球磨玻璃粉对低温烧结型浆料烧结膜孔洞的影响_甘卫平

球磨玻璃粉对低温烧结型浆料烧结膜孔洞的影响＊

甘卫平,张海旺,刘　妍

(中南大学材料科学与工程学院,长沙410083)

摘要 采用机械球磨后的玻璃粉制成浆料烧结膜。讨论了不同的球磨时间对玻璃粉粒径的影响。通过

SEM 、X 射线照相技术观察分析了浆料烧结膜的表面形貌及孔洞率,研究了不同球磨时间的玻璃粉对浆料烧结膜的表面形貌及孔洞率的影响。结果表明,球磨24h 的玻璃粉平均粒径为3.5μm 。这种玻璃粉制成的浆料烧结膜表面平滑致密,孔洞率最小,满足浆料的使用要求。

关键词 球磨　玻璃粉　浆料烧结膜　孔洞

中图分类号:T B34

Effect of Milling Glass Frits on Void of Sintered Film of Low Temperature

Sintered Paste

G AN Weiping ,ZHA NG Haiw ang ,LIU Yan

(Schoo l of M aterials Scie nce and Eng ineering ,Central South U niv ersity ,Chang sha 410083)

Abstract T he sintered film o f paste is prepared with milling glass frits .T he influence s of diffe rent milling time on the par ticle size of g lass frits are studied .T he sur face mo rpho lo gy and v oid rate are ana lyzed by means of SEM and

X -r adio g ram technolog y .T he effec ts o f glass frits with diffe rent milling time on the sur face mo rphology and void rate of sintered paste film ar e researched .T he results sho w tha t the g lass po wder with averag e size of 3.5μm ca n be o b -tained o n the co nditio n of g rinding time being 24h .When the paste is prepared w ith this kind o f glass frits ,the surface of sintered paste film is smo oth a nd dense and the rate o f v oid is smallest ,which can sa tisfy the demand fo r use o f pa ste .

Key words milling ,glass f rit s ,sinte red paste film ,vo id

　＊国防科学技术工业委员会资助(JPP T -115-471)

　甘卫平:男,教授,主要从事信息功能材料的研究　T el :0731-*******　E -mail :csu .zhw @163.co m

随着航空航天和商业用途的微波电路、微电子器件、半导体集成电路向大功率、小型化、轻量化、高密度组装化和高可靠性的方向发展,对集成电路的组装工艺提出了更高更严的要求[1—5],特别要求组装工艺中所应用的浆料具有高导热、高导电、低膨胀系数、高散热性、较大的剪切力等性能且能够均匀、无空隙地覆盖。浆料烧结膜的致密性与上述种种性能都有着密切的关系[6]。

浆料烧结膜的孔洞率是指浆料连接了电子芯片与陶瓷基座,在一定的烧结曲线下进行烧结,烧结后通过X 射线设备观测烧结膜的孔洞占芯片粘贴面积的百分比。电子浆料是由导电相、粘接相(玻璃粉末或有机树脂)与有机载体(有机物溶液)按一定比例混合组成的一种粘稠均匀的悬浮液体。浆料的粘结相主要有高温玻璃、低温玻璃以及有机树酯。本课题研究的是低温烧结型的银基浆料,所以取熔点为300℃的低熔点玻璃作为粘结相。玻璃在导体浆料中所起的作用主要有2种[7]:一是作为金属和陶瓷结合的中间过渡层,以提高金属层的附着力;二是在烧结过程中形成液相,促进金属颗粒的烧结致密化。因此玻璃成分的形貌对烧结膜的致密性起了很大的作用。本文采用机械球磨工艺对玻璃粉进行研磨,研究了不同粒径的玻璃粉对浆料烧结膜孔洞率

的影响。

1　试验

1.1　玻璃粉的制备

本实验所用玻璃粉主要成分为PbO ,同时含有少量的Al 2O 3和B 2O 3等。对玻璃粉进行机械球磨,采用氧化锆磨球,球料水比(质量比)为1.6∶1∶1,分散剂为水,转速为420r /min 。每4h 取1次样,取6次,另外分别在5h 和10h 时再取2次样,如表1所示。

表1　球磨玻璃粉样品标号T able 1　Sam ple number of glass frits

样品标号

0#1#2#3#4#5#6#7#8#球磨时间/h

04581012162024

1.2　浆料的制备

将球磨好的玻璃粉2#、4#、8#分别与已有的有机载体按

一定比例配制成浆料,如表2所示;将调制好的电子浆料涂附在陶瓷基片上,在空气中静置15m in 后按一定的烧结曲线

·60·材料导报:研究篇 2009年1月(下)第23卷第1期

进行烧结,待冷却后观察其表面形貌;将表2中的4种浆料用于芯片与基座之间的组装,组装好后按上述相同的烧结曲线进行烧结,冷却后在不破坏其结构的情况下通过X 射线设备进行观测,然后通过网格法计算浆料烧结膜的孔洞率。

表2　浆料型号

Table 2　Sam ple num ber of paste

浆料样品标号9#

10#

11#

12#

玻璃粉型号0#2#4#8#玻璃粉球磨时间/h

5

10

24

2　实验结果与讨论

2.1　球磨时间对玻璃粉粒度的影响

球磨时间是影响球磨产品性能的重要参数。一般来说,将粗大颗粒物料磨至10μm 是比较容易的,所需时间也比较短,但将10μm 的物料球磨至亚微米甚至纳米级超细粉体,球磨时间则要延长几倍甚至更长。但随着球磨时间的延长,球

磨效率逐渐下降,因此要确定合适的球磨时间[8]

