文档介绍：第五章功能材料
第一节绝缘陶瓷
集成电路基片陶瓷和封装陶瓷:
一、概述
半导体、导体甚至超导体
大多数陶瓷
绝缘体
少数
早期的绝缘子
长石瓷
后来的绝缘子:
微电子、通讯技术
高频微波领域的绝缘材料:
滑石瓷、镁橄榄石瓷、莫来石瓷、及刚玉瓷等
要求绝缘性好、而且气密性、导热性等也要优良
目的:电气(电气)绝缘
高铝瓷(绝缘性较好)
高频下具有低的介电常数、介电损耗小
二、绝缘陶瓷的绝缘性
陶瓷的载流子:主要是离子、可能存在少量弱束缚电子脱阱导电
绝缘陶瓷的禁带宽,常温下价电子几乎不能被热激发到导带、参与导电
绝缘陶瓷的导电形式:主要是离子扩散导电
荷电量小、体积小的杂质弱束缚离子,激活能小、易于扩散
应避免此类离子的存在
降低陶瓷绝缘性的主要原因
碱金属离子: 等
离子电导率:
离子数密度
离子电荷
离子迁移率
与扩散系数的关系:
频率常数
扩散活化能
离子电导率随温度升高几乎呈指数增加
陶瓷绝缘性主要取决于晶界相
陶瓷绝缘性除与本身的基本组成有关外,还与其显微结构有关:
显微结构:晶相、晶界(非晶相)和气孔组成
晶界相:通常连续贯通、杂质浓度高的玻璃相
绝缘性差
晶粒和气孔:绝缘性好
提高绝缘性:晶界相应尽量由 Si, B, Al 氧化物的玻璃相
组成、避免碱金属离子的存在;减少表面气孔
(吸附水或被污染、降低表面绝缘性)
绝缘陶瓷的电导:
三、常用的绝缘陶瓷材料
长石瓷、高铝瓷、滑石瓷、镁橄榄石瓷、堇青石瓷
绝缘材料的分类
按用途:工频用、高频用、耐热用等
按化学组成:氧化物和非氧化物
常用的氧化物绝缘陶瓷:
(一)云母长石瓷
1、云母瓷
配方:天然瓷石粘土(适当的比例)
+
高温烧结生成
天然瓷石中的绢云母是一种含水的钾云母
熔剂
分子式:
单斜晶系:
钾云母:
安徽
熔点?
粘土:含水铝硅酸盐的混合体,有高岭石类和蒙脱石类
高岭石分子式:
通常组成:
蒙脱石分子式:
结晶水
2、长石瓷
配料:长石(20%~30%) 石英(20%~30%)
粘土(40%~50%)
+
+
长石:碱金属或碱土金属的铝硅酸盐
高温烧结时长石起熔剂作用
长石矿物由简单长石组成:
钠长石:
钾长石:
钙长石:
钡长石:
石英:结晶状二氧化硅的通称、
石英原料中SiO2含量在95%以上
云母瓷和长石瓷组织(组员)相近:
由莫来石和石英晶相、玻璃相及少量气孔组成
莫来石: 斜方晶系
普通电瓷、耐压较低、用于低压绝缘器件
云母瓷、长石瓷
如、绝缘子、绝缘管、电阻瓷等
制作简单、成本低
(二)滑石瓷、镁橄榄石瓷和堇青石瓷
1、滑石瓷
配料:天然滑石(主要原料) 粘土碳酸钡等
+
+
天然滑石:
辅助成型塑性原料
量少、改善烧结温度
顽辉石:
高温烧结生成顽辉石主晶相和玻璃相
控制顽辉石晶粒粒度;形成足够玻璃相将其包裹起来;
滑石瓷特性:介电损耗小、适于高频应用(加工方便、成本低)
缺点:易老化或粉化、烧结温度范围窄
防老化、粉化的措施:
加入与顽辉石形成固溶体、烧结后快速冷却
2、镁橄榄石瓷
配料:天然滑石(主要原料) 碳酸镁
+
镁橄榄石:
高温烧结生成镁橄榄石主晶相和玻璃相
镁橄榄石瓷特性:高频绝缘性能较好、但热膨胀系数较大
降低热膨胀系数的方法:在组成中生成一定量低膨胀系数的
锆英石、堇青石、或莫来石相等
堇青石:
莫来石:
斜方晶系
斜方晶系:
锆英石:ZrSiO4, 含ZrO2 %,SiO2 %;四方晶系
堇青石质瓷特性:热膨胀系数小、可制具有
3、堇青石瓷
配料:滑石粘土长石氧化铝
+
+
+
长石:碱金属或碱土金属的铝硅酸盐
滑石:
粘土通常组成:
高温烧结生成的主晶相:
堇青石
用于耐电弧作用的电绝缘体、加热器底板等
耐热冲击性、电绝缘性良好的陶瓷
其中的钾作为熔剂、改善烧结特性