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§ 2-1 低介装置瓷的基本知识 § 2-2 典型低介装置瓷 § 2-3 低温共烧陶瓷

第二章 低介装置陶瓷. § 2-1 低介装置瓷的基本知识 § 2-2 典型低介装置瓷 § 2-3 低温共烧陶瓷. 第 6 章 Internet 应用基础. § 2-1 低介装置瓷的基本知识. § 2-1-1 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、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.

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§ 2-1 低介装置瓷的基本知识 § 2-2 典型低介装置瓷 § 2-3 低温共烧陶瓷

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  1. 第二章 低介装置陶瓷 §2-1 低介装置瓷的基本知识 §2-2 典型低介装置瓷 §2-3 低温共烧陶瓷

  2. 第6章 Internet应用基础 §2-1 低介装置瓷的基本知识 §2-1-1 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、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。

  3. 第6章 Internet应用基础 §2-1 低介装置瓷的基本知识 陶瓷基片 陶瓷封装 电子用陶瓷零件

  4. 第6章 Internet应用基础 §2-1 低介装置瓷的基本知识 §2-1-2 低介装置瓷的性能 • 1. 电性能：a、介电常数低，≤10 • b、介电损耗小，一般而言：tg<10-3 • c、抗电强度高，≥10kv/mm • d、绝缘电阻高，＞1012Ω·㎝(20℃) • 2. 机械性能：抗弯强度等满足要求 • 3. 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

  5. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 §2-2-1 滑石瓷 §2-2-2 氧化铝瓷 §2-2-3 高热导率陶瓷基片 §2-2-4 透明陶瓷

  6. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 §2-2-1 滑石瓷 共价键\离子键 复合层 1、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。 分子键

  7. 第6章 Internet应用基础 §2-2 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（MgSiO3） 1557℃，再次失去Si，生成镁橄榄石（Mg2SiO4）

  8. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 偏硅酸镁 呈单链状辉石结构，它有三种晶型： 顽辉石 斜顽辉石 原顽辉石 原顽辉石是滑石瓷的主晶相，有少量斜顽辉石

  9. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • 3、滑石瓷的特点 • 介电常数很低：=6~7 • 介质损耗很小：tanδ=（1~7）10-4 • 工艺性能好 • 资源丰富，产品成本低

  10. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 4、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

  11. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • (1) 老化（粉化）:储存和使用期间 • 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

  12. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • (2) 烧结过程中开裂 • 开裂原因： • 防开裂措施： a. 1300~1350℃高温预烧，破坏层状结构 b. 热压铸成型

  13. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 (3) 烧结温区过窄 • 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。故烧结温度不能过高。 • 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℃。

  14. 第6章 Internet应用基础 §2-2 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BaCO3：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。

  15. 第6章 Internet应用基础 §2-2 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

  16. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 5、其他滑石类瓷简介 (1) 镁橄榄石瓷（2MgO·SiO2） (2) 堇青石瓷（ 2MgO·2Al2O3·5SiO2）

  17. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • (1) 镁橄榄石（2MgO·SiO2） • 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、可作电阻基体、集成电路基片； • e、缺点：线膨胀系数大，抗热冲击性能差；

  18. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 (2) 堇青石瓷（ 2MgO·2Al2O3·5SiO2） a、材料中离子排列不够紧密，晶格内存在大的空隙，很难烧结。 b、烧成温度范围很窄（几度）。 c、线膨胀系数小，室温到800℃：CTE=0.9~1.4×10-6/℃，陶瓷材料中最小，耐热冲击性能好。 d、机电性能差，很难单独做基板材料。 改进措施:i. 超细粉料＜1µm；ii. 加入矿化剂（长石、LiF、B2O3、BaCO3等）；iii.  制成多孔陶瓷，蜂窝载体；iiii. 制成低热膨胀、高机械强度的陶瓷材料（掺加刚玉）。

  19. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 §2-2-2 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

  20. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 1、氧化铝瓷的分类、性能与用途 • 以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（45~70%）、刚玉-莫来石瓷（70~90%）、刚玉瓷（90~99.5%），含Al2O375%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Al2O3瓷、黑色Al2O3瓷、透明Al2O3瓷。

  21. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 氧化铝陶瓷按Al2O3含量分类

  22. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 氧化铝瓷的性能： • 机械强度特别高：在高温1000℃时仍保持较高的机械强度； • 优良的电气性能： • ε=8~10 • tanδ=10-4~10-5 • 介电性能随频率和温度的变化不大 • 高导热系数：99Al2O3 21~37W/m•K，远高于普通陶瓷 • 热膨胀系数与某些金属接近，有利于与金属焊接

  23. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 随Al2O3含量的增加，Al2O3的机电性能和热性能愈来愈好，表现在：ρ↑，硬度↑，抗弯强度↑，tgδ↓，热导率↑ ； 但是，随着Al2O3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↑ 95瓷：1650~1700℃；99瓷：>1800℃

  24. 第6章 Internet应用基础 §2-2 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： 陶瓷管壳、陶瓷基板、陶瓷封装 c、特殊环境，如： • 集成电路外壳（黑色Al2O3） • 钠灯（透明Al2O3） • 宇宙飞船的视窗（透明Al2O3）

  25. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 氧化铝瓷的知名厂家 美国杜邦： LTCC Al2O3（<60%含量） 850 ℃烧结 强度高 微波介电性能优异 封装和基板用：951，943，9k7 日本京瓷： 高烧Al2O3瓷（>90%含量）：1500℃以上烧结 强度高：500~600MPa 热膨胀系数小：<7ppm/℃ 封装，管壳，微波配件

