電子陶瓷-第四章

1、第四章第四章 電子瓷的表面及燒結(jié)后電子瓷的表面及燒結(jié)后的加工處理的加工處理本章主要講述下列內(nèi)容本章主要講述下列內(nèi)容 :電子陶瓷表面電子陶瓷表面表面加工表面加工電子瓷施釉電子瓷施釉 近代電子技術(shù)的發(fā)展，特別是在微波、大功率、超小近代電子技術(shù)的發(fā)展，特別是在微波、大功率、超小型化大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路、混合集成電路的發(fā)型化大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路、混合集成電路的發(fā)展對(duì)電子陶瓷提出了更高的要求展對(duì)電子陶瓷提出了更高的要求,要求如下：要求如下：(1)高的機(jī)械強(qiáng)度高的機(jī)械強(qiáng)度(2)平整光潔表面平整光潔表面(3)幾何尺寸準(zhǔn)確幾何尺寸準(zhǔn)確 (4)瓷件與金屬件或瓷件與瓷件間結(jié)瓷件與金屬件或瓷件與瓷件間結(jié)合合

2、 (5)陶瓷晶粒的定向排列陶瓷晶粒的定向排列4.1 電子瓷的表面電子瓷的表面電子瓷的表面電子瓷的表面: 主要指它的燒結(jié)表面，也叫自然表面主要指它的燒結(jié)表面，也叫自然表面 電子瓷的表面電子瓷的表面: 硬而脆，常壓下不具有任何塑性，陶硬而脆，常壓下不具有任何塑性，陶瓷質(zhì)點(diǎn)間具有很大的結(jié)合能（鍵能）瓷質(zhì)點(diǎn)間具有很大的結(jié)合能（鍵能） 原子間距大，表面能小原子間距大，表面能小 外力作用，晶面間開裂，外力作用，晶面間開裂，不可能作類似金屬晶體中不可能作類似金屬晶體中的塑性晶面滑移的塑性晶面滑移,而使機(jī)械而使機(jī)械加工困難加工困難1 陶瓷燒結(jié)體的表面狀況陶瓷燒結(jié)體的表面狀況 燒成瓷件燒成瓷件 可在光學(xué)顯微鏡下

3、觀察到晶粒及晶界等結(jié)構(gòu)可在光學(xué)顯微鏡下觀察到晶粒及晶界等結(jié)構(gòu)陶瓷無(wú)模燒結(jié)，為自然表面陶瓷無(wú)模燒結(jié)，為自然表面成型的坯體表面（成型方式）成型的坯體表面（成型方式）燒成過程表面晶粒定向及其生長(zhǎng)，及其高溫下表面燒成過程表面晶粒定向及其生長(zhǎng)，及其高溫下表面張力作用形成的氣張力作用形成的氣-固界面固界面1 m 以下以下 流延法成型，坯模朝有機(jī)膜載體的一面可流延法成型，坯模朝有機(jī)膜載體的一面可獲得光潔度高的坯體粉細(xì)，則坯體中堆積間隙小獲得光潔度高的坯體粉細(xì)，則坯體中堆積間隙小,光滑的光滑的有機(jī)薄膜表面，有助于流延漿料形成光滑的坯膜，而朝有機(jī)薄膜表面，有助于流延漿料形成光滑的坯膜，而朝刮刀的一面，光潔度較低

4、。刮刀的一面，光潔度較低。如晶面與瓷體表面基本一致或交角不大（如晶面與瓷體表面基本一致或交角不大（5-15 ），），則晶粒將保持平面生長(zhǎng)，但與瓷面成一定的傾斜角則晶粒將保持平面生長(zhǎng)，但與瓷面成一定的傾斜角 ，晶面與瓷面交角較大時(shí)（大于晶面與瓷面交角較大時(shí)（大于20 ）晶粒表面按階梯）晶粒表面按階梯狀生長(zhǎng)狀生長(zhǎng) ，夾角越大則棱線越密。，夾角越大則棱線越密。通常都出現(xiàn)不同程度的凹陷，粒界越厚，則凹痕越深通常都出現(xiàn)不同程度的凹陷，粒界越厚，則凹痕越深幾種氧化鋁瓷自然表面的實(shí)測(cè)粗糙度幾種氧化鋁瓷自然表面的實(shí)測(cè)粗糙度 （a）含玻璃相多，晶界）含玻璃相多，晶界寬，晶粒粗而高低不一，寬，晶粒粗而高低不一，圖

