電子陶瓷制備課件

1、第三章 電子陶瓷制備3.1 現(xiàn)代電子陶瓷概述3.2 電子陶瓷制造中的工藝控制3.3 電子陶瓷膜材料3.4 表面組裝技術(shù)簡介3.1 現(xiàn)代電子陶瓷概述 先進(jìn)陶瓷階段出現(xiàn)的電子陶瓷是電子工業(yè)、航天、航空和核工業(yè)的基礎(chǔ)之一，在其他高技術(shù)領(lǐng)域也異?；钴S。 某種火箭，其中采用陶瓷材料制造的零部件占80%， 一臺(tái)彩電接收機(jī)，用陶瓷制造的元器件約占75%。電子陶瓷是應(yīng)用于電子技術(shù)中的各種陶瓷，主要可分兩大類：結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷。 結(jié)構(gòu)陶瓷指用于制造電子元件、器件、部件等的基體、外殼、固定件、絕緣零件等的陶瓷材料，又稱裝置瓷。(力學(xué)、熱學(xué)性能)功能陶瓷指用于制造電容器、電阻器、電感器、換能器、濾波器、振蕩器、傳

2、感器等的陶瓷材料（電、磁、光性能） 電子陶瓷電子結(jié)構(gòu)陶 瓷電子功能陶 瓷基板陶瓷電氣絕緣陶瓷電氣真空陶瓷電容器陶瓷電阻陶瓷電感陶瓷壓電鐵電陶瓷微波陶瓷超導(dǎo)陶瓷磁性陶瓷電容器陶瓷超導(dǎo)陶瓷 電子陶瓷在電子工業(yè)中的重要地位還在于它在整機(jī)中的關(guān)鍵性作用。 一塊集成電路的穩(wěn)定性和使用壽命，在很大程度上取決于它的基片或管殼的性能； 一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍、精度和靈敏度等主要指標(biāo)，都取決于傳感器的性能，而制造傳感器的主要材料是功能陶瓷； 一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度主要取決于磁性記憶元件。3.2 電子陶瓷制造中的工藝控制產(chǎn)品性能的優(yōu)劣取決于二方面的影響：內(nèi)因，主要指原料的純度（含雜量）、組成、形貌（顆粒尺寸

3、及分布、外形）等，影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)度、晶體的生長情況及顯微結(jié)構(gòu)的均勻性，并進(jìn)而影響到最終產(chǎn)品的電磁性能；外因，主要指制備工藝，影響化學(xué)反應(yīng)和顯微結(jié)構(gòu)。只有從兩方面入手，充分發(fā)揮內(nèi)、外因的潛力，才有可能實(shí)現(xiàn)低成本、高品質(zhì)的目的。3.2.1電子陶瓷制造過程概述(1) 電子陶瓷原料對(duì)于電子陶瓷的粉料，必須了解下列三方面情況：化學(xué)成分： 包括純度、雜質(zhì)的種類與含量、化學(xué)計(jì)量比顆粒度： 包括粉粒直徑、粒度分布與顆粒外形等結(jié)構(gòu)： 包括結(jié)晶形態(tài)、穩(wěn)定度、裂紋與多孔性等控制參數(shù)：化學(xué)組成 、顆粒尺寸、比表面積、水分含量、密度、流動(dòng)性等。3.2.2 電子陶瓷制造工藝過程(2) 原料粒度指粉粒直徑大小，作為陶瓷的

4、粉料，其粒度通常在0.150微米之間。一般而言，粉料的粒度越細(xì)，則其工藝性能越佳。當(dāng)采用擠制、扎膜、流延等方法成型時(shí)，只有當(dāng)粉料達(dá)到一定細(xì)度，才能使?jié){料達(dá)到必要的流動(dòng)性、可塑性，才能保證制出的坯體具有足夠的光潔度、均勻性和好的機(jī)械強(qiáng)度。粒度越細(xì)，燒結(jié)溫度越低粉料顆粒尺寸：(3)混合與粉碎方式: 物料的混合與粉碎是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要工序，作為混合粉碎的機(jī)械有：球磨機(jī)、砂磨機(jī)、強(qiáng)混機(jī)、氣流磨、粉碎機(jī)等幾種，目前使用最多的是球磨機(jī)和砂磨機(jī)。（4） 成型定義：將固體顆粒加工成為具有特定形狀制品的生產(chǎn)過程。生產(chǎn)過程：第一階段：賦予制品以一定的幾何形狀和尺寸第一階段：對(duì)制品形狀大小的固定化，使其產(chǎn)生足夠的

