氧化铝陶瓷概述.ppt
《氧化铝陶瓷概述.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《氧化铝陶瓷概述.ppt(103页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、1,第二节 氧化铝瓷,氧化铝瓷是一种以Al2O3为主要原料、以刚玉(Al2O3)为主要矿物组成的陶瓷材料。,2,氧化铝瓷在电子技术领域中广泛用作真空电容器陶瓷、微波管输能窗的陶瓷组件、各种陶瓷基板及半导体集成电路陶瓷封装管壳等。它是电真空陶瓷的主要瓷种,也是生产陶瓷基板及多层布线封装管壳的一种基本陶瓷材料。,3,氧化铝陶瓷基片,电子陶瓷,4,2.1 Al2O3瓷的类型和性能 根据Al2O3含量来确定瓷的牌号。Al2O3含量在99左右“99瓷”,含量在95和90左右的依次称为“95瓷”和“90瓷”等等。Al2O3含量在85以上的陶瓷通常称高铝瓷,含量在99以上的也称为刚玉瓷或纯刚玉瓷。,5,氧化
2、铝陶瓷中,Al2O3含量越高,性能越好。但Al2O3含量越高,工艺要求越高,如烧结温度过高(99瓷烧结温度1800),能耗大,对窑炉的要求也很高。,6,高铝瓷的烧结温度较高,为了降低烧结温度,降低成本,国内外也都研制并生产了Al2O3含量在7585之间的Al2O3陶瓷。习惯上把这种Al2O3陶瓷称为“75瓷”,广泛用作金属膜电阻和线绕可变电阻基体,厚膜集成电路基片,集成电路扁平封装管壳等。,7,Al2O3陶瓷的基本性能:介电常数一般在810,介质损耗小,导热系数,绝缘强度较高,特别是高铝瓷具有极高的机械强度,其导热性能良好,绝缘强度高,电阻率高,介质损耗低,电性能随温度和频率的变化比较稳定。,
3、8,Al2O3陶瓷的性能指标会因原料,配方和生产工艺的条件不同,在一定范围内变化。目前我国大量生产的Al2O3陶瓷是95瓷。75瓷的生产也比较普遍。此外还生产97瓷,99瓷,主要用作薄膜硅片或混合集成电路薄膜基片。,9,常用的氧化铝陶瓷为白色,但也有一些特殊要求,如一些器件为避免光照,应做成黑色,吸收可见光,可加入一些金属氧化物作为着色剂,生产黑色Al2O3陶瓷。有些氧化铝陶瓷由于加入一些着色氧化物,也会呈现一定的颜色。这些颜色却不是预期的。,10,2.2 组成与性能间的关系 瓷料组成与性能间的关系是我们设计或拟订瓷料配方的基本依据。氧化铝含量与陶瓷性能间有着密切的关系。而且其他添加剂对Al2
4、O3瓷料性能也都会有不同程度的影响。,11,Al2O3瓷的烧结温度较高,瓷料(主要是瓷料中的一些加入物)的高温挥发性能也常常对陶瓷材料的生产和性能显示一定的影响。黑色Al2O3瓷的着色剂通常都是一些高温挥发性较强的氧化物。,12,一、瓷料高温下的挥发 Al2O3瓷烧成温度较高,99瓷烧成温度1800,95瓷也都在16501700,因此配料组分挥发性的高低直接关系到陶瓷材料的生产和利用。,13,(1)主成分Al2O3高温下挥发性较弱。(2)在99瓷中用作抑制晶粒生长,使瓷体具有细晶结构的加入物MgO,有较高的高温挥发性。当MgO结合成尖晶石时MgO Al2O3,挥发速度有所降低。但挥发速度仍较明
5、显。,14,(3)在99瓷、97瓷以及某些95瓷的生产中有时与MgO同时引入的La203,Y203等稀土氧化物的高温挥发性较弱。(4)Al2O3陶瓷的熔剂类加入物MgO,CaO,BaO,Si02,除CaO的高温挥发性较弱,其他几个氧化物的挥发性都较强。但挥发性较强的氧化物结合成复合氧化物(3Al2O3 2Si02)时,挥发速度和挥发性有不同程度的降低。,15,(5)熔剂类加入物的如CaF2,B2O3等高温挥发性很强,既使在75瓷瓷料中引入少量CaF2,烧成后的瓷体也易出现针孔。(6)在Al2O3黑瓷生产中用作着色剂的FeO,MnO,CoO,NiO,Cr2O3等较低温度下就有明显挥发。黑色Al2
