1 1.中国有研科技集团有限公司金属粉体材料产业技术研究院, 北京 101407
2 2.北京有色金属研究总院, 北京 100088
3 3.有研粉末新材料股份有限公司, 北京 101407
4 4.重庆有研重冶新材料有限公司, 重庆 401431
半导体材料是现代科技发展和产业革新的核心, 随着高频、高压、高温、高功率等工况的日趋严峻及“双碳”目标的需要, 以新型碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的第三代半导体材料逐步进入工业应用。半导体产业的贯通以及市场规模的快速扩大, 导致摩尔定律正逐渐达到极限, 先进封装互连将成为半导体行业关注的焦点。第三代半导体封装互连材料有高温焊料、瞬态液相键合材料、导电胶、低温烧结纳米Ag/Cu等几个发展方向, 其中纳米Cu因其优异的导电导热性、低温烧结特性和良好的可加工性成为一种封装互连的新型方案, 具有低成本、高可靠性和可扩展性, 近年来从材料研究向产业链终端应用贯通的趋势非常明显。本文首先介绍了半导体材料的发展概况并总结了第三代半导体封装互连材料类别; 然后结合近期研究成果进一步围绕纳米Cu低温烧结在封装互连等电子领域中的应用进行重点阐述, 主要包括纳米铜粉的粒度、形貌、表面处理和烧结工艺对纳米铜烧结体导电性能和剪切性能的影响; 最后总结了目前纳米铜在应用转化中面临的困境和亟待解决的难点, 并展望了未来的发展方向, 以期为低温烧结纳米铜领域的研究提供参考。
半导体 封装互连 低温烧结 纳米铜 综述 semiconductor packaging interconnections low-temperature sintering nano-Cu review 光学 精密工程
2023, 31(22): 3279
江苏科技大学 材料科学与工程学院, 江苏 镇江 212000
以分析纯的BaCO3、ZrO2、B2O3为原料, 采用传统固相法制备了添加x%B2O3(质量分数x=0.5~5.0)的BaZrO3微波介质陶瓷。运用扫描电子显微镜、矢量网络分析仪和X线衍射仪等实验手段研究了不同B2O3添加量对BaZrO3陶瓷微观结构、相组成及微波介电性能的影响。结果表明, 随着B2O3添加量的增加, 材料致密烧结温度降低, 介电常数减小, 介电损耗降低。当B2O3添加量超过1%时, 有BaZr(BO3)2相析出。在B2O3添加量为3%,烧结温度为1 300 ℃时, BaZrO3陶瓷获得优异的微波介电性能: 介电常数εr=33.02,品质因数与频率之积Q×f=32 761 GHz, 谐振频率温度系数τf=+152×10-6/℃。
介电性能 微波介质陶瓷 低温烧结 dielectric properties BaZrO3 BaZrO3 microwave dielectric ceramics low temperature sintering
1 上海三思电子工程有限公司,上海 201199
2 华东理工大学材料科学与工程学院,上海 200237
作为重要微波介质材料之一,Al2O3陶瓷介电性能优良,在微波电路方面得到广泛应用。但Al2O3陶瓷的烧结温度较高,制备工序需消耗大量能源。低成本降低烧结温度对Al2O3陶瓷的进一步发展具有重要意义。本论文通过MnO2-CuO-TiO2掺杂实现了Al2O3陶瓷的低温烧结,并对其烧结行为和微波介电性能进行了研究。结果表明,MnO2、CuO、TiO2的质量分数分别为0.7%、0.5%、0.8%时,复合掺杂可以大幅降低Al2O3陶瓷的烧结温度,所获陶瓷具有良好的微波介电性能。在烧结温度为1 250 ℃时,Al2O3陶瓷的密度可达3.92 g/cm3,介电常数εr=10.02,品质因子与谐振频率的乘积Q×f值为51 239 GHz。Ti4+、Mn4+、Cu2+固溶导致Al2O3晶格扭曲活化,以及低共熔物形成是促进Al2O3陶瓷低温烧结的原因。
