界面工程构筑高强高导热MgO基低温共烧陶瓷

《Journal of Materiomics》：Interface-engineered MgO-based low-temperature co-fired ceramics with significantly enhanced high-strength and superior high-thermal-conductivity

　　

本研究提出一种通过优化界面结合强度实现的纳米纤维增强陶瓷策略，旨在解决低温共烧陶瓷（LTCC）在高性能封装基板中的力学可靠性难题。具体而言，研究人员采用静电纺丝技术制备了高比表面积的纳米级Al2O3纤维（nfAl2O3）以增强MgO陶瓷材料。通过调控热处理工艺，精确控制纳米纤维的晶相，进而实现对纤维-基体界面相的定向调制。由此成功获得了一系列具有清晰界面结构的MgO-nf(非晶-Al2O3)、MgO-nf(γ-Al2O3)和MgO-nf(α-Al2O3)陶瓷。优化后的MgO-nf(γ-Al2O3)复合材料展现出240 MPa的抗弯强度，相比MgO基体提升了50%，同时保持了优异的介电性能（在10 GHz下，相对介电常数εr = 7.9，介电损耗tan δ = 1.6 × 10–3）和高热导率（34 W·m–1·K–1），性能优于大多数商用LTCC材料。这种协同增强策略集成了机械可靠性、低损耗介电行为与高效热管理能力，为下一代高频高密度电子封装材料提供了一条有前景的路径。

研究背景与现存问题

多层陶瓷技术是实现微波无源集成和高性能电子封装小型化的核心技术。其中，低温共烧陶瓷因烧结温度低、可与银电极共烧、成本效益高等优势被广泛应用于滤波器、天线等微波器件，并在电子封装领域展现出巨大潜力。然而，对于高频基板和陶瓷封装应用，传统LTCC的力学强度相对较低，无法承受金属框架组装所需的钎焊或焊接工艺，这严重限制了其在框架-外壳气密封装系统中的集成，而高温共烧陶瓷仍是该领域的主要工业生产技术。此外，现代电子系统功率密度的不断提升对基板材料的散热效率提出了更严苛的要求。因此，亟需开发兼具高力学强度与优异热导率的下一代LTCC材料。商用LTCC体系通过调整玻璃-陶瓷相容性、优化陶瓷含量与粒径分布、改进烧结层压工艺等方式提升力学强度，但其结构脆弱的连续玻璃相和离散分布的陶瓷颗粒不仅阻碍了基体内的有效应力传递，还导致界面本质脆弱，难以实现力学强度的显著提升。因此，构建连续结构成为增强LTCC材料强度与可靠性的重要方向。连续纤维增强陶瓷基复合材料是改善力学性能的最有效策略之一，通过在材料内部构建“纤维芯-界面梯度相-陶瓷基体”的分级结构，可促进高效应力传递、裂纹桥接与偏转，从而显著提高抗断裂能力与力学可靠性。然而，界面结构调控是实现高性能陶瓷基复合材料的关键挑战：过强的界面结合会导致纤维与基体同步断裂，而过弱的结合则引起纤维过早拔出，削弱增强效果。因此，增强纤维的选择及纤维与基体间中间相的设计至关重要。在LTCC材料中，MgO陶瓷因其固有的高热导率和低烧结温度展现出显著的应用潜力，但其有限的力学强度严重阻碍了其在高可靠性封装系统中的应用。基于此，研究人员开展了此项研究，论文发表于《Journal of Materiomics》。

主要关键技术方法

研究人员采用了静电纺丝技术制备纳米Al₂O₃纤维膜，并通过高温烧结调控其晶相。随后，利用真空辅助浸渍工艺使MgO陶瓷浆料渗透入纤维网络，经温等静压成型后，在空气气氛中进行低温共烧，最终获得不同界面结构的MgO-nfAl₂O₃陶瓷。材料的微观结构通过透射电子显微镜和扫描电子显微镜表征，物相组成由X射线衍射分析确定。力学性能采用万能试验机测试抗弯强度，高频介电性能通过分离介质谐振器法在2-20 GHz范围内评估，热导率则基于激光闪射法测得的热扩散系数、差示扫描量热法测得的比热容以及阿基米德法测得的密度计算得出。此外，研究人员利用COMSOL Multiphysics 6.2软件对材料的应力分布进行了有限元模拟。

研究结果

1. 纳米纤维制备与复合陶瓷构建

研究人员通过静电纺丝技术成功制备了准连续的纳米Al₂O₃纤维前驱体膜。经热处理后，纤维保持约100 nm的纳米直径和低曲率拓扑形貌。通过真空辅助浸渍，亚微米级陶瓷颗粒渗入纤维网络，形成了三维互穿的异质结构。经干燥、堆叠、温等静压和烧结后，MgO基体完全包裹Al₂O₃纤维，形成了“纤维芯-界面梯度相-陶瓷基体”的分级梯度结构。该结构与定制的中间相结合，促进了基体与纤维间的应力传递，使复合材料的抗弯强度相比纯MgO基体提升了约50%。

