燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷機(jī)電性能的影響＊

李宏杰

(西安創(chuàng)聯(lián)輪德器件有限公司 西安 710065)

燒結(jié)溫度對氧化鋁陶瓷機(jī)電性能的影響＊

李宏杰

(西安創(chuàng)聯(lián)輪德器件有限公司 西安 710065)

燒結(jié)溫度對氧化鋁基板性能有重要影響,隨著燒結(jié)溫度的提高,瓷片的體積電阻率、體積密度、擊穿強(qiáng)度升高,抗折強(qiáng)度呈先上升后下降趨勢,而介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切則是先降低后升高。得出最佳的燒結(jié)條件為1 570℃保溫2 h。

燒結(jié)溫度 氧化鋁陶瓷 抗折強(qiáng)度 體積電阻率 擊穿電壓 介電常數(shù) 介質(zhì)損耗 體積密度

前言

由于氧化鋁陶瓷具有優(yōu)良的機(jī)電性能,如導(dǎo)熱率較高,耐高溫,絕緣性能良好,機(jī)械強(qiáng)度適中、耐磨及耐化學(xué)腐蝕,且價格低廉,工藝成熟,故廣泛用在電子、電氣、航空、航天、石油化工等領(lǐng)域,成為目前用量最大的工程陶瓷之一[1～2]。在微電子行業(yè),A-75瓷常用來制作電阻瓷基體;A-96瓷常用作厚膜電路基板;A-99瓷常用作薄膜電路基板[3]。BeO陶瓷雖然導(dǎo)熱率高,但毒性大,隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng),國家相繼出臺了一系列環(huán)境保護(hù)法,限制生產(chǎn)使用BeO陶瓷。A lN陶瓷雖然具有導(dǎo)熱率高(是A l2O3陶瓷基板的5～10倍),膨脹系數(shù)與Si接近等優(yōu)點(diǎn),但原料合成到目前尚未大批量生產(chǎn),且批次一致性差,難以燒結(jié)。但在陶瓷基板領(lǐng)域中,流延法生產(chǎn)A l2O3陶瓷基板仍占著統(tǒng)治地位。

我公司引進(jìn)的美國流延法成形生產(chǎn)線,瓷料配方體系為M gO-A l2O3-SiO2三元系統(tǒng)。在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),由于國產(chǎn)氧化鋁粉形貌不規(guī)則,鈉離子含量較高,導(dǎo)致產(chǎn)品的介質(zhì)損耗過高,體積密度上不去,高溫體積電阻率較低,無法滿足客戶的需求,針對此情況,我公司開展了A-96瓷瓷料配方的研究。在文獻(xiàn)[4]中,通過在M gO-A l2O3-SiO2三元系統(tǒng)中引進(jìn)CaO,成功地改進(jìn)了產(chǎn)品的機(jī)電性能;產(chǎn)品的抗折強(qiáng)度值及其分散性也得到了一定改善,雖然達(dá)到了國標(biāo),在實(shí)際使用中仍顯強(qiáng)度不足。為此,我公司又開展了抗折強(qiáng)度提高試驗(yàn)。在文獻(xiàn)[5]中,通過攻關(guān)進(jìn)一步提高了抗折強(qiáng)度,降低了強(qiáng)度分散性。筆者在文獻(xiàn)[4～5]的基礎(chǔ)上,通過對燒結(jié)工藝的優(yōu)化,進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能?，F(xiàn)已用于批量化生產(chǎn)中。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)用原料

氧化鋁微粉由河南鑫源陶瓷材料有限公司提供,d50=1.94μm,比表面積為14 114 cm2/g?；瘜W(xué)成分見表1,粉體形貌見圖1。

表1 氧化鋁微粉的化學(xué)成分(質(zhì)量%)

圖1 0.192%Na2O氧化鋁粉體材料的形貌(×4 000)

由圖1可見,國產(chǎn)氧化鋁粉的形貌極不規(guī)則,有片狀、板狀及多面體狀,且大小相差很懸殊?；?TALC)由遼寧艾?；邢薰咎峁?d50=4.6 μm,化學(xué)成分見表2。

表2 TALC的化學(xué)成分(質(zhì)量%)

碳酸鈣(CaCO3)由山東東營益達(dá)化工廠提供,含量99.5%,d50=1.2μm。二氧化硅(SiO2)由四川順達(dá)新材料有限公司提供,含量99.0%,d50=1.6μm。

