介電材料類(lèi)型-應(yīng)用及發(fā)展

1、介電材料的類(lèi)型、應(yīng)用及發(fā)展楊文博（西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，西安 710055）摘要介電材料（dielectric material），又稱(chēng)電介質(zhì)，是電的絕緣材料。介電材料主要包括電容器介質(zhì)材料和微波介質(zhì)材料兩大體系。其中用作電容器介質(zhì)的介電材料，要求材料的電阻率高，介電常量大，在整個(gè)介電材料中占有很大比重。它可分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類(lèi)，其種類(lèi)繁多。近年來(lái)，新型陶瓷介電材料獲得快速發(fā)展，其中獨(dú)石電容器是典型的代表。隨著微波器件的小型化、輕量化、高可靠性化，微波介質(zhì)材料有了很大發(fā)展，并成為新興的重要介電材料。介電材料分類(lèi)應(yīng)用及發(fā)展是本課題研究的主要內(nèi)容。 關(guān)鍵詞：介電材料，電容器，復(fù)合材料，陶

2、瓷AbstractDielectric materials, also known as dielectric and Electric insulating materials. Dielectric material including dielectric materials for microwave dielectric materials and two systems.Used as a capacitor dielectric material, requiring the high resistivity of the material, the dielectric con

3、stant, dielectric material as a whole accounts for a large proportion. It can be divided into two big categories of organic and inorganic, its range. In recent years, the rapid development of new ceramic dielectric materials, multilayer ceramic capacitors is a typical representative. Microwave devic

4、e miniaturization, light weight, high reliability of microwave dielectric materials have greatly developed, and become an important emerging dielectric materials. Classification, application and development of dielectric materials is the main content of this study.Key Words: Dielectric, capacitors,

5、composite material, ceramic推薦精選0 引言電介質(zhì)材料可用于控制/存儲(chǔ)電荷及電能，在現(xiàn)代電子及電力系統(tǒng)中具有重要的戰(zhàn)略地位。人們對(duì)介電材料的研究最初是從無(wú)機(jī)壓電陶瓷材料開(kāi)始的，無(wú)機(jī)壓電陶瓷材料具有高介電常數(shù)和高熱電穩(wěn)定性，但其脆性大、加工溫度較高。隨著信息和微電子工業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)半導(dǎo)體器件微型化、集成化、智能化、高頻化和平面化的應(yīng)用需求增加，越來(lái)越多的電子元件，如介質(zhì)基板、介質(zhì)天線(xiàn)、嵌入式薄膜電容等，既要介電材料具備優(yōu)異的介電性能，又要其具備良好的力學(xué)性能和加工性能。因此，單一的無(wú)機(jī)介電材料已經(jīng)不能滿(mǎn)足上述要求。具有高介電性能的有機(jī)功能電介質(zhì)材料可用于制備高儲(chǔ)能密度介

6、質(zhì)，在脈沖率及電子封裝技術(shù)等軍/民用領(lǐng)域有著引人矚目的實(shí)用前景1,2。近年來(lái)，人們通過(guò)以聚合物為基體，引入高介電常數(shù)或易極化的納米尺度的無(wú)機(jī)顆粒或者其它有機(jī)物形成聚合物基復(fù)合介電材料。無(wú)機(jī)顆粒與基體間的界面結(jié)構(gòu)把不同材料結(jié)合為一個(gè)整體，并且對(duì)整體的性能產(chǎn)生重要的影響。然而，無(wú)機(jī)顆粒材料在聚合物體系中易發(fā)生團(tuán)聚，在聚合物中分散不均勻，宏觀(guān)上出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了復(fù)合材料的加工性能和介電性能。因此，無(wú)機(jī)顆粒材料和聚合物的界面狀態(tài)顯得尤為重要，無(wú)機(jī)顆粒的表面修飾為解決上述問(wèn)題提供了可能3。1介電材料的類(lèi)型1.1按性能分類(lèi)（鐵電陶瓷材料、聚合物材料）介電材料高介電材料低介電材料（SiLK、FOx、

