【原创】陶瓷流延成型好坏,往往“料”说了算


来源:中国粉体网   山川

[导读]  影响其流延成型质量的因素较多,其中浆料是决定流延成品质量的关键因素。

中国粉体网讯  自1947年Howatt等首次用流延成型法来生产陶瓷片层电容器以来,流延成型法由于具有设备简单、可连续操作、生产效率高、坯体性能均一等特点,已成为制备大面积、超薄陶瓷基片的重要方法,被广泛应用在电子工业、能源工业等领域,如制备Al2O3、AlN电路基板,BaTiO3基多层电容器及ZrO2固体燃料电池等。流延成型技术为电子元件的微型化以及超大规模集成电路的实现提供了广阔的前景。



(图片来源:浙江德龙科技有限公司)


流延成型工艺并不复杂,但其成型过程的每一步操作都很重要,影响其成型质量的因素较多,如浆料、流延机精度、流延工艺等,其中浆料是决定流延成品质量的关键因素。流延成型浆料主要包括陶瓷粉料、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂,必要时还需要除泡剂和匀化剂等。


粉料的选择原则


在浆料配制过程中,粉体的分散性尤为重要,影响分散性的最关键因素为粉体的粒径、比表面积、化学组成和表面形态结构,这些都关系到最终成型生带的显微结构和宏观性能。与此同时,有机载体产生的表面张力和重力沉降也与粉体粒径和比表面积紧密相关,粉体粒径直接决定了成型后生带的堆积密度。因此,粉料的选择原则是:


(1)严格控制陶瓷粉体的杂质含量。陶瓷粉体的化学组成和特性会影响甚至能控制最终烧结材料的收缩率和显微结构,所以必须严格控制陶瓷粉体中的杂质含量;


(2)严格控制陶瓷粉体的颗粒尺寸和形貌。陶瓷粉体的颗粒尺寸和形貌对颗粒堆积以及浆料的流变性能会产生重要影响。为了使成型的素坯膜中陶瓷粉体颗粒堆积致密,粉体的尺寸必须尽可能小。但另一方面,颗粒尺寸越小比表面积越大,浆料制备时所需的有机添加剂越多,导致素坯膜的排胶困难,干燥和烧结后收缩率增加,降低最终烧结陶瓷的体密度。陶瓷颗粒尺寸的最佳范围一般为1~4μm,比表面积为2~5m2/g,颗粒形貌以球形为佳。


对溶剂的要求


溶剂的主要作用是溶解粘结剂、增塑剂和其他添加剂,分散粉粒,并为浆料提供合适的粘度。溶剂的流变特性是影响浆料粘度和流延时间的重要因素,其决定了有机载体的流变特性,进而影响到流延生带的质量。合理选用溶剂可以有效提高生带的均匀性、致密性等物理性质。在溶剂的选择上首先要考虑以下几个因素:


(1)能很好地溶解分散剂、粘结剂和增塑剂;


(2)能分散陶瓷粉料;


(3)在浆料中保持化学稳定性,不与粉料发生化学反应;


(4)提供浆料合适的粘度;


(5)能在适当的温度下蒸发与烧除;


(6)保证素坯无缺陷固化;


(7)使用安全,对环境污染少且价格便宜。


对分散剂的要求


能够对骨料进行良好的润湿分散,与其它有机物不发生化学反应。目前国内外广泛采用的分散剂是不饱和油脂。分散剂用量虽小,却对生瓷带的外观、体积密度及层压性能有明显的影响。下表是常用的分散剂和粘结剂。




对粘结剂的要求


粘结剂是为了分散于陶瓷粉粒之间,连接颗粒,使流延片具有一定的强度和可操作性。选择粘结剂需要考虑的因素有:


(1)素坯的厚度;


(2)所选用溶剂的类型及其匹配性,应不妨碍溶剂挥发和不产生气泡;


(3)易于烧除,不留残余物;


(4)能起到稳定浆料和抑制颗粒沉降的作用;


(5)有较低的塑性转变温度,以确保在室温下不发生凝结;


(6)与衬垫材料不相粘和易于分离。


目前,有机流延浆料中最常用的粘结剂主要为PVB(聚乙烯醇缩丁醛)和PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)两类。PVB具有可搭配性好、塑性高、易排胶等优点,是最常用的流延粘结剂。与PVB相比,PMMA具有强度高、可溶性强的优点,可以在较宽的加入范围内使生带保持较好的柔韧性,便于增塑剂搭配使用。与有机流延体系不同,水基流延浆料中的粘结剂主要分为水溶性粘结剂和水系乳胶粘结剂两类。


对增塑剂的要求


对粘接剂具有良好的增塑性。增塑剂用量越少,生瓷带能达到同样的柔韧性,它的增塑能力就越强。在生产实践中我们发现,有的增塑剂也是良好的分散剂,具有良好的分散润湿能力,加入此类增塑剂可有效降低浆料的吃水量。对增塑剂的另外一个要求是:挥发速度较慢,在空气中不吸潮或吸潮量较少。这样可以保证生产的生瓷带在空气中长期保存,而仍保持不变的柔韧性。下表为常用的粘结剂及与其对应的增塑剂。




参考来源:

[1]吕子彬等.陶瓷基片流延成型用浆料研究进展

[2]白军信等.影响流延成形陶瓷基板的质量因素

[3]宋占永等.陶瓷薄片的流延成型工艺概述


(中国粉体网编辑整理/山川)

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作者:山川

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