原创 第三章 陶瓷和玻璃

第三章 陶瓷和玻璃

1、简介：
a.几乎所有的电子市场都能用到玻璃和陶瓷技术，在无线和微波频率范围内，采用低介陶瓷或玻璃基介质的低信号衰减电子数据传输是很常见的；
b.高介电常数的电绝缘陶瓷是蓄能电容器的重要组成部分，占有最大的市场；
c.随着电子工业的发展，铁氧体陶瓷的应用领域不断扩大，包括了电感器、变压器、永磁铁、磁-光器件、机械电子器件以及微波电子器件等；

2、用于微电子的陶瓷互连：陶瓷互连技术在设计灵活性、密度、可靠性方面独具优势，这些陶瓷材料本身固有优点使它成为高密度、高可靠应用的首选材料，陶瓷封装可分为以下几大类：(Si的热膨胀系数为3.5ppm，GaAs的热膨胀系数为7.5ppm)
a.薄膜：陶瓷基板上薄膜金属化的开发主要是利用了陶瓷基板高的电路密度、淀积和蚀刻金属的尺寸精确、高导热率及高机械稳定等特点（常用基板有高纯氧化铝、玻璃、多层陶瓷和磁性陶瓷；薄膜材料有金、银、铜、铝、TaN、Ta2N、NiCr等；淀积方法有蒸发、溅射、电镀、化学气相沉积CVD等。）
b.厚膜：厚膜技术最简单的形式是利用丝网印刷技术在致密的陶瓷基板上淀积金属电路，在金属中添加玻璃和氧化物有助于金属在相对低的温度下（600~950℃）致密化和与基板粘接。（金属，介质、电阻及铁氧体浆料是由有机载体、金属或氧化物粉料及玻璃料组成的）
c.多层封装：多层陶瓷技术允许将多个电路安装在一个单独的气密封装中，这种包含埋置元件的结构，提供了在同一介质中建立带状线和微带线的方法，增加了设计的灵活性；
d.高温共烧陶瓷（HTCC）：流延生瓷带—冲切—冲孔—填充通孔—丝网印刷—叠层/层压—分离成形—共烧—镀镍—钎焊—镀NiAu；
e.低温共烧陶瓷（LTCC）：低温共烧陶瓷技术史以无机材料为基础，用作含有多个密集电路布线及组装电子元器件层的壳体材料，LTCC采用了高温共烧陶瓷和多层厚膜基板的技术和制造工艺，基本流程为下料—通孔成形—通孔填充—电路印刷—形成腔体—叠片—层压—烧结—后加工；

3、电容器：
电容器具有能量储存、电流阻断、电噪声过滤、高频调谐等功能（最初的莱顿瓶），1942年American Lava公司发现BaTiO3的铁电行为并广泛用于陶瓷电容器。
a.根据材料分类：聚合物薄膜电容器、电解电容器、钽电容器、云母电容器、陶瓷电容器、多层陶瓷电容器、厚膜电容器、薄膜电容器；
b.根据电容值及温度敏感性分类：1类电容器室温度和时间高度稳定，并具有低损耗的电容器（例如不老化），一般由钛酸盐或钽制成；2类电容器是容易受到温度、时间和频率影响的电容器，一般由较高介电常数的材料制成；
c.添加物的作用：一般来说介电性能随温度急剧变化是不实用的，通过添加能在其结构中形成固溶体的材料进行改性，通过施主离子及受主离子置换、晶格中氧空位之类的载流子存在等产生作用。

