电子陶瓷-第四章

第四章电子瓷的表面及烧结后的加工处理本章主要讲述下列内容:电子陶瓷表面表面加工电子瓷施釉近代电子技术的发展，特别是在微波、大功率、超小型化大规模与超大规模集成电路、混合集成电路的发展对电子陶瓷提出了更高的要求,要求如下：(1)高的机械强度(2)平整光洁表面(3)几何尺寸准确(4)瓷件与金属件或瓷件与瓷件间结合(5)陶瓷晶粒的定向排列§4.1电子瓷的表面电子瓷的表面:主要指它的烧结表面，也叫自然表面

电子瓷的表面:硬而脆，常压下不具有任何塑性，陶瓷质点间具有很大的结合能（键能）原子间距大，表面能小

外力作用，晶面间开裂，不可能作类似金属晶体中的塑性晶面滑移,而使机械加工困难1陶瓷烧结体的表面状况烧成瓷件可在光学显微镜下观察到晶粒及晶界等结构陶瓷无模烧结，为自然表面成型的坯体表面（成型方式）烧成过程表面晶粒定向及其生长，及其高温下表面张力作用形成的气-固界面1m以下流延法成型，坯模朝有机膜载体的一面可获得光洁度高的坯体粉细，则坯体中堆积间隙小,光滑的有机薄膜表面，有助于流延浆料形成光滑的坯膜，而朝刮刀的一面，光洁度较低。如晶面与瓷体表面基本一致或交角不大（5-15），则晶粒将保持平面生长，但与瓷面成一定的倾斜角，晶面与瓷面交角较大时（大于20）晶粒表面按阶梯状生长，夹角越大则棱线越密。通常都出现不同程度的凹陷，粒界越厚，则凹痕越深几种氧化铝瓷自然表面的实测粗糙度

（a）含玻璃相多，晶界宽，晶粒粗而高低不一，图4-1粗糙度±2.5m；（b）含玻璃相较少的99.5%Al2O3瓷，晶界密实，晶粒细小，粗糙度±0.08m；（c）微晶氧化铝瓷，粗糙度仅达0.03~0.06m2陶瓷烧结体表面粗糙度的测量（1）机械探针法，仪器为粗糙计(Roughness-meter)有三种方法：其一为在样品中心（300mm2）处测量5个点，找出其中所测之最大高度Rmax；其二为测量10个点的高度平均值RZ；其三为测量中心线高度平均值RCLA，缺点为某些点或线，没有直接反映面的特性（2）光学测试法，光泽计法（Gloss—meter）测试原理：光源2发出的光，经透镜变成平行光后，照射于待测样品1的表面上，其反射光经透镜聚焦后为检测器3所收集。照射面积随入射角入射角而变，反射光的强度与入射角也有关。式中，为相应入射角的光泽度；为待测样品表面的反射光束光强；为标准样品表面的反射光束光强，光泽度与粗糙度有一定的对应关系。3对电子陶瓷光洁度的要求

一般作为集成电路基片用陶瓷，对表面光洁度要求较高，对厚膜电路，其膜厚5m，故其基片光洁度无特别要求，达到致密度即可，表面略有粗糙还可以增加膜层的附着力；对薄膜电路，其膜厚本身只约为1m，必然对基片表面的光洁度有更高的要求；例如：要在表面蒸附电容的基片，则要求基片表面粗糙度低于0.025m，精烧陶瓷很难达到这一要求4影响电子瓷光洁度的主要因素（1）工艺上的影响因素原料组分、料粉粗细、粒度分布、成型方法、烧成工艺、瓷体密度、施釉工艺和研磨抛光（2）结构上的主要因素

晶粒大小、均匀程度、气孔含量及孔径、粒界中玻璃相的含量、及其密实程度晶粒愈细，愈匀，则表面光洁度愈高；气孔率愈低，气孔愈细愈好；晶粒中异相愈少，粒界密实、紧凑则好。光洁度高的陶瓷，显微结构呈现：晶粒均匀，晶界平直，晶面平整

（3）工艺措施工艺上：成分纯，粉料要细而匀，粒径配比要合理，坯体致密，忌升温过快，过高，严格控制粒度，粒径防止二次晶粒长大应用举例：实际上薄膜电路基片主要用的电子陶瓷是BeO和Al2O3。细氧化铝瓷的工艺：加入MgO烧结助剂（0.25wt%），形成MgAl2O4阻止二次晶粒长大，但由于陶瓷表面MgO挥发，则表面缺少MA，出现反常巨晶，再加入0.01wt%Cr2O3，则晶粒大而均匀，晶界平直，表面平整，因MgCr2O4防止MgO挥发

