高純氧化鋁陶瓷基板解析
文章出處：行業(yè)動態(tài) 責(zé)任編輯：陶瓷pcb電路板|深圳市金瑞欣特種電路技術(shù)有限公司 閱讀量：- 發(fā)表時間：2023-09-06
氧化鋁陶瓷基板
氧化鋁（Al2O3）陶瓷是目前應(yīng)用最廣泛的陶瓷封裝基片材料，具有強度高、耐高溫、耐熱沖擊性和電絕緣性及耐腐蝕性能力強等優(yōu)良性能，且廉價易得。常見的氧化鋁基板是白色，用作LED基板、高頻電路基板等。但有些用途需要避免氧化鋁基板反射光線，黑色氧化鋁的產(chǎn)品因此生成。一、氧化鋁陶瓷基板的晶體結(jié)構(gòu)、分類及性能氧化鋁有許多同質(zhì)異晶體，例如α-Al2o3、β-Al2o3、γ-Al2o3等，其中以α-Al2o3的穩(wěn)定性較高，其晶體結(jié)構(gòu)緊密、物理性能與化學(xué)性能穩(wěn)定，具有密度與機械強度較高的優(yōu)勢，在工業(yè)中的應(yīng)用也較多。氧化鋁陶瓷通過氧化鋁純度進行分類，氧化鋁純度為>99%被稱為剛玉瓷，氧化鋁純度為99%、95%和90%左右被稱為99瓷、95瓷和90瓷，含量> 85%的氧化鋁陶瓷一般稱為高鋁瓷。99.5%氧化鋁陶瓷的體積密度為3.95g/cm3，抗彎強度為395MPa，線性膨脹系數(shù)為8.1×10-6，熱導(dǎo)率為32W/（m·K），絕緣強度為18KV/mm。氧化鋁陶瓷基片根據(jù)純度可分為90瓷、96瓷、99瓷等不同的型號，主要區(qū)別在于基板摻雜量不同，摻雜量越少，基片純度越高，不同純度的氧化鋁陶瓷基片的電性能、機械性能都有一定的區(qū)別，純度越高的陶瓷片其介電常數(shù)越高，介質(zhì)損耗越低，其基板的光潔度越好，比如純度為99.6%的氧化鋁陶瓷片的介電常數(shù)為9.9@1MHz，而純度為96%的氧化鋁陶瓷基片的介電常數(shù)為9.6@1MHz，雖然二者介電常數(shù)只差零點幾，但在微波射頻設(shè)計中已經(jīng)是一個相當大的誤差，同樣采用99瓷和96瓷加工而成的器件可能就因為零點幾的介電常數(shù)而使器件的電性能有著質(zhì)的區(qū)別，一般來說純度越高的氧化鋁陶瓷基板其價格也相對較高。氧化鋁陶瓷根據(jù)純度可分為分為純高型和普通型兩種。高純型氧化鋁陶瓷是Al2O3含量在99.9％以上的陶瓷材料，由于其燒結(jié)溫度高達1650~1990℃，透射波長為1~6μm，一般制成熔融玻璃以取代鉑坩堝，利用其透光性及可耐堿金屬腐蝕性用作鈉燈管；在電子工業(yè)中可作集成電路基板與高頻絕緣材料。普通型氧化鋁陶瓷按Al2O3含量不同分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種（指Al2O3含量分別為99%、95%、90%、85%等）,主要區(qū)別在于基板摻雜量不同，摻雜量越少，基片純度越高，不同純度的氧化鋁陶瓷基片的電性能、機械性能都有一定的區(qū)別，純度越高的陶瓷片其介電常數(shù)越高，介質(zhì)損耗越低，其基板的光潔度越好。有時Al2O3含量在80%或75%者也劃為普通氧化鋁陶瓷系列。▼不同Al2O3含量的Al2O3陶瓷基片的典型性能其中99氧化鋁瓷材料用于制作高溫坩堝、耐火爐管及特殊耐磨材料，如陶瓷軸承、陶瓷密封件及水閥片等；95氧化鋁瓷主要用作耐腐蝕、耐磨部件；85瓷中由于常摻入部分滑石，提高了電性能與機械強度，可與鉬、鈮、鉭等金屬封接，有的用作電真空裝置器件。75瓷和95瓷是廣泛用作厚膜電路基板的陶瓷材料，薄膜電路用的陶瓷基板多采用97瓷或99瓷。氧化鋁基片的主要性能隨著氧化鋁含量的增加而提高，但氧化鋁含量越高，陶瓷制備越困難，95瓷一般在1500℃以上燒成。而99瓷的燒成溫度達到1700℃以上。按照顏色來分，氧化鋁陶瓷基片有白色、紫色、黑色三種。常見的氧化鋁基板是白色，用作LED基板、高頻電路基板等，但有些用途需要避免氧化鋁基板反射光線，黑色氧化鋁的產(chǎn)品因此生成。● 良好的絕緣性能：氧化鋁陶瓷基板具有良好的絕緣性能，能夠有效隔離電路，避免因漏電等問題導(dǎo)致的故障。● 優(yōu)異的耐高溫性能：氧化鋁陶瓷基板在高溫環(huán)境下能夠保持穩(wěn)定的性能，能夠承受高溫環(huán)境下的長時間運行，不易變形、燒蝕或氧化等。