為了研究不同燒結(jié)工藝對(duì)電容式高溫壓力傳感器用氧化鋁陶瓷基片的影響, 以納米α-Al2O3為主要原料, 加入ZrO2、MgO和Y2O3等粉料作為燒結(jié)助劑, 采用流延成型、等靜壓成型和氣氛保護(hù)無(wú)壓燒結(jié)技術(shù)制備了氧化鋁陶瓷基片。分別對(duì)試樣的相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度、硬度及斷裂韌性進(jìn)行測(cè)試, 并利用掃描電鏡 (SEM) 觀察其顯微組織形貌。結(jié)果表明:陶瓷基片的燒結(jié)不宜接觸O2, 因此在燒結(jié)過(guò)程中應(yīng)選用流動(dòng)高純N2對(duì)其進(jìn)行氣氛保護(hù)。為防止試樣燒結(jié)后變形翹曲, 基片在裝載時(shí)應(yīng)適度施加壓蓋, 提高平整度。此陶瓷基片的理想燒結(jié)溫度約為1550℃, 對(duì)應(yīng)試樣的相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度、硬度及斷裂韌性數(shù)值分別達(dá)到了98.8%、766 MPa、17.2 GPa及4.2 MPa·m1/2。1550℃燒結(jié)試樣顯微組織呈現(xiàn)韌窩狀, 該結(jié)構(gòu)有助于提高陶瓷基體的致密度及強(qiáng)韌化程度。
為了滿足其高溫穩(wěn)定性、可靠性及自身電路設(shè)計(jì)等實(shí)際需要, 電容式壓力傳感器的制備過(guò)程中通常會(huì)采用共燒多層陶瓷基板法進(jìn)行電路封裝。共燒多層陶瓷基板法可以通過(guò)高溫共燒陶瓷法 (HTCC, high temperature co-fired ceramics) 和低溫共燒陶瓷法 (LTCC, low temperature co-fired ceramics) 兩種途徑實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于LTCC法, HTCC法具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、布線密度、散熱系數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性和較低的成本, 為其在高溫壓力傳感器封裝領(lǐng)域提供了更為廣闊的應(yīng)用前景。
但是HTCC法也有其明顯不足, 燒結(jié)溫度較LTCC法高約500~800℃, 故陶瓷基片的收縮率也會(huì)隨之大幅度提高。為了較大程度減除高收縮率所導(dǎo)致的基片尺寸失準(zhǔn)、平整度降低等不良后果, 本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用摻雜氧化鋯的氧化鋁納米復(fù)相陶瓷薄片為基板, 從燒結(jié)氣氛、試樣爐內(nèi)裝載方式等角度出發(fā), 分析了上述影響因素對(duì)HTCC法燒結(jié)試樣的尺寸、形狀以及力學(xué)性能的影響, 并進(jìn)一步探究了陶瓷基板的斷口顯微組織形貌, 以期提升HTCC氧化鋁陶瓷基片的成品率。
以α-Al2O3 (密度3.99 g/cm, 粒徑0.1μm, 舟山弘晟集團(tuán)新材料公司) 為主要原料, 同時(shí)添加Zr O2 (密度5.88 g/cm, 粒徑1μm, 河南焦作百利聯(lián)公司) 、Y2O3 (密度3.99 g/cm, 粒徑1μm, 國(guó)藥市售) 和Mg O (密度3.58 g/cm, 粒徑1μm, 國(guó)藥市售) 等粉料作為燒結(jié)助劑, 采用流延成型技術(shù)制備出陶瓷生坯[7,8]。利用打孔機(jī)對(duì)陶瓷生坯進(jìn)行打孔處理, 形成傳感器中心區(qū)域的空腔結(jié)構(gòu)。利用填孔機(jī)和絲網(wǎng)印刷機(jī)分別對(duì)生坯進(jìn)行過(guò)孔填充和絲網(wǎng)印刷, 隨即對(duì)其進(jìn)行烘干處理。將烘干后的生坯精確定位后, 按設(shè)計(jì)的疊片次序在溫度42℃附近進(jìn)行疊片操作, 并同時(shí)進(jìn)行碳膜的空腔填充。將疊片后的多層生坯進(jìn)行真空包裝處理, 置于約40℃溫水中進(jìn)行等靜壓操作 (15 MPa, 23 min) 。卸壓后的陶瓷基片須切割加工至器件要求的大小和形狀。將采用上述步驟處理過(guò)的陶瓷基片放入真空管式爐內(nèi)進(jìn)行氣氛燒結(jié) (N2, 純度>99.999%) [9]。待試樣冷卻后對(duì)孔道出口做封口處理即可進(jìn)行測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)主要使用維氏硬度計(jì)和掃描電鏡等設(shè)備對(duì)陶瓷基片的基本力學(xué)性能 (相對(duì)密度, 抗彎強(qiáng)度, 硬度及斷裂韌性) 和顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試及表征。將測(cè)試合格后的同批次氧化鋁陶瓷基片試樣置于無(wú)水乙醇中浸泡30 min, 用去離子水洗滌三次, 在120℃下烘干24 h。待試樣冷卻后, 利用旋涂技術(shù)對(duì)其表面進(jìn)行Na A型分子篩的涂覆, 并采用水熱技術(shù)使其表面形成Na A型分子篩膜, 以達(dá)到實(shí)際使用過(guò)程中的親水、防腐等作用。
