Низкотемпературный стеклокерамический материал и способ его изготовления



Низкотемпературный стеклокерамический материал и способ его изготовления
Низкотемпературный стеклокерамический материал и способ его изготовления
Низкотемпературный стеклокерамический материал и способ его изготовления
Низкотемпературный стеклокерамический материал и способ его изготовления
Низкотемпературный стеклокерамический материал и способ его изготовления
Низкотемпературный стеклокерамический материал и способ его изготовления
C04B41/5016 - Последующая обработка строительных растворов, бетона, искусственных камней или керамики; обработка природного камня (кондиционирование материалов перед формованием C04B 40/00; нанесение жидких или других текучих материалов на поверхность вообще B05; шлифование или полирование B24; способы и устройства для изготовления и обработки отформованных изделий из глины или других керамических составов, шлака или смесей, содержащих вяжущие вещества B28B 11/00; обработка камня и т.п. материалов B28D; глазури, кроме холодных глазурей, C03C 8/00; составы для травления, поверхностного осветления или декапирования C09K 13/00)
C04B35/62645 - Формованные керамические изделия, характеризуемые их составом (пористые изделия C04B 38/00; изделия, характеризуемые особой формой, см. в соответствующих классах, например облицовка для разливочных и плавильных ковшей, чаш и т.п. B22D 41/02); керамические составы (содержащие свободный металл, связанный с карбидами, алмазом, оксидами, боридами, нитридами, силицидами, например керметы или другие соединения металлов, например оксинитриды или сульфиды, кроме макроскопических армирующих агентов C22C); обработка порошков неорганических соединений перед производством керамических изделий (химические способы производства порошков неорганических соединений C01)

Владельцы патента RU 2712840:

Челноков Евгений Иванович (RU)

Изобретение относится к производству стеклокерамического композиционного материала и может использоваться в электротехнической и радиотехнической промышленности, в производстве корпусов и подложек для интегральных схем и многослойных керамических плат многокристальных керамических модулей (МКМ). В заявленном составе стеклокерамический материал содержит низкотемпературное кристаллизующееся стекло и алюмооксидную керамику при соотношении (1,4-1,0):(0,6-1,0) соответственно. Низкотемпературное кристаллизующееся стекло дополнительно содержит оксид хрома при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO2 20-34, ВаО 34-40, B2O3 23-26, СаО 1-10, SnO2 1-10, а также сверх 100% оксид хрома (Cr2O3) 2-5 и оксид алюминия (Al2O3) 5-10. Оксид алюминия и оксид хрома перед составлением шихты предварительно смешивают и прокаливают при температуре 1300-1400°С. Низкотемпературный стеклокерамический материал после смешения с органической связкой и формования в виде изделий с токоведущими элементами (металлокерамический корпус, металлокерамическая плата) совместно обжигают для удаления органической связки при температуре 700-800°С, вводят дополнительно оксид фосфора (Р2О5) пропиткой в водном растворе ортофосфорной кислоты (Н3РО4), сушат на воздухе и отверждают без огневой усадки при температуре 300-900°С в течение 0,5-2 часов. При этом происходит стабилизация термомеханических и диэлектрических свойств материала и активная кристаллизации матричного стекла с получением безусадочной керамики. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к производству стеклокерамического композиционного материала и может использоваться в электротехнической и радиотехнической промышленности, в производстве корпусов и подложек для интегральных схем и многослойных керамических плат многокристальных керамических модулей (МКМ).

Основными компонентами для производства многослойных печатных плат традиционно являлись органические материалы с низкими значениями относительной диэлектрической проницаемости (FR-4, εr=3,5…4,5) и керамика с высокими значениями диэлектрической проницаемости (εr=10…12). Увеличение рабочих частот электронных приборов потребовало создание нового материала, который, с одной стороны, позволял легко создавать многослойные печатные платы, а на высоких частотах имел бы характеристики схожие с керамикой. Известен новый материал, который получил название «низкотемпературная совместно обжигаемая керамика (Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC) [1, 2]. Он используется для производства ВЧ и СВЧ-микросхем низкой и средней степени интеграции и других приборов.

