电子陶瓷工艺原理 (2).doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子陶瓷工艺原理 (2).精品文档.电子陶瓷工艺原理读书报告 班级： 学号： 姓名：电子瓷定义及类别  电子陶瓷是指应用于电子技术中的各种陶瓷，也就是在电子工业中用于制造电子元件和器件的陶瓷材料，一般分为结构陶瓷和功能陶瓷。用于制造电子元件、器件、部件和电路中的基体、外壳、固定件和绝缘零件等陶瓷材料，又称装置瓷。 大致分为：电真空瓷、电阻基体瓷和绝缘零件等。  功能陶瓷：用于制造电容器、电阻器、电感器、换能器、滤波器、传感器等并在电路中起一种或多种作用的陶瓷材料，它又分为：电容器瓷，铁电瓷，压电瓷，半导体瓷和磁性瓷等。  电子陶瓷在化学成分，微观结构和机电性能上，均与一般的电力用陶瓷有着本质的区别。电子陶瓷需具有高的机械强度，耐高温高湿，抗辐射，介电常数变化范围宽，介质损耗小、电容温度系数可以调整，抗电强度和绝缘电阻高，以及老化性能优异。  电子陶瓷按特性可分为：高频和超高频绝缘陶瓷；高频高介陶瓷；铁电和反铁电陶瓷；压电陶瓷；半导体陶瓷；光电陶瓷；电阻陶瓷等。  电子陶瓷按应用范围可分为：固定用陶瓷；电真空陶瓷（主要用于绝缘体，构架，基体，外壳及多层布线等）；电容器瓷（高频或低频电容器介质，兼作电容器支承，构架材料；电阻瓷等。  按微观结构分：多晶；单晶；多晶和玻璃相；单晶和玻璃相。  利用陶瓷材料的高频或超高频电气物理特性可制作各种形状的固定零件，陶瓷电容器，电真空陶瓷零件，碳膜电阻基体等，它们在通信、广播、电视、雷达、仪器、仪表等电子设备中是不可缺少的组成部分，此外，随着激光、计算、集成、光学等新技术的发展，电子陶瓷用途日益扩大。 电子陶瓷材料的发展同物理化学、应用物理、硅酸盐物理化学、固体物理学、光学、电学、声学、无线电电子学等的发展密切相关，相互促进，从而在电子技术的飞跃发展中，使电子陶瓷也相应地取得了很大的进展。 电子陶瓷的原料有三方面要求：（1）化学成分：纯度，杂质的种类与含量，化学计量比；（2）颗粒度：粉粒直径，粒度分布，颗粒外形；（3）结构：结晶形态，稳定度，裂纹，致密度和多孔性等。 粒度与结构主要决定着坯体的密度和成型性。颗粒细，结构不完整，则活性（不稳定性，可烧结性）愈大，有利于烧结。电子瓷所用的原料大体可分为矿物原料和化工产品两类：矿物原料有粘土、膨润土、滑石菱镁矿、萤石、金红石刚玉；化工产品有工业纯8090% 、化学纯9599% 、分析纯9999.9% 、光谱纯99.999.99。3 杂质：（1）促进烧结（2）或杂质能作为离子价补偿，而提高材料的电气性能粉料稳定度：多晶转变，存在两种或两种以上晶型ZrO2低温单斜晶系（低温稳定），温度升高，1100转化为四方晶系（高温稳定）；温度下降到1100以下，转化成单斜晶系；转变带来体积效应，ZrO2从单斜到四方，有8%的体积收缩，陶瓷出现裂纹。掺杂固溶或高温煅烧使其稳定化。晶型不同，烧结性不同：高温稳定的-Si3N4、-SiC比低温稳定的- Si3N4、-SiC有好的烧结性能，前者具有开放结构，内能高，有利于烧结。电子瓷成型原理：由坯料（泥料）进一步加工成坯体的工序称为成型。一、干压成型 1、原理：造粒，流动性好，粒配合造的料粉，倒入一定形状的钢模内，借助于模塞，通过外力便可将粉料压制成一定的坯体。 粉粒之间进一步靠近，使胶体分子与粉料表示之间的作用力加强，而使坯体只有一定的机械强度。 2、粉料堆集密度堆积密度是指加压前粉料在模具中自然堆积或适当振动所形成的填充程度。（1）堆积方式：等径球，密度可达74.05%（相对）立方，密度可达52.36% 振动，密度可达60%一般瓷料（粉种）干压成型时，振动加料，多振动加料可有效提高坯体密度。 （2）粒径配比：粗细搭配，粗颗粒占70%时，填充率最高，半径相差愈高，则填充率愈高。 （3） 流动性：粉粒之间，粉粒与模壁之间的摩擦力小，则粉料的流动性好。 粒形：球磨，喷雾干燥或造粒后（适当球磨）外形接近球形，流动性好。 振磨，大球磨，外形不圆润，呈多角形，流动性差。 3、 加压方式与坯体密度。 （1） 单项加压 ：压力梯度，由于粉粒之间以粉粒与模套之间，摩擦阻力引起的。 