高純氧化鋁陶瓷基板解析
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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(qiáng)度高、耐高溫、耐熱沖擊性和電絕緣性及耐腐蝕性能力強(qiáng)等優(yōu)良性能，且廉價(jià)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(jī)械強(qiáng)度較高的優(yōu)勢(shì)，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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(hào)，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(jī)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(diǎn)幾，但在微波射頻設(shè)計(jì)中已經(jīng)是一個(gè)相當(dāng)大的誤差，同樣采用99瓷和96瓷加工而成的器件可能就因?yàn)榱泓c(diǎn)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(jià)格也相對(duì)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(dá)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(jī)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(shí)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(jī)械強(qiáng)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(dá)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(shí)間運(yùn)行，不易變形、燒蝕或氧化等。● 高強(qiáng)度和硬度：氧化鋁陶瓷基板具有較高的強(qiáng)度和硬度，能夠承受一定的機(jī)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(duì)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(yùn)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(jìn)行鉆孔、銑削、切割等加工工藝，可以實(shí)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(jìn)行電路加工，其精度可達(dá)到微米級(jí)別，許多無源器件可基于氧化鋁陶瓷基片進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于其介電常數(shù)相對(duì)一般PCB基板較高，設(shè)計(jì)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(shì)中有著十分顯著的優(yōu)勢(shì)。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(huì)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(huì)增大介電損耗導(dǎo)致電路性能降低。（2）材料機(jī)械強(qiáng)度弱，則會(huì)導(dǎo)致薄膜電路產(chǎn)品在組裝和試驗(yàn)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(huì)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(hào)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(duì)于微波電路的使用至關(guān)重要。經(jīng)研究實(shí)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(dāng)會(huì)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(biāo)。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(duì)環(huán)境的適應(yīng)性不同，且會(huì)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(yàn)，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。可用于制備漿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(yàn)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(xì)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(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)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(jī)物。為有效利用爐膛空間，同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(yàn)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(jì)
從上表可以看出，采用多片疊加并用多孔蓋板進(jìn)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(jìn)一步調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)了與進(jìn)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(dú)特的特點(diǎn)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(jī)械強(qiáng)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(jìn)行拋光，以達(dá)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(shí)，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(qiáng)，在形成尖晶石后其揮發(fā)性會(huì)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(shí)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(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)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(duì)封裝的要求越來越高，對(duì)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(duì)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(shí)間早，例如日本京瓷、日本精密陶瓷、CoorsTek等，國內(nèi)主要依賴進(jìn)口
