電子材料工藝原理

1、,賈利軍電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院,電子材料工藝原理,電子材料工藝原理,教學(xué)要求熟悉電子陶瓷制造的主流方法，明確重點(diǎn)工藝環(huán)節(jié)對(duì)顯微結(jié)構(gòu)、性能的影響； 了解合成納米晶材料的主要方法（共沉淀法、溶膠－凝膠法、水熱法等）；對(duì)電子薄膜、單晶的制造有一定的了解,,教材和參考書 教材：電子材料工藝原理(講義) 參考書：1.《先進(jìn)陶瓷工藝學(xué)》，劉維良等編著，武漢理工大學(xué)出版社，2004年2.《陶瓷工藝》，理查德.J

2、.布魯克主編，科學(xué)出版社，1999年3.《電子材料與工藝》，黃運(yùn)添等編著，西安交通大學(xué)出版社，1990年,電子材料工藝原理,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,1.1 引言,,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,產(chǎn)品性能的優(yōu)劣取決于二方面的影響：首先是內(nèi)因，主要指原料的純度（含雜量）、組成、形貌（顆粒尺寸及分布、外形）等，影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)度、晶體的生長(zhǎng)情況及顯微結(jié)構(gòu)的均勻

3、性，并進(jìn)而影響到最終產(chǎn)品的電磁性能；其次是外因，主要指制備工藝，影響化學(xué)反應(yīng)和顯微結(jié)構(gòu)。只有從兩方面入手，充分發(fā)揮內(nèi)、外因的潛力，才有可能實(shí)現(xiàn)低成本、高品質(zhì)的目的。,,,,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,1.2電子陶瓷制造過程概述,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,1.3 粉料   圖1-2 粉料中顆粒團(tuán)聚示意圖 圖1-3兩種氧化鋯粉料的壓實(shí)曲線,,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,粉料特

4、性的改變 粉碎過程中粒徑大大減小，比表面積增加；粉碎會(huì)引起顆粒內(nèi)部產(chǎn)生較大的晶格應(yīng)變，還有可能改變顆粒的晶體結(jié)構(gòu) ；此外，粉碎過程中也會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng) ； 另外一些情況下，粉料的化學(xué)成分因粉磨而發(fā)生變化，如鈦酸鋇在水中球磨，由于Ba(OH)2的形成和溶解，使BaTiO3粉料中Ba離子遭受損失。長(zhǎng)時(shí)間的球磨還有可能引入雜質(zhì)?？刂茀?shù)：顆粒尺寸、比表面積、化學(xué)組成 、水分含量、密度、流動(dòng)性等。,混合與粉碎方式

5、 物料的混合與粉碎是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要工序，作為混合粉碎的機(jī)械有：球磨機(jī)、砂磨機(jī)、強(qiáng)混機(jī)、氣流磨、粉碎機(jī)等幾種，目前使用最多的是球磨機(jī)和砂磨機(jī)。圖1－5 滾動(dòng)式球磨機(jī)內(nèi)鋼球的三種運(yùn)動(dòng)軌跡,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,1.4 成型重點(diǎn)介紹以下幾種成型方式：模壓成型：操作較為簡(jiǎn)單，適用于橫向尺寸較大、縱向形狀簡(jiǎn)單的產(chǎn)品；等靜壓

6、成型：成型密度高，產(chǎn)品均勻性較好，效率不高；流延成型：適用于薄片產(chǎn)品，厚度可控，均勻性較好。（要求掌握基本原理和適用范圍）,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,成型設(shè)備簡(jiǎn)介,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,1.5 固相反應(yīng) 固相反應(yīng)是固體粉末間（多相成分）在低于熔化溫度下的化學(xué)反應(yīng)，它是由參與反應(yīng)的離子或分子經(jīng)過熱擴(kuò)散而生成新的固溶體。固相反應(yīng)是燒結(jié)中的一種形式，基本上是在預(yù)燒過程中進(jìn)行的，固相反應(yīng)基本

7、結(jié)束后（>90%），燒結(jié)尚未完成。 固相反應(yīng)與溫度密切相關(guān)。 固相反應(yīng)的過程,定性分析 粉料愈細(xì)反應(yīng)速度愈快 ；粉末間接觸面積越大越好 ；降低激活能，增進(jìn)原料的活性 ；升高溫度較之延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間更有效；少量熔點(diǎn)較低的物質(zhì)加入反應(yīng)物中，可起類似于熔劑的作用，促使其它原料的固相反應(yīng)加速進(jìn)行。,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,1.6 燒結(jié)燒結(jié)體的

8、構(gòu)成：晶粒、晶界、氣孔等,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,燒結(jié)過程的劃分（早、中、后期） （ 注意區(qū)分各個(gè)階段的顯微結(jié)構(gòu)和致密度變化）燒結(jié)推動(dòng)力 致密化與瓶頸形成的推動(dòng)力與機(jī)制 ??c=2?s?(1/r1-1/r2) 物質(zhì)由曲率半徑小處向曲率半徑較大處傳遞，同一顆粒內(nèi)物質(zhì)傳遞的結(jié)果導(dǎo)致所謂的顆?！扒蚧?；不同顆粒接觸時(shí)，物質(zhì)將由小顆粒向大顆粒傳遞，促使顆?！按只薄?,,第一