La2O3由江蘇阜寧稀土實(shí)業(yè)有限公司提供,含量≥99.0%;d50=3.2μm。

1.2 工藝路線

將氧化鋁微粉、助熔劑、分散劑和溶劑按配方比例稱重加入球磨機(jī)中球磨20 h,再將增塑劑和粘合劑加入,球磨30 h后,測試漿料粘度,合格后出料。

1.3 試樣制備

將制備好的合格漿料,真空除泡后,在TCMⅢ流延機(jī)上流延成形1.0mm厚度的制品,干燥后,在氣動沖床沖制成50.8 mm×50.8 mm和20 mm×60 mm的兩種瓷片。撒沙機(jī)撒沙疊片后,進(jìn)高溫爐在不同的燒結(jié)溫度下燒結(jié)。燒結(jié)溫度分別為1 540℃/2 h;1 570℃/2 h;1 600℃/2 h。拋光清洗后在覆平爐里矯平。選取20 mm×60 mm的瓷片做瓷片抗彎強(qiáng)度和體積密度試驗(yàn)。在50.8 mm×50.8 mm的瓷片正反兩面按GB5593的規(guī)定制作銀電極,燒銀后進(jìn)行體積電阻率、擊穿強(qiáng)度、介電常數(shù)和介質(zhì)損耗性能測試。

1.4 性能測試

使用NF2511A絕緣電阻測試儀,分別在室溫、300℃、500℃條件下保溫15 min,給試樣加不大于500 V的直流電壓,1 min后讀取電阻測量儀上的讀數(shù),得到試樣體積電阻率:

式中:ρ——試樣的體積電阻率,Ω·cm;

d——試樣電極的外徑與內(nèi)徑之差,cm;

RV——測得的試樣的絕緣電阻,Ω;

t—試樣的厚度,cm。

使用阿基米德排水法測定了體積密度;使用三點(diǎn)彎曲法測定了材料的抗折強(qiáng)度;使用ZYS—75型高壓試驗(yàn)裝置在室溫下測定了試樣的擊穿強(qiáng)度;按國標(biāo)GB5593—85的方法用HP4295A在1 M Hz下進(jìn)行了Tanδ和介電常數(shù)的測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 體積電阻率

不同燒結(jié)溫度體積電阻率的測試結(jié)果見表3。由表3可看出,隨燒結(jié)溫度提高,瓷片的體積電阻率,不論在室溫、300℃還是500℃,體積電阻率都有不同程度的提高,且體積電阻率隨燒結(jié)溫度的提高而提高。原因在于隨燒結(jié)溫度的提高,晶界出現(xiàn)更多玻璃相,填充晶界缺陷,并有利于氣孔的排出和致密化。致密的材料有效抑制了鈉離子的遷移,從而提高了體積電阻率。

表3 在3種燒結(jié)溫度下制得樣品的體積電阻率的比較(Ω· cm)

2.2 介質(zhì)損耗角正切與燒結(jié)溫度的關(guān)系

介質(zhì)損耗角正切與燒結(jié)溫度的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可以看出,隨著燒結(jié)溫度的提高,介質(zhì)損耗角正切先是減小,接著增大。介質(zhì)損耗角正切的具體意義是電容器消耗的電能與其所儲存電能的比值。它與測試頻率和溫度密切相關(guān)。介質(zhì)損耗主要是由電導(dǎo)和極化引起的[6]。隨著燒結(jié)溫度的提高,體積電阻率升高,電導(dǎo)下降,故在此情況下,介質(zhì)損耗的增大應(yīng)該不是由電導(dǎo)率引起的,應(yīng)是由極化引起的。結(jié)合圖3中介電常數(shù)與溫度的關(guān)系也可看出,隨著燒結(jié)溫度的提高,瓷體的介電常數(shù)增大,即極化增大,引起損耗角正切升高。1 540℃、1 570℃燒結(jié)的瓷體,其介電常數(shù)變化不大,而在1 600℃燒結(jié)的瓷體,其介電常數(shù)明顯變大。介電常數(shù)是衡量電介質(zhì)儲存電荷能力的參數(shù),它是由陶瓷中質(zhì)點(diǎn)的極化引起的。在常溫和目前的測試條件下,極化主要是位移式極化(包括電子位移極化和離子位移極化)和離子松弛極化[7～8]。

