1.性質
電絕緣陶瓷主要用於電子設備中安裝、固定、支撐、保護、絕緣、隔離以及連接各種無線電零件和器件。應具備以下性質:
(1)高的體積電阻率(室溫下,大於1012Ω·m)和高的介電強度(大於104kv/m),以減少漏導損耗和承受較高的電壓;
(2)介電常數小(常小於9),可以減少不必要的電容分布值,避免在線路中產生惡劣的影響,從而保證整機的質量;
(3)高頻電場下的介電損耗要小(tanδ一般在2×10-4~9×10-3範圍內);
(4)力學強度要高,通常彎曲強度為45~300兆帕,抗壓強度為400~2000兆帕;
(5)良好的化學穩定性,能耐風化、耐水、耐化學腐蝕。
除上述要求外,有時還要求具有耐機械力衝擊和熱衝擊的性能。作為集成電路的基片材料,還要求高熱導率、合適的熱膨脹係數,平整、細表麵粗糙度及易鍍膜或易表麵金屬化。
電絕緣陶瓷材料按化學組成分為氧化物係和非氧化物係兩大類,氧化物係主要有Al2O3和MgO 等電絕緣陶瓷;非氧化物係主要有氮化物陶瓷,如Si3N4、BN、AlN 等。除了上述多晶陶瓷外,近年來又發展了單晶電絕緣陶瓷,如人工合成雲母、人造藍寶石、尖晶石、氧化鈹及石英等。
目前國內外主要采用Al2O3陶瓷作為集成電路基板材料。金剛石和立方氮化硼(BN)作為高熱導材料用於半導體基板和封裝時優於其他材料,但價格高,大量生產還有若幹技術問題有待解決。此外,SiC 和BeO 也是較理想的材料,但前者燒結困難,後者在生產過程中會產生毒害。氮化鋁(AlN)作為高導熱材料也具有巨大潛力,可以取代BeO、SiC,甚至部分取代Al2O3。因為AlN 陶瓷熱導率雖比BeO 和SiC 陶瓷略低,但比Al2O3陶瓷約高8~10倍,體積電阻率、擊穿強度、介電損耗等電氣性能可與Al2O3陶瓷媲美,且介電常數較低,力學強度較高,可進行多層布線,是很有發展前途的基板材料。
2.製備特點
電絕緣陶瓷生產的主要特點是通過一定的工藝措施控製體積電阻率和介電損耗。
(1)選擇體積電阻率高、結構緊密的晶體材料為主晶相。
(2)嚴格控製配方,避免雜質離子,尤其是堿金屬或堿土金屬離子的引入。在必須引入金屬離子時,要盡量減少玻璃相的含量。若為改善工藝性能引入較多玻璃時,應采用中和效應和壓抑效應,應盡量控製玻璃相數量,降低材料中玻璃相的導電率。
(3)在改善主晶相性質時,盡量避免產生缺位固溶體或填隙固溶體,最好形成連續固溶體,可避免損耗顯著增大。
(4)避免引入變價金屬離子,如鈦、鐵、鈷等離子,以免產生自由離子和空穴,引起電子式導電,使電性能惡化。當材料中已引入了產生自由電子(或空穴)的離子時,可引入另一種產生空穴(或自由電子)的不等價雜質離子,以消除自由電子和空穴,提高體積電阻率,這種方法稱為雜質補償。
(5)防止產生多晶轉換,因多晶轉變時晶格缺陷多,電性能下降,損耗增多。