声明：本文转载自2010年2月《中国陶瓷》期刊第46卷第2期，本公众号仅做知识分享，如有侵权可联系后台申请删除！
α-Al2O3陶瓷材料具有高强度，优越的绝缘性和化学稳定性、良好的介电性能等优点，被广泛应用于电子、机械、化工、航空航天等领域。近年来，随着微电子技术尤其是混合集成电路（HIC）和多芯片组件（MCM）技术的飞速发展，氧化铝陶瓷基板的广泛应用而日益受到人们的重视。在各种成型工艺中，有机流延成型方法制备氧化铝基板具有成本低，效率高，坯膜性能均匀一致且易于控制等优点，成为目前制备高性能氧化铝陶瓷基板的首选方法。
非水基流延成型工艺是指无机粉料用苯类、醇类、酮类等有机物作为有机溶剂，进行第一段球磨，再加入粘结剂、增塑剂、分散剂等添加剂进行第二段球磨，制得适宜流延成型的浆料，在流延机上经过流延成型制得基片生坯。非水基流延成型工艺被应用于大规模工业生产，是由于它的如下优点：
（1）工艺简单，对设备要求不高；
（2）成本相对较为低廉；
（3）产品性能稳定，易于大规模生产。
鉴于有机溶剂对生产环境的污染因素，现在也有人尝试用水基流延代替有机流延成型，不过因为水基流延工艺和设备上的苛刻要求以及产品性能稳定性差等因素一直停留在实验室阶段。本研究主要针对非水基流延工艺中的混合溶剂配比、各添加剂加入量以及烧成制度等对基片性能的影响进行了探讨。
1.1原料
采用高纯超细氧化铝粉，用JL-1155型激光粒度分布仪测得其平均粒径尺寸为1.21μm，烧结助剂为超细滑石粉，混合溶剂为甲苯和正丁醇，粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛（PVB），增塑剂为聚乙二醇-400（PEG-400），分散剂为鱼油，均为分析纯。
1.2浆料制备与粘度测试
实验室采用两段球磨法制备流延浆料，第一段，在球磨罐中加入一定量的氧化铝粉、适量超细滑石粉和球磨介质，然后量取适量的甲苯与正丁醇溶剂进行球磨，为了获得良好的分散性，再加入少量鱼油，球磨7-8h；第二段，加入增塑剂（PEG-400）粘结剂（PVB），继续球磨6-7h制得浆料，过250目筛，真空脱泡，浆料粘度用NDJ-1旋转式粘度计测量。
1.3样品制备和性能测试
将制得适合流延的浆料在LY-250-1型流延机上流延，流延带速度为0.5~0.7m/min，采用四段干燥，通过调节流延刮刀刀片高度和流延带速度控制流延片厚度。将干燥好的素坯切割成一定尺寸放进电炉在制定的烧成制度下烧结。采用JSM-6700F型场发射扫描电镜分析，采用ZC36高阻计测试电阻R并计算出体积电阻率Pv。采用HP4294A型测量仪测量电容C和介质损耗tgδ（测量频率为IMHz）并计算出介电常数ε。
2.1流延浆料性能的影响因素分析
在流延成型工艺中，浆料的粘度是反映浆料内摩擦或粘（滞）性的特征量，是影响坯片质量的重要参数。浆料性能的影响因素主要有：无机粉料含量、溶剂含量、各添加剂加入量等。氧化铝加入量对浆料粘度的影响如图1所示，随着氧化铝含量的增加，粒子间相互作用逐渐增强，浆料粘度不断上升。实验结果表明，当氧化铝含量在64-68wt%之间时，浆料的流变性能较好，溶剂加入量过多会导致浆料粘度低，不易成型，挥发慢，浪费等，反之粘结剂PVB无法充分溶解，无法得到适宜流延的浆料；为了加宽溶剂的挥发范围，避免浆料干燥过程中在某一狭窄的温度范围内产生剧烈收缩，往往选择几种溶剂混合使用。