陶瓷基板及其金属化(可伐片瓷片膨胀系数

第一节陶瓷基板概论1、陶瓷基板具备条件2、陶瓷基板的制造方法3、流延成型工艺4、陶瓷基板的金属化1第三章陶瓷基板制造技术1、陶瓷基板具备条件（1）机械性质有足够高的机械强度，除搭载元件外，也能作为支持构件使用；加工性好，尺寸精度高；容易实现多层化；表面光滑，无翘曲、弯曲、微裂纹等。2（2）电学性质绝缘电阻及绝缘破坏电压高；介电常数低；介电损耗小；在温度高、湿度大的条件下性能稳定，确保可靠性。3（3）热学性质热导率高；热膨胀系数与相关材料匹配（特别是与Si的热膨胀系数要匹配）；耐热性优良。4（4）其它性质化学稳定性好；容易金属化，电路图形与其附着力强；无吸湿性；耐油、耐化学药品；a射线放出量小；所采用的物质五公害、无毒性；在使用温度范围内晶体结构不变化；原材料丰富；技术成熟；制造容易；价格低。5（5）陶瓷材料的种类Al2O33Al2O3·2SiO2莫来石2Al2O3·2MgO·5SiO2堇青石MgO·SiO2块滑石2MgO·SiO2镁橄榄石AlN、SiC、BeO6（6）陶瓷材料的应用分类高速器件：采用介电常数低、易于多层化的基板(Al2O3、玻璃陶瓷共烧基板)高散热：采用高热导率的基板（AlN、BeO基板等）7第一节陶瓷基板概论1、陶瓷基板具备条件2、陶瓷基板的制造方法3、流延成型工艺4、陶瓷基板的金属化82、陶瓷基板的制造方法（1）烧成前的成型粉末压制成型（模压成型、等静压成型）挤压成型流延成型射出成型9等静压成型将待压试样置于高压容器中，利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压。当液体介质通过压力泵注入压力容器时，根据流体力学原理，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向。此时高压容器中的粉料在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。通过上述方法使粉料成型致密坯体的方法称为等静压法。10射出成形将浆料粒以定量、间歇的方式，自进料漏斗加入，送至加热管中加热使其融化后，透过活塞柱或推头向前推进，经过喷嘴射入模具的模穴中。11（2）陶瓷基板的主要生产工艺12工艺方法特点典型应用Ø干压成型粘接量含低，成本低，表面粗糙，密度波动，气孔大小不一适于大面积不可弯曲的片层厚度250mmØ注浆成型不含粘接剂，大面积，可能成型弯曲和某种结构的表面，显微结构均匀浆料必须分析温定，只适合分批操作，不会造成分层，注浆效率低适于不能弯曲的单层结构厚度100mm13Ø挤出成型+压制无沉降和分层，连续化工艺，自支撑片层，表面光滑，粘接剂含量高，长度/侧面收缩不一，易翘曲，磨损大适于有限宽度的可弯曲片层的大量生产，厚度100-1500mmØ丝网印刷结构层较薄，表面比较光滑一般不连续，面积小，特殊油墨体系，粘接剂含量高适于单层或多层结构的优先厚膜技术14Ø流延成型水基和有机基组分可连续化生产，表面光滑，小批量和大批均可，自支撑带粘接剂含较高，浆料组成复杂，需要干燥和脱脂适于单层和多层技术的可弯曲的带，适于大型和小型设备，厚度100-1500mm第一节陶瓷基板概论1、陶瓷基板具备条件2、陶瓷基板的制造方法3、流延成型工艺4、陶瓷基板的金属化153、流延成型工艺（1）流延法(TapeCasting)基本概念流延法也称刮刀成型法；在陶瓷粉料中加入溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等成分，得到分散均匀的浆料，然后在流延机上制得一定厚度陶瓷片的一种成型方法。1617流延法于1947年被Howatt等首次来生产陶瓷片层电容器，并于1952年取得专利。流延法的特点：设备简单，生产效率高，可连续操作，自动化水平高；坯体致密，膜片弹性好，致密度高；工艺稳定，生产的膜片厚度范围较宽且可控，因此在陶瓷工业得到广泛的应用。18（2）流延法主要成分及其作用机理原料：原始陶瓷粉料、溶剂、分散剂、粘结剂以及增塑剂等。