低介裝置陶瓷

§2-1低介裝置瓷的根本知識§2-2典型低介裝置瓷§2-3低溫共燒陶瓷第二章低介裝置陶瓷第6章Internet應(yīng)用根底§2-1低介裝置瓷的根本知識§2-1-1低介裝置瓷的概念

用于電子技術(shù)、微電子技術(shù)和光電子技術(shù)中起絕緣、支撐、保護(hù)作用的陶瓷裝置零件、陶瓷基片以及多層陶瓷封裝等的瓷料。例如：高頻絕緣子骨架、電子管底座、電阻器基片、厚薄膜混合集成電路基片、微波集成電路基片等。第6章Internet應(yīng)用根底陶瓷基片陶瓷封裝電子用陶瓷零件§2-1低介裝置瓷的根本知識第6章Internet應(yīng)用根底§

2-1-2低介裝置瓷的性能

1.電性能：a、介電系數(shù)低，≤10b、介電損耗小，tg為2×10-4～9×10-3c、抗電強(qiáng)度高，≥10kv/mmd、絕緣電阻高，＞1012Ω·㎝(20℃)2.機(jī)械性能：a、抗彎強(qiáng)度〔45～300〕MPab、抗拉強(qiáng)度〔400～2000〕MPa3.熱性能：a、線熱膨脹系數(shù)小b、熱導(dǎo)率高c、耐熱沖擊、熱穩(wěn)定性好§2-1低介裝置瓷的根本知識第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷§

2-2-1滑石瓷§

2-2-2氧化鋁瓷§

2-2-3高熱導(dǎo)率陶瓷基片§

2-2-4透明陶瓷第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷§

2-2-1滑石瓷1、滑石的結(jié)構(gòu)

滑石瓷分子式：3MgO·4SiO2·H2O

滑石礦為層狀結(jié)構(gòu)的鎂硅酸鹽，屬單斜晶系，[SiO4]四面體聯(lián)結(jié)成連續(xù)的六方平面網(wǎng)，活性氧離子朝向一邊，每兩個六方網(wǎng)狀層的活性氧離子彼此相對，通過一層水鎂氧層聯(lián)結(jié)成復(fù)合層。復(fù)合層共價鍵\離子鍵分子鍵第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷2、滑石的相變120~200℃，脫去吸附水1000℃，脫去結(jié)構(gòu)水，轉(zhuǎn)變?yōu)槠杷徭V1557℃，再次失去Si，生成鎂橄欖石7精選ppt第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷呈單鏈狀輝石結(jié)構(gòu)，它有三種晶型：頑輝石原頑輝石斜頑輝石偏硅酸鎂原頑輝石是滑石瓷的主晶相，有少量斜頑輝石第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷3、滑石瓷存在的問題及解決方案(1)老化(2)開裂(3)燒結(jié)溫區(qū)過窄第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷(1)老化〔粉化〕:老化原因：防老化措施：a.用粘度大的玻璃相包裹晶粒，防止相變b.抑制晶粒生長c.去除游離石英第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷(2)開裂開裂原因：防開裂措施：