7、MSQ、Nanoglass）（空氣、N2、He、O2、H2、CH4）1.2按形態(tài)分類(lèi)介電材料固態(tài)介電材料液態(tài)介電材料氣態(tài)介電材料（苯、CCl4、汽油、煤油、乙醇） （金剛石、硫磺、聚氯乙烯、晶體） 推薦精選1.3按性質(zhì)分類(lèi)（苯、PVDF、聚酰胺PA）有機(jī)介電材料 （金剛石、硫磺、鐵電陶瓷材料）介電材料無(wú)機(jī)介電材料2 介電材料的應(yīng)用在電工技術(shù)中，電介質(zhì)主要用作為電氣絕緣材料，故電介質(zhì)亦稱(chēng)為電絕緣材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)一些電介質(zhì)具有與極化過(guò)程有關(guān)的特殊性能。如不具有對(duì)稱(chēng)中心的晶體電介質(zhì)，在機(jī)械力的作用下能產(chǎn)生極化，即壓電性；不具有對(duì)稱(chēng)中心，而具有與其他方向不同的唯一的極軸晶體存在自發(fā)極化，

8、當(dāng)溫度變化能引起極化，即具有熱釋電性；當(dāng)自發(fā)極化偶極矩能隨外施電場(chǎng)的方向而改變，它的極化強(qiáng)度與外施電場(chǎng)的關(guān)系曲線(xiàn)與鐵磁材料的磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)的關(guān)系曲線(xiàn)極為相似，即具有電滯曲線(xiàn)(鐵電性)。具有壓電性、熱釋電性、鐵電性的材料分別稱(chēng)為壓電材料、熱釋電材料、鐵電材料。這些具有特殊性能的材料統(tǒng)稱(chēng)為功能材料。它是電介質(zhì)的一個(gè)重要組成部分。可用作機(jī)械、熱、聲、光、電之間的轉(zhuǎn)換，在國(guó)防、探測(cè)、通信等領(lǐng)域具有極為重要的用途4。2.1低介電材料應(yīng)用隨著ULSI器件集成度的提高，納米尺度器件內(nèi)部金屬連線(xiàn)的電阻和絕緣介質(zhì)層的電容所形成的阻容造成的延時(shí)、串?dāng)_、功耗就成為限制器件性能的主要原因，微電子器件正經(jīng)歷著一場(chǎng)材料的

9、重大變革；除用低電阻率金屬（銅）替代鋁，即用低介電常數(shù)材料取代普遍采用的SiO2（K：3.9-4.2）作介質(zhì)層5。對(duì)其工藝集成的研究，已成為半導(dǎo)體ULSI工藝的重要分支。這些低k材料必須要具備以下性質(zhì)：在電性能方面：要有低損耗和低泄露電流；在機(jī)械性能方面：要有穩(wěn)定性和低收縮性。2.1.1有機(jī)低k材料有機(jī)低k材料種類(lèi)繁多，性質(zhì)各異，其中以聚合物低k居多，重點(diǎn)介紹聚酰亞胺（PI）。聚甲酰胺是一類(lèi)以酰亞胺環(huán)為結(jié)構(gòu)特征的高性能聚合物材料，介電常數(shù)為3.4左右，摻入氟，或?qū)⒓{米尺寸的空氣分散在聚酰亞胺中，介電常數(shù)可以降至2.32.8。介電損耗角正切值為103，介電強(qiáng)度為13MV/cm,體電阻率為1017

10、·cm。這些性能在一個(gè)較大的溫度范圍和頻率范圍內(nèi)仍能保持穩(wěn)定。聚酰亞胺薄膜具有耐高低溫特性和耐輻射性、優(yōu)良的電氣絕緣性、粘結(jié)性及機(jī)械性能。聚酰亞胺復(fù)合薄膜還具有高溫自封粘的特點(diǎn)。聚酰亞胺低k材料目前已廣泛應(yīng)用于余宇航、電機(jī)、運(yùn)輸工具、常規(guī)武器、車(chē)輛、儀表通信、石油化工等工業(yè)部門(mén)。它可作耐高溫柔性印刷電路基材，也可作為扁平電路、電線(xiàn)、電纜、電磁線(xiàn)的絕緣層以及用作各種電機(jī)的絕緣等。推薦精選2.1.2無(wú)機(jī)低k材料典型的無(wú)機(jī)低k材料有無(wú)定型碳氮薄膜、多晶硼氮薄膜、氟硅玻璃等。無(wú)定型碳氮薄膜aCNx，在1MHz頻率下介電常數(shù)值可降至1.9。并且它比一般aCNx具有更高的電阻率。用C2H2和N2

