材料科學(xué)與技術(shù)第16課

第五章功能材料第一節(jié)絕緣陶瓷集成電路基片陶瓷和封裝陶瓷：一、概述半導(dǎo)體、導(dǎo)體甚至超導(dǎo)體大多數(shù)陶瓷絕緣體少數(shù)早期的絕緣子長石瓷后來的絕緣子：微電子、通訊技術(shù)高頻微波領(lǐng)域的絕緣材料：滑石瓷、鎂橄欖石瓷、莫來石瓷、及剛玉瓷等要求絕緣性好、而且氣密性、導(dǎo)熱性等也要優(yōu)良目的：電氣（電氣）絕緣高鋁瓷（絕緣性較好）高頻下具有低的介電常數(shù)、介電損耗小二、絕緣陶瓷的絕緣性陶瓷的載流子：主要是離子、可能存在少量弱束縛電子脫阱導(dǎo)電絕緣陶瓷的禁帶寬，常溫下價(jià)電子幾乎不能被熱激發(fā)到導(dǎo)帶、參與導(dǎo)電絕緣陶瓷的導(dǎo)電形式：主要是離子擴(kuò)散導(dǎo)電荷電量小、體積小的雜質(zhì)弱束縛離子，激活能小、易于擴(kuò)散應(yīng)避免此類離子的存在降低陶瓷絕緣性的主要原因堿金屬離子：等離子電導(dǎo)率：離子數(shù)密度離子電荷離子遷移率與擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系：頻率常數(shù)擴(kuò)散活化能離子電導(dǎo)率隨溫度升高幾乎呈指數(shù)增加陶瓷絕緣性主要取決于晶界相陶瓷絕緣性除與本身的基本組成有關(guān)外，還與其顯微結(jié)構(gòu)有關(guān)：顯微結(jié)構(gòu)：晶相、晶界（非晶相）和氣孔組成晶界相：通常連續(xù)貫通、雜質(zhì)濃度高的玻璃相絕緣性差晶粒和氣孔：絕緣性好提高絕緣性：晶界相應(yīng)盡量由Si,B,Al氧化物的玻璃相組成、避免堿金屬離子的存在；減少表面氣孔（吸附水或被污染、降低表面絕緣性）絕緣陶瓷的電導(dǎo)：三、常用的絕緣陶瓷材料長石瓷、高鋁瓷、滑石瓷、鎂橄欖石瓷、堇青石瓷絕緣材料的分類按用途：工頻用、高頻用、耐熱用等按化學(xué)組成：氧化物和非氧化物常用的氧化物絕緣陶瓷：（一）云母長石瓷1、云母瓷配方：天然瓷石粘土（適當(dāng)?shù)谋壤?高溫?zé)Y(jié)生成天然瓷石中的絹云母是一種含水的鉀云母熔劑分子式：單斜晶系：鉀云母：安徽熔點(diǎn)？粘土：含水鋁硅酸鹽的混合體，有高嶺石類和蒙脫石類高嶺石分子式：通常組成：蒙脫石分子式：結(jié)晶水2、長石瓷配料：長石（20%～30%）

石英（20%～30%）粘土（40%～50%）++長石：堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸鹽高溫?zé)Y(jié)時(shí)長石起熔劑作用長石礦物由簡單長石組成：鈉長石：鉀長石：鈣長石：鋇長石：石英：結(jié)晶狀二氧化硅的通稱、石英原料中SiO2含量在95%以上云母瓷和長石瓷組織（組員）相近：由莫來石和石英晶相、玻璃相及少量氣孔組成莫來石：斜方晶系普通電瓷、耐壓較低、用于低壓絕緣器件云母瓷、長石瓷如、絕緣子、絕緣管、電阻瓷等制作簡單、成本低（二）滑石瓷、鎂橄欖石瓷和堇青石瓷1、滑石瓷配料：天然滑石（主要原料）粘土碳酸鋇等++天然滑石：輔助成型塑性原料量少、改善燒結(jié)溫度頑輝石：高溫?zé)Y(jié)生成頑輝石主晶相和玻璃相控制頑輝石晶粒粒度；形成足夠玻璃相將其包裹起來；滑石瓷特性：介電損耗小、適于高頻應(yīng)用（加工方便、成本低）缺點(diǎn)：易老化或粉化、燒結(jié)溫度范圍窄防老化、粉化的措施：加入與頑輝石形成固溶體、燒結(jié)后快速冷卻2、鎂橄欖石瓷配料：天然滑石（主要原料）碳酸鎂+鎂橄欖石：高溫?zé)Y(jié)生成鎂橄欖石主晶相和玻璃相鎂橄欖石瓷特性：高頻絕緣性能較好、但熱膨脹系數(shù)較大降低熱膨脹系數(shù)的方法：在組成中生成一定量低膨脹系數(shù)的鋯英石、堇青石、或莫來石相等堇青石：莫來石：斜方晶系斜方晶系：鋯英石：ZrSiO4,含ZrO267.2％，SiO232.8％；四方晶系堇青石質(zhì)瓷特性：熱膨脹系數(shù)小、可制具有3、堇青石瓷配料：滑石粘土長石氧化鋁+++長石：堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸鹽滑石：粘土通常組成：高溫?zé)Y(jié)生成的主晶相：堇青石用于耐電弧作用的電絕緣體、加熱器底板等耐熱沖擊性、電絕緣性良好的陶瓷其中的鉀作為熔劑、改善燒結(jié)特性（三）剛玉瓷、高鋁瓷、莫來石瓷同屬于氧化鋁瓷1、剛玉瓷配料：化學(xué)方法精制的

