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LTCC基板用MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃及其流延工艺研究

2020-11-22阅读(773)

LTCC基板用MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃及其流延工艺研究

论文摘要

低温共烧陶瓷（LTCC）技术是近年来微电子封装技术中发展最迅速的分支,其中关键技术——LTCC基板材料的研究受到广泛关注。国外公司如DuPont、Ferro对材料关键技术采取严格保密措施,以赚取高额利润。LTCC基板中无机材料的研制和对应流延工艺的研究对于实现LTCC技术国产化意义重大。本文首先对LTCC基板材料性能指标和国内外代表性材料体系进行了系统介绍和比较;研制出与国外成熟产品性能相当的MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃流延生带,掌握其性能影响因素;研究各种氧化物添加物对MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃性能影响;同时研究元素周期性对微晶玻璃性能的影响规律和探索生带技术在曲面金属/陶瓷复合材料制备方面的应用。设计和制备一系列MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃材料,主要氧化物MgO、Al2O3和SiO2的含量分别符合堇青石（Mg2Al4Si5O18）化学计量比和偏离堇青石化学计量比;研究微晶玻璃析晶特性影响因素,包括微晶玻璃组成、原始玻璃熔融温度、玻璃状态及玻璃粉粒径。利用示差扫描量热法（DSC）分析各玻璃样品,利用微晶玻璃的析晶峰值温度（Tp）和晶体生长速率（k（Tp））分析不同因素的影响。增加MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃中MgO含量有利于降低Tp,增大k（Tp）;而提高玻璃熔融温度会提高Tp,降低k（Tp）;经球磨获得的玻璃粉具有比块状玻璃样品低的Tp;粒径较小的玻璃粉具有较低的k（Tp）。舍弃析出石英相的非计量比微晶玻璃配方,对性能较好的MgO-Al2O3-SiO2玻璃用不同热处理制度制备微晶玻璃样品。研究热处理制度中四大影响因素（形核温度、形核时间、析晶温度、析晶时间）对微晶玻璃烧结致密度、介电性能、热学性能的影响。提高形核温度能增大微晶玻璃烧结致密度,对微晶玻璃介电性能（1MHz）影响较小,形核温度为750℃时,微晶玻璃具有最大的热膨胀系数（4.93×10-6K-1）和最高软化温度（838℃）;形核时间对微晶玻璃烧结致密度和介电常数影响甚微,形核时间为60min时,微晶玻璃具有最大热膨胀系数（4.93×10-6K-1）,形核时间为90min时,微晶玻璃具有最高软化点温度（840℃）;微晶玻璃热膨胀系数随析晶温度上升而增大,析晶温度为950℃时,微晶玻璃烧结致密度出现最大值（98.85%）,并具有最高介电常数（5）和最高软化点温度（838℃）;析晶时间对微晶玻璃的烧结致密度影响甚微,随析晶时间延长,微晶玻璃介电常数降低,热膨胀系数增大,析晶时间为60min时具有最高软化温度（838℃）。选择三种氧化物P2O5、ZrO2和Yb2O3作为MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃的添加物,通过研究加入这些氧化物的微晶玻璃析晶特性、析出晶相种类和晶粒形貌等判断该氧化物的形核能力。这三种氧化物对微晶玻璃的析晶速率值影响均较小;P2O5能促进玻璃分相,从而促进玻璃中晶相的析出,并能降低MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃中堇青石相析出温度;ZrO2和Yb2O3对玻璃中晶相的析出稍有抑制作用;在微晶玻璃中添加P2O5和ZrO2明显降低材料抗弯强度,添加量较多时（6wt% P2O5,4wt% ZrO2）材料的介电常数和介质损耗急剧增大;Yb2O3能增强微晶玻璃抗弯强度,介电性能对Yb2O3保持稳定。基于同族元素性质的周期变化性,并根据氧化物对玻璃性质的作用原理,选择碱土金属氧化物MgO、CaO、SrO和BaO作原料,制备含相同摩尔量碱土金属离子的RO-Al2O3-SiO2微晶玻璃。研究不同周期碱土金属离子对微晶玻璃析晶特性、烧结温度范围及各项物理性能的影响。实验结果表明,微晶玻璃的晶体生长速率随碱土金属元素周期数增加先减小后增大;950℃热处理1h后微晶玻璃抗弯强度随周期数增加先减小后增大,热处理时间延长至24h后,四种微晶玻璃抗弯强度值趋于相近;随周期数增加微晶玻璃的介电常数增大,热膨胀系数增大;随热处理时间延长,微晶玻璃的介电常数减小,热膨胀系数增大。制备MgO-Al2O3-SiO2微晶玻璃流延浆料,研究各种因素,包括玻璃粉体粒径大小、粉体固含量、粘结剂用量、粘结剂/增塑剂含量比值（R）大小和分散剂含量对浆料流变特性的影响。当玻璃粉体粒径D50为2.23μm ,固含量为2025vol%,粘结剂含量为15.519 vol%,R值为0.65,分散剂用量为玻璃粉体质量的2%时可获得最佳流变特性的流延浆料。通过流延成型工艺制备MgO-Al2O3-SiO2微晶玻璃生带,研究烧结前后生带性能影响因素,利用拉伸实验测量烧结前生带的强度和韧性,通过测量烧结后生带的密度和收缩率判断其烧结特性。实验结果表明,适当增加生带中粘结剂含量,选择合适的R值,并选用粒径较小的玻璃粉可提高烧结前生带的综合性能;减少粘结剂用量、选择适当的增塑剂含量,并选用粒径较大的玻璃粉则有利于获得烧结特性优良的生带。生带是一种有机高分子/陶瓷柔性复合膜,利用其性状及中间体特性可拓展其应用领域。本文在拓展生带技术应用领域做了探索性研究,包括制备曲面金属/微晶玻璃层状复合材料、用超细银粉与玻璃粉的混合物制备电阻生带以在LTCC技术中替代电阻浆料等。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 LTCC 技术
  • 1.1.1 LTCC 技术简介
  • 1.1.2 LTCC 技术优势