圖2 溫度對介質(zhì)損耗角正切的影響

圖3 不同燒結(jié)溫度下瓷體的介電常數(shù)

2.3 材料擊穿強(qiáng)度、體積密度與燒結(jié)溫度的關(guān)系(見圖4、表4)

從圖4、表4可以看出,隨著燒結(jié)溫度的升高,材料的體積密度和擊穿強(qiáng)度均會提高。隨著燒結(jié)溫度的升高,在晶界出現(xiàn)較多的液相,致密化速率加快,缺陷消除較快,可以得到較為致密的瓷體,從而使體積密度得到提高。較為致密的瓷體可以有效阻止離子的遷移,從而提高擊穿強(qiáng)度。

圖4 溫度對體積密度的影響

表4 擊穿強(qiáng)度的測試結(jié)果(kV)

2.4 材料抗折強(qiáng)度與燒結(jié)溫度的關(guān)系(見圖5)

圖5 燒結(jié)溫度對樣品抗折強(qiáng)度的影響

由圖5可以看出,隨著燒結(jié)溫度的升高,材料抗折強(qiáng)度呈先上升后下降趨勢。這可解釋為:在較低燒結(jié)溫度下,瓷體的晶粒細(xì)小,但氣孔也較多,故抗折強(qiáng)度較低;隨著溫度的升高,氣孔率降低,晶粒仍然較小,此時抗折強(qiáng)度最高;燒結(jié)溫度進(jìn)一步升高,瓷體的晶粒發(fā)育得較大,根據(jù)Hall-Petch關(guān)系:

式中:d為晶粒的平均直徑,cm。d越大,所得材料的強(qiáng)度越小。故燒結(jié)溫度越低,材料的強(qiáng)度越大[8]。

3 結(jié)論

研究了燒結(jié)溫度對氧化鋁基板機(jī)電性能的影響。得到如下結(jié)論:瓷片的機(jī)電性能與燒結(jié)溫度密切相關(guān)。根據(jù)瓷片體積電阻率、體積密度、擊穿強(qiáng)度、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角的變化,由此可以確定最佳的燒結(jié)條件為: 1 570℃,保溫2 h。

1 Eugene Medvedovski.A lumina ceramics for ballistic p rotection,part1.The American Ceramic Society Bulletin,2002, 81(3):27～32

2 Eugene Medvedovski.A lumina ceramics for ballistic p rotection,part2.The American Ceramic Society Bulletin,2002, 81(4):45～50

3 K Otsuka.M ultilayer ceramic substrate-tecnology for VLSI package/ulichip module.London:Elsevier App lied Science,1993:42～45

4 蔣文軍,李宏杰,衛(wèi)海民.流延成形A-96瓷機(jī)電性能改進(jìn).全國性建材科技期刊——陶瓷,2010(6):33～38

5 李宏杰.La2O3對氧化鋁陶瓷機(jī)電性能的影響.全國性建材科技期刊——陶瓷,2010(9):16～21

6 霍振武.摻雜對高純氧化鋁致密化速率的影響.硅酸鹽通報(bào),2002(2):8～11

7 James D Caw ley,John W,Hallo ran.Dopant distribution in nominally yttrium-doped sapphire.J Am Ceram Soc,1986, 69(8):C-195

8 石德珂.材料科學(xué)基礎(chǔ).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003

Sintering Temperature Effect on the Electrical and Mechn ical Properties of Alum ina Ceram ic

Li Hongjie(Xi’an Chuang Lian Leadership Devices Co.,L td,Xi’an,710065)

The paper researched the effect of sintering temperature on the p roperties of alumina substratesmechnical and electrical.w hen sintering temperature arises,the volume resistance and volume density also arises,the puncture strength arises first and decreases later.But the dielectric constant and dielectric loss decreases first and arises later.As result,draw a conclusion for best sintering condition:temperature fo r 1 570℃,heating p reservation for 2 h.

Sintering temperature;A lumina ceramic;Bend strength;Bulk resistivity;B reakdow n volt;Dielectric constant;Dielectric loss;Bulk density

TQ174

:A

:1002-2872(2010)12-0011-04

李宏杰(1968-),碩士,高級工程師;研究方向?yàn)楣こ烫沾伞-mail:hongjie.li2007@163.com