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  • 2020-02-06低温共烧陶瓷在5G通信领域的应用

    低温共烧陶瓷在5G通信领域的应用

    苏州纳朴材料 高纯超细无机粉体 2019-09-29

    现代移动通信系统是由GSM升级到了GPRS再到CDMA,频率也从900MHz,2.4GHz升级到了现在的的5G通信的低频段3.4-3.6GHz。微电子技术的发展促使器件或组件趋向于结构的小型化、更高的集成密度、更快的传输速率和更高的可靠性,同时对封装材料的某些性能提出更高的要求,也对封装工艺提出了更严苛的质量和稳定性要求,为了器件小型化并降低损耗, 同时又能得到更好品质的产品, 必须对新材料新技术进行探索, 其中低温共烧陶瓷 (LTCC) 技术具备较强的优势, 一块功能强大的低温烧结介质模块内部可集成电容、电感、电阻、天线和滤波器等元器件。它有着高频材料、厚膜技术、共烧技术等优点, 没有昂贵重复的烧结制作流程, 电路是在叠压后进行一次烧结, 具有高品质因数、高稳定性、高集成度等优点。

    低温共烧陶瓷技术,就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带,作为电路基板材料,在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形,并将多个无源元件埋入其中,然后叠压在一起,高温烧结,制成三维电路网络的无源集成组件,也可制成内置无源元件的三维电路基板,在其表面可以贴装 IC和有源器件,制成无源/有源集成的功能模块。

    图1 低温共烧陶瓷(LTCC)制备工艺流程图

    低温共烧陶瓷(LTCC)基板主要有以下优点:

    (1) LTCC基板陶瓷材料性能优异,介电常数较小,具有优良的高频特性和高品质因数特性,使用频率可高达100 GHz甚至更高;

    (2) 金、银等具有高电导率的导体材料性能优异,能够满足大电流和高温特性的需求,从而可以提高系统的品质因数,且基板导热性能优于传统的印刷电路板(PCB)材料;

    (3) LTCC基板中可埋入无源元件等,显著提升电路和系统的组装密度;

    (4) LTCC叠层层数高达上百层,可精细布线至50μm线宽或线间距;

    (5)温度特性良好,热膨胀系数较小,共振频率温度系数较小;

    (6) LTCC生产工艺属于非连续生产,特定的检查工序可以提高产品成品率,同时降低成本。

    低温共烧陶瓷的成分组成是决定其物化特性、电性能的关键因素。经过多年的发展和研究,目前LTCC用陶瓷材料主要有三大类,分别是剥离/陶瓷复合体系、微晶玻璃体系和非晶玻璃体系,其中前两种是目前研究的重点。

    在玻璃/陶瓷复合体系中,是以陶瓷材料为基体,低熔点的玻璃可将陶瓷材料烧结温度降低至900℃以下。材料系统的整体性能受到每种组分性质的影响,包括各自的微观形貌、粒度分布、热学性质、电学特性、体积分数等。玻璃/陶瓷体系能以常规的方法获得良好的电性能和致密度。其中填充料主要作用是调节陶瓷材料的主要性能(力学、电学性能),低熔点的玻璃相可调低陶瓷材料的烧结温度,降低烧结难度并提高材料的致密性。这种材料可用于叠层介质电容、叠层介质天线和叠层介质滤波器等。

    表1 玻璃/陶瓷复合体系常用材料

    微晶玻璃体系是微晶玻璃,通过玻璃析晶,可得到晶粒粒径小于10μm的多晶体。这种材料可用于对电学性能要求不高的高频叠层电感等。常见体系有CaO-B2O3-SiO2体系,MgO-Al2O3-SiO2体系等。

    对于5G通讯而言, 通讯信号为高频信号 (例如2GHz以上) 时, 可能存在集总的电感和电容超过自谐振频率的情况, 而影响集总式电路的设计效果, 对此, 也给器件设计提出了新的难度。低温共烧陶瓷能够提升滤波器的高频性能, 并且让体积更小, 但是器件内磁场分布难以确定, 随着层数增加磁场也会变的更加复杂, 所以此类器件的设计难度很大, 并且在器件的生产过程中, 也会受到各种因素影响, 如流延出来的介质基片厚度不均, 印刷叠层与热压造成错误, 切片时偏差和器件变形, 在共烧的时候收缩不均等等, 都会导致器件的性能变差, 对于器件的设计要求水准也自然需要提高, 在设计中需要采用简洁的电路结构进而减少不必要的制作工艺环节, 在设计中避免耦合间距过小, 层次不宜过多等。利用LTCC技术制备提供一种适用于5G通讯的低插损、带外高抑制、高度集成的LTCC滤波器也将是今后研究的重点。

