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氧化鋁粉體對(duì)流延法生產(chǎn)陶瓷基板的影響
類別：行業(yè)新聞 發(fā)布時(shí)間：2018-01-05 10:02:57 瀏覽：4163 次
氧化鋁因其絕緣、耐高溫、導(dǎo)熱率高、穩(wěn)定性好及高性價(jià)比，是電子陶瓷基板的優(yōu)良原料，隨著電子產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，氧化鋁陶瓷基板的需求量逐年增加。但電子陶瓷基板要求較高，原料氧化鋁的品質(zhì)及性能指標(biāo)直接關(guān)系到基板產(chǎn)品質(zhì)量。
本文主要探討了流延法生產(chǎn)電子陶瓷基板用氧化鋁的性能指標(biāo)，結(jié)合流延法工藝特點(diǎn)及陶瓷基板的質(zhì)量要求，分析了氧化鋁主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)流延工藝及產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并提出適于流延法陶瓷基板用原料氧化鋁的要求。
流延工藝概述
流延法生產(chǎn)氧化鋁陶瓷基板，目前主要有兩種工藝體系：有機(jī)流延體系和水基流延體系。有機(jī)流延溶劑多采用含甲苯和二甲苯及酮類有機(jī)物作為溶劑，這些溶劑有毒會(huì)對(duì)工人身體健康和環(huán)境帶來危害，成本較高，但其產(chǎn)品質(zhì)量高。水基流延體系采用水為溶劑，加入少量的水溶性分散劑，具有無污染、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，且成本相對(duì)低，是新型的陶瓷基板流延成型技術(shù) ，但因部分關(guān)鍵技術(shù)不能突破，質(zhì)量較難控制。
流延工藝基本過程為：漿料制備一過篩一流延一干燥一模壓成型一脫脂一燒結(jié)。
其中漿料主要由陶瓷粉體、溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、塑性劑及其它添加劑組成。作為氧化鋁陶瓷基板原料一般要求氧化鋁的含量在95％以上，除加入氧化鋁微粉，還加入一定比例的含硅、鈣等粉體。為滿足流延的要求，需要加入粘結(jié)劑、分散劑、增塑劑和其他添加劑等。其中配料的原則有以下幾個(gè)方面：(1)盡可能降低有機(jī)物的含量；(2)盡量提高固相含量；(3)盡量降低分散劑的含量；(4)坯體具有足夠的柔韌性和強(qiáng)度；(5)控制合適的pH值，以提高分散劑的分散效果。氧化鋁性能指標(biāo)對(duì)流延工藝及產(chǎn)品的影響一般來說，電子陶瓷基板用于集成電路，因此要求產(chǎn)品有致密度(體積密度在3．7 g／cm 以上)、小的尺寸公差、表面平整度高、電學(xué)性能優(yōu)良、熱性能良好等。因此對(duì)原料氧化鋁的要求也高。通常氧化鋁分為冶金級(jí)氧化鋁和非冶金級(jí)氧化鋁，冶金級(jí)氧化鋁是用于鋁電解生產(chǎn)原鋁 。非冶金級(jí)氧化鋁是由化工合成或由冶金級(jí)氧化鋁加工而成的具有特種用途的氧化鋁。冶金級(jí)氧化鋁以 α相為主，其中的Na通常在0．3 wt％以上，不能直接用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)陶瓷。用于生產(chǎn)陶瓷基板的氧化鋁需要經(jīng)過1400℃ 以上高溫煅燒，經(jīng)過脫鈉后，并充分研磨才能作為陶瓷基板的原料。通過長(zhǎng)期的研究和生產(chǎn)應(yīng)用，氧化鋁的純度、 相含量、結(jié)晶形貌、粒度分布等指標(biāo)對(duì)流延工藝及基板產(chǎn)品質(zhì)量影響較大。
氧化鋁純度的影響
