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LTCC基板用玻璃陶瓷材料的制备及性能

作　者: 唐林江
导　师: 陈国华
学　校: 桂林电子科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 低温共烧玻璃陶瓷相组成微结构晶化性能流延成型
分类号: TQ174.75
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

根据最近国内外低温共烧陶瓷材料（LTCC）的研究进展和电子封装技术对LTCC材料的要求，本文采用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、差热分析仪（DTA）、阻抗分析仪、热膨胀系数仪等分析仪器，系统研究了CaO-B₂O₃-SiO₂（简称CBS）玻璃/陶瓷复合材料和CaO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃（简称CASB）微晶玻璃的组成和烧结特性、晶化、微结构、介电性能、热膨胀特性、显微硬度等的内在关系；针对CASB玻璃流延成型的浆料及工艺进行了初步探讨。结果如下：系统研究了CBS玻璃/堇青石（或硅灰石）复合材料的组成对性能的影响。CBS玻璃/堇青石复合材料的介电常数和热膨胀系数随堇青石陶瓷含量的增加而减小，显微硬度随堇青石陶瓷含量的增加而增加。堇青石的加入抑制了CBS玻璃中石英的析出。钙长石数量随堇青石含量和烧结温度的增加而增加，没有恶化材料的物理性能。CBS玻璃/硅灰石复合材料的介电常数随硅灰石含量的增加而稍微减小，显微硬度随硅灰石含量的增加而增加。硅灰石的加入改变了CBS玻璃的组成，抑制了方石英和钙硼石的析出，有利于生成硅灰石相。低温烧结（≤1000℃）成功制备出CBS玻璃/堇青石（硅灰石）陶瓷复合材料。其相对密度、介电常数、介电损耗和热膨胀系数分别为96％、5-6、0.15％-0.4％和4.21-7.25×10^-6/℃。系统研究了玻璃组成对CASB玻璃析晶性能的影响，引入了k（T）判据判断各氧化物对玻璃析晶特性的影响：随着CaO/Al₂O₃比的增加，CASB玻璃转变温度和析晶放热峰温度逐渐降低，而且析晶放热峰变得尖锐；降低了玻璃的析晶活化能，增大了析晶速率常数k（T），有利于玻璃的析晶，并促进了硅酸钙的析出。在CaO/Al₂O₃不变的基础上，随SiO₂量的增加，CASB玻璃转变温度和析晶放热峰温度移向高温，使玻璃的析晶困难，但降低了热膨胀系数和介电常数。随着SiO₂/CaO比增大，析晶峰变得平缓，析晶放热峰温度逐渐升高，增加了玻璃的析晶活化能，降低了析晶速率常数k（T）。SiO₂/CaO不变的基础上，随Al₂O₃量的增加，烧结温度降低，促进了莫来石的析出。所研究的以钙长石为主晶相的CASB微晶玻璃具有低烧温度（900-1000℃）、适中的介电常数（6.9-7.5）、低介电损耗（≤0.1%）、小的介电常数温度稳定性(66-113×10^-6/℃)和低的热膨胀系数(3.8-4.5×10^-6/℃)，有望用于电子封装领域。研究各种有机添加剂（如溶剂、分散剂、粘结剂和增塑剂）在流延浆料中的作用、机理及选择原则。选定合理的溶剂为甲基乙基酮/乙醇共沸溶剂，分散剂为磷酸三丁酷，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛（PVB），增塑剂为邻苯二甲酸二丁脂（DBP）。研究了增塑剂/粘接剂之比（R）对流延浆料的性能的影响。流延浆料的最佳配比为：玻璃粉体100g(玻璃粉体粒径D₅₀为约2μm)，R为0.6,分散剂为3g,粘结剂为18g,增塑剂为10.8g,溶剂含量为140-180g。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章文献综述  9-23
  1.1 低温共烧(LTCC)材料的概况  9-10
  1.2 低温共烧基板(LTCC)技术的特点  10-11
  1.3 LTCC技术的应用领域  11-12
  1.4 低温共烧陶瓷基板材料的种类  12-15
    1.4.1 微晶玻璃体系  12-14
    1.4.2 玻璃/陶瓷体系  14-15
  1.5 微晶玻璃的制备方法  15-17
    1.5.1 熔融法  15-16
    1.5.2 烧结法  16-17