对这些材料的选择非常重要，将直接影响流延浆料的性能，从而影响最终烧结成品的性能。19(a)粉料：在选择粉料时，既要考虑产品的特性要求，也要考虑制备工艺因素。流延法中陶瓷粉料的纯度、粒度、比表面积、颗粒形状等特性对材料的性能及制备工艺影响很大。粉末的粒度和比表面积决定制备过程中各添加剂的加入量，影响到流延浆料的分散性和流变稳定性，从而最终影响素胚膜及烧成品的微结构与致密性。20细颗粒有好的烧结性，可使烧结温度降低和烧结制品更致密，但粉料过细则使得所需分散剂、粘结剂与增塑剂的量相应增加，这就给干燥和烧结过程带来麻烦，使烧成品质量下降。球形颗粒有好的填充性能，使烧结后的产品结构致密且机械强度高而条状和片状颗粒在刮刀剪切应力作用下可择优取向，适宜于制备有定向要求的压电材料。21(b)溶剂：选择溶剂主要考虑的因素：必须能溶解分散剂、粘结剂和增塑剂等添加成分；在浆料中能保持化学稳定性，不与粉料发生反应；易于挥发与烧除等。22常用溶剂：有机溶剂：乙醇、甲乙酮、三氯乙烯、甲苯、二甲苯等。优点：所得的浆料粘度低、溶剂挥发快和干燥时间短。缺点：易燃和有毒。23水作为溶剂：优点：成本低、使用安全卫生和便于大规模生产。缺点：―对粉料颗粒的湿润性能较差，挥发慢、干燥时间长；―浆料除气困难，气泡的存在会影响素胚膜的质量；―水基浆料所用粘结剂多为乳状液，市场上产品较少，使粘结剂的选择受限制；―某些陶瓷材料，如氮化物和碳化物能与水反应在其表面生成一层氧化膜，而和CaO、MgO等材料具有吸湿性，不宜采用水作溶剂。24(c)分散剂：重要性分散剂的分散效果是决定流延法制膜成败的关键。粉料颗粒在流延浆料中的分散性和均匀性直接影响素胚膜的质量及其烧结特性，从而影响烧结膜材的致密性、气孔率和机械强度等一系列特性；浆料制备中由于分散不好而形成的团聚体及带入的气泡等，在烧结阶段会成为致密化的最大障碍。25分散原理：颗粒在介质中的分散效果通常用总势能U来描述:U=Ua+UrUa：VanderWaals引力势能；Ur:为斥力势能。当UrUa时，浆料是分散稳定的。两种机理:双电层的静电稳定机理高聚物大分子的空间位阻稳定机理26分散剂的种类：非离子、阴离子、阳离子或两性离子；阴离子表面活性剂主要用于颗粒表面带正电的中性或弱碱性浆料；阳离子型表面活性剂主要用于颗粒表面带负电的中性或弱酸性浆料。27(d)粘结剂、增塑剂：选择粘结剂需考虑的主要因素:素胚膜的厚度;所选溶剂类型及匹配性，有利于溶剂挥发和不产生气泡;应易烧除，不留有残余物;能起到稳定浆料和抑制颗粒沉降的作用;要有较低的塑性转变温度，以确保在室温下不发生凝结;考虑所用基板材料的性质，不相粘结和易于分离。28粘结剂分类:l按官能团类型：非离子、阴离子和阳离子；l在流延工艺中使用最多的是阴离子与非离子型的粘结剂，主要分为乙烯基或丙烯基；l在非水基浆料中常用:聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯酸甲脂和乙基纤维素等；l在水基浆料中常用:聚乙烯醇、丙烯酸乳剂和聚丙烯酸胺盐等。29增塑剂作用：l在流延成型中，为了使成型的流延膜具有一定的柔韧性，必须使用适量的增塑剂，通常是分子量较低、不易挥发的化合物；l增塑剂降低粘结剂的玻璃化温度Tg，使其达到室温或室温以下，从而确保粘结剂在室温时具有好的流动性和不发生凝结。l增塑剂对粉体颗粒起润滑和桥联作用，有利于浆料的分散稳定，但加入增塑剂会使素胚膜的强度降低。30常用增塑剂：31聚乙二醇邻苯二甲酸脂在粉体颗粒间形成有机桥，能增加浆料的粘度。润滑粉体颗粒，降低浆料粘度。常用的粘结剂和增塑剂32（3）流延设备33TTC-1200SingleBladeAssembliesDoubleBladeAssemblies(4)流延浆料的制备：第一步：球磨混料（粉料、溶剂、分散剂；第二步：球磨浆料+功能性添加剂(增塑剂、粘结剂）、去渣。34(5)流延膜的厚度：a:湿坯干燥时厚度的收缩系数，h和L:分别是刮刀刀刃间隙的高度和长度，h:浆料的粘度，△P:(通常由浆料的高度决定)为料斗中的压力，v。