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第三章陶瓷基板(一)




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增塑剂作用:

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; 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。 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。
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玻璃与氧化物混合系特点:

玻璃系和氧化微系特征的组合; 为了降低烧成温度,同时保证较高的 结合力。
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(2)薄膜法

采用真空空蒸镀、离子镀、溅射镀膜等真空镀 膜法; 金属膜与陶瓷基板的热膨胀系数尽量一致;


提高金属化层的附着力。
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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; 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。
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(3)共烧法

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;

适用于多层板的制造。
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共烧法特点:

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; 绝缘体与导体制成一体化结构,可以实现 气密封装; 通过成分、成形压力、烧结温度的选择可 以控制烧结收缩率。




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。
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粘结剂分类:


按官能团类型:非离 子、阴离子和阳离子;
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; 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; 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。
4、陶瓷基板的金属化
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3、流延成型工艺
(1)流延法 (Tape Casting)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。
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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:
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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。
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。
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注浆成型
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
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
适于有限宽度的可 弯曲片层的大量生 产,厚度 100-1500 mm
丝网印刷
适于单层或多层结 构的优先厚膜技术


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常用增塑剂: 在粉体颗粒间形成有机桥,能
聚乙二醇
增加浆料的粘度。
润滑粉体颗粒,降低浆料粘度。
邻苯二甲酸脂
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常用的粘结剂和增塑剂
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(3)流延设备
TTC-1200
Single Blade Assemblies
Double Blade Assemblies
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(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 + 结剂)、去渣。 功能性添加剂(增塑剂、粘
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4、陶瓷基板的金属化
(1)厚膜法

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。
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。
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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)
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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:Van der Waals引力势能; Ur:为斥力势能。 当Ur > Ua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
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分散剂的种类:

非离子、阴离子、阳离子或两性离子;

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。
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(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。
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。
Huazhong University of Science and Technology
胡先罗
材料科学与工程学院
第三章 陶瓷基板制造技术
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
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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。
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(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)
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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
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2、陶瓷基板的制造方法
(1)烧成前的成型
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(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。
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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: 缺点: 所得的浆料粘度低、溶剂挥 发快和干燥时间短。 易燃和有毒。
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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。

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(d)
粘结剂、增塑剂:
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;
选择粘结剂需考虑的主要因素:
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(5) 流延膜的厚度:
a:
湿坯干燥时厚度的收缩系数, 浆料的粘度,
h和L: 分别是刮刀刀刃间隙的高度和长度,
h:
△P: (通常由浆料的高度决定)为料斗中的压力, v。: 为流延装臵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
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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
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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。
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(2)陶瓷基板的主要生产工艺 工艺方法
干压成型
特点
典型应用
粘接量含低,成本低, 适于大面积不可弯曲 表面粗糙,密度波动, 的片层厚度> 250 mm 气孔大小不一 不含粘接剂,大面积, 适于不能弯曲的单层 可能成型弯曲和某种 结构厚度> 100 mm 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
玻璃结合
+
化学结合
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玻璃系特点:


软化点在粉末金属的烧结温度附近;
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。 表面金属含量高:提高电导率、便于焊接键合; 界面玻璃含量高,利于导体层与基板的机械结合。
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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100-1500 mm
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