先进陶瓷材料及进展低介装置陶瓷总结.ppt

6 1低介装置瓷的基本知识 6 2典型低介装置瓷 6 6低温共烧陶瓷 第六章低介装置陶瓷 6 1低介装置瓷的基本知识 6 1 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 例如 高频绝缘子骨架 电子管底座 电阻器基片 厚薄膜混合集成电路基片 微波集成电路基片等 第6章Internet应用基础 陶瓷基片 陶瓷封装 电子用陶瓷零件 6 1低介装置瓷的基本知识 第6章Internet应用基础 6 1 2低介装置瓷的性能 1 电性能 a 介电系数低 10b 介电损耗小 tg 为2 10 4 9 10 6c 抗电强度高 10kv mmd 绝缘电阻高 1012 20 2 机械性能 a 抗弯强度 45 600 MPab 抗拉强度 400 2000 MPa6 热性能 a 线热膨胀系数小b 热导率高c 耐热冲击 热稳定性好 6 1低介装置瓷的基本知识 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 6 2 1滑石瓷 6 2 2氧化铝瓷 6 6 6高热导率陶瓷基片 6 2 4透明陶瓷 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 6 2 1滑石瓷 1 滑石的结构 滑石瓷分子式 6MgO 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 复合层 共价键 离子键 分子键 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 2 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 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 呈单链状辉石结构 它有三种晶型 顽辉石 原顽辉石 斜顽辉石 偏硅酸镁 原顽辉石是滑石瓷的主晶相 有少量斜顽辉石 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 3 滑石瓷存在的问题及解决方案 1 老化 2 开裂 3 烧结温区过窄 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 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 防止相变b 抑制晶粒生长c 去除游离石英 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 2 开裂开裂原因 防开裂措施 a 1600 1650 高温预烧b 热压铸成型 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 3 烧结温区过窄 MgO Al2O6 SiO2系统的最低共熔点为1665 其组成为MgO 20 Al2O6 18 6 SiO2 61 4 与滑石瓷的组成非常接近 故滑石瓷在1650 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 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 扩大烧结温区的措施 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BaCO6 在800 950 出现Ba Al Si玻璃 包裹偏硅酸镁晶粒促进烧结 扩展上限 a 提高玻璃相黏度 b 加入阻制剂ZrO2 ZnO 使Mg Al Si液相黏度大 胚体不易变形 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 4 滑石瓷的用途滑石瓷便宜 但热稳定性差 主要用于制造 绝缘子线圈骨架波段开关管座电阻基体 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 5 其他滑石类瓷简介 1 镁橄榄石瓷 MgO SiO2 2 堇青石瓷 2MgO 2Al2O6 5SiO2 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 1 镁橄榄石a 镁橄榄石瓷在高温 高频下介电性能优于滑石瓷 b 高温下 绝缘电阻高 c 热膨胀系数与Ti Ag Cu或Ti Ni合金相匹配 有利于真空封接 d 可作金属膜电阻 碳膜电阻和绕线电阻的基体以及IC基片 e 线膨胀系数大 抗热冲击性能差 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 2 堇青石瓷a 线膨胀系数小 室温到800 0 9 1 4 10 6 陶瓷材料中最小 b 烧成温度范围很窄 几度 c 材料中离子排列不够紧密 晶格内存在大的空隙 很难烧结 d 机电性能差 改进措施 i 超细粉料 1 m ii 加入矿化剂 长石 LiF B2O6 BaCO6等 iii 制成多孔陶瓷 iiii 制成低热膨胀 高机械强度的陶瓷材料 掺加刚玉 堇青石是一种硅酸盐矿物 它可呈无色 但通常具有浅蓝或浅紫色 玻璃光泽 堇青石还具有一个特点 它们会在不同的方向上发出不同颜色的光线 这叫多色性 品优色美的堇青石被当作宝石 除此以外 堇青石没有什么工业上的用途 堇青石产于片岩 片麻岩及蚀变火成岩中 人们因此也称堇青石为二色石 人工可以合成镁堇青石 