电子材料精品课程

  发布时间: 2020年06月27日 00:09:31   作者: 广丰能源网

第二章低介装置陶瓷

一、教学基本要求

了解装置瓷的特点、要求与分类;滑石瓷老化的原因及解决措施;Al2O3与滑石瓷相比有哪些优缺点;掌握电介质材料与金属材料导热机制的区别,高导热晶体应具备哪些特点;光散射因子有哪些;陶瓷透明化的方法。

二、基本内容概述

2.1 低介装置瓷的基本知识

1.      低介装置瓷的概念:用于电子技术、微电子技术和光电子技术中起绝缘、支撑、保护作用的陶瓷装置零件、陶瓷基片以及多层陶瓷封装等的瓷料。

2.      低介装置瓷的性能:

1)电性能:

l         介电系数低,e≤10;信号传输延迟时间与成正比,用于高频电路必须降低ε,提高信号传输速度,减少信号延迟。

l         介电损耗小,tgd2×10-49×10-3;减少介电损耗,增大品质因素。

l         抗电强度高,≥10kv/mm

l         绝缘电阻高,>1012Ω·(20℃);耐压

2)机械性能:

l         抗弯强度、抗拉强度高;

3)热性能:

l         线热膨胀系数小;与硅芯片匹配;

l         热导率高,散热性能好;

l         耐热冲击、热稳定性好;

2.2 传统低介装置瓷

1.        滑石瓷:

l        滑石的结构:滑石瓷分子式:3MgO·4SiO2·H2O,滑石矿为层状结构的镁硅酸盐,属单斜晶系,[SiO4]四面体联结成连续的六方平面网,活性氧离子朝向一边,每两个六方网状层的活性氧离子彼此相对,通过一层水镁氧层联结成复合层。

l        滑石的相变:

120~200℃,脱去吸附水

1000℃,脱去结构水,转变为偏硅酸镁

1557℃,再次失去Si,生成镁橄榄石

偏硅酸镁具有三种晶型,原顽辉石是滑石瓷的主晶相,有少量斜顽辉石。

l        滑石瓷存在的问题及解决方案

                        i.              老化:老化原因及防老化措施。

滑石瓷的老化是自破坏现象,指储存或使用过程中瓷件出现微裂纹或斑点。

老化原因是:原顽辉石转变为斜顽辉石时,密度增大,体积减小,内应力增大。

防老化措施:a. 用粘度大的玻璃相包裹晶粒,防止相变;b. 抑制晶粒生长;c. 去除游离石英。

                      ii.              开裂:开裂原因及防开裂措施。

开裂原因:内因,层状结构,热膨胀系数和密度各向异性导致收缩各向异性;外因,成型过程中的定向排列。

防开裂措施:a. 1300~1350℃高温预烧;b. 热压铸成型。

                    iii.              烧结温度过窄:原因及措施。

MgO-Al2O3-SiO2系统的最低共熔点为1335℃,其组成为MgO(20%)Al2O3(18.3%)SiO2(61.4%),与滑石瓷的组成非常接近,故滑石瓷在1350℃左右开始出现液相,并随温度的升高,液相数量急剧增加,使胚体软化、变形、甚至报废。

由于粉料经高温预烧后活性下降,烧结温度过低会出现生烧。因此滑石瓷的烧结温区一般为10~20℃

扩大烧结温区的措施:

l         扩展下限:a)、提高粉料的活性:粉料细化,降低预烧温度或采用一次配料成瓷;b)、加入助熔剂BaCO3:在800℃~950℃出现Ba-Al-Si玻璃,包裹偏硅酸镁晶粒促进烧结;

