CN115745577B - 一种超薄低温烧结陶瓷基板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于功能陶瓷技术领域，提供一种陶瓷基板的制备方法，包括步骤：(1)对脱膜后的生瓷片进行预烧得预烧生瓷；(2)在预烧生瓷上下面铺设石英板得叠层体I，再在叠层体I的上下面铺设碳化硅板得叠层体II，对叠层体II进行烧结整平即得厚度为80～120微米的陶瓷基板。本发明的方法有利于陶瓷基板烧结后获得较好的平整度，有效改善超薄基板的翘曲度，烧结后的超薄陶瓷基板表面平整、致密。本发明的陶瓷基板不需要进行磨抛，具有工艺简单、易操作、成本低等特点。

Description

一种超薄低温烧结陶瓷基板的制备方法

技术领域

本发明涉及功能陶瓷技术领域，涉及一种陶瓷基板的制备方法，尤其涉及一种超薄低温烧结陶瓷基板的制备方法。

背景技术

低温共烧陶瓷即LTCC技术是典型的多层电路板技术，已经成为电子元件集成化的主流方式，为无源器件的小型化与高集成化提供了新的解决途径。随着对集成度要求越来越高，陶瓷基板作为重要组件，对其厚度的要求也越来越高。在高频性能测试、超薄电子元件封装等领域，超薄低温烧结陶瓷基板的制备备受关注。

陶瓷基板是陶瓷浆料经流延成型为生瓷后烧结所得。因生瓷的空气面和膜带面在干燥和烧结过程中收缩存在差异，导致烧结后陶瓷基板容易翘曲，且基板厚度越薄翘曲越明显；另外，生瓷在烧结过程中首先经历排胶阶段，传统的氧化铝压板整平的方式会阻碍有机物排出，造成基板变形、开裂，因此直接将生瓷低温烧结为超薄陶瓷基板非常困难。

目前超薄低温烧结陶瓷基板的制备一般通过后期加工完成，然而因超薄低温烧结陶瓷基板的厚度过薄，与常规基板在后期的加工工艺中有很多方面不能兼容，给超薄低温烧结陶瓷基板的加工也造成很大困难；比如，因低温烧结陶瓷基板强度不高(通常小于300MPa)，加之超薄基板厚度小，裁切过程中陶瓷基板容易碎裂；而若采用常用的精细磨抛技术进行磨抛，单面磨抛容易造成厚度不均，双面磨抛加工价格昂贵，且当基板过薄时还容易出现不同区域厚度不均匀或当基板从载体分离时因受力不均导致基板开裂损坏等。

鉴于此，提出本发明。

发明内容

本发明提供一种陶瓷基板的制备方法，通过对生瓷片进行预烧成型，后增加石英板和碳化硅板进行烧结整平，用以解决现有技术中超薄低温烧结陶瓷基板存在的加工困难的缺陷，本发明的方法有利于陶瓷基板烧结后获得较好的平整度，有效改善超薄基板的翘曲程度，烧结后的超薄低温烧结陶瓷基板表面平整、致密。

本发明提供一种陶瓷基板的制备方法，包括如下步骤：

(1)对脱膜后的生瓷片进行预烧得预烧生瓷；

(2)在预烧生瓷上下面铺设石英板得叠层体I，再在叠层体I的上下面铺设碳化硅板得叠层体II，对叠层体II进行烧结整平即得厚度为80～120微米的陶瓷基板。

由于超薄低温烧结陶瓷基板的制备难度高，特别是厚度为80～120微米的陶瓷基板，其加工难度更大，本发明提出对生瓷片进行预烧成型，后增加石英板和碳化硅板进行烧结整平的方法，该方法制得的陶瓷基板不仅厚度满足本发明的要求，而且该超薄低温烧结陶瓷基板的平整度也显著优于当前水平。