用于耐火材料 堇青石的颜色近似蓝宝石 所以又称之为水蓝宝石 watersapphire 1 铁堇青石 堇青石中的两个主要成份镁和铁可以做同像替代 当铁元素含量大于镁元素称之为铁堇青石 2 堇青石 即镁含量高于铁含量时称为堇青石 较出名的是产于印度的富镁品种 常被用来做成宝石又称为印度石 3 血点堇青石 主要产地在斯里兰卡 主要特征为其内部的氧化铁澡片含量丰富且呈现特定方向排列使得堇青石带有色带时被称为血点堇青石 堇青石的主要产地为巴西 印度 斯里兰卡 缅甸 马达加斯加 中国台湾的兰屿也有少量的发现 堇青石的分类 堇青石的颜色有蓝色 浅蓝色 浅紫色 浅黄色 及淡褐色 说到颜色就不得不提一下堇青石最重要的一项特征也就是它的二色性 这也是大家用肉眼来区分堇青石与蓝宝石的最大不同点 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 6 2 2氧化铝瓷 1 氧化铝瓷的分类 性能与用途2 氧化铝瓷原料的制备3 降低烧结温度 改进工艺性能的措施 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 1 氧化铝瓷的分类 性能与用途 以Al2O6为主要原料 Al2O6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Al2O675 以上的称为高铝瓷 根据氧化铝瓷的颜色和透光性能 可分为白色Al2O6瓷 黑色Al2O6瓷 透明Al2O6瓷 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 氧化铝陶瓷按Al2O6含量分类 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 氧化铝瓷的性能 可见 随Al2O6含量的增加 Al2O6的机电性能和热性能愈来愈好 表现在 硬度 tg 热导率 但是 随着Al2O6含量的增加 氧化铝瓷的工艺性能却愈来愈差 表现在 可塑性 烧结温度 机加工难度 对原材料的要求 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 氧化铝瓷的用途 a 用于一般滑石瓷场所b 高温 高压 高频 大功率特殊情况下c 特殊环境 如 集成电路外壳 黑色Al2O6 钠灯 透明Al2O6 宇宙飞船的视窗 透明Al2O6 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 2 氧化铝瓷原料的制备 1 天然矿物 2 化学法 3 冷冻干燥法 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 1 天然矿物由铝矾土矿 Al2O6 6H2O 经化学方法处理得到 是炼铝工业生产的中间产物 纯度不高 20 80 m氧化铝的三种晶型 高温 型 低温 型和中温的 型 只有 Al2O6具有优良的电器性能 结构紧密 硬度大 损耗小 绝缘好 Al2O6的性能最差 故对工业Al2O6在配料前必须经高温煅烧 预烧 使 Al2O6 Al2O6 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 预烧的作用 促使晶型转变减少胚体的烧结收缩率 保证产品尺寸的准确性可使碱金属离子减少或去除 起纯化的作用 破坏Al2O6颗粒聚集状态 以获得细颗粒的原料 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 2 化学法 铝的草酸盐热分解醇盐水解sol gel法 可获得高纯 高均匀度的超细粉料 平均粒径10 60nm 比表面积550 10 m2 g 纯度高达99 以上 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 3 冷冻干燥法 将含Al6 溶液雾化成微小液滴 快速冻结为固体 加热使液滴中的水升华气化 干燥形成无水盐 焙烧后得到球型颗粒 特点 疏松而脆 容易粉碎成均匀 超细原料成分均匀适于批量化生产 设备简单 成本低 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 3 降低烧结温度 改进工艺性能的措施加入变价金属氧化物MnO2 TiO2 加入助熔剂 固液烧结 利用超细粉体 提高粉体烧结活性 采用还原气氛烧结或热压烧结 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 6 2 3高热导率陶瓷基片 1 基片应具有的机电性能2 电介质导热机制3 高热导率晶体的结构特征4 高导热陶瓷材料特征比较5 多芯片组装 多层基片 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 1 基片应具有的机电性能 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 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 2 电介质导热机制 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 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 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 T1高温端 T2低温端 