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  • 2020-02-04电子烟陶瓷芯雾化原理及材料优势分析

    电子烟陶瓷芯雾化原理及材料优势分析

    以下文章来源于FEELM雾化 ,作者36氪

    FEELM雾化
    FEELM雾化

    麦克韦尔旗下FEELM科技品牌官微

    雾化,是将液体变成小液滴的过程。雾化类产品,在生活中已经十分常见。加湿器、蒸脸器、造雾机、医疗雾化器,等等,都是家喻户晓的实用型工具,对我们的生活起到了很大的帮助。

    随着科技的发展,雾化的方式也愈发多样化。如高压气体雾化、超声波雾化、微波加热雾化、电阻加热雾化,等等。作为雾化技术的“心脏”,雾化芯决定着雾化效果和体验。如今,陶瓷在雾化科技领域迸发活力,成为高品质雾化芯的标配。那么,陶瓷造雾的原理是什么?陶瓷材料有什么优势?本文,我们将带领大家,一探其中的奥秘。

    01

    为什么用陶瓷做材料?

    陶瓷并非唯一应用于电子雾化器中雾化芯的材料。

    纤维绳、有机棉、无纺布等材料,都已被应用于制作雾化芯。应用于雾化芯中的陶瓷和我们在餐桌上常见的陶瓷并不一样,它是一种特殊的 “多孔陶瓷”

    这是一张将陶瓷放大上万倍后的照片,在一颗陶瓷芯中,像这样的微纳米孔大约有上亿个。而遍布微孔的这一小块陶瓷材料金属膜的结合体,构成了电子雾化器的核心部件。

    陶瓷雾化芯主要成分源自于自然界,经过高温烧结,内部形成了很多细小的微孔,其平均孔径相当于头发丝的五分之一

    这些细小的微孔,是陶瓷雾化芯实现稳定导液和锁液功能的关键。由于表面张力和毛细作用,液体可以均匀地渗入到雾化芯中,并吸附在雾化芯表面。

    类似活性炭,多孔陶瓷材料具有很强的吸附性,同时具有非常好的生物兼容性能。这也是选择陶瓷作为载体的关键因素之一。同类材料在日常生活中有很多应用,如净水器的过滤芯、冰箱除味剂、面膜、牙膏等日化用品。

    02

    陶瓷雾化芯有什么优势?

    相比于其他材料组成的雾化芯,如发热丝和纤维绳、发热丝和有机棉,陶瓷雾化芯的特点是:在加热过程中,它的温度会上升得更快,温度均匀性更好,温度范围控制得更精准。这样能够更大程度地减少在使用过程中醛酮类物质的产生,从而保证使用过程的安全性。

    麦克韦尔旗下的FEELM,就是以研发陶瓷雾化芯为主的技术品牌。FEELM陶瓷芯由陶瓷和发热膜两部分构成:陶瓷经过高温烧结制成碗状结构,发热膜设计成S形附着在陶瓷表面,他们的关系就像烹饪时的锅和灶。雾化芯作为雾化器的核心部件,在工作过程中,发热膜通过均匀发热,把液体加热形成雾气。雾化芯的加热温度,直接影响电子雾化器的抽吸体验感。FEELM陶瓷雾化芯通过均匀加热,能够有效地避免局部碳化现象,再结合陶瓷的导液性,能够有效减少“焦味”这个行业痛点

    其实,雾化技术早已被应用在医疗及其他领域,如哮喘治疗。在常规雾化过程中,产生的粒子尺寸分布范围很广。其中,2.5 μm 以上的粒子会沉积在人的呼吸道和口腔当中,1 μm及以下的粒子会被吸入人体肺部,其中有效成分能够很快地被人体吸收。目前,FEELM陶瓷雾化芯所产生的雾化粒子一般都小于1μm,可以带来更好的口感和更强的满足感。

    陶瓷雾化技术不仅为用户带来更好的雾化体验,也让人们看到了更为广泛的应用场景。现如今,麦克韦尔的研究院已经与全球多家研发机构开展了合作,拓展了更多的雾化领域,如医疗和健康。

    所以,电子雾化器并非是陶瓷雾化芯唯一的用武之地。随着雾化技术不断成熟,基于雾化研究带来的更多新的应用,或许很快就会进入我们的生活。END
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  • 2020-02-04前沿技术|磨削大牛分享的前沿磨削技术

    前沿技术|磨削大牛分享的前沿磨削技术

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  • 2020-02-04从封装气密性看元器件可靠性!