Наряду с существенными достоинствами технологии LTCC в ней на сегодняшний день недостаточно изучены процессы изготовления композиционного материала. Существует проблема совместимости стеклосвязки и керамической составляющей, связанной с возможными различными коэффициентами термического расширения (КТР). (Материалы считаются совместимыми, если значения их КТР отличаются не более чем на 7%). При этом состав стеклосвязки должен обеспечить спекание композиционного материала при температурах около 900°С. Препятствием для широкого использования LTCC-материалов является также привязанность к зарубежным производителям, поскольку их керамические материалы спроектированы только под определенные металлизационные пасты того же производителя, а стоимость паст составляет большую часть стоимости изделия. Таким образом, вопрос покупки и передачи технологии остается открытым. Это связано с тем, что многие изделия, получаемые из LTCC, применяются в изделиях ВПК зарубежных стран (из таких композиционных материалов, например, производят планарные антенны для систем наведения ракет), поэтому продажа технологий за пределы этих стран запрещена. Учитывая вышеизложенное, задача создания материала для изготовления изделий из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики является чрезвычайно актуальной [1, 2]

Основу большинства стекол в производстве металлостеклянных корпусов для полупроводниковых приборов составляет SiO2. Такие стекла называются силикатными и широко используются в металлостеклянных корпусах в качестве изоляторов (табл. 1, 2).[3] Следует учитывать, что помимо высоких диэлектрических характеристик стекла, применяемые в качестве изолятора в металлостеклянных корпусах, должны иметь согласованный с материалом, из которого изготовлены выводы и фланец, температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) В противном случае при изменении температуры в стекле могут появиться трещины, что приведет к нарушению герметичности в месте ввода выводов в основание корпуса. Учитывая то, что в качестве материала выводов и фланцев металлостеклянных корпусов обычно используют ковар, ТКЛР которого составляет 45-52⋅10-7 град-1, наиболее подходящая для металлостеклянных корпусов группа стекол - молибденовая.

Недостатком этих стекол является наличие в их составах окислов щелочных металлов и токсичного оксида свинца, недостаточная механическая прочность и химическая стойкость. Ведь, как известно, наличие в составе низкотемпературного стеклокерамического материала оксидов щелочных металлов приводит к ухудшению его диэлектрических характеристик, а именно - повышению величины тангенса угла диэлектрических и магнитных потерь и диэлектрической проницаемости, а также снижению удельного объемного электрического сопротивления и химической стойкости [4].

Известен стеклокерамический композиционный материал (СККМ) на основе стекла системы ВаО-В2О3-SiO2 и керамического наполнителя в виде α-глинозема, обладающий комплексом свойств: температура спекания 800-900°С, время спекания 0,5-1 час, прочность на изгиб 200-220 МПа, tgδ при f=1 МГц и Т=20°С составляет (2-5)⋅10-4, ε при F=1 МГц и Т=20°С ≤8, электрическая прочность >20 кВ/мм, ρv=1013-1015Ом⋅см [5]. В пользу системы BaO-B2O3-SiO2-RO говорит и тот факт, что именно в ней получены стеклокристаллические материалы (ситаллы) [6, 7, 8,], рекомендованные для использования в качестве подложек взамен керамики 22ХС. Недостатком ситаллов является то, что они кристаллизуются при высоких температурах в течение нескольких часов и по теплопроводности лишь незначительно превосходят стекла. Но, несмотря на довольно большое количество разработок композиционных материалов для подложек ГИС, все еще остаются актуальными проблемы достижения требуемых диэлектрических и термомеханических свойств. [5]

Наиболее близким техническим решением к изобретению является низкотемпературный стеклокерамический материал, содержащий низкотемпературное кристаллизующееся стекло и керамику при соотношении (1,2-1,0) и (0,8-1,0), соответственно. Низкотемпературное кристаллизующееся стекло содержит следующие компоненты, вес. %: Al2O3 - 2,0-8,0; SiO2 - 17,0-7,0; В2О3 - 3,2-12,5; СаО - 22,0-11,0; MgO - 4,2-3,5; SrO - 0,4-2,5; Cu2O - 0,4-1,5; ZrO2 - 1,8-0,5; ZnO - 9,0-3,5. [9] Техническим результатом изобретения является снижение величины тангенса угла диэлектрических потерь СВЧ, повышение удельного объемного электрического сопротивления при сохранении низкой температуры обжига и высокой механической прочности. Данный низкотемпературный стеклокерамический материал по сравнению с предыдущим аналогом имеет практически те же достаточно высокие технические характеристики. Однако и эти характеристики недостаточны для возможного приближения к свойствам керамики, и потому не способны заменить, например, применение стекла в металлостеклянных корпусах.

Технической задачей изобретения, является создание состава и способа получения низкотемпературного стеклокристаллического композиционного материала на основе бессвинцового стекла в качестве матрицы и алюмооксидного наполнителя, способного обеспечить стабильное приближение электроизоляционных свойств, диэлектрической проницаемости «ε», температурного коэффициента линейного расширения «ТКЛР» и механической прочности «σизг» к керамическим требованиям за счет полной ситаллизации и (или) цементации матричного стекла с алюмооксидным наполнителем.

