电子陶瓷-第四章

1、第四章第四章 电子瓷的表面及烧结后电子瓷的表面及烧结后 的加工处理的加工处理 本章主要讲述下列内容本章主要讲述下列内容 : 电子陶瓷表面电子陶瓷表面 表面加工表面加工 电子瓷施釉电子瓷施釉 近代电子技术的发展，特别是在微波、大功率、超小近代电子技术的发展，特别是在微波、大功率、超小 型化大规模与超大规模集成电路、混合集成电路的发型化大规模与超大规模集成电路、混合集成电路的发 展对电子陶瓷提出了更高的要求展对电子陶瓷提出了更高的要求,要求如下：要求如下： (1)高的机械强度高的机械强度 (2)平整光洁表面平整光洁表面 (3)几何尺寸准确几何尺寸准确 (4)瓷件与金属件或瓷件与瓷件间结瓷件与金属件

2、或瓷件与瓷件间结 合合 (5)陶瓷晶粒的定向排列陶瓷晶粒的定向排列 4.1 电子瓷的表面电子瓷的表面 电子瓷的表面电子瓷的表面: 主要指它的烧结表面，也叫自然表面主要指它的烧结表面，也叫自然表面 电子瓷的表面电子瓷的表面: 硬而脆，常压下不具有任何塑性，陶硬而脆，常压下不具有任何塑性，陶 瓷质点间具有很大的结合能（键能）瓷质点间具有很大的结合能（键能） 原子间距大，表面能小原子间距大，表面能小 外力作用，晶面间开裂，外力作用，晶面间开裂， 不可能作类似金属晶体中不可能作类似金属晶体中 的塑性晶面滑移的塑性晶面滑移,而使机械而使机械 加工困难加工困难 1 陶瓷烧结体的表面状况陶瓷烧结体的表面状况

3、 烧成瓷件烧成瓷件 可在光学显微镜下观察到晶粒及晶界等结构可在光学显微镜下观察到晶粒及晶界等结构 陶瓷无模烧结，为自然表面陶瓷无模烧结，为自然表面 成型的坯体表面（成型方式）成型的坯体表面（成型方式） 烧成过程表面晶粒定向及其生长，及其高温下表面烧成过程表面晶粒定向及其生长，及其高温下表面 张力作用形成的气张力作用形成的气-固界面固界面 1 m 以下以下 流延法成型，坯模朝有机膜载体的一面可流延法成型，坯模朝有机膜载体的一面可 获得光洁度高的坯体粉细，则坯体中堆积间隙小获得光洁度高的坯体粉细，则坯体中堆积间隙小,光滑的光滑的 有机薄膜表面，有助于流延浆料形成光滑的坯膜，而朝有机薄膜表面，有助于

4、流延浆料形成光滑的坯膜，而朝 刮刀的一面，光洁度较低。刮刀的一面，光洁度较低。 如晶面与瓷体表面基本一致或交角不大（如晶面与瓷体表面基本一致或交角不大（5-15 ），）， 则晶粒将保持平面生长，但与瓷面成一定的倾斜角则晶粒将保持平面生长，但与瓷面成一定的倾斜角 ， 晶面与瓷面交角较大时（大于晶面与瓷面交角较大时（大于20 ）晶粒表面按阶梯）晶粒表面按阶梯 状生长状生长 ，夹角越大则棱线越密。，夹角越大则棱线越密。 通常都出现不同程度的凹陷，粒界越厚，则凹痕越深通常都出现不同程度的凹陷，粒界越厚，则凹痕越深 几种氧化铝瓷自然表面的实测粗糙度几种氧化铝瓷自然表面的实测粗糙度 （a）含玻璃相多，晶界

5、）含玻璃相多，晶界 宽，晶粒粗而高低不一，宽，晶粒粗而高低不一， 图图4-1 粗糙度粗糙度2.5 m； （b）含玻璃相较少的）含玻璃相较少的 99.5% Al2O3瓷，晶界瓷，晶界 密实，晶粒细小，粗糙密实，晶粒细小，粗糙 度度0.08 m； （c）微晶氧化铝瓷，粗）微晶氧化铝瓷，粗 糙度仅达糙度仅达0.030.06 m 2 陶瓷烧结体表面粗糙度的测量陶瓷烧结体表面粗糙度的测量 （1）机械探针法，仪器为粗糙计）机械探针法，仪器为粗糙计(Roughness-meter) 有三种方法：其一为在样品中心（有三种方法：其一为在样品中心（300mm2）处测量）处测量5个点，找出其中所测个点，找出其中所测

