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陶瓷與人類文明:小兵立大功–電子陶瓷

93/03/09 瀏覽次數 16480
在一九二○年代中期,Ni-Zn及Mn-Zn鐵氧磁體便應用在變壓器、電話機與收音機的接收線圈中。二次大戰後,具有高介電係數、高壓電常數、高機電藕合常數及良好光電效應的鐵電陶瓷材料也被大量地開發及應用。

高介電常數的BaTiO3陶瓷材料應用在碟式及管狀的電容器,並在一九七○年代應用在積層陶瓷電容中。現在,全世界每年約生產超過千億個積層電容器。微波陶瓷則廣泛使用在無線通訊的濾波器、共振器及混頻器中。隨著電子設備的發展,更多種類及功能的陶瓷材料將被開發並應用在先進的電子設備中。

如同一般電子元件的演進,電子陶瓷首先應用在接腳式元件上,每個元件只有單一的功能,並利用導線與電路板相連。隨著表面黏著技術的開發,電子陶瓷元件逐漸改成晶片式設計,元件藉由端電極與電路連接,由於不用接腳,晶片式元件在電路上所占的體積變小。

為了能更進一步減小元件在電路中所占的體積,晶片式元件不斷朝向小型化及陣列式發展,現有的厚膜製程技術已可製作大小為0201(0.02英寸 × 0.01英寸)的晶片式元件。為了迎合電子設備輕薄短小的發展趨勢,電子陶瓷元件正朝向積體化與模組化發展,提升電子線路中的電路與元件密度,以減小電路所占的體積。

電子陶瓷的發展趨勢隨著製程技術的進步與電子產品應用需求而改變,目前,電子陶瓷的主要發展趨勢有:(1)具多功能的電子陶瓷元件及系統模組,及其積層製造技術日益重要,模組中電路及元件呈現三度空間的多層架構,以取代以往的單層電路架構。(2)從單一元件的製程技術轉換成多功能電子陶瓷元件或模組的製造,電阻、電容及電感等被動元件可埋入模組內,模組內的電路及材料製程技術亦漸複雜,模組內電路布局及製程技術模擬的重要性增加。(3)隨著半導體技術的奈米化,電子陶瓷元件的尺寸奈米化及奈米製程技術也逐漸受到重視。

電子陶瓷元件依其功能性可分為絕緣陶瓷、介電陶瓷、壓電陶瓷、半導體陶瓷、感測陶瓷、磁性陶瓷、超導陶瓷等七類。依其應用的不同,各類電子陶瓷所使用的材料亦有所區別。

絕緣體陶瓷用以隔絕與支撐電路上的電子線路、防止導體因相互接觸而產生短路的現象、固定與保護電子元件,以及提供電路的散熱功能。以陶瓷體做為電子絕緣體具有高溫穩定性、不產生有害氣體、良好化學穩定性及較高的機械強度等優點。

陶瓷絕緣體在高頻的環境下操作具有較低的信號失真效應,亦常使用在高頻無線通訊用途上,如短距離無線通訊的藍芽模組及無線區域網路通訊上。陶瓷絕緣體亦常使用為半導體封裝用的基板材料。主要的絕緣陶瓷材料有滑石瓷、鎂橄欖石瓷、Al2O3、SiC、BeO、AlN、C(鑽石膜)及玻璃陶瓷等。

介電材料一般具有電偏極化的效應,即在電場下陶瓷材料的結構會因電場的極化效應而有電偶極,產生電偏極化。高介電常數材料置於電容器的平行導電板內時,因為材料的自發性極化效應,可增加電容器所儲存的電荷量,使得電容器的電容值隨之增加。鈦酸鋇(BaTiO3)系陶瓷材料是最常用的介電材料。陶瓷電容器的結構有碟式與積層式兩種,積層陶瓷電容每二層內電極即構成一電容,整體積層結構因有多個並聯電容結構而可增加電容值。

壓電效應是在一八八○年由居禮兄弟(Pierre Curie及Jacques Curie)二位研究人員,針對石英、閃鋅礦、電氣石、羅式鹽等單晶體研究其在承受壓力時的反應所發現的。其後,又在鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯酸鉛等多種陶瓷體上發現類似現象。上述的陶瓷體在受到壓力時,晶體結構產生電荷分布的偏極化,而在不同端具有不同的表面電荷,這種現象稱為正壓電效應,可應用在點火器、應力偵測器、壓電觸摸開關等裝置中。