Для достижения указанной технической задачи в заявленном составе стеклокерамический материал содержит низкотемпературное кристаллизующееся стекло и алюмооксидную керамику при соотношении (1,4-1,0):(0,6-1,0) соответственно, а низкотемпературное кристаллизующееся стекло дополнительно содержит оксид хрома при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Система из этих материалов, спекаясь с корундовой керамикой, обладает хорошей смачиваемостью и растекаемостью. Что чрезвычайно важно для активации процесса кристаллизации матричного стекла и обеспечения воспроизводимости искомых характеристик нового материала.

Для расширения технологических возможностей способа оксид алюминия (Al2O3) и оксид хрома (Cr2O3) перед составлением шихты смешением с остальными компонентами стекла предварительно смешивают друг с другом и прокаливают при температуре 1300-1400°С при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Общеизвестно, что ГОСТированное качество глинозема по содержанию в нем корунда (α-Al2O3) не полно, не стабильно и колеблется в пределах 90-95%. При этом форма частиц и их гранулометрический состав тем более не стабильны, что отражается на переменной длительности помола глинозема а, следовательно, и его качестве из-за непредсказуемого намола материала футеровки и мелющих шаров. Такое положение требует стабилизации и дополнительной активации глинозема не только за счет механической активации (помола до высокодисперсного состояния), но и за счет химической активации путем дополнительного введения оксида хрома. Причем путем прямой активации глинозема за счет введения оксида хрома непосредственно перед смешением с остальными компонентами матричного стекла. То есть до составления шихты стеклокристаллического матричного стекла. Активность системы Al2O3 - Cr2O3 исследовалась на составах с различным содержанием в системе оксида хрома от 0 до 20 об. %. [10] Наблюдаемое повышение активности может быть обусловлено растворением Cr2O3 в Al2O3 с образованием твердого раствора замещения. Розовый цвет образцов, характерный для твердого раствора, свидетельствует о том, что такое растворение состоялось.

Для расширения конструктивно-технологических возможностей способа низкотемпературный стеклокерамический материал после смешения с органической связкой и формования в виде изделий с токоведущими элементами (металлокерамический корпус, металлокерамическая плата) совместно обжигают для удаления органической связки при температуре 700-900°С, вводят дополнительно оксид фосфора (Р2О5) пропиткой в водном растворе ортофосфорной кислоты (Н3РО4), полимеризуют (сушат) на воздухе и отверждают без огневой усадки при температуре 300-900°С в течение 0,5-2 часов. При этом происходит стабилизация не только термомеханических и диэлектрических свойств материала, но и технологических благодаря активной кристаллизации и/или цементации низкотемпературного матричного стекла и алюмооксидного наполнителя вплоть до получения безусадочной керамики. Что становится возможным на стадии введения дополнительно оксида фосфора (Р2О5) именно в полуфабрикат изделия с высокодисперсной капиллярно-пористой системой, получаемой после выжига органической связки. [11, 12, 13].

Технико-экономическая эффективность использования изобретения заключается в повышении эффективности производства металлостеклянных и металлокерамических корпусов и многоуровневых керамических плат (МКП), в том числе для многокристальных модулей (МКМ), в повышении их надежности, а также в получении возможности создания принципиально новых конструктивно-технологических решений электронной компонентной базы (ЭКБ).

Литература

1. Юрий Непочатое, Светлана Кумачева, Юлия Швецова, (г.Новосибирск), Александр Дитц. «Разработка отечественного керамического материала для изготовления изделий по технологии LTCC». Современная электроника, №3, 2014 г. www.SOEL.RU

2. Роман Кондратюк «Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика (LTCC). Преимущества. Технология. Материалы», Информационный бюллетень «Степень интеграции», апрель 2011, №5.

3. А Максимов. «Корпуса для полупроводникковых приборов. Металлостеклянные и металлокерамические», ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 6/2010

4. В.Н. Батыгин, И.И. Метелкин, А.М. Решетников. «Вакуумноплотная керамика и ее спаи с металлами», М., Энергия, 1973, с. 90-91.

5. В.З. Петрова, В.И. Гребенькова, М.Н. Ерохина «Композиционные материалы для подложек РЭА», Электронная промышленность, 2/95.

6. Пат. №4649/25 (США) «Керамический материал для диэлектриков», МКИ С03с 8/24 (НКИ 501-15), заявл. 13.04.1984, №59-75396, опубл. 10.03.87, т 1076 2.

