结题报告-低温共烧陶瓷微电路材料制备及性能

（创新类项目）结题报告书项目名称低温共烧陶瓷微电路材料制备及性能项目类型（）重点项目、（）重点自筹项目、（）一般项目、（）指导项目计划完成时间2015年5月研究期限项目起始时间2014年5月实际完成时间2015年4月一、项目实施情况（请就研究目标、研究过程、研究成果、项目的完成质量、学术水平以及推广应用价值作全面总结，3000字以内）研究目标通过本项目，让学生了解无源集成多层微电路基片的国内外研究现状与制备测试方法。制定复相玻璃陶瓷材料的配方，采用玻璃高温熔融法制备各玻璃粉料，结合流延工艺参数的优化，对制成的电路基片材料进行综合性能测试。研究成果参加研究人员能够较全面的对低温共烧微电路材料进行综合分析，在加深对低温共烧微电路材料的认识的同时，通过优化制备技术,得到了优化的结构及更优异的性能,并了解了相关材料的综合性能和应用前景。撰写了实验报告和学术论文一篇，已经在投稿中。项目的完成质量通过控制反应条件和配方调整，已成功制备得到性能良好的低温共烧陶瓷微电路材料，并研究了最佳的实验条件，达到了课题要求的基本效果。在这次大学生实践创新项目中，参加人员通过本课题研究基本掌握了国内外文献检索技能，并对材料学领域产生了浓厚兴趣，进而掌握了科研基本思路，培养了对材料学领域科学研究的浓厚兴趣，从而对以后的学习和工作起到很好的指导作用。学术水平目前，低温共烧材料在采用烧结法制备钙硼硅玻璃陶瓷时，往往只注重烧结温度的降低、粉体制备方法的改进和介电损耗的降低，研究区域也仅仅局限于高硅区的个别配方点以及试样烧结后的性能，对钙硼硅三元体系缺乏整体性的把握和系列化的研究成果，对氧化硼挥发引起材料的稳定性、可靠性缺乏预测。因此本项目开发出工艺稳定、低损耗的低温共烧陶瓷材料，具有一定的学术价值和指导意义。推广应用价值小型、轻量、薄型、高性能是数字网络时代电子设备的发展趋势，用于电子产品的元器件，也必定朝着高可靠、微型化、薄膜化、多功能和高效能等方向发展，这要求电子基板要有优良的电性能、机械性能、热性能、化学稳定性等。低温共烧新型高性能陶瓷基板材料由于其介电常数可调、热膨胀系数与相关材料匹配、宽频性能优越等特点，在射频、微波、无线电通信等领域中有着广泛的应用，成为近年来研究的热点，应用前景广阔。研究过程本课题分四个阶段完成，第一阶段查阅文献，总结前人在相关材料制备方法上的研究结论，提出创新改良方案；第二阶段根据实验方案准备实验材料、仪器和设备，进行样品的制备和表征，逐步调整实验方案，确定样品最佳实验条件；第三阶段对实验数据进行分析，得出相应的结论，并根据结论对实验进行必要的补充；第四阶段对实验进行系统总结，完成报告。目前实验进行到第三阶段。通过查阅文献，我们对低温共烧玻璃陶瓷材料有了初步的认识。本课题将混合均匀的配合料在1500的硅钼棒高温升降炉中，玻璃熔制时间为40MIN，倒入铁制磨具中观察玻璃的形成情况。将1450的熔融玻璃液，倒入去离子水中，急冷，得到结构比较疏松的CBS玻璃碎片。球磨得到平均粒径小于5微米的微细玻璃粉体。研究发现玻璃的熔制温度越高，配合料中石英的熔化越充分，玻璃的稳定性就越好，但试样的烧结温度增加，而熔制温度在1400和1450的玻璃粉，试样烧结后的介电性能相对优越，结合其介电损耗，选择熔制温度在1450的玻璃陶瓷，继续研究在此配方附近，氧化钙与氧化硅的比例固定不变，氧化硼含量在30WT、35WT、40WT变化时，CBS玻璃陶瓷性能的变化。从下图可以看出，B2O3含量在35WT的CBS玻璃陶瓷，烧结范围比较宽，在850时烧结密度达到最大，为254GCM3，而B2O3含量在30WT和40WT的CBS玻璃陶瓷，在830时的烧结密度达到最大，分别为241GCM3、247GCM3，在达到最佳烧结温度后，密度迅速降低。790808108208308408508608708021223242526DENSITY/GCM3SINTERIGTEMPERATURE/30540B2O3含量为35WT的CBS玻璃陶瓷在800的介电常数相对较高，这和它800时就有较高的烧结密度一致，随着烧结温度的增加介电常数均呈先增加后减小的趋势。在最佳烧结温度850下，CBS玻璃陶瓷的介电常数最大为642，介电损耗为00009。