目前，在低温烧结超薄陶瓷基板时，一般使用氧化铝板为支撑板，这是因为氧化铝板有高温稳定性和良好的导热性，然而，氧化铝的热膨胀系数约为70×10^-7/℃，与LTCC流延生瓷带接近，在烧结过程中两相界面热应力低，容易引起粘接，不易分离，当陶瓷基板达到80～120微米时，这种粘接现象会导致陶瓷基板易于开裂损坏。本发明中在预烧生瓷上下面铺设石英板，该石英板光滑致密，且具有极低的热膨胀系数(5.5×10^-7/℃)，石英板作为支撑板，与生瓷热膨胀系数差异大，在冷却过程中，生瓷收缩快，石英几乎不收缩，界面热应力大，两相自然分离，有效避免了粘连。在此基础上，本发明意外地发现，在石英板的上下面铺设碳化硅板可以更好地兼顾整平效果，通过研究发现，虽然石英板的整平效果好，但石英的导热性低于传统使用的氧化铝，在加热的加工过程中，不同温区等造成的受热不均匀会在一定程度上影响整平效果，本发明通过在石英板外加碳化硅板，碳化硅板在加热过程中可视为均匀的加热体，在散热过程中对热量的传递也非常均匀，更利于烧结成型，特别是，以烧结炉进行加热时，碳化硅板的引入可以显著地减小炉膛不同区域温度差异对烧结性能的影响。

根据本发明提供的陶瓷基板的制备方法，所述石英板为石英玻璃板，且两面均为抛光面；通过试验发现，当在预烧生瓷上下面铺设石英玻璃板作为支撑板时，整平效果更好。

优选地，当所述石英板的厚度为0.8～1.5毫米时，可以更好地保证整平效果限制翘曲。

根据本发明提供的陶瓷基板的制备方法，所述碳化硅板的两面均为抛光面；

优选地，所述碳化硅板的厚度为2.5～4.5毫米，在该范围内，得到的陶瓷基板的厚度均匀程度更易控制；

更优选地，采用无压烧结碳化硅板，相比反应烧结碳化硅板，其表面更光滑、致密度更高，得到的陶瓷基板的整平效果更好。

本发明中石英板和碳化硅板的厚度可以根据所烧结的生瓷厚度进行调整，比如，生瓷片厚度较大时，可以采用偏厚的石英板和碳化硅板，而生瓷厚度较小时，更适合偏薄的石英板和碳化硅板。

根据本发明提供的陶瓷基板的制备方法，预烧的温度为650～700℃，本发明发现，将预烧的温度控制在该范围内，可以使预烧生瓷在后续的高温烧结的过程中，更易于铺设叠层体，且烧结后的超薄低温烧结陶瓷基板的表面更加平整和致密。

根据本发明提供的陶瓷基板的制备方法，烧结的温度为850～870℃，在烧结整平的过程中，烧结的温度对陶瓷基板的整平效果有很重要的影响，本发明控制烧结的温度在该范围内，得到的陶瓷基板的厚度均匀性更易控制，在烧结时，烧结温度应尽量减小波动，一般温度波动控制在设定温度的±1℃范围内。

根据本发明提供的陶瓷基板的制备方法，脱膜后的生瓷片的制备过程包括：将陶瓷浆料进行真空脱泡处理后流延成型；其中，流延速度为0.5m/min～1.0m/min。

根据本发明提供的陶瓷基板的制备方法，陶瓷浆料是将玻璃粉体、陶瓷粉体和有机载体混合得到。

在上述陶瓷浆料的制备过程中，为了混合的均匀程度，混合可以采用球磨的方式，如球磨混合时间为24～48小时。

所述的有机载体中溶剂包括乙酸乙酯、乙酸丁酯和异丙醇中的至少两种。

陶瓷浆料中还包括粘结剂、增塑剂和分散剂。

所述的粘结剂为聚甲基丙烯酸甲酯或聚甲基丙烯酸丁酯；

所述的增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯或邻苯二甲酸二辛酯；

所述分散剂为氨基酸脂类分散剂或磷酸酯类分散剂。

根据本发明提供的陶瓷基板的制备方法，陶瓷浆料中，所述玻璃粉体占所述陶瓷浆料的质量百分比为25～40wt％；所述陶瓷粉体占所述陶瓷浆料的质量百分比为30～50wt％；所述有机载体占所述陶瓷浆料的质量百分比为15～40wt％。将本发明中陶瓷浆料的主要组分的含量控制在该范围内，在烧结过程中，陶瓷基板的整平效果更易控制。