§4.2电子瓷的表面加工集成电路基片、微调电容器、微波窗口、微波谐振器、表面波器件、气敏封接的接合口等电子陶瓷都需要表面加工加工有三种方法：机械研磨、化学处理、以及其他方法1电子瓷机械加工机械加工过程：粗磨、细磨及抛光由于电子瓷表面晶粒取向的随机性，气-固表面不可能是平整的（a）粗磨：达到表面凹坑的最大深度，磨蚀量在铸铁磨盘上进行，磨料粒径250~300μm以下粗磨不足，则细磨工作量加大，但粗磨也不能过量，摩擦发热;水磨，水分有助于带动磨料，还有防尘，散热作用，粗磨在铸铁盘上进行磨料粒径小于250~300μ，压力不宜太大，线速不宜过高（b）细磨的目的是去掉粗磨留下的磨痕，磨料较细，常为50~100μm左右，肉眼看不到磨痕为止，光洁度达到1μm左右；（c）抛光：是在铺有细绒布的、快速旋转的磨盘上进行的，磨料为1~20μm左右的胶态悬浊液，达到1%μm，或更高。晶粒越细，越均匀，粒界薄而密实的陶瓷，抛光效果也越佳

注意：对于粗粒、多孔或过烧产品永远达不到理想的抛光效果

为何粗粒瓷体不能通过研磨抛光获得光洁面？研磨表面（虚线之下）的晶粒，分为3中情况：

第一种(A)晶粒大部分埋藏于瓷件中，表面只露出极少部分，晶粒牢靠；第二种(B)晶粒被磨掉一半，露出晶面，压应力大，有被剥落的可能性；

第三种(C)晶粒大部分不存在，剩下小部分被镶嵌，细磨时易剥离2化学处理集成电路用高铝瓷，含有MgO(0.2wt%)Cr2O3（0.03wt%），Al2O3（99.5wt%），5%盐酸水溶液煮两小时，清洗表面，酸处理后表面平整，（表面组织不够理想，次表面有良好结构，烧结过程中汇集于表面一些碱或碱土金属氧化物，酸处理后被除去，此点已被化学分析所证实）3其他加工方式收缩控制的不好，意外的形变，公差配合加工

电子束加工（真空中）激光加工无真空要求§4.3电子瓷的施釉定义：陶瓷施釉是指通过高温方式，在瓷件的表面烧附一层玻璃状物质。使表面具有光亮、美观、致密、不吸水、不透水以及化学稳定等优良性能的工艺措施。1釉的功能除定义中比较直观的作用外，还有以下几点：提高瓷件机械强度与热冲击稳定性（原因：釉弥合瓷件表面的孔隙或裂纹，缓和导致强度丧失的突破口，抗张、抗弯或抗冲击，可提高40~60%）;可提高瓷件表面光洁度，光洁度可达0.01m，或更高，可满足薄膜电路的要求（釉是一种玻璃体，高温下产生液相的特性，表面力作用下，力求表面保持最小，故有平整的表面）;施釉可以提高瓷件的表面放电强度（釉表面光滑，洁净，不易粘附赃污，尘埃，水分等物质，有也较易清除，故其放电电压大为提高）;釉可使瓷件防潮性能提高（釉层堵塞，填补或封闭瓷件开口气孔、裂纹，可降低瓷件的吸水性，或吸潮性，使瓷件在潮湿环境仍能保持高的介电与绝缘性能）;使瓷件具有一定的粘合能力（高温作用下，釉层的作用能使瓷件与瓷件间，瓷件与金属间形成牢靠的结合，如集成电路管壳、底座、引线间的粘结，板式陶瓷电容器与支架间的粘接等）;深色釉（棕釉、黑釉）可提高瓷件的辐射散热能力。2施釉工艺釉浆制备涂釉烧釉釉浆制备典型陶瓷浆料的制备（稀浆料，采用湿法球磨），有些需要预烧后再研磨;涂釉浸蘸法，浇上法，刷涂法，喷洒法使工件被上一层厚薄均匀的浆釉可涂于已烧好的瓷件上直接涂于烧结前的坯体上（一次烧成）不需要涂釉处用石蜡遮盖，防止釉浆粘附烧釉待釉层充分干燥后窑炉高温出现液相（化学反应，扩散均化，与瓷件间形成一种牢固结合的过渡层。烧釉温度T反应不充分，釉层不均匀，表面粗糙粘附不牢，（过高），液相过稀（）釉层流失（流集），还可浸蚀瓷体。3釉层成分与性能釉：装饰釉，粘合釉，光洁釉。本书：提高基片表面光洁度以满足薄膜电路要求的光洁釉。原则：电性优异，流动性好，不浸蚀基片，膨胀系数相近。成分：能够形成玻璃的。形成剂：等调节热、电、化、机械、工艺性能：

天然矿石，长石，粘土，石英，杂质多，在电子瓷中少用

薄膜电路基片用釉成分，瓷用釉50.05.00玻璃形成剂熔点高

熔点低水解,稳定性差,量应少6.0025.01.7510.01.601.65防止碱离子活动，中间体降低熔点，绝缘电阻介电损耗化学稳定性，改善体4釉烧过程与釉层结构釉烧温度由成分中低熔点物