2. 界面反应机制与结构调控

研究发现，调控纳米纤维的晶相对于构建目标界面结构至关重要。α-Al₂O₃具有热力学稳定的刚玉结构，在低温下与MgO基体的界面反应活性有限，导致界面结合较弱。非晶-Al₂O₃纳米纤维则易与MgO发生过度互扩散和包晶反应，逐渐消除原始纤维/基体界面，削弱纤维增强效果。相比之下，γ-Al₂O₃具有部分有序的缺陷尖晶石结构，与MgAl₂O₄存在一定的结构兼容性，有利于尖晶石相的初始成核。一旦形成连续的MgAl₂O₄中间相，后续反应需离子扩散通过新形成的尖晶石层，动力学势垒较高，从而抑制了过度界面反应。XRD分析证实，在相同烧结温度下，MgO-nf(γ-Al₂O₃)复合材料主要由MgO、界面MgAl₂O₄尖晶石相以及质量分数6.8%的残余γ-Al₂O₃纳米纤维组成。TEM观察进一步确认了纤维-基体边界处存在厚度约50-100 nm的连续界面过渡层，选区电子衍射和TEM-EDS元素分布图证实了由MgO、MgAl₂O₄和Al₂O₃相组成的成分梯度界面结构。

3. 力学性能与增强机理

COMSOL应力场模拟结合断口形貌分析揭示了不同界面结构对力学行为的影响。对于MgO-nf(非晶-Al₂O₃)陶瓷，过强的界面结合导致加载时纤维与基体同步断裂，缺乏有效的裂纹桥接和纤维拔出，其抗弯强度仅为170 MPa。对于MgO-nf(α-Al₂O₃)陶瓷，弱界面导致纤维网络与基体在烧结过程中收缩不一致，形成微裂纹网络并降低致密度，抗弯强度降至140 MPa，甚至低于纯MgO基体。而对于优化的MgO-nf(γ-Al₂O₃)陶瓷，梯度MgO-MgAl₂O₄-Al₂O₃界面结构实现了适中的界面结合，在外力作用下促进了裂纹偏转和可控的界面脱粘，纤维拔出和界面滑动通过摩擦功和新表面生成耗散额外断裂能，使抗弯强度提升至240 MPa，较MgO基体提高了50%。

4. 介电与热学性能

MgO-nf(γ-Al₂O₃)陶瓷在10 GHz下展现出稳定的介电常数（ε_r ≈ 7.9）和极低的介电损耗（tan δ ≤ 0.002）。研究人员认为，工程化的MgO-MgAl₂O₄-Al₂O₃梯度界面内的化学键连续性有助于最小化附加的界面极化效应和相关能量耗散。在热学性能方面，随着烧结温度升高，晶粒长大导致界面密度单调降低，减少了声子散射，延长了声子平均自由程，从而使热导率增加。在900 °C烧结后，热导率达到34 W·m^–1·K^–1。与商用LTCC材料（如Ferro A6M-E、HL 2000、Dupont 9K7、GL570）相比，MgO-nf(γ-Al₂O₃)陶瓷在抗弯强度、介电特性和热导率方面均表现出综合优势。

5. 散热性能验证

研究人员将MgO-nf(γ-Al₂O₃)陶瓷与商用Ferro A6M-E和DuPont 951陶瓷制成相同尺寸的基板，以LED作为局部热源进行散热测试。红外热成像监测结果显示，在加热和自然冷却过程中，MgO-nf(γ-Al₂O₃)复合材料达到热平衡的速度显著快于两种商用LTCC陶瓷，表现出更低的稳态温度和更快的冷却动力学，证实了其优异的散热能力。

总结与结论讨论

研究人员通过界面相工程实现了多功能集成，为先进陶瓷基板引入了新的设计范式。从制造角度看，尽管与常规LTCC工艺相比，静电纺丝和真空辅助浸渍增加了额外步骤，但后续的层压、温等静压、排胶和低温烧结与现有LTCC制造框架兼容。此外，可扩展的纳米纤维制备和连续浸渍技术为该增强策略融入规模化LTCC多层制造提供了潜在途径。

研究结论翻译： 本研究采用连续纳米纤维增强陶瓷策略来提升MgO陶瓷的力学性能。通过结合静电纺丝与可控烧结，构建了梯度MgO-MgAl₂O₄-Al₂O₃结构。通过定制的界面反应实现了尖晶石MgAl₂O₄界面相的形成，从而在纤维-基体边界实现了有效的应力再分布。得益于应力偏转和纤维拔出机制，抗弯强度提升了50%（达到240 MPa）。同时，异质界面处连续化学键的建立有效抑制了介电损耗（10 GHz下tan δ < 0.002）并促进了高热导率（34 W·m^–1·K^–1）。多尺度结构表征和有限元模拟进一步揭示了γ-Al₂O₃纳米纤维相在实现适度界面结合和抑制微裂纹扩展方面的关键作用。此外，散热测试证明了MgO-nf(γ-Al₂O₃)陶瓷优越的热扩散能力，确认了其在高频电子封装领域的潜力。这种界面工程策略为实现介电-热-力学性能平衡提供了合理路径，为开发用于先进电子封装的下一代多功能陶瓷铺平了道路。