一种低介电磷玻璃及其制备方法、应用
阅读说明：本技术 一种低介电磷玻璃及其制备方法、应用 (Low-dielectric phosphorus glass and preparation method and application thereof ) 是由 周毅 张成霞 白伟 郑浩 赵杉杉 同阳 杨峻宇 赵红星 王凯悦 秦梅 田玉明 于 2021-02-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种低介电磷玻璃,所述磷玻璃组成按照摩尔%为：43.5-66.5%的P-2O-5,8-20%的BaO,8-20%的TiO-2,8-16%的Na-2O,0-9%的B-2O-3,0-2%的CaO,0-2%的MgO,0-2%的SrO,0-2%的ZnO,0-2%的Li-2O,0-2%的K-2O。本发明磷玻璃材料具有在高频场强下更低的介电常数与介电损耗,同时具有优良力学性能、热性能与低熔温特性。本发明磷玻璃材料适用于实现电子与微电子电路基板的低能耗制造、电子与微电子元器件的电子级无机封装与电子级玻纤生产的连续化与简易化生产等应用领域。(The invention provides low-dielectric phosphorus glass, which comprises the following components in percentage by mol: 43.5-66.5% of P 2 O 5 8-20% of BaO and 8-20% of TiO 2 8-16% of Na 2 O, 0-9% of B 2 O 3 0-2% of CaO, 0-2% of MgO, 0-2% of SrO, 0-2% of ZnO and 0-2% of Li 2 O, 0-2% of K 2 And O. The phosphorus glass material has lower dielectric constant and dielectric loss under high-frequency field intensity, and simultaneously has excellent mechanical property, thermal property and low melting temperature. The phosphorus glass material is suitable for realizing low-energy-consumption manufacturing of electronic and microelectronic circuit substrates and electronic grade inorganic packaging and electronic grade of electronic and microelectronic componentsThe continuous and simple production of glass fiber production and other application fields.)
技术领域
本发明涉及一种低熔化温度、低介电性能的玻璃，具有优良的力、热与电学特性，适用于电子与微电子集成电路行业。
背景技术
随着现代社会的快速发展和人类社会对信息技术需求的提升，电子与微电子技术也在飞速发展，进而推动了电子与微电子元件的小型化和电子与微电子电路的高集成化的进步。然而随着集成度的提高，集成电路板上的电容效应、热效应、互联延迟等问题也逐步加剧。这就需要开发出在高频电场下具有良好电气特性的电介质材料，以满足高集成电路对材料的需求。
由于玻璃材料具有良好的绝缘性、气密性、环境稳定性，且易于实现大尺寸制造等特点，在集成电路与微电子领域受到青睐。目前应用较多的低介电玻璃材料有D玻璃和E玻璃两大类产品。但是由于它们基于SiO2作为形成玻璃网络的组分，其熔制温度(>1400℃)偏高而造成生产能耗高、加工性能差等一系列问题，进而限制了其在集成电路基板制造中的大规模、连续化与简易化生产等方面的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低熔制温度、低介电特性的磷玻璃材料，同时具有良好的力学与热学特性。
本发明所涉及一种低介电磷玻璃，组成为，按照摩尔％为：43.5-66.5％的P2O5，8-20％的BaO，8-20％的TiO2，8-16％的Na2O，0-9％的B2O3，0-2％的CaO，0-2％的MgO，0-2％的SrO，0-2％的ZnO，0-2％的Li2O，0-2％的K2O。