11、作為原料氣體，硅作為襯底，電子回旋加速器共振等離子區(qū)制備的aC:N的介電常數(shù)在1MHz下能達(dá)到2。得到改善的無(wú)定型碳氮薄膜常作為平板顯示器的電子發(fā)射器材料的候選者等。利用PACVD技術(shù)合成的多晶硼氮薄膜k值能達(dá)到2.2。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，C原子的加入能有效地降低k值。這種薄膜具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，有很高的熱傳導(dǎo)率和較寬的能帶隙（6eV），在場(chǎng)強(qiáng)為0.9MV/cm時(shí)，其泄漏電流值為5.7×10-8A/cm2,并且有希望進(jìn)一步減小。除了用作互連介質(zhì)外，它在電子和光電子器件的應(yīng)用上也是一種很有前途的材料，如場(chǎng)發(fā)射器。氟硅玻璃是一種低k材料，能擴(kuò)大SiO2的化學(xué)氣相沉積過(guò)程，在普通玻

12、璃中加入氟，提高了填充能隙同時(shí)降低了介電常數(shù)。這種材料的性能在很大程度上由其加工條件和原料物質(zhì)決定，它的介電常數(shù)隨著氟元素比例增加能在4.23.2變化。2.2高介電材料應(yīng)用電容器主要采用高介電材料，要求材料的電阻率高，介電常量大電容器是電子、電力工業(yè)中一種常用的電子、電器元器件，它的用途十分廣泛、電容器是儲(chǔ)存從電路中得到的電荷的器件，它可以使信號(hào)的波動(dòng)趨于平滑，積蓄電荷使電路的其余部分免遭破壞，儲(chǔ)存的電荷供以后分配、使用，甚至還可以改變電信號(hào)的頻率，電容器的設(shè)計(jì)原則是使電荷儲(chǔ)存在兩個(gè)導(dǎo)體之間的極化材料(介電材料)中。對(duì)介電材料的要求是必須容易極化，同時(shí)還必須有很高的電阻率和介電強(qiáng)度，以防止電荷

13、在兩個(gè)導(dǎo)體板之間通過(guò)。這種限制電流不能在兩個(gè)導(dǎo)體之間通過(guò)的作用和絕緣材料的作用一樣，從這個(gè)意義上說(shuō)，介電材料是一類(lèi)特殊的絕緣材料，它又有絕緣材料不具備的儲(chǔ)存電荷的功能，能夠儲(chǔ)存電荷是介電材料的主要功能，因此，它必須是具有很高介電常數(shù)的一種材料。2.2.1紙質(zhì)介電材料推薦精選紙電容器：它是由不合雜質(zhì)的超薄紙與鋁箔一起卷繞成芯子，焊外部引出線(xiàn)后裝入外殼中，然后再用經(jīng)過(guò)脫氣的石蠟或絕緣油進(jìn)行防潮封裝制成。它具有容量大，使用溫度高，價(jià)格低等特點(diǎn)。由于紙是纖維素組成，它含有0H基。OH基團(tuán)使電容器具有較高的介電常數(shù)。但是由于0H基的存在也較易吸潮。在電場(chǎng)的作用下，它相對(duì)整個(gè)分子鍵而轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)極化效應(yīng)。