根据本发明提供的陶瓷基板的制备方法，所述玻璃粉体为钙硼硅体系玻璃、铅硼硅体系玻璃或者钙硼镧体系玻璃；优选地，所述玻璃粉体的粒径为1.0～2.0微米。对于超薄低温烧结陶瓷基板，特别是厚度为80～120微米的陶瓷基板而言，玻璃粉体采用钙硼硅体系玻璃、铅硼硅体系玻璃或者钙硼镧体系玻璃，可以更好地进行加工，当玻璃粉体的粒径为1.0～2.0微米时，整平效果会更好。

根据本发明提供的陶瓷基板的制备方法，所述陶瓷粉体选自α-氧化铝、β-氧化铝和γ-氧化铝中的一种或多种；优选地，所述陶瓷粉体粒径为1.2～2.5微米。当采用上述陶瓷粉体时，超薄低温烧结陶瓷基板的表面质量和平整度的改善效果更加显著。

本发明的陶瓷基板的制备方法，采用先预烧生瓷排胶、后加入支撑板(石英板)和散热板(碳化硅板)烧结整平的方法，有利于改善本发明中陶瓷基板的表面质量和平整度，具有工艺简单、易操作、成本低特点。

本发明的陶瓷基板的制备方法，采用表面平整细腻的石英板与预烧陶瓷基板直接接触对预烧陶瓷基板进行支撑，进一步地铺设碳化硅板进行整平烧结，有效控制了超薄的陶瓷基板微观上的凹凸不平，显著减少了陶瓷基板的翘曲程度。

本发明的陶瓷基板的制备方法制得的陶瓷基板具有较好的平整度，目测无翘曲，显微镜放大30倍未观察到局部鼓包、塌陷等凹凸不平，取陶瓷基板的多点测厚，数值波动≤±2μm，不需要进行磨抛加工。

本发明的陶瓷基板的制备方法中，预烧生瓷与支撑板间无粘结层，烧结基板与支撑板分离简单，支撑板可重复利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的陶瓷基板烧结整平时一种叠层体的结构示意图；

图2为本发明的陶瓷基板烧结整平时另一种叠层体的结构示意图

图3为本发明的结陶瓷基板的烧结制备工序图。

附图标记：

1：碳化硅板；2：石英板；3：预烧生瓷。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。其中，本发明中的石英板为两面均为抛光面的石英玻璃板，碳化硅板为两面均为抛光面的无压烧结碳化硅板。

下面结合图1～图3描述本发明的一种陶瓷基板的制备方法。

实施例1

一种陶瓷基板的制备方法，具体步骤如下：

(1)用电子天平分别称取乙酸乙酯50g、乙酸丁酯50g、聚甲基丙烯酸甲酯12g、邻苯二甲酸二辛脂6g、磷酸酯类分散剂BYK-1112g于球磨罐中，并加入球磨介质，常温25℃下预混4h，得到分散均匀、没有未溶解颗粒的有机载体；用电子天平称取粒径为1.5微米的钙硼镧玻璃粉体120g、粒径为2微米的α-氧化铝粉体160g加入提前配置好有机载体的球磨罐中，常温25℃下球磨36h；

(2)将陶瓷浆料进行真空脱泡处理，然后以0.8m/min的流延速度，得到120微米厚的LTCC生瓷带，并将生瓷带进行裁切；

(3)将单层生瓷片分切为10×10cm大小，在真空吸附台上进行脱膜；如图1～图2所示，脱膜后将单层生瓷片放置于烧结炉中进行预烧，使其升温到700℃，总烧结时间为7h，得预烧生瓷；

(4)在预烧生瓷上下面铺设厚度为1.0mm的石英板得叠层体I，再在叠层体I的上下面铺设厚度为4.0mm的碳化硅板得叠层体II，将叠层体II转移至700℃烧结炉中进行烧结整平，升温到850℃，总烧结时间为6h，得到厚度为106μm的陶瓷基板。该基板目测无翘曲，在显微镜放大30倍未观察到局部鼓包、塌陷等凹凸不平，取多点测厚，数值波动＜±2μm。

