本發(fā)明屬于電子陶瓷封裝材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及高密度封裝材料，具體提供一種高密度封裝用高熱膨脹系數(shù)陶瓷材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

由于電子信息產(chǎn)業(yè)推動(dòng)著集成電路系統(tǒng)不斷朝著高密度化、超大規(guī)模化和多功能化的方向發(fā)展，這使得電子封裝技術(shù)成為芯片制造技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)中獨(dú)立而又不可或缺的技術(shù)體系。電子封裝材料在封裝技術(shù)中又起到至關(guān)重要的作業(yè)，其主要對(duì)芯片提供機(jī)械支持、電氣連接、散熱防潮、應(yīng)力緩和等物理保護(hù)作用。而這些功能的實(shí)現(xiàn)，都依賴于電子封裝材料的綜合性能。因?yàn)樘沾煞庋b材料由于其在電、熱、機(jī)械特性等方面性能穩(wěn)定，而且其性能可以通過改變其化學(xué)成分和調(diào)整工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以在目前的高端芯片制造中大多采用最先進(jìn)的多層陶瓷球柵陣列封裝技術(shù)。

傳統(tǒng)的Al₂O₃、AIN、BeO和SiC等陶瓷封裝材料，由于工藝溫度高，成型能力弱等問題，無(wú)法滿足高密度封裝技術(shù)的發(fā)展需求，因此出現(xiàn)了低溫共燒陶瓷(LTCC)材料。目前，低溫共燒陶瓷(LTCC)材料的研發(fā)已成為電子封裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，而LTCC技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于微波、射頻等器件的單芯片或組件的封裝，在無(wú)線通信領(lǐng)域起著極為重要的作用。目前，高密度封裝廣泛采用多層陶瓷球柵陣列封裝結(jié)構(gòu)，而將LTCC模塊用植球技術(shù)封裝在PCB板上存在熱失配等問題。對(duì)于陶瓷封裝材料而言，因?yàn)楦呙芏确庋b的需求，這類材料通常需要介電常數(shù)低，損耗小，機(jī)械性能優(yōu)異以及高熱膨脹系數(shù)以實(shí)現(xiàn)基板和金屬涂層的熱匹配。但是，目前的陶瓷封裝材料仍然普遍存在機(jī)械強(qiáng)度低，熱膨脹偏小等缺點(diǎn)，所以開發(fā)具有高熱膨脹系數(shù)高強(qiáng)度的LTCC材料迫在眉睫。

如公開號(hào)為：CN 1002898027B、發(fā)明名稱為“電子元器件封裝材料用陶瓷粉及其生產(chǎn)方法”的專利中公開了一種陶瓷粉的制備方法，該陶瓷包括45wt％的含BaO、B₂O₃、SiO₂、Al₂O₃的復(fù)合氧化物及55wt％的石英粉，其抗彎強(qiáng)度為150～175MPa。而在申請(qǐng)?zhí)枮椋?01610365136.1、發(fā)明名稱為“一種高熱膨脹系數(shù)陶瓷材料及其制備方法”的專利中公開了一種鈣硼硅玻璃為主的電子封裝陶瓷材料，其配方采用35～85wt％組成為CaO、B₂O₃、SiO₂、Al₂O₃的鈣硼硅復(fù)合氧化物及15～65wt％石英砂，所得陶瓷材料以硅灰石、石英成為主晶相，熱膨脹系數(shù)(CTE)為8.5～12.5ppm/℃，與PCB板(熱膨脹系數(shù)12～18ppm/℃)相比依然較低，仍然不能有效的解決熱失陪問題；此外，上述兩份專利文件中材料的制備過程復(fù)雜，分為復(fù)合氧化物和陶瓷粉的合成兩步完成。

對(duì)于大規(guī)模集成電路高密度封裝材料的研究，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家走在世界前列。美國(guó)康寧公司的名稱為“高膨脹環(huán)硅酸鹽玻璃-陶瓷”(CN 101421199B)的專利公開了一種玻璃陶瓷的制備方法，其包含(以重量百分比計(jì))30～55％SiO₂、5～40％CaO、0～50％BaO、0～40％SrO和0.1～10％Al₂O₃。其熔制溫度高達(dá)1450-1650℃，不但耗能巨大，且對(duì)耐火材料要求高，成分中易揮發(fā)物質(zhì)在熔融過程中的損耗難以控制，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。該玻璃陶瓷熱膨脹系數(shù)為8.5～11.5ppm/℃，相對(duì)PCB板而言依然較低，也未注明材料的介電性能和力學(xué)性能。其作用主要是作為密封劑和金屬、金屬合金及陶瓷的高性能涂層，故其并不適用于高密度封裝。