经过综合考虑优化，本实验选用甲苯与正丁醇的混合溶剂。由于甲苯的沸点比正丁醇的沸点低，随着正丁醇的加入量增加，干燥初期和后期溶剂挥发快，中期溶剂挥发慢，易于出现初期生坯表层迅速凝固、后期产生皲裂等缺陷。反之则容易导致坯体因剧烈收缩而变形或开裂。实验得出混合溶剂加入量为27.5wt%，甲苯与正丁醇比例为5:3时，浆料适宜流延。添加增塑剂和粘结剂的作用是提高生坯柔软度和生坯强度。粘结剂含量过少，导致浆料不易成膜，生坯干燥过程易开裂，如果含量过多，则会增加成本和造成烧成负担，成品气孔率会上升；增塑剂含量过少，生坯较脆，冲模易断裂，如果加入量过多，则会导致浆料粘度下降和生坯不易起膜等问题。随增塑剂和粘结剂的比值R值的上升，浆料的粘度降低。如图2所示。
图1.氧化铝含量与粘度之间的关系
图2.增塑剂和粘结剂的比值R与粘度关系
分析认为，这种现象是由于增塑剂小分子插入粘结剂高分子链与链之间，增加了长链的距离，起到了润滑的作用，其结果是降低了粘度。但增塑剂的添加是以牺牲素坯的强度为代价的，所以在通过R值改变来调整粘度的同时，要注意随R值的增大，素坯的强度将会降低。实验结果表明，R值为0.4时，可获得较高质量的氧化铝素坯。分散剂也叫悬浮剂，是一种非常重要的组元，其用量很少，通过静电稳定和空间位阻稳定，使陶瓷粉末在浆料中处于悬浮状态，本实验得出分散剂鱼油的最佳添加量为0.6wt%。
陶瓷基片密度的大小反映了陶瓷颗粒间排列的紧密程度。随着烧结温度的不断提高，试样内部的烧结助剂逐渐熔化，开始出现液相，产生晶粒重排，气孔和杂质随晶界推移，陶瓷颗粒之间结合程度越来越紧密，引起陶瓷基体致密化程度提高，氧化铝陶瓷的收缩率不断变大。但是烧结温度进一步提高，收缩率的变化趋势明显变缓。实验结果表明，在烧结温度超过1575℃后，收缩率变化趋于平稳，保持在16.2%左右。氧化铝陶瓷基片在1575℃烧结气孔率最小值达到1%，体积密度达到最大值3.780g/cm³。烧结前后的显微结构如图3所示。
图3.样品的SEM照片
从试样的生坯SEM照片可以看出，生坯颗堆积紧密，颗粒之间由有机添加剂填充；从试样的烧结体断面的SEM照片可以看出，烧结后的氧化铝晶粒细小、均匀、气孔较小，烧结体结构致密。
氧化铝陶瓷基片要求高体积电阻率、低介电常数和低介电损耗角正切值等。表1为采用以上配方和工艺制备的样品的介电性能。由表1可知，试样的体积电阻率在1016数量级，说明试样的绝缘性能好。介电常数ε在9~10之间，tgδ在10-4数量级，介电性能优良。
表1.样品的介电性能
1）氧化铝非水基流延成型添加剂的最佳配比为：复合溶剂27.5wt%（甲苯：正丁醇为5:3），粘结剂5wt%，增塑剂2wt%,分散剂0.6wt%，可获得粘度为2100-3500mPa·s的浆料，此浆料流动性好。
2）采用以上配方工艺制得的浆料，经流延成型制备出氧化铝陶瓷基片生坯，在1575℃烧结陶瓷基片气孔率达到最小值为1%，体积密度达到最大值3.780g/cm³。烧结后的氧化铝陶瓷基片显微结构晶粒细小、均匀、致密、介电性能优良。
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