14、因而適用于高壓、高能量領(lǐng)域，但不適用于高頻領(lǐng)域。具體的應(yīng)用范圍如：發(fā)報(bào)機(jī)、車(chē)輛控制設(shè)備、通信機(jī)、計(jì)算機(jī)、制冷機(jī)、冷凍機(jī)、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)等產(chǎn)品中。2.2.2塑料薄膜介電材料塑料薄膜電容器是以各種塑料薄膜為介電材料。其生產(chǎn)工藝和紙電容器相似，包括塑料薄膜和金屬箔纏繞成芯子，焊外部引出線(xiàn)，浸蠟密封等幾個(gè)工序。它具有比紙電容器的介電常數(shù)更大，而且無(wú)吸濕性等特點(diǎn)。所以絕緣電阻大，體積也比紙電容器小，可靠性高。大量用于工業(yè)測(cè)量?jī)x器、工業(yè)計(jì)量?jī)x器、計(jì)算機(jī)以及電視機(jī)、發(fā)電機(jī)、音響等家用電器設(shè)備中。2.2.3陶瓷質(zhì)介電材料陶瓷電容器雖然靜電電容范圍較小，但是由于電子計(jì)算機(jī)，電視攝像機(jī)及汽車(chē)、鐘表等機(jī)電一體化，特

15、別是集成電路的發(fā)展，陶瓷電容器得到了很大的發(fā)展。陶瓷電容器的制造方法是將上面所提到的如二氧化鉆、鉆酸鹽、鈕酸鹽、鉻酸鹽等原料，按一定配比制成電介質(zhì)材料后，再將它加工成所需的形狀和尺寸，燒結(jié)成陶瓷，然后在陶瓷的兩面涂附金屬電極，焊接引出端線(xiàn)，涂絕緣層。目前這種制造工序已有相當(dāng)部分可以實(shí)行自動(dòng)化生產(chǎn)。為了擴(kuò)大陶瓷電容器的電容量范圍，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出了半導(dǎo)體陶瓷電容器，這種電容器開(kāi)發(fā)成功可制造出適合晶體管低壓電路所需的小型大容量陶瓷電容器，由于半導(dǎo)體陶瓷電容器擴(kuò)大了陶瓷電容器的電容量，因而能夠同有機(jī)薄膜電容器。固體鈕電解電容器等相媲美，而且在價(jià)格上半導(dǎo)體陶瓷電容器較低，因而很有發(fā)展前途。半導(dǎo)體陶瓷電容器按

16、其微觀(guān)結(jié)構(gòu)可分為阻擋層型、還原再氧化型、晶界型三種類(lèi)型、這三種半導(dǎo)體陶瓷電容器中，第一種由于結(jié)構(gòu)上絕緣性能不高，近年來(lái)，產(chǎn)量逐漸減少，后兩種半導(dǎo)體陶瓷電容器，產(chǎn)量增加較快，還原再氧化型性能好，質(zhì)量高、生產(chǎn)技術(shù)成2.2.4（CCTO）材料CaCu3TiO12（簡(jiǎn)稱(chēng)CCTO）時(shí)近幾年受到關(guān)注的高介電材料之一6.該材料不僅具有極高的介電常數(shù)，而且在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)介電常數(shù)可保持不變。同時(shí)，CCTO還顯示出強(qiáng)烈的非線(xiàn)性特征，這就使得該材料今后有望在高密度信息存儲(chǔ)、薄膜器件、高介電容器以及非線(xiàn)性器件上獲得廣泛的應(yīng)用，促使器件小型化，是使度穩(wěn)定性提高。推薦精選3 介電材料的發(fā)展人們對(duì)介電材料的研究最初是

17、從無(wú)機(jī)壓電陶瓷開(kāi)始的，無(wú)機(jī)壓電陶瓷具有較高介電常數(shù)和高熱穩(wěn)定性，但其脆性較大、加工溫度較高，與電路集成加工技術(shù)的相容性差等缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用7,8。隨著信息和微電子工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體器件微型化、集成化、智能化、高頻化和平面化的應(yīng)用需求增加，越來(lái)越多的電子元件，如介質(zhì)基板、介質(zhì)天線(xiàn)、嵌入式薄膜電容等9-11，既要介電材料具有優(yōu)異的介電性能，又要其具備良好的力學(xué)性能和加工性能。因此，單一的無(wú)機(jī)介電材料已經(jīng)不能滿(mǎn)足上述要求，這時(shí)就需要考慮選取幾種不同的材料進(jìn)行復(fù)合，使得到的介電材料能同時(shí)具備材料各組分的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料同時(shí)具有材料中各組分的優(yōu)良性能，在功能材料領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。復(fù)合材料大體分為兩

