玻璃陶瓷——電器元件特殊的基片材料

摘要:本文對作為厚膜電器元件基片材料的玻璃陶瓷與氧化鋁陶瓷的性能進行了比較，結果表明，玻璃陶瓷基片能使厚膜電器元件具有更高的工作溫度。

關鍵詞:玻璃陶瓷;基片;電器元件

1引 言

玻璃陶瓷是在稀有金屬氧化物作為成核助劑的作用下，以純凈的玻璃或玻璃渣成核并結晶而形成的材料，俗稱LAS類材料，即以“Li2O-Al2O3-SiO2”三元系統相圖為基礎構成的材料。與其它常用陶瓷基片(例如:氧化鋁陶瓷基片)正好相反，玻璃陶瓷基片呈現出良好的熱力學性能，即使使用溫度高達400℃以上，玻璃陶瓷基片的電阻率和功率消耗仍然非常低。此外，LAS類材料還具有較低的熱膨脹系數和較高的抗熱震性能等。

目前，日本NEC(Nippon Electric Company)公司已經工業化批量生產了兩種LAS類玻璃陶瓷材料——商業名稱分別為NEOCERAM 0和NEOCERAM 11玻璃陶瓷材料，試驗表明，它們是制作厚膜電器元件中作為絲網印刷的最佳基片材料。同時，試驗還完成和研制了8種涂覆于基片上的絲網印刷軟膏(俗稱焊膏)。這樣就積累了焊膏與基片之間的粘附力(附著力)及化學成分兼容性方面的經驗，同時還完成了所有試驗樣品的燒結。

將所獲得的不同成分和屬性(包括導體和電阻器)的玻璃陶瓷基片厚膜電器元件的電阻率，與使用相同焊膏通過絲網印刷制成的氧化鋁陶瓷基片厚膜電器元件的電阻率進行了對比。同時，為了測定NEOCERAM玻璃陶瓷材料的性能，對其進行了一系列的物理和化學性能測試，其結果摘錄于表1。此外，通過X射線衍射檢測儀檢測分析表明，NEOCERAM 11玻璃陶瓷材料僅含有鋰輝石的結晶相(JCPDS21-503)，而NEOCERAM 0玻璃陶瓷材料則主要含有類似于堇青石的結晶相(JCPDS14-249)。

2絲網印刷試驗

采用的絲網印刷軟膏的主要成分及最高允許工作溫度(Tf)如表2所示。為便于比較，將絲網印刷軟膏同時印刷在NEOCERAM玻璃陶瓷基片和氧化鋁陶瓷基片上。盡管玻璃陶瓷和氧化鋁陶瓷在表面組織構造方面具有很大的區別，但是據絲網印刷軟膏的粘附力測試表明，它們是具有相同粘附力等級的同一類基片材料。同時，采用4極檢測儀對絲網印刷后不同材質基片的厚膜電器元件的電阻率進行測試，實測值如表3所示，表中還列出了生產廠家提供的參考值。

構件表面積相同(如:1\"×1\")的NEOCERAM 11玻璃陶瓷基片和氧化鋁陶瓷基片的功率消耗對照如表4所示。從表4可知，在功率消耗相同的情況下，與氧化鋁陶瓷基片相比，玻璃陶瓷基片所產生的峰值溫度(基片背面的實測溫度)應低一些，即功率消耗相同時，氧化鋁陶瓷基片的允許工作溫度應低一些。這對微電子混合電路元件裝置來說非常重要，因為整個電路元件裝置的功率消耗取決于任何一個單獨元件的功率消耗。

3結 論

從以上試驗數據分析來看，顯然在大多數情況下，厚膜電器元件的電氣學性能在基片內表現得不夠靈敏，但須注意也有例外(如:部分使用Engdhardt及8110絲網印刷軟膏的厚膜電器元件)，它們與其它厚膜電器元件的區別是:在涂覆層(絲網印刷后的產物即焊膏)和基片之間產生了相互干涉作用，進一步的試驗研究也證實了這一觀點。

陶瓷基片和玻璃陶瓷基片的應用潛能的顯著區別在于，玻璃陶瓷基片能確保厚膜電器元件在高達500～600℃的溫度下能正常工作而沒有機械損壞;而氧化鋁陶瓷基片通常400～500℃就損壞了。由此可見，借助于厚膜電器元件的制造技術，利用商業絲網印刷軟膏和采用NEOCERAM 玻璃陶瓷材料制作的基片能夠制造出高能量密度的厚膜電器元件。