研究背景

隨著5G和6G無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，對電子封裝基板材料的性能要求不斷提高。低溫共燒陶瓷（LTCC）因其低介電常數(shù)（K< 5）和高抗彎強(qiáng)度（>230 MPa）成為研究的重點(diǎn)。然而，實(shí)現(xiàn)低介電常數(shù)與高機(jī)械強(qiáng)度的協(xié)調(diào)優(yōu)化仍是一大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)多晶基板在這些方面的性能有限，而單晶材料憑借其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

核心創(chuàng)新成果

華東理工大學(xué)曾惠丹教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海澤豐半導(dǎo)體有限公司、丹麥奧爾堡大學(xué)和武漢理工大學(xué)突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸，將Al3+摻雜到鈣硼硅酸鹽（CBS）玻璃體系中來調(diào)節(jié)玻璃的短程有序（SRO）和中程有序（MRO）結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了非均質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，使得在能量上有利于納米級β-CaSiO3和亞納米級α-CaSiO3多晶顆粒的析出。隨著燒結(jié)溫度的升高，α-CaSiO3中的[Si3O9]-環(huán)被逐漸打開，轉(zhuǎn)變?yōu)橐訹SiO3]∞鏈為特征結(jié)構(gòu)的β-CaSiO3晶體，相應(yīng)的Si-O-Si鍵角從134.76°轉(zhuǎn)變?yōu)?43.31°，加快了納米級α-CaSiO3（2-10 nm）被β-CaSiO3吸收的過程。最終，轉(zhuǎn)變?yōu)橛行驅(qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的單晶體β-CaSiO3（1-2 μm），并且其在整個微晶玻璃中的占比可高達(dá)85%。該高單晶含量的微晶玻璃兼具低介電常數(shù)（4.04@15 GHz）和高抗彎強(qiáng)度（256MPa），并首次將單晶結(jié)構(gòu)應(yīng)用于封裝基板，并與銀漿共燒匹配良好。這種新型基板的性能不僅達(dá)到國際先進(jìn)水平，甚至在某些關(guān)鍵指標(biāo)上表現(xiàn)更為出色。

研究團(tuán)隊(duì)提出將化學(xué)摻雜、CaSiO3相變、二次再結(jié)晶結(jié)合，建立了一種設(shè)計(jì)和合成先進(jìn)功能微晶玻璃的新策略。通過Al3+摻雜手段精確調(diào)控CBS玻璃網(wǎng)絡(luò)的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化燒結(jié)條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步控制β-CaSiO3和α-CaSiO3的結(jié)晶動力學(xué)，將多晶α-CaSiO3完全轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉Е?CaSiO3。本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一條獨(dú)特的制備路徑，將單晶生長與LTCC的兼容性結(jié)合。研究揭示了化學(xué)摻雜和燒結(jié)條件優(yōu)化在實(shí)現(xiàn)高性能單晶結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用，并通過前沿表征技術(shù)系統(tǒng)解析了其生長機(jī)制。這一突破性成果成功解決了微晶玻璃中多晶體到單晶體轉(zhuǎn)變的難題，同時顯著提升了材料的電學(xué)和機(jī)械性能。

圖文導(dǎo)讀

圖1. Al3+摻雜的微晶玻璃（SC-CBSA）中單晶β-CaSiO3和未摻雜Al3+的微晶玻璃（PC-CBS）中多晶β/α-CaSiO3的形成和結(jié)構(gòu)特征。

圖2.單晶β-CaSiO3在具有Al3+摻雜的CBS玻璃體系中的生長機(jī)理。

圖3.具有Al3+摻雜的CBS玻璃在不同熱處理溫度下玻璃結(jié)構(gòu)的變化。

圖4.具有Al3+摻雜的CBS玻璃中α-CaSiO3和β-CaSiO3的結(jié)晶動力學(xué)研究。

圖5.使用Al3+摻雜的CBS玻璃粉制備的電子基板特征及性能。

意義與展望

這項(xiàng)研究從根本上解決了傳統(tǒng)材料在電性能與機(jī)械性能協(xié)同優(yōu)化中的難題，為低介電常數(shù)與高抗彎強(qiáng)度的結(jié)合提供了創(chuàng)新解決方案。其在微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控和工藝設(shè)計(jì)上的突破，所建立的方法為未來高性能封裝基板的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

應(yīng)用與推廣

該單晶體微晶玻璃基板材料不僅在實(shí)驗(yàn)室中展現(xiàn)出卓越性能，還成功通過了小試和中試推廣，并應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）探針卡等高端半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域。這一成果標(biāo)志著從實(shí)驗(yàn)研究到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重大跨越，為新一代無線通信和半導(dǎo)體封裝提供了全新的解決方案。

文獻(xiàn)發(fā)表信息

這一重要研究成果以“Creating Single-Crystalline β-CaSiO3 for High-Performance Dielectric Packaging Substrate”為題，發(fā)表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上，充分體現(xiàn)了該工作的學(xué)術(shù)價值和產(chǎn)業(yè)影響力。論文的第一作者為華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2021級博士研究生賈慶超，華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曾惠丹教授、上海澤豐半導(dǎo)體有限公司董事長羅雄科和丹麥奧爾堡大學(xué)岳遠(yuǎn)征教授為共同通訊作者。

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-CaSiO3for High-Performance Dielectric Packaging Substrate,Advanced Materials,2024,https://doi.org/10.1002/adma.202414156.