基于此，目前需要研究出一種應(yīng)用于高密度封裝的高熱膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料，在有效解決熱失配問題的同時(shí)，具備優(yōu)異的機(jī)械性能、介電性能等，以滿足高密度封裝技術(shù)的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述背景技術(shù)中的弊端，提供一種高密度封裝用高熱膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料及其制備方法；該高熱膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料介電常數(shù)小、損耗低，熱膨脹系數(shù)與PCB板相匹配，抗彎強(qiáng)度高，材料性能穩(wěn)定。此外，其制備工藝簡(jiǎn)單成熟、節(jié)能高效，符合工業(yè)化生產(chǎn)的要求，便于批量生產(chǎn)以及推廣應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

高密度封裝用高熱膨脹系數(shù)陶瓷材料，其特征在于，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述陶瓷材料的組分包括：SiO₂：55～70wt％，BaO：20～30wt％，B₂O₃：5～10wt％，Al₂O₃：2～5wt％，Y₂O₃：0.1～1wt％，及CrO₂與ZrO₂混合物：1～3wt％。

進(jìn)一步的，所述CrO₂與ZrO₂混合物為兩者任意比例的混合物。

上述高密度封裝用高熱膨脹系數(shù)陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：以氫氧化鋇、硼酸、二氧化硅、氫氧化鋁、氫氧化鋯、氧化釔、氧化鉻為原料，按配方進(jìn)行配料；

步驟2：將步驟1中各原料混合均勻，經(jīng)球磨、烘干、過篩后得到干燥粉體；

步驟3：將步驟2所得干燥粉體置于650～750℃下預(yù)燒1～3小時(shí)得到預(yù)燒料；

步驟4：將步驟3所得預(yù)燒料進(jìn)行造粒，干壓成型；

步驟5：將步驟4中干壓成型樣品經(jīng)排膠處理后，于800～950℃下燒結(jié)1～3小時(shí)，自然冷卻后即得到高熱膨脹系數(shù)陶瓷材料。

上述制備過程中采用低溫共燒，工藝簡(jiǎn)潔成熟，節(jié)能環(huán)保，所制備材料性能穩(wěn)定。本發(fā)明制備的高膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料介電性能優(yōu)良，介電常數(shù)小(5～6)，損耗低(tanδ<4.0×10^-3)，熱膨脹系數(shù)為12～15ppm/℃，抗彎強(qiáng)度高達(dá)170～240MPa，楊氏模量為50～70GPa,為數(shù)字、模擬、微波、射頻等器件的單芯片或組件的高密度封裝提供了更好的解決方案。

綜上，本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明的高熱膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料熱膨脹系數(shù)為12～15ppm/℃，與PCB板熱膨脹系數(shù)(12～18ppm/℃)相匹配；抗彎強(qiáng)度高達(dá)170～240MPa，楊氏模量為50～70GPa，力學(xué)性能優(yōu)異，能夠完全克服熱失配等問題；同時(shí)，材料介電常數(shù)小(5～6)、損耗低(tanδ<4.0×10^-3)，性能穩(wěn)定，能夠滿足高密度封裝的需求；

2、本發(fā)明提供制備工藝簡(jiǎn)單成熟、節(jié)能高效，符合工業(yè)化生產(chǎn)的要求，便于批量生產(chǎn)以及推廣應(yīng)用；

3、本發(fā)明除上述用于高密度封裝領(lǐng)域外，也可以應(yīng)用于材料封接領(lǐng)域，如固體氧化物燃料電池，真空電子管的制造等。

附圖說明

圖1為實(shí)施例3所制備的高熱膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料的XRD衍射分析圖。

圖2為實(shí)施例3所制備的高熱膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料的斷面掃描電鏡SEM圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述。

表1為本發(fā)明實(shí)施例1～5具有高膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料各組分實(shí)際配比和制備工藝，表2為本發(fā)明實(shí)施例1～5的各項(xiàng)性能；其中實(shí)施例3制備得高熱膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料的XRD衍射分析圖和斷面掃描電鏡SEM圖如圖1、圖2所示。

高密度封裝用高熱膨脹系數(shù)陶瓷材料具體制備過程如下：

步驟1：以氫氧化鋇、硼酸、二氧化硅、氫氧化鋁、氫氧化鋯、氧化釔、氧化鉻為原料，按表1中具體實(shí)施例的所述配方進(jìn)行配料；

步驟2：將步驟1中各原料混合均勻，經(jīng)球磨、烘干、過篩后得到干燥粉體；

步驟3：由步驟2所得干燥粉體置于650～750℃下預(yù)燒1～3小時(shí)得到預(yù)燒料；

步驟4：由步驟3所得預(yù)燒料進(jìn)行造粒，干壓成型；

步驟5：將步驟4中干壓成型樣品經(jīng)排膠處理后，于800～950℃下燒結(jié)1～3小時(shí)，自然冷卻后即得到高熱膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料，測(cè)試結(jié)果如表2。

表1

表2

以上所述，僅是本發(fā)明一種高膨脹系數(shù)低溫共燒陶瓷材料及其制備方法的有限實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何修改或等同變化，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。