一般來說，煅燒氧化鋁中的雜質(zhì)主要為SiO 、Fe O，、Na O、CaO、MgO、TiO：等，這 雜質(zhì)總量一般不超過0．5％ ，A12O3含量>99．5％ 。Na2O含量Na2O是氧化鋁指標(biāo)中最為重要的一個(gè)指標(biāo)，尤其是用于陶瓷生產(chǎn)的氧化鋁。Na O在高溫下和A1 O，結(jié)合生成一種穩(wěn)定的高鋁酸鈉化合物Na2O·1 I Al2O3 ，也就是通常所說的β相氧化鋁，，其結(jié)構(gòu)為疏松的層狀結(jié)構(gòu)，Na2O 在富A12O3，的條件下，結(jié)合AI2O3的能力很強(qiáng)，Na2O：A12O3質(zhì)量比為1：18．096，即使少量的Na2O存在，也會(huì)大量生成β相A12O3，，影響陶瓷的致密度 。且這種化合物導(dǎo)電率高，300℃ 時(shí)達(dá)10～S·cnl～，影Ⅱ向陶瓷基板的電性能。因此，用于陶瓷基板生產(chǎn)的氧化鋁必須選用低鈉氧化鋁產(chǎn)品，即Na2O含量低于0．1％ 的氧化鋁。
Fe含量
對(duì)于氧化鋁中的Fe含量，一方面指其中結(jié)合的化學(xué)Fe，另一方面指夾雜在粉體中微細(xì)的游離鐵(又稱機(jī)械鐵)。對(duì)于其中的化學(xué)Fe，通常以Fe2O3 存在。對(duì)于原料中A12O3 夾帶的Fe顆粒在陶瓷燒結(jié)過程中，會(huì)在陶瓷內(nèi)部或表面顯色，出現(xiàn)紅色或黑色的斑點(diǎn)，不但對(duì)陶瓷基板的外觀帶來影響，而且影響其絕緣性能，因此一但．出現(xiàn)斑點(diǎn)就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，降低成品率。同時(shí)Fe2O3，含量過高，也會(huì)導(dǎo)致陶瓷基板的顏色發(fā)黃，其原因與Fe離子替代剛玉品格中Al離子的致色反應(yīng)有很大關(guān)系水分含量
一般來說陶瓷基板用原料A12O3 粒度較小，為精磨后的微粉，活性較高，在加工或存放過程中會(huì)吸潮，因
此有微量的水分。對(duì)于水基流延l 藝，其中的H2O含量不影響工藝。但對(duì)于有機(jī)流延影響較大，通常在有機(jī)流延中用的有機(jī)溶劑(如PVB)是不溶水的，只要有少量水，都會(huì)導(dǎo)致料漿絮凝，產(chǎn)生膠狀團(tuán)聚，不但會(huì)造成流延困難，而且會(huì)導(dǎo)致成品率下降。因此，用于有機(jī)流延的氧化鋁要嚴(yán)格控制水分含量。
其他雜質(zhì)(污染物)
除上面所提到的雜質(zhì)，由于陶瓷基板屬于精細(xì)電子陶瓷范疇，對(duì)原料氧化鋁粉體的潔凈度要求較高，粒度通常在3000目以下，一但 昆入可見的雜質(zhì)或污染物也會(huì)對(duì)牛產(chǎn)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量造成很大的影響。因此要求原料氰化鋁在』J【j工過程中，避免外部雜質(zhì)對(duì)氧化鋁的污染，提高產(chǎn)品的潔凈度。
結(jié)晶形貌的影響
氧化鋁在高溫煅燒過程中，因加入的礦化劑不同，結(jié)晶形貌也有所不同，有球形、片狀、蠕蟲狀等微觀形貌 ]。流延法工藝要求高的漿體濃度且具有良好的流動(dòng)性，要求流延膜均勻度高。因此，氧化鋁顆粒在有機(jī)溶劑中的分散性能越好，就越有利于生產(chǎn)。當(dāng)氧化鋁結(jié)晶不完整，且球形度不高時(shí)，顆粒表面活性提高，表面能大，其吸油率就高，從而導(dǎo)致漿體粘度增加，流動(dòng)性變差，降低流延膜的均勻性，導(dǎo)致流延膜開裂、局部包裹瓷皰，從而降低成品率。實(shí)踐證明，當(dāng)氧化鋁的形貌球形度越高，制備的漿體的粘度越低，流動(dòng)性越好，流延性能越好，產(chǎn)品的成品率也就越高。