● 高強度和硬度：氧化鋁陶瓷基板具有較高的強度和硬度，能夠承受一定的機械壓力和沖擊力，不易破碎或磨損。● 優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性：氧化鋁陶瓷基板對大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)都具有良好的耐腐蝕性，能夠在化學(xué)侵蝕的環(huán)境中穩(wěn)定運行。● 良好的加工性能：氧化鋁陶瓷基板具有良好的加工性能，可以進行鉆孔、銑削、切割等加工工藝，可以實現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀和高精度的尺寸要求?？苫诒∧す饪坦に囘M行電路加工，其精度可達到微米級別，許多無源器件可基于氧化鋁陶瓷基片進行設(shè)計，由于其介電常數(shù)相對一般PCB基板較高，設(shè)計而成的器件尺寸小，這在各類組件模塊小型化的發(fā)展趨勢中有著十分顯著的優(yōu)勢。作為組成航天器的最基本單元，航天器材料的性能水平將直接影響航天器在軌的可靠性。而高純氧化鋁基板制備過程中往往會出現(xiàn)如下問題：（1）高純氧化鋁粉體經(jīng)過流延、干燥剪裁、多層疊片、等溫靜壓處理、燒結(jié)等多道復(fù)雜工序的得到的薄膜氧化鋁陶瓷基板，材質(zhì)純度低，將會增大介電損耗導(dǎo)致電路性能降低。（2）材料機械強度弱，則會導(dǎo)致薄膜電路產(chǎn)品在組裝和試驗過程中出現(xiàn)裂紋、材料本體剝落等問題。（3）陶瓷基板表面缺陷會造成在其上制作的電路膜層的局部附著力惡化，線條邊緣毛刺等質(zhì)量問題，影響電路信號質(zhì)量，甚至造成產(chǎn)品多余物。因衛(wèi)星在軌不可維修性和高可靠性要求，種種問題限制了氧化鋁基板在星載微波組件中的應(yīng)用。因此高純氧化鋁基板的特性對于微波電路的使用至關(guān)重要。經(jīng)研究實踐總結(jié)：溶劑體系、流延膜帶厚度以及脫粘燒結(jié)工藝參數(shù)等是制備過程的關(guān)鍵，其控制是否妥當會影響最終基板的厚度及厚度均勻性、外觀質(zhì)量和表面粗糙等工程應(yīng)用指標。溶劑的主要作用是溶解粘接劑、增塑劑和其它添加劑，分散粉粒，并為漿料提供合適的粘度。不同溶劑體系對環(huán)境的適應(yīng)性不同，且會影響配制漿料的固含量、流延膜片表面狀態(tài)及成膜效果。在分散劑、粘結(jié)劑和塑化劑固定的前提下，不同溶劑體系的流延成型狀態(tài)差異較多。比如，無水乙醇空氣中易揮發(fā)，漿料在流延過程中很容易結(jié)膜，流延膜片也容易開裂。經(jīng)過反復(fù)試驗，開發(fā)出新的復(fù)合體系溶劑。如：固定溶劑為無水乙醇+乙酸丁酷的復(fù)合體系溶劑，固含量在56 wt.%附近，漿料粘度在5Pa·s左右，流變性能好，適合流延?？捎糜谥苽錆{料可獲得高固含量漿料，且能夠獲得性能穩(wěn)定的膜片。
單層流延膜片的厚度影響到最終基板的厚度公差。經(jīng)試驗結(jié)果表明，流延膜片厚度主要受漿料狀態(tài)和流延刀口高度的影響，隨著流延漿料固含量的提高，燒結(jié)基板平均密度逐漸變大，寬度和厚度方向收縮率趨于穩(wěn)定。根據(jù)這一規(guī)律，精細調(diào)控固含量和燒結(jié)溫度可精確控制燒結(jié)基板的最終尺寸。良好的外觀和平整度是高純氧化鋁基板工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，影響基板外觀和平整度的因素很多，其中疊層、脫粘和燒結(jié)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為避免流延膜片在疊層和溫等靜壓處理過程中出現(xiàn)表面缺陷和平整度的問題，經(jīng)多次實驗對比，確定采用以下途徑：1）采取寬膜帶疊層、等靜壓后裁剪中間部位，避開流延膜帶邊緣的缺陷和不平整區(qū)域；2）采用鋼化玻璃板作為疊層載體，將流延素坯平鋪在鋼化玻璃板上，疊層時控制載帶上取下的每張膜片上下表面均保持統(tǒng)一方向。鋼化玻璃載體等措施明顯減少了膜片表面微觀缺陷，有效提高外觀質(zhì)量和平整度。