若在壓電陶瓷體上加以電位差,則可使陶瓷體產生變形,因而將外加的電能轉換成機械能,這種現象稱為負壓電效應。負壓電效應可應用於超音波裝置,如超音波洗淨器、魚群偵測器、超音波診斷機及蜂鳴器,此外亦可應用於精密位移定位系統、壓電馬達、噴墨印表機噴頭等裝置中。除了上述的單一效應外,亦可將正、負效應組合應用在濾波器、共振器及壓電變壓器等裝置上。

在一般印象中陶瓷是電的絕緣體,主要是由於其電子能階中的導電帶與價電帶的能隙過大,電子無法被激發躍升至導電帶,形成可導電的自由電子,因而成為絕緣體。若在陶瓷中摻雜一些不同電價的元素,則能在導電帶與價電帶之間創造出施體或受體能階,減小能階的間隙,形成半導體陶瓷,使得陶瓷體可以導電。半導體陶瓷的電阻係數約為103~106 歐姆˙公分,電導係數則會受到物質的能帶結構、晶格缺陷、雜質含量及種類的影響。

半導體陶瓷依其傳導型式可分為p型、n型、以及離子型。p型是利用缺陷中的電洞傳導電流,n型則利用缺陷中的自由電子傳導電流。目前常用的陶瓷半導體材料有BaTiO3、SrTiO3、V2O5、ZnO、SiC及其他過渡金屬的氧化物等。由於半導體陶瓷體的電阻會受到外在環境溫度及電壓的影響,故半導體陶瓷材料可應用在溫度偵測、溫度控制器、發熱體及吸收突波的變阻器等。

陶瓷感測器可用來偵測周圍環境氣體成分或溫度的變化。由於某些氧化物陶瓷體對於氧化及還原氣氛具有特殊的敏感性,可用來偵測特殊氣體的成分。如ZrO2-Y2O3為氧離子導電陶瓷體,可因晶體內的氧缺陷,使得其導電度隨環境中氧濃度而改變,利用此原理即可偵測汽車排氣內的氧氣濃度。焦電陶瓷則可利用其溫度改變而變化其自發性極化量的特性,而做為輻射計、火警預警器、紅外線防盜器等。其他尚有許多陶瓷材料所製作的檢測器可應用於汽車、工業、農業、醫學、家庭生活等。

陶瓷磁性材料具有強大的磁偶極、高的電阻係數、極低損耗等特性,由於其磁性可隨著陶瓷成分而改變,故可針對不同用途而設計不同性質的磁性陶瓷體,是重要的商用磁性材料。

鐵氧磁體是主要的陶瓷磁性材料,其特色為:全部為氧化物、以Fe2O3為主要的成分,以及具有自發性的磁化效應。鐵氧磁體可以加入不同過渡金屬氧化物而形成具有高保磁力的硬磁鐵,或低保磁力的軟磁鐵。陶瓷磁性材料最常見的應用有錄音帶、錄影帶及電腦磁片上的磁粉鍍層,塊狀的磁性陶瓷材料則應用於馬達、發電機、錄音機磁頭、電感、變壓器等電子裝置。

超導就是電流通過材料時呈現零電阻的現象。在一九八七年朱經武及吳茂昆二位物理學者在美國休士頓及阿拉巴馬大學發現Y-Ba-Cu-O系氧化物陶瓷材料在絕對溫度90度的低溫下呈現超導現象,此一發現把材料超導溫度提升了50度。

除了上述七類電子陶瓷外,尚有許多陶瓷材料用在其他電子裝置上,如用於光閘、光記憶體的PLZT鐵電陶瓷材料,用於Na-S電池的β-Al2O3離子導體材料,用於電子束陰極的LaB6的電子激發材料,用於鈉燈泡燈管的Al2O3(+MgO)透明性陶瓷材料,以及用於信號傳輸的玻璃光纖材料等。