4、机电陶瓷：机电材料是一类引起关注的物质，他们具有从机械刺激产生电信号（无源器件）或者通电产生机械位移（有源器件）的能力。
a.压电材料：天然晶体石英、Rochelle盐、BaTiO3、钛酸铅、铌酸铅、PZT(锆钛酸铅)、聚偏氟乙烯等的压电效应；
b.铁电材料：铁电现象是由于偶极子相互作用并自发排列的结果，常见物质有BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3(PZN)、(Sr,Ba)Nb2O6、PbNb2O6、LiNb2O6；
c.电致伸缩材料：最近开发的复杂钙钛矿结构导致了一类新的机电材料产生，即电致伸缩材料。纯电致伸缩材料是顺电荷中心对称的，也就是说，它们没有极轴，并且一般式立方结构，最有价值的电致伸缩材料是工作温度高于或接近转变温度的铁电材料，这种电致伸缩效应是一种二级现象，凭借外电场会导致材料晶格扭曲和机械扭曲；
d.机电材料：“硬”压电材料，在转变温度以下工作性能很好，其压电相高温稳定，并按照高矫顽力合最小畴壁运动来配制，这种材料是最常见的机电材料，常用于无源和有源声纳和许多需要高矫顽力及稳定响应的商业应用中；
e.机电材料的应用：机电材料能为电能和机械能之间提供一种耦合，尽管其机械位移相当小，但这些材料却能产生相当大的电能和机械能：丰田电子调制悬挂系统(TEMS)、水声发射器、声纳发射器、医学成像用超声波换能器等等；

5、电光材料:简单的说电光效应就是一种随外加电场变化的光学特性，也就是折射率随外加电场变化。这种折射率变化相当小，但足以调制透射光的相位和强度。
a.电光效应就是电场诱发的各向异性，折射率和外加电场是一种非线性关系（Kerr效应）；线性电光效应（Pockels效应）
b.材料：所有的电光材料都是铁电物质，也就是说，它们在Tc以下会自发极化，PLZT合成物，透明度也是电光材料的一个关键需要；
c.应用：电光行为可分为三类：记忆、线性、二次方关系，应用于光学快门、电光薄膜器件、光学储存和显示应用；

6、磁性陶瓷：磁性陶瓷不同于磁性金属之处在于它们是具有低磁矩、高电阻及性能与微观结构密切相关的氧化物。一些类型的磁性陶瓷、铁磁体及亚铁磁体材料呈现出剩余感应行为。
a.尖晶石：一般化学式为MFe2O4，尖晶石晶体结构中每个晶胞包含8个化学式单元，其中氧离子形成一个立方密堆阵列；
b.石榴石：其一般结构为M3FeO12，(3M2O3)(2Fe2O3)(3Fe2O3)，其中M为三价稀土或钇离子。
c.钙钛矿：钙钛矿铁氧体的一般化学式为MFeO3，其中M为稀土元素或Y3+、La3+、Ca2+、Sr2+、Ba2+等离子；
d. 六方晶系铁氧体：其一般化学式为MFe12O19，其中M为Ba2+、Sr2+或Pb2+；
e.应用：移相器（电子扫描相控阵雷达ESA）、磁泡存储器…

7、超导陶瓷：
a.在20世纪50年代，Frohlich和Bardeen建立了超导理论，认为这是由耦合电子对的电子与声子相互作用的结果，这种配对仅发生在低温，因为只有在低温电子的热运动才会大大降低；
b.陶瓷超导体的特性高度依赖于载流子的浓度，因此其特性由材料的相纯度、晶体结构、化学组成及缺陷结构决定；
c.超导材料的应用越来越多，大多数应用均可归属于三类功能中的一个：低损耗输电、产生高磁场以及供电用的大电流导体；
d.应用：NMR核磁共振、超导量子干涉器件SQUID、HTS线、Super Filter系统等

8、光纤：
数据通过光在玻璃中传播，而不是电子在金属线中传播。光纤传输数据具有更高的频率、更高的速度及更大的容量，而且也不存在与金属线有关的电磁干扰问题。需致力于降低光衰减的程度。衰减是光吸收及光在不同方向上的二次散射—雷利 （Rayleigh）散射的结果。Corning和Lucent公司控制着全球70%的光纤市场，并努力提高光纤的传输速率和容量。