  26. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • 2、降低烧结温度、改进工艺性能的措施 • 瓷料配方设计掺杂 • 与Al2O3形成新相与固溶体：加入变价金属氧化物Fe2O3、Cr2O3、MnO2、TiO2 • 加入助熔剂，固液烧结 • 提高粉体细度与活性：机械方法作用有限，常采用化学方法制粉； • 采用热压烧结：降低烧结温度，抑制晶粒长大，特别适合透明氧化铝和微晶氧化铝陶瓷； • 还原气氛烧结或真空烧结 • 微波高温烧结

  27. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 3、氧化铝瓷原料的制备 • (1) 天然矿物 • (2) 化学法 • (3) 冷冻干燥法

  28. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • (1) 天然矿物 • 由铝矾土矿（Al2O3·3H2O）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，20~80μm • 氧化铝的三种晶型：高温α型、低温γ型和中温的β型，只有α-Al2O3具有优良的电器性能，结构紧密、硬度大、损耗小、绝缘好，β- Al2O3的性能最差。故对工业Al2O3在配料前必须经高温煅烧（预烧），使γ-Al2O3→α-Al2O3

  29. 第6章 Internet应用基础 §2-2 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Al2O3颗粒聚集状态，以获得细颗粒的原料。

  30. 第6章 Internet应用基础 §2-2 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10~30nm，比表面积550±10%m2/g，纯度高达99%以上。

  31. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • (3) 冷冻干燥法 • 将含Al3+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

  32. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 §2-2-3 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

  33. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 1、基片应具有的机电性能 ① 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。 ② 机械性能优良，易机械加工 ③ 表面平滑度好，微晶化，气孔率小 ④ 规模生产具可行性，适应金属化、成本低 由于电路集成度的提高以及某些大功率器件的使用，良好的导热绝缘基片是关键。

  34. 第6章 Internet应用基础 §2-2 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）。

  35. 第6章 Internet应用基础 §2-2 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

  36. 第6章 Internet应用基础 §2-2 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。 热导率与声子的平均自由程成正比。平均自由程减小，热导率降低。 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结构缺陷、杂质、气孔以及样品边界（表面、晶界）的影响。 实际晶体中，声子受到散射，热导率降低。

  37. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • 缺陷影响大 • 对杂质很敏感 • 避免玻璃相存在 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； 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。

  38. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 Ag是导热性最好的金属 418W/m•K 材料的导热系数？ 普通陶瓷的热导率 1~2W/m•K 聚氨酯发泡层的热导率 0.025W/m•K 空气的热导率 0.024W/m•K

  39. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • 自然界最硬的物质 • 金刚石与石墨同属于碳的单质 • 金刚石的热导率极高，在液氮温度下为铜的25倍，并随温度的升高而急剧下降，如在室温时为铜的5倍 • 不导电 • 上个世纪50年代，美国以石墨为原料，在高温高压下成功制造出人造金刚石。 金刚石

  40. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • 电子比较自由，相当于金属中的自由电子，所以石墨能导热和导电。导热性超过钢、铁、铝等金属材料。 • 同一层C-C由共价键相连，为原子晶体，也可归于金属晶体 • 石墨晶体中层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。 • 石墨与金刚石、碳60、碳纳米管、石墨烯等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。 石墨

  41. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • 立方氮化硼是20世纪50年代首先由美国通用电气(GE)公司利用人工方法在高温高压条件下合成的，其硬度仅次于金刚石而远远高于其它材料 • 晶体结构类似于金刚石 • 难于制备，很昂贵 • 高纯单晶的热导率1300W/m•K，且高温下热导率下降得慢，500度以后超过BeO • 较高温度下的绝缘陶瓷散热部件 立方BN

  42. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 • 硬度高，介于刚玉和金刚石之间 • 高纯单晶的热导率:490W/m•K • 难于制备，需热压烧结，难致密化 SiC

  43. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 所有陶瓷材料中热导率最高的 Be-O共价键较强 平均原子量仅12 BeO瓷 关键：降低烧结温度 添加剂：MgO、Al2O3 问题：加入添加剂会使热导率降低 室温下的电子整机用绝缘陶瓷散热部件

  44. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 不同MgO掺杂量的BeO陶瓷SEM 0.06wt% 0.08wt% 0.1wt% 0.4wt% 0.8wt% 1.0wt% 添加MgO的氧化铍陶瓷样品都很致密，几乎看不到气孔。微量的MgO掺杂就有比较好的助烧效果，但晶粒均匀性较差。

  45. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 0.4wt% 0.6wt% 0.2wt% Al2O3掺杂的陶瓷样品的晶粒成条片状，出现生长台阶，有细小的针状条纹，局部存在气孔，结构不是很致密。 0.8wt% 1.0wt% 不同Al2O3掺杂量的BeO陶瓷SEM

  46. §2-2 典型低介装置瓷 0.05 MgO 0.45 Al2O3（1:9） 0.10 MgO 0.40 Al2O3（2:8） 0.15 MgO 0.35 Al2O3（3:7） 0.30 MgO 0.20 Al2O3（6:4） 不同MgO、 Al2O3掺杂量的BeO陶瓷SEM

  47. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 Al-N共价键强 平均原子量20.49 AlN瓷 热导率高 热膨胀系数与Si接近 3～3.8 单晶AlN：200 热压AlN陶瓷：74 纯度、密度 集成电路基片，高频声表面波器件用基片

  48. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 4、高导热陶瓷材料特征比较

  49. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 §2-2-4 透明陶瓷 普通陶瓷不透明 1、陶瓷为什么不透明？ 2、陶瓷如何能透明？ 3、透明陶瓷典型应用 透明陶瓷

  50. 第6章 Internet应用基础 §2-2 典型低介装置瓷 1、陶瓷为什么不透明？ 陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质、气孔、晶界等结构或成分不均匀的微小区域，令光产生散射，所以就不透明了。 • 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

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