一种高热膨胀系数陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于电子陶瓷材料技术领域，涉及用于电子封装用高热膨胀系数陶瓷材料及其制备方法，用以克服现有陶瓷材料存在的热膨胀系数偏低、无法与PCB板进行热匹配、抗弯降低底及热膨胀曲线线性度差的缺陷。本发明专利技术提供高热膨胀系数陶瓷材料，包括以重量百分比计：35～75wt％复合氧化物及25～65wt％石英砂；复合氧化物包括以重量百分比计：CaO：20～65wt％，B2O3：5～15wt％，SiO2：20～55wt％，Al2O3：0～10wt％，ZrO2：0～10wt％，Cr2O3、Co2O3其中一种：0～2wt％。本发明专利技术陶瓷材料在保持优良介电性能的情况下，具有8.5～12.5×10‑6/℃的高热膨胀系数，抗弯强度最高提升至230MPa，以满足大规模集成电路CBGA封装中二级封装的可靠性要求；并具有制备工艺简单、高效环保、制备成本低廉等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子陶瓷材料
，涉及用于电子封装用高热膨胀系数陶瓷材料及其制备方法；该材料尤其适用于制作超大规模集成电路的CBGA封装基板。
技术介绍
在高速发展的微电子技术推动下，电子系统异常迅速地朝着超大规模化、高度集成化、多功能微型化等方向发展。集成电路对芯片封装的要求也日益增高，电子封装技术由最初的双列直插式(DIP)封装发展至阵列式封装，其中球栅阵列(BGA)封装成为主流，而以多层陶瓷基板基础的CBGA封装的技术最为先进。封装材料在电子封装技术中又起到极其重要的作用，对芯片能提供物理保护、电气连接、应力缓和、散热防潮、标准化规格等功能。以上功能的实现，均依赖于电子封装材料的综合性能，在众多电子封装材料中，陶瓷封装材料以其良好的机械、介电及热学性能等优点广泛应用于混合集成电路芯片封装。传统陶瓷封装材料如Al2O3以及高温共烧陶瓷(HTCC)材料，在抗弯强度、热膨胀系数等方面具有优良性能，但其制备温度高(>1500℃)，功耗大，并限制布线材料只能使用Mo、Mn等高电阻率材料，导致集成电路损耗大。而随着电子封装技术发展，出现了低温共烧陶瓷(LTCC)材料，其烧结温度低于1000℃，可使用Ag、Cu等电阻率低的金属进行微细化布线。低温共烧陶瓷(LTCC)材料可分为微晶玻璃、玻璃陶瓷复合材料及非晶玻璃材料，微晶玻璃按基础玻璃组成又可分为硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃及硼酸盐玻璃等多个体系。考虑到基板在与印制电路板(PCB)或铜线焊接的二级封装中温度可达300～600℃，对于多层陶瓷球栅阵列(CBGA)之类的大面积封装，为了避免热失配则需要一种热膨胀系数较高的封装材料，但目前的陶瓷材料产品，仍存在热膨胀系数较低、机械强度不高及热膨胀曲线线性度差等缺点。为解决二级封装中陶瓷封装材料所存在的问题，以钙硼硅玻璃为主的电子封装陶瓷材料也一直处于研究中，在公开号为CN102503137A、名称为“一种钙铝硼硅系玻璃+熔融石英体系低温共烧陶瓷材料及其制备方法”的专利中公开了一种钙硼硅系玻璃+熔融石英体系的材料，它包括钙硼硅低熔点玻璃相和高熔点陶瓷填充相，玻璃相占总量的质量分数为50～70％，其中玻璃相各氧化物摩尔百分含量为18～28％CaO、9～16％Al2O3、49～63％SiO2及8～9％B2O3，该材料熔制温度高达1500-1600℃，造成能耗、生产成本高，且其热膨胀系数(4.7×10-6/℃)过低，容易造成热失配；在美国专利US Patent 5258335中，Ferro公司专利技术了一种低介电常数低温共烧CaO-B2O3-SiO2体系玻璃陶瓷基板材料，其各组分为35～65％CaO、0～50％B2O3和10～65％SiO2，烧结所得玻璃陶瓷介电常数5-5.2(1kHz)较低，热膨胀系数(A6型7×10-6/℃)仍难与PCB板匹配；在公开号为CN104445953A、名称为“一种钙硼硅玻璃基低温共烧陶瓷材料及其制备方法”的专利中公开了一种钙硼硅玻璃基的低温共烧陶瓷材料，成分组成为钙硼硅玻璃40～60重量份、碳化硅5～10重量份、镁橄榄石20～50重量份以及碳纳米管1～3重量份，该陶瓷材料热膨胀系数为4.4×10-6/℃，仍然无法达到热匹配所需要的热膨胀系数。因而，目前需要研究出一种应用于CBGA的二级封装中的高热膨胀陶瓷材料，在满足介电性能的同时又能具备较高的热膨胀系数和抗弯强度，且拥有良好线性度的热膨胀曲线。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对
技术介绍
