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Advanced Materials：高性能电子封装微晶玻璃基板的重要突破

能源学人 · 公众号 · · 2025-01-02 16:14

正文

【研究背景】

随着5G和6G无线通信技术的快速发展，对电子封装基板材料的性能要求不断提高。低温共烧陶瓷（LTCC）因其低介电常数（K< 5）和高抗弯强度（>230 MPa）成为研究的重点。然而，实现低介电常数与高机械强度的协调优化仍是一大挑战。传统多晶基板在这些方面的性能有限，而单晶材料凭借其优越的结构性能，展现出巨大的发展潜力。

【工作创新】

华东理工大学曾惠丹教授团队联合上海泽丰半导体有限公司、丹麦奥尔堡大学和武汉理工大学突破传统技术瓶颈，将Al ³⁺ 掺杂到钙硼硅酸盐（CBS）玻璃体系中来调节玻璃的短程有序（SRO）和中程有序（MRO）结构，促进了非均质网络结构的形成，使得在能量上有利于纳米级β-CaSiO ₃ 和亚纳米级α-CaSiO ₃ 多晶颗粒的析出。随着烧结温度的升高，α-CaSiO ₃ 中的[Si ₃ O ₉ ] ^- 环被逐渐打开，转变为以[SiO ₃ ] _∞ 链为特征结构的β-CaSiO ₃ 晶体，相应的Si-O-Si键角从134.76°转变为143.31°，加快了纳米级α-CaSiO ₃ （2-10 nm）被β-CaSiO ₃ 吸收的过程。最终，转变为有序层状结构的单晶体β-CaSiO ₃ （1-2 µm），并且其在整个微晶玻璃中的占比可高达85%。该高单晶含量的微晶玻璃兼具低介电常数（ 4.04@15 GHz）和高抗弯强度（256 MPa），并首次将单晶结构应用于封装基板，并与银浆共烧匹配良好。这种新型基板的性能不仅达到国际先进水平，甚至在某些关键指标上表现更为出色。这一重要研究成果以“Creating Single-Crystalline β-CaSiO ₃ for High-Performance Dielectric Packaging Substrate”为题，发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上，充分体现了该工作的学术价值和产业影响力。论文的第一作者为华东理工大学材料科学与工程学院2021级博士研究生贾庆超，华东理工大学材料科学与工程学院曾惠丹教授、上海泽丰半导体有限公司董事长罗雄科和丹麦奥尔堡大学岳远征教授为共同通讯作者。

【核心成果】

研究团队提出将化学掺杂、CaSiO ₃ 相变、二次再结晶结合，建立了一种设计和合成先进功能微晶玻璃的新策略。通过Al ³⁺ 掺杂手段精确调控CBS玻璃网络的非均质结构，在优化烧结条件的基础上，进一步控制β-CaSiO ₃ 和α-CaSiO ₃ 的结晶动力学，将多晶α-CaSiO ₃ 完全转变为单晶β-CaSiO ₃ 。本团队设计出一条独特的制备路径，将单晶生长与LTCC的兼容性结合。研究揭示了化学掺杂和烧结条件优化在实现高性能单晶结构中的关键作用，并通过前沿表征技术系统解析了其生长机制。这一突破性成果成功解决了微晶玻璃中多晶体到单晶体转变的难题，同时显著提升了材料的电学和机械性能。

图1. Al ³⁺ 掺杂的 微晶玻璃（SC-CBSA）中单 晶β-CaSiO ₃ 和未 掺杂Al ³⁺ 的微晶玻璃（PC-CBS）中多晶β/α-CaSiO ₃ 的形成和结构特征。

图2. 单晶β-CaSiO ₃ 在具有Al ³⁺ 掺杂的CBS玻璃体系中的生长机理。

图3. 具有Al ³⁺ 掺杂的CBS玻璃在不同热处理温度下玻璃结构的变化。

图4. 具有Al ³⁺ 掺杂的CBS玻璃中α-CaSiO ₃ 和β-CaSiO ₃ 的结晶动力学研究。

图5. 使用Al ³⁺ 掺杂的CBS玻璃粉制备的电子基板特征及性能。

【应用与推广】

该单晶体微晶玻璃基板材料不仅在实验室中展现出卓越性能，还成功通过了小试和中试推广，并应用于微机电系统（MEMS）探针卡等高端半导体封装领域。这一成果标志着从实验研究到产业化应用的重大跨越，为新一代无线通信和半导体封装提供了全新的解决方案。

【意义与展望】

这项研究从根本上解决了传统材料在电性能与机械性能协同优化中的难题，为低介电常数与高抗弯强度的结合提供了创新解决方案。其在微观结构调控和工艺设计上的突破，所建立的方法为未来高性能封装基板的发展奠定坚实的理论和实践基础。

Qingchao Jia, Wenzhi Wang, Hujun Zhang, Chunyu Chen, Ao Li, Chen Chen, Hang Yu, Liangzhu Zhang, Haizheng Tao, Huidan Zeng*, Xiongke Luo*, Yuanzheng Yue*, Creating Single-Crystalline β-CaSiO ₃ for High-Performance Dielectric Packaging Substrate, Advanced Materials, 2024,https://doi.org/10.1002/adma.202414156.

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