Viele Sinterkörpermaterialien, die hauptsächlich aus Oxiden bestehen, werden häufig bei der Herstellung elektronischer Funktionsbauteile verwendet. Der Herstellungsprozess von elektronischer Keramik ist ungefähr der gleiche wie der von traditioneller Keramik.
Elektronische Keramik, oder Keramik für die Elektronikindustrie, unterscheiden sich in der chemischen Zusammensetzung grundlegend von allgemeinen Keramiken für elektrische Energie, Mikrostruktur und elektromechanische Eigenschaften. Diese Unterschiede werden durch eine Reihe spezieller technischer Anforderungen der Elektronikindustrie an elektronische Keramiken gebildet, das wichtigste davon ist eine hohe mechanische Festigkeit, hohe Temperatur- und Feuchtigkeitsbeständigkeit, Strahlungsbeständigkeit, und ein breites Spektrum an Dielektrizitätskonstanten. Der Tangentenwert des dielektrischen Verlusts ist klein, und der Kapazitätstemperaturkoeffizient kann eingestellt werden (oder die Kapazitätsänderungsrate kann angepasst werden). Hohe Spannungsfestigkeit und Isolationswiderstand, und ausgezeichnete Alterungsleistung.
Elektronische Keramik lassen sich nach ihrer Funktion und Verwendung in fünf Kategorien einteilen: isolierende Keramik, Kondensatorkeramik, ferroelektrische Keramik, Halbleiterkeramik und Ionenkeramik.
Isoliergerät Keramik
Als Geräteporzellan bezeichnet, es hat ausgezeichnete elektrische Isolationseigenschaften und wird als elektronische Keramik für Strukturteile verwendet, Substrate und Gehäuse in elektronischen Geräten und Geräten. Isoliergerät Porzellan enthält verschiedene Isolatoren, Spulenrahmen, Rohrhalter, Bandschalter, Kondensatorhalterungen, Substrate für integrierte Schaltungen und Gehäuseschalen. Die Grundvoraussetzungen für diese Art von Porzellan sind eine niedrige Dielektrizitätskonstante ε, kleiner dielektrischer Verlust tanδ, hoher Isolationswiderstand ρ, hohe Durchschlagsfestigkeit E, und gute dielektrische Temperatur- und Frequenzeigenschaften. Zusätzlich, höhere mechanische Festigkeit und chemische Beständigkeit sind ebenfalls erforderlich.
Unter diesen Keramikarten, Talkporzellan und Tonerdeporzellan werden am häufigsten verwendet. Ihre Hauptkomponenten der kristallinen Phase sind bzw.. Talkporzellan hat eine ausgezeichnete elektrische Isolierung und niedrige Kosten, und ist ein typisches Hochfrequenz-Geräteporzellan, das in Radiofrequenzbändern verwendet wird. Tonerdeporzellan ist eine Art Hochfrequenz, Hochtemperatur- und hochfestes Geräteporzellan mit besserer elektrischer Isolierung. Seine elektrischen und physikalischen Eigenschaften nehmen mit steigendem Aluminiumoxidgehalt zu. Häufig verwendet werden Porzellan mit hohem Tonerdegehalt 75%, 95%, und 99% Aluminiumoxid. In einigen sehr anspruchsvollen integrierten Schaltkreisen, sogar reines Korundporzellan mit einem Aluminiumoxidgehalt von 99.9% wird genutzt, deren Eigenschaften denen von Saphir-Einkristallen ähneln. Die Nachteile von Porzellan mit hohem Tonerdegehalt, besonders reines Korundporzellan, sind schwierig in der Herstellung, hohe Brenntemperatur und hoher Preis.
