LTCC厚膜的受約束燒結致密化行為及連續(xù)介質力學理論模擬.pdf

1、由于受約束燒結問題的普遍性和實用性，對燒結體受約束燒結致密化行為的研究具有重大的應用價值和科學意義。近年來，LTCC厚膜材料逐漸成為電子元器件和集成電路領域內應用最為廣泛的材料，但是對LTCC厚膜材料的受約束燒結致密化行為缺乏系統(tǒng)的理論研究。連續(xù)介質力學燒結理論能夠實現對受約束燒結致密化行為的預測和模擬，得到了越來越多的關注。
　　本文以LTCC厚膜材料為研究對象，通過原位光學膨脹儀觀測系統(tǒng)，研究了多種約束條件下LTCC厚膜的燒結

2、致密化行為?；谶B續(xù)介質力學燒結理論，成功地使用垂直燒結方法測定了LTCC厚膜材料各向同性及各向異性的燒結參數，并根據測定的燒結參數對基板約束LTCC厚膜的燒結致密化行為進行了分析和預測。研究了多種約束燒結條件下LTCC厚膜內部顯微結構的演變規(guī)律。本文的主要結論如下:
　　(1)通過對流延工藝的探索和嘗試，成功使用銀峰(YF)低介微波陶瓷粉體和浩普(HP)鐵氧體粉體制備出了厚度可控、一致性好、致密的LTCC厚膜材料。并可通過工藝參

3、數的調控，制備出不同厚度的厚膜。搭建了原位光學膨脹儀，并結合垂直燒結樣品臺及石英搖擺臂測定了多種形式的受約束LTCC厚膜材料的燒結致密化行為。
　　(2)采用薄膜懸掛垂直燒結方法，分別測定了幾種LTCC厚膜材料，DuPont951 tape(DU)，Ferro A6M tape(FE)和YF厚膜的單軸粘度。通過研究發(fā)現，受到自身重力影響，垂直燒結的LTCC厚膜在垂直方向上的燒結致密化行為會受到細微的影響，但是其內部微結構仍然能保持

4、各向同性。LTCC厚膜的單軸粘度隨相對密度的增加呈現出非線性增長，在低密度范圍內增長緩慢，在較高密度范圍內則增長迅速。通過對比研究發(fā)現，實驗測定的厚膜的單軸粘度與Raj模型預測的結果具有很好的一致性。通過ln(Ep)與1/T之間的Arrhenius方程，求解出了DU厚膜的單軸粘度激活能，其數值290±47 kJ/mol。
　　(3)為測定LTCC厚膜材料的各向異性燒結參數，設計了單軸加載燒結實驗，對垂直燒結的FE厚膜施加單軸載荷，

5、并通過調節(jié)單軸載荷的大小，實現了FE厚膜在單軸方向上的零收縮燒結。研究發(fā)現單軸載荷可以明顯改變加載方向上厚膜材料的燒結致密化行為，但是對厚膜整體的燒結致密化過程影響不大。通過對單軸加載FE厚膜顯微結構的研究發(fā)現，厚膜內的氣孔在燒結過程中會逐漸沿著單軸加載方向取向，而且氣孔的取向程度隨著單軸載荷的增大而逐漸增加。根據厚膜單軸零收縮燒結所對應的邊界條件簡化了各向異性連續(xù)介質力學方程，成功得到適用于計算厚膜各向異性的燒結參數的公式，并計算出在

6、單軸零收縮條件下FE厚膜的單軸粘度和粘性泊松比系數。通過與各向同性燒結參數的對比發(fā)現，單軸零收縮燒結LTCC厚膜的單軸粘度明顯增大，同時粘性泊松比系數隨密度增加而逐漸下降。
　　(4)研究了硬質基板約束FE厚膜的燒結致密化行為。由于基板的約束力，在燒結過程中FE厚膜在基板平面方向上的燒結致密化過程被抑制，只能在厚度方向上產生燒結收縮，在燒結后樣品的密度低于自由燒結厚膜。在燒結過程中厚膜內出現了明顯的各向異性微結構，隨著密度的增加氣

7、孔會逐漸沿著平行于基板的方向取向。通過阿倫尼烏斯公式（Arrhenius）和主燒結曲線(MSC)兩種方法研究了硬質基板約束的FE厚膜的燒結激活能。使用阿倫尼烏斯方法求得自由燒結厚膜的燒結激活能為530±30kJ/mol，而基板約束厚膜的燒結激活隨著密度而逐漸降低，由640kJ/mol逐漸下降至359kJ/mol。而使用主燒結曲線方法求得的自由燒結厚膜燒結激活能為510kJ/mol，基板約束厚膜燒結激活能為440kJ/mol。通過對比發(fā)現

8、，硬質基板約束厚膜的燒結激活能明顯低于自由燒結厚膜。我們分別使用各向同性及各向異性連續(xù)介質力學本構方程對硬質基板約束厚膜的燒結致密化行為進行預測和模擬。通過對比實驗測定和理論預測的結果發(fā)現，各向異性連續(xù)介質力學方程能更準確地預測出受約束厚膜在較高的密度范圍內(＞75％)的燒結致密化行為。
　　(5)通過對柔性基板約束HP厚膜研究發(fā)現，在燒結過程中厚膜會產生向上的翹曲變形。與硬質基板約束的厚膜相比，柔性基板通過翹曲釋放了一部分基板約

9、束力，厚膜的燒結致密化過程受到的抑制作用減弱，燒結后厚膜的密度更高。使用各向同性連續(xù)介質力學方程預測了受約束厚膜的致密化速率，與實驗測定的結果對比后發(fā)現兩者在低密度區(qū)能保持較好的一致性，但是隨著密度的增加，兩者之間的差異逐漸增大。通過分析了柔性基板約束HP厚膜的顯微結構發(fā)現，厚膜內的氣孔存在明顯的梯度分布，氣孔率在遠離基板的位置逐漸降低。通過柔性基板的翹曲變形求解出了作用于厚膜上的基板約束力，并與各向同性連續(xù)介質力學預測的結果對比后發(fā)現