相轉(zhuǎn)化率的影響
流延法生產(chǎn)陶瓷基板的厚度小，尺寸也小，且要求高的致密度和高的平整度。因此要求原料燒結(jié)活性要高，且不能產(chǎn)生大的變形量。對(duì)于煅燒αAL2O3 α相轉(zhuǎn)化率越高，結(jié)晶越完整，真密度越高，燒結(jié)活性就越低。而α相轉(zhuǎn)化率越低，結(jié)晶缺陷就多，真密度越低，燒結(jié)活性就越高收縮率就越大，過大的收縮率就會(huì)造成基板變形跫大，翹曲度大。但α相轉(zhuǎn)化率太高時(shí)，燒結(jié)活性就低，盡管收縮率小，但致密度相對(duì)低，需要更高的燒結(jié)溫度，不利于控制生產(chǎn)成本。因此，用于制備陶瓷基板的α氧化鋁不但要控制適宜的α相轉(zhuǎn)化率，且要保證其轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定，這樣才有利于生產(chǎn)高質(zhì)量陶瓷基板。
粉體團(tuán)聚的影響
氧化鋁在從氫氧化鋁制備過程中，每一個(gè)氫氧化鋁顆粒在脫水后成為若干個(gè)微小顆粒團(tuán)聚體，并且在后期煅燒中仍保持團(tuán)聚體形貌，通過充分研磨后，團(tuán)聚體分散為單個(gè)晶粒的微粉，在α氧化鋁，研磨過程中，若不能完全將團(tuán)聚粒研磨分散，就會(huì)存在一部分團(tuán)聚粒，這些未被研磨開的小團(tuán)聚在流延過程中會(huì)形成空洞，從而降低陶瓷致密度和陶瓷基板的強(qiáng)度。因而，用于流延法陶瓷基板的氧化鋁粉體必須為全研磨粉體，不能有顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。
綜上所述，用于流延法陶瓷基板的氧化鋁中雜質(zhì)含量、結(jié)晶形貌、 ．相轉(zhuǎn)化率、粒度分布均對(duì)流延工藝及陶瓷基板的質(zhì)量有較大的影響，因此一般要求：
(1)Na2O含量低于0．1％ ，F(xiàn)e及Fe2O H2O含量盡可能低；
(2)結(jié)晶形貌以球形為好；
(3)原料氧化鋁的α相轉(zhuǎn)化率應(yīng)控制適宜，且保持穩(wěn)定；
(4)氧化鋁應(yīng)經(jīng)過充分研磨，減少團(tuán)聚顆粒。
本文主要探討了流延法生產(chǎn)電子陶瓷基板用氧化鋁的性能指標(biāo)，結(jié)合流延法工藝特點(diǎn)及陶瓷基板的質(zhì)量要求，分析了氧化鋁主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)流延工藝及產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并提出適于流延法陶瓷基板用原料氧化鋁的要求。
流延工藝概述
流延法生產(chǎn)氧化鋁陶瓷基板，目前主要有兩種工藝體系：有機(jī)流延體系和水基流延體系。有機(jī)流延溶劑多采用含甲苯和二甲苯及酮類有機(jī)物作為溶劑，這些溶劑有毒會(huì)對(duì)工人身體健康和環(huán)境帶來危害，成本較高，但其產(chǎn)品質(zhì)量高。水基流延體系采用水為溶劑，加入少量的水溶性分散劑，具有無污染、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，且成本相對(duì)低，是新型的陶瓷基板流延成型技術(shù) ，但因部分關(guān)鍵技術(shù)不能突破，質(zhì)量較難控制。
流延工藝基本過程為：漿料制備一過篩一流延一干燥一模壓成型一脫脂一燒結(jié)。