声子热传导 类似于气体 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 陶瓷的热传导公式 K 热导率 C 声子的热容 V 声子的速度 l 声子的平均自由程 v 声子的振动频率 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 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 3 高导热晶体的结构特征 共价键很强的晶体 结构单元种类较少 原子量或平均原子量均较低 不是层状结构 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 高热导率晶体都是由原子量较低的元素构成的共价键或共价键很强的单质晶体或二元化合物 此类非金属晶体有 金刚石 昂贵 石墨 电子电导 立方BN 昂贵 SiC 难烧结 需热压 BP 对杂质敏感 BeO AlN 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 4 高导热陶瓷材料特征比较 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 1 氧化铍瓷 关键 降低烧结温度添加剂 MgO Al2O6问题 加入添加剂会使热导率降低 Be O共价键较强平均原子量仅12 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 2 氮化铝瓷 Al N共价键强平均原子量20 49 热导率高热膨胀系数与Si接近6 6 8 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 5 多芯片组件技术 多层基片 MCM MultiChipModule 将多个半导体集成电路元件以裸芯片的状态搭载在不同类型的布线板上 经整体封装而构成的多芯片组件 MCM的核心是多层基板技术 应用 武器系统 航天电子 高频雷达 超级计算机 CPU封装 通讯 传真 数据处理 高清晰度电视 摄像机 汽车电子等 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 要求 多层布线层间隔介质的 小 减少信号传输延迟时间 实现信号高速处理 高热导率 层数 100 散热问题 AlN更有优势 如50层时 AlN内部热阻2 2 w Al2O6内部热阻5 2 w 目前趋势 用金刚石基板或在AlN基板上淀积金刚石薄膜的复合基板 解决MCM结构的散热问题 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 6 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应用基础 6 2典型低介装置瓷 1 透明陶瓷性能要求优良的介电性能高透光率高度均匀 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 2 光散射因子杂质和添加物析出相烧结过程中的剩余气孔陶瓷的晶界引起的反射 散射中心 气孔 夹杂物 晶界相等结构或成分不均匀的微小区域 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 3 陶瓷透明化的措施 采用活性高 细 烧结性好的高纯粉料 常用化学共沉法制备 适当的添加物 晶界偏析 抑制晶界迁移 排除气孔 液相烧结 促进陶瓷致密化 烧结 温度 时间 气氛 气孔的消除 减小光学各向异性 将居里温度降至室温 第6章Internet应用基础 6 2典型低介装置瓷 4 典型透明陶瓷透明氧化铝瓷透明尖晶石瓷透明氧化钇瓷透明氧化镁瓷 第6章Internet应用基础 6 6低温共烧陶瓷 6 6 1传统陶瓷基片的缺陷 6 6 2LTCC的优点 6 6 3LTCC的研究现状 6 6 4LTCC材料体系 6 6 5LTCC的用途 第6章Internet应用基础 6 6低温共烧陶瓷 6 6 1传统陶瓷基片的缺陷 氧化铝瓷烧结温度高 只能选择难熔金属Mo W等作为电极 易导致下列问题 需在还原气氛中烧结 Mo W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 约9 6 增大信号延迟 热膨胀系数 7 0 10 6 与硅 6 5 10 6 不匹配 第6章Internet应用基础 6 6低温共烧陶瓷 6 6 2LTCC的优点 多层陶瓷基片必须与导体材料同时烧结 采用低温烧成多层陶瓷基板 则不仅可以与Au Ag Cu等低电阻率金属同时烧结 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 第6章Internet应用基础 6 6低温共烧陶瓷 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 有效地提高电路的封装密度及系统的可靠性 第6章Internet应用基础 6 6低温共烧陶瓷 LTCC的特性 高电阻率 1012 m 保证信号线间的绝缘性低介电常数 减少信号延迟低介电损耗 减小在交变电场中的损耗烧结温度850 1000 可使用阻值低的导体材料 Pd Ag Au Cu 减小布线电阻基片的热膨胀系数接近硅的热膨胀系数 减少热应力高的热导率 防止多层基板过热足够高的机械强度化学性能稳定 第6章Internet应用基础 6 6低温共烧陶瓷基片 6 6 3LTCC的研究现状 目前已实现多达5