5、機(jī)械強(qiáng)度重點(diǎn)介紹以下幾種成型方式：模壓成型：操作較為簡單，適用于橫向尺寸較大、縱向形狀簡單的產(chǎn)品；等靜壓成型：成型密度高，產(chǎn)品均勻性較好，效率不高；流延成型：適用于薄片產(chǎn)品，厚度可控，均勻性較好。成型設(shè)備簡介：流延成型機(jī)等靜壓成型機(jī)壓力成型機(jī) 粉料壓制成形 壓制成形將粉狀的坯料在鋼模中壓成致密坯體的一種成形方法。 優(yōu)點(diǎn)坯料水分少、壓力大，坯體較致密收縮較小、形狀準(zhǔn)確、容易干燥，工藝簡單，生產(chǎn)效率高、缺陷少，便于連續(xù)化，機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)。 等靜壓成型 等靜壓成型又稱靜水壓成型，它是利用液體介質(zhì)不可壓縮性和均勻傳遞壓力性的一種成型方法。分冷等壓成型和熱等壓成型兩種。冷等壓成型又分為濕法等壓成型和

6、干法等壓成型兩種，常用濕法等壓成型。等靜壓成型的特點(diǎn)：適于壓制形狀復(fù)雜、大件且細(xì)長的新型陶瓷制品；濕式等靜壓容器內(nèi)可同時(shí)放入幾個(gè)磨具，還可壓制不同形狀的坯體；可以任意調(diào)節(jié)成型壓力；壓制的產(chǎn)品質(zhì)量高，燒成收縮小，坯件致密，不易變形；設(shè)備成本高，濕式等靜壓成型不易自動(dòng)化生產(chǎn)，效率不高。 流延成型 流延成型又稱帶式澆注法，刮刀法，是一種目前比較成熟的能夠獲得高質(zhì)量，超薄型瓷片的成型方法，已廣泛用于電容器瓷、多層布線瓷、厚膜和薄膜電路基片、氧化鋅低壓壓敏電阻及鐵氧體磁記憶片等新型陶瓷的生產(chǎn)。流延成型方法簡介： 料漿從料斗下部流至向前移動(dòng)著的薄膜載體（如醋酸纖維素，聚脂，聚乙烯，聚丙烯，聚四氟乙烯等薄膜

7、）之上，坯片的厚度由刮刀控制。 坯膜連同載體進(jìn)入巡回?zé)犸L(fēng)烘干室，從烘干室出來的膜坯中還保留一定的溶劑，連同載體一起卷軸待用，并在儲(chǔ)存過程中使膜坯中的溶劑分布均勻，消除濕度梯度。 最后用流延的薄坯片按所需形狀進(jìn)行切割，沖片或打孔。 流延成型的特點(diǎn)： 流延成型設(shè)備不太復(fù)雜，且工藝穩(wěn)定，可連續(xù)操作，生產(chǎn)效率高，自動(dòng)化水平高，坯膜性能均勻一致且易于控制。但因溶劑和粘合劑等含量高，坯體密度小，燒成收縮率有時(shí)高達(dá)20%21%。 流延成型法主要用以制取超薄型陶瓷電容器、氧化鋁陶瓷基片等新型陶瓷制品。（5）固相反應(yīng) 固相反應(yīng)是固體粉末間（多相成分）在低于熔化溫度下的化學(xué)反應(yīng)，它是由參與反應(yīng)的離子或分子經(jīng)過熱擴(kuò)