18、類(lèi)，即非聚合物復(fù)合材料和聚合物復(fù)合材料，前者如金屬/介電陶瓷復(fù)合材料。聚合物復(fù)合材料又包括聚合物/聚合物復(fù)合材料、聚合物/無(wú)機(jī)物復(fù)合材料，如廣泛報(bào)道的具有高K值的介電陶瓷/聚合物復(fù)合材料。應(yīng)用于高K值介電復(fù)合材料中的聚合物主要是一些具有較強(qiáng)極性的聚合物，如聚酰胺、PI、PVDF、PVC、PS、PE、PMMA、環(huán)氧樹(shù)脂，以及用極性基團(tuán)修飾過(guò)的聚硅氧烷等12。介電無(wú)機(jī)物主要是陶瓷材料，如BaTiO3、PZT（鋯鈦酸鉛）、TiO2等。具有代表性的高K值介電復(fù)合材料，如Ba0.65Sr0.35TiO3/P(VDF-TrFE)13BaTiO3/聚合物14以及陶瓷粒子/PTFE15復(fù)合材料。高分子材料具有

19、優(yōu)異的電學(xué)性能，因而在電子、電工技術(shù)上取得了極為廣泛的應(yīng)用。大多數(shù)的電絕緣性能會(huì)約束和保護(hù)電流，使其沿著選定的途徑在導(dǎo)體里流動(dòng)，且能夠支持很高的電場(chǎng)，一以免發(fā)生電擊穿。與傳統(tǒng)陶瓷材料16相比，聚合物絕緣材料具有質(zhì)量輕、使用壽命長(zhǎng)、易加工、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)17-19。但是常用的高分子介電材料也有其不足之處，如熱穩(wěn)定性相對(duì)較差，且受成型過(guò)程的的限制只能應(yīng)用于工件的表面涂層，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。20世紀(jì)60年代美國(guó)聯(lián)合碳化物公司推出了Parylene系列新型高分子敷型涂層材料，由于其優(yōu)異的阻隔性能在防潮、防霉、防鹽霧的三防涂層材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用20-22。Parylene N、C和D均為氯代

20、的聚合物，氟代的Parylene時(shí)該系列聚合物的新一代衍生物，包括苯環(huán)取代和亞甲基取代兩類(lèi)23-25，氟原子的引入能夠較好地改善薄膜的電學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。氟代Parylene系列衍生物的研究主要集中在單體環(huán)二體的合成方法及薄膜的表面特性研究26,27,有關(guān)薄膜制備方法的報(bào)道較少，曾有采用液態(tài)前驅(qū)體進(jìn)行薄膜制備的文獻(xiàn)報(bào)道。28推薦精選致 謝在此論文撰寫(xiě)過(guò)程中，要特別感謝我的導(dǎo)師武志宏老師的指導(dǎo)與督促，同時(shí)感謝他的諒解與包容。沒(méi)有武老師的幫助也就沒(méi)有今天的這篇論文。求學(xué)歷程是艱苦的，但又是快樂(lè)的。武老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時(shí)半個(gè)月，卻給以

21、終生受益無(wú)窮之道。除了敬佩老師們的專(zhuān)業(yè)水平外，他們的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。他無(wú)私奉獻(xiàn)的精神很讓我感動(dòng)，向他表示由衷的感謝。在此過(guò)程中中結(jié)識(shí)的各位生活和學(xué)習(xí)上的摯友讓我得到了人生最大的一筆財(cái)富。在此，也對(duì)他們表示衷心感謝。 謝謝我的父母，沒(méi)有他們辛勤的付出也就沒(méi)有我的今天，在這一刻，將最崇高的敬獻(xiàn)給你們！參考文獻(xiàn)1 張化福，祁康成，吳健。高介電常數(shù)柵極電介質(zhì)材料的研究進(jìn)展J.材料導(dǎo)報(bào)，2005,19（3）：372 Qi Lai,LeeBurtrand I，Chen Sihai，et al. High dielectric costant s

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