Es gibt auch eine Art von Porzellan mit hoher Wärmeleitfähigkeit, das durch Berylliumoxid repräsentiert wird (Leopard) im Gerät Porzellan. Die Wärmeleitfähigkeit von Berylliumoxid-Porzellan mit BeO95% bei Raumtemperatur entspricht der von Metall. Berylliumoxid hat auch gute dielektrische Eigenschaften, Temperaturbeständigkeit und hohe mechanische Festigkeit. Der Nachteil ist, dass der Rohstoff von BeO sehr giftig ist, und die Keramik hat eine hohe Brenntemperatur, was seine Anwendung einschränkt. Bornitrid (BN) Porzellan und Aluminiumnitrid (AlN) Porzellan sind auch Porzellane mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Obwohl ihre Wärmeleitfähigkeit nicht so gut ist wie die von Berylliumoxid-Porzellan, sie sind ungiftig, Verarbeitbarkeit und dielektrische Eigenschaften sind gut, und kann für Hochfrequenz- und Hochleistungstransistoren verwendet werden. Wird zur Wärmeableitung und Isolierung in großen integrierten Schaltkreisen verwendet.
Entwickelt eine Art heißgepresste Keramik mit SiC als Basismaterial und dotiert mit einer geringen Menge BeO und anderen Verunreinigungen. Diese Art von Keramik hat ausgezeichnete Isolationseigenschaften, und seine Wärmeleitfähigkeit ist höher als die von Berylliumoxid-Porzellan mit einer Reinheit von 99%. Sein thermischer Ausdehnungskoeffizient liegt in einem weiten Temperaturbereich nahe dem von Silizium-Einkristallen, und wird voraussichtlich in großen integrierten Schaltungen mit großer Verlustleistung verwendet.
Alkaliarmes Feldspatporzellan, die als Matrix von Kohleschicht- und Metallschichtwiderständen verwendet wird, ist auch ein wichtiges und preiswertes Gerät Porzellan, aber sein dielektrischer Verlust ist groß und es ist nicht für den Einsatz bei hohen Frequenzen geeignet.
Kondensatorkeramik
Elektronische Keramiken als Kondensatordielektrika. Diese Art von Keramik hat den größten Verbrauch und die größte Vielfalt an Spezifikationen. Die wichtigsten sind Hochfrequenz- und Niederfrequenz-Kondensatorkeramiken und Halbleiterkondensatorkeramiken.
Hochfrequenz-Kondensatorporzellan gehört zur Klasse I Kondensatorporzellan, hauptsächlich zur Herstellung von hochstabilen Keramikkondensatoren und Temperaturkompensationskondensatoren in Hochfrequenzkreisen verwendet. Die Hauptbestandteile dieser Art von Keramiken sind meist Erdalkali- oder Seltenerdmetalltitanate und Mischkristalle auf Titanatbasis (Tisch 1).
Elektronische Keramik
Durch die Auswahl unterschiedlicher Keramikkomponenten können Hochfrequenz-Kondensatorkeramiken mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten erhalten werden, Tangens des dielektrischen Verlusts tanδ und dielektrischer Temperaturkoeffizient αε, um die Anforderungen verschiedener Temperaturkompensationen zu erfüllen. Das Bariumtetratitanat-Porzellan in der Tabelle ist nicht nur ein Kondensatordielektrikum mit hoher thermischer Stabilität, aber auch ein ausgezeichnetes dielektrisches Mikrowellenmaterial.
Niederfrequenz-Kondensatorporzellan gehört zur Klasse Ⅱ Kondensatorporzellan, die hauptsächlich zur Herstellung von Keramikkondensatoren für Bypass verwendet wird, DC-Blockierung und -Filterung in Niederfrequenzkreisen. Die Hauptmerkmale sind eine hohe Dielektrizitätskonstante ε, großer Verlusttangente, und große Änderungsrate von tanδ und ε mit der Temperatur. Die am häufigsten verwendete Keramik dieser Art ist das ferroelektrische Bariumtitanat (BaTiO3) als Hauptbestandteil, die durch Dotierungsmodifikation mit hohem ε (bis zu 20000 bei Raumtemperatur) und niedrige ε Temperaturänderungsrate. Niedertemperatur-gesinterte monolithische Niederfrequenz-Kondensatorkeramik, die hauptsächlich aus ferroelektrischem Blei-Magnesium-Niobat mit sanftem Phasenwechsel besteht (PbMg1/3Nb2/3O3) sind auch wichtige niederfrequente Kondensatorkeramiken.