8、散而生成新的固溶體。 固相反應(yīng)是燒結(jié)中的一種形式，基本上是在預(yù)燒過程中進(jìn)行的，固相反應(yīng)基本結(jié)束后（90%），燒結(jié)尚未完成。 影響固相反應(yīng)的因素： 粉料愈細(xì)反應(yīng)速度愈快 ； 粉末間接觸面積越大越好 ； 降低激活能，增進(jìn)原料的活性 ； 升高溫度較之延長反應(yīng)時(shí)間更有效； 少量熔點(diǎn)較低的物質(zhì)加入反應(yīng)物中，可起 類似于熔劑的作用，促使其它原料的固相反應(yīng)加速進(jìn)行。（6）燒結(jié) 燒結(jié)體的構(gòu)成：晶粒、晶界、氣孔等燒結(jié)過程的劃分（早、中、后期）（注意區(qū)分各個(gè)階段的顯微結(jié)構(gòu)和致密度變化）燒結(jié)推動(dòng)力 致密化與瓶頸形成的推動(dòng)力與機(jī)制 c=2s(1/r1-1/r2) 物質(zhì)由曲率半徑小處向曲率半徑較大處傳遞，同一顆粒內(nèi)物質(zhì)

9、傳遞的結(jié)果導(dǎo)致所謂的顆粒“球化”；不同顆粒接觸時(shí)，物質(zhì)將由小顆粒向大顆粒傳遞，促使顆?！按只?。 晶體生長的驅(qū)動(dòng)力-界面能 在細(xì)粉體或成型體中晶粒生長的機(jī)理被認(rèn)為是顆粒間的擴(kuò)散或晶界移動(dòng)，燒結(jié)后期接近致密的材料中，晶粒通過晶界向其曲率中心（小顆粒向大顆粒）移動(dòng)，晶粒生長，晶體生長的驅(qū)動(dòng)力是材料的界面能。圖4 二面角形成后的顆粒間構(gòu)型變化 晶粒長大與二次再結(jié)晶現(xiàn)象 為了避免非連續(xù)成長，通常希望顆粒均勻、坯件密度均勻，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，球磨時(shí)間過長，在球磨中加入鐵屑以及預(yù)燒溫度過高、燒結(jié)升溫速度過快等，也容易產(chǎn)生非連續(xù)的結(jié) 晶長大。氣孔與致密化的關(guān)系： 氣孔生長與晶粒生長和致密化有關(guān)，所以氣孔生長受到顆

10、粒尺寸差別和氣孔壓應(yīng)力的雙重影響，盡管如此，表面張力仍是最基本的推動(dòng)力。 實(shí)際粉料成型體的致密化過程由于存在氣孔尺寸分布將是復(fù)雜的 （尺寸分布、團(tuán)聚體的存在、燒結(jié)溫度的影響等）。燒結(jié)過程參數(shù)控制： 預(yù)燒、燒結(jié)制度、相變、氣氛和燒 結(jié)助劑、窯爐設(shè)計(jì) 圖5 幾種常見的產(chǎn)品開裂類型3.3 電子陶瓷膜材料 微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system MEMS）是把微機(jī)械傳感器和驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行）元件與傳統(tǒng)的集成電路組合起來的核心技術(shù)，是21世紀(jì)前50年信息技術(shù)革命的核心。其中，傳感器和驅(qū)動(dòng)器是這一技術(shù)革命的心臟。 MEMS器件用材料有Si、SiO2、Si3N4聚合物、鐵電陶瓷

11、、形狀記憶合金和化學(xué)敏感材料等。 鐵電陶瓷材料功耗低，噪聲小，能量密度大；其優(yōu)異的壓電和熱釋電性能是MEMS系統(tǒng)中微傳感器和微驅(qū)動(dòng)器的理想材料； 體塊陶瓷尺寸大、工作電壓高， 其中，110m以至更厚的陶瓷膜材料是近年來研究的新熱點(diǎn)。厚膜材料可以增加驅(qū)動(dòng)器單位體積的輸出力，降低傳感器的噪聲、工作電壓低、重量輕、體積小、成本低、易于與VLSI工藝兼容。 目前廣泛應(yīng)用的制備技術(shù)為濺射、化學(xué)氣相沉積(CVD)、分子束外延(MBE)及脈沖激光沉積(PLD)等，其中金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）的遮蓋性好，為制造三維器件所不可缺的重要成膜工藝。 膜材料和體材料差別很大，如薄膜BaTiO3中要獲得半導(dǎo)化