Al2O3陶瓷 低温烧结 微波介电性能 掺杂 Al2O3 ceramics MnO2-CuO-TiO2 MnO2-CuO-TiO2 low temperature sintering microwave dielectric property doping
1 西安交通大学材料科学与工程学院, 金属材料强度国家重点实验室, 西安 710049
2 南方科技大学材料科学与工程系, 广东 深圳 518055
传统方法制备微波介质陶瓷通常需要1 000 ℃以上高温, 不仅工艺周期长、能量消耗高, 而且难以实现多种材料体系的集成共烧。如今, 无线通讯技术的不断革新和蓬勃发展对微波器件小型化、集成化提出了更高要求, 低温共烧陶瓷/超低温共烧陶瓷技术被开发和广泛应用。研究烧结温度更低、烧结效率更高, 且微波介电性能优异的节能环保型绿色制备工艺, 已经成为全球范围内研究热点之一。液相烧结、热压烧结、微波烧结、放电等离子体烧结、闪烧等烧结工艺的提出促进了低温烧结微波介质陶瓷的发展。最近, 又出现了一种新的超低温烧结工艺-冷烧结技术。冷烧结具有极低的烧结温度(一般 ≤300 ℃)、可在短时间内实现陶瓷高致密化, 且在物相稳定性、复合共烧以及晶界控制等方面有着优势, 为超低温烧结工艺以及微波介质材料体系的开发提供了新的契机。
微波介质 陶瓷 低温共烧陶瓷 超低温共烧陶瓷 超低温烧结工艺 冷烧结 microwave dielectric ceramic low temperature co-fired ceramic ultra-low temperature co-fired ceramic ultra-low sintering temperature technology cold sintering process
1 华中科技大学, 电子信息功能材料教育部重点实验室(B类), 武汉 430074
2 华中科技大学光学与电子信息学院, 武汉 430074
3 华中科技大学温州先进制造技术研究院, 浙江 温州 325035
为获得低介电损耗、高耐压强度的Al2O3基低温共烧陶瓷(LTCC)材料, 采用固相法制备了x(6La2O3·24CaO·50B2O3·20SiO2)(LCBS)+(1-x)Al2O3玻璃/陶瓷。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、矢量网络分析仪、高压击穿试验仪、高温介电温谱仪对烧结样品的结构和性能进行了表征。结果表明: 添加适量的LCBS玻璃粉有助于提升材料的致密性、降低介电损耗、提高击穿场强。同时, 复阻抗谱分析表明, LCBS玻璃的加入可以显著提高玻璃/陶瓷的电阻率和活化能。当玻璃含量(摩尔分数)为44%时, 850 ℃烧结0.5 h, 可获得性能优异的LTCC陶瓷材料G44: εr=7.14, Q×f =5 769 GHz (f =13 GHz), Eb=57.44 kV/mm。
玻璃/陶瓷 低温烧结 介电性能 击穿场强 glass/ceramics low-temperature sintering microwave dielectric properties breakdown strength
中国地质大学(北京)材料科学与工程学院，矿物材料国家专业实验室，非金属矿物与固废资源材料化利用北京市重点实验室，地质碳储与资源低碳利用教育部工程研究中心，北京 100083
铝矾土尾矿是一种具有挑战性的固体废弃物，利用前景相对较小，大量堆存破坏生态环境，是铝土矿实现可持续开发利用过程中亟需解决的问题。以铝矾土尾矿为主要原料，添加铝矾土熟料、锂瓷石制备了莫来石-刚玉质复相陶瓷，通过添加了不同含量的锂云母，探究了其对莫来石-刚玉质复相陶瓷的性能影响。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对陶瓷的物相组成和形貌进行分析，研究锂云母的含量、烧结温度等对陶瓷力学性能的影响。结果表明：锂云母的加入可降低陶瓷烧结温度，提高其力学性能，当添加质量分数为10%的锂云母、烧结温度为950 ℃，制得莫来石-刚玉质复相陶瓷的力学性能较好，满足建筑陶瓷材料应用领域及建筑砖使用要求，其物相组成为刚玉、莫来石、石英、赤铁矿、金红石及玻璃相，体积密度为1.75 g/cm3，导热系数为0.447 W/(m·K)，收缩率为5.47%，常温抗压强度为74.87 MPa，在建筑陶瓷材料等领域具有广泛的应用前景。