6、O3瓷生产中必须考虑如何减少着色剂的挥发。,16,二、原料杂质对瓷料性能的影响 1、Na2O 工业氧化铝通常是用碱式法生产的,其中含有少量Na2O杂质。Na2O杂质的存在,与Al2O3形成Al2O3化合物,使瓷体的电性能明显恶化,电阻率降低,tg,Na2O对装置瓷非常有害。,17,Na2O加入以后,生成Al2O3,Al2O3是一种多铝酸盐,其结构为Na2O11Al2O3,是由少数AlOAl键把“尖晶石基块”连接起来的层状结构,Al2O3中的Na离子就处于“尖晶石基块”之间由少数 A1OA1键支撑起来的空旷的空间内。,18,在电场作用下,Na离子在“尖晶石基块之间的(空旷地带)沿电场方向自由移动
7、,表现了Al2O3极显著的离子电导特性。正因为如此,Al2O3呈现出明显的电导损耗和离子松弛损耗。这样,Al2O3瓷中Al2O3的存在就导致了介质损耗角正切值tg的显著提高。,19,改善措施:(1)加入粘土(主要成分SiO2),生成玻璃相让Na2O进入玻璃相。(2)加入粘土生成钠长石。(3)煅烧。对高铝瓷采用此方式,可使Al2O3Al2O3,在煅烧时加入一定量的硼酸与Na2O反应生成硼酸钠,是易挥发物质,在煅烧中挥发除去。,20,表4-6列出了Al2O3在Na、Si杂质共存时,杂质含量对烧结瓷体介质损耗的影响。,21,从表46可以看出,虽然原料中Na20杂质能显著影响Al203烧结瓷体的介质损
8、耗,Na20含量的提高一般都要伴随着tg值的显著增大(1*3*Al203数据更为明显)。但是,工业氧化铝中经常存在少量杂质Si02,原料中Si02含量的提高能显著削弱或消除Na20杂质对瓷体介质损耗提高的有害影响,3*5*,Al203数据更为明显。,22,2、CaO 引入少量CaO,形成六铝酸钙(CaO6Al2O3),类似于Al2O3结构,但引入CaO后,并不使瓷料的介电性能恶化,反而使瓷体的tg有所下降。,23,CaO6Al2O3与Na2O11Al2O3属于同类型结构,也是Al2O3结构。有时CaO6Al2O3称CaAl2O3,而Na2O11Al2O3称,NaAl2O3。两者结构的主要不同仅
9、在于NaAl2O3中“尖晶石基块”之间的Na+,被数量大致少一半的Ca2+取代。但是CaO引入Al2O3瓷料并不使烧结瓷体的介电性能恶化,少量CaO的引入反而使瓷体的tg值有所降低(参阅表47数据)。,24,CaAl2O3和NaAl2O3对Al2O3瓷体介电性能的影响截然不同,是由于Ca2+是二价离子,价键较强,处于“尖晶石基块”之间的Ca2+把“尖晶石基块”拉紧,使Ca2+比较牢固地压在“尖晶石基块”之间,Ca2+失去了可动性,至少在低温时是如此。,25,3、SiO2 原料中SiO2含量的提高能够非常显著地消弱或消除Na2O杂质对瓷体介质损耗提高的有害影响。,26,Al2O3煅烧Al2O3,
10、伴有14%左右的体积收缩,因此,以Al2O3为主的工业氧化铝,配料前必须经过预烧,同时加入13wt%的硼酸,可使Na2O生成硼酸钠挥发掉,还可促进Al2O3向Al2O3并使晶相转化趋于完全。生产含量在99.5%以上的高纯氧化铝或透明纯氧化铝陶瓷时,一般不用工业铝氧,要求原料纯度达到99.9%。,27,三、高铝瓷组成和性能 99瓷和97瓷主要用作薄膜集成电路基片。要求基底平整光滑。为了保证基片经仔细抛光后具有极高的表面光洁度,基片本身必须充分致密,而且应保证晶粒细小,晶界结合性能良好。,28,少量MgO对抑制Al2O3晶粒生长,保证Al2O3陶瓷具有等粒微晶结构有明显效果,但MgO的高温挥发性较
11、大,使瓷体表层中晶粒长大。多采用MgO和La203或MgO和Y203等复合加入物,效果明显,La203和Y203高温下不易挥发。La203和Y203的加入,还可降低烧结温度。使晶界结合性能良好,瓷体致密度提高。,29,1、瓷料的矿物组成及其性能 含Al2O3 9095%的白色氧化铝瓷料一般都为Al2O3SiO2Mg0CaO四元系瓷料(包括CaO-Al2O3SiO2系和Mg0-Al2O3-SiO2系瓷料)。用相图可计算Al2O3瓷料烧成后的平衡矿物组成。,30,图411是高Al2O3含量部分的Ca0-Al2O3-Si02系相图。从该图可知,与刚玉(-Al2O3)处于平衡的矿物有三个:莫来石A3S