6、 之最大高度之最大高度Rmax；其二为测量；其二为测量10个点的高度平均值个点的高度平均值RZ；其三为测量中心；其三为测量中心 线高度平均值线高度平均值RCLA，缺点为某些点或线，没有直接反映面的特性，缺点为某些点或线，没有直接反映面的特性 （2）光学测试法，光泽计法（）光学测试法，光泽计法（Gloss meter） 测试原理：光源测试原理：光源2发出的光，经透发出的光，经透 镜变成平行光后，照射于待测样品镜变成平行光后，照射于待测样品 1的表面上，其反射光经透镜聚焦的表面上，其反射光经透镜聚焦 后为检测器后为检测器3所收集。所收集。 照射面积随入射角入射角而变，反射照射面积随入射角入射角而变

7、，反射 光的强度与入射角也有关。光的强度与入射角也有关。 100/)( OSSS G 式中，式中， 为相应入射角为相应入射角 的光泽度；的光泽度； 为待测样品表面的反射光束光强；为待测样品表面的反射光束光强； 为标准样品表面的反射光束光强为标准样品表面的反射光束光强 ，光，光 泽度与粗糙度有一定的对应关系。泽度与粗糙度有一定的对应关系。 )( s G s os 3 对电子陶瓷光洁度的要求对电子陶瓷光洁度的要求 一般作为集成电路基片用陶瓷，对表面光洁度要求较高，一般作为集成电路基片用陶瓷，对表面光洁度要求较高， 对厚膜电路，其膜厚对厚膜电路，其膜厚5 m，故其基片光洁度无特别要求，故其基片光洁度

8、无特别要求， 达到致密度即可，表面略有粗糙还可以增加膜层的附着力；达到致密度即可，表面略有粗糙还可以增加膜层的附着力； 对薄膜电路，其膜厚本身只约为对薄膜电路，其膜厚本身只约为1 m，必然对基片表面，必然对基片表面 的光洁度有更高的要求；的光洁度有更高的要求； 例如：要在表面蒸附电容的基片，则要求基片表面粗例如：要在表面蒸附电容的基片，则要求基片表面粗 糙度低于糙度低于0.025 m，精烧陶瓷很难达到这一要求，精烧陶瓷很难达到这一要求 4 影响电子瓷光洁度的主要因素影响电子瓷光洁度的主要因素 （1）工艺上的影响因素）工艺上的影响因素 原料组分原料组分 、料粉粗细、粒度分布、料粉粗细、粒度分布

9、、成型方法、成型方法 、烧成工艺、烧成工艺 、 瓷体密度瓷体密度 、施釉、施釉 工艺和研磨抛光工艺和研磨抛光 （2）结构上的主要因素）结构上的主要因素 晶粒大小、均匀程度、气孔含量及孔径、粒界中玻璃相的晶粒大小、均匀程度、气孔含量及孔径、粒界中玻璃相的 含量、及其密实程度含量、及其密实程度 晶粒愈细，愈匀，则表面光洁度愈高；气孔率愈低，气孔晶粒愈细，愈匀，则表面光洁度愈高；气孔率愈低，气孔 愈细愈好；晶粒中异相愈少，粒界密实、紧凑则好。光洁愈细愈好；晶粒中异相愈少，粒界密实、紧凑则好。光洁 度高的陶瓷，显微结构呈现：晶粒均匀，晶界平直，晶面度高的陶瓷，显微结构呈现：晶粒均匀，晶界平直，晶面 平

10、整平整 （3）工艺措施）工艺措施 工艺上：成分纯，粉料要细而匀，粒径配比要合理，坯体工艺上：成分纯，粉料要细而匀，粒径配比要合理，坯体 致密，忌升温过快，过高，严格控制粒度，粒径防止二次致密，忌升温过快，过高，严格控制粒度，粒径防止二次 晶粒长大晶粒长大 应用举例：实际上薄膜电路基片主要用的电子陶瓷是应用举例：实际上薄膜电路基片主要用的电子陶瓷是BeO和和 Al2O3 。细氧化铝瓷的工艺：加入细氧化铝瓷的工艺：加入MgO烧结助剂烧结助剂 （0.25wt%），形成），形成MgAl2O4阻止二次晶粒长大，但由于陶阻止二次晶粒长大，但由于陶 瓷表面瓷表面MgO挥发，则表面缺少挥发，则表面缺少MA，出

11、现反常巨晶，再加入，出现反常巨晶，再加入 0.01wt%Cr2O3，则晶粒大而均匀，晶界平直，表面平整，则晶粒大而均匀，晶界平直，表面平整， 因因MgCr2O4防止防止MgO挥发挥发 4.2 电子瓷的表面加工电子瓷的表面加工 集成电路基片、微调电容器、微波窗口、微波谐振器、表面集成电路基片、微调电容器、微波窗口、微波谐振器、表面 波器件、气敏封接的接合口等电子陶瓷都需要表面加工波器件、气敏封接的接合口等电子陶瓷都需要表面加工 加工有三种方法：机械研磨、化学处理、以及其他方法加工有三种方法：机械研磨、化学处理、以及其他方法 1 电子瓷机械加工电子瓷机械加工 机械加工过程：粗磨、细磨及抛光机械加工