Halbleiterkondensatorkeramik Die auf der Außenfläche der halbleiterisierten Keramik oder der Innenfläche gebildete Isolierschicht (Korngrenze) zwischen den Kristallkörnern befindet sich eine elektronische Keramik, die das Kondensatordielektrikum ist. Darunter, Der Grenzschichtkondensator, der unter Nutzung der dielektrischen Eigenschaften der keramischen Korngrenzschicht hergestellt wird, ist ein neuer Typ von Hochleistungskondensatoren mit hoher Zuverlässigkeit, die einen kleinen dielektrischen Verlust hat, hoher Isolationswiderstand und hohe Arbeitsspannung. Die scheinbare Dielektrizitätskonstante dieser Keramik ist extrem hoch (bis zu 105), geringer dielektrischer Verlust (weniger als 1%), hoher Durchgangswiderstand (höher als 1011 Ohm·cm), und hohe dielektrische Dispersionsfrequenz (Oben 1 GHz) ), gute Feuchtigkeitsbeständigkeit, ist ein leistungsstarkes, hochstabiles Kondensatormedium. Ferroelektrische Keramiken Elektronische Keramiken mit ferroelektrischen Kristallen als Hauptkristallphase. Es wurden nicht weniger als tausend Arten von ferroelektrischen Kristallen entdeckt, aber als Hauptkristallphase ferroelektrischer Keramiken, es gibt hauptsächlich ferroelektrische Kristalle oder feste Lösungen vom Perowskit- oder Quasi-Perowskit-Typ. In einem bestimmten Temperaturbereich, Im Kristall gibt es eine spontane Polarisation, die mit dem angelegten elektrischen Feld ihre Richtung ändern kann. Dies ist die Ferroelektrizität des Kristalls. Wenn die Temperatur einen bestimmten kritischen Wert überschreitet ─ ─ Curie-Temperatur TC, seine Polarisationsintensität sinkt auf Null, der Kristall verliert Ferroelektrizität, und wird zu einem normalen paraelektrischen Kristall; zur selben Zeit, der Kristall durchläuft eine ferroelektrische Phase zu einer paraelektrischen Phase Phasenwechsel. Auch die Polarisationsintensität von Ferroelektrika ändert sich drastisch mit dem elektrischen Feld.
Elektronische Keramik
Ein wichtiges mikroskopisches Merkmal der Ferroelektrika ist die elektrische Domänenstruktur, das ist, Ferroelektrika haben viele kleine Bereiche, die in einer bestimmten Richtung spontan bis zur Sättigung polarisiert sind ─ ─ elektrische Domänen. Diese Domänen mit unterschiedlichen Orientierungen sind durch Domänenwände getrennt. Unter Einwirkung eines relativ starken äußeren elektrischen Feldes, dieser Multidomänenkristall kann durch das elektrische Feld gezwungen werden, sich zu orientieren und zu einem Einzeldomänenkristall zu werden. Dieser dynamische Prozess, bei dem elektrische Domänen ihre Orientierung mit einem externen elektrischen Feld umkehren, einschließlich der Bewegung von Domänenwänden und der Keimbildung und des Wachstums neuer Domänen.
