一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于电子陶瓷封装材料领域，提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料及其制备方法，适用于大规模集成电路芯片的陶瓷封装。本发明专利技术中，陶瓷封装材料由以下组分构成：CaO：15～40wt％；SiO2：45～70wt％；B2O3：5～10wt％；Al2O3：2～5wt％；ZrO2+Nd2O3：1～5wt％，其中，ZrO2和Nd2O3任意比例混合。本发明专利技术陶瓷材料热膨胀系数稳定在11～13×10

【技术实现步骤摘要】
一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料及其制备方法
本专利技术属于芯片封装材料领域，涉及一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料及其制备方法，适用于大规模集成电路封装。
技术介绍
大规模集成电路的发展，对于封装提出了小型化、多引脚的要求，陶瓷球栅阵列(CBGA)封装方式能轻松满足这些要求而被广泛应用。但是CBGA封装对于材料的要求很高：1、高的热膨胀系数，与PCB封装相匹配，尽量避免热应力的产生；2、足够高的机械强度，为芯片提供物理支撑；3、优良的介电性能，有利于信号的传输。例如，在公开号为CN102167514A，专利技术名称为为“封装用微晶玻璃陶瓷材料及其制备方法”的专利文献中，其材料配方为：CaO：35～50mol％，B2O3：10～30mol％，SiO2：15～50mol％，ZrO2：0～2mol％，TiO2：0～2mol％；该材料的介电常数偏高，大于6.2，对于封装材料来说，不利于信号的传输。又如公开号为CN104944786A，专利技术名称为“一种低温烧结低介玻璃陶瓷复合封装材料及其制备方法”的专利文献中，其材料由40wt％～62.5wt％的MKBS玻璃和37.5wt％～60wt％的Al2O3复合而成；在性能方面，介电损耗(<4×10-3)偏高，在信号传输时，会产生较大的热损耗；机械强度(～110MPa)低，不利于对于芯片的物理保护。同时，以上专利文献中均未提及热膨胀系数这一关键指标，具有高热膨胀系数的封装材料能与PCB板相匹配，尽量避免热不匹配应力的产生。因此，开发出一种高膨胀、高强度、低介、低损耗的陶瓷封装材料势在必行，以满足大规模集成电路封装，尤其是CBGA封装要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的封装材料难以同时满足CBGA封装对于热学、力学及介电性能的要求，提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料及其制备方法，该材料力学性能优良，介电常数低，介电损耗小，且热膨胀系数高(11～13ppm/℃)，很好地满足了大规模集成电路中CBGA封装要求。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，其特征在于：所述陶瓷封装材料由以下组分构成(以质量百分比计)：CaO：15～40wt％；SiO2：45～70wt％；B2O3：5～10wt％；Al2O3：2～5wt％；ZrO2+Nd2O3：1～5wt％，其中，ZrO2和Nd2O3任意比例混合。进一步的，所述陶瓷封装材料的热膨胀系数为11～13×10-6/℃，抗弯强度为150～210MPa，杨氏模量为60～80GPa，介电常数为5.0～5.5@1MHz、5.6～5.8@1～10GHz，介电损耗<1.2×10-3@1MHz、<3.8×10-3@1～10GHz。上述高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照配方比例计算CaO、SiO2、B2O3、Al2O3、ZrO2、Nd2O3的原材料质量，称量并混合均匀得到混合料；(2)将所得混合料经球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的粉体；(3)将所得粉体装入坩埚，在电炉中于600～800℃温度下预烧2～3小时；(4)将预烧料再次球磨、烘干、过筛后，得到均匀分散的粉料；(5)将所得粉料进行造粒，压制成型得到胚体；(6)将所得胚体置于电炉，排胶后于900～1000℃下烧结1～2小时，得到高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料。本专利技术的有益效果在于：本专利技术制备的高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料具有高的热膨胀系数(11～13×10-6/℃)，与PCB板有着很好的匹配性，减少了热应力的产生；力学性能优良，抗弯强度高达150～210MPa，杨氏模量60～80GPa，对于芯片能提供很好的物理保护作用；介电性能好，介电常数低至5.0～5.5(1MHz)，介电损耗小于1.2×10-3(1MHz)，减小了信号传输过程中的延迟和热损耗；在微波频率下也能保持好的介电性能，介电常数5.6～5.8(1～10GHz)，介电损耗<3.8×10-3(1～10GHz)。