新型低温共烧复合陶瓷结构设计及导热机理

Considering the insufficient research on the thermal conduction effect and thermal conduction mechanism of key low temperature cofired ceramic (LTCC) materials used for high-power LED package field, this project focuses on Si-Al-B-Ca-M-O (M is metal element) system crystallizable glass and high thermal conductivity superfine graphite powder composites. It is proposed in this project that the thermal resistance can be realized by transforming glass phase to crystallization phase coating and optimizing the interface layer structure.. By the optimization technology used from nano-crystalline, micro-crystalline and interface layer microstructure control in glass crystallization, the relationships among crystallization degree, melting temperature-reducing glass phase, sintering behavior and thermal conductivity are investigated in detail. Further, the interface structures, such as roughness, contact area, waviness, geometrical profile and infiltration reaction degree, are explored to reveal the influence mechanism of glass/crystallization/graphite composite on phonon propagation and reflection, interface layer and substrate thermal conductivity. And finally to improve thermal conductivity of the key LTCC materials used for high-power LED package. The above research provides a new idea of thermal conductivity research in microelectronics passive integrate circuit field.

本项目针对目前大功率LED封装关键配套LTCC材料导热效果差以及导热作用机理研究不足的具体问题，以Si-Al-B-Ca-M-O(M为金属元素)可析晶玻璃粉复合高导热石墨超微细球为研究对象，在探讨析晶玻璃产生的纳米晶、微晶态的结构对玻璃导热性能的影响规律的基础上，研究析晶程度、玻璃相助熔性、材料烧结、体系导热性能四者之间的相互影响规律。. 期望通过控制玻璃析晶来实现玻璃相包覆转变为晶相包覆产生类并联的导热网络结构，并针对复相材料中因界面的存在而形成热阻造成整体的导热性能降低的具体问题，研究复相体系的界面层微观结构、界面层导热性能与基板导热性能相互影响关系规律。探讨出复相材料界面的粗糙度、接触面积、界面波纹度、几何形貌、渗透反应程度等对声子的传播反射影响机理，以改善大功率LED封装用LTCC基板的导热性能，并能对微电子无源集成电路封装用LTCC材料的导热性能研究提供新的思路。

目前，在封装用LTCC基板陶瓷材料方面，国内外广大科研工作者主要通过添加非析晶低软化点玻璃，利用玻璃软化增加液相传质，从而降低陶瓷的烧结温度至900℃左右。虽然这些体系材料可以获得低烧结温度，用作LTCC封装材料，但是材料整体的导热性能都很差。基板材料的热导率不仅取决于基体、玻璃相本身的热导率，而且还取决于两者的粘结程度、界面热阻、分散性等因素。目前，国内外学者已经通过实验及模型计算等方法对基板材料宏观尺度的导热性能、力学性能等进行了研究，但是在体系的结构优化规律以及对导热的作用反应机理研究等方面的文章罕有涉及。本研究基于应用可析晶玻璃复合高导热石墨超微细球的新制备技术，探讨了进一步调整玻璃的软化温度及液相出现温度以通过多产生液相促进烧结的影响规律及作用机理；研究了析晶程度、玻璃相助熔性、材料烧结性能、体系导热四者之间的相互影响规律，揭示了析晶玻璃产生的纳米晶、微态晶结构对玻璃导热性能的影响规律以及改善析晶玻璃导热性能的可靠途径；了解了析晶玻璃渗透包覆石墨颗粒的相演变过程；为导热LTCC关键材料制备技术应用开发奠定理论基础。