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2007 2007

2007 年年年年5555月月月月编写 编写 编写 编写: : : :何泓儒 何泓儒 何泓儒 何泓儒 吴孟 吴孟 吴孟 吴孟 一一一

一、 、 、 、介绍 介绍 介绍 介绍 在材料的领域中,大致可以分成三个部份:金属、高分子、与陶瓷.

陶瓷(ceramics)是人类发现的第一 个合成材料(synthetic material) ,同时也是发展最久远的工艺技术.陶瓷的基本定义为「金属与非金属的化 合物,经人为高温处理的无机非金属固体材料」 ,包括矽酸盐、氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物等, 它有不会燃烧、不会生锈、坚硬、可塑性等优点.早期被拿来制成器皿、艺术品,而今则发展於工业上或高科 技的产品,例如太空梭外壳的隔热片、电磁炉炉板、汽车引擎外壳等. 一般作为器皿或艺术品的陶瓷称为传统陶瓷 (classical ceramics)或贸易陶瓷 (traditional ceramics) , 而应用在高科技或工业的陶瓷称为新陶瓷 (new ceramics) 、精密陶瓷 (fine ceramics) 、高科技陶瓷 (high-tech ceramics)或特种陶瓷(special ceramics) ,这两种陶瓷材料都是无机非金属材料,不同的地方在於原料、特性、价值、制造条件,采精制的高纯度无机材料为原料,利用各种化学或物理方法控制组成及均匀度,再以乾 式压制、铸浆、或射出成形等方法成形后,经过反应及烧结,使其显微结构与物性、化性达到一定标准,再经 过加工制成成品.具有以下特性: 1. 高弹性系数 2. 高硬度 3. 高压缩强度 4. 低介电损失系数 5. 具宽广的热传倒系数 6. 低热膨胀系数 7. 高溶点 8. 具化学稳定性 9. 大量存在地表上 10. 有些陶瓷具超导性 精密陶瓷可分三大类:电子陶瓷(electronic ceramics) 、结构陶瓷(structural ceramics)或称工程陶 瓷(engineering ceramics) 、生医陶瓷(bioceramics) .其中以电子陶瓷的应用最为广泛,在电子工业占相当 重要的地位,依照工作特性区分为八大类: 1. 绝缘陶瓷(insulating ceramics) : 电子陶瓷最早发展的一支,在电路中作绝缘用,例如高压电塔上的绝缘碍子.在微电子系统中,主要是用 来作为积体电路的基版及封装,要求的基本条件为高电阻系数、低介电损以、低介电常数、高热传导率以及低 热膨胀系数,氧化铝(alumina,Al2O3)和氧化铍(beryllia,BeO)是最常用的材料.其中氧化铝具有比高分 子更高的热传系数及更强的机械强度,通常电路基板的氧化铝含量在 92至96之间.与氧化铍比较,氧化铍 各方面的特性却比氧化铝更佳,氧化铍的热传导比氧化铝高八倍,介电常数更小,因此产生的电容量小,讯号 传输速度较快,但缺点为价格昂贵且生产时会产生毒气.

2 2. 介电陶瓷(dielectric ceramics) : 在电子电路或电机设备中主要用来开发电容器.依照材料的介电性来分,可分为顺电性材料、强电性材料、 高频介电材料.由於目前电子元件追求小型化,因此将多层的电容做积层的串连,成为积层电容器,大量的以 表面黏著技术 (SMT) 使用在印刷电路版上,例如利用高频介电材料制成的高频共振元件,则运用在大哥大电话, 卫星通讯等高频通讯的领域. 目前一般电子电路所使用的电容器依特性分为三类: 第一类:温度补偿型,以顺电性材料制成. 第二类:高K型,以强电性材料制成. 第三类:半导型,可由顺电性材料或者强电性材料制成. 顺电性材料的主要特性就是介电系数小,因此低损失因数;

电容温度系数小且和温度呈线性关系,而且温 度系数小,因此适於作为温度补偿型.它的特性稳定,而且容易预知他受温度影响后的变化,因此常被使用在 某些需要高稳定性的电路上. 强电性材料,又称铁电性材料,其基本特性和顺电性材料完全不一样.拥有高介电系数,容易受温度影响 且变化为非线性.其宇顺电性材料的差别列於下表: 相对介电系数 D-E 关系 电容温度系数 介电损 顺电性 小(1500) 非线性 大大而强电性材料与顺电性材料的最大差异在於其会有自发极化现象,且随外加电场而改变方向.在电场作用下会 产生如磁愕牡窒,当施加电场最大时有一最大极化值,此时除去电场,极化值并不会降为零,而有一 残留极化值存在,此残留极化值可经由施加一大於矫顽电场的电场予以消除. 半导型材料,以钛酸钡(BaTiO3)或钛酸缌(SrTiO3)为原料,加入五价或三价元素可使其具有半导性.依3照处理方式可分为障壁层型、再氧化型、晶粒界面绝缘型三种基本型态,如下图为三种型态以及其等价的电路. 3. 压电陶瓷(piezoelectric ceramics) : 目前用途较广且产量较大的电子陶瓷元件,除了介电陶瓷以外,就是压电陶瓷和磁性陶瓷. 压电现象在