12、所需摻鈮量為體材料中摻入量的10倍。又如在Ba0.5 Sr0.5TiO3在SrTiO3襯底上外延生長成膜，在膜平面內(nèi)方向，有強(qiáng)的壓應(yīng)力，與它有相同組成的體材料，室溫時(shí)為順電體，而膜材料則顯鐵電性，這是因這襯底和介質(zhì)之間有二維應(yīng)力。 在襯底表面引入晶種，可降低薄膜的結(jié)晶溫度。 2004年11月美國科學(xué)雜志刊登美、德、中等13位科學(xué)家聯(lián)名發(fā)表文章稱：利用合適的襯底，控制膜的厚度，改變膜的應(yīng)變，可使BaTiO3膜的居里溫度T。從120提高到400540，剩余極化Pr達(dá)5070C/cm2。 二十世紀(jì)八十年代以來，電子信息技術(shù)的集成化，微型化和智能化發(fā)展趨勢，推動(dòng)電子技術(shù)產(chǎn)品日益向微型、輕量、薄型、多功

13、能、高可靠和高穩(wěn)定方向發(fā)展 。 表面組裝技術(shù)（SMT）的興起，使信息功能陶瓷元器件多層化，多層元件片式化、片式元件集成化、集成元件模塊化和多功能化成為近年的發(fā)展總趨勢。3.4 表面組裝技術(shù)簡介3.3.1 LTCC技術(shù)簡介低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic LTCC） LTCC技術(shù)是于1982年休斯公司開發(fā)的新型材料技術(shù)，是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉制成厚度精確而且致密的生瓷帶；在生瓷帶上利用激光打孔、微孔注漿、精密導(dǎo)體漿料印刷等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個(gè)被動(dòng)組件（如低容值電容、電阻、濾波器、阻抗轉(zhuǎn)換器等）埋入多層陶瓷基板中；然后疊壓在一起，內(nèi)外電極可分

14、別使用銀、銅、金等金屬，在900下燒結(jié)，制成三維空間互不干擾的高密度電路，也可制成內(nèi)置無源元件的三維電路基板；在三維電路基板表面貼裝IC和有源器件，制成無源/有源集成的功能模塊，進(jìn)一步將電路小型化與高密度化，特別適合用于高頻通訊用組件。 LTCC工藝流程 3.3.2 表面組裝元器件簡介 表面組裝元件（Surface Mounting Components，簡稱SMC）是20世紀(jì)70年代后期在國際上開始流行的一種新型電子元件，這種元件主要是供表面組裝技術(shù)（Surface Mounting Technology，簡稱SMT）使用的，通常指的是無引線或引線很短的適于表面組裝的片式微小型電子元件、器件

15、（Surface Mounting Device，簡稱SMD）。 什么是SMT？Surface mountThrough-hole與傳統(tǒng)工藝相比SMT的特點(diǎn)：高密度高可靠小型化低成本生產(chǎn)的自動(dòng)化SMT工藝流程波峰焊插通孔元件清洗混合安裝工藝 多用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品的組裝印刷錫膏貼裝元件流焊翻轉(zhuǎn)點(diǎn)貼片膠貼裝元件加熱固化翻轉(zhuǎn)先作A面：再作B面：插通孔元件后再過波峰焊：上板貼片焊接 SMT生產(chǎn)設(shè)備 SMT生產(chǎn)設(shè)備 3.3.3 常見表面組裝元件 (1)矩形片式電阻 外形為扁平狀，基片采用Al2O3陶瓷制成，電阻膜采用電阻漿料（RuO2或TaN-Ta）印制在基片上，經(jīng)過燒結(jié)制成，保護(hù)層采用玻璃釉。電極由三

