绝缘陶瓷完整版本

1绝缘陶瓷

2.1精密绝缘陶瓷在近代电子技术中的作用2.2绝缘陶瓷的性能与特征2.3常用绝缘陶瓷材料及其性能2.4绝缘陶瓷的应用22.1精密绝缘陶瓷在近代电子技术中的作用

绝缘材料在电气电路或电子电路中所起的作用主要是根据电路设计要求将导体物理隔离，以防电流在它们之间流动而破坏电路的正常运行。3即，电子技术中首先要求绝缘材料不导电，即要求电阻率尽量高，绝缘强度也尽量高。此外，绝缘材料还起着导体的机械支持、散热及电路环境保护等作用。一般将能起上述作用的陶瓷称为绝缘陶瓷。4

绝缘陶瓷可分为氧化物绝缘陶瓷和非氧化物绝缘陶瓷两大系列；无论是哪种系列的绝缘陶瓷，要成为一种优异的绝缘陶瓷，它必须具备如下性能：

体积电阻率(

)>=1012

·cm

相对介电常数(

r)<=30

损耗因子(tg

)<=0.001

介电强度(DS)>=5.0kV/mm5

除上述性能外，绝缘陶瓷还应具有良好的导热性、与导体材料尽可能一致的热膨胀性、耐热性、高强性及化学稳定性等。6高压陶瓷绝缘子作为一种传统的绝缘陶瓷已有100多年的历史。而精密绝缘陶瓷与高压陶瓷绝缘子相比，则是后起之秀，它在近代电子技术中所起的作用是前者无法比拟的。7比如，在众多的家用电器，如收录机、彩色电视机和录像机中，在一般的集成电路(IC)，大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)中，在大型电子计算机等高技术产品中，甚至在航空、航天等尖端科技领域中，精密绝缘陶瓷已较大量使用。8在当今世界上，每年要制造数百亿件质量相当高的集成电路，其中约20％要采用精密绝缘陶瓷基片。在计算机集成电路中采用多层绝缘陶瓷基片与封装材料可以使高速计算机的工作效率翻番，其价值超过了陶瓷自身所具价值的成千上万倍。正因为精密绝缘陶瓷对各种电子装置运行性能的改善有如此巨大的功效，所以对它们的研究开发尤为必要。92.2绝缘陶瓷的性能与特征

2.2.1离子导电和绝缘性

2.2.2陶瓷的微观结构与绝缘性

102.2.1离子导电和绝缘性应用固体能带理论，可以成功地解释固体的绝缘性、半导性和导电性。固体能带中那些被电子完全占满的叫满带，未被电子占据的叫导带，满带和导带之间的距离称之为禁带宽度。11如果禁带宽度足够大(在几个电子伏特以上)，满带的电子就难以被激发而超越禁带进入导带，也即认为电子几乎无法迁移，那么固体便成为典型的绝缘体。实际上，这种理想的绝缘体只有在绝对零度时才能获得。12如果外界条件有所变化，例如温度升高或者受到光照时，由于热激发，满带中的部分电子就可能被激发而跃迁到导带，从而使导电成为可能。因此，在高温时，绝缘体的相对导电性相似于半导体，只不过绝缘体的禁带宽度比半导体大(绝缘体的禁带宽度约4-5ev,而半导体约为1ev左右)。13由于绝缘体有很大的禁带宽度，而激发电子需很大的能量；因此，在室温附近，实际上可认为电子几乎不迁移。14很多绝缘陶瓷是典型的离子晶体或共价晶体。在这种情况下，对具有足够宽度禁带区的绝缘陶瓷而言，固体中的另一种导电机理----离子导电就变得十分重要了。它主要是通过离子扩散而发生的电导行为。15可知，离子电导率随温度的升高呈指数增加。ln

i

常数－E/kT由下式16

离子电荷和扩散系数影响离子导电，扩散系数又与晶格缺陷及穿越缺陷的离子的电荷及其大小有关。通常情况下，电荷及体积越小的离子越易扩散，其激活能的数值也越小。

i=nq{q[Aexp(-E/kT)]/kT}17因此，在绝缘陶瓷中应尽可能避免碱金属离子的存在(尤其是钠离子)，因为这些离子可形成相当强烈的电导，使材料的绝缘性能劣化。182.2.2陶瓷的微观结构与绝缘性一般而言，绝缘陶瓷是粉体原料经过成型和烧结而得到的多相多晶材料。

