用于LTCC的微晶玻璃的制备及其性能研究

论文摘要

在混合集成电路技术基础上发展起来的多芯片互联技术对材料提出了更高的要求,低温共烧陶瓷（LTCC）因其集成密度高、高频特性好等独特的优势成为近年来微电子封装界备受瞩目的组件整合技术。CaO-B2O3-SiO2系微晶玻璃是硅灰石型微晶玻璃体系的一种,硅灰石本身的介电常数与介电损耗均较低,因而是用于LTCC最有前途的组成体系之一,在封装材料中有很好的应用前景。本文采用溶胶凝胶法制备了钙硼硅粉体,这种工艺避免了在熔融法和固相法中由于高温熔融时低熔点组元B在高温下挥发而引起的组分偏移;而且溶胶凝胶工艺制备的粉体纯度高、组分均匀。研究了合成过程中溶胶凝胶的水解、聚合机理,以及凝胶在热处理过程中的结构演变。结果表明,在酸性条件下,溶胶至凝胶的反应过程通过亲电取代得以进行,形成了以[SiO4]、[BO3]为基本单位的三维网络结构,Ca2+则均匀的填充在空隙之中。凝胶通过热处理形成了稳定的Si-O-B键,且此时内部结构更加有序,从而使析晶时分子之间调整的间距减小。最佳核化和晶化制度由一系列实验确定,本文确定晶化制度为800900℃×2h,核化制度为680℃×3h。根据CaO-B2O3-SiO2三元相图设计了六个组成,采用预先确定的最佳烧结温度对玻璃粉体经过核化和晶化使之成为微晶玻璃,其主晶相为CaSiO3、CaB2O4,介电常数εr=3.55.5,介电损耗tanδ=0.00090.004,且微晶玻璃的烧结致密化及介电性能与各个组分的含量具有很强的依赖性。Ca是网络外体,适量的Ca是晶相的主要成分,过多的Ca会导致介电损耗的增大;Si和B是网络形成体,过多Si的存在会使烧结温度偏高,而B的存在则会使体系液相增多,促进烧结。因而800900℃之间烧结后组分为40CaO-20B2O3-40SiO2的微晶玻璃具有最优的性能,介电常数εr=4.83,介电损耗tanδ=0.00089。由于微晶玻璃易受到热处理制度的影响,在CaO-B2O3-SiO2体系中添加不同量先行合成的CaSiO3陶瓷相,研究它对CaO-B2O3-SiO2微晶玻璃体系的析晶行为、烧结致密化、微观结构、介电性能等的影响规律。研究表明,CaSiO3在烧结初期中起到诱导、促进析晶的作用,并与CaO-B2O3-SiO2体系中生成的CaSiO3实现了很好的互溶,从而使体系的结构更为紧凑,致密化程度增加。CaSiO3的添加量有个最佳值,当CaSiO3含量为10%时,1MHz下于室温测得的介电常数εr=5.06,介电损耗tanδ=0.00064。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 低温共烧陶瓷（LTCC）简介
• 1.2 LTCC 技术发展及现状
• 1.3 LTCC 材料
• 1.4 用于LTCC 的材料体系
• 1.4.1 玻璃+陶瓷系
• 1.4.2 微晶玻璃系
• 1.4.3 单相陶瓷
• 2O₃-Si0₂ 体系研究进展'>1.5 CaO-B₂O₃-Si0₂体系研究进展
• 2O₃-Si0₂ 体系特点'>1.5.1 CaO-B₂O₃-Si0₂体系特点
• 2O₃-Si0₂ 研究热点'>1.5.2 CaO-B₂O₃-Si0₂研究热点
• 2O₃-Si0₂ 体系国内外研究现状'>1.5.3 CaO-B₂O₃-Si0₂体系国内外研究现状
• 1.6 本论文的研究思路及内容
• 第二章 溶胶凝胶法制备钙硼硅系微晶玻璃及其热处理工艺的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验药品与仪器
• 2.3 制备工艺
• 2.3.1 溶胶凝胶工艺过程
• 2.3.2 溶胶凝胶反应原理
• 2.3.3 溶胶凝胶法制备过程中的主要影响因素
• 2.3.4 微晶玻璃的热处理制度工艺研究
• 2.4 表征方法
• 2.4.1 凝胶和基础玻璃粉体的结构分析
• 2.4.2 凝胶的热学分析
• 2.4.3 凝胶、基础玻璃粉体及微晶玻璃样品的物相分析
• 2.4.4 基础玻璃粉体的微观形貌分析
• 2.4.5 微晶玻璃样品密度测试
• 2.4.6 微晶玻璃样品表观形貌测试
• 2.4.7 微晶玻璃样品介电性能测试
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 溶胶凝胶过程结构演变
• 2.5.2 凝胶的结构演化
• 2.5.3 凝胶的热学分析
• 2.5.4 凝胶的物相分析
• 2.5.5 基础玻璃粉体微观形貌表征
• 2.5.6 微晶玻璃热处理工艺的研究
• 2.6 总结
• 第三章 钙硼硅系微晶玻璃组成设计与性能研究
• 3.1 基体玻璃组成设计
• 3.2 制备工艺
• 3.2.1 实验配方
• 3.2.2 实验工艺
• 3.3 测试方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 物相分析
• 3.4.2 烧结致密化分析
• 3.4.3 显微结构分析
• 3.4.4 介电性能分析
• 3.5 总结
• 第四章 硅灰石陶瓷+钙硼硅系微晶玻璃的研究
• 4.1 引言
• 4.2 制备工艺
• 4.2.1 硅灰石的制备
• 4.2.2 钙硼硅基础玻璃粉体的制备
• 2O₃-Si0₂+CaSi0₃（CBS+CS）的制备'>4.2.3 CaO-B₂O₃-Si0₂+CaSi0₃（CBS+CS）的制备
• 4.3 测试方法
• 4.4 结果与讨论
• 2 热学、物相及结构分析'>4.4.1 CaO+Si0₂热学、物相及结构分析
• 4.4.2 CBS+CS 的物相分析
• 4.4.3 CBS+CS 的烧结致密化分析
• 4.4.4 CBS+CS 的微观形貌分析
• 4.4.5 CBS+CS 的介电性能研究
• 4.5 总结
• 第五章 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文