第三章陶瓷基板(一)

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增塑剂作用：

在流延成型中，为了使成型的流延膜具有一定的 柔韧性，必须使用适量的增塑剂，通常是分子量 较低、不易挥发的化合物； 增塑剂降低粘结剂的玻璃化温度Tg，使其达到 室温或室温以下，从而确保粘结剂在室温时具有 好的流动性和不发生凝结。 增塑剂对粉体颗粒起润滑和桥联作用，有利于浆 料的分散稳定，但加入增塑剂会使素胚膜的强度 降低。
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玻璃与氧化物混合系特点：

玻璃系和氧化微系特征的组合； 为了降低烧成温度，同时保证较高的 结合力。
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（2）薄膜法

采用真空空蒸镀、离子镀、溅射镀膜等真空镀 膜法； 金属膜与陶瓷基板的热膨胀系数尽量一致；


提高金属化层的附着力。
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一般选用具有充分的反应性、结合力强的IVB族金属 Ti、Zr，及 VIB族金属Cr、Mo、W等； 上层金属: Cu、Au、Ag，电导率高，不易氧化，延展 性好，可以缓解热膨胀系数不匹配导致的热应力。
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（3）共烧法

在烧成前的陶瓷生片上，丝网印刷Mo、W等 难熔金属的厚膜浆料，一起脱脂烧成，使陶瓷 与导体金属烧成为一体结构；

适用于多层板的制造。
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共烧法特点：

可以形成微细的电路布线，容易实现多层 化，从而实现高密度布线； 绝缘体与导体制成一体化结构，可以实现 气密封装； 通过成分、成形压力、烧结温度的选择可 以控制烧结收缩率。




要有较低的塑性转变温度，以确保在室温下 不发生凝结;
考虑所用基板材料的性质，不相粘结和易于 分离。
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粘结剂分类:


按官能团类型：非离 子、阴离子和阳离子；
在流延工艺中使用最多的是阴离子与非离子型的 粘结剂，主要分为乙烯基或丙烯基； 在非水基浆料中常用: 聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯 酸甲脂和乙基纤维素等； 在水基浆料中常用: 聚乙烯醇、丙烯酸乳剂和聚 丙烯酸胺盐等。
4、陶瓷基板的金属化
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3、流延成型工艺
（1）流延法 (Tape Casting)基本概念

流延法也称刮刀成型法； 在陶瓷粉料中加入溶剂、分散剂、粘结 剂、增塑剂等成分，得到分散均匀的浆 料，然后在流延机上制得一定厚度陶瓷 片的一种成型方法。
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流延法于1947年被Howatt等首次来生产陶瓷 片层电容器，并于1952年取得专利。 流延法的特点：
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细颗粒有好的烧结性，可使烧结温度 降低和烧结制品更致密，但粉料过细 则使得所需分散剂、粘结剂与增塑剂 的量相应增加，这就给干燥和烧结过 程带来麻烦，使烧成品质量下降。

球形颗粒有好的填充性能，使烧结后 的产品结构致密且机械强度高而条状 和片状颗粒在刮刀剪切应力作用下可 择优取向，适宜于制备有定向要求的 压电材料。
水作为溶剂： 优点：成本低、使用安全卫生和便于大规模生产。 缺点：
―
― ―
对粉料颗粒的湿润性能较差，挥发慢、干燥时间长；
浆料除气困难，气泡的存在会影响素胚膜的质量； 水基浆料所用粘结剂多为乳状液，市场上产品较少，使粘 结剂的选择受限制； 某些陶瓷材料，如氮化物和碳化物能与水反应在其表面生 成一层氧化膜，而和CaO、MgO等材料具有吸湿性，不宜 采用水作溶剂。
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注浆成型
挤出成型 +压制
无沉降和分层，连续 化工艺，自支撑片层， 表面光滑，粘接剂含 量高，长度/侧面收缩 不一，易翘曲，磨损 大
结构层较薄，表面比 较光滑一般不连续， 面积小，特殊油墨体 系，粘接剂含量高
适于有限宽度的可 弯曲片层的大量生 产，厚度 100-1500 mm
丝网印刷
适于单层或多层结 构的优先厚膜技术


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常用增塑剂： 在粉体颗粒间形成有机桥，能
聚乙二醇
增加浆料的粘度。
润滑粉体颗粒，降低浆料粘度。
邻苯二甲酸脂
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常用的粘结剂和增塑剂
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（3）流延设备
TTC-1200
Single Blade Assemblies
Double Blade Assemblies
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(4) 流延浆料的制备： 第一步：球磨混料（粉料、溶剂、分散剂； 第二步：球磨浆料 + 结剂）、去渣。 功能性添加剂(增塑剂、粘
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4、陶瓷基板的金属化
（1）厚膜法

厚膜金属法：在陶瓷基板上通过丝网印刷 形成导体（电路布线）及电阻等，经烧结 形成及引线接点等。
厚膜浆料： 粒度1-5微米的金属粉末； 玻璃粘结剂 （10%)； 有机载体 （有机溶剂、增稠剂、表面活 性剂等）； 球磨混联而成。
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玻璃系
（玻璃结合）
氧化物系 （化学结合） 玻璃与氧化物混 合系 （混合结构)
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分散原理：