5、圖4-1 粗糙度粗糙度2.5 m； （b）含玻璃相較少的）含玻璃相較少的99.5% Al2O3瓷，晶界瓷，晶界密實(shí)，晶粒細(xì)小，粗糙密實(shí)，晶粒細(xì)小，粗糙度度0.08 m； （c）微晶氧化鋁瓷，粗）微晶氧化鋁瓷，粗糙度僅達(dá)糙度僅達(dá)0.030.06 m 2 陶瓷燒結(jié)體表面粗糙度的測(cè)量陶瓷燒結(jié)體表面粗糙度的測(cè)量（1）機(jī)械探針法，儀器為粗糙計(jì)）機(jī)械探針法，儀器為粗糙計(jì)(Roughness-meter)有三種方法：其一為在樣品中心（有三種方法：其一為在樣品中心（300mm2）處測(cè)量）處測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，找出其中所測(cè)個(gè)點(diǎn)，找出其中所測(cè)之最大高度之最大高度Rmax；其二為測(cè)量；其二為測(cè)量10個(gè)點(diǎn)的高度平均值個(gè)點(diǎn)的高

6、度平均值RZ；其三為測(cè)量中心；其三為測(cè)量中心線高度平均值線高度平均值RCLA，缺點(diǎn)為某些點(diǎn)或線，沒有直接反映面的特性，缺點(diǎn)為某些點(diǎn)或線，沒有直接反映面的特性 （2）光學(xué)測(cè)試法，光澤計(jì)法（）光學(xué)測(cè)試法，光澤計(jì)法（Glossmeter） 100/) (OSSSG測(cè)試原理：光源測(cè)試原理：光源2發(fā)出的光，經(jīng)透發(fā)出的光，經(jīng)透鏡變成平行光后，照射于待測(cè)樣品鏡變成平行光后，照射于待測(cè)樣品1的表面上，其反射光經(jīng)透鏡聚焦的表面上，其反射光經(jīng)透鏡聚焦后為檢測(cè)器后為檢測(cè)器3所收集。所收集。 照射面積隨入射角入射角而變，反射照射面積隨入射角入射角而變，反射光的強(qiáng)度與入射角也有關(guān)。光的強(qiáng)度與入射角也有關(guān)。 )(sG式中

7、，式中， 為相應(yīng)入射角為相應(yīng)入射角 的光澤度；的光澤度； 為待測(cè)樣品表面的反射光束光強(qiáng)；為待測(cè)樣品表面的反射光束光強(qiáng)； 為標(biāo)準(zhǔn)樣品表面的反射光束光強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)樣品表面的反射光束光強(qiáng) ，光，光澤度與粗糙度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。澤度與粗糙度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 oss3 對(duì)電子陶瓷光潔度的要求對(duì)電子陶瓷光潔度的要求 一般作為集成電路基片用陶瓷，對(duì)表面光潔度要求較高，一般作為集成電路基片用陶瓷，對(duì)表面光潔度要求較高，對(duì)厚膜電路，其膜厚對(duì)厚膜電路，其膜厚5 m，故其基片光潔度無(wú)特別要求，故其基片光潔度無(wú)特別要求，達(dá)到致密度即可，表面略有粗糙還可以增加膜層的附著力；達(dá)到致密度即可，表面略有粗糙還可以增加膜層的附著

8、力；對(duì)薄膜電路，其膜厚本身只約為對(duì)薄膜電路，其膜厚本身只約為1 m，必然對(duì)基片表面，必然對(duì)基片表面的光潔度有更高的要求；的光潔度有更高的要求；例如：要在表面蒸附電容的基片，則要求基片表面粗例如：要在表面蒸附電容的基片，則要求基片表面粗糙度低于糙度低于0.025 m，精燒陶瓷很難達(dá)到這一要求，精燒陶瓷很難達(dá)到這一要求4 影響電子瓷光潔度的主要因素影響電子瓷光潔度的主要因素（1）工藝上的影響因素）工藝上的影響因素原料組分原料組分 、料粉粗細(xì)、粒度分布、料粉粗細(xì)、粒度分布 、成型方法、成型方法 、燒成工藝、燒成工藝 、瓷體密度瓷體密度 、施釉、施釉 工藝和研磨拋光工藝和研磨拋光 （2）結(jié)構(gòu)上的主要因

