4厚膜基础

第四章厚膜基础主要内容厚膜基片材料流延工艺厚膜导体材料厚膜混合微电路是依赖于材料的一种电子元器件封装方法，它是介于组装常规电子元器件的PCB板和单片集成电路之间的一种电路封装手段。厚膜混合电路中使用的电阻和导体膜层材料----由悬浮在有机结合剂中的颗粒状的金属、金属氧化物及玻璃粉末的混合物构成。介质浆料---由悬浮在有机结合剂中的诸如金属氧化物、半导体材料和玻璃粉材料这类绝缘材料的混合物构成。4.1厚膜基片—无源材料（机械基底和绝缘作用）理想的厚膜基片：稳定的物理特性、高的热导率、低的电导率及好的热稳定性（承受850℃高温和55℃低温的工作循环要求），成本低廉，易大量获得。重要参数：介质损耗离子迁移和空间电荷极化是陶瓷材料介质损耗的两大原因。4.1.1基片材料厚膜材料通常用氧化铝、氧化铍、氧化镁、二氧化钍、氧化锆或这些材料的组合的陶瓷材料生产。陶瓷：与硅接近的匹配的热膨胀系数，较高的热导率，更好的尺寸稳定性，电气特性好。氧化铝：含4%-6%玻璃的氧化铝氧化铍：大功率应用领域，潜在的致癌和有毒物质氮化铝：新型陶瓷材料。滑石:介电常数低。特殊材料：在低碳钢基片上覆盖一层电子级釉料。难点：釉料是一种低碱含量的玻璃料，在高温中会产生问题。缺点：高频时有耦合到不锈钢基片上的电容。4.1.2物理特性表面光洁度：电阻精度和印刷膜层的附着力依赖于此。定义：中心线平均值（CLA），意味着在波峰和波谷之间设定中心线，是在表面剖面曲线测量偏差的算术平均值。CLA=（A+B+C+D）/LA、B、C、D代表中心上面或下面的面积，L是基片选定的长度。翘曲度或平坦度定义：在基片上从一端到另一端弯曲度的总合基片形状和通孔加工4.1.3基片制造干粉工艺：条件：基片厚度大于0.04in(0.1cm)P107图4.3制造工艺流程优点：允许制造长/宽比相对高的基片。流延工艺：基片厚度小于0.04in(0.1cm)流延成型的具体工艺过程1.将陶瓷粉末与分散剂、粘结剂和增塑剂在溶剂中混合，形成均匀稳定悬浮的浆料。2.成型时浆料从料斗下部流至基带之上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜，坯膜的厚度由刮刀控制。3.将坯膜连同基带一起送入烘干室，溶剂蒸发，有机结合剂在陶瓷颗粒间形成网络结构，形成具有一定强度和柔韧性的坯片，干燥的坯片连同基带一起卷轴待用。4.在储存过程中使残留溶剂分布均匀，消除湿度梯度。然后可按所需形状切割、冲片或打孔。5.最后经过脱脂烧结得到成品。成型技术的比较成型方法成型用料成型自由度均匀性效率成本模压成型粉料2.5差中等低等静压粉料2.5中等中等中等注浆成型悬浮体2.5合理低低流延成型悬浮体1好高中等注射成型塑性料3好中等高流延成型（doctor-bladingprocess)，又称带式浇铸法，刮刀法。流延成型工艺定义及原理：首先把粉碎好的粉料与粘结剂、增塑剂、分散剂、溶剂混合制成具有一定黏度的料浆，料浆从料斗流下，被刮刀以一定厚度刮压涂敷在专用基带上，经干燥、固化后从上剥下成为生坯带的薄膜，然后根据成品的尺寸和形状需要对生坯带作冲切、层合等加工处理，制成待烧结的毛坯成品。特点：特别适合成型0.2MM--3MM厚度的片状陶瓷制品，生产此类产品具有速度快、自动化程度高、效率高、产品组织结构均匀、质量好等诸多优势。缺点：粘结剂含量高，因而收缩率较大，高达20%~21%非水基流延成型工艺，即传统的流延工艺陶瓷粉料分散剂溶剂粘度调节真空除泡增塑剂混磨粘结剂球磨流延成型干燥脱脂烧结水基流延成型工艺水基流延成型工艺使用水基溶剂替代有机溶剂，由于水分子是极性分子，而粘结剂、增塑剂和分散剂等是有机添加剂，与水分子之间存在相容性的问题，因此在添加剂的选择上，需选择水溶性或者能够在水中形成稳定乳浊液的有机物以确保得到均一稳定的浆料。同时还应在保证浆料稳定悬浮的前提下，使分散剂的用量尽量地少，同时在保证素坯强度和柔韧性的前提下使粘结剂、增塑剂等的有机物的用量尽可能少。水基流延成型工艺优缺点水基流延成型具有价格低廉，无毒性，不易燃等优点，但也存在一些问题：a)蒸发速度低；b)所需的粘结剂浓度高；c)氢键引起陶瓷粉末团聚导致絮凝；d)浆料对工艺参数变化敏感，不易成型表面致密光滑的陶瓷膜；e)坯体结合不充分，干燥易起泡开裂，脆性大，易弯曲变形；f)缺陷引起应力集中，导致烧结开裂。