  • 1.1.3 LTCC 基板技术
  • 1.1.4 低温共烧陶瓷（LTCC）技术的应用
  • 1.2 LTCC 基板材料
  • 1.2.1 LTCC 技术对基板材料的要求
  • 1.2.2 LTCC 基板材料低温烧结的实现
  • 1.2.3 LTCC 基板材料分类
  • 1.2.4 几种重要LTCC 基板材料
  • 2O3-SiO2 系微晶玻璃'>1.3 MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃
  • 2O3-SiO2系微晶玻璃'>1.3.1 MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃
  • 1.3.2 国内外研究现状
  • 1.4 流延工艺
  • 1.4.1 流延工艺简介
  • 1.4.2 流延溶剂体系
  • 1.4.3 流延生带性能的影响因素
  • 1.5 本课题提出的意义和主要研究内容
  • 第二章 实验
  • 2.1 玻璃粉体的制备
  • 2.1.1 玻璃熔制
  • 2.1.2 玻璃粉体制备
  • 2.2 块状样品的制备
  • 2.2.1 造粒
  • 2.2.2 压坯
  • 2.3 微晶玻璃的烧结
  • 2.3.1 排胶
  • 2.3.2 形核
  • 2.3.3 析晶
  • 2.4 流延成型
  • 2.4.1 浆料制备
  • 2.4.2 流延
  • 2.5 分析与测试
  • 2.5.1 粉体测试
  • 2.5.2 微晶玻璃性能测试和表征
  • 2.5.3 流延浆料性能测试
  • 2.5.4 生带性能测试
  • 2O3-SiO2系微晶玻璃的制备与性能'>第三章 低温烧结MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃的制备与性能
  • 3.1 引言
  • 2O3-SiO2 系微晶玻璃析晶特性'>3.2 MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃析晶特性
  • 3.2.1 组分的影响
  • 3.2.2 玻璃熔融温度的影响
  • 3.2.3 玻璃状态的影响
  • 3.2.4 粉体粒径的影响
  • 2O3-SiO2 微晶玻璃性能'>3.2.5 计量比MgO-A12O3-SiO2微晶玻璃性能
  • 2O3-SiO2 系微晶玻璃的烧结致密化'>3.3 MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃的烧结致密化
  • 2O3-SiO2 系微晶玻璃的介电性能'>3.4 MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃的介电性能
  • 2O3-SiO2 系微晶玻璃的热学性能'>3.5 MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃的热学性能
  • 3.6 小结
  • 2O3-SiO2系微晶玻璃性能的影响'>第四章 形核剂对MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃性能的影响
  • 4.1 引言
  • 2O5对MgO-A12O3-SiO2 系微晶玻璃性能的影响'>4.2 P2O5对MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃性能的影响
  • 4.2.1 P 系列微晶玻璃析晶特性
  • 4.2.2 P 系列微晶玻璃晶相分析
  • 4.2.3 P 系列微晶玻璃物理性能
  • 2对MgO-A12O3-SiO2 系微晶玻璃性能的影响'>4.3 ZrO2对MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃性能的影响
  • 4.3.1 Zr 系列微晶玻璃析晶特性
  • 4.3.2 Zr 系列微晶玻璃晶相分析
  • 4.3.3 Zr 系列微晶玻璃物理性能
  • 2O3对MgO-A12O3-SiO2 系微晶玻璃性能的影响'>4.4 Yb2O3对MgO-A12O3-SiO2系微晶玻璃性能的影响
  • 4.4.1 Yb 系列微晶玻璃析晶特性
  • 4.4.2 Yb 系列微晶玻璃晶相分析
  • 4.4.3 Yb 系列微晶玻璃物理性能
  • 4.5 小结
  • 第五章 不同周期碱土金属离子对微晶玻璃性能的影响
  • 5.1 引言
  • 5.2 不同碱土金属离子对微晶玻璃析晶特性的影响
  • 5.3 不同周期碱土金属离子对微晶玻璃物理性能的影响
  • 5.3.1 碱土金属离子对微晶玻璃力学性能的影响
  • 5.3.2 碱土金属离子对微晶玻璃介电性能的影响
  • 5.3.3 碱土金属离子对微晶玻璃热膨胀系数的影响
  • 5.4 小结
  • 第六章 微晶玻璃的流延成型及生带技术的应用
  • 6.1 引言
  • 6.2 流延浆料的性能影响因素
  • 6.2.1 玻璃粉体性质对浆料流变特性的影响
  • 6.2.2 固含量对浆料流变特性的影响
  • 6.2.3 粘结剂含量对浆料流变特性的影响
  • 6.2.4 增塑剂对浆料流变特性的影响
  • 6.2.5 分散剂含量对浆料分散稳定性的影响
  • 6.3 流延生带的性能影响因素
  • 6.3.1 生带的拉伸性能
  • 6.3.2 生带烧结特性
  • 2O3-SiO2生带综合性能'>6.3.3 MgO-A12O3-SiO2生带综合性能
  • 6.4 金属/微晶玻璃层状复合材料的制备
  • 6.4.1 与不锈钢相适应的微晶玻璃研制
  • 6.4.2 金属/微晶玻璃复合材料制备
  • 6.5 生带技术应用
  • 6.5.1 异型金属表面绝缘化
  • 6.5.2 电阻生带
  • 6.6 小结
  • 结论
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果

    • 相关论文文献

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