并且原料中不含有毒有害元素，制备方法简单，生产成本低，易于实现大规模生产。综上所述，本专利技术制备的陶瓷材料完全满足芯片CBGA封装的要求。附图说明图1为实施例3的高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料断面SEM图。图2为实施例3的高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料XRD图。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。实施例1本实施例提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，由以下组分构成：CaO：32wt％，SiO2：50wt％，B2O3：10wt％，Al2O3：5wt％，ZrO2+Nd2O3：3wt％；其制备过程为：计算各组分的原材料的实际用量，称量并混料均匀后，经过球磨、烘干、过筛后得到的混合粉体，预烧700℃保温3小时后，再经二次球磨、烘干过筛后，对该粉体材料进行造粒，干压成型，在空气气氛中于970℃烧结并保温1小时后自然冷却得到致密陶瓷样品No.1，其各项性能见表1。实施例2本实施例提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，由以下组分构成：CaO：30wt％，SiO2：54.5wt％，B2O3：8wt％，Al2O3：4wt％，ZrO2+Nd2O3：3.5wt％；其制备过程为：计算各组分的原材料的实际用量，称量并混料均匀后，经过球磨、烘干、过筛后得到的混合粉体，预烧600℃保温2小时后，再经二次球磨、烘干过筛后，对该粉体材料进行造粒，干压成型，在空气气氛中于950℃烧结并保温2小时后自然冷却得到致密陶瓷样品No.2，其各项性能见表1。实施例3本实施例提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，由以下组分构成：CaO：40wt％，SiO2：50wt％，B2O3：5wt％，Al2O3：3wt％，ZrO2+Nd2O3：2wt％；其制备过程为：计算各组分的原材料的实际用量，称量并混料均匀后，经过球磨、烘干、过筛后得到的混合粉体，预烧800℃保温3小时后，再经二次球磨、烘干过筛后，对该粉体材料进行造粒，干压成型，在空气气氛中于930℃烧结并保温1小时后自然冷却得到致密陶瓷样品No.3，其各项性能见表1。实施例4本实施例提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，由以下组分构成：CaO：25wt％，SiO2：60wt％，B2O3：8wt％，Al2O3：5wt％，ZrO2+Nd2O3：2wt％；其制备过程为：计算各组分的原材料的实际用量，称量并混料均匀后，经过球磨、烘干、过筛后得到的混合粉体，预烧700℃保温3小时后，再经二次球磨、烘干过筛后，对该粉体材料进行造粒，干压成型，在空气气氛中于980℃烧结并保温1小时后自然冷却得到致密陶瓷样品No.4，其各项性能见表1。实施例5本实施例提供一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，由以下组分构成：CaO：36wt％，SiO2：50wt％，B2O3：7wt％，Al2O3：4wt％，ZrO2+Nd2O3：3wt％；其制备过程为：计算各组分的原材料的实际用量，称量并混料均匀后，经过球磨、烘干、过筛后得到的混合粉体，预烧800℃保温2小时后，再经二次球磨、烘干过筛后，对该粉体材料进行造粒，干压成型，在空气气氛中于950℃烧结并保温1小时后自然冷却得到致密陶瓷样品No.5，其各项性能见表1。表1以上所述，仅为本专利技术的具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，其特征在于：所述陶瓷封装材料由以下组分构成(以质量百分比计)：CaO：15～40wt％；SiO2：45～70wt％；B2O3：5～10wt％；Al2O3：2～5wt％；ZrO2+Nd2O3：1～5wt％，其中，ZrO2和Nd2O3任意比例混合。

【技术特征摘要】
1.一种高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，其特征在于：所述陶瓷封装材料由以下组分构成(以质量百分比计)：CaO：15～40wt％；SiO2：45～70wt％；B2O3：5～10wt％；Al2O3：2～5wt％；ZrO2+Nd2O3：1～5wt％，其中，ZrO2和Nd2O3任意比例混合。2.按权利要求1所述高热膨胀钙硼硅基陶瓷封装材料，其特征在于，所述陶瓷封装材料的热膨胀系数为11～13×10-6/℃，抗弯强度为150～210MPa，杨氏模量为60～80GPa，介电常数为5.0～5.5@1MHz、5.6～5.8@1～10GHz，介电损耗<1.2×10-3@1MHz、<...

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