含量和烧结温度对烧结致密化的影响
• 6.3.4 复合材料的相组成和微观结构
• 6.3.5 复合材料的性能
• 6.4 硼玻璃/长石类复合材料的制备与性能研究
• 6.4.1 钙长石和锶长石陶瓷粉体的制备
• 6.4.2 硼玻璃/钙长石（锶长石）复合材料的制备
• 6.4.3 硼玻璃/钙（锶）长石复合材料的DTA分析
• 6.4.4 硼玻璃/长石复合材料的烧结特性
• 6.4.5 硼玻璃/长石复合材料的微观结构
• 6.4.6 硼玻璃/长石复合材料的相组成
• 6.4.7 硼玻璃/长石复合材料中方石英的析晶机理
• 6.4.8 陶瓷含量对复合材料性能的影响
• 6.4.9 硼玻璃/长石复合材料与银电极界面的微观结构研究
• 6.5 高硅玻璃/硼酸铝复合材料的制备与性能研究
• 6.5.1 硼酸铝的性质
• 6.5.2 高硅玻璃/硼酸铝复合材料的组成
• 6.5.3 高硅玻璃/硼酸铝的相结构
• 6.5.4 高硅玻璃/硼酸铝复合材料的烧结特性
• 6.5.5 高硅玻璃/硼酸铝复合材料的性能
• 6.6 本章小结
• 第七章 AlN/堇青石玻璃复合材料的热压制备和性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 AlN/堇青石玻璃复合材料的制备
• 7.3 AlN/堇青石玻璃复合材料的烧结特性
• 7.4 复合材料的介电性能研究
• 7.4.1 AlN引入量和热压温度对复合材料介电性能的影响
• 7.4.2 复合材料介电性能的温度特性
• 7.4.3 复合材料介电性能的频率特性
• 7.5 AlN/堇青石玻璃复合材料的热学性能研究
• 7.5.1 AlN/堇青石玻璃复合材料的热膨胀性能
• 7.5.2 复合材料的导热性能
• 7.6 复合材料的力学性能和强韧化机制研究
• 7.6.1 复合材料的显微组织和力学性能
• 7.6.2 AlN/堇青石玻璃复合材料的补强增韧机制研究
• 7.7 本章小结
• 第八章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果目录