9、素）結(jié)構(gòu)上的主要因素 晶粒大小、均勻程度、氣孔含量及孔徑、粒界中玻璃相的晶粒大小、均勻程度、氣孔含量及孔徑、粒界中玻璃相的含量、及其密實(shí)程度含量、及其密實(shí)程度 晶粒愈細(xì)，愈勻，則表面光潔度愈高；氣孔率愈低，氣孔晶粒愈細(xì)，愈勻，則表面光潔度愈高；氣孔率愈低，氣孔愈細(xì)愈好；晶粒中異相愈少，粒界密實(shí)、緊湊則好。光潔愈細(xì)愈好；晶粒中異相愈少，粒界密實(shí)、緊湊則好。光潔度高的陶瓷，顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)：晶粒均勻，晶界平直，晶面度高的陶瓷，顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)：晶粒均勻，晶界平直，晶面平整平整 （3）工藝措施）工藝措施工藝上：成分純，粉料要細(xì)而勻，粒徑配比要合理，坯體工藝上：成分純，粉料要細(xì)而勻，粒徑配比要合理，坯體致密，

10、忌升溫過快，過高，嚴(yán)格控制粒度，粒徑防止二次致密，忌升溫過快，過高，嚴(yán)格控制粒度，粒徑防止二次晶粒長(zhǎng)大晶粒長(zhǎng)大 應(yīng)用舉例：實(shí)際上薄膜電路基片主要用的電子陶瓷是應(yīng)用舉例：實(shí)際上薄膜電路基片主要用的電子陶瓷是BeO和和 Al2O3 。細(xì)氧化鋁瓷的工藝：加入細(xì)氧化鋁瓷的工藝：加入MgO燒結(jié)助劑燒結(jié)助劑（0.25wt%），形成），形成MgAl2O4阻止二次晶粒長(zhǎng)大，但由于陶阻止二次晶粒長(zhǎng)大，但由于陶瓷表面瓷表面MgO揮發(fā)，則表面缺少揮發(fā)，則表面缺少M(fèi)A，出現(xiàn)反常巨晶，再加入，出現(xiàn)反常巨晶，再加入0.01wt%Cr2O3，則晶粒大而均勻，晶界平直，表面平整，則晶粒大而均勻，晶界平直，表面平整，因因MgC

11、r2O4防止防止MgO揮發(fā)揮發(fā) 4.2 電子瓷的表面加工電子瓷的表面加工集成電路基片、微調(diào)電容器、微波窗口、微波諧振器、表面集成電路基片、微調(diào)電容器、微波窗口、微波諧振器、表面波器件、氣敏封接的接合口等電子陶瓷都需要表面加工波器件、氣敏封接的接合口等電子陶瓷都需要表面加工 加工有三種方法：機(jī)械研磨、化學(xué)處理、以及其他方法加工有三種方法：機(jī)械研磨、化學(xué)處理、以及其他方法1 電子瓷機(jī)械加工電子瓷機(jī)械加工機(jī)械加工過程：粗磨、細(xì)磨及拋光機(jī)械加工過程：粗磨、細(xì)磨及拋光由于電子瓷表面晶粒取向的隨機(jī)性，氣由于電子瓷表面晶粒取向的隨機(jī)性，氣-固表面不可能是固表面不可能是平整的平整的（a）粗磨：達(dá)到表面凹坑的最

12、大深度，磨蝕量在鑄鐵磨）粗磨：達(dá)到表面凹坑的最大深度，磨蝕量在鑄鐵磨盤上進(jìn)行，磨料粒徑盤上進(jìn)行，磨料粒徑250300m以下粗磨不足，則細(xì)以下粗磨不足，則細(xì)磨工作量加大，但粗磨也不能過量，摩擦發(fā)熱磨工作量加大，但粗磨也不能過量，摩擦發(fā)熱;水磨，水磨，水分有助于帶動(dòng)磨料，還有防塵，散熱作用，粗磨在鑄水分有助于帶動(dòng)磨料，還有防塵，散熱作用，粗磨在鑄鐵盤上進(jìn)行磨料粒徑小于鐵盤上進(jìn)行磨料粒徑小于250300，壓力不宜太大，壓力不宜太大，線速不宜過高線速不宜過高（b）細(xì)磨的目的是去掉粗磨留下的磨痕，磨料較細(xì)，常）細(xì)磨的目的是去掉粗磨留下的磨痕，磨料較細(xì)，常為為50100m左右，肉眼看不到磨痕為止，光潔度達(dá)