润滑性差，则阻力大，压力差则大。 则压力差越大，细长压差大。 （2）双向同时加压：上下压头同时朝模内加压，实际压力差，导致体密度也就只有上述方法的一半。 （3）双向先后加压；先上、而后下、加压，由于两次加压压力传递较为彻底，有利于气体排出。 13cmhmm或更薄的片坯压制，常作用一模多孔的单向快速冲压法。 圆片电容器，微调电容器动片，集成电路基片，可采用快速冲压法。 4、压力大小与坯体密度。 必须充分考虑堆集体孔隙中所含气体的排除问题，当粉粒之间自然形成的排气孔道尚未完全堵塞之前，坯体密度将随压强和加压时间而增加，当排气孔道绝大部已经受压堵塞时，坯体密度将随压强增加而接近饱和。 4、因为固态粉粒本身几乎是不可压缩的，尚未排出的剩余吸附气体，又找不到通往坯体外面的出路，故压强的增加只能使闭气孔压缩。压力去除后（时），闭气孔可能重新扩大，回弹，反而可能使出模的压坯起层、开裂或破坏良好的粘贴组织，而使坯体机械强度降低。故压强过大，反而会带来不良作用。弹性失效。5、升压速度和保压时间。  升压过快，保压时间过短，使本来可排出的气体来不及排出。同时压力尚未传递到应有的深度，外力就已卸除，不能达到比较理想的坯体质量。 6、干压成型优缺点  优点：（1）工艺简单，操作方便，小批量试制，大批量生产； （2） 周期短，工效高，易自动化生产； （3）含水量少，胶合剂亦少； （4）密实、尺寸精确，烧成收缩小，强度高。  缺点：（1）加压设备，瓷件大则加压大 ；（2）模具，每种产品一套模具，要求高，结构复杂时难压制； （3）模具磨损，带来污染； （4）轴向加压，缺乏侧向压力； （5）粉料本身高内摩按力，坯体结构有明显的各向异性；（6）仅限于圆形，薄片状电子元件，很难用于外形复杂，大型产品的生产。 二、静压成型 1、原理：干压成型，只能作一维方向加压，产品结构和强度各向异性，特点:等静压能使c产品受到均匀的各向加压。（1）湿式等静压：将预压好的粉料坯体，包封于弹性的塑料或橡皮胶套之内，然后置入一个能承受高压胀力作用的钢筒之内，通过进液口，用高压泵将传压液体打入筒内。胶套内的工件，在各个方向受到同等大小的压力。传压液体可用水，甘油或重油，又称静水压成型。100200兆帕100200Mp  帕斯卡原理优点：模具无严格要求，压力易调节，坯体均匀致密，烧结收缩小，各向均匀一致，适合于压制复杂、细长产品。缺点：设备复杂，操作繁琐，生产效率不高，只限于特殊电子元件，及宇船和其它高温强度要求高的材料。 烧结机理：在T熔温度之下，物料通过增大接触面、颗粒重排、形成晶界、排除气孔，达到致密和增大强度的过程。 电子瓷的表面，主要指它的烧结表面，也叫自然表面。 表面的结构与成分、工艺有很大的关系。 电子瓷的表面：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）。 原子间距大，表面能小 外力作用，晶面间开裂，不可能作类似金属晶体中的塑性晶面滑移。 机械加工困难。 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、混合集成电路的发展对电子陶瓷提出了更高的要求。要求如下：1. 高的机械强度；2. 平整光洁表面；3. 几何尺寸准确 ；4.  瓷件与金属件或瓷件与瓷件间结合；5.  陶瓷晶粒的定向排列 要求对电子陶瓷表面处理 。 陶瓷施釉是指通过高温方式，在瓷件们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、不透水以及化学稳定等优良性能的工艺措施。 1. 