12、过程：粗磨、细磨及抛光 由于电子瓷表面晶粒取向的随机性，气由于电子瓷表面晶粒取向的随机性，气-固表面不可能是固表面不可能是 平整的平整的 （a）粗磨：达到表面凹坑的最大深度，磨蚀量在铸铁磨）粗磨：达到表面凹坑的最大深度，磨蚀量在铸铁磨 盘上进行，磨料粒径盘上进行，磨料粒径250300m以下粗磨不足，则细以下粗磨不足，则细 磨工作量加大，但粗磨也不能过量，摩擦发热磨工作量加大，但粗磨也不能过量，摩擦发热;水磨，水磨， 水分有助于带动磨料，还有防尘，散热作用，粗磨在铸水分有助于带动磨料，还有防尘，散热作用，粗磨在铸 铁盘上进行磨料粒径小于铁盘上进行磨料粒径小于250300，压力不宜太大，压力不宜太

13、大， 线速不宜过高线速不宜过高 （b）细磨的目的是去掉粗磨留下的磨痕，磨料较细，常）细磨的目的是去掉粗磨留下的磨痕，磨料较细，常 为为50100m左右，肉眼看不到磨痕为止，光洁度达到左右，肉眼看不到磨痕为止，光洁度达到 1m左右；左右； （c）抛光：是在铺有细绒布的、快速旋转的磨盘上进行的，）抛光：是在铺有细绒布的、快速旋转的磨盘上进行的， 磨料为磨料为120m左右的胶态悬浊液，达到左右的胶态悬浊液，达到1%m，或更高。，或更高。 晶粒越细，越均匀，粒界薄而密实的陶瓷，抛光效果也越晶粒越细，越均匀，粒界薄而密实的陶瓷，抛光效果也越 佳佳 注意：对于粗粒、多孔或过烧产品永远达不到理想的抛光效果注

14、意：对于粗粒、多孔或过烧产品永远达不到理想的抛光效果 为何粗粒瓷体不能通过研磨抛光获得光洁面？为何粗粒瓷体不能通过研磨抛光获得光洁面？ 研磨表面（虚线之下）的晶粒，分为研磨表面（虚线之下）的晶粒，分为3中情况：中情况： 第一种第一种(A)晶粒大部分埋藏于瓷件中，表面只露出极少部分，晶粒大部分埋藏于瓷件中，表面只露出极少部分， 晶粒牢靠；晶粒牢靠； 第二种第二种(B)晶粒被磨掉一半，露出晶面，压应力大，有被剥落晶粒被磨掉一半，露出晶面，压应力大，有被剥落 的可能性；的可能性； 第三种第三种(C)晶粒大部分不存在，剩下小部分被镶嵌，细磨时易剥晶粒大部分不存在，剩下小部分被镶嵌，细磨时易剥 离离 2

15、 化学处理化学处理 集成电路用高铝瓷，含有集成电路用高铝瓷，含有MgO (0.2wt%) Cr2O3 （0.03wt%），），Al2O3 （99.5wt%），），5%盐酸水溶液盐酸水溶液 煮两小时，清洗表面，酸处理后表面平整，（表面组煮两小时，清洗表面，酸处理后表面平整，（表面组 织不够理想，次表面有良好结构，烧结过程中汇集于织不够理想，次表面有良好结构，烧结过程中汇集于 表面一些碱或碱土金属氧化物，酸处理后被除去，此表面一些碱或碱土金属氧化物，酸处理后被除去，此 点已被化学分析所证实）点已被化学分析所证实） 3 其他加工方式其他加工方式 收缩控制的不好，意外的形变，公差配合加工收缩控制的不好

16、，意外的形变，公差配合加工 电子束加工（真空中）电子束加工（真空中） 激光加工无真空要求激光加工无真空要求 4.3 电子瓷的施釉电子瓷的施釉 定义：陶瓷施釉是指通过高温方式，在瓷件的表面烧附一定义：陶瓷施釉是指通过高温方式，在瓷件的表面烧附一 层玻璃状物质。使表面具有光亮、美观、致密、不吸水、层玻璃状物质。使表面具有光亮、美观、致密、不吸水、 不透水以及化学稳定等优良性能的工艺措施。不透水以及化学稳定等优良性能的工艺措施。 1 釉的功能釉的功能 除定义中比较直观的作用外，还有以下几点：除定义中比较直观的作用外，还有以下几点： 提高瓷件机械强度与热冲击稳定性（原因：釉弥合瓷件表面提高瓷件机械强度