中陶瓷材料存在热膨胀系数偏低、无法与PCB板进行热匹配、抗弯降低底及热膨胀曲线线性度差的缺陷，提供一种用于电子封装的高热膨胀系数陶瓷材料及其制备方法。该陶瓷材料在保持优良介电性能的情况下，具有8.5～12.5×10-6/℃的高热膨胀系数，抗弯强度最高提升至230MPa，以满足大规模集成电路CBGA封装中二级封装的可靠性要求；并具有制备工艺简单、高效环保、制备成本低廉等特点。为实现上述目的，本专利技术采用含CaO、B2O3、SiO2、Al2O3、ZrO2、Cr2O3、Co2O3相应的原材料按比例混合、球磨后烘干、过筛制成复合氧化物，然后再将该复合氧化物与石英砂按比例湿磨混合、干燥及筛分处理，即得封装材料用陶瓷粉。本专利技术的陶瓷材料中硼硅酸盐可降低其烧结温度并促进石英晶相生长，硅灰石作为主晶相的形成可提高抗弯强度，抗弯强度最高提升至230MPa，并获得线性度良好的热膨胀曲线，解决芯片散热过程中会导致发生封装材料非线性膨胀，进而影响芯片结构的问题；石英晶相的引入提高材料的热膨胀系数，解决CBGA封装芯片与PCB板之间热膨胀系数的匹配问题；通过控制石英晶相的含量可获得热膨胀系数在8.5～12.5×10-6/℃范围。因此，本专利技术的技术方案为：一种高热膨胀系数陶瓷材料，其特征在于，以重量百分比计，其组分包括35～75wt％复合氧化物及25～65wt％石英砂；所述复合氧化物包括以重量百分比计：CaO：20～65wt％，B2O3：5～15wt％，SiO2：20～55wt％，Al2O3：0～10wt％，ZrO2：0～10wt％，Cr2O3、Co2O3其中一种：0～2wt％。上述高热膨胀系数陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：复合氧化物的制备：步骤1-1：将CaO、B2O3、SiO2、Al2O3、ZrO2、Cr2O3、Co2O3按比例计算原材料并进行称量、混合得到混合料；步骤1-2：将步骤1-1所得混合料经球磨、烘干、过筛后，得到干燥粉体；步骤1-3：由步骤1-2所得粉体置于600～800℃下预烧1～4小时，得到复合氧化物粉料；步骤2：高热膨胀系数陶瓷材料的制备：步骤2-1：将复合氧化物、石英砂按比例进行称量、混合，然后经球磨、烘干、过筛后得到高热膨胀系数陶瓷粉料；步骤2-2：将步骤2-1所得粉体进行造粒，经干压成型和排胶处理后得生坯，将生坯于800～1000℃温度下烧结1～3小时后，即得到高热膨胀系数陶瓷材料。本专利技术在配方中采用复合氧化物与石英砂混合的形式，最终烧结制成可用于CBGA封装的高热膨胀系数钙硼硅玻璃-陶瓷材料，该陶瓷材料介电性能优良，介电常数在5.0～6.5，介电损耗＜1.0×10-3，绝缘电阻率＞1.0×108Ω·cm，热膨胀系数为8.5～12.5×10-6/℃，抗弯强度高达150～230MPa，并获得了线性度良好的热膨胀曲线，为制作大规模集成电路的封装提供了更好的解决方案；并且该陶瓷材料的制备工艺简单、高效环保、制备成本低廉，有利于工业化生产。附图说明图1为实施例3所得高热膨胀系数陶瓷材料的XRD衍射分析图。图2为实施例3所得高热膨胀系数陶瓷材料断面的SEM电子显微镜图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。实施例1按重量百分比35wt％CaO、5％wtB2O3、50％wtSiO2、10％wtAl2O3，0％wtCr2O3折算出对应原料Ca(OH)2、H3BO3、H2SiO3、Al(OH)3、Cr2O3的实际用量，准确称量后，球磨、烘干、过筛后得到复合氧化物粉体；将重量百分比65wt％复合氧化物与35wt％石英砂经湿法球磨、烘干、过筛后得到高热膨胀系数陶瓷粉体，经过造粒后在20MPa压制成型，于900℃烧结并保温2小时，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高热膨胀系数陶瓷材料，其特征在于，以重量百分比计，其组分包括35～75wt％复合氧化物及25～65wt％石英砂；所述复合氧化物包括以重量百分比计：

【技术特征摘要】
1.一种高热膨胀系数陶瓷材料，其特征在于，以重量百分比计，其组分包括35～75wt％复合氧化物及25～65wt％石英砂；所述复合氧化物包括以重量百分比计：2.按权利要求1所述高热膨胀系数陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：复合氧化物的制备：步骤1-1：将CaO、B2O3、SiO2、Al2O3、ZrO2、Cr2O3、Co2O3按比例计算原材料并进行称量、混合得到混合料；步骤1-2：将步骤1-1所得混合料经...

【专利技术属性】
技术研发人员：李波，方漪，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51