而B2O3含量分别为30WT和40WT的CBS玻璃陶瓷，在800时的烧结密度相对较低，在最佳烧结温度830下的介电常数分别为627、629，介电损耗相对较大分别为0024、0013，可见氧化硼含量过高或者过低都对介电性能不利。7908108230845086708559601623645SINTERIGTEMPRATUE/3054R790810823084508670810123456TAN102SINTERIGTEMPRATUE/3054介电性能的变化还可以从物相分析和SEM照片中得到解释，下图为三种玻璃陶瓷的XRD图40WT的试样烧结温度为830，其它为850，从图中可以看出，玻璃陶瓷的晶相种类均由CAB2O4、CASIO3、SIO2三种组成，氧化硼含量由30WT到40WT变化时，各晶相的相对含量发生了变化。氧化硼含量的为40WT的玻璃陶瓷，其衍射峰相对于35WT和30WT的玻璃陶瓷，CASIO3和SIO2的衍射峰明显下降，由于其氧化硼含量的增加，使氧化硅和氧化钙的含量相对减少，CA2与硅氧四面体的结合几率变小，导致CAB2O4的衍射峰上升。氧化硼含量为35WT的玻璃陶瓷，衍射峰相对与30WT的玻璃陶瓷，CASIO3含量下降，也是由于氧化硼含量增加引起的。203040506030INTESITY/AU235CAB2O4SIAS30CBS玻璃陶瓷的SEM表面形貌图，其中A为30WT的试样烧结温度为850，B为35WT的试样烧结温度为850，C为40WT的试样烧结温度为830。从中可以看出，试样均由玻璃相、晶相、微气孔组成。A中晶体形貌不明显，晶粒尺寸小于1M，这些小晶体在玻璃陶瓷中占50体积比以上，气孔成连通状态，使玻璃陶瓷的介电损耗的较大。B中气孔较少大部分在1M以下，晶粒密集，尺寸小于1M，成团簇状，晶体在玻璃陶瓷中占的体积比明显高于试样A，是一种比较理想的微晶结构。C玻璃陶瓷大部分由玻璃相组成，晶相含量比较少，被酸腐蚀后，出现“凹坑”，可见过多的氧化硼不利用理想微晶结构的获得。A30WTB35WTC40WT氧化硼含量变化时玻璃熔制温度为1450，熔制时间为40MIN，在最佳烧结温度下，玻璃陶瓷的介电常数变化不大，处于6265之间。氧化硼含量过高或者过低都对介电损耗不利。氧化硼含量为30WT时，烧结后的玻璃陶瓷中存在连通气孔，介电损耗也比较大，在102数量级。氧化硼含量为40WT时，CAB2O4晶相增加，玻璃相较多，介电损耗较大，在102数量级。而氧化硼含量为35WT时，烧结后的玻璃陶瓷中晶粒密集、气孔较少，试样的介电损耗较小，在104数量级。烧结后试样的晶相组成均为CAB2O4、CASIO3、SIO2。为了得到高固含量、适合流延的稳定的CBS玻璃陶瓷浆料，课题详细分析了各种有机添加剂及其含量、固含量、R值、球磨时间等因素对浆料流变性能的影响，制备了平整、光滑、厚度可控制的CBS玻璃陶瓷生料带。研究发现在固含量为50WT的CBS玻璃陶瓷流延浆料的制备过程中，乙醇、二甲苯和异丙醇31WT13WT56WT的恒定组分混合物对粉料的润湿性能最好，粉体的悬浮性能和浆料流变性能最佳。以3WT蓖麻油为分散剂，制备的固含量为50WT的CBS流延浆料受到的剪切应力、RSH值最小，分散性能最佳。浆料的粘度随剪切速率增加而下降，呈剪切变稀的流变学特性；随着固含量的升高，浆料粘度急剧上升，而浆料的流动性随着固含量的增加急剧降低；对于不同固含量的浆料，分散剂的最佳用量也有很大差异，随着固含量的增加，分散剂的最佳用量也相应增加。当增塑剂与粘结剂的比值R在0507之间时，浆料对应的粘度在16002000MPAS之间；球磨时间在12H左右，浆料可以获得最好的分散效果。当固含量从40WT增加到50WT时，8WTPVB含量的CBS生料带上、下表面的气孔率降低，均匀程度增加；固含量为50WT的生料带的上、下表面结构都很均匀、致密，但当固含量进一步增加到55WT时，生料带上表面气孔增多，平均颗粒粒度也小于下表面。下图是50WT固含量流延生料带的实物照片。图中生料带厚度为127M，上、下表面都很平整、光滑，且生料带的面积大。AB图5950WT固含量流延生料带照片A上表面，B下表面小结本实验讨论了氧化硼变化对CBS玻璃陶瓷烧结性能、介电性能和微观结构的影响，得出以下结论1、当熔制温度升高到1500时，玻璃的三种氧化物充分反应，玻璃粉中已不存在尚未熔融的石英，玻璃稳定性比较高，玻璃的特征更加明显，CBS玻璃陶瓷的致密化温度明显升高，在930密度为234GCM3，介电常数为591。