l         扩展上限:a)、提高玻璃相黏度:b)、加入阻制剂ZrO2ZnO,使Mg-Al-Si液相黏度大,胚体不易变形。

l        滑石瓷用途

滑石瓷便宜,但热稳定性差。

l        其他滑石类瓷简介

                        i.              镁橄榄石幸福之石”“太阳的宝石

                      ii.              堇青石穷人家的蓝宝石

2.        氧化铝瓷

最初用于汽车火花塞。汽车中火花塞工作环境极为恶劣,点火瞬间T上升至3000℃,压力高达4MPa,急冷急热,必须耐热冲击。还要保证绝缘性,耐高电压。机械性能好。

l        氧化铝瓷的分类、性能与用途

                        i.              Al2O3为主要原料,α-Al2O3为主晶相的陶瓷称为氧化铝瓷。根据氧化铝瓷的含量,将氧化铝瓷分为莫来石瓷、刚玉-莫来石瓷、刚玉瓷,含Al2O375%以上的称为高铝瓷(P302-4)。根据氧化铝瓷的颜色和透光性能,可分为白色Al2O3瓷、黑色Al2O3瓷、透明Al2O3瓷。

l        氧化铝瓷原料的制备

                        i.              天然矿物

                      ii.              化学法

                    iii.              物理法

l        降低烧结温度、改进工艺性能的措施

                        i.              加入变价金属氧化物MnO2TiO2,使Al2O3晶格活化,有效降低烧结温度。

缺陷越多,物质扩散的动力愈大,有利于烧结;

中电子为弱束缚电子,使瓷料的绝缘降低,损耗加大。

                      ii.              加入助熔剂,纯固相烧结变为固液烧结

                    iii.              利用超细粉体,提高粉体烧结活性

对于机电性能要求很高的氧化铝瓷,几乎不含玻璃相和杂质,为此,要降低烧结温度,只能采用化学法制粉,如前所述。

                    iv.               采用还原气氛烧结或热压烧结

氧离子空位有利于烧结。

热压烧结:在足够大的外加机械力作用下进行的烧结过程。优点:烧结温度低,晶粒小,密度高,机械强度高,尺寸易控制。

3.        高热导率陶瓷

l        基片应具有的基电性能:

高热导率,低膨胀系数,高绝缘电阻和抗电强度,低介电常数和低的介质损耗。

机械性能优良,易机械加工

表面平滑度好,气孔率小,微晶化

规模生产具可行性,适应金属化、成本低

l        电介质导热机制

l        高导热晶体的结构特征

l        高导热陶瓷材料特征比较:重点介绍BeOAlN

l        多芯片组件技术-多层基片

4.        透明陶瓷

l        透明陶瓷性能要求

                        i.              优良的介电性能

                      ii.              高透光率

                    iii.              高度均匀

l        光散射因子

                        i.              由杂质和添加物析出相以及烧结过程中的剩余气孔引起的散射

                      ii.              陶瓷的晶界引起的反射。

l        陶瓷透明化的措施

                        i.              采用活性高、细,烧结性好的高纯粉料,常用化学共沉法制备

                      ii.              适当的添加物:抑制晶界迁移,排除气孔;液相烧结,陶瓷致密化

                    iii.              烧结(温度、时间、气氛):气孔的消除

                    iv.              减小光学各向异性:将居里温度降至室温

l        典型透明陶瓷

2.3低温共烧陶瓷

1.        传统陶瓷基片的缺陷

烧结温度高,只能选择难熔金属MoW等作为电极,易导致下列问题:

需在还原气氛中烧结

② MoW电阻率较高,布线电阻大,信号传输易造成失真,增大损耗,布线微细化受到限制

介电常数偏大

热膨胀系数与硅不匹配

2.        LTCC的优点

多层陶瓷基片必须与导体材料同时烧结,而一般Al2O3的烧结温度在1500~1600℃,能采用的导体材料只能用钨(W)、钼(Mo)等电阻率大的贵重金属,布线图形微细化受到限制。而采用低温烧成多层陶瓷基板,则不仅可以克服上述缺点,且有利于将电阻、电容、电感等无源元件同时制作在基板内部,使产品小型、轻量化称为第五代基板。