陶瓷的微观结构主要可分为基质、晶粒和气孔三部分。19通常气孔和晶粒的绝缘性能好，而基质往往在高温下显示较大的导电性。由于基质部分杂质浓度较高，在组织上又是连续相，所以陶瓷的绝缘性容易受基质相的影响。20设基质部分的电导率为

m，晶粒的电导率为

c，则总的电导率(

)可用下式表示：式中，

----晶粒的体积分数；

kc----晶粒的形状系数。21固体内部存在的气孔对绝缘性能的破坏不大，但当表面存在气孔时，因易吸水和被污染将使表面绝缘性显著劣化。因此，原则上绝缘陶瓷应选择气孔少、没有吸水性的致密材料，并根据使用情况的不同在其表面上釉以防止污染和吸潮。

22通常情况下，材料的绝缘性与材料的纯度、材料中杂质含量的多少有关。材料纯度越高，杂质含量越少，则它们的绝缘性能就越好。这是因为绝缘陶瓷中若有杂质引入，则会像掺杂半导体那样，在禁带中产生杂质能级，从而使电荷载流子增加，电阻率下降，结果使绝缘强度下降。232.3常用绝缘陶瓷材料及其性能绝缘陶瓷材料按化学组成可分为氧化物系和非氧化物系两大类。

氧化物系绝缘陶瓷已得到广泛应用，而非氧化物系绝缘陶瓷是70年代才发展起来的，24目前应用的主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、AlN等。除多晶陶瓷外，近年来又发展了单晶绝缘陶瓷，如人工合成云母、人造蓝宝石、尖晶石、氧化铍及石英等。

25某些重要的绝缘陶瓷材料的介电性能列于下表绝缘陶瓷的介电性能262.4绝缘陶瓷的应用

绝缘陶瓷，不论是具有几干年历史的以粘土为代表的古老陶瓷材料，还是最近几年才达到实用化的各种精细陶瓷材料，均共存于当今的人类生活中。

绝缘陶瓷的工业应用历史较早，在1850年左右，陶瓷绝缘子作为电绝缘器材，使用于铁路通信线路。271880年美国在电力输电线路中开始使用陶瓷绝缘子，目前，已能制造出耐压500kV以上的超高压输电用高性能陶瓷绝缘子。随之，汽车陶瓷火花塞付诸应用，这是一种需求量极大的绝缘陶瓷。28随着电子工业的发展，集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要绝缘性能、导热性能、热膨胀匹配性能、高频性能及快速响应性能等一系列性能优良的绝缘陶瓷作为电路的基片与封装材料。于是，高性能的A12O3瓷和BeO瓷作为精密绝缘陶瓷而被大量使用在这类电路中，且性能与生产工艺不断得以改进。29由于电路设计者一直致力于高集成度、高信号速度的电路设计与制造，例如在一块小小的硅片上安放37,000,000个晶体管。对于如此高密度的集成电路，其散热及热控制势必成为确保此类电路可靠性的重要因素。于是，近10年来，高绝缘、高热导的SiC瓷与AlN瓷被研究与开发。30

集成电路是一种把大量微型晶体管电路元件组装在一块基片上所构成的超小型、高密度的电路，这类电路通常要封装在集成电路的管壳之内。这种高质量的基片和管壳一般是由精密绝缘陶瓷制成的。目前，应用较成熟的基片材料和管壳材料是氧化铝陶瓷。31在氧化铝陶瓷基片上，用丝网印刷方法形成1—50um的厚膜，或用真空蒸镀方法形成0.005~0.5um的薄膜。利用这些膜作微细布线而制成高密度电路，适于高频大功率电路和高集成度的电路使用。将多层基片利用金属化覆层制成复杂布线，封装在氧化铝陶瓷管壳中，可制成超小型、高密度化和高可靠性的集成电路。32无论厚膜基片还是薄膜基片，均应具有优异的绝缘性、导热性、热匹配性；同时，基片与膜的结合性能应该良好，基片应能承受膜的烧结温度及电路制造过程中的热冲击。33此外，基片的表面应具备足够的粗糙度，以确保膜在基片上的形成及其结合强度。由于基片中所含的杂质对其绝缘性与膜的结合均有不利影响，因此应严格控制陶瓷基片原料中的杂质含量，并防止在制造过程中引入杂质。34由于氧化铝陶瓷具有良好的电绝缘性、化学耐久性及较高的机