Паста для керамики реферат

Обновлено: 07.07.2024

Изучение понятий, видов, свойств керамических материалов и изделий, сырье для их производства. Характеристика глинистых и отощающих материалов. Описание способов переработки керамики, а также условия ее обжига газовой средой, температурой, длительностью.

Подобные документы

Рассмотрение и изучение керамических материалов. Сушка сырца искусственным способом. Сырье для производства керамических материалов и изделий. Ресурсосберегающие технологии в производстве строительной керамики. Виды тепловых производственных затрат.

реферат, добавлен 21.01.2015

Использование глинистых горных пород для изготовления керамических материалов. Характеристика видов пластичности глины. Физико-механические свойства и типы сырья. Развитие производства строительной керамики. Исследование плит для фасадной отделки.

контрольная работа, добавлен 28.11.2016

История возникновения керамики. Классификация керамики и ее технологические особенности: строительная, техническая и фаянс. Керамические свойства материалов. Техника керамического производства. Современное состояние технологии керамических материалов.

реферат, добавлен 28.12.2011

Классификация и основные свойства электроизоляционной керамики, её значение и характеристика, сырьевые материалы для производства. Механическая обработка и металлизация керамических изделий, технология производства электрокерамических материалов.

реферат, добавлен 05.10.2014

Изучение свойств технической керамики, позволяющих применять ее в автомобильной, электронной промышленности, медицинских технологиях, энергетике, машиностроении. Описание этапов керамической технологии, способов повышения вязкости и надежности материалов.

реферат, добавлен 27.12.2016

Сырье для производства керамических материалов. Глинистые материалы, добавки к глинам. Схема производства керамических изделий. Добыча глины, подготовка керамической массы и формование изделий, их сушка и обжиг. Структура и свойства керамических изделий.

реферат, добавлен 09.01.2012

Сырьевые материалы, для производства керамических материалов. Основные физико-механические характеристики спеченной корундовой и кварцевой керамики. Виды керамики, применяемые для производства космических аппаратов. Методы изготовления изделий из них.

статья, добавлен 28.01.2019

Эффективность применения непластичных кристаллических искусственных материалов в производстве современной технической керамики. Специфика гидростатического и горячего прессования. Методы изготовления пористой керамики. Виды аддитивного производства.

реферат, добавлен 20.12.2016

Особенности и условия эффективного применения BST-паст с невысокой температурой обжига в процессе получения варакторов, что позволяет ее интегрировать в подложку из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики. Их свойства и предъявляемые требования.

статья, добавлен 11.01.2018

Керамика как обширная по составу группа диэлектрических материалов, объединенных общностью технологического цикла: знакомство с областями применения, анализ физико-химических свойств. Рассмотрение недостатков керамики: хрупкость, сложность обработки.

Необходимость разработки новой пасты. Применяемая в производстве проводниковая паста В-1 (0по ЩИО.028.002 ТУ) была разработана специально для керамических корпусов. Состав пасты приведен в табл. 10. После обжига металлизированных плат паста В-1 обеспечивает проводникам удельное поверхностное сопротивление не более 0.05 Ом/□,адгезию к керамике не менее 600 кг/ см 2 .

Состав паст для керамических корпусов.

Для металлизации обоженной керамики

Для металлизации пластифицированной керамики

Определение состава металлической части пасты. При разработке состава проводниковой пасты на первое место выдвигается требование по снижению удельного поверхностного сопротивления. При этом должна быть достаточно высокой адгезия к керамике ВК 94 -1 и обеспечена возможность нанесения проводников и межслойных переходов.

Обеспечение требований по согласованию ЖЛР и коэффициентов усадки также являлось необходимым условием при разработке состава паст.

Переоценка требований и соображения по составам минеральной и органической частей пасты позволили по новому наметить пути поиска ее состава.

Были намечены программы определения состава пасты без добавки порошка ВК 94-1, являющегося диэлектриком.