1880 年被发现,是一种机电转换现象,包括: 1. 正压电效应(direct piezoelectric effect) :当一力作用於压电材料的两端时,会产生一与力成正比的 电荷量或者是电压,当力的方向相反时,电荷与电压的特性也会相反. 2. 反压电效应(converse piezoelectric effect) :当一直流电场加入压电材料中,压电材料的形状会随著 电场大小而改变,而电场方向改变时,形变方向也随之改变.若加入的电场为交流电,材料的形变也会随 著交流而改变. 利用它所制成的产品种类相当多,主要应用的材料是 PZT(Pb(ZrTi)O3) ,它可加入不同杂质或者第三成 份,来改变特性.瓦斯炉的点火器,扬声器,超音波震荡器,驱动器,超音波马达,都是运用机械能与电能的 互换特性所制成,此外还可以制成压电变压器与滤波器,应用相当广泛.

4 4. 焦电陶瓷(pyroelectric ceramics) : 所谓焦电性,指当周遭温度变化时,材料本身会产生表面电荷而形成电压或电流来表示温度变化的一种现 象,可以下列方程式表示: ( ) ( ) dT dP T p dt dT T Ap I = = 其中 I 为产生的电流 ,A 为常数 ,P 为极化量 , T 为温度 (K) ,p (T) 为材料的焦电系数 (pyroelectric coefficient) 具有压电性的材料通常也具有焦电性,常用来制作焦电性应用元件的是 PZT、PLZT、BaTiO3 等.利用陶瓷的 焦电特性,可以制成红外线侦测器,用以高温计、辐射计、警报系统、与热影像等用途上. 5. 磁性陶瓷(magnetic ceramics) : 磁性材料根猛绱帕煞治溉怼 、 「硬」两种,以磁铁来说,矫顽磁力小的软磁铁容易去磁,矫顽磁力 大的硬磁铁则可将它磁化成为永久磁铁,因此,磁性陶瓷就是可以具有磁性的陶瓷.由於陶瓷所具有的磁性强 度是别的材料所没有的,因此大量被用在制作电感或变压器的磁蕊,磁性记忆材料 (如软硬碟或磁带上的涂膜) , 各种微波元件,与扬声器、马达等等. 6. 电光陶瓷(electrooptic ceramics)或透明陶瓷(transparent ceramics) : 电光陶瓷是指具有强电性的陶瓷体,当改变加於其两端的电压时,可以控制通过光线的型态,常运用在光 学元件上,例如 PLZT(lanthanum-substituted lead zirconate titanate, (Pa,La) (Zr,Ti)O3)可制成透 明的陶瓷,透光率达 98,经过电场极化后,不同极化状态的光穿过陶瓷时会产生相位差,若配合适当的偏光 装置於光径中,则在某些相位差时,光线无法通过,某些可大部分通过.由於相位差可靠电场控制,因此电场 可以控制光线的穿透率,而成为电光陶瓷. PZLT 已经有许多应用,如做为相机快门,利用电场控制光线的通过与否,不需如传统机械快门的复杂,又 可作为滤色片、影像储存元件、影像显示元件、护目镜、光调变器,或使光左右扫瞄的偏光器,用途极广.

5 7. 半导性陶瓷(semiconducting ceramics) : 一般人都认为陶瓷是绝缘体,其实经过适当的处理,半导体也可以具有半导体的性质.一般半导体的载子 通常为电子或电洞,而陶瓷半导体除了电子、电洞,还可以为离子.此外,一般半导体可以制成 pn 接面,但陶 瓷半导体只能分别制成 p 型或 n 型半导体,无法制作成 pn 接面. 添加氧化锌与数种适当物可以制成变阻器,由於它具有吸收突波的特性,可以用来保护电子元件,防止突 波的破坏.因为无法制作成 pn 接面,所以无法担任整流或放大的工作,主要用来制作各种感应器.有些半导性 陶瓷的导电性因温度的不同变化很大,可以用来量测温度,以PTC 陶瓷做加热器具有自动控温的特能,如陶瓷 暖炉,还可以做湿度或气体感测器,具有元件简单,但灵敏度高的特性. 8. 超导陶瓷(superconducting ceramics) : 所谓超导现象,是指在某一临界温度下物体电阻为零的现象.利用超导现象可以用来作为电力输送与超导 磁铁之用,虽然许多物质在接近 0K 的温度都具有超导性,但陶瓷超导体的临界温度极高,因此被开发为高温超 导,在液态氮冷却的情况下就可以呈现超导现象,大幅降低冷却成本,是最具明星像的超导材料. 二二二