17、与热冲击稳定性（原因：釉弥合瓷件表面 的孔隙或裂纹，缓和导致强度丧失的突破口，抗张、抗弯或的孔隙或裂纹，缓和导致强度丧失的突破口，抗张、抗弯或 抗冲击，可提高抗冲击，可提高4060%）; 可提高瓷件表面光洁度，光洁度可达可提高瓷件表面光洁度，光洁度可达0.01 m，或更高，可满，或更高，可满 足薄膜电路的要求（釉是一种玻璃体，高温下产生液相的特足薄膜电路的要求（釉是一种玻璃体，高温下产生液相的特 性，表面力作用下，力求表面保持最小，故有平整的表面）性，表面力作用下，力求表面保持最小，故有平整的表面）; 施釉可以提高瓷件的表面放电强度（釉表面光滑，洁净，不施釉可以提高瓷件的表面放电强度（釉表面光

18、滑，洁净，不 易粘附赃污，尘埃，水分等物质，有也较易清除，故其放电易粘附赃污，尘埃，水分等物质，有也较易清除，故其放电 电压大为提高）电压大为提高）; 釉可使瓷件防潮性能提高（釉层堵塞，填补或封闭瓷件开口釉可使瓷件防潮性能提高（釉层堵塞，填补或封闭瓷件开口 气孔、裂纹，可降低瓷件的吸水性，或吸潮性，使瓷件在潮气孔、裂纹，可降低瓷件的吸水性，或吸潮性，使瓷件在潮 湿环境仍能保持高的介电与绝缘性能）湿环境仍能保持高的介电与绝缘性能）; 使瓷件具有一定的粘合能力（高温作用下，釉层的作使瓷件具有一定的粘合能力（高温作用下，釉层的作 用能使瓷件与瓷件间，瓷件与金属间形成牢靠的结合，用能使瓷件与瓷件间，瓷

19、件与金属间形成牢靠的结合， 如集成电路管壳、底座、引线间的粘结，板式陶瓷电如集成电路管壳、底座、引线间的粘结，板式陶瓷电 容器与支架间的粘接等）容器与支架间的粘接等）; 深色釉（棕釉、黑釉）可提高瓷件的辐射散热能力。深色釉（棕釉、黑釉）可提高瓷件的辐射散热能力。 2施釉工艺施釉工艺 釉浆制备釉浆制备 涂釉涂釉 烧釉烧釉 釉浆制备釉浆制备 典型陶瓷浆料的制备（稀浆料，采用湿典型陶瓷浆料的制备（稀浆料，采用湿 法球磨），有些需要预烧后再研磨法球磨），有些需要预烧后再研磨; 涂釉涂釉 浸蘸法，浇上法，刷涂法，喷洒法使工件被上浸蘸法，浇上法，刷涂法，喷洒法使工件被上 一层厚薄均匀的浆釉一层厚薄均匀的浆

20、釉 a. 可涂于已烧好的瓷件上可涂于已烧好的瓷件上 b. 直接涂于烧结前的坯体上（一次烧成）不需要涂釉直接涂于烧结前的坯体上（一次烧成）不需要涂釉 处用石蜡遮盖，防止釉浆粘附处用石蜡遮盖，防止釉浆粘附 烧釉烧釉 待釉层充分干燥后待釉层充分干燥后 窑炉窑炉 高温出现液相（化学高温出现液相（化学 反应，扩散均化，与瓷件间形成一种牢固结合的过渡层。反应，扩散均化，与瓷件间形成一种牢固结合的过渡层。 烧釉温度烧釉温度T 反应不充分，釉层不均匀，表面粗糙粘附不牢，反应不充分，釉层不均匀，表面粗糙粘附不牢， （过高），液相过稀（过高），液相过稀（ ）釉层流失（流集），还可浸蚀瓷）釉层流失（流集），还可浸蚀瓷 体。体。 T 3 釉层成分与性能釉层成分与性能 釉：装饰釉，粘合釉，光洁釉。釉：装饰釉，粘合釉，光洁釉。 本书：提高基片表面光洁度以满足薄膜电路要求的光洁本书：提高基片表面光洁度以满足薄膜电路要求的光洁 釉。釉。 原则：电性优异，流动性好，不浸蚀基片，膨胀系数相原则：电性优异，流动性好，不浸蚀基片，膨胀系数相 近。近。 成分：能够形成玻璃的。成分：能够形成玻璃的。 形成剂：形成剂： 等等 322, OBSiO 调节热、电、化、机械、工艺性能：调节热、电、化、机械、工艺性能： ONaOKCaOMgOZnOPbOBaOOAl 2232 , 天然矿石，长石，粘土，石英，