半导体陶瓷部件生产工艺介绍

2025-01-04


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粉料制备

1)配料

原料中加入各种需要的材料,制备成特定配方的粉料。可以采用固相法、液相法、气相法等来制备。

2)机械球磨

球磨机是工业生产中常用的制备原料的设备,其内衬大多是陶瓷材料,也有的是采用高分子材料。将需要球磨的粉料加入到球磨机中,并加入各种陶瓷球作为研磨球。在研磨球和机械球磨后,粉料粒度可以达到微米级别。

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3)喷雾干燥

制备的陶瓷细粉或粉料沉淀物、胶体等经常需要水洗、过滤、干燥和煅烧,这些工艺过程一般会影响粉料成分的均匀性、颗粒的大小以及形状。采用喷雾的方式可以将溶液分散成小液滴,喷入热风,并使得溶剂迅速蒸发,从而可以得到均匀尺寸和形状的粉料。经过喷雾干燥后的粉料,制备烧结体后具有较细的晶粒。


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粉料成型

用相应配方制备的粉料来制备陶瓷生坯,陶瓷制品成型方法通常包括干压成型、等静压成型、流延成型、注射成型、凝胶注模成型等多种方法。用这些方法可以得到相应的陶瓷生坯。

1)干压成型

该工艺主要通过把造粒后颗粒级配适合的粉末,倒入到金属模腔中,用压头对其施加压力,压头在模腔中进行移位,并将压力传递给模具中的粉体颗粒,使其被压实,最终形成具有一定形状和强度的陶瓷素坯产品。

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2)等静压成型

该工艺是把需要压制成型的半导体陶瓷零部件放入等静压机中,利用液体不可压缩和均匀传递压力的性质从各个方向对试样进行均匀加压,当液体介质通过压力泵注入压力容器中时,其压强大小不变且均匀传递到各个方向,这样,陶瓷零部件在各个方向上受到均匀的大小一致的压力,从而使得陶瓷零部件更加致密。

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3)流延成型

流延成型是较复杂的一个工艺,它是能够一次成形制造出厚度从数十微米至毫米量级的陶瓷毛坯的湿式成形技术,将具有一定粘性且分散性较好的陶瓷浆料,从流延机浆料槽刀口流到基带上,将浆料展开,在表面张力的作用下,生成光滑上表面的坯膜,将坯膜连同基带一起送到烘干室内,在溶剂挥发后,有机粘结剂在陶瓷颗粒之间生成网络,从而生成具有一定强度和柔性的坯片,将干燥的坯片从基带上剥离后,卷轴备用。根据需要对产品进行裁切、冲压、穿孔等工序,再进行烧制,即可完成产品的加工。

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4)注射成型

注射成型是将热塑性材料与陶瓷粉体混合成热溶体,然后注射到相对冷的模具中,待冷却后,将成型好的坯体制品顶出脱模即可,该工艺可以快速自动地进行批量生产,而且其工艺过程可以进行精确控制,该工艺可以成型复杂形状的陶瓷产品,应用较广。

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5)凝胶注模成型

凝胶注模成型是在高固相含量、低粘度的陶瓷浆料中掺入低浓度的有机单体,再加入引发剂并浇注,然后使浆料中的有机单体在一定条件下发生原位聚合反应,形成坚固的交联网结构,浆料凝固后经过脱模、干燥、排胶、烧结后得到所需的陶瓷零部件。


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高温烧结

陶瓷零部件制品有的是先排胶再烧结,有的是排胶和烧结一起完成。通常排胶温度低于烧结温度,不超过1000℃。高温烧结方式主要包括常压烧结、真空烧结、气氛烧结。通过烧结可以使得陶瓷由生坯转化为熟坯,变成致密结构。

1)常压烧结

常压烧结就是对材料不进行加压而使其在大气压力下烧结,是较常用的烧结方法,这种方法一般是在氧气气氛下或者某种特殊气体气氛条件下烧结。在常压烧结过程中,成型的坯体不受外加压力的作用,只是在常压下加热粉末颗粒的聚集体转变成晶粒结合体。

2)真空烧结

真空烧结是指在真空环境下,将特定形态的陶瓷坯体通过物理、化学作用,在真空状态下,转化为致密、硬的烧结体。氧化物陶瓷坯体中的孔隙主要是由水、氢和氧等物质组成,在烧结时它们会通过气孔逃逸。但是,一氧化碳,二氧化碳,尤其是氮,很难通过气孔逃逸,导致产品的致密性降低。通过真空烧结,可以使所有的气体都排出,因此,产品的致密度得到改善。

3)气氛烧结

对于在常压烧结中较难烧结的陶瓷件,常用气氛烧结。这种方法是在炉内通入一定的气体形成需要的气氛,使得陶瓷零部件在特定的气氛下烧结。根据材料的不同,一般可以采用氧气、氢气、氮气、氩气等不同气氛。


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精密加工

生坯烧结后的陶瓷零部件尺寸尚未达到所需尺寸,需要将烧结过的陶瓷熟坯及陶瓷制品进行进一步精加工,通常用CNC车床、磨床等对陶瓷熟坯进行切、车、磨、铣、削、钻孔等,加工成需要的陶瓷制品。陶瓷CNC加工是指利用计算机控制来操作和操纵机器和切削工具对陶瓷零部件进行成型的减材制造过程。陶瓷材料由于硬度高、强度高、易碎等特性,在其加工过程中要格外注意,而且很多陶瓷零部件要求的精度较高,加工难度较大。采用CNC加工可以很好地控制精度,确保多个零件的一致性。


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