目前，水基流延成型的研究主要应用于Al2O3，ZrO2等少数的氧化物陶瓷，对TiC也有研究。凝胶流延成型工艺水基凝胶流延成型工艺是利用有机单体的聚合原理进行流延成型。单体溶液交联剂增塑剂陶瓷粉末分散剂引发剂真空除泡球磨混合催化剂流延加热惰性气体保护聚合成型优点:可以极大地降低浆料中有机物的使用量，提高浆料的固相含量，因而提高素坯的密度和强度，同时大大减轻环境污染，并显著降低生产成本。目前凝胶流延成型工艺已经应用于研制氧化铝陶瓷薄片及燃料电池YSZ等领域。由于流延法一般用于制造超薄型制品，因此坯料的细度、粒形要求比较高。粒度越细，粒形越圆滑，薄坯的质量越高。这样才能使料浆具有良好的流动性，同时在厚度方面能保持有一定的堆积个数。例如，制取40μm厚的薄坯时，在厚度方向上的堆积个数一般要求20个以上，那么要求2μm以下粒径的粉料要占90%以上，才能保证薄坯的质量，因此通常流延法采用微米级的颗粒。料浆要求流延缺陷及原因分析流延成型过程中由于工艺参数控制不当，或者是粉料本身有缺陷等因素，容易造成诸如起皮、裂纹、气孔、疤痕、杂质等各种缺陷。结合具体过程，对常见的流延缺陷，进行分析，并加以控制。裂纹裂纹，因为浆料不均匀，粘结剂太少，或干燥速度太快，使基片不能均匀地干燥收缩，上下表面收缩不一致或者是不同地方收缩不一致，产生应力集中将基片拉裂。通过调整浆料粘度、各添加剂加入比例，降低干燥速度可以避免裂纹的出现。(a)凹坑凹坑，由于溶剂的挥发速率和扩散速率不易达到平衡，流延膜不同部位的收缩速率存在差别，膜内部容易产生应力和缺陷。或者是流延浆料还存有气泡，而且干燥速度太快，塑性剂与粘结剂难以在干燥前填充溶剂挥发留下的气孔所引起。(b)起皮起皮是因为上表面因溶剂挥发快，塑性剂与粘结剂很快在表面形成一层极薄的“聚合物硬皮”，它抑制下层溶剂的挥发，使上下表面不能同时干燥收缩，在素坯厚度方向会产生较大的密度梯度，严重时会导致素坯开裂。通过调整干燥速度、干燥温度、湿度等可以避免出现这种情况。(c)烧结定义：粉末成型体在低于熔点的高温作用下，产生颗粒间的粘附，通过物质传递迁移，使成型坯体变成具有一定几何形状和性能，即有一定强度的致密体的过程，称为烧结。两个阶段：预烧——400-550℃，将有机溶剂、润滑剂和塑形剂烧掉。烧结：1500-1700℃1）常规烧结（是否出现液相）2.分类固相烧结：在烧结温度下基本上无液相出现的烧结，如高纯氧化物之间的烧结过程液相烧结：有液相参与下的烧结，如多组分物系在烧结温度下常有液相出现，45%。反应烧结热压烧结电火花烧结2）非常规烧结（特种烧结）等静压烧结活化烧结微波烧结烧结初期：坯体中颗粒重排，接触处产生键合，空隙变形、缩小（即大气孔消失），固-气总表面积没有变化。烧结中期：传质开始，粒界增大，空隙进一步变形、缩小，但仍然连通，形如隧道。烧结后期：传质继续进行，粒子长大，气孔变成孤立闭气孔，密度达到95%以上，制品强度提高。烧结过程可以分为三个阶段：烧结初期、中期和后期。粉状成型体的烧结过程示意图2.烧结过程的模型示意图烧结温度对烧结体性能的影响陶瓷制品在固相烧结过程中，密度与晶粒的变化是最基本的变化。随着烧结温度的升高，体积收缩率增加，1450℃到1500℃间坯体收缩较大，而超过了1500℃，曲线趋于平缓，收缩不大。经三点弯曲试验测试，1500℃烧结材料的抗弯强度为68550MPa，可以满足使用的强度要求。图6.7烧结温度对体积收缩率的影响Fig.6.7Influenceofsinteringtemperatureonvolumerate14401460148015001520154015609092949698100相对密度/%烧结温度/℃144014601480150015201540156046.547.047.548.0体积收缩率/%烧结温度/℃图6.6烧结温度对相对密度的影响Fig.6.6Influenceofsinteringtemperatureonrelativedensity烧结试样断口的扫描电镜照片(a)(c)(e)1450℃烧结1500℃烧结1550℃烧结