实施例2

一种陶瓷基板的制备方法，具体步骤如下：

(1)用电子天平分别称取乙酸乙酯50g、乙酸丁酯50g、聚甲基丙烯酸丁酯12g、邻苯二甲酸二辛脂6g、磷酸酯类分散剂BYK-1112g于球磨罐中，并加入球磨介质，常温25℃下预混4h，得到分散均匀、没有未溶解颗粒的有机载体；用电子天平称取粒径为1.6微米的铅硼硅玻璃粉体120g、粒径为1.5微米的α-氧化铝粉体160g加入提前配置好有机载体的球磨罐中，常温25℃下球磨36h；

(2)将陶瓷浆料进行真空脱泡处理，然后以0.8m/min的流延速度，得到120微米厚的LTCC生瓷带，并将生瓷带进行裁切；

(3)将单层生瓷片分切为10×10cm大小，在真空吸附台上进行脱膜，放置于烧结炉中进行预烧，使其升温到700℃，总烧结时间为7h，得预烧生瓷；

(4)在预烧生瓷上下面铺设厚度为1.5mm的石英板得叠层体I，再在叠层体I的上下面铺设厚度为4.5mm的碳化硅板得叠层体II，将叠层体II转移至700℃烧结炉中进行烧结整平，升温到850℃，总烧结时间为6h，得到厚度为105μm的陶瓷基板。该基板目测无翘曲，在显微镜放大30倍未观察到局部鼓包、塌陷等凹凸不平，取多点测厚，数值波动＜±2μm。

实施例3

一种陶瓷基板的制备方法，具体步骤如下：

(1)用电子天平分别称取乙酸乙酯40g、乙酸丁酯40g、聚甲基丙烯酸甲酯13g、邻苯二甲酸二辛脂5g、磷酸酯类分散剂BYK-1112g于球磨罐中，并加入球磨介质，常温25℃下预混4h，得到分散均匀、没有未溶解颗粒的有机载体；用电子天平称取粒径为1.5微米的钙硼镧玻璃粉体140g、粒径为2微米的α-氧化铝粉体140g加入提前配置好有机载体的球磨罐中，常温25℃下球磨36h；

(2)将陶瓷浆料进行真空脱泡处理，然后以0.8m/min的流延速度，得到90微米厚的LTCC生瓷带，并将生瓷带进行裁切；

(3)将单层生瓷片分切为10×10cm大小，在真空吸附台上进行脱膜，放置于烧结炉中进行预烧，使其升温到700℃，总烧结时间为7h，得预烧生瓷；

(4)在预烧生瓷上下面铺设厚度为0.8mm的石英板得叠层体I，再在叠层体I的上下面铺设厚度为2.5mm的碳化硅板得叠层体II，将叠层体II转移至700℃烧结炉中进行烧结整平，升温到850℃，总烧结时间为6h，得到厚度为80μm的陶瓷基板。该基板目测无翘曲，在显微镜放大30倍未观察到局部鼓包、塌陷等凹凸不平，取多点测厚，数值波动＜±2μm。

实施例4

一种陶瓷基板的制备方法，具体步骤如下：

(1)用电子天平分别称取乙酸乙酯50g、乙酸丁酯50g、聚甲基丙烯酸丁酯12g、邻苯二甲酸二辛脂6g、磷酸酯类分散剂BYK-1112g于球磨罐中，并加入球磨介质，常温25℃下预混4h，得到分散均匀、没有未溶解颗粒的有机载体；用电子天平称取粒径为1.5微米的钙硼镧玻璃粉体120g、粒径为2微米的α-氧化铝粉体160g加入提前配置好有机载体的球磨罐中，常温25℃下球磨36h；

