專利名稱：高頻低損耗低溫共燒陶瓷生料帶及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高頻低損耗低溫共燒陶瓷生料帶及其制備方法，屬于陶瓷材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
低溫共燒陶瓷(LTCC，Low Temperature Co-fired Ceramics的縮寫)最初是在1982年由休斯公司開發(fā)的新材料技術(shù)，用于實現(xiàn)高集成度、高性能電子封裝技術(shù)方面。在設(shè)計靈活性、布線密度和可靠性方面提供了巨大的潛能。與1600℃高溫共燒陶瓷用高熔點低電導(dǎo)率布線的金屬鎢、錳、鉬相比，LTCC則是采用熔點低電導(dǎo)率高的銀、銅等，不僅價格便宜很多，而且采用銀元素布線，燒結(jié)過程不會被氧化，無需氣氛保護，同時LTCC基片組成可變，可獲得不同電氣與物理性能的材料，如介電常數(shù)、熱膨脹系數(shù)等可以調(diào)整。因此研究能與銀或銅低溫共燒且適合高頻使用的微波介質(zhì)材料，是備受關(guān)注的熱點課題之一。近年來國內(nèi)外微電子電路中廣泛采用LTCC技術(shù)，它是將適合低溫?zé)Y(jié)的玻璃陶瓷粉料，與有機溶劑、粘合劑等混合配成懸浮漿料，用流延工藝制備生料帶。以生料帶為多層微電路基片的基礎(chǔ)材料，在生料帶上打孔、導(dǎo)體漿料印刷等工藝制成電路圖形，并將多個無源元件埋入其中，疊壓在一起，在低溫下一次性完成玻璃陶瓷料與金屬電路等的共同燒結(jié)，制成無源集成組件。總之，LTCC是目前無源集成的主流技術(shù)，利用該技術(shù)可成功制造出各種高技術(shù)微電子產(chǎn)品。
多年來，世界上以美國為代表的少數(shù)國家對LTCC材料進行了深入的研究，在高頻微電路領(lǐng)域中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。但是他們研制的產(chǎn)品在燒結(jié)時往往產(chǎn)生大量的液相，只能使用價格昂貴的石英板作為承燒板，且在局部處容易出現(xiàn)粘接石英墊板而造成基片與石英墊板報廢。我國在LTCC材料制造技術(shù)方面研究起步較晚，近年來我國對這方面的研究非常重視，取得了較為明顯的進展。但主要也都還是處于實驗室研制階段，真正具有知識產(chǎn)權(quán)的成果幾乎是空白。尤其在CaO-B2O3-SiO2體系方面，介電常數(shù)比較單一且對于體系的流延制備生料帶的研究甚少，沒有真正落實到實際應(yīng)用當(dāng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于改進了高頻微電路材料領(lǐng)域的技術(shù)缺陷，提供一種高頻低介低損耗、低溫?zé)Y(jié)的LTCC生料帶。本發(fā)明的另一目的是提供上述生料帶的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案為一種高頻低損耗低溫共燒陶瓷生料帶，其特征在于其原料組份和各組份占原料總量的重量百分比分別為無機玻璃陶瓷料40～60％，有機流延體系30～70％。
其中無機玻璃陶瓷料由鈣硅硼系玻璃陶瓷、硼硅酸鹽系玻璃陶瓷和成核劑組成；其中鈣硅硼系玻璃陶瓷占無機玻璃陶瓷料總重量的46～90％、硼硅酸鹽系玻璃陶瓷占無機玻璃陶瓷料總重量的6～50％，成核劑占無機玻璃陶瓷料總重量的0.5～5％。
上述的鈣硅硼系玻璃陶瓷的各組份和各組份占鈣硅硼系玻璃陶瓷總量的重量百分比分別為CaO 30～50％，SiO230～55％，B2O310～30％；所述的硼硅酸鹽系玻璃陶瓷的各組份和各組份占硼硅酸鹽系玻璃陶瓷總量的重量百分比SiO265～75％，B2O320～30％，Na2O 0.5～3％，K2O 0.5～3％，Li2O 0.5～3％；所述的成核劑為ZrO2和/或TiO2。
上述的有機流延體系由溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑和除泡劑組成，各組分占機流延體系總量的重量百分比分別為溶劑75～85％，分散劑1～5％，粘結(jié)劑3～10％，增塑劑1～5％，除泡劑2～6％。其中溶劑為二甲苯、乙醇和異丙醇，分散劑為蓖麻油，粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛，增塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯，除泡劑為正丁醇和/或乙二醇；其中溶劑中各成分占溶劑總量的重量百分比分別為二甲苯10～30％，乙醇30～50％，異丙醇30～50％。
本發(fā)明還提供了上述高頻低損耗低溫共燒陶瓷生料帶的制備方法，其制備的具體步驟如下A.分別按鈣硅硼稱陶瓷配方稱取CaO、SiO2、B2O3，按硼硅酸鹽玻璃陶瓷配方稱取SiO2、B2O3、Na2O、K2O和Li2O，混合4～8h；B.分別在鉑金坩鍋內(nèi)于1350～1500℃下保溫1～2h使其完全熔融和均勻化，倒入蒸餾水中得到透明碎玻璃；C.分別將所得到的碎玻璃經(jīng)濕法球磨(用瑪瑙球)得到平均粒徑為0.5～2μm的鈣硅硼、硼硅酸鹽玻璃粉末；D.按配比稱取上述所制得的鈣硅硼、硼硅酸鹽玻璃粉末，加入溶劑和分散劑球磨后，加入粘結(jié)劑和增塑劑球磨，再加入除泡劑球磨，經(jīng)真空除泡后流延成型，干燥后得到本發(fā)明的LTCC生料帶。
其中步驟D中加入溶劑和分散劑球磨3～6h，加入粘結(jié)劑和增塑劑球磨3～6h，再加入除泡劑球磨2～4h，干燥溫度為25℃，干燥時間為6～10h。
本發(fā)明對所制備的生料帶進行切片、疊層，并在等靜壓下(30MPa)壓制成型。然后從室溫以1℃/min升溫到450℃保溫2h以保證試樣中的有機物充分排除，然后以7℃/min升溫到850℃保溫15min，對燒結(jié)體的性能進行測試。
有益效果(1)本發(fā)明制備的生料帶表面平整、光滑，單層面積之120×120mm2，單層標(biāo)準(zhǔn)厚度0.127±0.05mm；生料帶抗拉強度≥760N/cm2，繞卷不開裂曲率半徑最小達15mm；生料帶70℃環(huán)境中放置30min，坯體收縮率小于萬分之八。
(2)生料帶的燒結(jié)溫度低，在850℃左右；(3)燒成收縮率5～20％(X、Y軸)、5～20％(Z軸)，能與Au，Ag等低熔點金屬布線共燒，如圖1所示；(4)生料帶燒結(jié)瓷體具有優(yōu)異的介電性能在10GHz，介電常數(shù)低(5～7)，介電損耗＜0.002；(5)生料帶燒結(jié)時可以使用普通廉價的氧化鋁承燒板，節(jié)省了制備成本。燒結(jié)體晶粒細(xì)小、分布均勻，氣孔率低、結(jié)構(gòu)致密，如圖2所示。