。本实验取4h 、5h 、8h 、10h 、12h 、16h 、20h 、24h 等8个球磨时间进行试验。玻璃粉平均粒度与球磨时间的关系如图1所示

。

图1　玻璃粉平均粒度与球磨时间的关系曲线

Fig .1　Relation betwee n average particle siz e of glass an d

time of milling

从图1中可以看出,从原始玻璃粉球磨开始至16h ,曲线斜率很大,平均粒径也发生了急剧的变化,玻璃粉的粒度由20μm 降至4μm ,说明这段时间内最容易细化粉末。这是由于球磨粉末粒度较大,单位体积的表面自由能较小,球磨能

量迅速被粉末吸收,转变为球磨所需的粉末断裂能[9]

。在球磨时间16～24h 之间,粉末粒径变化不大,平均粒径为3.5μm ,粒度减小速度减慢,细化作用不断减弱。

2.2　球磨时间对玻璃粉粉末形貌的影响

图2为不同球磨时间下玻璃粉颗粒的微观形貌。图2(a )为没有经过球磨的玻璃粉,从图中可以看出玻璃粉的颗粒粒径不均匀,一部分颗粒较粗大且呈现不规则的块状。然而随着球磨时间的延长,在高能球磨过程中,玻璃粉同磨球之间相互碰撞、挤压使粉末的形貌发生了变化[10—12]。随着时间的延长,颗粒的粒径明显减小,如图2(b )、(c )、(d )所示。图2(d )为球磨24h 的玻璃粉形貌。与图2(a )相比可以看出,玻璃粉的粒径明显变小,且形状也从不规则的较大的块

状变为较小的椭圆状。

图2　不同球磨时间的玻璃粉形貌

Fig .2　Microscopic stru cture of glass frits at differ ent

milling time

2.3　玻璃粉粒径对电子浆料表面形貌的影响

为了研究玻璃粉的粒径大小对浆料烧结膜致密性的影响,取具有代表性的球磨5h 、24h 的玻璃粉制成电子浆料。

图3为样品10#和12#在不同倍率下的扫描照片。从图中可以看出,图3(a )的黑色部分孔洞面积在数量和尺寸上远远大于图3(b ),而图3(b )对应的玻璃粉的球磨时间为24h ,其粒径远远小于图3(a )浆料所用玻璃粉,因此,随着玻璃粉球磨时间的延长,粒径的减小,黑色部分的孔洞面积和数量逐渐减少。另外,从图3(c )中可以观察到烧结膜发生了垂直晶粒长大,而图3(d )中烧结膜发生了侧向晶粒长大且晶粒大小较均匀,由此可知,图3(d )中的烧结膜相对于图3(c )更光滑。总体来说,随着球磨时间的延长,玻璃粉尺寸减小,浆料的表面形貌更加致密、光滑。

图3　样品10#和12#的表面形貌

Fig .3　Microscopic stru cture of Sample No .10and 12

2.4　玻璃粉粒径对浆料烧结膜空洞率的影响

图4为不同球磨时间下玻璃粉所配制浆料的烧结膜的X 射线照片。采用X 射线照相技术以垂直于芯片表面的方

向对芯片的粘接面积进行检测[13]

。图中方形面积为芯片的

·

61·球磨玻璃粉对低温烧结型浆料烧结膜孔洞的影响/甘卫平等

粘接面积,方形区域内的灰色部分为浆料使芯片与陶瓷无缝

隙的连接,而较亮的部分为孔洞。从图4中可以看出,4张图中较亮的部分依次逐渐减少,即浆料烧结膜中孔洞面积逐渐减少,特别是图4(d )的空洞面积接近0。图4(a )为未经球磨玻璃粉制成浆料后的烧结膜的照片,而图4(b )、(c )、(d )分别对应浆料中玻璃粉的球磨时间为5h 、10h 、24h 。用网格法对图片中浆料的孔洞面积进行计算,图中孔洞的面积占芯片粘贴面积的百分率依次分别为18.5%、9%、7.2%和0.3%。由此可以看出,随着球磨时间的延长,玻璃粉颗粒的粒径逐渐减小,浆料烧结膜的孔洞逐渐减少,浆料烧结膜的致密性逐渐增加

。

图4　浆料烧结膜的X 射线照片

Fig .4　The X -r ay images of sintere d film of paste

3　结论

高能球磨法可以有效地细化玻璃粉,使粉末的平均粒径

从20μm 细化到3.5μm ,但有一定的细化极限,16h 以后细化效果不明显,最佳球磨时间为24h 。高能球磨对玻璃粉颗粒的形貌有一些影响,使其从不规则的较大的块状颗粒变为较小的椭圆形颗粒。随着玻璃粉球磨时间的延长,相应的所制浆料的致密性逐渐增加,浆料烧结膜的孔洞逐渐减少。当玻璃粉的球磨时间为24h 时所制成的浆料的致密性最好,孔洞率几乎为0。

参考文献

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13M og hadam F arhad K .Deve lopment of adhesive die a ttach

techno log y in cer dip packag es [J ].Solid State T echn ,1984,27:149

(责任编辑　张　竞)

《材料导报》2007年度引证指标

2007年文献来源指标

来源文献量文献选出率平均引文

平均作者

地区分布数

机构分布数

海外论文比基金论文比

引用半衰期

496

0.984

27.753

3.853

25

163

0.01

0.817

5.359

2007年文献被引指标

总被引频次

影响因子即年指标

他引率

引用期刊数

扩散因子学科扩散指标学科影响指标

被引半衰期

2111

0.608

0.052

0.903

615

29.133

9.6090.359

4.557

2007年期刊高被引指数

五年被引频次

五年影响因子

五年载文总数

被引率学科高被引文章分布数

13640.681

2003

0.41

1被引50%文章累积指数

被引50%作者累积指数

被引50%机构累积指数

单篇文章最高被引次数

221

212.512.883

10

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