7. Пат. №4540671 (США), «Керамический материал для диэлектриков», МКИ С03с 3/22 (НКИ 501-9), заявл. 15.11.1983, опубл. 15.11.83.

8. А.с. №1237645 (СССР). «Стекло для стеклокристаллического материала», МКИ С03с 10/16, заявл. 4.04.85 г., №3835486/29-30, опубл. 15.06.86 БИ №22.

9. Автор(ы): Сытилин С.Н. (RU), Ляпин Л.В. (RU), Парилова Г.А. и др. Пат. RU №2410358 С1 «Низкотемпературный стеклокерамический материал», С04В 35/10 (2006.01), С04В 35/468 (2006.1), опубл. 27.01.2011, Бюл. №3.

10. А.с. №537989 (СССР), И.И. Кусковская, А.С. Антошина и Е.И. Челноков «Паста для металлизации», С04В 41/38, С04В 41/14, опубл. 05.12.76, Бюл. №45.

11. М.М. Сычев «Неорганические клеи» ИЗДАТЕЛЬСТВО «ХИМИЯ», Ленинградское отделение-1974.

12. Челноков Е.И. Пат. RU №2211496 С1 «Керамический резистивный элемент и способ его изготовления», 7 Н01С 1/032,17/00, опубл. 27.08.2003, Бюл. №24.

13. « Неорганическое материаловедение в СССР», УДК 620.22 (09) Киев: Издательство «Наукова Думка», 1983, с. 25-26.

1. Низкотемпературный стеклокерамический материал, содержащий низкотемпературное бессвинцовое кристаллизующееся стекло и керамику при заданном их соотношении, при этом низкотемпературное кристаллизующееся стекло приготовлено на основе оксидов химических элементов, отличающийся тем, что стеклокерамический материал содержит низкотемпературное кристаллизующееся стекло и алюмооксидную керамику при соотношении (1,4-1,0):(0,6-1,0) соответственно, а низкотемпературное кристаллизующееся стекло дополнительно содержит оксид хрома при следующем соотношении компонентов, мас.%:

2. Низкотемпературный стеклокерамический материал по п. 1, отличающийся тем, что оксид алюминия (Al2O3) и оксид хрома (Cr2O3) перед составлением шихты с остальными компонентами стекла предварительно смешивают и прокаливают при температуре 1300-1400°С при следующем соотношении компонентов, мас.%:

3. Способ получения изделия из низкотемпературного стеклокерамического материала по п. 1 или 2, отличающийся тем, что низкотемпературный стеклокерамический материал после смешения с органической связкой и формования в виде изделия с токоведущими элементами: металлокерамический корпус, металлокерамическая плата, совместно обжигают для удаления органической связки при температуре 700-900°С, вводят дополнительно оксид фосфора (Р2О5) пропиткой в водном растворе ортофосфорной кислоты, полимеризуют (сушат) на воздухе и отверждают без огневой усадки при температуре 300-900°С в течение 0,5-2 часов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии получения изделий из кварцевой керамики методом шликерного литья с последующим упрочнением за счет химической и низкотемпературной обработки.

Изобретение относится к технологии ремонта футеровок тепловых агрегатов. Техническим результатом изобретения является повышение адгезионной прочности ремонтного покрытия из мелкозернистого жаростойкого бетона к огнеупорной футеровке, упрощение технологического процесса производства ремонтных работ, расширение функциональных возможностей мелкозернистой жаростойкой бетонной смеси, позволяющих производить ремонт футеровок из различных материалов.

Группа изобретений относится к покрытию стоматологических керамических материалов. Технический результат – окрашивание без ущерба для яркости, имитация внешнего вида индивидуального природного зуба, легкая наносимость раствора для покрытия.

Настоящее изобретение относится к набору компонентов, содержащему окрашивающий раствор, пористое предварительно спеченное изделие на основе диоксида циркония, необязательно оборудование для нанесения, и используется для изготовления стоматологических керамических изделий: коронок, накладок, виниров и др.

Изобретение может быть использовано при изготовлении герметичных изделий, предназначенных для работы в химической и химико-металлургической промышленности. Сначала формируют каркас из жаростойких волокон, имеющих коэффициент линейного термического расширения, близкий к коэффициенту линейного термического расширения компонентов материала матрицы.

Изобретение относится к технологии получения высокотермостойких и эрозионностойких радиопрозрачных покрытий с высокой излучательной способностью для материалов и изделий на основе кварцевого стекла.