釉的功能 除定义中比较直观的作用外，还有以下几点： (1) 提高瓷件机械强度与热冲击稳定性（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、抗弯或抗冲击，可提高4060%）(2) 可提高瓷件表面光洁度，光洁度可达0.01mm，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性，表面力作用下，力求表面保持最小，故有平整的表面） (3) 施釉可以提高瓷件的表面放电强度（釉表面光滑，洁净，不易粘附赃污，尘埃，水分等物质，有也较易清除，故其放电电压大为提高） (4) 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，使瓷件在潮湿环境仍能保持高的介电与绝缘性能。） (5) 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，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） (6) 深色釉（棕釉、黑釉）可提高瓷件的辐射散热能力。 施釉工艺 ：釉浆制备    涂釉    烧釉 （1) 釉浆制备 ：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 （2) 涂釉 ： 浸蘸法，浇上法，刷涂法，喷洒法被上一层厚薄均匀的浆釉 （a) 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）不需要涂釉处用石蜡遮盖，防止釉浆粘附 （3) 烧釉： 待釉层充分干燥后 ， 窑炉 ， 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 。烧釉温度T反应不充分，釉层不均匀，表面粗糙粘附不牢，T（过高），液相（过稀）釉层流失（流集），还可浸蚀瓷体。 3. 釉层成分与性能 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釉。原则：电性优异，流动性好，不浸蚀基片，膨胀系数相近。5、 釉烧过程与釉层结构 釉烧温度由成分中低熔点物质含量决定基本玻璃相，但工艺、物理、化学过程与玻璃不同，对玻璃而言，釉是低于熔融温度下烧成的，与玻璃相比，化学反应不够完全，结构不够均匀，存在相当数量的固态或半固态微粒夹杂其中釉层是乳浊，半透明。 如：升高釉烧温度，透明，但出现： a) 釉层流失 ；b) 釉料被瓷体大量吸收（浸蚀严重），釉层光洁度和致密度降低，交界处有一定的渗透、润湿、略有溶解或反应形成过渡组织，而不被基体大量吸收。 铁电陶瓷：具有自发极化,且自发极化能为外电场所转向的一类陶瓷。其介电常数可高达103104,故又称之为强介瓷。  反铁电陶瓷：沿反平行方向自发极化,且其自发极化能为外电场所转向的一类陶瓷。其介电常数与铁电陶瓷接近。 电畴：自发极化方向一致的区域  铁电体的居里峰：铁电体在Tc处出现最大值的关系称为居里峰  铁电体的居里区：居里峰两侧一定高度的所覆盖的温度区间称之为居里区。  铁电陶瓷的扩散相变现象：铁电陶瓷的按居里区展开的现象，称为相变扩散或扩散相变现象。    铁电陶瓷的异相共存：铁电陶瓷在居里区的温度范围内，在不同温度下，有不同比例的铁电相和非铁电相共存。或者说整个铁电体各部分的Tc并不集中于同一温度，而不同的微区有不同的Tc。  铁电老化：初生产出来的铁电陶瓷，某些介电参数会随储存时间逐渐而变化，通常是铁电性变弱，称之为铁电老化 铁电疲劳现象：初生产出来的铁电陶瓷，在长时间交变电场作用下，随着电场交变次数的增加，其铁电性变弱，而这种减弱的铁电性又可为热处理或强电场之作用而部分或全部恢复，故称之为疲劳现象。铁电陶瓷的扩散相变的原因   异相共存：铁电陶瓷在居里区的温度范围内，在不同温度下，有不同比例的铁电相和非铁电相共存。或者说整个铁电体各部分的Tc并不集中于同一温度，而不同的微区有不同的Tc。 铁电陶瓷的异相共存的原因：热起伏相变扩散、应力起伏相变扩散、成分起伏相变扩散和结构起伏相变扩散 铁电陶瓷改性的途径（方法）采用一种移动剂，将BaTiO3瓷的居里峰移动到工作温区的中部，使其能在室温附近出现重叠效应。引入一定浓度的展宽剂，使居里峰降下来，两侧的有所提高。当介电系数的温度变化率容许在较大范围内变化时，可保留较大数值，展宽剂用量也比较少。还可以通过多峰效应来获取温度变化率相当平缓的铁电瓷。参考书：陶瓷工艺学，李家驹主编，中国轻工业出版社，2007。陶瓷工艺原理，刘康时等编著，华南理工大学出版社，1990。无机复合材料，张锐主编，化学工业出版社，2005。陶瓷工艺学（上、下册），李家驹主编，轻工业出版社，2001。