《介电材料》PPT课件.ppt

,第一章 电介质陶瓷,第一节 电介质陶瓷,电介质陶瓷是指电阻率大于108m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。,电容器,一、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1012m）和高介电强度（104kVm1），以减少漏导损耗和承受较高的电压。,（2）高频电场下的介电损耗要小（tan一般在21049103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。,（3）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45300Mpa，抗压强度为4002000Mpa。（4）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。,陶瓷基片,陶瓷封装,电子用陶瓷零件,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。,滑石瓷,1-2-1 滑石瓷,1、滑石的结构,滑石瓷分子式：3MgO4SiO2H2O 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。,复合层,共价键离子键,分子键,2、滑石的相变,120200，脱去吸附水1000，脱去结构水，转变为偏硅酸镁,1557，再次失去Si，生成镁橄榄石,1-2 典型低介装置瓷,呈单链状辉石结构，它有三种晶型：,顽辉石,原顽辉石,斜顽辉石,偏硅酸镁,原顽辉石是滑石瓷的主晶相，有少量斜顽辉石,3、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,(1)老化（粉化）: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,1-2 典型低介装置瓷,(2)开裂 开裂原因：防开裂措施：a.13001350高温预烧 b.热压铸成型,1-2 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。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1020。,1-2 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800950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。,1-2 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,管座,线圈骨架,绝缘子,1-2 典型低介装置瓷,5、其他滑石类瓷简介(1)镁橄榄石瓷（MgOSiO2）(2)堇青石瓷（2MgO2Al2O35SiO2）,1-2 典型低介装置瓷,(1)镁橄榄石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、可作金属膜电阻，碳膜电阻和绕线电阻的基体以及IC基片；e、线膨胀系数大，抗热冲击性能差；,1-2 典型低介装置瓷,(2)堇青石瓷a、线膨胀系数小，室温到800：0.91.410-6/，陶瓷材料中最小。b、烧成温度范围很窄（几度）。c、材料中离子排列不够紧密，晶格内存在大的空隙，很难烧结。d、机电性能差。改进措施:i.超细粉料1m；ii.加入矿化剂（长石、LiF、B2O3、BaCO3等）；iii.制成多孔陶瓷；iiii.制成低热膨胀、高机械强度的陶瓷材料（掺加刚玉）。,1-2 典型低介装置瓷,1-2-2 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,1-2 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，-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、刚玉-莫来石瓷、刚玉瓷，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。