论文摘要
电子元器件正朝着小型化、集成化和高可靠性方向发展,汽车、航空、航天领域恶劣的服役条件对封装基板提出了更高的强度要求。低温共烧陶瓷（LTCC）作为重要的高集成度电子封装材料,但由于传统LTCC材料玻璃+陶瓷复合材料体系的特点,材料三点弯曲强度难以超过350 MPa。本论文采用LTCC多层工艺,在多层结构中使用热膨胀系数不同的材料获得了残余应力,实现了LTCC基板的增强。主要从理论计算、多层结构ANSYS应力场模拟、材料的选择与制备、LTCC材料热膨胀系数调控、叠层结构设计与制备等方面进行研究。本文的主要研究内容和结果如下:（1）通过使用不同含量1μm、2μm粒径Al2O3对Ca-Al-B-Si-Pb-O（DP3）玻璃/Al2O3与Ca-Al-B-Si-Zn-O（CABSZ）玻璃/Al2O3两种LTCC材料进行优化,分别获得了高强度（三点弯曲强度）、高热膨胀系数（330 MPa,6.6 ppm/K）和高强度、低热膨胀系数（346 MPa,5.67 ppm/K）的LTCC材料,并通过两种玻璃的混合获得能与DP3/Al2O3实现共烧的80 wt%DP3+20 wt%CABSZ（D8C2）玻璃/Al2O3复合LTCC材料（337 MPa,5.9 ppm/K）。（2）根据第一强度理论分析了多层材料的断裂情况,并结合多层结构服役过程中的应力分布,通过理论计算求解得到最佳厚度比;分析得到选取高弹性模量的表层材料和高强度的内层材料,有助于获得更小的最佳厚度比,从而得到更大的残余应力增强效果。通过有限元法分析了多层结构在三点弯曲实验模型中的受力情况;根据多层材料的断裂判据,通过逼近的方法求解出最佳厚度比和最大强度增强效果。将D8C2/Al2O3和DP3/Al2O3的材料参数代入模型,得到的模拟结果为:最佳厚度比0.1850.227,最大强度398.36404.49 MPa。（3）根据理论计算和有限元分析的结果,设计了厚度比分别为0.07,0.17,0.19,0.26,0.41的几种不同结构基板。通过压痕法测残余应力、三点弯曲测抗弯强度,在厚度比为0.19时获得最大强度404 MPa的LTCC多层基板。当厚度比大于0.19时,断裂始于表面,材料增强效果与表面压应力大小近似;当厚度比小于0.19,断裂始于界面处,表面压应力增强效果减弱。（4）通过改变CaO/SiO2,对Ca-Al-B-Si-Zn-O玻璃热膨胀系数进行调控,研究发现玻璃热膨胀系数随CaO/SiO2增大呈线性增长,其中CaO的有效热膨胀系数约为12.3 ppm/K。将不同CaO/SiO2含量的玻璃与氧化铝共烧,发现随着玻璃成分中CaO/SiO2的增大,析出相由钙长石相（CaAl2Si2O8）向钙黄长石相（Ca2Al2SiO7）转变,并获得烧结温度850oC,强度为315 MPa、热膨胀系数为7.66ppm/K的高强度、高热膨胀系数LTCC材料。并进一步通过流延、叠层工艺使用此材料与CABSZ/Al2O3 LTCC材料制备多层结构,最终获得厚度比为0.22,强度为462 MPa的高强度LTCC多层基板。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 钱苏湘
导师: 刘志甫
关键词: 强度增强,残余应力,有限元,热膨胀系数
来源: 中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 力学,无机化工
单位: 中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
分类号: TQ174.1;O344.1
DOI: 10.27970/d.cnki.gksgs.2019.000102
总页数: 87
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