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第十章 功能陶瓷 功能陶瓷材料是指在应用时主要利用其非力学性能的材料，这类材料通常具有一种或多种功能，如电学、磁学、光学、热学、化学、生物等；有的还有耦合功能，如压电、压磁、热电、电光、声光、磁光等。随着材料科学的迅速发展，陶瓷材料的各种新性能、新应用不断被人们所认识，并积极加以开发。陶瓷材料在现代科学技术中的地位也随之日益提高。由功能陶瓷材料制作的电容器、压电元件、磁性元件、热敏电阻、压敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻等已在能源开发、空间技术、电子技术、传感技术、激光技术、光电子技术、红外技术、生物技术、环境科学等领域得到广泛的应用。 第一节 电介质陶瓷 电介质陶瓷是指电阻率大于108Ωm的陶瓷材料，能承受较强的电场而不被击穿。按其在电场中的极化特性，可分为电绝缘陶瓷和电容器陶瓷。随着材料科学的发展，在这类材料中又相继发现了压电、铁电和热释电等性能，因此电介质陶瓷作为功能陶瓷又在传感、电声和电光技术等领域得到广泛应用。 电介质陶瓷在静电场或交变电场中使用，衡量其特性的主要参数是体积电阻率、介电常数和介电损耗。 1.1电绝缘陶瓷 电绝缘陶瓷又称装置瓷，有人又称它为电子工业用的结构陶瓷。主要用作集成电路基片，也用于电子设备中安装、固定、支撑、保护、绝缘、隔离及连接各种无线电零件和器件。装置瓷应具备以下性质： （1）高的体积电阻率（室温下大于1012Ωm）和高介电强度（104kVm－1），以减少漏导损耗和承受较高的电压。 （2）介电常数小（常小于9），可以减少不必要的电容分布值，避免在线路中产生恶劣的影响，从而保证整机的质量。此外，介电常数越小，在使用中所产生的介电损耗也越小，这对保证整机的正常运转也是有利的。 （3）高频电场下的介电损耗要小（tanδ一般在2×10－4～9×10－3范围内）。介电损耗大，会造成材料发热，使整机温度升高，影响工作。另外，还可能造成一系列附加的衰减现象。 （4）机械强度要高，因为装置瓷在使用时，一般都要承受较大的机械负荷。通常抗弯强度为45～300Mpa，抗压强度为400～2000Mpa。 （5）良好的化学稳定性，能耐风化、耐水、耐化学腐蚀，不致性能老化。 电绝缘陶瓷材料按化学组成分为氧化物系和非氧化物系两大类。氧化物系主要有Al2O3和MgO等电绝缘陶瓷，非氧化物系主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、AlN等。大量应用的主要有以下几个多元系统陶瓷： BaO-Al2O3-SiO2系统；Al2O3-SiO2系统；MgO- Al2O3-SiO2系统；CaO- Al2O3-SiO2系统；ZrO2- Al2O3-SiO2系统。 电绝缘陶瓷材料按瓷坯中主要矿物成分可分为钡长石瓷、高铝瓷、高硅瓷、莫来石瓷、滑石瓷、镁橄榄石瓷、硅灰石瓷及锆英石瓷等。 在无线电设备中，电绝缘瓷主要用于高频绝缘子、插座、瓷轴、瓷条、瓷管、基板、线圈骨架、波段开关片、瓷环等。陶瓷基片为绝缘陶瓷材料的主要研究方向，市场占有率也比较高。 1.1.1 三氧化二铝陶瓷基片 Al2O3陶瓷是广泛使用的主要基片材料，占世界销售市场的90％，在性能要求不很高的家用计算机应用方面，这种陶瓷作为绝缘基片材料起到很大作用。 大规模集成电路的集成度高、体积小，要求制成多层的配线基片。氧化铝多层配线基片常采用流涎法制备出生坯片后，薄片经打孔、印刷导体、印刷氧化铝浆糊，多层放在一起加热压合，经外形修整后进行烧结、电镀，最后连接接头引线。现在许多加工制造单位也能制备用于传统及微波集成电路的带激光钻通孔或印刷金属导线的Al2O3基片材料。带通道的激光钻孔基片也已应用，这些通道由钨铜复合材料填充密封。由于采用先将氧化铝烧成的制备工艺，后续工艺中因单层陶瓷片没有收缩而能获得相当高密度的引线数。 Al2O3陶瓷基板表面通过上釉可制成上釉陶瓷基板。上釉Al2O3陶瓷基板主要用作薄膜HIC。目前随着传真机的发展和普及，要求使用270×15×0.5mm等大尺寸的上釉陶瓷基板及部分上釉陶瓷基板作感热打印头等用。 1.1.2 SiC陶瓷基片 SiC陶瓷基片是SiC中添加微量BeO，经2000℃左右高温热压制成，其绝缘电阻为1012Ωcm，导热系数为270W/mK，热膨胀系数与Si的接近，为3.7×10－6/℃，但εr高（40），击穿电压低，介质损耗大，不适于高频、高压使用。另外，其价格较Al2O3陶瓷基片高100～400倍，还不能用流涎法制薄片。另外，虽然用量少，但还是要用有毒的BeO。因此，SiC陶瓷基片的应用受到一定限制。为此，国内外正在研究改进性能和降低成本，以扩大应用。国外已有用SiC陶瓷基片代替激光二极管基板用的金刚石基板。 1.1.3 AlN陶瓷基片 AlN陶瓷基片的导热系数可达160/mK，热膨胀系数为5.7×10－6/℃，接近Si芯片的值绝缘电阻高，介