a.1300~1350℃高溫預(yù)燒

b.熱壓鑄成型11精選ppt第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷(3)燒結(jié)溫區(qū)過窄MgO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)的最低共熔點為1335℃，其組成為MgO(20%)、Al2O3(18.3%)、SiO2(61.4%)，與滑石瓷的組成非常接近，故滑石瓷在1350℃左右開始出現(xiàn)液相，并隨溫度的升高，液相數(shù)量急劇增加，使胚體軟化、變形、甚至報廢。由于粉料經(jīng)高溫預(yù)燒后活性下降，燒結(jié)溫度過低會出現(xiàn)生燒。因此滑石瓷的燒結(jié)溫區(qū)一般為10~20℃。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷擴(kuò)大燒結(jié)溫區(qū)的措施：擴(kuò)展下限：a)、提高粉料的活性：粉料細(xì)化，降低預(yù)燒溫度或采用一次配料成瓷；b)、參加助熔劑BaCO3：在800℃~950℃出現(xiàn)Ba-Al-Si玻璃，包裹偏硅酸鎂晶粒促進(jìn)燒結(jié)；擴(kuò)展上限：a)、提高玻璃相黏度：b)、參加阻制劑ZrO2、ZnO，使Mg-Al-Si液相黏度大，胚體不易變形。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷4、滑石瓷的用途滑石瓷廉價，但熱穩(wěn)定性差，主要用于制造絕緣子線圈骨架波段開關(guān)管座電阻基體第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷5、其他滑石類瓷簡介(1)鎂橄欖石瓷〔MgO·SiO2〕(2)堇青石瓷〔2MgO·2Al2O3·5SiO2〕第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷(1)鎂橄欖石由P29表2-3可知：a、鎂橄欖石瓷在高溫、高頻下介電性能優(yōu)于滑石瓷；b、高溫下，絕緣電阻高；c、熱膨脹系數(shù)與Ti-Ag-Cu或Ti-Ni合金相匹配，有利于真空封接；d、可作金屬膜電阻，碳膜電阻和繞線電阻的基體以及IC基片；e、線膨脹系數(shù)大，抗熱沖擊性能差；第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷(2)堇青石瓷a、線膨脹系數(shù)小，室溫到800℃：0.9~1.4×10-6/℃，陶瓷材料中最小。b、燒成溫度范圍很窄〔幾度〕。c、材料中離子排列不夠緊密，晶格內(nèi)存在大的空隙，很難燒結(jié)。d、機(jī)電性能差。改進(jìn)措施:i.超細(xì)粉料＜1μm；ii.參加礦化劑〔長石、LiF、B2O3、BaCO3等〕；iii.

制成多孔陶瓷；iiii.

制成低熱膨脹、高機(jī)械強(qiáng)度的陶瓷材料〔摻加剛玉〕。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷§

2-2-2氧化鋁瓷1、氧化鋁瓷的分類、性能與用途2、氧化鋁瓷原料的制備3、降低燒結(jié)溫度、改進(jìn)工藝性能的措施第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷1、氧化鋁瓷的分類、性能與用途以Al2O3為主要原料，α-Al2O3為主晶相的陶瓷稱為氧化鋁瓷。根據(jù)氧化鋁瓷的含量，將氧化鋁瓷分為莫來石瓷、剛玉-莫來石瓷、剛玉瓷，含Al2O375%以上的稱為高鋁瓷〔P30表2-4〕。根據(jù)氧化鋁瓷的顏色和透光性能，可分為白色Al2O3瓷、黑色Al2O3瓷、透明Al2O3瓷。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷瓷料類別Al2O3含量％相組成結(jié)晶相玻璃相莫來石瓷45~7085~90%莫來石10~15%剛玉－莫來石瓷70~9080~90%莫來石和剛玉10~20%剛玉瓷90~99.580~100%剛玉10~20%或以下P30表2-4氧化鋁陶瓷按Al2O3含量分類第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷氧化鋁瓷的性能：P31表2-5可見，隨Al2O3含量的增加，Al2O3的機(jī)電性能和熱性能愈來愈好，表現(xiàn)在：ρ↑，硬度↑，tgδ↓，熱導(dǎo)率↑；但是，隨著Al2O3含量的增加，氧化鋁瓷的工藝性能卻愈來愈差，表現(xiàn)在：可塑性↓，燒結(jié)溫度↑，機(jī)加工難度↑，對原材料的要求↑第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷氧化鋁瓷的用途：a、用于一般滑石瓷場所b、高溫、高壓、高頻、大功率特殊情況下c、特殊環(huán)境，如：集成電路外殼〔黑色Al2O3〕鈉燈〔透明Al2O3〕宇宙飛船的視窗〔透明Al2O3〕第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷2、氧化鋁瓷原料的制備(1)天然礦物(2)化學(xué)法(3)冷凍枯燥法第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷(1)天然礦物由鋁礬土礦〔Al2O3·3H2O〕經(jīng)化學(xué)方法處理得到，是煉鋁工業(yè)生產(chǎn)的中間產(chǎn)物，純度不高，20~80μm氧化鋁的三種晶型：高溫α型、低溫γ型和中溫的β型，由表2-6可知，只有α-Al2O3具有優(yōu)良的電器性能，結(jié)構(gòu)緊密、硬度大、損耗小、絕緣好，β-Al2O3的性能最差。故對工業(yè)Al2O3在配料前必須經(jīng)高溫煅燒〔預(yù)燒〕，使γ-Al2O3→α-Al2O3第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷預(yù)燒的作用:

