研究背景

隨著5G和6G無線通信技術的快速發展，對電子封裝基板材料的性能要求不斷提高。低溫共燒陶瓷（LTCC）因其低介電常數（K< 5）和高抗彎強度（>230 MPa）成為研究的重點。然而，實現低介電常數與高機械強度的協調優化仍是一大挑戰。傳統多晶基板在這些方面的性能有限，而單晶材料憑借其優越的結構性能，展現出巨大的發展潛力。

核心創新成果

華東理工大學曾惠丹教授團隊聯合上海澤豐半導體有限公司、丹麥奧爾堡大學和武漢理工大學突破傳統技術瓶頸，將Al3+摻雜到鈣硼硅酸鹽（CBS）玻璃體系中來調節玻璃的短程有序（SRO）和中程有序（MRO）結構，促進了非均質網絡結構的形成，使得在能量上有利于納米級β-CaSiO3和亞納米級α-CaSiO3多晶顆粒的析出。隨著燒結溫度的升高，α-CaSiO3中的[Si3O9]-環被逐漸打開，轉變為以[SiO3]∞鏈為特征結構的β-CaSiO3晶體，相應的Si-O-Si鍵角從134.76°轉變為143.31°，加快了納米級α-CaSiO3（2-10 nm）被β-CaSiO3吸收的過程。最終，轉變為有序層狀結構的單晶體β-CaSiO3（1-2 μm），并且其在整個微晶玻璃中的占比可高達85%。該高單晶含量的微晶玻璃兼具低介電常數（4.04@15 GHz）和高抗彎強度（256MPa），并首次將單晶結構應用于封裝基板，并與銀漿共燒匹配良好。這種新型基板的性能不僅達到國際先進水平，甚至在某些關鍵指標上表現更為出色。

研究團隊提出將化學摻雜、CaSiO3相變、二次再結晶結合，建立了一種設計和合成先進功能微晶玻璃的新策略。通過Al3+摻雜手段精確調控CBS玻璃網絡的非均質結構，在優化燒結條件的基礎上，進一步控制β-CaSiO3和α-CaSiO3的結晶動力學，將多晶α-CaSiO3完全轉變為單晶β-CaSiO3。本團隊設計出一條獨特的制備路徑，將單晶生長與LTCC的兼容性結合。研究揭示了化學摻雜和燒結條件優化在實現高性能單晶結構中的關鍵作用，并通過前沿表征技術系統解析了其生長機制。這一突破性成果成功解決了微晶玻璃中多晶體到單晶體轉變的難題，同時顯著提升了材料的電學和機械性能。

圖文導讀

圖1. Al3+摻雜的微晶玻璃（SC-CBSA）中單晶β-CaSiO3和未摻雜Al3+的微晶玻璃（PC-CBS）中多晶β/α-CaSiO3的形成和結構特征。

圖2.單晶β-CaSiO3在具有Al3+摻雜的CBS玻璃體系中的生長機理。

圖3.具有Al3+摻雜的CBS玻璃在不同熱處理溫度下玻璃結構的變化。

圖4.具有Al3+摻雜的CBS玻璃中α-CaSiO3和β-CaSiO3的結晶動力學研究。

圖5.使用Al3+摻雜的CBS玻璃粉制備的電子基板特征及性能。

意義與展望

這項研究從根本上解決了傳統材料在電性能與機械性能協同優化中的難題，為低介電常數與高抗彎強度的結合提供了創新解決方案。其在微觀結構調控和工藝設計上的突破，所建立的方法為未來高性能封裝基板的發展奠定堅實的理論和實踐基礎。

應用與推廣

該單晶體微晶玻璃基板材料不僅在實驗室中展現出卓越性能，還成功通過了小試和中試推廣，并應用于微機電系統（MEMS）探針卡等高端半導體封裝領域。這一成果標志著從實驗研究到產業化應用的重大跨越，為新一代無線通信和半導體封裝提供了全新的解決方案。

文獻發表信息

這一重要研究成果以“Creating Single-Crystalline β-CaSiO3 for High-Performance Dielectric Packaging Substrate”為題，發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上，充分體現了該工作的學術價值和產業影響力。論文的第一作者為華東理工大學材料科學與工程學院2021級博士研究生賈慶超，華東理工大學材料科學與工程學院曾惠丹教授、上海澤豐半導體有限公司董事長羅雄科和丹麥奧爾堡大學岳遠征教授為共同通訊作者。

Qingchao Jia, Wenzhi Wang, Hujun Zhang, Chunyu Chen, Ao Li, Chen Chen, Hang Yu, Liangzhu Zhang, Haizheng Tao, Huidan Zeng*, Xiongke Luo*, Yuanzheng Yue*, Creating Single-Crystalline β-CaSiO3for High-Performance Dielectric Packaging Substrate,Advanced Materials,2024,https://doi.org/10.1002/adma.202414156.