Ferroelektrische Keramik
Multifunktional und vielseitig. Mit seinen piezoelektrischen Eigenschaften können piezoelektrische Geräte hergestellt werden, das ist die Hauptanwendung von ferroelektrischer Keramik, daher werden ferroelektrische Keramiken oft als piezoelektrische Keramiken bezeichnet. Nutzung der pyroelektrischen Eigenschaften ferroelektrischer Keramiken (die Wirkung der Freisetzung von Ladungen auf der Oberfläche des ferroelektrischen Körpers aufgrund der Änderung der Polarisationsintensität bei Temperaturänderungen) kann zu Infrarotdetektoren verarbeitet werden, die in der Temperaturmessung verwendet werden können, Temperaturkontrolle, Fernerkundung, und Biologie, Medizin und andere Bereiche haben einen wichtigen Anwendungswert. Typische pyroelektrische Keramiken umfassen Bleititanat (PbTiO3) und so weiter. Ausnutzung des starken elektrooptischen Effekts der transparenten ferroelektrischen Keramik PLZT (Lanthan-dotiertes Blei-Zirkonat-Titanat) (die optischen Eigenschaften der transparenten ferroelektrischen Keramik werden durch die Kontrolle des Domänenzustands der transparenten ferroelektrischen Keramik durch ein externes elektrisches Feld verändert, wodurch elektronisch gesteuerte Doppelbrechung und elektronisch gesteuertes Licht gezeigt werden Der Effekt der Streuung) können zu neuen Geräten wie Lasermodulatoren verarbeitet werden, Lichtschranken, optische Informationsspeicherung, optische Schalter, Lichtschranken, Bildspeicher und Displays, und Laser- oder Nuklearstrahlenschutzbrillen.
Halbleiterkeramik
Elektronische Keramik mit halbleitenden Kristallkörnern und isolierenden (oder halbleitend) Korngrenzen durch Halbleiterisierungsmaßnahmen, dadurch starke Grenzflächenbarrieren und andere Halbleitereigenschaften.
Es gibt zwei Hauptmethoden der keramischen Halbleiterisierung: erzwungene Reduktionsmethode und Donor-Dotierungsmethode (auch bekannt als atomare Valenzkontrollmethode). Beide Methoden sollen Defekte wie Ionenfehlstellen in den Keramikkristallen bilden, wodurch eine große Anzahl leitfähiger Elektronen bereitgestellt wird, damit die Kristallkörner in der Keramik zu einem bestimmten Typ werden (normalerweise N-Typ) Halbleiter. Die Zwischenschicht zwischen diesen Kristallkörnern ist eine Isolierschicht oder ein anderer Typ (P-Typ) Halbleiterschicht.
Es gibt viele Arten von Halbleiterkeramiken, einschließlich verschiedener Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten aus der Natur der Kristallkörner in Halbleiterkeramiken; Halbleiterkondensatoren aus Korngrenzeneigenschaften, ZnO-Varistoren, und BaTiO3-Serie Thermistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten Widerstände, CdS/Cu2S-Solarzellen; und verschiedene keramische feuchtigkeitsempfindliche Widerstände und gasempfindliche Widerstände aus Oberflächeneigenschaften. Tisch 2 listet typische Halbleiterkeramiken für Sensoren auf.
Photoelektrische CdS/Cu2S-Keramiken unterscheiden sich von den in der obigen Tabelle aufgeführten Halbleiterkeramiken, die die Eigenschaften der isolierenden Korngrenzschicht nutzen. Es nutzt den photovoltaischen Effekt des PN-Heteroübergangs zwischen der N-Typ-CdS- und der P-Typ-Cu2S-Korngrenzschicht. Die damit hergestellte keramische Solarzelle kann als Stromquelle für unbeaufsichtigte Stationen und als photoelektrische Kopplungseinrichtung in elektronischen Instrumenten verwendet werden.
Ionische Keramik
Elektronische Keramik mit schneller Ionenleitfähigkeit. Es hat die Eigenschaften einer schnellen Lieferung von positiven Ionen. Der typische Vertreter ist β-Al2O3-Porzellan. Die Ionenleitfähigkeit dieser Art von Keramik kann erreichen 0.1/(Ohm·cm) bei 300℃, die verwendet werden können, um sparsamere Feststoffbatterien mit hohem Energieverhältnis herzustellen, und kann auch langsam entladende Kondensatoren mit hoher Energiespeicherdichte herstellen. Es ist ein Material, das hilft, Energieprobleme zu lösen.
Vom FUBOON Advanced-Ingenieurteam.