13、到左右，肉眼看不到磨痕為止，光潔度達(dá)到1m左右；左右；（c）拋光：是在鋪有細(xì)絨布的、快速旋轉(zhuǎn)的磨盤上進(jìn)行的，）拋光：是在鋪有細(xì)絨布的、快速旋轉(zhuǎn)的磨盤上進(jìn)行的，磨料為磨料為120m左右的膠態(tài)懸濁液，達(dá)到左右的膠態(tài)懸濁液，達(dá)到1%m，或更高。，或更高。晶粒越細(xì)，越均勻，粒界薄而密實(shí)的陶瓷，拋光效果也越晶粒越細(xì)，越均勻，粒界薄而密實(shí)的陶瓷，拋光效果也越佳佳 注意：對(duì)于粗粒、多孔或過燒產(chǎn)品永遠(yuǎn)達(dá)不到理想的拋光效果注意：對(duì)于粗粒、多孔或過燒產(chǎn)品永遠(yuǎn)達(dá)不到理想的拋光效果 為何粗粒瓷體不能通過研磨拋光獲得光潔面？為何粗粒瓷體不能通過研磨拋光獲得光潔面？研磨表面（虛線之下）的晶粒，分為研磨表面（虛線之下）的晶

14、粒，分為3中情況：中情況： 第一種第一種(A)晶粒大部分埋藏于瓷件中，表面只露出極少部分，晶粒大部分埋藏于瓷件中，表面只露出極少部分，晶粒牢靠；晶粒牢靠；第二種第二種(B)晶粒被磨掉一半，露出晶面，壓應(yīng)力大，有被剝落晶粒被磨掉一半，露出晶面，壓應(yīng)力大，有被剝落的可能性；的可能性； 第三種第三種(C)晶粒大部分不存在，剩下小部分被鑲嵌，細(xì)磨時(shí)易剝晶粒大部分不存在，剩下小部分被鑲嵌，細(xì)磨時(shí)易剝離離 2 化學(xué)處理化學(xué)處理集成電路用高鋁瓷，含有集成電路用高鋁瓷，含有MgO (0.2wt%) Cr2O3（0.03wt%），），Al2O3 （99.5wt%），），5%鹽酸水溶液鹽酸水溶液煮兩小時(shí)，清洗表面

15、，酸處理后表面平整，（表面組煮兩小時(shí)，清洗表面，酸處理后表面平整，（表面組織不夠理想，次表面有良好結(jié)構(gòu)，燒結(jié)過程中匯集于織不夠理想，次表面有良好結(jié)構(gòu)，燒結(jié)過程中匯集于表面一些堿或堿土金屬氧化物，酸處理后被除去，此表面一些堿或堿土金屬氧化物，酸處理后被除去，此點(diǎn)已被化學(xué)分析所證實(shí)）點(diǎn)已被化學(xué)分析所證實(shí)）3 其他加工方式其他加工方式收縮控制的不好，意外的形變，公差配合加工收縮控制的不好，意外的形變，公差配合加工 電子束加工（真空中）電子束加工（真空中） 激光加工無(wú)真空要求激光加工無(wú)真空要求4.3 電子瓷的施釉電子瓷的施釉定義：陶瓷施釉是指通過高溫方式，在瓷件的表面燒附一定義：陶瓷施釉是指通過高溫方

16、式，在瓷件的表面燒附一層玻璃狀物質(zhì)。使表面具有光亮、美觀、致密、不吸水、層玻璃狀物質(zhì)。使表面具有光亮、美觀、致密、不吸水、不透水以及化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)良性能的工藝措施。不透水以及化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)良性能的工藝措施。1 釉的功能釉的功能除定義中比較直觀的作用外，還有以下幾點(diǎn)：除定義中比較直觀的作用外，還有以下幾點(diǎn)： 提高瓷件機(jī)械強(qiáng)度與熱沖擊穩(wěn)定性（原因：釉彌合瓷件表面提高瓷件機(jī)械強(qiáng)度與熱沖擊穩(wěn)定性（原因：釉彌合瓷件表面的孔隙或裂紋，緩和導(dǎo)致強(qiáng)度喪失的突破口，抗張、抗彎或的孔隙或裂紋，緩和導(dǎo)致強(qiáng)度喪失的突破口，抗張、抗彎或抗沖擊，可提高抗沖擊，可提高4060%）; 可提高瓷件表面光潔度，光潔度可達(dá)可提高瓷件表