Необходимо было определить оптимальное соотношение вольфрама и молибдена, обеспечивающее наилучшее согласование ТКЛР и синхронности усадки пасты и керамической подложки в процессе совместного обжига.

Экспериментальным путем с помощью металлизированной пасты на керамической пленке толщиной 0.2 мм определили, что оптимальное соотношение вольфрама и молибдена в пасте является соответственно 3:1. При таком соотношении обожженная пластина не искривлялась. В то же время было отмечено, что керамические пленки, металлизированные пастой, содержащей 100% вольфрама искривлялись в сторону керамики, а пленки, металлизированные пастой, содержащей 100% молибдена искривлялись в сторону металлизированного слоя.

Найденное соотношение определило процентное весовое содержание вольфрама (75%) и молибдена (25%) в минеральной части пасты.

Определение органической связки. В качестве органической связки опробован раствор поливинилбутираля в терпинеоле.

В процессе подбора было установлено, что проводниковая паста на этилцеллюлозе при металлизации межслойных переходов не полностью заполняла отверстия, а паста на поливинилбутирале хорошо заполняла отверстия и выходила на противоположную сторону керамического слоя.

Анализ поведения паст установил, что некачественное заполнение отверстий пастой первого варианта связан с плохой смачиваемостью пластифицированной керамики этилцеллюлозой.

В случае металлизации отверстий пастой второго варианта была хорошая совместимость пасты и пластифицированной керамики. В результате выбор органического связующего пал на поливинилбутираль.

Разработка состава пасты. Для обеспечения требований к металлической и органической частям пасты было составлено несколько вариантов рецептуры. После проведения экспериментов было оставлено два состава проводниковой пасты:

состав №1 - для заполнения отверстий;

состав №2 - для получения плоских проводников.

Они получили условное обозначение соответственно ПВМ-1 и ПВМ-2 (паста вольфрамо-молибденовая состав № 1 и состав № 2).

Для создания изделий из керамики по толстоплёночной технологии используют специальные пасты и сеткотрафареты. К толстоплёночной технологии также относится низкотемпературная совместно спекаемая керамика (LTCC), где в качестве основы используют сырые керамические листы.

Многослойные керамические платы первоначально изготавливались из оксида алюминия Al2O3 (High Temperature Cofired Ceramic — HTCC-технология). Данный материал обжигался при высоких температурах (Т ≥1500°C), поэтому слои металлизации выполнялись только из тугоплавких металлов: вольфрама и молибдена. Это вносило ряд ограничений в функциональные возможности приборов, в усовершенствование технологии и снижение стоимости производства.

Своё дальнейшее развитие многослойная керамика получила с внедрением технологии LTCC, когда керамику начали смешивать со специальными стеклами . Температура обжига керамики снизилась до 850°С, что привело к существенному упрощению производственного процесса. В настоящее время к технологии LTCC относят керамику, обжигаемую при температурах ниже 1000°C.

Низкие потери СВЧ и относительно невысокая стоимость производства являются ключевыми преимуществами LTCC-технологии для ВЧ- и СВЧ-приборов. По стоимости LTCC-технология приближается к технологии изготовления печатных плат на основе FR-4, а по своим диэлектрическим характеристикам низкотемпературная керамика сопоставима с алюмооксидной керамикой.

