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低烧基板的流延料浆配制及流延工艺研究

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低烧基板的流延料浆配制及流延工艺研究 混合龋电子技术 Vo!·6 № 低烧基板的流延料浆配制及流延工艺研究 f 电子部43所 章 瑜 孙义传 卜/Ⅶ 0 摘 陶瓷材科的皮膜技术是铡造低温共烧多置肉瓷基扳的美键技术之一.车支卉疆 了{匠温共烧t 。u~;。o℃ -氍舟电常数(t<; 多晨陶瓷基植中·流瑶科浆的 配尉耍最健!iIc 延I萎耋 裳藏诬工艺生垤腹厚 蟾 蝌 u 关键调惋谴辩裳藏诬工艺生垤腹厚 、)屯· ’ T 、、J ’ ’ — 。 一 _ _ 。 — ’ 一 一 Fabrication of Paste for[3o...
低烧基板的流延料浆配制及流延工艺研究
混合龋电子技术 Vo!·6 № 低烧基板的流延料浆配制及流延工艺研究 f 电子部43所 章 瑜 孙义传 卜/Ⅶ 0 摘 陶瓷材科的皮膜技术是铡造低温共烧多置肉瓷基扳的美键技术之一.车支卉疆 了{匠温共烧t 。u~;。o℃ -氍舟电常数(t<; 多晨陶瓷基植中·流瑶科浆的 配尉耍最健!iIc 延I萎耋 裳藏诬工艺生垤腹厚 蟾 蝌 u 关键调惋谴辩裳藏诬工艺生垤腹厚 、)屯· ’ T 、、J ’ ’ — 。 一 _ _ 。 — ’ 一 一 Fabrication of Paste for[3octor-ota and Study Oft Doctor—blade Casting r Co—fired Multilaye~ ss for Low Tern peratu 。 Ceramic Substi ate Zhang Yl‘ s。H Yj, ⋯d Abstract Forming film technology of ceramic material is。ne of key teehnolo- glee for Iow—tem~ atu:re co-fired substrate.This paper describes fabrication of paste for doctor—blade and study oil doctor—blade casting process for low teanperatur~co- 矗red(8。o~9∞ ℃),low dielectric constant(e≤5 07: u ayer ceramic sub~u^ te. Key words paste for doctor—blade。deatot—blade c j‘ “g ptGo~s,film ~birkness of green tape 1 前言 多芯片组件(MCM)的关键技术之一是 高密度多层互连基板的制造.在众多的多层 互连基板中,低温共烧多层冉瓷基板又是最 有前途鹩一种(混台型多层基板也是以低温 共烧多层基板和薄膜多层基板混合摄佳)。 由于使甩生片选层法,低温共饶多屡基板屠 数在理论上不受限制;叉因使用能做细线的 啦谒 日..『l1995-11—28 点金属导体(Au、Pd—Ag、A暮等)及低介陶瓷 ,从镝提高了布线密度和信号传输违 度.此外,该基板的热膨胀系数可以做到和 硅器件接近,这样对安装裸片硅器件有利. 正是由于上述原因.低温井烧多层基板特别 适合高密度组裴技术的饔求.可作为 MCM 产品的理想基板. 陶瓷材料的成膜技术是髑造低温共烧 多层陶瓷基扳的关键技术之一。为了制备能 ·4S· 维普资讯 http://www.cqvip.com 够满足低温共烧多层冉瓷基扳使用的高质 量生瓷片,本文采用流延成膜技术.流延膜 的质量与流延料浆的配制和流延工艺参数 选择,有直接、密切的关系 ,而粘台剂的制备 又是其中的关键。 陶瓷材料不同,与之相匹配的粘合剂就 不同(陶瓷材料与溶剂的相溶性 桔合剂的 干燥温度、流动性 挥发速度等都有改变)。 本文介绍一种具有低介 电常数(t<5),低烧 结温度(800℃~900℃)的陶瓷材料的成膜, 其流延膜厚为 lO0~m,性能 良好,能满足制 造低温共烧多层基扳的需要,现已用于制作 实用化电路。 2 流延料浆的制备 图1为流延法工艺藏程围. 舀l 赢廷涟工艺巍程圈 桔舍剂的质量.粉料粒度细,形状好 ,流延料 浆流动性好,溶剂挥发速度适当,则流延出 的生瓷片质量高 .