17、面光潔度，光潔度可達(dá)0.01 m，或更高，可滿，或更高，可滿足薄膜電路的要求（釉是一種玻璃體，高溫下產(chǎn)生液相的特足薄膜電路的要求（釉是一種玻璃體，高溫下產(chǎn)生液相的特性，表面力作用下，力求表面保持最小，故有平整的表面）性，表面力作用下，力求表面保持最小，故有平整的表面）; 施釉可以提高瓷件的表面放電強(qiáng)度（釉表面光滑，潔凈，不施釉可以提高瓷件的表面放電強(qiáng)度（釉表面光滑，潔凈，不易粘附贓污，塵埃，水分等物質(zhì)，有也較易清除，故其放電易粘附贓污，塵埃，水分等物質(zhì)，有也較易清除，故其放電電壓大為提高）電壓大為提高）; 釉可使瓷件防潮性能提高（釉層堵塞，填補(bǔ)或封閉瓷件開口釉可使瓷件防潮性能提高（釉層堵塞，填

18、補(bǔ)或封閉瓷件開口氣孔、裂紋，可降低瓷件的吸水性，或吸潮性，使瓷件在潮氣孔、裂紋，可降低瓷件的吸水性，或吸潮性，使瓷件在潮濕環(huán)境仍能保持高的介電與絕緣性能）濕環(huán)境仍能保持高的介電與絕緣性能）; 使瓷件具有一定的粘合能力（高溫作用下，釉層的作使瓷件具有一定的粘合能力（高溫作用下，釉層的作用能使瓷件與瓷件間，瓷件與金屬間形成牢靠的結(jié)合，用能使瓷件與瓷件間，瓷件與金屬間形成牢靠的結(jié)合，如集成電路管殼、底座、引線間的粘結(jié)，板式陶瓷電如集成電路管殼、底座、引線間的粘結(jié)，板式陶瓷電容器與支架間的粘接等）容器與支架間的粘接等）; 深色釉（棕釉、黑釉）可提高瓷件的輻射散熱能力。深色釉（棕釉、黑釉）可提高瓷件的輻

19、射散熱能力。2施釉工藝施釉工藝釉漿制備釉漿制備 涂釉涂釉 燒釉燒釉 釉漿制備釉漿制備 典型陶瓷漿料的制備（稀漿料，采用濕典型陶瓷漿料的制備（稀漿料，采用濕法球磨），有些需要預(yù)燒后再研磨法球磨），有些需要預(yù)燒后再研磨; 涂釉涂釉 浸蘸法，澆上法，刷涂法，噴灑法使工件被上浸蘸法，澆上法，刷涂法，噴灑法使工件被上一層厚薄均勻的漿釉一層厚薄均勻的漿釉 可涂于已燒好的瓷件上可涂于已燒好的瓷件上 直接涂于燒結(jié)前的坯體上（一次燒成）不需要涂釉直接涂于燒結(jié)前的坯體上（一次燒成）不需要涂釉處用石蠟遮蓋，防止釉漿粘附處用石蠟遮蓋，防止釉漿粘附 燒釉燒釉 待釉層充分干燥后待釉層充分干燥后 窯爐窯爐 高溫出現(xiàn)液相（化

20、學(xué)高溫出現(xiàn)液相（化學(xué)反應(yīng)，擴(kuò)散均化，與瓷件間形成一種牢固結(jié)合的過渡層。反應(yīng)，擴(kuò)散均化，與瓷件間形成一種牢固結(jié)合的過渡層。 燒釉溫度燒釉溫度T 反應(yīng)不充分，釉層不均勻，表面粗糙粘附不牢，反應(yīng)不充分，釉層不均勻，表面粗糙粘附不牢， （過高），液相過?。ㄟ^高），液相過?。?）釉層流失（流集），還可浸蝕瓷）釉層流失（流集），還可浸蝕瓷體。體。T322,OBSiO3 釉層成分與性能釉層成分與性能釉：裝飾釉，粘合釉，光潔釉。釉：裝飾釉，粘合釉，光潔釉。本書：提高基片表面光潔度以滿足薄膜電路要求的光潔本書：提高基片表面光潔度以滿足薄膜電路要求的光潔釉。釉。原則：電性優(yōu)異，流動(dòng)性好，不浸蝕基片，膨脹系數(shù)相原則：電性優(yōu)異，流動(dòng)性好，不浸蝕基片，膨脹系數(shù)相近。近。成分：能夠形成玻璃的。成分：能夠形成玻璃的。 形成劑：形成劑： 等等ONaOKCaOMgOZnOPbOBaOOAl2232, ,調(diào)節(jié)熱、電、化、機(jī)械、工藝性能：調(diào)節(jié)熱、電、化、機(jī)械、工藝性能： 32OAl天然