促使晶型轉(zhuǎn)變減少胚體的燒結(jié)收縮率，保證產(chǎn)品尺寸的準(zhǔn)確性可使堿金屬離子減少或去除，起純化的作用，破壞Al2O3顆粒聚集狀態(tài)，以獲得細(xì)顆粒的原料。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷(2)化學(xué)法鋁的草酸鹽熱分解醇鹽水解sol-gel法可獲得高純、高均勻度的超細(xì)粉料,平均粒徑10~30nm，比外表積550±10%m2/g，純度高達(dá)99%以上。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷(3)冷凍枯燥法將含Al3+溶液霧化成微小液滴，快速凍結(jié)為固體，加熱使液滴中的水升華氣化，枯燥形成無水鹽，焙燒后得到球型顆粒。特點：疏松而脆，容易粉碎成均勻，超細(xì)原料成分均勻適于批量化生產(chǎn)，設(shè)備簡單，本錢低第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷3、降低燒結(jié)溫度、改進(jìn)工藝性能的措施參加變價金屬氧化物MnO2、TiO2參加助熔劑，固液燒結(jié)利用超細(xì)粉體，提高粉體燒結(jié)活性采用復(fù)原氣氛燒結(jié)或熱壓燒結(jié)第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷§

2-2-3高熱導(dǎo)率陶瓷基片1、基片應(yīng)具有的機(jī)電性能2、電介質(zhì)導(dǎo)熱機(jī)制3、高熱導(dǎo)率晶體的結(jié)構(gòu)特征4、高導(dǎo)熱陶瓷材料特征比較5、多芯片組裝-多層基片第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷1、基片應(yīng)具有的機(jī)電性能①高熱導(dǎo)率，低膨脹系數(shù)，高絕緣電阻和抗電強(qiáng)度，低介電常數(shù)和低的介質(zhì)損耗。②機(jī)械性能優(yōu)良，易機(jī)械加工③外表平滑度好，氣孔率小，微晶化④規(guī)模生產(chǎn)具可行性，適應(yīng)金屬化、本錢低

第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷2、電介質(zhì)導(dǎo)熱機(jī)制金屬導(dǎo)熱的主要機(jī)制是通過大量質(zhì)量很輕的自由電子的運動來迅速實現(xiàn)熱量的交換，因而具有較大的熱導(dǎo)率，但不適合制作IC基片〔導(dǎo)電性〕。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷陶瓷是絕緣體，沒有自由電子，其熱傳導(dǎo)機(jī)理是由晶格振動的格波來實現(xiàn)的，根據(jù)量子理論，晶格波或熱波可以作為聲子的運動來描述，即熱波既具有波動性，又具有粒子性。通過聲子間的相互碰撞，高密度區(qū)的聲子向低密度區(qū)擴(kuò)散，聲子的擴(kuò)散同時伴隨著熱的傳遞。

T1高溫端

T2低溫端聲子熱傳導(dǎo)〔類似于氣體〕第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷陶瓷的熱傳導(dǎo)公式：K-熱導(dǎo)率，C-聲子的熱容，V-聲子的速度，l-聲子的平均自由程，v-聲子的振動頻率。聲子的散射機(jī)制：聲子的平均自由程除受到格波間的耦合作用外〔聲子間的散射〕，還受到材料中的各種缺陷、雜質(zhì)以及樣品邊界〔外表、晶界〕的影響。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷3、高導(dǎo)熱晶體的結(jié)構(gòu)特征共價鍵很強(qiáng)的晶體；結(jié)構(gòu)單元種類較少，原子量或平均原子量均較低；不是層狀結(jié)構(gòu)；