脫粘的作用是去除素坯內(nèi)的有機物。為有效利用爐膛空間，同時解決素坯脫粘過程的翹曲和開裂問題，基板素壞在爐膛內(nèi)是采取疊放脫粘方式。經(jīng)過多種實驗表明，最終確定疊層無蓋板模式可兼顧效率和防止翹曲開裂，采用疊層+無蓋板脫粘方式，進一步優(yōu)化了脫粘過程疊層層數(shù)，最高層數(shù)最終確定為5層。燒結(jié)是氧化鋁陶瓷基板制備的較為關(guān)鍵的一道工序，由于燒結(jié)溫度較高，雜質(zhì)容易碳化，為避免基板被污染，蓋板和墊板的選擇很重要。經(jīng)試驗確定，蓋板采用多孔高純氧化鋁陶瓷，墊板采用致密高純氧化鋁陶瓷，使用前均需超聲清洗。不同燒結(jié)方式基板狀態(tài)統(tǒng)計
從上表可以看出，采用多片疊加并用多孔蓋板進行隔離，不僅可以提高爐膛利用率，燒結(jié)基板也容易剝離，且燒結(jié)基板具有較高的平整度。優(yōu)化后的燒結(jié)方式，保證了基板產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和平整度，通過進一步調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度，實現(xiàn)了與進口基板性能相近的高純氧化鋁基板的制備。燒結(jié)基板的表面（左）和斷面（右）顯微結(jié)構(gòu)黑色的氧化鋁基板有其獨特的特點和應(yīng)用，需求也日益增加。
1.氧化鋁基板為何要黑色
氧化鋁陶瓷通常以基體中氧化鋁的含量來分類，例如一般把氧化鋁含量在99%、95%、90%左右的依次稱為“99瓷”、“95瓷”和“90瓷”。按顏色可分為白色、紫色、黑色氧化鋁等。黑色氧化鋁陶瓷基板多用于半導(dǎo)體集成電路及電子產(chǎn)品中，這主要是由于半導(dǎo)體集成電路以及某些電子產(chǎn)品具有明顯的光敏性，要求作為封裝材料的氧化鋁陶瓷具有遮光性，為保證數(shù)碼顯示清晰也要求數(shù)碼管襯板的氧化鋁陶瓷呈黑色。黑色氧化鋁陶瓷基板具有機械強度高、絕緣性及避光性好等優(yōu)良的綜合性能，適合應(yīng)用于多層共燒陶瓷基板及光電、數(shù)字集成電路、微波電路器件陶瓷外殼等領(lǐng)域。例如采用黑色氧化鋁陶瓷封裝的晶體振蕩器可使體積縮小30~100倍。氧化鋁陶瓷基板拋光可用堿性的二氧化硅溶液搭配合成纖維墊進行拋光，以達到光滑的平面。
2.黑色氧化鋁基板的組成
黑色氧化鋁是在氧化鋁粉體合成時，特別添加過渡性氧化物，制造可吸收可見光的能階，因此呈現(xiàn)黑色。其構(gòu)成一般含有三部分：一是氧化鋁主體，其含量一般在90%-96 wt%之間；二是黑色色料；三是燒結(jié)助劑。目前常用的黑色著色氧化物有Fe2O3、CoO、NiO、V2O5、Cr2O3、MnO、TiO2等，其中Fe2O3、CoO、Cr2O3、MnO最為常用。這些著色氧化物在高溫下?lián)]發(fā)性都較強，在形成尖晶石后其揮發(fā)性會有明顯降低，因此色料通常以尖晶石（Me2+O·Me3+O3）的形態(tài)存在，黑色氧化鋁中的呈色效果主要是由不同的尖晶石型化合物決定的。
3.黑色氧化鋁基板的制備
目前國內(nèi)外制備黑色氧化鋁一般采用一次合成法和二次合成法。一次合成法是將氧化鋁、著色氧化物、助劑直接按一定的配方比混合研磨后，再成型燒結(jié)制成黑色氧化鋁基板。二次合成法是先利用一些著色氧化物煅燒合成黑色色料，如Fe-Co-Cr-Mn系和Fe-Cr-Co系，再把黑色色料、氧化鋁、助劑按一定配比混合研磨后，再成型燒結(jié)制成黑色氧化鋁基板。黑色氧化鋁陶瓷在制備的時候需要從色料的選擇上考慮其使用上的要求，不僅要保證陶瓷基板的顏色的黑度、機械強度，同時也要保證陶瓷基板的絕緣性、熱學(xué)性質(zhì)以及其他性能。圖 黑色氧化鋁陶瓷外殼，來源：石家莊市厚膜集成電路廠隨著集成電路對封裝的要求越來越高，對黑色氧化鋁基板的需求日益增加，大批量、低成本地生產(chǎn)具有遮光特性的黑色氧化鋁陶瓷基板迫在眉睫，目前國內(nèi)外均積極開展對黑色氧化鋁陶瓷制造工藝的研究。黑色氧化鋁陶瓷國外開發(fā)的時間早，例如日本京瓷、日本精密陶瓷、CoorsTek等，國內(nèi)主要依賴進口
