负热膨胀ScF3陶瓷的冷烧结制备及其在电子封装中的热应力调控研究

针对电子封装中热膨胀系数(CTE)失配导致的器件可靠性问题，研究人员通过冷烧结工艺(CSP)成功制备了高致密度负热膨胀ScF3陶瓷（CTE=-8.86×10–6/°C），并开发出ScF3-BN复合陶瓷（CTE=3.36×10–6/°C），其热膨胀性能与硅基芯片高度匹配。有限元模拟证实该材料可将界面热应力降低至7.3 MPa，为下一代电子封装提供了低能耗、高可靠性的解决方案。

　　

研究背景与意义

随着电子器件功率密度不断提升，封装材料与硅基芯片（CTE≈2.6×10^–6/°C）的热膨胀失配问题日益突出。传统氧化铝(Al₂O₃)基板CTE高达7.4×10^–6/°C，产生的热应力会导致器件失效。负热膨胀(NTE)材料虽能调节CTE，但现有材料如Zr₂WO₄存在温度区间窄、合成复杂等问题。ScF₃因其宽温域稳定性（-664°C）和快速合成（30分钟）优势成为理想候选，但传统烧结工艺能耗高，与碳中和目标相悖。

技术方法

研究团队采用冷烧结工艺(CSP)在150°C/400MPa下制备ScF₃陶瓷，以去离子水为瞬态液相促进致密化。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征微观结构，网络分析仪测试微波介电性能，热膨胀仪测定CTE值。通过有限元分析比较ScF₃-BN与Li₂MoO₄/Al₂O₃基板的应力分布。

研究结果

1. 1.

   ScF₃陶瓷制备与性能

   冷烧结ScF₃相对密度达93.2%，呈现典型立方晶体结构。TEM显示晶界处存在非晶相，证实溶解-沉淀机制主导致密化过程。材料展现优异微波性能：介电常数(ε_r)=5.3，品质因数(Q×f)=14,700GHz，谐振频率温度系数(τ_f)=-58×10^–6/°C。

2. 2.

   负热膨胀机制

   ScF₃表现出线性负热膨胀（CTE=-8.86×10^–6/°C），归因于F原子的"吉他弦效应"——温度升高时F原子垂直于Sc-F键横向振动，导致Sc原子间距缩短。分子动力学模拟支持这种四阶非谐振动是NTE的主因。

3. 3.

   ScF₃-BN复合材料

   含40%BN的复合材料CTE调整为3.36×10^–6/°C，与硅芯片匹配度最佳。BN的引入使热导率提升至32.6W·m^-1·K^-1，同时维持92%的相对密度。XRD证实两相无化学反应，SEM显示BN含量增加会诱导取向生长。

4. 4.

   热应力模拟

   有限元分析显示，在51°C工作温度下，ScF₃-BN基板的界面热应力仅7.3MPa，远低于Al₂O₃（47.1MPa）和Li₂MoO₄（110MPa）基板，有效解决了传统封装材料的应力集中问题。

结论与展望

该研究通过低温冷烧结工艺实现了ScF₃陶瓷的高效制备，其独特的负热膨胀特性为电子封装提供了革命性的CTE调控方案。ScF₃-BN复合材料兼具低CTE、高热导率和优异介电性能，满足高功率集成电路对封装可靠性和散热性的双重需求。这种低碳制造工艺为后摩尔时代电子封装材料开发提供了新范式，相关成果发表于《Journal of Materiomics》。未来研究可进一步优化BN取向分布，探索ScF₃在三维封装中的适用性。