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什么是电子陶瓷?

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发布时间:2010-08-19 浏览量:2265
广泛用于制作电子功能元件的、多数以氧化物为主成分的烧结体材料。电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同。电子陶瓷按功能和用途可以分为五类:绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。
       电子陶瓷
                                                                                                                                                       
       电子陶瓷

        广泛用于制作电子功能元件的、多数以氧化物为主成分的烧结体材料。电子陶瓷的制造工艺与传统的陶瓷工艺大致相同。
  电子陶瓷按功能和用途可以分为五类:绝缘装置瓷、电容器瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷和离子陶瓷。
  绝缘装置瓷  简称装置瓷,具有优良的电绝缘性能,用作电子设备和器件中的结构件、基片和外壳等的电子陶瓷。绝缘装置瓷件包括各种绝缘子、线圈骨架、电子管座、波段开关、电容器支柱支架、集成电路基片和封装外壳等。对这类瓷的基本要求是介电常数ε低,介质损耗tanδ小,绝缘电阻率ρ高,击穿强度E 大,介电温度特性和频率特性好。此外,还要求有较高的机械强度和化学稳定性。
  在这类陶瓷中以滑石瓷和氧化铝瓷应用最广。它们的主晶相成分分别为MgSiO3及Al2O3。滑石瓷的电绝缘性优良且成本较低,是用于射电频段内的典型高频装置瓷。氧化铝瓷是一类电绝缘性更佳的高频、高温、高强度装置瓷。其电性能和物理性能随 Al2O3含量的增多而提高。常用的有含75%、95%、99%Al2O3的高铝氧瓷。在一些要求极高的集成电路中,甚至还使用Al2O3含量达99.9%的纯刚玉瓷,其性质与蓝宝石单晶相近。高铝氧瓷,尤其是纯刚玉瓷的缺点是制造困难,烧成温度高、价格贵。
  装置瓷中还有一类以氧化铍 (BeO)为代表的高热导瓷。含 BeO95%的氧化铍瓷的室温导热率与金属相同。氧化铍还具有良好的介电性、耐温度剧变性和很高的机械强度。其缺点是BeO原料的毒性很大,瓷料烧成温度高,因而限制了它的应用。氮化硼 (BN)瓷和氮化铝(AlN)瓷也属于高热导瓷,其导热性虽不及氧化铍瓷,但无毒,加工性能和介电性能均好,可供高频大功率晶体管和大规模集成电路中作散热及绝缘用。
  近年来,研制出一类以SiC为基料,掺入少量BeO等杂质的热压陶瓷。这种陶瓷绝缘性能优良,热导率高于纯度为99%的氧化铍瓷。它的热膨胀系数与硅单晶可在宽温度范围内接近一致,可望在功率耗散较大的大规模集成电路中得到应用。
  用作碳膜和金属膜电阻器基体的低碱长石瓷也是一类重要而价廉的装置瓷,但其介质损耗较大,不宜在高频下使用。
  电容器瓷  用作电容器介质的电子陶瓷。这类陶瓷用量较大、规格品种也最多。主要的有高频、低频电容器瓷和半导体电容器瓷。
  高频电容器瓷  属于Ⅰ类电容器瓷,主要用于制造高频电路中的高稳定性陶瓷电容器和温度补偿电容器。构成这类陶瓷的主要成分大多是碱土金属或稀土金属的钛酸盐和以钛酸盐为基的固溶体(表1)。

 


 
  