傳統多層印刷電路板(PCB)已無法符合高元件及線路密度的要求,因此,積層式電子用基板及元件逐漸受到重視,以達到增加基板上晶片的單位密度,縮短連接晶片導體的長度,減低網路間的電容效應,提高線路的性能及信賴度等目標。多層電子陶瓷主要往元件模組化與電路積體化發展,目前,藍芽模組及無線區域通訊的快速發展,更加快了電子陶瓷模組化與積體化的速度。

電子元件模組化的方式有將電容與電感元件模組化成為單一元件,製成LC濾波器,或將多個電容或電阻(一般為四個)並排製成陣列電容或電阻等方式。電子陶瓷積體化的技術為共燒製程,積層共燒陶瓷可整合電阻、電容及電感於積層結構中,增加線路密度,大大減小模組空間,內建式的元件更進而縮小體積,相較於傳統的印刷電路板,其尺寸約減少三分之一。

陶瓷基板多層模組是以成熟的多層厚膜技術製造模組所需的基板,為一具有經濟效益的製程。依所使用燒成溫度的不同,陶瓷多層模組的製程可分為高溫共燒陶瓷技術及低溫(小於攝氏1,000度)共燒陶瓷技術。

傳統的多層模組以高溫共燒陶瓷技術製造,其基板材料主要為純度96% 氧化鋁。由於必須在約攝氏1,600度的高溫下燒成,所使用的導體材料(主要為鎢或鉬)極易氧化,因此基板必須在氫氣的還原環境下燒成。

相較於高溫共燒陶瓷,低溫共燒多層陶瓷技術是利用成熟的混成厚膜電路技術,以3D的方式製造電子線路,各層的線路先行印製,再行疊壓並在低於攝氏1,000度下燒成,是一更具有經濟效益的製程。傳統的電阻及導體材料可使用在低溫燒成多晶片模組中,導線、電阻及電容等被動元件可埋入多層陶瓷基板中或直接燒製在基板表面上,以增加線路與元件的密度及節省空間供主動元件使用,而達到縮小基板尺寸的目的。

共燒陶瓷基板由於可同時布置多個晶片於單一基板中,形成多晶片模組構裝,使得基板上晶片的單位密度增加、連接晶片的導體長度變短。此外,低溫共燒陶瓷基板是利用高導電係數的金(Au)或銀-鈀(Ag-Pd)導體材料與低介電常數的玻璃陶瓷基板,以減少因電容效應造成的信號延遲時間。

在積層共燒陶瓷基板上,矽裸晶可直接黏著於基板上,製成多晶片模組系統。故基板的熱膨脹係數與晶片的搭配也是一項重要的因素,若基板與晶片的熱膨脹係數沒有良好的相容性,會使得晶片無法直接黏著在基板上,以達成增加線路密度的要求。

為因應半導體材料技術奈米化的趨勢及微機電技術的發展,電子陶瓷材料製程及其應用亦朝奈米化的方向發展,雖然電子陶瓷的奈米尺寸效應已研究多年,然而其應用研究在最近才有增加的趨勢。當電子陶瓷內的結晶粒子減小至奈米尺寸時,其表現的電氣特性亦隨著變化,此現象可以很明顯地從鐵磁材料或鐵電材料得到印證。

當一磁性陶瓷體材料受到外加磁場作用時,材料內部結晶顆粒會產生極強的飽和磁化量,且其方向與外加磁場一致,這種材料稱為鐵磁性陶瓷。解除外加磁場時,陶瓷體本身的磁矩均處於平行狀態,形成自發磁化的磁性,此磁矩的方向可隨外加磁場方向而改變。

當鐵磁材料晶粒尺寸不斷縮小,但仍處於自發磁化態時,粒子內磁矩形成單一晶域,其磁矩的方向因受熱擾動影響而出現不規則轉動,導致無法到達飽和磁化的最高值,此現象稱為超順磁性。超順磁性的飽和磁化量隨外加磁場的增加而增加,且不會達到最高值。超順磁的現象通常都發生在2 ~50 奈米的鐵氧磁體晶粒中。

由於奈米技術是未來科技發展的必然趨勢,電子陶瓷奈米化是不可避免的走向,然而在電子陶瓷材料進入奈米尺寸後,其性質與現有微米級電子陶瓷材料可能有很大的不同,因而可增加新的用途。電子陶瓷元件尺寸的奈米化及奈米製程技術應是未來電子陶瓷材料研發的重點之一。
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