二、 、 、 、制作技术 制作技术 制作技术 制作技术: : : : 单晶片模组技术尚未实用化之前,被动元件在成本及特性的因素下,无法完全整合於 IC 内,必须利用外接 的方式来达到功能模组,但是因为在功能模组上所使用的被动元件数目相当多,容易造成可靠度低、高生产成 本及基板面积不易缩小等缺点,所以利用低温共烧多层陶瓷(Low-Temperature Co-fired Ceramics;

LTCC)技 术来克服上述的缺点.低温共烧多层陶瓷技术能使得模组缩小及降低成本,可以堆叠数个厚度只有几微米的陶 瓷基板,并且嵌入被动元件以及其他 IC,所以近年来 LTCC 是被动元件产业极力开发的技术,如今成为电子元 件积集化、模组化的主要方式. 低温共烧多层陶瓷技术是将陶瓷材料作为基板,将低电容值电容、电阻、耦合等元件埋入多层陶瓷基板中, 采用低电阻金属共烧作为电极,再使用平行印刷来涂布电路,最后在摄氏 850~900 度中烧结而形成整合式陶瓷 元件. 电子元件的模组化已成为产品必然的趋势,目前可供选择的模组基板包括了 LTCC、HTCC(高温共烧陶瓷) 、 传统的 PCB 如FR4 和PTFE(高性能聚四氟已烯)等,但LTCC 技术生产是目前各业者积极开发的主要目标.

6 不过由於 HTCC 的烧结温度需在 1500℃以上,而采用的高熔点金属导电性能较差,所以烧结后的收缩并不 如LTCC,但HTCC 是一种成熟技术,产业界已对材料和技术已有相当的t解.在介电损耗方面,RF4 要比 LTCC 来的高,而虽然 PTFE 的损耗较低,但绝缘性却不如 LTCC.所以 LTCC 比大多数有机基板材料提供了更好地控制 能力,在高频性能、尺寸和成本方面,比较之下 LTCC 比其他基板更为出色. 利用 LTCC 技术开发的被动元件和模组具有许多优点,例如使用导电率高的金属材料作为导体会提高电路系 统的品质;

能够适应大电流且耐高温,并具备优良的热传导性;

可将被动元件嵌入多层电路基板中,增加电路 的组装密度,使元件体积缩小;

具有较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数,可以制作线宽小於 50μm 的细线结构. 以下是 LTCC 和HTCC 各项特性的比较: 特点 HTCC LTCC 优点 材料与技术成熟 X 生产效率高 设计周期短 X 对设计变化的回应快 开发费用低 X 试制成本低 印刷解析度高 X 高频应用 层数不受限制 X 能达到最高电路密度 烧结过程 X 沿用现有的厚膜材料 技术选择广泛 X 设计灵活度最大 焊接 X 封装设计简便 严密的技术控制 X 提高总生产效率 对晶片引线和表面组装设备的适应性 X 设计的机动性强 翘曲度小 X 提供线焊设备生产效率 表面粗糙度小 X 高频性能较好 顶层尺寸稳定程度高 X 提高线焊设备生产效率的稳定程度 热胀系数与氧化铝或矽的匹配程度佳 X 提高组装能力 热导率高 X 热特性良好 密封性佳 X 提高封装 导体的电导率高 X 采用细线和小空间设计 介质特性控制优良 X 电性更相容 机械强度高 X 封装更牢固 三三三

三、 、 、 、应用 应用 应用 应用 电子记忆体,电脑内部的记忆体,用来存取电脑「立刻」要用的程式或资料.电子记忆体主要的功能分成 两类,一是动态随机记忆体,强调快速存取,但不能永久记忆;

二是非挥发性的唯读记忆体,拥有永久记忆的 功能,却无法进行快速的存取.由於这两种功能无法同时兼具,因此学者与科学家无不致力於此,寻求解决的 方法. 近年来,电子元件集积度增加,元件尺寸越来越小,过往的技术已面临困难,寻求新材料又会提高制作的 成本,因此开发新的介电材料以及薄膜技术成为努力的方向.介电陶瓷中的强电性材料具有优越的介电性、铁 电性、压电性及焦电性,配合近年来薄膜制造技术的进步,以可制造出高品质的产品,称为铁电薄膜,具有较 高的介电系数,可应用於动态随机记忆体(Dynamic RAM,DRAM) ,而高自发极化值则可应用於非挥发性唯读记 忆体,因此铁电薄膜为解决的方法找到了一丝曙光. 元件资料的储存乃是利用强电性材料在极化后仍具残留极化值,於外加电压去除后仍能保存原有状态,因7此利用强电性材料其电叩囊徊糠-具有电窒,可应用於非挥发性记忆元件.依结构可分为两大类: 第一类是以 MFSFET(Metal-Ferroelectric-Semiconductor Field Effect Transistor)为基本架构之铁 电非挥发性记忆体(FET type) ................