为集成电路封装定制Li2O-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷的介电常数-韧性-模量：α-三水石（SiO2）相的影响

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Tailoring the permittivity-toughness-modulus of Li 2O-Al 2O 3-SiO 2 glass-ceramics for integrated circuit package: Effect of α-tridymite (SiO 2) phase

　　采用多步热处理制备了SiO?/LiO?质量比从5.00到6.69的LAS玻璃陶瓷样品，优化了机械性能与介电性能。研究证实SiO?含量提升可调控α-三斜晶相比例，使SL6样品实现最低介电常数5.266、损耗角正切7.23×10?3，同时具有99.7 GPa弹性模量和1.90 MPa·m1/2断裂韧性，热膨胀系数为11.322×10?? K?1（50～500℃）。

　　

陈乐|葛文杰|任海深|林慧星

上海大学微电子学院，中国上海201800

摘要

高性能芯片封装玻璃基板通常需要较低的介电性能和优异的机械性能。本研究采用多步热处理工艺制备了一系列Li₂O-Al₂O₃-SiO₂（LAS）玻璃陶瓷（SL1-SL6）样品，这些样品的金属氧化物含量各不相同。研究表明，通过增加SiO₂含量同时减少Li₂O含量，可以调节α-三斜石相的含量，从而优化一系列性能指标，包括提高韧性 and 介电性能。实验结果表明，当SiO₂/Li₂O的质量比为6.69（SL6）时，该玻璃陶瓷的介电常数可低至5.266，损耗正切为7.23×10^?3。同时，SL6还表现出较高的弹性模量（99.7 GPa）和断裂韧性（1.90 MPa·m^1/2）。此外，SL6在50～500 °C范围内的热膨胀系数（CTE）为11.322×10^?6 K^?1。采用多步热处理工艺并结合成分调整，有效改善了玻璃陶瓷的性能，为低成本、高性能芯片封装基板的实现提供了技术支持。

引言

玻璃陶瓷是一种由玻璃相和晶体相共存的无机非金属材料，通过在高温下控制特定玻璃成分的成核和结晶过程形成[1]。玻璃陶瓷的性能主要取决于晶体的类型和含量。通过改变前驱体玻璃的成分和热处理方案，可以在一定程度上调控晶体的类型，从而调节玻璃的各种性能[2,3]。

随着人工智能（AI）技术的快速发展，工业界对高性能计算芯片的需求显著增加[4,5]。随着摩尔定律逐渐失效，先进的封装技术成为进一步提升芯片性能的关键途径[[6], [7], [8]]。自20世纪70年代以来，芯片基板材料经历了两次迭代：最初使用铅框架固定晶圆，随后在90年代被陶瓷基板取代。后来，由于有机基板具有较低的加工难度和高速信号传输能力，成为最常用的选择。然而，随着芯片特征尺寸的持续缩小，有机基板由于与晶圆之间的热膨胀差异越来越大，导致芯片损坏问题日益严重，因此迫切需要寻找替代基板材料。玻璃基板凭借其优异的机械、物理和光学性能，能够实现更高性能的多芯片封装，成为下一代高密度封装的理想选择[[9], [10], [11], [12]]。

常用的玻璃基板材料包括铝硅酸盐、硼硅酸盐以及钠钙玻璃和石英玻璃[[13], [14], [15]]。硼硅酸盐玻璃和石英玻璃具有较低的热膨胀系数（< 3 × 10^?6 K^?1）和较高的化学稳定性，适用于高端芯片封装应用[13]。钠钙玻璃和铝硅酸盐玻璃由于成本优势和较好的机械性能（模量 > 70 GPa），满足中低端芯片设计的需求[14,15]。Li₂O-Al₂O₃-SiO₂（LAS）系统玻璃作为一种铝硅酸盐玻璃，因其可调的热膨胀系数和出色的机械强度及化学耐久性，成为研究与应用最广泛的基板材料之一[[16], [17], [18]]。为了研究Li₂O含量对LAS玻璃陶瓷性能的影响，中国电子科技大学的Bin[19]研究了SiO₂/Li₂O含量对LAS玻璃陶瓷微观结构和物理化学性质的影响。结果表明，在热处理前，随着SiO₂/Li₂O比率的降低，介电常数增加。这归因于SiO₂/Li₂O比率降低导致玻璃结构中非桥接氧的极化性增强。为了优化LAS玻璃陶瓷的透射率，Bai[20]发现两步结晶法可以生成更细小的锂硅酸盐颗粒，从而提高透射率。W. H?land[21]发现P?O?可以促进LAS玻璃陶瓷中Li₃PO₄纳米晶的异质成核，促进Li₂SiO₃和Li₂Si₂O₅晶的生长。当P?O?含量达到3.2 wt.%时，LAS玻璃陶瓷的机械性能达到最佳。Liu[22]证明添加质量比为2:1的ZrO₂/P?O?成核剂可显著加速结晶过程，使基体玻璃的硬度提高到7.23 GPa。Qing[23]进一步发现，在LAS玻璃陶瓷中加入适量的MgO可以有效提高其弯曲强度。

本研究旨在根据芯片封装对玻璃基板性能的要求，定制LAS玻璃陶瓷的性能。目前关于LAS玻璃陶瓷的研究主要集中在单一性能上。本文通过降低LAS玻璃成分中的金属氧化物含量并采用多步热处理工艺，制备了介电性能适中且机械性能优异的LAS玻璃陶瓷样品，为开发低成本、高性能的芯片封装基板提供了指导。

章节摘录

玻璃陶瓷的制备

前驱体玻璃样品采用常规熔炼方法制备。通常，减少金属氧化物的使用并增加SiO₂的含量可以有效降低玻璃材料的介电性能。基于此，设计了一系列金属氧化物含量逐渐减少的玻璃样品，编号为SL1至SL6。前驱体玻璃的具体化学成分见表1。从SL1到SL6，SiO₂/Li₂O的质量比从5.00增加到6.69。

拉曼光谱分析

拉曼光谱可以检测配位状态、化学键的性质、变化及其相互关系，是分析玻璃网络结构的重要方法。图1(a)显示了前驱体玻璃在100–1900 cm^?1范围内的归一化拉曼光谱。在400–600 cm^?1范围内以及大约800 cm^?1、953 cm^?1和1086 cm^?1处可以观察到明显的特征峰。所有振动模式及其对应的拉曼波数都在100～1900 cm^?1范围内。

结论

本研究通过多步热处理工艺制备了不同SiO₂/Li₂O质量比的LAS玻璃陶瓷。定制的SL6样品表现出适中的介电性能（ε_r = 5.266，tanδ = 7.44 × 10?³）和相对优异的机械性能。改变金属氧化物含量对LAS玻璃陶瓷性能的影响如下：

a)

经过多步热处理后，SL1-SL6玻璃陶瓷样品主要析出了Li₂Si₂O₅相

作者身份确认

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签名：

姓名：陈乐

姓名：葛文杰

姓名：任海深

姓名：林慧星

CRediT作者贡献声明

陈乐：撰写 – 原始草案、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。葛文杰：研究、概念化。任海深：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源管理、方法论、概念化。林慧星：监督、资源管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52472018）的支持。