Основные преимущества и применение-LTCC технологии

Очень хорошие электрические характеристики и стабильность до миллиметровых длин волн. В зависимости от используемых материалов диэлектрическая проницаемость низкотемпературной керамики варьируется от 6 до 9, а тангенс угла диэлектрических потерь от 0,001 до 0,006 в гигагерцовом диапазоне. В качестве металлизации используются металлы с низким удельным сопротивлением (Ag, Au, Pt).
Превосходная механическая стабильность и сохранение линейных размеров. Это преимущество возникает не только из-за малого коэффициента теплового расширения (5-7 мкм/мС), но и из-за эластичных свойств в широком диапазоне температур.
Низкий КТР. КТР низкотемпературной керамики близок к КТР основных полупроводниковых материалов электроники (Si, GaAs, InP). Это позволяет монтировать полупроводниковые кристаллы непосредственно на основание платы.
Хорошая теплопроводность. Теплопроводность LTCC-керамики составляет 2-4 Вт/мК, что гораздо выше, чем у печатных плат на основе органических материалов (0,1-0,5 Вт/мК). Теплопроводность LTCC также может быть улучшена за счёт создания тепловых стоков с помощью металлизации (до 20 Вт/мК).
Возможность 3D-интеграции. Можно легко создавать полости, отверстия, ограничители, встроенные пассивные компоненты.
Герметичность и возможность высокотемпературной пайки. Плотная структура LTCC-керамики не пропускает влагу, поэтому корпуса из керамики могут быть использованы в атмосфере с высокой влажностью без дополнительной защиты. Также LTCC-материалы в отличие от органических сохраняют свои свойства во влажной среде (бОльшая часть органических материалов сильно подвержена влиянию влаги).

В дополнение к этому технология LTCC доказала свою надёжность и экономическую эффективность в широком спектре задач СВЧ-электроники. Благодаря всем вышеперечисленным особенностям, LTCC-технология нашла широкое применение в создании многослойных плат для высокочастотных электронных приборов, корпусов микросхем и выступает в качестве альтернативы многослойным печатным платам из стеклотекстолита и высокотемпературной керамики.

Микросхемы с корпусами на основе низкотемпературной совместно обжигаемой керамики успешно применяются в автомобильной, потребительской электронике, телекоммуникациях, спутниковых системах и в военных изделиях. Миллионы устройств уже созданы на основе LTCC-технологии и функционируют в настоящее время.

Изначально LTCC-технология использовалась для крупносерийного производства СВЧ-устройств. Но благодаря своим диэлектрическим и механическим свойствам, а также надёжности и стабильности, низкотемпературная керамика начала активно применяться и для производства различных сенсоров, механических систем (МЭМС-устройств) и трёхмерных интегрированных структур.

Технология производства LTCC

Процесс производства изделий из LTCC-керамики начинается с создания керамической суспензии путём смешивания керамического порошка, органических связующих, растворителей и модифицирующих добавок. Из суспензии впоследствии формируется керамическая лента. Лента нарезается на листы необходимых размеров в соответствии с имеющимся оборудованием. Затем производится формирование переходных отверстий, заполнение переходных отверстий проводящей пастой и формирование топологии с помощью специальных проводящих и резистивных паст. Керамические листы совмещаются, ламинируются, разрезаются на отдельные элементы и обжигаются. Процесс термообработки керамики, как правило, состоит из этапа изостатического ламинирования при температурах 60-70 °С под давлением, этапа выжигания органики при температурах 450-500 °С в течение 2-2,5 часов, затем следует обжиг при температуре 850 °С в течение 10 минут.

Низкие температуры обжига позволяют использовать металлы с низким удельным сопротивлением (золото, серебро). Это является одним из ключевых преимуществ LTCC-технологии, поскольку позволяет существенно снизить стоимость создания многослойной керамической структуры и улучшить характеристики. Использование серебра снижает электрическое сопротивление проводящих слоёв, а окислительная атмосфера (воздух) даёт возможность совместно применять оксидную керамику с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости.

После обжига LTCC-керамика сохраняет свою структуру даже при воздействии высоких температур. Это позволяет создавать устройства, работающие в широком диапазоне температур. Керамика во время обжига становится более плотной и, как правило, даёт усадку в размерах на 9-15 % в плоскости листов (ось X, Y) и на 10-30 % в направлении, перпендикулярном плоскости листов (ось Z). Это необходимо учитывать как при проектировании систем на основе LTCC, так и при выборе проводящих/резистивных паст. Пасты должны иметь коэффициент усадки, схожий со значениями для керамических листов.

