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低温共烧陶瓷(LTCC)技术的多芯片组件(MCM)具有组装密度高、重量轻、体积小等特点,是实现电子装备高性能和小型化的有效方法之一,在军用电子、航天航空、无线通信等领域具有广泛的应用需求。制约我国LTCC技术应用的关键是LTCC材料,包括基板材料、导体浆料、内埋元器件用材料等。其中与基板配套的导体浆料已经成为亟待解决的关键性材料之一。论文针对军用MCM应用需求,以与Ca-B-Si生带匹配烧结的Au导体浆料为研究对象,系统研究功能相、玻璃相、有机载体对导体浆料丝网印刷性与匹配共烧性能的影响规律,指导金导体浆料的工程研制。
论文主要工作如下:
(1)借助流变仪研究了有机载体(增稠剂分子量、增稠剂含量、触变剂种类、触变剂含量)、功能相体积分数(φ=13%、20%、46%)、功能相粒径(D50=0.9μm、1.8μm、3.1μm)及形貌对浆料流变性能的影响。结果表明:树脂分子量及触变剂含量的增加可以在浆料保持低的高剪切粘度下提高低剪切粘度;固相体积分数增大,浆料剪切粘度增加;当固相体积分数为13%时,可以忽略功能相粒径、形貌对浆料流变性能的影响,而用银导体浆料模拟研究金导体浆料的流变性能,获得了线分辨率为80μm左右的金导体浆料。
(2)借助表面轮廓仪、热机械分析仪、扫描电镜研究了功能相粒径、粘结相组成及含量对浆料与生带共烧后翘曲变形及厚膜导体与基板界面微观结构的影响。结果表明:功能相粒径较小时,厚膜导体致密早,膜层与基板的界面处存在较多气孔;功能相粒径较大时,厚膜导体烧结不致密;银粉功能相粒径为1.8μm时,浆料与生带的共烧匹配性更佳。烧结工艺下流动性较好的粘结相,可以促进厚膜导体烧结致密,且可以通过粘结相的移动来降低内应力,调节共烧翘曲变形,但是厚膜导体致密早,在厚膜导体与基板的界面处留下大量气孔。烧结工艺下流动性较差的粘结相,其将在一定程度上阻碍固相致密化的进行,可以为基板致密时气体的排放提供较多的时间,但不能根据其位置变化调节共烧翘曲变形。
(3)研究了功能相粒径、粘结相组成及含量对浆料与生带共烧后厚膜导体表面微观结构及粗糙度的影响。结果表明:功能相粒径对厚膜导体表面粘结相的分布无明显影响,但是随着功能相粒径的减小,厚膜导体表面粗糙度下降。采用流动性好的粘结相时,烧结后的厚膜导体表面致密且存在较多的粘结相,粘结相以叶片状凸起存在时会增大厚膜导体的表面粗糙度。粘结相含量增加,烧结后厚膜导体表面的粘结相增加。
(4)根据银导体浆料的研究结果,优选出了金粉功能相粒径、有机载体配方、粘结相组成及含量,制备得到共烧匹配性能、丝焊性能良好的金导体浆料。
低温共烧陶瓷基板技术(LTCC)是一种高密度集成封装技术,而其中的金导体浆料是制备高可靠性军用电子元件的关键原材料之一,其成分及性能对烧结后厚膜的导电性能,焊接性能以及与基板的共烧匹配性有极大的影响.本文主要开展金导体浆料功能相微米级金粉的制备,烧结行为及与陶瓷基板生带的共烧匹配性研究,对促进LTCC金导体浆料的研究和性能提升具有重要意义和应用价值.采用化学还原法制备微米级金粉,探究了还原剂种类,分散剂种类及用量,反应体系pH值和温度等反应条件对金粉形貌及粒径的影响规律.结果表明,还原剂的晶体结构及对称性影响金粉的形貌,金粉粒径随着分散剂用量的增大,反应体系pH,温度以及反应体系添加速度的增大而减小.确定了金粉的较优制备工艺,在金溶液浓度20g/L,抗坏血酸浓度40g/L,分散剂用量2:1,反应pH值为4,反应温度50℃的条件下,制备得到平均粒径在1.7μm,粒径分布在0.8-5μm的球形金粉,比表面积为0.184m~2/g,振实密度4.76g/cm~3,松装密度7.46g/cm~3,具有良好的流动性.研究了金粉粒径,玻璃粉软化点及玻璃粉含量对金粉烧结行为的影响,发现金粉在300-400℃间即开始烧结,金粉粒径越大,金粉的结晶程度越大,烧结活性越低,导致金粉烧结收缩起始温度越大,烧结收缩速率减小.添加玻璃粉后,玻璃粉软化点越高,金粉起始烧结收缩温度越高.平均粒径1.7μm的球形金粉
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