圖1為本發(fā)明生料帶與銀電極布線共燒SEM圖。
圖2為本發(fā)明生料帶燒結(jié)體表面化學(xué)腐蝕(2％HF)后的SEM圖。
具體實施例方式
實施例1表1示出本發(fā)明具體實施例1的各成分含量。按質(zhì)量百分比分別稱取CaO(45wt％)、SiO2(30wt％)、B2O3(25wt％)和SiO2(71wt％)、B2O3(26wt％)、Na2O(0.5wt％)、K2O(1wt％)、Li2O(1.5wt％)，分別經(jīng)8h混勻后，在鉑金坩鍋內(nèi)于1500℃下保溫2h使其完全熔融和均勻化，倒入蒸餾水中得到透明的鈣硅硼、硼硅酸鹽碎玻璃，將所得到的碎玻璃經(jīng)濕法球磨(玻璃與蒸餾水質(zhì)量比為1∶1，時間為24h)得到平均粒徑為2μm的鈣硅硼、硼硅酸鹽玻璃粉末。按表1的配方進行流延成型干燥后，得到本發(fā)明的生料帶。其中成核劑組成為50wt％TiO2和50wt％ZrO2；溶劑組成為20wt％二甲苯、38wt％乙醇和42wt％異丙醇；除泡劑為50wt％正丁醇和50wt％乙二醇。對生料帶進行切片、疊層，并在等靜壓下(30MPa)壓制成型。然后從室溫以1℃/min升溫到450℃保溫2h以保證試樣中的有機物充分排除，然后以7℃/min升溫到850℃保溫15min。對燒結(jié)體的性能測試如表2所示。
表1高頻低損耗LTCC生料帶材料各組分的含量(wt％)