        选用不同的陶瓷成分可以获得不同介电常数、介质损耗角正切 tanδ和介电温度系数αε的高频电容器瓷料,用以满足各种温度补偿的需要。表中的四钛酸钡瓷不仅是一种热稳定性高的电容器介质,而且还是一种优良的微波介质材料。
  低频电容器瓷  属于Ⅱ类电容器瓷,主要用于制造低频电路中的旁路、隔直流和滤波用的陶瓷电容器。主要特点是介电常数ε 高,损耗角正切较大且tanδε随温度的变化率较大。这类陶瓷中应用最多的是以铁电钛酸钡(BaTiO3)为主成分,通过掺杂改性而得到的高ε(室温下可达20000)和ε的温度变化率低的瓷料。以平缓相变型铁电体铌镁酸铅 (PbMg1/3Nb2/3O3)等为主成分的低温烧结型低频独石电容器瓷料,也是重要的低频电容器瓷。
  半导体电容器瓷  利用半导体化的陶瓷外表面或晶粒间的内表面(晶界)上形成的绝缘层为电容器介质的电子陶瓷。其中利用陶瓷晶界层的介电性质而制成的边界层电容器是一类新型的高性能、高可靠的电容器,它的介电损耗小、绝缘电阻及工作电压高。半导体电容器瓷主要有BaTiO3及SrTiO3两大类。在以BaTiO3、SrTiO3或二者的固溶体为主晶相的陶瓷中,加入少量主掺杂物(如Dy2O3等)和其他添加物,在特殊的气氛下烧成后,即可得到N型半导体陶瓷。然后,再在表面上涂覆一层氧化物浆料(如CuO等),通过热处理使氧化物向陶瓷的晶界扩散,最终在半导体的所有晶粒之间形成一绝缘层。这种陶瓷的视在介电常数极高(可达 105以上)、介质损耗小(小于1%)、体电阻率高(高于 1011欧·厘米)、介质色散频率高(高于1吉赫)、抗潮性好,是一种高性能、高稳定的电容器介质。
  铁电陶瓷  以铁电性晶体为主晶相的电子陶瓷。已发现的铁电晶体不下千种,但作为铁电陶瓷主晶相的主要有钙钛矿或准钙钛矿型的铁电晶体或固溶体。
  在一定的温度范围内晶体中存在着可随外加电场而转变方向的自发极化,这就是晶体的铁电性。当温度超过某一临界值──居里温度TC时,其极化强度下降为零,晶体即失去铁电性,而成为一般的顺电晶体;与此同时,晶体发生铁电相到顺电相的相变。铁电体的极化强度还随电场而剧烈变化(图1)。

 

 

  铁电体的重要微观特征是具有电畴结构,即铁电体具有许多沿特定方向自发极化到饱和的小区域──电畴。这些取向不同的电畴以畴壁分开(图2a)。在相当强的外电场作用下,这种多畴晶体可以被电场强迫取向而单畴化(图2b)。这种电畴随外电场而反转取向的动力学过程,包括畴壁的运动过程以及新畴成核和成长的过程。

 


铁电陶瓷的功能多、用途广。利用其压电特性可以制成压电器件,这是铁电陶瓷的主要应用,因而常把铁电陶瓷称为压电陶瓷。利用铁电陶瓷的热释电特性(在温度变化时,因极化强度的变化而在铁电体表面释放电荷的效应)可以制成红外探测器件,在测温、控温、遥测、遥感以至生物、医学等领域均有重要应用价值。典型的热释电陶瓷有钛酸铅(PbTiO3)等。利用透明铁电陶瓷PLZT(掺镧的钛锆酸铅)的强电光效应(通过外加电场对透明铁电陶瓷电畴状态的控制而改变其光学性质,从而表现出电控双折射和电控光散射的效应),可以制成激光调制器、光电显示器、光信息存储器、光开关、光电传感器、图像存储和显示器,以及激光或核辐射防护镜等新型器件。
  半导体陶瓷  通过半导体化措施使陶瓷具有半导电性晶粒和绝缘性(或半导体性)晶界,从而呈现很强的界面势垒等半导体特性的电子陶瓷。
  陶瓷半导体化的方法主要有强制还原法和施主掺杂法(亦称原子价控法)两种。两种方法都是在陶瓷的晶体中形成离子空位等缺陷,从而提供大量导电电子,使陶瓷中的晶粒成为某种类型(通常是 N型)的半导体。而这些晶粒之间的间层为绝缘层或另一类型(P 型)的半导体层。
  半导体陶瓷种类很多,其中包括利用半导体瓷中晶粒本身性质制成的各种负温度系数热敏电阻;利用晶界性质制成的半导体电容器、ZnO 压敏电阻器、BaTiO3系正温度系数热敏电阻器、CdS/Cu2S太阳能电池;以及利用表面性质制成的各种陶瓷型湿敏电阻器和气敏电阻器等。
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