《电子材料工艺原理》第5章其它常见电子功能陶瓷的制备.pptx

第五章其它常见电子功能陶瓷的制备;电子功能陶瓷的发展现状;5.1绝缘结构陶瓷;5.1.1Al2O3陶瓷

高铝瓷（主晶相含量80%以上）的高频性能优良（介电常数小、介质损耗低）、绝缘性好、抗电强度高、机械强度大，是集成电路基板的理想材料。

按主晶相含量分类：95%以上（95瓷）、99%以上（99瓷）;工艺流程;工艺特点

1.纯Al2O3陶瓷的烧结温度很高（1750~1900℃），工艺难度大、生产成本高，大大限制了其广泛应用。

一般来说，Al2O3含量越高，氧化铝瓷的机电性能和热学性能越好，表现在密度高、强度高、损耗低、热导率高；但是氧化铝瓷的烧结温度越高，工艺性能越差，表现在可塑性低，机加工难度大，对原材料要求高。

2.烧结温度与颗粒粗细、堆积程度、掺杂物密切相关。当采用极细粒度，堆积合理的情况下，烧结温度为1400～1650oC；采用普通颗粒，烧结温度为1680～1780oC;为了降低烧结温度，改进工艺性能，可采用的措施如下：

（1）采用化学法合成高纯的超细Al2O3粉体，利用超细粉体的高活性降低烧结温度，并提高陶瓷密度，制备高密度的细晶Al2O3陶瓷；

（2）添加CaO和SiO2作为助熔剂以产生玻璃相，形成液相烧结，降低了Al2O3瓷料的烧结温度，促进陶瓷烧结。碱土金属离子的适当引入，其压抑作用还能降低Al2O3陶瓷的介质损耗。在Al2O3中掺入MgO，能有效降低烧结温度而获得高密度的Al2O3陶瓷。在Al2O3陶瓷中掺入稀土氧化物，最常用的La2O3，由于在La2O3－Al2O3体系中生成低共熔物，能够促进Al2O3陶瓷的烧结，因而La2O3对Al2O3有强烈的助熔作用，能大大降低烧结温度，生成高致密的Al2O3陶瓷，其作用比MgO显著，但成本较高。

;关键工艺*：

（1）原料：碱式方法生产的Al2O3中一般含有少量Na2O等杂质，tanδ显著增大

Na2O+Al2O3→β-Al2O3（NaO·11Al2O3尖晶石基块连接的层状结构，Na离子分布在层状结构中间，增强了离子电导）

发现：①少量SiO2的存在可显著减弱或消除Na2O杂质的影响；

②H3BO3加入后与Na2O反应生成挥发性的硼酸钠;关键工艺*：

（2）预烧：必须经过高温（1200oC）煅烧，使其转变为性能稳定α-Al2O3，成瓷后收缩也较小。为了较快相变，常常加入少量硼或氟。

（3）粉碎：由于工业氧化铝原料是颗粒较粗（40～70μm）的球状团聚颗粒，每个聚集体中可以包含106个微晶粒，故煅烧料必须充分粉碎，打开团聚。

（4）酸洗除铁：用钢球球磨，就会同时掺入杂质（铁）。为此传统工艺中多用盐酸进行酸洗去铁，这种方法工艺复杂，需要多次洗涤、沉淀，较费时，对环境也易造成污染。

（5）烧结：用这种原料烧制刚玉瓷，常需要1780oC左右的高温。;技术进步：利用超细原料，可在1600oC左右烧结成瓷。有人利用0.3～0.6μm的几种细粉料搭配，形成良好堆积，有利于致密化，可以在约1500oC烧成致密刚玉瓷，密度达到3.95。

小资料：

上海硅酸盐所李包顺组，利用液相包裹法，使氧化铝粒子上包一层Si、Li玻璃分子层，使在1400oC附近烧结成瓷，达到98.6％的理论密度。以上说明酸洗法的老制粉工艺及烧成温度过高，是可以改进或设法避免的。

;5.2电介质陶瓷;;1.工艺调整对显微结构与性能的影响：

（1）晶粒尺寸：大部分电容器采用的材料要求为细晶粒（例如BaTiO3的晶粒尺寸为0.7～1μm），以获得大的ε。

晶粒抑制剂：如NiO、锡酸铋等。

压平剂：获得平坦的ε~T关系，如MgSnO3、CaZrO3、CaSnO3、Bi2(SnO3)3、CaTiO3。

（2）晶种植入：在高ε材料中常采用加入少量（2～3％）组成相同的晶种，使得显微结构均匀。

（3）微区化学成分：人为控制化学不均匀性，例如利用“壳心”结构，阻止晶粒生长的第二相或者多相混合热压等。如X7R材料的电容温度调制。

（4）液相烧结技术：BaTiO3中加入过量钛，形成第二相液相促进烧结。在SrTiO3系统中，加入助烧结剂（SiO2、Al2O3）或利用化学式量偏离。;2.显微结构与ε~T曲线关系：

（1）相的迭加法则：各晶相的ε~T关系及TKε（电容温度系数）、TKf（频率的温度系数）的正负不同，利用相的迭加法则，调整固溶体的两相比例从而得到平坦的ε~T关系或一定TKε、TKf材料。

（2）富施主体系：烧结过程中液相未进入晶界，而停留在晶粒交界处。晶粒生长通过晶界迁移而完成，晶界迁移速度慢，无异常晶粒生长，材料的介电性随温度变化不大（从-50oC到+100oC电容变化很小），可用作稳定电容介质。(√)

（3）富受主体系：液相进入晶界，成为晶界液相膜。液相的高活动性