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第58章 绝缘陶瓷

1.性质

电绝缘陶瓷主要用于电子设备中安装、固定、支撑、保护、绝缘、隔离以及连接各种无线电零件和器件。应具备以下性质:

(1)高的体积电阻率(室温下,大于1012Ω·m)和高的介电强度(大于104kv/m),以减少漏导损耗和承受较高的电压;

(2)介电常数小(常小于9),可以减少不必要的电容分布值,避免在线路中产生恶劣的影响,从而保证整机的质量;

(3)高频电场下的介电损耗要小(tanδ一般在2×10-4~9×10-3范围内);

(4)力学强度要高,通常弯曲强度为45~300兆帕,抗压强度为400~2000兆帕;

(5)良好的化学稳定性,能耐风化、耐水、耐化学腐蚀。

除上述要求外,有时还要求具有耐机械力冲击和热冲击的性能。作为集成电路的基片材料,还要求高热导率、合适的热膨胀系数,平整、细表面粗糙度及易镀膜或易表面金属化。

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。除了上述多晶陶瓷外,近年来又发展了单晶电绝缘陶瓷,如人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。

目前国内外主要采用Al2O3陶瓷作为集成电路基板材料。金刚石和立方氮化硼(BN)作为高热导材料用于半导体基板和封装时优于其他材料,但价格高,大量生产还有若干技术问题有待解决。此外,SiC 和BeO 也是较理想的材料,但前者烧结困难,后者在生产过程中会产生毒害。氮化铝(AlN)作为高导热材料也具有巨大潜力,可以取代BeO、SiC,甚至部分取代Al2O3。因为AlN 陶瓷热导率虽比BeO 和SiC 陶瓷略低,但比Al2O3陶瓷约高8~10倍,体积电阻率、击穿强度、介电损耗等电气性能可与Al2O3陶瓷媲美,且介电常数较低,力学强度较高,可进行多层布线,是很有发展前途的基板材料。

2.制备特点

电绝缘陶瓷生产的主要特点是通过一定的工艺措施控制体积电阻率和介电损耗。

(1)选择体积电阻率高、结构紧密的晶体材料为主晶相。

(2)严格控制配方,避免杂质离子,尤其是碱金属或碱土金属离子的引入。在必须引入金属离子时,要尽量减少玻璃相的含量。若为改善工艺性能引入较多玻璃时,应采用中和效应和压抑效应,应尽量控制玻璃相数量,降低材料中玻璃相的导电率。

(3)在改善主晶相性质时,尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体,最好形成连续固溶体,可避免损耗显著增大。

(4)避免引入变价金属离子,如钛、铁、钴等离子,以免产生自由离子和空穴,引起电子式导电,使电性能恶化。当材料中已引入了产生自由电子(或空穴)的离子时,可引入另一种产生空穴(或自由电子)的不等价杂质离子,以消除自由电子和空穴,提高体积电阻率,这种方法称为杂质补偿。

(5)防止产生多晶转换,因多晶转变时晶格缺陷多,电性能下降,损耗增多。