表2高頻低損耗LTCC生料帶燒結(jié)體的性能

實施例2表3示出本發(fā)明具體實施例2的各成分含量。按質(zhì)量百分比分別稱取CaO(31wt％)、SiO2(39wt％)、B2O3(30wt％)和SiO2(75wt％)、B2O3(21wt％)、Na2O(1wt％)、K2O(1.5wt％)、Li2O(1.5wt％)，分別經(jīng)8h混勻后，在鉑金坩鍋內(nèi)于1500℃下保溫2h使其完全熔融和均勻化，倒入蒸餾水中得到透明的鈣硅硼、硼硅酸鹽碎玻璃，將所得到的碎玻璃經(jīng)濕法球磨(玻璃與蒸餾水質(zhì)量比為1∶1，時間為24h)得到平均粒徑為2μm的鈣硅硼、硼硅酸鹽玻璃粉末。按表3的配方進行流延成型干燥后，得到本發(fā)明的生料帶。其中溶劑組成為15wt％二甲苯、50wt％乙醇和35wt％異丙醇；除泡劑為60wt％正丁醇和40wt％乙二醇。對生料帶進行切片、疊層，并在等靜壓下(30MPa)壓制成型。然后從室溫以1℃/min升溫到450℃保溫2h以保證試樣中的有機物充分排除，然后以7℃/min升溫到850℃保溫15min。對燒結(jié)體的性能測試如表4所示。
表3高頻低損耗LTCC生料帶材料各組分的含量(wt％)

表4高頻低損耗LTCC生料帶燒結(jié)體的性能

權(quán)利要求
1.高頻低損耗低溫共燒陶瓷生料帶，其特征在于其原料組份和各組份占原料總量的重量百分比分別為無機玻璃陶瓷料40～60％，有機流延體系30～70％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生料帶，其特征在于無機玻璃陶瓷料由鈣硅硼系玻璃陶瓷、硼硅酸鹽系玻璃陶瓷和成核劑組成；其中鈣硅硼系玻璃陶瓷占無機玻璃陶瓷料總重量的46～90％、硼硅酸鹽系玻璃陶瓷占無機玻璃陶瓷料總重量的6～50％，成核劑占無機玻璃陶瓷料總重量的0.5～5％。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的生料帶，其特征在于所述的鈣硅硼系玻璃陶瓷的各組份和各組份占鈣硅硼系玻璃陶瓷總量的重量百分比分別為CaO 30～50％，SiO230～55％，B2O310～30％；所述的硼硅酸鹽系玻璃陶瓷的各組份和各組份占硼硅酸鹽系玻璃陶瓷總量的重量百分比SiO265～75％，B2O320～30％，Na2O0.5～3％，K2O 0.5～3％，Li2O 0.5～3％；所述的成核劑為ZrO2和/或TiO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生料帶，其特征在于所述的有機流延體系由溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑和除泡劑組成，各組分占機流延體系總量的重量百分比分別為溶劑75～85％，分散劑1～5％，粘結(jié)劑3～10％，增塑劑1～5％，除泡劑2～6％。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的生料帶，其特征在于所述的溶劑為二甲苯、乙醇和異丙醇，分散劑為蓖麻油，粘結(jié)劑為聚乙烯醇縮丁醛，增塑劑為鄰苯二甲酸二丁酯，除泡劑為正丁醇和/或乙二醇；其中溶劑中各成分占溶劑總量的重量百分比分別為二甲苯10～30％，乙醇30～50％，異丙醇30～50％。
6.一種如權(quán)利要求1所述的高頻低損耗低溫共燒陶瓷生料帶的制備方法，其制備的具體步驟如下A.分別按鈣硅硼稱陶瓷配方稱取CaO、SiO2、B2O3，按硼硅酸鹽玻璃陶瓷配方稱取SiO2、B2O3、Na2O、K2O和Li2O，混合4～8h；B.分別在鉑金坩鍋內(nèi)于1350～1500℃下保溫1～2h使其完全熔融和均勻化，倒入蒸餾水中得到透明碎玻璃；C.分別將所得到的碎玻璃經(jīng)濕法球磨(用瑪瑙球)得到平均粒徑為0.5～2μm的鈣硅硼、硼硅酸鹽玻璃粉末；D.按配比稱取上述所制得的鈣硅硼、硼硅酸鹽玻璃粉末，加入溶劑和分散劑球磨后，加入粘結(jié)劑和增塑劑球磨，再加入除泡劑球磨，經(jīng)真空除泡后流延成型，干燥后得到本發(fā)明的LTCC生料帶。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于加入溶劑和分散劑球磨3～6h，加入粘結(jié)劑和增塑劑球磨3～6h，再加入除泡劑球磨2～4h，干燥溫度為25℃，干燥時間為6～10h。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高頻低損耗低溫共燒陶瓷生料帶及其制備方法，該生料帶由無機玻璃陶瓷料和有機流延體系兩部分組成，其中無機玻璃陶瓷料由鈣硅硼、硼硅酸鹽復(fù)相玻璃陶瓷和成核劑組成；有機流延體系由溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑和除泡劑組成。用本發(fā)明制備127μm的LTCC生料帶表面平整、光滑，繞卷不開裂曲率半徑最小達15mm，生料帶可在850℃左右燒結(jié)，燒結(jié)瓷體介電性能優(yōu)良(ε
文檔編號C04B35/63GK101077835SQ200710024609
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月25日
發(fā)明者周洪慶, 劉敏, 朱?？? 呂安國 申請人:南京工業(yè)大學(xué)