其中漿料主要由陶瓷粉體、溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、塑性劑及其它添加劑組成。作為氧化鋁陶瓷基板原料一般要求氧化鋁的含量在95％以上，除加入氧化鋁微粉，還加入一定比例的含硅、鈣等粉體。為滿足流延的要求，需要加入粘結(jié)劑、分散劑、增塑劑和其他添加劑等。其中配料的原則有以下幾個(gè)方面：(1)盡可能降低有機(jī)物的含量；(2)盡量提高固相含量；(3)盡量降低分散劑的含量；(4)坯體具有足夠的柔韌性和強(qiáng)度；(5)控制合適的pH值，以提高分散劑的分散效果。氧化鋁性能指標(biāo)對(duì)流延工藝及產(chǎn)品的影響一般來說，電子陶瓷基板用于集成電路，因此要求產(chǎn)品有致密度(體積密度在3．7 g／cm 以上)、小的尺寸公差、表面平整度高、電學(xué)性能優(yōu)良、熱性能良好等。因此對(duì)原料氧化鋁的要求也高。通常氧化鋁分為冶金級(jí)氧化鋁和非冶金級(jí)氧化鋁，冶金級(jí)氧化鋁是用于鋁電解生產(chǎn)原鋁 。非冶金級(jí)氧化鋁是由化工合成或由冶金級(jí)氧化鋁加工而成的具有特種用途的氧化鋁。冶金級(jí)氧化鋁以 α相為主，其中的Na通常在0．3 wt％以上，不能直接用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)陶瓷。用于生產(chǎn)陶瓷基板的氧化鋁需要經(jīng)過1400℃ 以上高溫煅燒，經(jīng)過脫鈉后，并充分研磨才能作為陶瓷基板的原料。通過長(zhǎng)期的研究和生產(chǎn)應(yīng)用，氧化鋁的純度、 相含量、結(jié)晶形貌、粒度分布等指標(biāo)對(duì)流延工藝及基板產(chǎn)品質(zhì)量影響較大。
氧化鋁純度的影響
一般來說，煅燒氧化鋁中的雜質(zhì)主要為SiO 、Fe O，、Na O、CaO、MgO、TiO：等，這 雜質(zhì)總量一般不超過0．5％ ，A12O3含量>99．5％ 。Na2O含量Na2O是氧化鋁指標(biāo)中最為重要的一個(gè)指標(biāo)，尤其是用于陶瓷生產(chǎn)的氧化鋁。Na O在高溫下和A1 O，結(jié)合生成一種穩(wěn)定的高鋁酸鈉化合物Na2O·1 I Al2O3 ，也就是通常所說的β相氧化鋁，，其結(jié)構(gòu)為疏松的層狀結(jié)構(gòu)，Na2O 在富A12O3，的條件下，結(jié)合AI2O3的能力很強(qiáng)，Na2O：A12O3質(zhì)量比為1：18．096，即使少量的Na2O存在，也會(huì)大量生成β相A12O3，，影響陶瓷的致密度 。且這種化合物導(dǎo)電率高，300℃ 時(shí)達(dá)10～S·cnl～，影Ⅱ向陶瓷基板的電性能。因此，用于陶瓷基板生產(chǎn)的氧化鋁必須選用低鈉氧化鋁產(chǎn)品，即Na2O含量低于0．1％ 的氧化鋁。
Fe含量
對(duì)于氧化鋁中的Fe含量，一方面指其中結(jié)合的化學(xué)Fe，另一方面指夾雜在粉體中微細(xì)的游離鐵(又稱機(jī)械鐵)。對(duì)于其中的化學(xué)Fe，通常以Fe2O3 存在。對(duì)于原料中A12O3 夾帶的Fe顆粒在陶瓷燒結(jié)過程中，會(huì)在陶瓷內(nèi)部或表面顯色，出現(xiàn)紅色或黑色的斑點(diǎn)，不但對(duì)陶瓷基板的外觀帶來影響，而且影響其絕緣性能，因此一但．出現(xiàn)斑點(diǎn)就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，降低成品率。同時(shí)Fe2O3，含量過高，也會(huì)導(dǎo)致陶瓷基板的顏色發(fā)黃，其原因與Fe離子替代剛玉品格中Al離子的致色反應(yīng)有很大關(guān)系水分含量
一般來說陶瓷基板用原料A12O3 粒度較小，為精磨后的微粉，活性較高，在加工或存放過程中會(huì)吸潮，因
此有微量的水分。對(duì)于水基流延l 藝，其中的H2O含量不影響工藝。但對(duì)于有機(jī)流延影響較大，通常在有機(jī)流延中用的有機(jī)溶劑(如PVB)是不溶水的，只要有少量水，都會(huì)導(dǎo)致料漿絮凝，產(chǎn)生膠狀團(tuán)聚，不但會(huì)造成流延困難，而且會(huì)導(dǎo)致成品率下降。因此，用于有機(jī)流延的氧化鋁要嚴(yán)格控制水分含量。