Основными материалами, необходимыми для производства LTCC-изделий, являются керамические порошки, специальные добавки, готовые керамические листы, а также пасты для создания проводников и встроенных пассивных компонентов. Все эти материалы объединяются в специальные LTCC-системы, в которых каждый компонент создан с учётом обеспечения химической и физической совместимости с другими элементами. Создание LTCC-системы – сложный наукоёмкий процесс, требующий существенных инвестиций. Поэтому, как правило, каждая LTCC-система представляет собой уникальное решение, и заменить один из его компонентов материалом другого производителя не представляется возможным.

Керамические листы

Керамические листы, сформированные из керамической суспензии, являются базовым материалом для производства изделий СВЧ-электроники. От качества керамических листов зависят стабильность и повторяемость параметров технологического процесса производства LTCC-устройств. Кроме того, характеристики керамических листов определяют функциональные возможности устройств, работающих на высоких частотах. Низкотемпературная керамика создаётся на основе кристаллизированного стекла или смеси стекла и керамики (Al₂O₃, Si₂O₃, PbO и т.д.). Свойства керамической ленты могут быть модифицированы добавками с различными электрическими и физическими свойствами (пьезоэлектрики, ферроэлектрики и т.д.) в зависимости от решаемой задачи. Коэффициент теплового расширения может быть подобран для согласования с алюмооксидной керамикой, кремнием или арсенидом галлия.

LTCC-керамика сохраняет свои характеристики в широком спектре частот и очень хорошо подходит для применения в высокочастотной технике. Материал керамики демонстрирует стабильность коэффициента диэлектрической проницаемости k и диэлектрических потерь.

Некоторые производители комбинируют в одном процессе материалы с низким значением диэлектрической проницаемости k и материалы с высокими значениями k. Это даёт возможность создавать внутренние конденсаторы высокой ёмкости, позволяя уменьшать размеры GaAs СВЧ-микросхем.

Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика продолжает совершенствоваться как в области технологических параметров, так и в области физических и электрических характеристик.

Пасты

Проводники, совместимые с низкотемпературной керамикой, являются важнейшей частью LTCC-систем. Металлизация может быть создана на основе золота, серебра или их совместного использования (серебряные пасты для формирования внутренних проводников, золотые для поверхности). Проводящие пасты легко наносятся методом трафаретной печати и дают возможность получать топологию с высоким разрешением. При совместном обжиге важными параметрами LTCC-металлизации являются усадка и тепловое расширение материалов. Они должны быть сопоставимы с параметрами для используемой керамики. Помимо этого, пасты для металлизации должны быть химически совместимы с материалом низкотемпературной керамики. Крупные производители, как правило, предлагают комплексные LTCC-системы, в которых керамические материалы и проводящие/резистивные пасты подобраны для получения полной совместимости.

Низкие потери СВЧ являются особенностью LTCC-систем. Проведенные исследования показали, что потери, связанные с проводниками, становятся сравнимыми с потерями в диэлектриках при частотах свыше 1 ГГц. Это необходимо учитывать при проектировании устройств и выборе системы LTCC-материалов (керамика + проводящие пасты). Потери в проводниках ограничены не только внутренним удельным сопротивлением, но и природой органической связки в пастах, геометрией и шероховатостью поверхности проводящих дорожек. Проводники на основе золота имеют более высокие потери, чем проводники на основе серебра, поскольку золото обладает бОльшим удельным электрическим сопротивлением (2,3 Ом-см у золота против 1,6 Ом-см у серебра). Очевидно, что переход на проводящие материалы на основе серебра не только снижает потери, но и уменьшает стоимость LTCC-системы.

Однако когда надёжность и использование проволочной микросварки являются основными критериями выбора технологии, проводники на основе золота более предпочтительны. Смешанные системы металлизации совмещают в себе достоинства золотых и серебряных проводников. В таких системах золото используется для создания поверхностных проводников, а серебро – для внутренних. Переход между двумя металлами осуществляется с помощью специальных паст, предотвращающих возникновение эффекта Киркендаля (взаимной диффузии атомов золота и серебра). Таким образом, система смешанной металлизации позволяет создавать относительно недорогие устройства с высоким быстродействием.

