一种芯片封装用无碱氧化物玻璃基板、制备方法及应用

本发明涉及封装基板，具体涉及一种低脆性、高韧性、低热膨胀系数、低介电损耗的芯片封装用无碱氧化物玻璃基板、制备方法及应用，可应用于高算力ai芯片、高带宽内存（hbm）、6g毫米波射频芯片的玻璃通孔（tgv）封装用玻璃基板。

背景技术：

1、5g毫米波、6g太赫兹射频、大算力gpu/ai芯片、高带宽内存hbm对封装基板提出三重硬性要求：极低高频介电损耗（20 ghz tanδ＜0.005）、与硅匹配的低热膨胀系数（cte=4×10-6/℃～6×10-6/℃）、高抗裂韧性（kic≥1.2 mpa·m1/2）。

2、现有材料及其存在的不足如下：

3、1、有机树脂基板：cte普遍＞12×10-6/℃，20ghz损耗＞0.008（如fr-4基板），高温易变形分层；

4、2、商用无碱显示玻璃（如lcd 基板玻璃）：kic仅0.9～1.1 mpa·m1/2，激光打孔易崩边，且20 ghz tanδ＞0.005；

5、3、商用碱铝硅盖板玻璃（如手机屏幕保护玻璃）：含3~15wt%碱金属氧化物，cte=（7～9）×10-6/℃，20 ghz tanδ＞0.01，存在碱离子迁移风险，无法满足高端封装需求。

6、现有技术无法同时实现热膨胀系数cte为（4～6）×10-6/℃、kic≥1.2 mpa·m1/2、20ghz tanδ＜0.0045及无碱金属氧化物的协同平衡，成为芯片先进封装的技术瓶颈。

技术实现思路

1、针对现有封装玻璃基板存在增韧导致介电损耗升高、低损耗配方脆性突出、热膨胀系数难以精准调控的问题，本发明提供一种低脆性、高韧性、低热膨胀系数、低介电损耗的芯片封装用无碱氧化物玻璃基板、制备方法及应用，其通过“复合二价金属氧化物+低极化稀土氧化物+复合微量助剂”的多组分协同改性，通过引入小离子半径的 sc2o3与 y2o3、la2o3形成多尺度网络空隙填充，同时引入 zno 降低高温黏度，以 sc2o3的高场强补强抵消zno 的网络稀释作用，实现了高韧性、低损耗与优良成型性的统一，最终实现一种同步满足cte=（4~6）×10-6/℃、kic≥1.2 mpa·m1/2、20 ghz tanδ＜0.0045的无碱氧化物玻璃基板，适配高算力、高频、光电封装等先进场景。

2、本发明公开了一种芯片封装用无碱氧化物玻璃基板，所述玻璃基板完全不含碱金属氧化物 li2o、na2o、k2o、rb2o 及 cs2o，且不含 bao 及变价稀土氧化物 ce2o3、nd2o3、pr2o3；以摩尔百分比计，各组分总量为 100%，由以下组分构成：

3、sio255.0～65.0 mol%；

4、al2o312.0～18.0 mol%；

5、b2o38.0～15.0 mol%；

6、复合二价金属氧化物 ro 6.0～12.0 mol%；

7、稀土改性氧化物 re2o31.5～4.5 mol%；

8、复合微量助剂 ro20.5～1.2 mol%；

9、其中：

10、所述复合二价金属氧化物 ro 由 mgo、zno、cao、sro 四者复配而成，mgo 占 ro总摩尔量的 40%～60%；

11、所述稀土改性氧化物 re2o3含有 sc2o3，所述稀土改性氧化物 re2o3还含有 y2o3和la2o3中的至少一种，且 0.1 mol% ≤ sc2o3≤ 0.5 mol%，y2o3≤ 2.8 mol%，la2o3≤ 3.0mol%；

12、所述复合微量助剂ro2同时含有 zro2和 sno2，二者摩尔比为 4:6~7:3。

13、作为本发明的进一步改进，以摩尔百分比计，各组分含量为：

14、sio258.0～62.0 mol%；

15、al2o314.0～16.0 mol%；

16、b2o310.0～13.0 mol%；

17、ro 8.0～10.0 mol%；

18、re2o32.5～3.5 mol%；

19、ro20.5～1.0 mol%。

20、作为本发明的进一步改进，所述 ro 中各组分含量满足：mgo 3.3～7.2 mol%，zno0.5～1.8 mol%，cao 1.0～2.4 mol%，sro 1.0～2.0 mol%；且 zno 与 mgo 的摩尔比为0.13~0.25。

21、作为本发明的进一步改进，所述 re2o3中 sc2o3与（y2o3+la2o3）的摩尔比为 (0.03～0.50):1。

22、作为本发明的进一步改进，所述复合微量助剂ro2中，zro2为 0.3～0.7 mol%，sno2为 0.2～0.6 mol%。

23、本发明还公开了一种上述芯片封装用无碱氧化物玻璃基板的制备方法，包括如下步骤：

24、步骤1、原料预处理：根据玻璃基板的组分构成，选用纯度≥99.5%的氧化物或对应碳酸盐原料，按摩尔配比换算为质量配比，混合均匀，制得配合料；

25、步骤2、高温熔融澄清：将所述配合料置于铂金容器或碱金属氧化物含量 ≤0.1%的低碱耐火材料窑炉中，在 1580～1650℃下保温6～8 h，进行熔融与澄清；

26、步骤3、降温均化：将澄清后玻璃液降温至1420～1480℃，机械搅拌均化1～3h；

27、步骤4、玻璃成型：将均化后的玻璃液采用溢流下拉法、狭缝下拉法、压延法、浮法或浇铸法成型，得到厚度小于2.0mm玻璃基板毛坯或原片；

28、步骤5、退火处理：将成型后的玻璃基板毛坯或原片以 10～350 ℃/min 的降温速率退火至60~80℃，得到芯片封装用无碱氧化物玻璃基板。

29、本发明还公开了一种上述芯片封装用无碱氧化物玻璃基板的应用，所述玻璃基板应用于：高算力 ai 芯片封装基板、高带宽内存（hbm）中介层、6g 毫米波射频芯片封装基板、共封装光学（cpo）玻璃中介层、玻璃通孔（tgv）垂直互连基板、玻璃基扇出型（glassfan-out）封装基板中的任意一种。

30、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

31、本发明通过“大-中-小”稀土离子的多尺度网络间隙填充效应，以 sc3+高场强补强作用抵消 zno 的网络稀释效应，并借助 zro2和sno2协同作用抑制界面极化与微析晶，从机理上破解了封装玻璃“增韧-低损耗-低膨胀”三角矛盾。所得玻璃基板 25～300℃平均线热膨胀系数 cte为 4.0～6.0×10-6/℃，与硅芯片精准匹配；断裂韧性 kic 1.2～1.5mpa·m1/2；20 ghz@25℃介电损耗 tanδ<0.0045，且无碱离子迁移风险，高温绝缘稳定性优良。制备工艺兼容溢流下拉法、狭缝下拉法、浮法等主流量产方法，可广泛应用于高算力 ai 芯片、hbm 中介层、6g 毫米波射频芯片、共封装光学（cpo）及 tgv 垂直互连等先进封装场景，产业化前景广阔。