为了获得高质量(均匀、 致密、良好的表面光洁性及弹性、无针孔,重 复性好)的生瓷膜片,必须使料浆具有良好 的流动性,适当的挥发速度以及在膜坯的厚 度方向有足够的堆积个数 ,因此高质量超细 糟料的制备和合适的流延粘台剂的研制是 极为重要的. 2.1超细耔料 的制奋 本文选甩二氧化硅加硼硅酸盐玻璃作 为低温共烧 多 层陶瓷基扳 的 瓷料 ,这里 si 起骨架作用,硼硅酸盐玻璃可降低烧 结温度(800℃~900℃). z.1.1超细SaO.粉的制备 本文采用溶胶一凝胶法制备超细 s 橱.国2为超纽$io:粉的制备工艺图. 裘 1为用酸性法制备 lOOg超细 sio 粉时 所需各物质的量. 由图可知,流延成膜工序并不复杂,它是将 塑 浆,甩刮刀刮涤在膜状载带 圈2超细s02粉倒备工艺波程田 上,经烘干即可 。 ~ ⋯ ⋯ ⋯ 一 膜片质量主要取决于粉料质量和流延 ·46· 卣申圈 维普资讯 http://www.cqvip.com 材料 酸 I 洁质 溶捌 其它物质 l 加入量 ~40ml l 630g 1OOOml 12g 采用该法制备出的 sio 粉,经测试知 其平均颗粒度为 1,urn,振实密度为 1.?~0g/ mI.能满足流延工艺的要求。 2.1.2超细玻璃粉的制备 为了获得颗粒均匀且在 lPm以下的玻 璃粉,本文采用 目前国外流行的化学法 ,而 不使用传统的高温熔融制法。化学法制备玻 璃粉是这样的:将 5 ~10 的 Al O,以及 PbO、MgO、BaCO 等按一定 比例分别加入 HN 制备成溶液并将其混合,将 5o ~ 81 的 SiO [从( H O).Si中制得]倒入上 述混合液中,加入氨水,产生沉淀物,即玻璃 粉材料。化学方程式如下: Al O +HNO (浓、热)oAI(NO ) PbO+HNO,一 Pb(N ): MgO+HNO:~Mg(NO3)t BaCO~+HNO3(弱)— Ba(NO3)t (C:HsO).Si溶于乙醇。 这样制备出的玻璃粉 ,测试所得的平均 颗粒度为 0.8Fm,振实密度为 1.46g/ml,能 满足流延工艺的要求。 2.2流延粘 台剂的制备 粘合剂通常是具有粘性的有机高分子 化合物。牯合剂一般应满足如下要求:(1)要 有足够的粘性.能保证 良好的成型,井使坯 件具有一定的机械强度;(2)高温焙烧时能 全部挥发,不留下或很少留下残余杂质-不 改变或很少改变瓷料的组成,以免影响瓷料 的性能;(3)工艺简单,没有腐蚀性,对瓷料 的性能无不良的影响。 本文选用一种新型的聚合物粘台剂体 系 这种新型的粘台剂烧除时间短 -烧除干 净彻底;能满足料浆流延成型时对流变眭的 要求;在枯合剂成分中还加入一种增塑剂以 控制层压结构的性能。 该流延粘合剂选用台有较长支链 、具有 良好的粘结性及柔顺性的热塑性树脂聚乙 烯醇缩丁醛为枯结荆;选用与枯结剂互涪睦 好、塑化效率高 、化学性能稳定、挥发慢的 癸酸二丁酯为增塑剂 ;选用润湿剂 7 为润 湿剂,该润醒剂能使粉料很好地分敲在粘合 剂中,降低份料与枯合剂界面处的表面能, 致使两者痒撩力减小,流动性变好,该润湿 剂的加入对改善粉料分散性与料浆的流动 性有显著的作用 ;选用环己酮、乙醇、甲苯等 为溶剂,用于溶解高分子化台物、增塑荆等。 该流延牯台剂配方见表 2。 衰 2 流延粘台剂配方 聚己始辞 癸酸二 润湿荆 组 分 环己酮 己醇 早苯 缩丁醛 丁醇 7 含 量 11.s 3.9 2.5 43.6 15.4 23.1 作 用 牯结荆 增塑荆 润湿剂 溶 剂 · 47 · 维普资讯 http://www.cqvip.com 2.3 流延料 裴的制奋 将制备的超细粉料与配制的流延载体 按 50/50(重量比)的比例坡入球磨罐中,用 玛瑙球进行混料研磨.料 一球=1—1,球磨 时间大 约为 lsh左右,得到一粘度 在 900 厘泊~1200厘泊(2s℃)的料浆 混配好的 料浆内吉有密集而微小的气泡,若不豫去, 将影响生坯膜片的质量 。除泡有两种 ; 机械除泡和化学除泡.本文采用化学除泡 法。即在混好的料浆中加入约 2~4 重量 的稼泡剂(以降低料浆的表面张力,促进气 泡在料浆内的流动性),不断搅拌,即可豫去 气泡.制备好的料浆即可供流延使用。 3 控制流廷工艺参数,保证生瓷带质量 3.1 流延机的结构 流延工艺的关键设备是陶瓷浆料流延 机。图 3是本文使用的流延机的原理示意 图 。 这 种流延机 的尺寸 为:长 1.2米 ,宽 0.36米。使用聚酯膜作载带 ,该载带张紧在 前后鼓轮上。前转鼓由直流电动机经减速装 置带动旋转 ,转速可调;而后转鼓则是被动 的,但后转鼓之轴,可在水平方向上前后移 动,用 调节聚酯膜载带的张力,并控制其 边缘的位移以免跑懵. 