进一步的，所述的低介电磷玻璃在室温25℃下：1MHz时，介电常数在4.008-6.306之间，介电损耗在2.8-6.1×10-3之间；10MHz时，介电常数在3.816-6.074之间，介电损耗在7.2-23×10-4之间；100MHz时，介电常数在3.701-5.835之间，介电损耗在2.3-5.1×10-4之间。
进一步的，所述的低介电磷玻璃在室温下的维氏硬度在602-685MPa之间，努氏硬度在505-573MPa之间，断裂韧性在1.31-1.81Pa·m1/2之间。
进一步的，所述的低介电磷玻璃的转变温度在467℃-521℃之间。
进一步的，所述的低介电磷玻璃在室温25℃下的热导率在1.3W/K·m以上。
本发明所涉及一种低介电磷玻璃的制备方法，包括以下步骤：按照上述的一种低介电磷玻璃的成分比例范围，将称量并混合均匀的原料置于高纯刚玉或铂坩埚内，在1150℃-1250℃温度下熔融1-2h后迅速倒入预热的不锈钢模具中使其快速成型，之后在450℃-500℃温度下退火2-3h祛除玻璃原片内应力，将祛除内应力的玻璃原片进行切割与磨抛处理。
本发明所涉及一种低介电磷玻璃，其原料为组成氧化物所对应的各元素的磷酸盐、硼酸、碳酸盐、氟化物、氯化物等组分所提供。
本发明的有益效果是：本发明所涉及的低介电磷玻璃具有在高频下更低的介电常数与介电损耗，同时具有低熔制温度、低转变温度、良好的力学与热传导性能，以达到降低生产能耗、实现电子与微电子集成电路基板制造、电子级无机封装与电子级玻纤生产的连续化与简易化生产的目的。
具体实施方式
本发明的发明人经过反复试验和研究得出特定成分，以较低的成本得到本发明的具有低熔温、低介电特性磷玻璃材料。下面对本发明所涉及各组分进行说明。在本说明书中若无特殊说明，各组分的含量全部采用换算成氧化物后的各组分的摩尔百分数来表示。所述“换算成氧化物后的各组分”是指，作为本发明磷玻璃组成的原料而使用的磷酸盐、硼酸、碳酸盐、氧化物等熔融时全部分解并转变为氧化物的情况下，将包含该元素的氧化物的摩尔总量作为100％。
P2O5是玻璃材料网络结构的重要组分，当P2O5含量低于43.5％时，介电常数与损耗会大幅上升，当P2O5含量高于66.5％时，玻璃的熔化温度会提高，同时玻璃的失透与分相也容易发生。
B2O3是玻璃网络构架的修饰体且有良好的助熔效果，当含量高于9％时，低介电性能会变差。
BaO有助于提高玻璃的低温熔化性，但含量低于8％时，熔化温度仍较高，含量高于20％时，玻璃失透性也会提高。
TiO2是一种有助于降低玻璃熔化温度，同时提高耐久性的组分，当含量低于8％时，其熔制温度无明显降低，含量高于20％时，会使玻璃易发生分相。
Na2O是提高玻璃低温熔融性和成形性的组分，但若含量高于16％时，玻璃的介电常数与损耗会提高，当含量低于8％时，其熔制温度降低的效果不佳。
Li2O和K2O能够提高玻璃低温熔融性和成形性，但它们其添加量高于2％时会使介电常数和损耗都提高。
MgO、CaO、SrO和ZnO有助于降低玻璃的粘度和改善低温熔化性，但它们的含量超过2％会引起玻璃的失透。
在本发明的磷玻璃体系中，作为玻璃组成，可以仅由上述成分组成，但在不严重影响性能的范围内，也可以添加其他组分，如Sb2O3、Bi2O3、As2O3、F-、Cl-等。
本发明的实施例1-20(表1和表2)磷玻璃采用如下熔融快冷法制备：按照成分比例范围将称量并混合均匀的氧化物、磷酸盐、碳酸盐、氟化物、氯化物等原料置于高纯刚玉或铂坩埚内，在1150℃-1250℃温度下熔融1-2h后迅速倒入预热不锈钢模具中使其快速成型，之后在450℃-500℃温度下退火2-3h以祛除玻璃原片内应力，将祛除内应力的玻璃原片进行切割与磨抛处理。
实施例中磷玻璃的介电性能采用Agilent 4294精密阻抗分析仪进行测定，样品规格10mm×10mm×0.6-0.8mm，以《GB/T 16822-1997介电晶体介电性能的试验方法》测试。
实施例中磷玻璃的硬度与断裂韧性采用401MVAS-P型微机精密硬度仪进行测定，样品规格10mm×10mm×0.8-1mm，以《GB/T 37900-2019超薄玻璃硬度和断裂韧性试验方法小负荷维氏硬度压痕法》测试。
实施例中磷玻璃的熔制温度Tm以混合料在坩埚内的加热过程中，通过摇晃法观察到熔液呈完全流体时的温度确定。磷玻璃的转变温度Tg采用METTLER TGA/DSC 3+综合热分析仪进行测定。
实施例中磷玻璃的热导率的测定采用LW9389热导率测定仪，样品规格25mm×25mm×1-2mm，执行ASTM C518-2010标准。
表1
表2
通过上述实施例可以看出，本发明的磷玻璃具有在高频电场下低介电常数、低介电损耗的特征，同时本发明的磷玻璃还具有良好的力学与热学特性，以及较低的熔制温度与转变温度，适用于通讯与微电子电路基板的低能耗制造、电子与微电子元器件的电子级无机封装与电子级玻纤生产的低功耗、连续化与简易化生产等领域。