LTCC技术是一种先进的混合电路封装技术。它是将四大无源器件,即变压器(T)、电容器(C)、电感器(L)、电阻器(R)集成,配置于多层布线基板中,与有源器件(如:功率MOS、晶体管、IC电路模块等)共同集成为一完整的电路系统。

LTCC的特性:

l           高电阻率:ρ>1012Ω·m,保证信号线间的绝缘性

l           低介电常数,减少信号延迟

l           低介电损耗,减小在交变电场中的损耗

l           烧结温度850~1000℃,可使用阻值低的导体材料(Pd-AgAuCu),减小布线电阻

l           基片的热膨胀系数接近硅的热膨胀系数,减少热应力

l           高的热导率,防止多层基板过热

l           足够高的机械强度

l           化学性能稳定

3.        LTCC的研究现状

4.        LTCC材料体系

l           LTCC的实现方法:

                        i.              掺杂适量的烧结助剂,进行液相活性烧结

                      ii.              采用化学法制取表面活性高的粉体

                    iii.              采用颗粒粒度细、主晶相合成温度低的材料

                    iv.              采用微晶玻璃或非晶玻璃 

l           LTCC材料体系:

                        i.              结晶玻璃系

                      ii.              玻璃陶瓷复合系

                    iii.              氧化铝添加物系

                    iv.              单相陶瓷系

5.        LTCC的用途

LTCC适用于高密度电子封装用的三维立体布线多层基板。特别适合于射频、微波、毫米波器件等。目前,随着电子设备向轻、薄、短、小方向的发展,设备工作频率的提高(例如从目前手机的400800MHz提高到3GHz,甚至3040GHz),以及军用设备向民用设备的转化,LTCC多层基板将以其极大的优势成为无线通讯、军事及民用等领域重要发展方向之一。

 

 

三、重点、难点分析

1、电介质材料与金属材料导热机制的区别。

l         金属导热机制:金属导热的主要机制是通过大量质量很轻的自由电子的运动来迅速实现热量的交换,因而具有较大的热导率,但不适合制作IC基片(导电性)。

l         前面将晶体结构抽象为空间点阵加基元,实际上原子或离子是在平衡位置附近作不停息的热运动,称为晶格振动。原子间存在很强的相互作用,微振动不是孤立的,原子的运动状态会在晶体中以波的形式传播,形成格波。陶瓷是绝缘体,没有自由电子,其热传导机理是由晶格振动的格波来实现的,根据量子理论,晶格波或热波可以作为声子的运动来描述,即热波既具有波动性,又具有粒子性。通过声子间的相互碰撞,高密度区的声子向低密度区扩散,声子的扩散同时伴随着热的传递。声子的散射机制:声子的平均自由程除受到格波间的耦合作用外(声子间的散射),还受到材料中的各种缺陷、杂质以及样品边界(表面、晶界)的影响。

2、高导热晶体的特点。

l         共价键很强的晶体;键强高,键有方向性,限制晶体结构单元的热起伏,减少对声子的散射。

l         结构单元种类较少,原子量或平均原子量均较低;结构单元增多和质量增大都回增强对晶格波的干扰和散射。

l         不是层状结构;沿层片方向为强的共价键结合,使沿此方向具有高的热导率,而层片间弱的结合力,使沿垂直方向的热导率显著下降。

四、典型例题解析

1.电介质材料与金属材料导热机制的区别?

答:金属导热的主要机制是通过大量质量很轻的自由电子的运动来迅速实现热量的交换。电介质材料是绝缘体,没有自由电子,其热传导机理是由晶格振动的格波来实现的,根据量子理论,晶格波或热波可以作为声子的运动来描述,即热波既具有波动性,又具有粒子性。载热声子可以通过晶体中结构单元(原子、离子、分子)间进行的相互制约、相互协调的振动来实现热的传递。

2.高导热晶体应具备哪些特点?

答:高导热晶体应具备三个特点:

(1) 共价键很强的晶体;

(2) 结构单元种类较少,原子量或平均原子量均较低;

(3) 不是层状结构;

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