9、章 電子陶瓷制造中的工藝控制,晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力-界面能 在細(xì)粉體或成型體中晶粒生長(zhǎng)的機(jī)理被認(rèn)為是顆粒間的擴(kuò)散或晶界移動(dòng)，燒結(jié)后期接近致密的材料中，晶粒通過晶界向其曲率中心（小顆粒向大顆粒）移動(dòng)，晶粒生長(zhǎng)，晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力是材料的界面能。圖1-8 二面角形成后的顆粒間構(gòu)型變化,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,晶粒長(zhǎng)大與二次再結(jié)晶現(xiàn)象（注意區(qū)分和控制） 為了避免非連續(xù)成長(zhǎng)，通常希望顆粒均勻、坯件密度均

10、勻，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，球磨時(shí)間過長(zhǎng)，在球磨中加入鐵屑以及預(yù)燒溫度過高、燒結(jié)升溫速度過快等，也容易產(chǎn)生非連續(xù)的結(jié)晶長(zhǎng)大。,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,氣孔與致密化的關(guān)系 氣孔生長(zhǎng)與晶粒生長(zhǎng)和致密化有關(guān)，所以氣孔生長(zhǎng)受到顆粒尺寸差別和氣孔壓應(yīng)力的雙重影響，盡管如此，表面張力仍是最基本的推動(dòng)力。實(shí)際粉料成型體的致密化過程由于存在氣孔尺寸分布將是復(fù)雜的 （尺寸分布、團(tuán)聚體的存在、燒結(jié)溫度的影響等）。,第一章 電子陶

11、瓷制造中的工藝控制,燒結(jié)過程的控制預(yù)燒、燒結(jié)制度、相變、氣氛和燒結(jié)助劑、窯爐設(shè)計(jì) 圖1-10 幾種常見的產(chǎn)品開裂類型,,第一章 電子陶瓷制造中的工藝控制,LTCC技術(shù)簡(jiǎn)介圖1-11. LTCC生料帶制備、帶通濾波器三維布局及LTCC鐵氧體電感器,第二章．納米晶材料的軟化學(xué)制備技

12、術(shù),沉淀法基本原理：在包含一種或多種陽離子的可溶性溶液中，加入沉淀劑（如 OH–, CO32- 等）后；或是在一定條件下由溶液內(nèi)部均勻緩慢地產(chǎn)生沉淀；或在一定條件下使鹽類從溶液中析出，生成不溶性的氫氧化物、碳酸鹽、草酸鹽或有機(jī)酸鹽等類沉淀，并將溶劑和溶液中原有陰離子洗去，沉淀經(jīng)熱分解或脫水即得所需產(chǎn)品。問題：當(dāng)組分之間的沉淀產(chǎn)生的濃度及沉淀速度存在差異時(shí)，溶液原始的原子水平的均勻性可能會(huì)部分地失去。另外，許多金屬不容易發(fā)生沉淀反應(yīng)

13、，因此，限制了該方法的應(yīng)用。,第二章．納米晶材料的軟化學(xué)制備技術(shù),實(shí)例：重金屬離子工業(yè)廢液的處理,第二章．納米晶材料的軟化學(xué)制備技術(shù),水熱與溶劑熱合成法：在一定的溫度（100～1000℃）和壓強(qiáng)（1～100MPa)條件下利用溶液中的物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)所進(jìn)行的合成，水熱合成是在水溶液中進(jìn)行，溶劑熱合成是在非水有機(jī)溶劑熱條件下的合成。一系列中、高溫水熱合成，已成為目前超微粒、溶膠與凝膠、非晶態(tài)、無機(jī)膜、單晶等合成的重要途徑。實(shí)例：,0.1μm,

14、第二章．納米晶材料的軟化學(xué)制備技術(shù),溶膠－凝膠合成法無機(jī)鹽、醇鹽、絡(luò)合物體系的特點(diǎn)一般過程：原物質(zhì)（金屬醇鹽或無機(jī)鹽）→水解→溶膠→縮聚→凝膠→干燥→燒結(jié)→無機(jī)材料實(shí)例：,第二章．納米晶材料的軟化學(xué)制備技術(shù),溶膠－凝膠自燃燒法,第三章.電子薄膜材料的制備,,,,第三章.電子薄膜材料的制備,化學(xué)氣相沉積（CVD)3YCl(g)+5FeCl2(g)+H2O(g)+O2(g)?

15、 Y3Fe5O12(S)?+12HCl(g),第三章.電子薄膜材料的制備,液相外延生長(zhǎng)法(LPE) 通常有三種方式，即翻轉(zhuǎn)法、傾斜法和浸漬法，目前在單晶磁性薄膜外延工藝中所采用的主要是浸漬法.,第四章 單晶材料的制備,生長(zhǎng)機(jī)理：通常單晶的制備是控制液相到固相的轉(zhuǎn)變過程，使有少量的晶粒擇優(yōu)成長(zhǎng)，而得到較大尺寸的單晶體。根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)原理，單位時(shí)間、單位體積形成結(jié)晶中

16、心數(shù)目n與過冷度?T及晶核的表面張力系數(shù)?、比邊緣能??的關(guān)系為 式中K0、k1、k2為常數(shù)。由上式可知，結(jié)晶中心數(shù)目將隨著過冷度的增加而增加，因此在制備單晶體時(shí)，應(yīng)控制過冷度，減少結(jié)晶中心數(shù)目。 籽晶與生長(zhǎng)速度控制,第四章 單晶材料的制備,布里茲曼法拉晶法 （要求了解制備基本原理）,課外閱讀資料：1.納米陶瓷制備技術(shù)http://www.nmpt.com.cn/show.aspx?Ar