    1.5.3 溶胶-凝胶法  17
  1.6 流延成型工艺  17-21
    1.6.1 流延成型工艺简介  17-18
    1.6.2 流延成型工艺流程  18
    1.6.3 流延浆料的稳定机理  18-20
    1.6.4 浆料稳定分散的表征  20-21
  1.7 本课题研究的出发点与研究内容  21-23
第二章实验过程及分析测试方法  23-27
  2.1 实验采用的主要原料  23
  2.2 实验所用设备  23-24
  2.3 玻璃的制备  24
  2.4 块体样品的制备  24
  2.5 流延生片的制备  24
  2.6 样品的测试分析  24-27
第三章 CBS玻璃/陶瓷复合材料的制备与性能研究  27-40
  3.1 引言  27
  3.2 CBS玻璃/堇青石复合材料的制备与性能研究  27-34
    3.2.1 CBS玻璃的制备  27
    3.2.2 堇青石陶瓷粉体的制备  27-28
    3.2.3 CBS玻璃/堇青石陶瓷复合材料的制备  28
    3.2.4 玻璃含量和烧结温度对烧结性能的影响  28-30
    3.2.5 复合材料的相组成和微观结构  30-32
    3.2.6 复合材料的物理性能  32-33
    3.2.7 复合材料介电性能的频率特性  33-34
  3.3 CBS玻璃/硅灰石复合材料的制备与性能研究  34-39
    3.3.1 硅灰石陶瓷粉体的制备  34
    3.3.2 CBS玻璃/硅灰石陶瓷复合材料的制备  34-35
    3.3.3 CBS玻璃/硅灰石复合材料的烧结特性  35-36
    3.3.4 复合材料的相组成  36
    3.3.5 复合材料的微观结构  36-37
    3.3.6 复合材料的物理性能  37-38
    3.3.7 复合材料的介电性能的频率特性  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章 CaO-Al_2O_3-SiO_2-B_2O_3(CASB)系微晶玻璃的制备及性能研究  40-55
  4.1 引言  40
  4.2 CASB微晶玻璃的制备及性能测试  40-41
  4.3 CaO/Al_2O_3比对CASB微晶玻璃性能的影响  41-48
    4.3.1 CaO/Al_2O_3比对CASB玻璃晶化特性的影响  42-46
    4.3.2 CaO/Al_2O_3比对CASB玻璃烧结特性的影响  46-47
    4.3.3 CaO/Al_2O_3比对CASB样品性能的影响  47-48
  4.4 SiO_2/CaO比对CASB微晶玻璃性能的影响  48-54
    4.4.1 SiO_2/CaO比对玻璃的晶化特性的影响  48-50
    4.4.2 SiO_2/CaO比对玻璃的烧结特性的影响  50-51
    4.4.3 SiO_2/CaO比对烧结样品的性能的影响  51-52
    4.4.4 CASB微晶玻璃的频率和温度特性  52-54
  4.5 本章小结  54-55
第五章流延浆料的制备及其性能研究  55-68
  5.1 引言  55
  5.2 流延组分的设计  55-60
    5.2.1 流延浆料对粉体的要求  55-56
    5.2.2 溶剂的选择  56-57
    5.2.3 分散剂的选择  57-59
    5.2.4 粘接剂和增塑剂的选择  59-60
  5.3 流延生带制备工艺的确定  60-61
  5.4 实验结果分析  61-64
    5.4.1 浆料的流变性  61
    5.4.2 粘结剂含量对浆料流变性能的影响  61-62
    5.4.3 增塑剂含量对浆料流变性能的影响  62-63
    5.4.4 溶剂含量对浆料流变性能的影响  63-64
  5.5 流延生带的制备工艺参数  64
  5.6 流延生带的排胶烧结工艺的制定  64-65
  5.7 流延生带在烧结后的形貌及性能  65-66
  5.8 本章小结  66-68
第六章总结  68-70
参考文献  70-78
致谢  78-79
作者在攻读硕士期间主要研究成果  79

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