,1-2 典型低介装置瓷,氧化铝陶瓷按Al2O3含量分类,1-2 典型低介装置瓷,氧化铝瓷的性能：,可见，随Al2O3含量的增加，Al2O3的机电性能和热性能愈来愈好，表现在：，硬度，tg，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,1-2 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）,黑色Al2O3,透明Al2O3,1-2 典型低介装置瓷,2、氧化铝瓷原料的制备,(1)天然矿物(2)化学法(3)冷冻干燥法,1-2 典型低介装置瓷,(1)天然矿物由铝矾土矿（Al2O33H2O）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，2080m氧化铝的三种晶型：高温型、低温型和中温的型，只有-Al2O3具有优良的电器性能，结构紧密、硬度大、损耗小、绝缘好，-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-Al2O3-Al2O3,1-2 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。,1-2 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1030nm，比表面积55010%m2/g，纯度高达99%以上。,1-2 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,1-2 典型低介装置瓷,3、降低烧结温度、改进工艺性能的措施 加入变价金属氧化物MnO2、TiO2 加入助熔剂，固液烧结 利用超细粉体，提高粉体烧结活性 采用还原气氛烧结或热压烧结,1-2 典型低介装置瓷,1-2-3 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5、多芯片组装-多层基片,1-2 典型低介装置瓷,1、基片应具有的机电性能,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。机械性能优良，易机械加工表面平滑度好，气孔率小，微晶化规模生产具可行性，适应金属化、成本低,1-2 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）。,1-2 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,声子热传导（类似于气体）,1-2 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。声子的散射机制：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缺陷、杂质以及样品边界（表面、晶界）的影响。,1-2 典型低介装置瓷,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；,1-2 典型低介装置瓷,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。此类非金属晶体有：金刚石（昂贵）、石墨（电子电导）、立方BN（昂贵）、SiC（难烧结，需热压）、BP（对杂质敏感）、BeO、AlN。,1-2 典型低介装置瓷,1-2 典型低介装置瓷,(1)氧化铍瓷,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,Be-O共价键较强平均原子量仅12,1-2 典型低介装置瓷,(2)氮化铝瓷,Al-N共价键强平均原子量20.49,热导率高热膨胀系数与Si接近33.8,1-2 典型低介装置瓷,5、多芯片组件技术-多层基片,MCM（Multi Chip Module）将多个半导体集成电路元件以裸芯片的状态搭载在不同类型的布线板上，经整体封装而构成的多芯片组件。MCM的核心是多层基板技术。应用：武器系统、航天电子、高频雷达、超级计算机（CPU封装）、通讯、传真、数据处理、高清晰度电视、摄像机、汽车电子等。,1-2 典型低介装置瓷,要求：多层布线层间隔介质的小（减少信号传输延迟时间，实现信号高速处理），高热导率（层数（100），散热问题），AlN更有优势（如50层时，AlN内部热阻22/w；Al2O3内部热阻52/w）。