氧化鋁陶瓷基片坯體燒結(jié)前后的宏觀形貌如圖1所示。坯體在燒結(jié)前呈現(xiàn)近似白色, 表面較平整且有一定粗糙度 (如圖1a所示) 。但燒結(jié)后的坯體顏色較深, 呈近似烏黑色, 試樣中心位置出現(xiàn)了明顯的正方形凹陷, 在其余位置出現(xiàn)了由于導(dǎo)線布設(shè)而形成的回形紋 (如圖1b所示) 。試樣中心的正方形凹陷說(shuō)明燒結(jié)后電容很板間的實(shí)際距離比設(shè)計(jì)距離要小, 甚至距離為零, 這會(huì)導(dǎo)致器件的介電系數(shù)變小、電很板擊穿和導(dǎo)通等一系列不良反應(yīng), 產(chǎn)生嚴(yán)重的電路故障, 影響器件的正常使用。以上現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于空氣中的O2和支撐劑中的C直接反應(yīng)生成CO和CO2氣體, 破壞了試樣成型過(guò)程中所制造的密閉環(huán)境, 氣體的逸散使陶瓷坯體在燒結(jié)收縮過(guò)程中缺乏有效的力學(xué)支撐, 故陶瓷坯體呈整體塌陷的狀態(tài)。改用高純N2氣氛保護(hù)對(duì)相同的陶瓷坯體進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)后的宏觀形貌如圖2所示。燒結(jié)后各試樣顏色雖略有不同, 但總體來(lái)說(shuō)顏色較淺, 近似為白色偏灰。這說(shuō)明N2保護(hù)燒結(jié)陶瓷基片還有助于提高陶瓷基片的整體密閉性, 支撐C不易被氧化, 有效防止內(nèi)部電路中的重金屬離子異常擴(kuò)散及氧化, 改善陶瓷片的絕緣性, 使其符合設(shè)計(jì)需要。所以后續(xù)陶瓷基片的燒結(jié)試驗(yàn)均采用高純N2氣氛保護(hù)方式進(jìn)行。
圖1 氧化鋁陶瓷基片在無(wú)氣氛保護(hù)狀態(tài)下燒結(jié)前后的宏觀形貌:a) 燒結(jié)前;b) 燒結(jié)后Fig.1 The macrostructure of alumina ceramic substrate before and after sintering in the air:a) before sintering;b) after sintering
圖2 氧化鋁陶瓷基片在高純N2氣氛保護(hù)狀態(tài)下燒結(jié)后的宏觀形貌:a) 俯視圖;b) 正視圖Fig.2 The macrostructure of alumina ceramic substrate after sintering in the atmosphere of high purity N2:a) Top view;b) Positive view
在高純N2氣氛保護(hù)燒結(jié)過(guò)程中, 氣體流動(dòng)產(chǎn)生的湍流作用及溫度場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)試樣燒結(jié)環(huán)境有較大干擾, 故試樣在爐內(nèi)的裝載方式就顯得尤為重要。其中, 擺放位置和蓋壓方法是陶瓷基片氣氛燒結(jié)過(guò)程的兩個(gè)重要變量, 為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作, 提升實(shí)驗(yàn)效果, 本次實(shí)驗(yàn)采用直接對(duì)比法對(duì)試樣進(jìn)行多變量綜合分析。氧化鋁陶瓷基片在流動(dòng)高純N2中燒結(jié)后的宏觀形貌如圖2所示。燒結(jié)前后試樣裝載方式及狀態(tài)描述如表1所述。
表1 氧化鋁陶瓷基片燒結(jié)前爐內(nèi)裝載方式及燒結(jié)后變形程度
