低膨脹系數(shù)基板材料的性能及機(jī)理研究.pdf

1、隨著技術(shù)的進(jìn)步，微電子器件向著高度集成化、小型化方向發(fā)展，這對(duì)基板材料提出了新的要求。經(jīng)過(guò)多年研究，國(guó)外的一些科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了LTCC基板材料的商用化，但是國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域仍然處于追趕狀態(tài)。因此，制備出滿足LTCC基板要求的材料并研究其機(jī)理，已經(jīng)成為了一個(gè)極為重要的課題。Li2O-Al2O3-SiO2（LAS）和CaO-Al2O3-SiO2（CAS）微晶玻璃具有低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)的特點(diǎn)，具有應(yīng)用于 LTCC基板材料領(lǐng)域的潛力。因此

2、本文采用玻璃熔融法和固相反應(yīng)法分別制備了LAS微晶玻璃和C AS微晶玻璃，并研究了玻璃組成、燒結(jié)制度對(duì)其晶體析出、微觀結(jié)構(gòu)、燒結(jié)及性能的影響，主要獲得了如下成果：
　　一、LAS微晶玻璃
　　1）MgO的添加可以降低微晶玻璃的析晶溫度，有利于致密化燒結(jié)，并能促進(jìn)透輝石晶相析出，并使得材料的抗彎強(qiáng)度由75 MPa提高到155 MPa。通過(guò)調(diào)節(jié)MgO的摻雜量及燒結(jié)制度，可以改變其中的晶相種類和含量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱膨脹系數(shù)可在0.5～

3、4.3×10-6·K-1之間調(diào)節(jié)。
　　2）微晶玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和析晶溫度隨著ZnO含量的增大而降低。過(guò)量的ZnO添加會(huì)導(dǎo)致ZnAl2O4晶相析出。適量添加ZnO會(huì)增大材料密度，有利于材料燒結(jié)致密化，最佳燒結(jié)溫度為800℃，保溫時(shí)間是30 min。由于Zn2+離子半徑大，阻礙堿金屬離子的移動(dòng)，其含量的增大會(huì)使材料的介電損耗降低。微晶玻璃的抗彎強(qiáng)度受到晶相性能的影響，具有較大彈性模量的ZnAl2O4晶相的析出使得材料的抗彎強(qiáng)度增

4、大，同時(shí)由于較大熱膨脹系數(shù)的晶相析出，體系的熱膨脹系數(shù)隨著ZnO含量的增大而升高。
　　3）由于CaO的解聚作用，其含量的增大會(huì)導(dǎo)致體系析晶傾向增大，并促進(jìn)透輝石相析出。CaO的添加會(huì)降低玻璃的粘度，使得液相含量增多，這有利于致密化燒結(jié)。由于析出的透輝石晶相與主晶相的介電常數(shù)相差不大，CaO的添加對(duì)材料的介電常數(shù)影響較小，因此介電常數(shù)主要取決于材料的致密化程度。透輝石含量的增大也會(huì)導(dǎo)致材料熱膨脹系數(shù)的增大。
　　4）利用氧化

5、物摻雜和燒結(jié)制度的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了LAS微晶玻璃熱膨脹系數(shù)在較大范圍內(nèi)可調(diào)。在800℃保溫?zé)Y(jié)30 min的微晶玻璃樣品獲得了最佳的性能：高的抗彎強(qiáng)度（155 MPa），介電常數(shù)較低（7.2），介電損耗較低（2×10-3），低的熱膨脹系數(shù)（3.2×10-6·K-1）。具有這些優(yōu)秀性能的LAS微晶玻璃可以滿足LTCC基板材料的要求。
　　二、LAS微晶玻璃+Al2 O3陶瓷復(fù)合材料
　　文獻(xiàn)指出，在低熱膨脹系數(shù)體系中引入高熱膨脹系

6、數(shù)晶相，會(huì)增大微晶玻璃抗彎強(qiáng)度。出于提高材料抗彎強(qiáng)度的目的，將具有較大熱膨脹系數(shù)的Al2O3陶瓷添加到LAS微晶玻璃中，制備了LAS微晶玻璃+Al2O3陶瓷復(fù)合材料。由于來(lái)源于玻璃的液相對(duì)致密化燒結(jié)有利，玻璃的減少會(huì)增大材料的析晶溫度，使得燒結(jié)溫度增大。Al2O3陶瓷含量的增大會(huì)導(dǎo)致具有大介電常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的Al2O3晶相的析出，并使得材料的抗彎強(qiáng)度、介電常數(shù)和熱膨脹系數(shù)均出現(xiàn)增大。Al2O3含量為20 wt％的材料樣品具有最佳的性能

7、：高的抗彎強(qiáng)度（173 MPa），低的介電常數(shù)（8），低的介電損耗（2.4×10-3），低的熱膨脹系數(shù)（2.9×10-6·K-1），可以滿足 LTCC基板材料的要求。
　　三、C AS微晶玻璃
　　1) Al2O3/SiO2比的增大會(huì)連接玻璃中的斷網(wǎng)，使得析晶變得困難，并降低玻璃的粘度，使得材料的收縮率下降。材料的組成和燒結(jié)制度的變化會(huì)使得體系中的晶相含量和種類發(fā)生變化，從而影響材料的性能。
　　2）調(diào)整氧化物ZnO的

8、添加會(huì)削弱了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低玻璃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和析晶溫度，并導(dǎo)致石英和鈣長(zhǎng)石晶相析出量增大。ZnO增大導(dǎo)致高熱膨脹系數(shù)的晶相析出，使得材料的熱膨脹系數(shù)增大。
　　3）通過(guò)改變玻璃組成和燒結(jié)制度，可以調(diào)節(jié)玻璃中晶相的種類與含量，并獲得不同的性能。在900℃保溫?zé)Y(jié)2 h的CAS微晶玻璃樣品具有最佳的性能：高的抗彎強(qiáng)度（145 MPa），低的介電常數(shù)（5.5），低的介電損耗（3.4×10-3）以及低的熱膨脹系數(shù)（5.3×10-6·

9、K-1），可以滿足LTCC基板材料的要求。
　　四、熱膨脹系數(shù)計(jì)算和析晶動(dòng)力學(xué)的研究
　　1）通過(guò) XRD法測(cè)試微晶玻璃中晶相和玻璃相的含量，并以此計(jì)算材料的熱膨脹系數(shù)，結(jié)果表明，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值大體吻合。這說(shuō)明微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)主要取決于其晶相的熱膨脹系數(shù)，控制晶體析出即可獲得想要的熱膨脹系數(shù)。
　　2）ZnO摻雜使LAS微晶玻璃的析晶活化能由219.5 kJ/mo l降到143.1 kJ/mo l，LAS微晶玻璃的