第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷高熱導(dǎo)率晶體都是由原子量較低的元素構(gòu)成的共價鍵或共價鍵很強(qiáng)的單質(zhì)晶體或二元化合物。此類非金屬晶體有：金剛石〔昂貴〕、石墨〔電子電導(dǎo)〕、立方BN〔昂貴〕、SiC〔難燒結(jié)，需熱壓〕、BP〔對雜質(zhì)敏感〕、BeO、AlN。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷4、高導(dǎo)熱陶瓷材料特征比較第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷(1)氧化鈹瓷性能指標(biāo)密度/(g/cm3)2.9熱導(dǎo)率/(W/m?℃)310熱膨脹系數(shù)/(10-6/℃)7.2抗彎強(qiáng)度/(MN/m2)195介電常數(shù)6.5~7.5介電損耗0.005絕緣電阻率/Ω?m1012關(guān)鍵：降低燒結(jié)溫度添加劑：MgO、Al2O3問題：參加添加劑會使熱導(dǎo)率降低Be-O共價鍵較強(qiáng)平均原子量僅12第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷(2)氮化鋁瓷性能指標(biāo)熱導(dǎo)率/(W/m?℃)可達(dá)280熱膨脹系數(shù)/(10-6/℃)3.5抗彎強(qiáng)度/(MPa)500介電常數(shù)(1MHz)8.8介電損耗5×10-4絕緣電阻率/Ω?m5×1011Al-N共價鍵強(qiáng)平均原子量20.49熱導(dǎo)率高熱膨脹系數(shù)與Si接近3～3.8第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷5、多芯片組件技術(shù)-多層基片MCM〔MultiChipModule〕—將多個半導(dǎo)體集成電路元件以裸芯片的狀態(tài)搭載在不同類型的布線板上，經(jīng)整體封裝而構(gòu)成的多芯片組件。MCM的核心是多層基板技術(shù)。應(yīng)用：武器系統(tǒng)、航天電子、高頻雷達(dá)、超級計算機(jī)〔CPU封裝〕、通訊、、數(shù)據(jù)處理、高清晰度電視、攝像機(jī)、汽車電子等。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷要求：多層布線層間隔介質(zhì)的ε小〔減少信號傳輸延遲時間，實現(xiàn)信號高速處理〕，高熱導(dǎo)率〔層數(shù)↑〔<100〕，散熱問題〕，AlN更有優(yōu)勢〔如50層時，AlN內(nèi)部熱阻2℃·㎝2/w；Al2O3內(nèi)部熱阻5℃·㎝2/w〕。目前趨勢：用金剛石基板或在AlN基板上淀積金剛石薄膜的復(fù)合基板→解決MCM結(jié)構(gòu)的散熱問題。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷§

2-2-4透明陶瓷1、透明陶瓷性能要求2、光散射因子3、陶瓷透明化的措施4、典型透明陶瓷第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷1、透明陶瓷性能要求優(yōu)良的介電性能高透光率高度均勻第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷2、光散射因子雜質(zhì)和添加物析出相燒結(jié)過程中的剩余氣孔陶瓷的晶界引起的反射散射中心：氣孔、夾雜物、晶界相等結(jié)構(gòu)或成分不均勻的微小區(qū)域第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷3、陶瓷透明化的措施：采用活性高、細(xì)，燒結(jié)性好的高純粉料，常用化學(xué)共沉法制備。適當(dāng)?shù)奶砑游铮壕Ы缙觯种凭Ы邕w移，排除氣孔；液相燒結(jié)，促進(jìn)陶瓷致密化。燒結(jié)〔溫度、時間、氣氛〕：氣孔的消除。減小光學(xué)各向異性：將居里溫度降至室溫。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-2典型低介裝置瓷4、典型透明陶瓷透明氧化鋁瓷透明尖晶石瓷透明氧化釔瓷透明氧化鎂瓷第6章Internet應(yīng)用根底§