    从封装气密性看元器件可靠性!

    可靠性技术交流 2016-11-10

    微电子器件从密封方面分为气密封装和非密封装,高等级集成电路和分立器件通常采用气密封装,多采用金属、陶瓷、玻璃封装,内部为空腔结构,充有高纯氮气或其它惰性气体,也含有少量其它气体。工业级和商业级器件通常采用塑封工艺,没有空腔,芯片是被聚合材料整个包裹住,属于非气密封装。

    总体上,气密封装元器件可靠性要比非气密封装高一个数量级以上,气密封装元器件一般按军标、宇航标准严格控制设计、生产、测试、检验等多个环节,失效率低,多用于高可靠应用领域。非密封器件,一般适用于环境条件较好,可靠性要求不太高的民用电子产品。

    气密封装器件散热性好,环境适应性更强,军品和宇航级元器件额定工作环境温度能达到-55℃~+125℃.。塑封非气密封装器件散热较差,根据应用领域不同一般分为商业级和工业级,商业级额定工作环境温度为0℃~70℃,工业级额定工作环境温度为-40℃~85℃,也有一些工业级塑封元器件工作上限温度可达到+125℃,达到军温水平。

    气密封装元器件的空腔内部都含有少量水汽,国军标和美军标对内部水汽含量都做了明确限制,规定内部水汽含量不能超过5000ppm。这是因为水汽含量高可能引起一些可靠性问题,包括内部化学污染,加速对内部金属的腐蚀,主要是对引线和没有钝化层保护的键合区的破坏,也可导致元器件绝缘性能下降或参数超差。低温下可引起继电器功能失效。由于内部水汽含量超标曾经引起多批元器件失效并导致极其严重的系统灾难。

    (密封元器件内部典型结构)

     

    (密封元器件AL线受到腐蚀)

    5000ppm水汽含量的直观定义是这样的:假设密封封装内的水汽含量为5000ppm,则其25℃贮存条件下内部相对湿度为16%,而在使用条件下(产生热量,假设温度升高为55℃)的内部相对湿度为3.2%。在这样相对湿度条件下,封装内表面吸附的液态水很少,不能形成3个单分子液态水的腐蚀必要条件,能够保证元器件长期贮存和使用环境下的可靠性。内部水汽含量是气密封装元器件一项严格的封装工艺控制项目,在每批次元器件质量一致性测试项目中是必须的。同时也是第三方破坏性物理分析必须的试验项目。

    除了抽样进行内部水汽含量检测外,控制内部水汽含量的另一个有效办法是密封性检查。通过测量每个元器件的漏率确保气密封装完好性,避免空气中的水汽侵入影响元器件可靠性。因此选用高等级元器件对于保障系统可靠性是有力保障措施之一。

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  • 2020-02-04电子烟多孔陶瓷雾化芯4种成孔工艺

    电子烟多孔陶瓷雾化芯4种成孔工艺的优劣比较

    年来表面与界面起突出作用的新型材料日益受到重视。多孔陶瓷材料正是一种利用物理表面的新型材料,是一种经过高温烧成,内部分布着大量三维彼此贯通的孔道,具有三维立体网络骨架结构的陶瓷体。这种多孔陶瓷新型材料在电子烟的雾化过程中发挥着极其重要的作用。


    图 悦刻电子烟雾化芯  采用麦克韦尔FEELM陶瓷技术


    RELX是国内首个选用麦克韦尔FEELM发热体的小烟。RELX所采用的雾化芯是陶瓷雾化发热体,具有稳定耐高温、安全易导油的特质,能带来更细腻的口感和防漏油的优势。目前微孔陶瓷雾化芯是烟油型电子烟的标配,除了悦刻、还有MK电子烟、NRX 尼威、MT等多款电子烟。这种三维立体网络骨架结构的多孔陶瓷是如何制造出来的呢?