:为流延装置和支撑载体的相对速度。(6)获得优质流延膜的措施:刮刀的表面光洁度浆料的均匀性35第一节陶瓷基板概论1、陶瓷基板具备条件2、陶瓷基板的制造方法3、流延成型工艺4、陶瓷基板的金属化364、陶瓷基板的金属化（1）厚膜法l厚膜金属法：在陶瓷基板上通过丝网印刷形成导体（电路布线）及电阻等，经烧结形成及引线接点等。l厚膜浆料：粒度1-5微米的金属粉末；玻璃粘结剂（10%)；有机载体（有机溶剂、增稠剂、表面活性剂等）；球磨混联而成。37玻璃系（玻璃结合）氧化物系（化学结合）玻璃与氧化物混合系（混合结构)38玻璃结合+化学结合玻璃系特点：l软化点在粉末金属的烧结温度附近；l在粉末烧结成网络结构之前或其过程中，玻璃软化，逐渐由厚膜导体侧向基板侧流动，并流入基板的表面凹凸之中。随着玻璃网络结构的收缩，玻璃与其形成相互勾连结构；从导体表面到陶瓷基板，金属的相对含量逐渐减少，而玻璃粘结剂的含量逐渐增加，形成梯度。l表面金属含量高：提高电导率、便于焊接键合；l界面玻璃含量高，利于导体层与基板的机械结合。39氧化物系特点：l选用与陶瓷发生反应形成固溶体的氧化物；（例如：对于Al2O3，采用CuO或Bi2O3)l氧化物系比玻璃系更容易获得较高的结合力，导电层的焊接性能好；l烧成温度较高；l使用含有Bi2O3的玻璃粘结剂，焊接性能优良；l焊接过程中，焊料主要成分Sn发生反应：2Bi2O3+3SnO2→4Bi+3SnO240玻璃与氧化物混合系特点：l玻璃系和氧化微系特征的组合；l为了降低烧成温度，同时保证较高的结合力。41（2）薄膜法l采用真空空蒸镀、离子镀、溅射镀膜等真空镀膜法；l金属膜与陶瓷基板的热膨胀系数尽量一致；l提高金属化层的附着力。42l一般选用具有充分的反应性、结合力强的IVB族金属Ti、Zr，及VIB族金属Cr、Mo、W等；l上层金属:Cu、Au、Ag，电导率高，不易氧化，延展性好，可以缓解热膨胀系数不匹配导致的热应力。43（3）共烧法l在烧成前的陶瓷生片上，丝网印刷Mo、W等难熔金属的厚膜浆料，一起脱脂烧成，使陶瓷与导体金属烧成为一体结构；l适用于多层板的制造。44共烧法特点：l可以形成微细的电路布线，容易实现多层化，从而实现高密度布线；l绝缘体与导体制成一体化结构，可以实现气密封装；l通过成分、成形压力、烧结温度的选择可以控制烧结收缩率。45（4）陶瓷金属化电阻控制l对于厚膜与薄膜来说，可以使用各种不同的导体材料，通过控制膜厚，可以获得较低的电阻率；l在普通共烧中，由于陶瓷烧结温度高，导体的材料必须选用熔点高的W、Mo等难熔金属，导致电阻率较高。46（5）陶瓷基板质量的可靠性控制l陶瓷基板本身质量微观上：陶瓷晶粒的大小的影响p晶粒较大，容易金属化，封接强度随着氧化物晶粒增大而增大；p但是晶粒过大，粘接强度反而降低；p对每个批次瓷件都抽样做金相检验，确保微观的一致性。47宏观上：陶瓷基板的表面光洁度p金属化面应研磨到0.8微米以下；p用粗糙度测量仪直接对陶瓷基板进行100％的封接面检验测量。48l金属化配方p对不同的陶瓷基板，金属化配方是不一样的，许多的试验研究都是围绕这方面进行的。金属化配方设计原则----活化剂玻璃相的膨胀系数p陶瓷与金属以及金属化层骨架材料中Mo颗粒与活化剂玻璃相的膨胀系数的匹配均至关重要：σ封=σ瓷-σ应力σ封：陶瓷-金属封接强度；σ瓷：陶瓷强度；σ应力：陶瓷-金属封接界面所产生的应力（主要来源于异种材料的膨胀差）为了提高σ封，应尽量减小σ应力，是十分必要的。49pl为铜，2为不锈钢，3为蒙乃尔合金，4为镍，5为铁，6为钛，7为，合金，8为96％A1203瓷，9为85％AI0瓷，l0为可伐，ll为钼，l2为钨。p异种材料的膨胀系数通常是不同的，存在应力不可避免。在材料选用上、封接工艺上想办法来减小应力。50p金属化层中，活化剂玻璃相与Mo颗粒是一种相互交织、相互包裹的结构，两种膨胀系数要趋于一致，需要用不同氧化物按不同比例来配合，这在设计原则上是一个基本要素。p目前常用的Mo粉体材料和95％Al2O3陶瓷的膨