16、層材料構(gòu)成：內(nèi)層Ag-Pd合金與電阻膜接觸；中層為Ni，主要作用是防止端頭電極脫落；外層為可焊層，采用電鍍Sn或Sn-Pb，Sn-Ce合金。 (2)圓柱形片式電阻 外形為一圓柱體，這種結(jié)構(gòu)與原來傳統(tǒng)的普通圓柱型長引線電阻器基本上是一樣的，只不過把引線去掉，兩端改為電極而已，其材料及制造工藝、標(biāo)記都基本相同，只是外形尺寸小了許多。 1-陶瓷基片;2-電阻膜;3-玻璃釉層;4-Ag-Pd電極; 1-標(biāo)志色環(huán);2-電阻膜；3-耐熱漆；4-端電極 5-鍍Ni層；6-鍍Sn或Sn-Pb層 5-螺紋槽 (3)片式陶瓷電容：結(jié)構(gòu)和矩形片式電阻相似 (4)片式電解電容器：主要有片式鉭電解電容器和片式鋁電解電容

17、器。 片式鉭電解電容器面市早，質(zhì)優(yōu)價(jià)高。而片式鋁電解電容器，需要具有可靠的密封結(jié)構(gòu)，以防在焊裝過程中因受熱而導(dǎo)致電解液泄漏。 鉭質(zhì)電容(Tantalum Capacitor)鉭質(zhì)電容(Tantalum Capacitor) 正極正極 (5)疊層型片狀電感器：由鐵氧體漿料和導(dǎo)電漿料相間形成多層的疊層結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)燒制而成，其特點(diǎn)是具有閉路磁路結(jié)構(gòu)，沒有漏磁，耐熱性好，可靠性高。 (6)薄膜型片狀電感器：運(yùn)用薄膜技術(shù)在玻璃基片上依次沉積Mo-Ni-Fe磁性膜、SiO2膜、Cr膜和Cu膜，然后光刻形成繞組，再依次沉積SiO2膜和Mo-Ni-Fe磁性膜而成。 (7)編織型片狀電感器：是利用紡織技術(shù)，以8

18、0m非晶磁性纖維為經(jīng)線、70m 銅線為緯線，“織”出的一種新型電感器。 Outline（表面粘貼類）BGA SOJ LCCPLCC CLCC 兩邊四邊J型腳球形引腳焊點(diǎn)在元件底部 二十世紀(jì)八十年代初電子元件的片式化率占4-6%，到二十世紀(jì)九十年代初則達(dá)50%?，F(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到70 國際上片式電容、片式電阻和片式電感已形成規(guī)模生產(chǎn)和新興產(chǎn)業(yè)。 塊狀元件片式元件 集成電路工作電壓，由七十年代的幾十伏特降低到現(xiàn)在的幾伏特、要求片式多層陶瓷電容器（Multilayer Ceramic Capacitor-MLCC)的層厚由幾十m降低至10m以下。 日本村田制作所片式電容產(chǎn)品的層厚可達(dá)5-6 m，正在研制與

19、開發(fā)層厚1-3 m的MLCC產(chǎn)品。 MLCC的外型尺寸從0805(0.080.05inch)到研制開發(fā)出更小尺寸的0603、0504及0402型。 MLCC 從20 世紀(jì)90年代初期開始規(guī)模化生產(chǎn)，每年以30%以上的速度增加，到2004 年已經(jīng)成為電容器的主流。 在全世界14 000 億只電容器中，陶瓷電容器就達(dá)到了12 000億只以上，而MLCC 達(dá)到6 000 億只以上，大約占據(jù)了電容器市場的半壁江山。近年來世界電子產(chǎn)品制造業(yè)加快了向中國轉(zhuǎn)移的速度，中國電子制造業(yè)MLCC 的用量占到全球用量的1/4，已經(jīng)成為世界上MLCC 的主要消費(fèi)大國之一。目前國內(nèi)MLCC 行業(yè)中最大的企業(yè)是風(fēng)華集團(tuán)、北京村田、上海京瓷、天津三星等四家，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品占國內(nèi)生產(chǎn)量的90%以上。 此外