1絕緣陶瓷

2.1精密絕緣陶瓷在近代電子技術(shù)中的作用2.2絕緣陶瓷的性能與特征2.3常用絕緣陶瓷材料及其性能2.4絕緣陶瓷的應(yīng)用22.1精密絕緣陶瓷在近代電子技術(shù)中的作用

絕緣材料在電氣電路或電子電路中所起的作用主要是根據(jù)電路設(shè)計要求將導(dǎo)體物理隔離，以防電流在它們之間流動而破壞電路的正常運行。3即，電子技術(shù)中首先要求絕緣材料不導(dǎo)電，即要求電阻率盡量高，絕緣強(qiáng)度也盡量高。此外，絕緣材料還起著導(dǎo)體的機(jī)械支持、散熱及電路環(huán)境保護(hù)等作用。一般將能起上述作用的陶瓷稱為絕緣陶瓷。4

絕緣陶瓷可分為氧化物絕緣陶瓷和非氧化物絕緣陶瓷兩大系列；無論是哪種系列的絕緣陶瓷，要成為一種優(yōu)異的絕緣陶瓷，它必須具備如下性能：

體積電阻率(

)>=1012

·cm

相對介電常數(shù)(

r)<=30

損耗因子(tg

)<=0.001

介電強(qiáng)度(DS)>=5.0kV/mm5

除上述性能外，絕緣陶瓷還應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性、與導(dǎo)體材料盡可能一致的熱膨脹性、耐熱性、高強(qiáng)性及化學(xué)穩(wěn)定性等。6高壓陶瓷絕緣子作為一種傳統(tǒng)的絕緣陶瓷已有100多年的歷史。而精密絕緣陶瓷與高壓陶瓷絕緣子相比，則是后起之秀，它在近代電子技術(shù)中所起的作用是前者無法比擬的。7比如，在眾多的家用電器，如收錄機(jī)、彩色電視機(jī)和錄像機(jī)中，在一般的集成電路(IC)，大規(guī)模集成電路(LSI)和超大規(guī)模集成電路(VLSI)中，在大型電子計算機(jī)等高技術(shù)產(chǎn)品中，甚至在航空、航天等尖端科技領(lǐng)域中，精密絕緣陶瓷已較大量使用。8在當(dāng)今世界上，每年要制造數(shù)百億件質(zhì)量相當(dāng)高的集成電路，其中約20％要采用精密絕緣陶瓷基片。在計算機(jī)集成電路中采用多層絕緣陶瓷基片與封裝材料可以使高速計算機(jī)的工作效率翻番，其價值超過了陶瓷自身所具價值的成千上萬倍。正因為精密絕緣陶瓷對各種電子裝置運行性能的改善有如此巨大的功效，所以對它們的研究開發(fā)尤為必要。92.2絕緣陶瓷的性能與特征

2.2.1離子導(dǎo)電和絕緣性

2.2.2陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性

102.2.1離子導(dǎo)電和絕緣性應(yīng)用固體能帶理論，可以成功地解釋固體的絕緣性、半導(dǎo)性和導(dǎo)電性。固體能帶中那些被電子完全占滿的叫滿帶，未被電子占據(jù)的叫導(dǎo)帶，滿帶和導(dǎo)帶之間的距離稱之為禁帶寬度。11如果禁帶寬度足夠大(在幾個電子伏特以上)，滿帶的電子就難以被激發(fā)而超越禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，也即認(rèn)為電子幾乎無法遷移，那么固體便成為典型的絕緣體。實際上，這種理想的絕緣體只有在絕對零度時才能獲得。12如果外界條件有所變化，例如溫度升高或者受到光照時，由于熱激發(fā)，滿帶中的部分電子就可能被激發(fā)而躍遷到導(dǎo)帶，從而使導(dǎo)電成為可能。因此，在高溫時，絕緣體的相對導(dǎo)電性相似于半導(dǎo)體，只不過絕緣體的禁帶寬度比半導(dǎo)體大(絕緣體的禁帶寬度約4-5ev,而半導(dǎo)體約為1ev左右)。13由于絕緣體有很大的禁帶寬度，而激發(fā)電子需很大的能量；因此，在室溫附近，實際上可認(rèn)為電子幾乎不遷移。14很多絕緣陶瓷是典型的離子晶體或共價晶體。在這種情況下，對具有足夠?qū)挾冉麕^(qū)的絕緣陶瓷而言，固體中的另一種導(dǎo)電機(jī)理----離子導(dǎo)電就變得十分重要了。它主要是通過離子擴(kuò)散而發(fā)生的電導(dǎo)行為。15可知，離子電導(dǎo)率隨溫度的升高呈指數(shù)增加。ln

i

常數(shù)－E/kT由下式16

離子電荷和擴(kuò)散系數(shù)影響離子導(dǎo)電，擴(kuò)散系數(shù)又與晶格缺陷及穿越缺陷的離子的電荷及其大小有關(guān)。通常情況下，電荷及體積越小的離子越易擴(kuò)散，其激活能的數(shù)值也越小。

i=nq{q[Aexp(-E/kT)]/kT}17因此，在絕緣陶瓷中應(yīng)盡可能避免堿金屬離子的存在(尤其是鈉離子)，因為這些離子可形成相當(dāng)強(qiáng)烈的電導(dǎo)，使材料的絕緣性能劣化。182.2.2陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性一般而言，絕緣陶瓷是粉體原料經(jīng)過成型和燒結(jié)而得到的多相多晶材料。

陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)主要可分為基質(zhì)、晶粒和氣孔三部分。19通常氣孔和晶粒的絕緣性能好，而基質(zhì)往往在高溫下顯示較大的導(dǎo)電性。由于基質(zhì)部分雜質(zhì)濃度較高，在組織上又是連續(xù)相，所以陶瓷的絕緣性容易受基質(zhì)相的影響。20設(shè)基質(zhì)部分的電導(dǎo)率為

m，晶粒的電導(dǎo)率為

c，則總的電導(dǎo)率(

)可用下式表示：式中，

----晶粒的體積分?jǐn)?shù)；

kc----晶粒的形狀系數(shù)。21固體內(nèi)部存在的氣孔對絕緣性能的破壞不大，但當(dāng)表面存在氣孔時，因易吸水和被污染將使表面絕緣性顯著劣化。因此，原則上絕緣陶瓷應(yīng)選擇氣孔少、沒有吸水性的致密材料，并根據(jù)使用情況的不同在其表面上釉以防止污染和吸潮。

22通常情況下，材料的絕緣性與材料的純度、材料中雜質(zhì)含量的多少有關(guān)。材料純度越高，雜質(zhì)含量越少，則它們的絕緣性能就越好。這是因為絕緣陶瓷中若有雜質(zhì)引入，則會像摻雜半導(dǎo)體那樣，在禁帶中產(chǎn)生雜質(zhì)能級，從而使電荷載流子增加，電阻率下降，結(jié)果使絕緣強(qiáng)度下降。232.3常用絕緣陶瓷材料及其性能絕緣陶瓷材料按化學(xué)組成可分為氧化物系和非氧化物系兩大類。

氧化物系絕緣陶瓷已得到廣泛應(yīng)用，而非氧化物系絕緣陶瓷是70年代才發(fā)展起來的，24目前應(yīng)用的主要有氮化物陶瓷，如Si3N4、BN、AlN等。除多晶陶瓷外，近年來又發(fā)展了單晶絕緣陶瓷，如人工合成云母、人造藍(lán)寶石、尖晶石、氧化鈹及石英等。

25某些重要的絕緣陶瓷材料的介電性能列于下表絕緣陶瓷的介電性能262.4絕緣陶瓷的應(yīng)用

絕緣陶瓷，不論是具有幾干年歷史的以粘土為代表的古老陶瓷材料，還是最近幾年才達(dá)到實用化的各種精細(xì)陶瓷材料，均共存于當(dāng)今的人類生活中。

絕緣陶瓷的工業(yè)應(yīng)用歷史較早，在1850年左右，陶瓷絕緣子作為電絕緣器材，使用于鐵路通信線路。271880年美國在電力輸電線路中開始使用陶瓷絕緣子，目前，已能制造出耐壓500kV以上的超高壓輸電用高性能陶瓷絕緣子。隨之，汽車陶瓷火花塞付諸應(yīng)用，這是一種需求量極大的絕緣陶瓷。28隨著電子工業(yè)的發(fā)展，集成電路、大規(guī)模集成電路以及超大規(guī)模集成電路相繼問世，這類電路需要絕緣性能、導(dǎo)熱性能、熱膨脹匹配性能、高頻性能及快速響應(yīng)性能等一系列性能優(yōu)良的絕緣陶瓷作為電路的基片與封裝材料。于是，高性能的A12O3瓷和BeO瓷作為精密絕緣陶瓷而被大量使用在這類電路中，且性能與生產(chǎn)工藝不斷得以改進(jìn)。29由于電路設(shè)計者一直致力于高集成度、高信號速度的電路設(shè)計與制造，例如在一塊小小的硅片上安放37,000,000個晶體管。對于如此高密度的集成電路，其散熱及熱控制勢必成為確保此類電路可靠性的重要因素。于是，近10年來，高絕緣、高熱導(dǎo)的SiC瓷與AlN瓷被研究與開發(fā)。30

集成電路是一種把大量微型晶體管電路元件組裝在一塊基片上所構(gòu)成的超小型、高密度的電路，這類電路通常要封裝在集成電路的管殼之內(nèi)。這種高質(zhì)量的基片和管殼一般是由精密絕緣陶瓷制成的。目前，應(yīng)用較成熟的基片材料和管殼材料是氧化鋁陶瓷。31在氧化鋁陶瓷基片上，用絲網(wǎng)印刷方法形成1—50um的厚膜，或用真空蒸鍍方法形成0.005~0.5um的薄膜。利用這些膜作微細(xì)布線而制成高密度電路，適于高頻大功率電路和高集成度的電路使用。將多層基片利用金屬化覆層制成復(fù)雜布線，封裝在氧化鋁陶瓷管殼中，可制成超小型、高密度化和高可靠性的集成電路。32無論厚膜基片還是薄膜基片，均應(yīng)具有優(yōu)異的絕緣性、導(dǎo)熱性、熱匹配性；同時，基片與膜的結(jié)合性能應(yīng)該良好，基片應(yīng)能承受膜的燒結(jié)溫度及電路制造過程中的熱沖擊。33此外，基片的表面應(yīng)具備足夠的粗糙度，以確保膜在基片上的形成及其結(jié)合強(qiáng)度。由于基片中所含的雜質(zhì)對其絕緣性與膜的結(jié)合均有不利影響，因此應(yīng)嚴(yán)格控制陶瓷基片原料中的雜質(zhì)含量，并防止在制造過程中引入雜質(zhì)。34由于氧化鋁陶瓷具有良好的電絕緣性、化學(xué)耐久性及較高的機(jī)