Компании производители LTCC-материалов предлагают широкий спектр материалов для создания резисторов и конденсаторов, встроенных в многослойную керамическую плату. Резистивные пасты позволяют создавать встроенные резисторы с сопротивлением от 10 до 10000 Ом/квадрат с допусками ±10 % и температурными коэффициентом сопротивления ±200 х 10 -6 C -1 . Параэлектрические и сегнетоэлектрические материалы доступны с диэлектрической проницаемостью от 5 до 2000, с минимально возможной толщиной нанесения 10 мкм, но не всегда удаётся обеспечить химическую совместимость материалов паст и керамики.

Развитие резистивных и диэлектрических материалов продолжается в направлении создания резисторов с высоким значением сопротивления, с более высокими допусками и низким значением температурного коэффициента сопротивления. Также производители материалов для LTCC-технологии стремятся создать химически совместимые диэлектрики с высокими значениями диэлектрической постоянной.

Материалы Ferro для LTCC-технологии

Компания Ferro получила широкую известность среди разработчиков и производителей СВЧ-электроники благодаря высоким техническим характеристикам, надёжности и качеству материалов для LTCC-технологии.

Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика Ferro более 20 лет присутствует на рынке СВЧ-электроники. Она активно применяется ведущими производителями для создания компонентов радарных систем, антенн, фильтров и телекоммуникационных изделий. Постоянные глубокие исследования в области материалов для электроники позволяют компании Ferro занимать лидирующие позиции на рынке. LTCC-системы включают в себя полный спектр материалов. Среди них керамический порошок, керамические ленты и листы, пасты для создания внутренних и внешних проводников, пасты для металлизации переходных отверстий, пасты для создания встроенных резисторов. Керамические материалы и металлические пасты подобраны с учётом полного согласования материалов.

Основные решения Ferro для LTCC-технологии представлены тремя основными системами материалов:

Система A6-M: основной компонент LTCC-керамики Ferro. Запатентованный стеклокерамический материал для высокочастотных приборов (до 110 ГГц) с низким значением вносимых потерь. Данная LTCC-система создана для изделий с повышенными требованиями к надёжности. Поставляется в виде керамической ленты. Металлизация на основе золота.
Система A6-S: альтернатива A6-M для СВЧ-изделий. A6-S создана на основе запатентованного кальциевого боросиликатного стекла для недорогих СВЧ-устройств, работающих в диапазоне от 2,45 до 100 ГГц. LTCC-система на основе смешанной металлизации (золото + серебро). Поставляется в виде керамической ленты или порошка.
Система L8: бюджетная альтернатива LTCC-системе A6. Стеклокерамический материал для модулей, корпусов, подложек и сложных LTCC-компонентов. Стабильное значение K и малые потери до 30 ГГц. Используется для создания низкочастотных и среднечастотных приборов для телекоммуникации, радарных систем, авионики, спутниковой техники и других задач. Поставляется в виде керамической ленты или порошка. Система совместима с золотой, серебряной и смешанными металлизациями, специально созданными для данной системы.

Основными преимуществами металлических паст Ferro, созданных для различных типов керамики, являются высокие характеристики и полная технологическая совместимость с керамическими листами. Металлические пасты Ferro отличаются высокой адгезией к керамическому основанию, соответствием КТР и коэффициентов усадки аналогичным параметрам керамических листов, низким удельным сопротивлением и стабильностью электрических характеристик. При термообработке в металлизации не образуются поры и пустоты. Металлизация для переходных отверстий позволяет создавать качественное соединение металлов разных уровней и не вызывает образования трещин в материале керамики. Поверхностная металлизация отличается высоким качеством поверхности, что позволяет в дальнейшем, в зависимости от задачи, осуществлять качественную пайку или сварку проволочных или ленточных выводов.