通過(guò)對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知, 試樣在相同裝載條件下, 距離爐膛中心位置越近燒結(jié)效果往往越好, 平整度越高 (試樣S1和S4, S2和S6, S3和S5) 。這可能是由于湍流作用影響, 越靠近爐膛中心區(qū)域, 試樣受氣體流動(dòng)所引發(fā)的溫度場(chǎng)擾動(dòng)干擾越小。對(duì)比相同位置的試樣 (S1和S6, S2和S5, S3和S4) , 蓋壓重量越重, 其變形程度越小。由于陶瓷基片較薄, 與氣體接觸面積較大, 所以陶瓷片中心與四周溫度具有溫度差。另外, 氣流擾動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域溫度差異。試樣表面的溫度差導(dǎo)致試樣在燒結(jié)過(guò)程收縮不均, 產(chǎn)生翹曲。隨著蓋壓重量的增加, 試樣翹曲需要克服的阻力增大, 所以其平整度提高。但是蓋壓重量并不是越高越好, 重量太大會(huì)導(dǎo)致試樣收縮困難, 降低產(chǎn)品燒結(jié)質(zhì)量。
燒結(jié)溫度在整個(gè)燒結(jié)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用, 對(duì)試樣的較終性能具有決定性影響。因Mg O、Y2O3等氧化物助燒劑的摻入, 氧化鋁陶瓷基片的燒結(jié)溫度大幅度降低。本次實(shí)驗(yàn)選擇1450℃、1500℃、1550℃和1600℃四個(gè)終燒溫度做對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)燒結(jié)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試后我們可以發(fā)現(xiàn), 無(wú)論是相對(duì)密度及抗彎強(qiáng)度, 還是硬度及斷裂韌性, 高溫區(qū) (1550℃和1600℃) 制得試樣相對(duì)優(yōu)于低溫區(qū) (1450℃和1500℃) 制得試樣 (如圖3所示) 。此外, 1550℃燒結(jié)的試樣僅有相對(duì)密度低于1600℃的試樣, 其它三項(xiàng)性能數(shù)據(jù)均高于1600℃試樣, 說(shuō)明此氧化鋁陶瓷基片的理想燒結(jié)溫度在1550℃附近。1550℃燒結(jié)試樣的相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度、硬度及斷裂韌性數(shù)值分別達(dá)到了98.8%、766 MPa、17.2 GPa及4.2MPa·m, 此性能指標(biāo)可以滿足高溫條件下壓力傳感器的基本使用要求。
圖3 不同燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷基片力學(xué)性能的影響:a) 相對(duì)密度和抗彎強(qiáng)度;b) 硬度和斷裂韌性
燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷顯微組織具有一定影響, 并且會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致陶瓷材料性能發(fā)生變化。對(duì)比1450℃燒結(jié)試樣 (如圖4a所示) 和1550℃試樣 (如圖4b所示) 的斷口顯微組織形貌可以發(fā)現(xiàn), 1550℃燒結(jié)試樣基體中氣孔相數(shù)量較少, 這與相對(duì)密度等力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果相一致。對(duì)試樣進(jìn)一步對(duì)應(yīng)放大可知, 1450℃燒結(jié)試樣 (如圖4c) 的晶粒比較圓潤(rùn), 燒結(jié)過(guò)程中液相流動(dòng)及填充性仍不夠充分, 氣孔殘留明顯;1550℃燒結(jié)試樣 (圖4d) 晶粒棱角突出, 晶粒剝落后基體呈韌窩狀, 這種形貌有助于提高陶瓷的部分力學(xué)性能, 尤其是斷裂韌性和抗彎強(qiáng)度等方面。綜上所述, 燒結(jié)溫度提高對(duì)陶瓷基體的致密度及強(qiáng)韌化程度均有提高。
圖4 不同燒結(jié)溫度下陶瓷基片的斷口顯微組織形貌:a) 1450℃/低倍;b) 1550℃/低倍;c) 1450℃/高倍;d) 1550℃/高倍
(1) 陶瓷基片的燒結(jié)不宜接觸O2, 因此在燒結(jié)過(guò)程中應(yīng)選用流動(dòng)高純N2對(duì)其進(jìn)行氣氛保護(hù)。為防止試樣燒結(jié)后變形翹曲, 基片在裝載時(shí)應(yīng)適度施加壓蓋, 提高平整度。
(2) 此陶瓷基片的理想燒結(jié)溫度約為1550℃, 其對(duì)應(yīng)試樣的相對(duì)密度、抗彎強(qiáng)度、硬度及斷裂韌性數(shù)值分別達(dá)到了98.8%、766 MPa、17.2 GPa及4.2 MPa·m。
(3) 1550℃燒結(jié)試樣顯微組織呈現(xiàn)韌窩狀, 該結(jié)構(gòu)有助于提高陶瓷基體的致密度及強(qiáng)韌化程度。