关键词：
氧化铝基复合陶瓷
低温共烧
Bi2O3
物理性能
微观形貌
介电性能
ANSYS
共烧
摘要：
随着高密度、高速度和高可靠性的主体结构微电子产品的产生,作为电子设备的保护元件,传统的熔断器由于体积大、易破碎、无法实现自动化安装等自身的缺陷已经不适应市场的需求。这就促使了电路保护元件向片式微型化、高安全可靠性、高精度方向发展,因此片式陶瓷熔断器的出现成为了必然趋势,其关键技术是:基板材料不但低温烧结,而且具有优良的介电性能;同时陶瓷基板材料与熔断金属可以进行低温共烧。因此,寻求熔断器基板所使用的陶瓷材料具有低烧结温度,也就是低温共烧陶瓷材料(LTCC)是目前一个研究发展趋势。
本文首先介绍了国内外LTCC材料的研究和发展,提出了低温共烧陶瓷工艺的关键技术;介绍了低温共烧陶瓷基板的种类,对目前比较成熟的LTCC体系进行了系统的介绍和比较,提出了本课题的研究背景、意义、课题内容。
采用X-射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪、宽频LCR数字电桥等测试仪器,系统研究了添加剂比例及烧结工艺参数对基体材料烧结性能、相组成、介电性能和力学性能等的影响规律;采用目前比较常用的氧化铝陶瓷和玻璃混合制备陶瓷基板材料,通过表观收缩率测试和分析,优选氧化铝和氧化铋作为主要研究对象,系统研究了烧结工艺参数(烧结温度、保温时间、升温速率等)对基体材料物相组分和断口形貌的影响规律,测试在1kHz、10kHz和100kHz三个频率下基体材料的介电性能。结果表明,在900°C-1000°C试样密度和收缩率达到最值;在900°C和950°C晶须的存在有可能是新相的生成引起的;介电性能变化规律性比较差,介电常数偏大;
由于单一的基体材料在满足片式熔断器基板使用性能方面还是存在局限性,后续选取Al2O3(40wt%-55wt%)、Bi2O33(25wt%-40wt%)、SiO210wt %、B2O39wt%、CaF21wt%来进行研究。在本实验段对SiO2、B2O3、CaF2等物质定量,主要分四组对氧化铝和氧化铋的不同质量比进行实验优化。材料的密度和收缩率随着温度的变化特性;烧结过程中各个配方的晶相组成,是否存在新相或异相;断口形貌的均匀性是热应力对显微结构影响的一个表现;在不同频率下测试各个组分材料的介电常数和介电损耗,这是研究的重点。结果表明,复合材料在各个方面性能相对单一的材料都有了很大的改善,致密化温度降低,气孔减少,试样介电性能良好。
片式熔断器作为一种轻薄小的新型元件,适用于结构紧凑,体积微小的各类电子产品中,因此对产品的精度要求很高,而在烧结陶瓷制品的过程中,对制件质量影响的因素最直接的就是烧结过程坯体的温度场变化过程即烧结温度曲线的制定,在传统的陶瓷烧结制备工艺中,烧结温度曲线完全由人的经验或者是借鉴已有的温度曲线来制定,对于新产品则通过试烧的方法,这存在资源浪费的缺点;本文采用通用分析软件ANSYS对坯体烧结过程的温度场进行分析模拟,摒弃了传统试烧的缺点,查看模拟结果跟实际试验结果的相符性,由此减少材料的浪费和对一些工序的重复性操作。
在确定基本材料的前提下,探索性研究基体材料与熔断单元的共烧。首先根据基体材料的烧结温度选择与之相匹配的熔断材料,分析熔断材料与银电极的界面结合性,并对今后实验提出了改良方法。
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