(2)将陶瓷浆料进行真空脱泡处理，然后以0.8m/min的流延速度，得到135微米厚的LTCC生瓷带，并将生瓷带进行裁切；

(3)将单层生瓷片分切为10×10cm大小，在真空吸附台上进行脱膜，放置于烧结炉中进行预烧，使其升温到700℃，总烧结时间为7h，得预烧生瓷；

(4)在预烧生瓷上下面铺设厚度为1.0mm的石英板得叠层体I，再在叠层体I的下面铺设一层厚度为4.0mm的碳化硅板，在叠层体I的上面铺设三层厚度为4.0mm的碳化硅板得叠层体II(如图3所示)，将叠层体II转移至700℃烧结炉中进行烧结整平，升温到850℃，总烧结时间为6h，得到厚度为120μm的陶瓷基板。该基板目测无翘曲，在显微镜放大30倍未观察到局部鼓包、塌陷等凹凸不平，取多点测厚，数值波动＜±2μm。

对比例1

一种陶瓷基板的制备方法，具体步骤如下：

(1)与实施例1的步骤(1)相同；

(2)与实施例1的步骤(2)相同；

(3)将单层生瓷片分切为10×10cm大小，在真空吸附台上进行脱膜，放置于烧结炉中，使其升温到850℃，总烧结时间为13h，得到陶瓷基板。该基板目测下边缘发生翘曲，多处存在鼓包，取多点测厚，数值波动达到±20μm。

对比例2

一种陶瓷基板的制备方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：在铺设碳化硅板时，仅在叠层体I的上面铺设碳化硅板，而下面不铺设。得到的超薄低温烧结陶瓷基板目测无翘曲，在显微镜放大30倍可观察到少量局部鼓包，取多点测厚，数值波动达到±10μm。

对比例3

一种陶瓷基板的制备方法，具体步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：不铺设碳化硅板。得到的超薄低温烧结陶瓷基板目测无翘曲，在显微镜放大30倍可观察到多处局部鼓包，取多点测厚，数值波动达到±15μm。

本发明先将生瓷放入烧结炉进行预烧，生瓷在预烧过程中完成排胶，并形成具有一定强度的预烧生瓷。预烧生瓷在上下面依次铺设石英支撑板和碳化硅导热板，组成一个叠层体，放置于烧结炉中进行烧结整平。该烧结整平过程中由于预烧生瓷中有机组分已经排净，而且基于上下面石英板的支撑以及碳化硅板的热传递，预烧生瓷中的玻璃粉体在高温下软化流动，浸润氧化铝粉体，使氧化铝拉紧重排变得致密化，陶瓷基板微观上的凹凸不平被压平，烧结后平整度良好，无需进一步磨抛。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种陶瓷基板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)对脱膜后的单层生瓷片进行预烧得预烧生瓷；预烧的温度为650～700℃；

(2)在预烧生瓷上下面铺设石英板得叠层体I，再在叠层体I的上下面铺设碳化硅板得叠层体II，对叠层体II进行烧结整平即得厚度为80～120微米的陶瓷基板；所述石英板为光滑致密的石英玻璃板，且两面均为抛光面；烧结的温度为850～870℃。

2.根据权利要求1所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述石英板的厚度为0.8～1.5毫米。

3.根据权利要求1或2所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述碳化硅板的两面均为抛光面。

4.根据权利要求3所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述碳化硅板的厚度为2.5～4.5毫米。

5.根据权利要求4所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述碳化硅板采用无压烧结碳化硅板。

6.根据权利要求1所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，脱膜后的单层生瓷片的制备过程包括：将陶瓷浆料进行真空脱泡处理后流延成型；其中，流延速度为0.5m/min～1.0m/min。

7.根据权利要求6所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，陶瓷浆料是将玻璃粉体、陶瓷粉体和有机载体混合得到。

8.根据权利要求7所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，陶瓷浆料中，所述玻璃粉体占所述陶瓷浆料的质量百分比为25～40wt％；所述陶瓷粉体占所述陶瓷浆料的质量百分比为30～50wt％；所述有机载体占所述陶瓷浆料的质量百分比为15～40wt％。

9.根据权利要求7或8所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述玻璃粉体为钙硼硅体系玻璃、铅硼硅体系玻璃或者钙硼镧体系玻璃。

10.根据权利要求9所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述玻璃粉体的粒径为1.0～2.0微米。

11.根据权利要求7或8所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉体选自α-氧化铝、β-氧化铝和γ-氧化铝中的一种或多种。

12.根据权利要求11所述的陶瓷基板的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉体粒径为1.2～2.5微米。