颗粒在介质中的分散效果通常用总势能U 来描述:
U=Ua+Ur

Ua：Van der Waals引力势能； Ur:为斥力势能。 当Ur > Ua时，浆料是分散稳定的。
两种机理:

双电层的静电稳定机理 高聚物大分子的空间位阻稳定机理
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分散剂的种类：

非离子、阴离子、阳离子或两性离子；

设备简单，生产效率高，可连续操作，自 动化水平高； 坯体致密，膜片弹性好，致密度高； 工艺稳定，生产的膜片厚度范围较宽且可 控，因此在陶瓷工业得到广泛的应用。
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（2）流延法主要成分及其作用机理 原料：原始陶瓷粉料、溶剂、分散剂、粘结剂以及 增塑剂等。 对这些材料的选择非常重要，将直接影响流延浆 料的性能，从而影响最终烧结成品的性能。
对不同的陶瓷基板， 金属化配方是不一样的，许多的 试验研究都是围绕这方面进行的。
Huazhong University of Science and Technology
胡先罗
材料科学与工程学院
第三章 陶瓷基板制造技术
第一节 陶瓷基板概论
1、陶瓷基板具备条件
2、陶瓷基板的制造方法
3、流延成型工艺 4、陶瓷基板的金属化
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1、陶瓷基板具备条件
（1）机械性质

有足够高的机械强度，除搭载元件外，也 能作为支持构件使用；加工性好，尺寸精 度高；容易实现多层化； 表面光滑，无翘曲、弯曲、微裂纹等。
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（6）陶瓷材料的应用分类

高速器件： 采用介电常数低、易于多层化的基 板(Al2O3 、玻璃陶瓷共烧基板)

高散热： 采用高热导率的基板（AlN、BeO基 板等）
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第一节 陶瓷基板概论
1、陶瓷基板具备条件
2、陶瓷基板的制造方法
3、流延成型工艺 4、陶瓷基板的金属化
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2、陶瓷基板的制造方法
（1）烧成前的成型
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(b) 溶剂：

选择溶剂主要考虑的因素：
必须能溶解分散剂、粘结剂和增塑剂等添加成分； 在浆料中能保持化学稳定性，不与粉料发生反应；
易于挥发与烧除等。
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常用溶剂：
有机溶剂：乙醇、甲乙酮、三氯乙烯、 甲苯、二甲苯等。
优点： 缺点： 所得的浆料粘度低、溶剂挥 发快和干燥时间短。 易燃和有毒。
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阴离子表面活性剂主要用于颗粒表面带 正电的中性或弱碱性浆料；
阳离子型表面活性剂主要用于颗粒表面 带负电的中性或弱酸性浆料。

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(d)
粘结剂、增塑剂：
素胚膜的厚度;
所选溶剂类型及匹配性，有利于溶剂挥发和 不产生气泡; 应易烧除，不留有残余物; 能起到稳定浆料和抑制颗粒沉降的作用;
选择粘结剂需考虑的主要因素:
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(5) 流延膜的厚度：
a:
湿坯干燥时厚度的收缩系数， 浆料的粘度，
h和L: 分别是刮刀刀刃间隙的高度和长度，
h:
△P: (通常由浆料的高度决定)为料斗中的压力， v。: 为流延装臵和支撑载体的相对速度。
(6) 获得优质流延膜的措施:
刮刀的表面光洁度 浆料的均匀性
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第一节 陶瓷基板概论
1、陶瓷基板具备条件 2、陶瓷基板的制造方法 3、流延成型工艺 4、陶瓷基板的金属化
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射出成形
将浆料粒以定量、间 歇的方式，自进料漏 斗加入，送至加热管 中加热使其融化后， 透过活塞柱或推头向 前推进，经过喷嘴射 入模具的模穴中。
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（2）陶瓷基板的主要生产工艺 工艺方法
干压成型
特点
典型应用
粘接量含低，成本低， 适于大面积不可弯曲 表面粗糙，密度波动， 的片层厚度> 250 mm 气孔大小不一 不含粘接剂，大面积， 适于不能弯曲的单层 可能成型弯曲和某种 结构厚度> 100 mm 结构的表面，显微结 构均匀浆料必须分析 温定，只适合分批操 作，不会造成分层， 注浆效率低
玻璃结合
+
化学结合
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玻璃系特点：


软化点在粉末金属的烧结温度附近；
在粉末烧结成网络结构之前或其过程中，玻璃软化， 逐渐由厚膜导体侧向基板侧流动，并流入基板的表面 凹凸之中。随着玻璃网络结构的收缩，玻璃与其形成 相互勾连结构；从导体表面到陶瓷基板，金属的相对 含量逐渐减少，而玻璃粘结剂的含量逐渐增加，形成 梯度。 表面金属含量高：提高电导率、便于焊接键合； 界面玻璃含量高，利于导体层与基板的机械结合。
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流延成型
水基和有机基组分可 连续化生产，表面光 滑，小批量和大批均 可，自支撑带粘接剂 含较高，浆料组成复 杂，需要干燥和脱脂
适于单层和多层技 术的可弯曲的带， 适于大型和小型设 备，厚度100-1500 mm