粉極少量其它氧化物+其它氧化物:抑制燒結(jié)時(shí)晶粒生長過大制作工藝過程：粉剛玉相致密的純剛玉瓷燒結(jié)體引起強(qiáng)度下降剛玉瓷：成本高、只用于要求高的場(chǎng)合主晶相：剛玉2、高鋁瓷主晶相：剛玉和莫來石，我國大量生產(chǎn)的高鋁瓷：75高鋁瓷和95高鋁瓷75高鋁瓷：95高鋁瓷：配料：工業(yè)氧化鋁粘土Ba、Ca碳酸鹽+工藝：粘土含量較大、可用硅酸鹽陶瓷的加工工藝燒結(jié)溫度可降至1400℃以下燒結(jié)時(shí)碳酸鹽分解出的堿土金屬氧化物和、及其它雜質(zhì)形成低熔點(diǎn)共熔物、出現(xiàn)大量液相可在較低溫下燒結(jié)致密高鋁瓷的電性能和強(qiáng)度較好、燒結(jié)溫度不高，廣泛用于電子元器件的基體、外套、固定件等絕緣件+3、莫來石瓷主晶相：莫來石和剛玉，配料：粘土氧化鋁+工藝：天然粘土加熱到1000℃以上即產(chǎn)生莫來石晶體粘土組成：莫來石瓷特性：電性能和機(jī)械性較差、但熱膨脹主要用于高溫下使用的保護(hù)管、絕緣管和絕緣子等系數(shù)小，耐熱沖擊性比剛玉瓷好（四）基片和封裝用絕緣瓷1、單層陶瓷基片電阻率高、鈉離子含量少、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、耐熱處理和化學(xué)處理（集成）電路基片和封裝陶瓷材料的性能要求：電絕緣性、化學(xué)耐久性、耐熱、耐震性、及散熱性好；高頻特性、尺寸穩(wěn)定性好；表面較均勻平整、成本高氧化鋁（含量高）基陶瓷：良好的基片和封裝材料燒結(jié)溫度：基片的性能要求：應(yīng)有足夠的平整度，能經(jīng)受焊接工藝中的急熱、急冷，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和良好的散熱性、絕緣性、高頻特性及尺寸精度使用導(dǎo)電性好的低熔點(diǎn)Cu、Au、Ag步線方法：厚膜：絲網(wǎng)印刷；薄膜：真空鍍膜單層陶瓷基片用于大功率電路和集成電路2、多層陶瓷基片半導(dǎo)體元件趨于高密度化、單層基片無法滿足高密度化、小型化的要求多層陶瓷基片：若干個(gè)單層基片疊合在一起形成多層陶瓷基片的制作和每層上的布線應(yīng)同時(shí)完成多層陶瓷基片的整體性要求基片上的步線金屬：氧化鋁瓷的玻璃相中、含量過高會(huì)引起表面微孔絲網(wǎng)印刷工藝過程高溫?zé)Y(jié)、形成多層電路基片工藝過程：陶瓷粉料中加有機(jī)黏合劑、制薄片狀的成型體表面金屬布線多層布線薄片熱壓疊合、成整體切割后、側(cè)面布線氧化鋁基陶瓷燒結(jié)溫度大于1500℃，Cu、Au、Ag不能用作布線用材高熔點(diǎn)金屬、電阻率較大、發(fā)熱大，影響電路性能、甚至器件無法使用已開發(fā)的低溫()燒結(jié)陶瓷：硼鋁鉛陶瓷和硼酸錫鋇陶瓷硼鋁鉛陶瓷：可在900℃下燒結(jié)，時(shí)相對(duì)密度、抗折強(qiáng)度最大，與氧化鋁基片相近在空氣中燒結(jié)金屬布線材料：Au或Au-Pd

硼酸錫鋇陶瓷：致密度：96.2%；抗折強(qiáng)度：；電阻率：；原料：流涎法制單片、布線后壓合燒結(jié)溫度：

布線金屬:

AgorAg-Pd硼酸錫鋇多層陶瓷基片的性能參數(shù)：介質(zhì)損耗；熱膨脹系數(shù)：3、SiC

基片和其它陶瓷基片材料碳化硅結(jié)構(gòu)單元：四面體金剛石結(jié)構(gòu)Si、C間共價(jià)鍵強(qiáng)禁帶寬度大、熔點(diǎn)高多種晶型、典型晶型：立方密填六方密填增強(qiáng)材料、耐火材料、發(fā)熱體、非線性電阻等寬帶半導(dǎo)體、廣泛的開發(fā)應(yīng)用前景SiC單晶SiC微晶相對(duì)密度（致密性）：98%，熱導(dǎo)率：具有比金屬Be和Al

好的優(yōu)良的導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)小，是絕緣體（BeO

使晶界絕緣）陶瓷:高導(dǎo)熱集成