室温致密化Al2 O3 -H3 BO3 陶瓷：面向芯片封装的微波介电性能与热导率突破

针对传统高温烧结陶瓷与温度敏感元件不兼容的难题，研究人员创新性地开发了室温低压冷烧结技术制备Al2 O3 -H3 BO3 复合陶瓷。该材料在100 MPa低压下实现96%相对密度，兼具优异微波介电性能（εr =2.84-5.37，Q×f达69,000 GHz）和5.96 W·m-1 ·K-1 热导率，成功实现与硅片的低温共烧，为3D异构集成提供了新材料解决方案。

　　

随着电子设备微型化和高频化发展，传统封装技术面临严峻挑战。陶瓷材料虽具有优异的介电性能和热稳定性，但其常规烧结温度超过1000°C，无法与聚合物（耐温258°C）和硅基芯片（耐温450°C）兼容。当前低温共烧陶瓷（LTCC）技术仍需850-950°C，而超低温共烧陶瓷（ULTCC）最低烧结温度也达450°C。如何开发可在250°C以下致密化且兼具低介电损耗、高热导率的陶瓷材料，成为推进三维异构集成（3D heterogeneous integration）的关键瓶颈。

针对这一挑战，国内研究人员在《Journal of Materiomics》发表创新成果，通过室温冷烧结工艺（CSP）成功制备Al₂
O₃
-H₃
BO₃
复合陶瓷。该研究利用H₃
BO₃
在去离子水介质中的塑性变形特性，在100-400 MPa低压下实现96%以上的相对密度，材料同时具备可调的微波介电性能和显著提升的热导率，并首次实现与硅片的室温共烧，为先进封装技术开辟了新路径。

关键技术方法包括：1）采用体积分数调控的(x)Al₂
O₃
-(1-x)H₃
BO₃
复合体系（x=0-0.5）；2）以10wt%去离子水为液相介质，在10mm模具中施加单轴应力冷烧结；3）通过XRD、Raman和SEM-EDS表征相组成与微观结构；4）采用谐振法测量微波介电性能，激光热扩散仪分析热导率；5）与硅片共烧后界面分析。

【结构特性】
研究发现H₃
BO₃
的层状分子晶体结构（莫氏硬度1）在低压下即可产生塑性变形，接触半径增大促进致密化。XRD和Raman证实Al₂
O₃
与H₃
BO₃
无新相生成，SEM显示两相均匀分布形成无孔结构。50%Al₂
O₃
样品在100MPa下即达96.3%相对密度，远低于其他冷烧结体系所需应力（通常>400MPa）。

【介电与热性能】
材料介电常数（ε_r
）随Al₂
O₃
含量从2.84（纯H₃
BO₃
）线性增至5.37（50%Al₂
O₃
），符合对数混合模型。Q×f值虽因界面效应从69,000GHz降至12,924GHz，仍保持低损耗特性。热导率则因Al₂
O₃
的高本征值（32.8W·m^-1
·K^-1
）提升至5.96W·m^-1
·K^-1
，较纯H₃
BO₃
提高3倍。

【硅片共烧验证】
50%Al₂
O₃
陶瓷与硅片共烧后，SEM-EDS显示界面清晰无原子扩散，氧/铝/硅元素分布呈阶梯变化，证实材料在室温低压下的化学稳定性，满足异构集成要求。

该研究突破性地将陶瓷烧结温度降至室温，通过H₃
BO₃
的塑性变形机制实现低压致密化，创造出介电-热协同优化的复合材料。其重要意义在于：1）首次实现陶瓷与硅片的室温共烧；2）将冷烧结应力门槛降低至100MPa；3）为3D异构集成提供兼具高频性能（ε_r
<6，Q×f>12,000GHz）和热管理能力（λ>5W·m^-1
·K^-1
）的封装解决方案。这项技术有望推动高频集成电路向更高集成密度发展，同时规避传统高温工艺对温度敏感元件的损伤风险。