目前趋势：用金刚石基板或在AlN基板上淀积金刚石薄膜的复合基板解决MCM结构的散热问题。,1-3 低温共烧陶瓷,1-3-1 传统陶瓷基片的缺陷 1-3-2 LTCC的优点 1-3-3 LTCC的研究现状 1-3-4 LTCC材料体系 1-3-5 LTCC的用途,1-3 低温共烧陶瓷,1-3-1 传统陶瓷基片的缺陷,氧化铝瓷烧结温度高，只能选择难熔金属Mo、W等作为电极，易导致下列问题：需在还原气氛中烧结 Mo、W电阻率较高，布线电阻大，信号传输易造成失真，增大损耗，布线微细化受到限制介电常数偏大（约9.6），增大信号延迟热膨胀系数（7.010-6/）与硅（3.510-6/）不匹配,1-3 低温共烧陶瓷,1-3-2 LTCC的优点,多层陶瓷基片必须与导体材料同时烧结，采用低温烧成多层陶瓷基板，则不仅可以与Au、Ag、Cu等低电阻率金属同时烧结，且有利于将电阻、电容、电感等无源元件同时制作在基板内部，使产品小型、轻量化称为第五代基板。,1-3 低温共烧陶瓷,LTCC技术是一种先进的混合电路封装技术,它是将四大无源器件，即变压器（T）、电容器（C）、电感器（L）、电阻器（R）集成，配置于多层布线基板中，与有源器件（如：功率MOS、晶体管、IC电路模块等）共同集成为一完整的电路系统。,有效地提高电路的封装密度及系统的可靠性,1-3 低温共烧陶瓷,LTCC的特性：,高电阻率：1012m，保证信号线间的绝缘性低介电常数，减少信号延迟低介电损耗，减小在交变电场中的损耗烧结温度8501000，可使用阻值低的导体材料（Pd-Ag、Au、Cu），减小布线电阻基片的热膨胀系数接近硅的热膨胀系数，减少热应力高的热导率，防止多层基板过热足够高的机械强度化学性能稳定,1-3 低温共烧陶瓷,其它集成技术相比，LTCC具有以下特点,1）根据配料的不同，LTCC材料的介电常数可以在很大范围内变动，增加了电路设计的灵活性；2）陶瓷材料具有优良的高频、高Q特性和高速传输特性；3)使用高电导率的金属材料作为导体材料，有利于提高电路系统的品质因数；4）制作层数很高的电路基板，易于形成多种结构的空腔，内埋置元器件，免除了封装组件的成本，减少连接芯片导体的长度与接点数,并可制作线宽小于50m的细线结构电路，实现更多布线层数，能集成的元件种类多，参量范围大，易于实现多功能化和提高组装密度；,5)可适应大电流及耐高温特性要求，具有良好的温度特性，如较小的热膨胀系数，较小的介电常数稳定系数。LTCC基板材料的热导率是有机叠层板的20倍，故可简化热设计，明显提高电路的寿命和可靠性；6)与薄膜多层布线技术具有良好的兼容性，二者结合可实现更高组装密度和更好性能的混合多层基板和混合型多芯片组件；7）易于实现多层布线与封装一体化结构，进一步减小体积和重量，提高可靠性、耐高温、高湿、冲振，可以应用于恶劣环境；8)非连续式的生产工艺，便于基板烧成前对每一层布线和互连通孔进行质量检查，有利于提高多层基板的成品率和质量，缩短生产周期，降低成本。表1给出集成电路中常用的几种基板性能比较。,1-3 低温共烧陶瓷,1-3 低温共烧陶瓷基片,1-3-3 LTCC的研究现状,目前已实现多达50层、16英寸，应用频率为50MHz5GHz的LTCC集成电路 日本富士通已研制出61层，245mm的共烧结构 美国IBM公司研制出了66层LTCC基板的多芯片组件,表1过去几年全球LTCC市场产值增长情况,1-3 低温共烧陶瓷,目前，LTCC材料在日本、美国等发达国家已进入产业化、系列化和可进行材料设计的阶段1。在全球LTCC市场占有率九大厂商之中，日商有Murata,Kyocera,TDK和TaiyoYuden;美商有CTS，欧洲商有Bosch，CMAC，Epcos及Sorep-Erulec等。国外厂商由于投入已久，在产品质量，专利技术、材料掌控及规格主导权等均占有领先优势。,1-3 低温共烧陶瓷,而国内LTCC产品的开发比国外发达国家至少落后五年，拥有自主知识产权的材料体系和器件几乎是空白。国内目前LTCC陶瓷材料基本有两个来源：一是购买国外陶瓷生带；二是LTCC生产厂从陶瓷材料到生带自己开发。,1-3 低温共烧陶瓷,1-3 低温共烧陶瓷,1-3-4 LTCC材料体系,1、LTCC的实现方法（降低烧结温度）掺杂适量的烧结助剂，进行液相活性烧结 采用化学法制取表面活性高的粉体 采用颗粒粒度细、主晶相合成温度低的材料 采用微晶玻璃或非晶玻璃,1-3 低温共烧陶瓷,2、LTCC材料体系,LTCC陶瓷材料主要包括，LTCC基板材料、封装材料和微波器件材料。