图3 流延机结构示意圈 1·巍延嗡 2一流延嘴前刀 3.聚酯膜载带 4.前转鼓 5.后转鼓 6.上干燥器 7.下干燥器 8.热风进 口 9.上部热风出口 lO.下部热风出口 3.2流延I 艺过程 必须先将流延机体加热升温,井鼓进适 量热风,再将合适粘度(900~1200厘泊)的 料浆放入加料室.在一定的压力下,料浆 由 加料室压出 ,然后从流延嘴流出.并随聚酯 膜载带向前运动,同时料浆被流延嘴的前刀 刮成连续 、表面平整、厚度均匀、几乎无缺陷 且重复性好的膜层。膜层的厚度,由前刀与 ·48· 聚酯膜载带之间的距离、聚酯膜载带的运动 速度、料浆的粘度来控制。前刀刮成的料浆 膜层随着聚酯膜载带向前运动,并进入干燥 区。干燥系统为热风直接干燥,料浆膜层经 干燥、变为固态膜片 经过一定行程后,膜片 在后转鼓上卷轴待用。在整个流延过程中, 对膜体没有施加外压力。 3.3 流延I艺参数的选择 维普资讯 http://www.cqvip.com 生瓷膜片的厚度主要取决于材料和工 各固索· 艺两个方 面.图 4给出了影响膜片厚度的 生坯磋厚度 匿4 影响生坯膜厚的吾因素 材料方面.生瓷膜片的厚度主要取决于 流延粘台剂中可挥发往溶剂的多少。溶剂 多.收缩大.膜坯变薄;但从料浆的粘度方面 看.溶剂多.粘度小.流动性大.则堆积厚度 叉可能加大,两者是相互制约的·因而合适 的溶剂加人量是很重要的。 工艺方面.生瓷膜片的厚度主要取决于 前刀与聚酯膜载带间的距离、聚酯膜载带的 线速等因素。前刀与聚酯膜载带问的距离加 大.聚酯膜载带的线速减慢,气体压力加大, 料浆粘度降低.则可使膜坯的堆积厚度 加 大.膜片变厚;反之则相反。 另外.适当的热风干燥温度和最佳干燥 时间的选择也极为重要。若干燥温度太低, 或干燥时间太短.膜片湿、软、强度低t不易 剥离;但干燥温度太高f如超过 7Olc)-或干 燥时间过长,则膜片干而脆-也不易剥离。 4 实验结果及分析 在28℃左右的室温下 -经反复实验,我 们认为制得生瓷片膜厚为 lO0~m时,台适 的流延工艺参数如表 3所示 。 表 3 lO0~m厚生瓷片的漉延工艺参数 前刁与聚酯膜载带问的问隙 0.15毫米 聚酯膜载带的线速 1.5米/分钟 气 体 压 力 3~6磅/(英寸) 料 装 粘 度 900 1200厘泊 干燥热风温度 4O℃ 干 燥 时 间 l2分钟 ·49· 维普资讯 http://www.cqvip.com 表 4给出了在上述流延工艺参数下‘昕 制得的流延膜片的物理特性。 表 4 流延生瓷蹼片的物理特性 厚 度 1OO m 宽 度 11Omni 颜 色 白色 密 度 2.0 /cm 高质量生瓷片的获得是制造低温共烧 参层陶瓷基板一个技术难点-采用流延成膜 工艺可以解决这一难点。本文制备的生瓷膜 片能很好地满足制造低温共烧多层基板的 要求。 表 5列出了T 瓷料配方流延膜片各 性能(T 瓷料配方为SiO:/玻璃=45/55)。 5 结论 (1)流延膜质量直接影响低烧基板的 质量.因而必须严格控制粉料质量(粒度、形 状等)及流延粘台剂的质量(流动性、挥发性 等).制备符合要录的流延膜片。 表 5 丁 :瓷料配方流延膜片各性能 电 性 能 机械性能 热性能 介电常数 绝缘电阻 抗电强度 抗折强度 热膨胀系数 4.5 10 fl 25kV/ram i5.64kg/mm: 3.i75× 10一 /C (2)在流延过程中.影响生瓷片厚度的 因素很多-因而必须严格控制各影响因素. 制备出符合要求的生瓷片。 (3)本文制各的生瓷膜片能很好地满 足制造低温共烧多层基板的要求。 6 致谢 本文成文过程.得到了张如明高级工程 师的指导和帮助,在此表示感谢. 参考文献 [1]Y·Shimada et al Low firing tempera一 ·50 · ture multilayer giass—ceramic substrate · IEEE Trans.-Comp..Hybrids,Manuf. Technoi.,1983.Vo1.CHMT 一 6.N94, p382~ 388. [2] A New Nultlayered Low—temperature Fimnble Ceramic Substrate ,1985国际 微电子学会记录,P687~689. [3]华南工学院、南京化工学院、武汉建筑 材料工业学院合编,《陶瓷工艺学》.中 国建筑工业出版社,1981,P289~301. 维普资讯 http://www.cqvip.com
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