其他雜質(zhì)(污染物)
除上面所提到的雜質(zhì)，由于陶瓷基板屬于精細(xì)電子陶瓷范疇，對(duì)原料氧化鋁粉體的潔凈度要求較高，粒度通常在3000目以下，一但 昆入可見的雜質(zhì)或污染物也會(huì)對(duì)牛產(chǎn)工藝及產(chǎn)品質(zhì)量造成很大的影響。因此要求原料氰化鋁在』J【j工過程中，避免外部雜質(zhì)對(duì)氧化鋁的污染，提高產(chǎn)品的潔凈度。
結(jié)晶形貌的影響
氧化鋁在高溫煅燒過程中，因加入的礦化劑不同，結(jié)晶形貌也有所不同，有球形、片狀、蠕蟲狀等微觀形貌 ]。流延法工藝要求高的漿體濃度且具有良好的流動(dòng)性，要求流延膜均勻度高。因此，氧化鋁顆粒在有機(jī)溶劑中的分散性能越好，就越有利于生產(chǎn)。當(dāng)氧化鋁結(jié)晶不完整，且球形度不高時(shí)，顆粒表面活性提高，表面能大，其吸油率就高，從而導(dǎo)致漿體粘度增加，流動(dòng)性變差，降低流延膜的均勻性，導(dǎo)致流延膜開裂、局部包裹瓷皰，從而降低成品率。實(shí)踐證明，當(dāng)氧化鋁的形貌球形度越高，制備的漿體的粘度越低，流動(dòng)性越好，流延性能越好，產(chǎn)品的成品率也就越高。
相轉(zhuǎn)化率的影響
流延法生產(chǎn)陶瓷基板的厚度小，尺寸也小，且要求高的致密度和高的平整度。因此要求原料燒結(jié)活性要高，且不能產(chǎn)生大的變形量。對(duì)于煅燒αAL2O3 α相轉(zhuǎn)化率越高，結(jié)晶越完整，真密度越高，燒結(jié)活性就越低。而α相轉(zhuǎn)化率越低，結(jié)晶缺陷就多，真密度越低，燒結(jié)活性就越高收縮率就越大，過大的收縮率就會(huì)造成基板變形跫大，翹曲度大。但α相轉(zhuǎn)化率太高時(shí)，燒結(jié)活性就低，盡管收縮率小，但致密度相對(duì)低，需要更高的燒結(jié)溫度，不利于控制生產(chǎn)成本。因此，用于制備陶瓷基板的α氧化鋁不但要控制適宜的α相轉(zhuǎn)化率，且要保證其轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定，這樣才有利于生產(chǎn)高質(zhì)量陶瓷基板。
粉體團(tuán)聚的影響
氧化鋁在從氫氧化鋁制備過程中，每一個(gè)氫氧化鋁顆粒在脫水后成為若干個(gè)微小顆粒團(tuán)聚體，并且在后期煅燒中仍保持團(tuán)聚體形貌，通過充分研磨后，團(tuán)聚體分散為單個(gè)晶粒的微粉，在α氧化鋁，研磨過程中，若不能完全將團(tuán)聚粒研磨分散，就會(huì)存在一部分團(tuán)聚粒，這些未被研磨開的小團(tuán)聚在流延過程中會(huì)形成空洞，從而降低陶瓷致密度和陶瓷基板的強(qiáng)度。因而，用于流延法陶瓷基板的氧化鋁粉體必須為全研磨粉體，不能有顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。
綜上所述，用于流延法陶瓷基板的氧化鋁中雜質(zhì)含量、結(jié)晶形貌、 ．相轉(zhuǎn)化率、粒度分布均對(duì)流延工藝及陶瓷基板的質(zhì)量有較大的影響，因此一般要求：
(1)Na2O含量低于0．1％ ，F(xiàn)e及Fe2O H2O含量盡可能低；
(2)結(jié)晶形貌以球形為好；
(3)原料氧化鋁的α相轉(zhuǎn)化率應(yīng)控制適宜，且保持穩(wěn)定；
(4)氧化鋁應(yīng)經(jīng)過充分研磨，減少團(tuán)聚顆粒。
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