介电常数是LTCC材料最关健的性能。要求介电常数在220000范围内系列化以适用于不同的工作频率。例如相对介电常数为3.8的基板适用于高速数字电路的设计；相对介电常数为680的基板可很好地完成高频线路的设计；相对介电常数高达20000的基板，则可以使高容性器件集成到多层结构中。高频化是数位3C产品发展比然的趋势，发展低介电常数（10）的LTCC材料以满足高频和高速的要求是LTCC材料如何适应高频应用的一个挑战。FerroA6和DuPont的901系统介电常数为5.25.9，ESL公司的4110-70C为4.34.7，NEC公司LTCC基板介电常数为3.9左右，介电常数低达2.5的正在开发。,1-3 低温共烧陶瓷,材料的许多热机械性能也是影响LTCC器件可靠性的一个主要因素，其中最关健的是热膨胀系数，应尽可能与其要焊接的电路板相匹配。图3是IC封装的各材料的热膨胀系数。LTCC、氧化铝和其他陶瓷材料的TCE接近Si、砷化镓及磷化铟的TCE值，从而可以减小机械应力，应用在大尺寸的晶片上不需要使用有机叠层。同时，减小热不匹配性可以增强机械的整体性，降低温度特性的变化，以及增加数位、光学和电子技术的集成能力。,图3用于IC制造、封装何连接材料的TCE,1-3 低温共烧陶瓷,LTCC陶瓷材料主要是两个体系,即“微晶玻璃”系和“玻璃+陶瓷”系。采用低熔点氧化物或低熔点玻璃的掺杂可以降低陶瓷材料的烧结温度，但是降低烧结温度有限，而且不同程度会损坏材料性能，寻找自身具有烧结温度低的陶瓷材料引起研究人员的重视。此类材料，正在开发的主要品种为硼酸锡钡（BaSn(BO3)2）系和锗酸盐和碲酸盐系、BiNbO4系、Bi203-Zn0-Nb205系、ZnO-TiO2系等陶瓷材料。,1-3 低温共烧陶瓷,LTCC材料研究中的另一个热点问题就是共烧材料的匹配性。将不同介质层（电容、电阻、电感，导体等）共烧时，要控制不同界面间的反应和界面扩散，使各介质层的共烧匹配性良好，界面层间在致密化速率、烧结收缩率及热膨胀速率等方面尽量达到一致，减少层裂、翘曲和裂纹等缺陷的产生。,1-3 低温共烧陶瓷,利用LTCC技术的陶瓷材料收缩率大约为1520左右。若两者烧结无法匹配或兼容，烧结之后将会出现界面层分裂的现象；如果两种材料发生高温反应，其生成的反应层又将影响原来各自材料的特性。对于不同介电常数和组成的两种材料的共烧匹配性以及如何减少相互间的反应活性等是研究的重点。在LTCC应用于高性能系统时，对收缩行为的严格控制关键在于对LTCC共烧体系烧结收缩率的控制，LTCC共烧体系沿X-Y方向的收缩一般为1216。借助无压烧结或助压烧结技术，获得沿X-Y方向零收缩率的材料烧结时，在LTCC共烧层的顶部和下部放置于压片作为收缩率控制层。借助控制层与多层之间一定的粘结作用及控制层严格的收缩率，限制了LTCC结构沿X、Y方向的收缩行为。为了补充基板沿X-Y方向的收缩损失，基板将沿Z方向进行收缩补偿。结果，LTCC结构在X、Y方向上的尺寸变化只有0.1左右，从而保证了烧结后，布线及孔的位置和精度，保证了器件的质量。,1-3 低温共烧陶瓷,1-3 低温共烧陶瓷,已实用化的一些基板材料的性能,1-3-5典型的LTCC基板示意图,2-3 低温共烧陶瓷,LTCC工艺流程图,Complex LTCC circuit structure,1-3 低温共烧陶瓷,LTCC基板,1-3 低温共烧陶瓷,1-3 低温共烧陶瓷,1-3-5 LTCC的用途,LTCC适用于高密度电子封装用的三维立体布线多层基板。特别适合于射频、微波、毫米波器件等。目前，随着电子设备向轻、薄、短、小方向的发展，设备工作频率的提高(例如从目前手机的400800MHz提高到3GHz，甚至3040GHz)，以及军用设备向民用设备的转化，LTCC多层基板将以其极大的优势成为无线通讯、军事及民用等领域重要发展方向之一。,1-3 低温共烧陶瓷,超级计算机用多层基板。用以满足元器件小型化、信号超高速化的要求。下一代汽车用多层基板(ECU部件)。利用其高密度、多层化、混合电路化等特点，以及其良好的耐热性，作为下一代汽车电子控制系统部件，受到广泛关注。高频部件(电压控制振荡器VCO,温度控制水晶振荡器TCXO等)。对于进入GHz频带的超高频通信，LTCC多层基板将在手机、GPS定位系统等许多高频部件广泛应用。,LTCC器件应用领域所占比例,1-3 低温共烧陶瓷,