高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明属于陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

目前，低温共烧陶瓷材料(LTCC)以其优异的介电、热机械及互联特性，已成为新一代无源器件小型化、集成化、多功能化及系统级封装的首选方式，广泛应用在各种微电子器件领域，如计算机主板、高速电路基板、功率电路基板、汽车电子电路基板以及各种封装制品中。5G信息通讯时代的到来，更为LTCC材料的发展带来了前所未有的机遇。然而，电子元器件集成度不断提高造成LTCC基板材料上负载的元器件数量呈倍数增多，这对LTCC基板载荷能力与可靠性提出了非常严苛的要求。具有优异力学性能的LTCC材料对提升LTCC基板载荷能力和可靠性至关重要。

但是，玻璃基体易在低载荷下出现疲劳破损，使得以微晶玻璃或玻璃复相陶瓷复合材料为基础的LTCC材料力学强度(主要指抗弯强度)较低。特别地，微晶玻璃基LTCC材料的抗弯强度甚至不足200MPa，难以满足大规模及超大规模集成电路应用要求。因此，开发高力学强度的微晶玻璃基LTCC材料具有十分重要的现实意义。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的微晶玻璃基LTCC材料力学强度低，抗弯强度低，难以满足大规模及超大规模集成电路应用要求。

解决以上问题及缺陷的难度为：微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料内部存在着不同的微晶态结构和大量的残余液相构成复杂界面层结构，微晶相的种类、含量、形貌及尺寸等微晶态结构特征对材料的性能都起着至关重要的作用。而且由于所有的玻璃基体都容易在低载荷下出现疲劳破损，使得以微晶玻璃或玻璃/陶瓷复相材料为基础的LTCC材料力学强度较低。现目前研究人员主要通过控制LTCC微晶玻璃析出特定形状的晶相(如板条状)来提高微晶玻璃材料力学性能的方法存在着一定的局限性。首先，这种方法可应用范围非常有限，相关研究仅限于少数几种可析出各向异性、力学性能优异的晶体的微晶玻璃材料体系，而且力学性能增强效果也十分有限。现目前，缺乏一种具有高力学强度的低温共烧陶瓷材料。使用高度取向的一维增强材料增强液相助熔机制下的LTCC微晶玻璃材料的研究较少，而且复相材料的力学性能增强机理也尚不清楚。

解决以上问题及缺陷的意义为：无源集成是未来电子元器件发展的趋势，特别是随着5G通讯、人工智能、物联网、新能源汽车等新兴产业的蓬勃发展，为低温共烧陶瓷材料提供了前所未有的发展机遇。但电子产品的小型化迫使电子元器件集成度的不断提高，造成了低温共烧陶瓷基板上负载的元器件数量呈倍数增多，这对基板材料的载荷能力与可靠性提出了非常严苛的要求。因此，如何有效提高低温共烧陶瓷材料的力学强度是全球微电子无源集成产业面临的一大严峻挑战。本发明开发了一种具有高力学强度的微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料，不仅能够满足微电子产业的迫切需求，同时也对高性能低温共烧陶瓷材料的发展起到了较好的推动作用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料及其制备方法。

本发明是这样实现的，一种高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料，所述高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料按照质量分数由80-100％的微晶玻璃主料与0.1-20％的添加剂组成。

进一步，所述微晶玻璃主料由20-50％的CaO、20-50％的SiO

进一步，所述添加剂为SiC晶须。

本发明的另一目的在于提供一种所述高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料的高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料制备方法，所述高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料制备方法包括：

步骤一，按比例称取CaO、SiO

步骤二，将混合均匀的粉料装入铂金坩埚中高温熔炼，将熔炼后的玻璃熔体快速倒入去离子水中淬冷，得到蓬松的乳白色玻璃碎渣；

步骤三，利用破碎机进行玻璃碎渣粗破碎，得到玻璃粗粉；将玻璃粗粉置于氧化锆陶瓷罐中，加入一定比例的去离子水和氧化锆球，湿磨一段时间；

步骤四，将湿磨得到的料浆烘干，过筛，得到微晶玻璃细粉；将得到玻璃细粉与碳化硅晶须粉置于尼龙球磨罐中，均匀混合6-12h；

步骤五，加入聚乙烯醇造粒并在钢模具中成型，制成生坯样品；将成型后的坯体进行焙烧，随炉冷却即得所述高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料。

进一步，所述混料包括；混料6～12h。

进一步，所述高温熔炼包括：于1400℃～1600℃下高温熔炼0.5～2h。

进一步，所述利用破碎机进行玻璃碎渣粗破碎，得到玻璃粗粉包括：利用破碎机将玻璃碎渣粗破碎得到0.2mm的玻璃粗粉。

进一步，步骤三中，所述湿磨包括：湿磨5-20h。

进一步，步骤四中，所述烘干包括：于100-120℃烘箱中进行烘干。

进一步，步骤五中，所述焙烧包括：在825-900℃下焙烧1-4h。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明制备的微晶玻璃LTCC材料烧成收缩率10-15％(X、Y轴)、15-22％(Z轴)；本发明的微晶玻璃烧结体气孔率低、结构致密，密度2.4-2.55g/cm