    多孔陶瓷材料的材质种类繁多,由于使用目的不同,对材料的性能也都不同,因此,近年来逐渐开发出许多不同的制备技术。多孔陶瓷的一般制备流程为造粒、混料、成型、烧结等。


    图 多孔陶瓷制备示意


    多孔陶瓷成孔方法主要在于烧结过程孔隙的形成,成孔的方法有添加造孔剂工艺,发泡工艺,有机泡沫浸渍工艺,溶胶-凝胶工艺等。


    1.添加造孔剂工艺


    通过在陶瓷配料中添加造孔剂,利用造孔剂在胚体中占据一定的空间,在烧结过程中,造孔剂离开基体从而形成气孔得到多孔陶瓷。成型方法主要有模压、挤压、轧制、等静压、注射和粉浆浇注等。产品一般称为蜂窝多孔陶瓷。


    2.有机泡沫浸渍


    用有机泡沫浸渍陶瓷浆料, 干燥后烧掉有机泡沫,从而获得多孔陶瓷,该方法适用于制备高气孔率,开气孔的多孔陶瓷。产品一般被称为网眼多孔陶瓷。


    3.发泡方法


    发泡剂与与粘土质材料混合,在压力作用下使粘土颗粒相互粘结, 当足够的热量传到粘土颗粒内部时,材料发泡膨胀充满整个模子,冷却后即得多孔陶瓷材料。可制备各种孔径大小和形状的多孔陶瓷,一般被称为泡沫多孔陶瓷。


    4.溶胶凝胶工艺


    陶瓷颗粒和有机凝胶混合,清洗离子交换后,烧结成多孔陶瓷材料。可以通过调节烧结温度来改变多孔 SiO2材料的结构、气孔率和孔径大小。溶胶凝胶法主要用来制备微孔陶瓷材料,特别是微孔陶瓷薄膜。


    几种工艺的比较


    成型方法

    添加造孔剂

    有机泡沫浸渍

    发泡方法

    溶胶凝胶方法

    优点

    1.不同的成形方法,可制得形状复杂的制品

    2.可制取各种气孔结构

    1.能制取高气孔率的制品

    2.试样强度好

    1.特别适于制取闭气孔的制品

    2.气孔率大,强度高

    1.适于制取微孔陶瓷

    2.适于制取薄膜材料

    3.气孔分布均匀

    缺点

    1.气孔分布均匀性差,

    2.不适合制取高气孔率

    1.不能制造小孔径闭气孔的制品

    2.制品形状受限制

    3.制品成份密度不易控制

    对原料的要求高

    工艺条件不易控制

    1.原料受限制

    2.生产率低

    3.制品形状受限制

    应用实例

    一般过滤器,催化剂支持体

    金属熔体过滤器

    轻质建材,保温材料

    微 孔 分 离 膜


    其中应用比较成功,研究比较活跃的是通过在陶瓷配料中添加挥发性或可燃性造孔剂,利用这些造孔剂在高温下挥发或燃尽而在陶瓷体中留下孔隙。根据孔径大小,陶瓷可分为1000μm到几十微米的粗孔制品、0.2~20μm的微孔制品和0.2μm到几纳米的超微孔制品。根据成孔方法和空隙,多孔陶瓷可分为:泡沫陶瓷、蜂窝陶瓷、粒状陶瓷,其对应气孔率如下:


    多孔陶瓷

    泡沫陶瓷

    蜂窝陶瓷

    粒状陶瓷

    气孔率/%

    80-90

    70

    30-5


    制备技术对多孔陶瓷结构的精确控制,其中包括对影响孔径的大小、形状、分布等都有不同的影响。骨料颗粒间的连接强度决定了多孔陶瓷的强度,同时还需要合理协调气孔率与强度两者之间的关系。


    多孔陶瓷由于气孔率高、密度小、热传导系数低,具有巨大的热阻及较小的体积热容。多孔陶瓷材料的应用已遍及冶金、化工、环保、能源、生物等各领域,除了我们普遍了解的航天飞机外壳隔热、导弹头、过滤器等,目前在电子烟领域也发挥着巨大作用。


    陶瓷雾化芯是目前高品质电子烟小烟的标配,采用的就是多孔陶瓷结构,其孔径一般为微米级或亚微米级,一般称为微孔陶瓷雾化芯。除了雾化芯,还有一类那就是陶瓷导油管,也是采用多孔陶瓷。


    本文来源:《多孔陶瓷材料的制备技术》、艾邦编辑整理

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