锂云母 铝矾土尾矿 低温烧结 lepidolite bauxite tailings low temperature sintering
采用传统固相反应法制备了xLi0.5Bi0.5MoO4(1-x)Li2Zn2(MoO4)3 ［xLBM(1-x)LZM］复合陶瓷，研究添加不同质量分数(x=25%，30%，35%，40%和45%)的LBM对LZM陶瓷的烧结特性、物相组成、微观结构以及微波介电性能的影响。结果表明：添加一定量的LBM不仅能将LZM的谐振频率温度系数(τf)调节近零，还能降低LZM的烧结致密化温度；LBM可与LZM共存，且不发生化学反应生成其他新相。随着LBM添加量增加，复合陶瓷的烧结致密化温度逐渐降低、体积密度先增大后减小、介电常数(εr)与τf逐渐增大而品质因数(Q×f)逐渐减小。当LBM添加量为40%时，LZMLBM复合陶瓷在600 ℃烧结2 h获得最大体积密度为4.41 g/cm3，以及优异的微波介电性能：εr为13.8，Q×f为28 581 GHz，τf为-4×10-6/℃。
Li0.5Bi0.5MoO4陶瓷 Li2Zn2(MoO4)3陶瓷 低温烧结 微波介电性能 Li0.5Bi0.5MoO4 ceramics Li2Zn2(MoO4)3 ceramics low temperature sintering microwave dielectric property
清华大学机械工程系, 摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
纳米银焊膏能够实现低温连接、高温服役,同时具有优异的导电、导热性能,其缺点是非常容易发生电化学迁移。本文采用脉冲激光沉积成功制备了完全互溶的Ag-10%Pd纳米合金,并将其用于SiC芯片的封装互连,旨在提高纳米颗粒烧结层的抗电化学迁移能力,同时保持纳米颗粒的低温烧结特性。研究表明,采用Ag-10%Pd纳米合金烧结连接SiC芯片及镀银的直接覆铜基板(DBC),在250 ℃的温度下可以实现剪切强度为21.89 MPa的接头,达到了美国军标MIL-STD-883K的要求(7.8 MPa)。Ag-Pd纳米合金抗电化学迁移能力是同等条件下纯银的4.3倍。在Ag-Pd纳米合金中,银离子的析出受到PdO的阻碍,迁移产物呈云雾状分布,有效延长了电极的短路时间。脉冲激光沉积Ag-Pd纳米合金的烧结避免了传统银、钯颗粒直接混合方法后续高达850 ℃的合金化过程。Ag-Pd纳米合金作为封装互连材料是实现低温连接的有效保证,并有望为功率电子器件的高可靠性封装提供解决方案。
激光技术 纳米合金 低温烧结 电子封装 电化学迁移
清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
采用脉冲激光沉积方法在待连接母材表面沉积制备无有机物的银微纳颗粒复合薄膜,用该薄膜作为中间层低温烧结连接SiC芯片与金属化陶瓷基板。将连接接头置于大气、真空及氧气含量可控环境进行300 ℃高温存储实验,系统研究了保温环境对接头多孔连接层的组织演变和性能影响规律。结果表明:保温2000 h以内,接头在室温下的剪切强度均高于20 MPa且明显高于美国军标。大气环境保温0~400 h期间,连接层内部孔隙逐渐聚集并导致组织致密化,接头强度提升;保温400~2000 h期间的孔隙聚集与扩大导致孔隙率明显增加,强度逐渐下降。真空环境对连接层内孔隙演变存在阻碍作用。保温环境的氧浓度提升可加速烧结连接层组织在高温存储过程中的演变进程。
激光技术 材料 银微纳颗粒复合薄膜 脉冲激光沉积 低温烧结连接 高温可靠性