附图说明

图1是本发明实施例提供的高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的微晶玻璃材料的晶相组成示意图。

图3是本发明实施例提供的微晶玻璃流延生带示意图。

图4是本发明实施例提供的试制的LTCC无源集成微电路模块产品示意图。

图5是本发明实施例提供的本发明制备的微晶玻璃样品示意图。

图6是本发明实施例提供的本发明制备的SiC晶须/微晶玻璃材料样品示意图。

图7是本发明实施例提供的本发明制备的SiC晶须/微晶玻璃材料的抗弯强度示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料及其制备方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料按照质量分数由80-100％的微晶玻璃主料与0.1-20％的添加剂组成。

本发明实施例提供的微晶玻璃主料由20-50％的CaO、20-50％的SiO

本发明实施例提供的添加剂为SiC晶须。

如图1所示，本发明实施例提供的高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料制备方法包括：

S101，按比例称取CaO、SiO

S102，将混合均匀的粉料装入铂金坩埚中，于1400℃～1600℃下高温熔炼0.5～2h，将熔炼后的玻璃熔体快速倒入去离子水中淬冷，得到蓬松的乳白色玻璃碎渣；

S103，用破碎机将玻璃碎渣粗破碎得到0.2mm的玻璃粗粉；将玻璃粗粉置于氧化锆陶瓷罐中，加入一定比例的去离子水和氧化锆球，湿磨5-20h；

S104，将湿磨得到的料浆于100-120℃烘箱中进行烘干，过筛，得到微晶玻璃细粉；将得到玻璃细粉与碳化硅晶须粉置于尼龙球磨罐中，均匀混合6-12h；

S105，加入聚乙烯醇造粒并在钢模具中成型，制成生坯样品；将成型后的坯体在825-900℃下焙烧1-4h，随炉冷却即得所述高抗弯强度微晶玻璃基低温共烧陶瓷材料。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的微晶玻璃材料配方由2部分构成：80-100％微晶玻璃主料+0.1-20％添加剂。

微晶玻璃主料配方：

添加剂：SiC晶须，长度1-50微米，直径0.1-10微米。

微晶玻璃材料制备方法：

A.按设计的微晶玻璃配方分别称取CaO、SiO

B.将均匀混合的粉料装入铂金坩埚中，并于1400℃～1600℃下高温熔炼0.5～2h，将熔炼后的玻璃熔体快速倒入去离子水中淬冷，获得蓬松的乳白色玻璃碎渣；

C.用破碎机将玻璃碎渣粗破碎为0.2mm的玻璃粗粉，然后将玻璃粗粉置于氧化锆陶瓷罐中，加入一定比例的去离子水和氧化锆球，湿磨5-20h。

D.将湿磨得到的料浆于100-120℃烘箱中烘干，然后过筛，得到微晶玻璃细粉；

E.按一定比例将玻璃细粉与碳化硅晶须粉置于尼龙球磨罐中，均匀混合6-12h，然后加入聚乙烯醇(PVA)造粒并在钢模具中成型，制成生坯样品；

F.将成型后的坯体在825-900℃下烧成1-4h，随炉冷却即得本发明的高抗弯强度微晶玻璃材料。

表1微晶玻璃配方中各组分含量(wt％)

表2微晶玻璃配方中各组分含量(wt％)

图5本发明制备的微晶玻璃样品；图6本发明制备的SiC晶须/微晶玻璃材料样品；图7本发明制备的SiC晶须/微晶玻璃材料的抗弯强度。

实施例2，

本发明还提供了一种环境保护型微晶玻璃基低温共烧陶瓷流延生瓷带的制备方法。

S201：首先将所述微晶玻璃粉料(同实施例1中S204步骤后得到的粉料)置于尼龙罐中，加入蒸馏水作为溶剂，以聚乙烯基吡咯烷酮为分散剂，再投入氧化锆球，在行星式球磨机上球磨分散4-12h；之后再向其加入羧甲基纤维素钠作为粘结剂，甘油作为增塑剂，继续混浆12-36h；

S202：取出料浆，置于(-0.05)Mpa-(-0.09)Mpa真空度下搅拌除泡0.5-2h，得流延料浆；

S203：将所述流延料浆倒入流延机的料槽中，选用聚对苯二甲酸乙二醇酯为流延机载带，设置流延机的刮刀刀口间隙为200-250μm，走带速度10-50cm/min，流延成型得到厚度100-120μm的微晶玻璃流延生带(如附图3所示)；

S204：将微晶玻璃流延生带在空气气氛下，自然干燥24小时，裁切成一定形状的微晶玻璃流延生带产品，并加工制成无源集成微电路模块，如附图4所示；

所述流延料浆中，溶剂为蒸馏水，不含任何有机溶剂，环保性好；

所述的添加剂，如聚乙烯基吡咯烷酮分散剂，羧甲基纤维素钠粘结剂，甘油增塑剂均为水溶性的，能够完全溶解于蒸馏水水中并形成均一稳定的料浆；

按重量百分数计，在所述流延料浆中，所述微晶玻璃粉料的占比为50-65％，所述溶剂为25-35％，所述分散剂0.01-0.5％，所述粘接剂0.01-1％，所述增塑剂0.01-1％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。