2、当熔制温度在14001450时，玻璃粉中存在少量尚未熔融石英和不稳定型未知晶相，它们的存在，加速了试样的致密化烧结，在870左右，烧结体微观结构致密，气孔较少，晶粒细小、分布均匀，玻璃陶瓷的介电损耗均达到1103以下。3、氧化硼含量变化时玻璃熔制温度为1450，熔制时间为40MIN，在最佳烧结温度下，玻璃陶瓷的介电常数变化不大，处于6265之间。氧化硼含量过高或者过低都对介电损耗不利。氧化硼含量为30WT时，烧结后的玻璃陶瓷中存在连通气孔，介电损耗也比较大，在102数量级。4、选用乙醇、二甲苯和异丙醇31WT13WT56WT的恒定组分混合物作为溶剂、以3WT蓖麻油为分散剂，浆料具有适合流延的最佳粘度；浆料的粘度随剪切速率的增加而下降，呈剪切变稀的流变学特性；增塑剂和粘结剂的比值R最佳值在0507之间，其对应的粘度在16002000MPAS之间；球磨时间在12H左右时，浆料可以获得良好的分散效果。二、项目创新点与特色目前，低温共烧材料在采用烧结法制备钙硼硅玻璃陶瓷时，往往只注重烧结温度的降低、粉体制备方法的改进和介电损耗的降低，研究区域也仅仅局限于高硅区的个别配方点以及试样烧结后的性能，对钙硼硅三元体系缺乏整体性的把握和系列化的研究成果，对氧化硼挥发引起材料的稳定性、可靠性缺乏预测。因此探讨钙硼硅三元体系玻璃的特点，从整体上把握钙硼硅材料性能的变化范围及特点，开发出工艺稳定、低损耗的低温共烧陶瓷瓷粉，是当务之急。三、项目成果项目申请书中的预期成果及成果提交形式公开发表论文（）篇、专利（）项、调查报告（）份软件、著作（）份、实物（1）件、竞赛获奖（）次其它（）项目结题时取得的成果投稿论文（1）篇、专利（）项、调查报告（）份软件、著作（）份、实物（1）件、竞赛获奖（）次其它（）项目主要研究成果情况序号成果名称（获奖名称及等级）成果形式作者（获奖者）出版社、发表刊物或颁奖单位时间（刊期）1EFFECTSOFSOLIDLOADINGONPROPERTIESOFCAOB2O3SIO2SYSTEMTAPECASTINGSLURRIESANDGREENTAPES论文陈龙、曹园章、陈继奎、朱海奎JOURNALOFMATERIALSPROCESSINGTECHNOLOGY投稿中2低温共烧陶瓷生料带样品实物样品陈龙3456四、研究体会和心得（500字以内）作为在校大学生，在参加本项目之前，我对课题可谓是一无所知，也觉得搞科研是很难的，是专家们做的事。特别是作为刚开始接触专业知识的我们，没有能力、也没有时间去做的。因此最开始我们不知道怎么去做课题，只是依照老教师的意见和列举的框架收集一些材料，而具体的实施过程也只是一带而过。通过一段时间的研究学习，我发现其实课题研究是与我们平日的专业学习还是息息相关的。通过做课题，我们可以很好的解决专业知识学习中遇到的问题和困惑。课题研究也是把我们自己的平日专业知识的总结、归纳成有一定实践依据的经验，然后再指导具体的专业知识学习，提高自己的专业知识水平，使学习更有效。课题研究并不像我们想象的那么难，只要我们努力钻研，虚心向老师、学长们学习，课题研究就能得心应手，我们就能从中得到启示。我会在今后的研究与学习中，端正态度，虚心求教，努力提高自身的科研能力。五、经费使用明细情况项目实际投入经费20000元项目获批总经费20000元实际使用资金20000元结余资金0元项目经费开支情况名目用途金额备注论文版面费专利申请费调研、差旅费调研以及测试等车费1000打印、复印费课题探讨汇报用打印、复印文稿1000资料费课题探讨用相关文献书籍刊物900试剂等耗材费课题研究所必须的高温坩埚以及发热体14100元器件、软硬件测试、小型硬件购置费等；XRD、SEM等测试费用3000其它项目组承诺我保证上述填报内容的真实性，经费使用规范合理，项目成果无弄虚作假情况。主持人签名项目组其他成员签名填表说明1本表应填写完整、内容详实、表达准确，认真如实填写表中所列年月日指导教师意见（包括项目的组织实施、完成质量、学术水平以及推广应用价值、经费使用等情况）通过本项目的研究已成功制备得到性能良好的低温共烧陶瓷微电路材料，并研究了最佳的实验条件，达到了课题要求的基本效果。参加人员通过本课题研究基本掌握了国内外文献检索技能，并对材料学领