2-3低溫共燒陶瓷§

2-3-1傳統(tǒng)陶瓷基片的缺陷§

2-3-2LTCC的優(yōu)點§

2-3-3LTCC的研究現(xiàn)狀§

2-3-4LTCC材料體系§

2-3-5LTCC的用途第6章Internet應(yīng)用根底§

2-3低溫共燒陶瓷§

2-3-1傳統(tǒng)陶瓷基片的缺陷氧化鋁瓷燒結(jié)溫度高，只能選擇難熔金屬Mo、W等作為電極，易導(dǎo)致以下問題：①需在復(fù)原氣氛中燒結(jié)②Mo、W電阻率較高，布線電阻大，信號傳輸易造成失真，增大損耗，布線微細(xì)化受到限制③介電常數(shù)偏大〔約9.6〕，增大信號延遲④熱膨脹系數(shù)〔7.0×10-6/℃〕與硅〔3.5×10-6/℃〕不匹配第6章Internet應(yīng)用根底§

2-3低溫共燒陶瓷§

2-3-2LTCC的優(yōu)點多層陶瓷基片必須與導(dǎo)體材料同時燒結(jié)，采用低溫?zé)啥鄬犹沾苫澹敲床粌H可以與Au、Ag、Cu等低電阻率金屬同時燒結(jié)，且有利于將電阻、電容、電感等無源元件同時制作在基板內(nèi)部，使產(chǎn)品小型、輕量化—稱為第五代基板。第6章Internet應(yīng)用根底§

2-3低溫共燒陶瓷

LTCC技術(shù)是一種先進(jìn)的混合電路封裝技術(shù)它是將四大無源器件，即變壓器〔T〕、電容器〔C〕、電感器〔L〕、電阻器〔R〕集成，配置于多層布線基板中，與有源器件〔如：功率MOS、晶體管、IC電路模塊等〕共同集成為一完整的電路系統(tǒng)。有效地提高電路的封裝密度及系統(tǒng)的可靠性第6章Internet應(yīng)用根底§

2-3低溫共燒陶瓷LTCC的特性：高電阻率：ρ>1012Ω·m，保證信號線間的絕緣性低介電常數(shù)，減少信號延遲低介電損耗，減小在交變電場中的損耗燒結(jié)溫度850~1000℃，可使用阻值低的導(dǎo)體材料〔Pd-Ag、Au、Cu〕，減小布線電阻基片的熱膨脹系數(shù)接近硅的熱膨脹系數(shù)，減少熱應(yīng)力高的熱導(dǎo)率，防止多層基板過熱足夠高的機(jī)械強(qiáng)度化學(xué)性能穩(wěn)定第6章Internet應(yīng)用根底§

2-3低溫共燒陶瓷基片§

2-3-3LTCC的研究現(xiàn)狀

目前已實現(xiàn)多達(dá)50層、16英寸，應(yīng)用頻率為50MHz～5GHz的LTCC集成電路日本富士通已研制出61層，245mm的共燒結(jié)構(gòu)美國IBM公司研制出了66層LTCC基板的多芯片組件第6章Internet應(yīng)用根底§

2-3低溫共燒陶瓷§

2-3-4LTCC材料體系

1、LTCC的實現(xiàn)方法〔降低燒結(jié)溫度〕摻雜適量的燒結(jié)助劑，進(jìn)行液相活性燒結(jié)采用化學(xué)法制取外表活性高的粉體采用顆粒粒度細(xì)、主晶相合成溫度低的材料采用微晶玻璃或非晶玻璃第6章Internet應(yīng)用根底§

2-3低溫共燒陶瓷2、LTCC材料體系

單相陶瓷系玻璃陶瓷復(fù)合系結(jié)晶玻璃系四類氧化鋁中添加物系第6章Internet應(yīng)用根底§

2-3低溫共燒陶瓷基板材料燒成溫度/℃介電常數(shù)1MHz介電損耗/10-2電阻率/Ω?cm熱膨脹系數(shù)/10-6/℃抗彎強(qiáng)度102MPa熱導(dǎo)率/W/