12、2)、钙长石CAS2和六铝酸钙CA6。,31,该系统中的Al2O3陶瓷的组成点可以处于三角形CA6CAS2Al2O3 内,也可以处于三角形A3S2CAS2Al2O3内,这取决于瓷料组成的Si02CaO比值。如果瓷料的Si02CaO(分子比)2,即SiO2CaO(质量比)2.16,组成点显然处于三角形CA6CAS2Al2O3内。这种情况下,瓷料的平衡矿物组成是三角形三个顶点所表示的三个矿物:刚玉、钙长石和六铝酸钙。,32,如果瓷料的Si02CaO(分子比)2即Si02CaO(质量比)2.16,组成点显然处于三角形A3S2CAS2Al2O3内。这时瓷料的平衡矿物由刚玉、莫来石和钙长石组成。,33,
13、图412是MgOAl2O3Si02系相图的高Si02含量部分。该系统中与刚玉处于平衡的矿物只有两个:莫来石和尖晶石MA。所以对MgOAl2O3Si02系Al2O3瓷料来说,其平衡矿物组成为刚玉、莫来石A3S2和尖晶石MA。,34,从现有的Ca0MgOAl2O3Si02系相平衡瓷料来看,系统中没有发现能与刚玉处于平衡的四元化合物。所以可以认为,在Ca0MgOAl2O3Si02四元系内,Al2O3瓷料煅烧后的平衡矿物组成为:,35,Si02CaO2.16时:MA、CAS2、Al2O3和-Al2O3,36,40,注:当瓷料中还有少量其他加入物时,可根据有关相平衡资料估计加入物在物系中存在的矿物形态,
14、从而计算其平衡矿物含量。例如:当瓷料中引入LLa203时根据La203Al203相图(略)可知,在La203Al203系中与Al203处于平衡的矿物为La20311Al203(一种具有Al203结构的矿物)。,41,如果物系中不存在其他能与Al2 03处于平衡的La203的矿物,则平衡矿物La20311Al203,的百分含量:,如果La2 03为外加量,则:Al203=100+L-上述各矿物含量,42,P129例1苏州1#土为纯高岭石,组成:SiO2 46.5%,Al2O3 39.5%,H2O 14%,43,CaCO3 CaO+H2O 100 56 44CaO=3.25(56/100)=1.8
15、CO2=3.25(44/100)=1.43灼减=1.43+1.950.14=1.7,44,45,P129例2。滑石组成:MgO 33.4%,SiO2 66.6%,47,2、瓷料高温下的相组成。Al2O3瓷料的三个三元无变量点的组成和性质见P142,表4-14。,48,(1)CaOAl2O3SiO2系瓷料 例3.计算该系统瓷料在相应的无变量点温度下所能形成的最高液相量。P142 1#配方的化学组成和S/C:,49,从SC1.2小于2.16,瓷料组成点处于图411中组元三角形CA6CAS2Al203内,U点系该瓷料的无变量点。从平衡角度考虑,在加热过程中。在温度达到1495时该三元系Al203瓷料
16、开始出现液相,并呈现出CA6+CAS2 Al203+Lu的平衡关系,使液相量逐渐增多(但温度保持不变)。显然至液相组成点即将从无变量点U离开时,物系中的液相量即为无变量点U上所能形成的最高液相量Lu(max)。,50,瓷料的SC1.2小于1.56,可以判定瓷料的组成点处于Al203U连线的CaO-Al203边一侧,在加热过程中随着CA6+CAS2 Al203+Lu平衡反应向右进行,将导致CAS2先行消失并使液相组成点沿Al203CA6的相界曲线离开U点。,51,在加热过程中CAS2刚刚消失时的液相量即为无变量点U处所形成的最高液相量Lu(max)。这时瓷料中的Si02量刚刚开始全部处于液相。,
17、52,该配方的瓷料在平衡条件下,于1495下能形成6.1的液相,这一部分液相主要是钙长石(CAS2)液相。钙长石是具有架式结构的硅酸盐。其熔体易于过冷而形成玻璃。,53,实际使用的原料含有少量杂质,而且平衡是相对的,不平衡则是绝对的。导致瓷料中出现液相的温度要低于1495,而在1495下形成的液相量也高于理论计算值。,54,(2)Mg0Al2O3SiO2系瓷料 计算最高液相量。P143例。例题4 参阅前面的例题2,计算2#配方在其无变量T上所形成的最高液相量LT(max)。从例题2的计算可知,作为MgO-Al2O3-SiO2系的2#配方的化学组成:,55,为简化计,我们先不考虑La203的组分
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 氧化铝陶瓷 概述
链接地址:https://www.31ppt.com/p-4916951.html