Изобретение относится к способу повышения физико-механических показателей алюмосиликатных огнеупоров с высоким содержанием Al2O3, в частности самого распространенного шамотного огнеупора.
Ангоб // 2430073
Ангоб // 2430072
Изобретение относится к промышленности строительных материалов и касается составов шихты для получения защитно-декоративных покрытий на керамической черепице. .
Изобретение относится к области получения металлических покрытий на поверхности различных диэлектрических и полупроводниковых материалов плоской формы в виде пластин (подложек) и может быть использовано для создания многослойных материалов типа металл-керамика для электронной, электротехнической и радиотехнической промышленности при производстве металлизированных подложек силовых модулей, теплоотводящих элементов мощных транзисторов и корпусов для сверхъярких светодиодов.

Группа изобретений относится к производству изделия из волокнистого цемента, в частности листов или панелей из волокнистого цемента, и таких изделий из волокнистого цемента, как листы из волокнистого цемента или панели из волокнистого цемента.

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для изготовления изделий из бетона в гражданском и промышленном строительстве, а также при возведении сооружений специального назначения.

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано для изготовления изделий из бетона в гражданском и промышленном строительстве, а также при возведении сооружений специального назначения.

Шпатлевка // 2707623
Изобретение относится к составам шпатлевок, применяемых для отделки бетонных и штукатурных поверхностей. Шпатлевка содержит, мас.%: золь кремниевой кислоты Nanosil 20 20–24, дисперсию стирол-акрилового полимера АКРАТАМ AS 04 1,2–1,8, мел 73–78, глицерин 0,8–1,2.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к области получения водных эмульсий для обработки для придания строительным материалам гидрофобизирующих (водоотталкивающих) свойств.

Изобретение относится к применению материала, способного затвердевать при низких температурах, в качестве ремонтного материала для восстановления профиля. Ремонтный материал для восстановления профиля, способный затвердевать при низких температурах, характеризуется следующими свойствами: содержит 100 массовых частей композиции (A), содержащей смолы, полимеризующиеся по радикальному механизму, 0,1-10 массовых частей ароматического третичного амина (C-1), содержащего гидроксильную группу, 0,1-10 массовых частей органического пероксида (D) и 1,0-500 массовых частей неорганического наполнителя (E).

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к получению материалов на основе стронций-замещенного β-трикальцийфосфата, которые могут быть использованы в качестве тканеинженерных остеопластических материалов для аугментации дефектов трабекулярной костной ткани.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано при изготовлении углепластиков с улучшенными прочностными свойствами. Сначала проводят плазмохимическую обработку наполнителя из углеродных волокон.

Настоящим изобретением предлагается способ изготовления детали из композиционного материала, предусматривающий формирование волокнистой структуры из огнеупорных волокон, укладку волокнистой структуры в пресс-форму поверх элемента из пористого материала, установленного в нижней части пресс-формы в камере пропитки.

Изобретение описывает высокотемпературный пьезоэлектрический керамический материал на основе метаниобата лития, включающий LiNbO3 и добавку А2+TiO3, где А2+ - Cu, Ni, Со и состав отвечает формуле (1-x)LiNbO3-xA2+TiO3, при этом х=0.005-0.030.

Изобретение относится к производству стеклокерамического композиционного материала и может использоваться в электротехнической и радиотехнической промышленности, в производстве корпусов и подложек для интегральных схем и многослойных керамических плат многокристальных керамических модулей. В заявленном составе стеклокерамический материал содержит низкотемпературное кристаллизующееся стекло и алюмооксидную керамику при соотношении : соответственно. Низкотемпературное кристаллизующееся стекло дополнительно содержит оксид хрома при следующем соотношении компонентов, мас.: SiO2 20-34, ВаО 34-40, B2O3 23-26, СаО 1-10, SnO2 1-10, а также сверх 100 оксид хрома 2-5 и оксид алюминия 5-10. Оксид алюминия и оксид хрома перед составлением шихты предварительно смешивают и прокаливают при температуре 1300-1400°С. Низкотемпературный стеклокерамический материал после смешения с органической связкой и формования в виде изделий с токоведущими элементами совместно обжигают для удаления органической связки при температуре 700-800°С, вводят дополнительно оксид фосфора пропиткой в водном растворе ортофосфорной кислоты, сушат на воздухе и отверждают без огневой усадки при температуре 300-900°С в течение 0,5-2 часов. При этом происходит стабилизация термомеханических и диэлектрических свойств материала и активная кристаллизации матричного стекла с получением безусадочной керамики. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Наверх