高纯氧化铝陶瓷基板解析|金瑞欣特种电路

氧化铝（Al2O3）陶瓷是目前应用最广泛的陶瓷封装基片材料，具有强度高、耐高温、耐热冲击性和电绝缘性及耐腐蚀性能力强等优良性能，且廉价易得。常见的氧化铝基板是白色，用作LED基板、高频电路基板等。但有些用途需要避免氧化铝基板反射光线，黑色氧化铝的产品因此生成。

一、氧化铝陶瓷基板的晶体结构、分类及性能

氧化铝有许多同质异晶体，例如α-Al2o3、β-Al2o3、γ-Al2o3等，其中以α-Al2o3的稳定性较高，其晶体结构紧密、物理性能与化学性能稳定，具有密度与机械强度较高的优势，在工业中的应用也较多。

氧化铝陶瓷通过氧化铝纯度进行分类，氧化铝纯度为>99%被称为刚玉瓷，氧化铝纯度为99%、95%和90%左右被称为99瓷、95瓷和90瓷，含量> 85%的氧化铝陶瓷一般称为高铝瓷。99.5%氧化铝陶瓷的体积密度为3.95g/cm3，抗弯强度为395MPa，线性膨胀系数为8.1×10-6，热导率为32W/（m·K），绝缘强度为18KV/mm。

氧化铝陶瓷基片根据纯度可分为90瓷、96瓷、99瓷等不同的型号，主要区别在于基板掺杂量不同，掺杂量越少，基片纯度越高，不同纯度的氧化铝陶瓷基片的电性能、机械性能都有一定的区别，纯度越高的陶瓷片其介电常数越高，介质损耗越低，其基板的光洁度越好，比如纯度为99.6%的氧化铝陶瓷片的介电常数为9.9@1MHz，而纯度为96%的氧化铝陶瓷基片的介电常数为9.6@1MHz，虽然二者介电常数只差零点几，但在微波射频设计中已经是一个相当大的误差，同样采用99瓷和96瓷加工而成的器件可能就因为零点几的介电常数而使器件的电性能有着质的区别，一般来说纯度越高的氧化铝陶瓷基板其价格也相对较高。

氧化铝陶瓷的种类

氧化铝陶瓷根据纯度可分为分为纯高型和普通型两种。

① 高纯型氧化铝

高纯型氧化铝陶瓷是Al₂O₃含量在99.9％以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达1650~1990℃，透射波长为1~6μm，一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚，利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管；在电子工业中可作集成电路基板与高频绝缘材料。

② 普通型氧化铝陶瓷

普通型氧化铝陶瓷按Al₂O₃含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种（指Al₂O₃含量分别为99%、95%、90%、85%等）,主要区别在于基板掺杂量不同，掺杂量越少，基片纯度越高，不同纯度的氧化铝陶瓷基片的电性能、机械性能都有一定的区别，纯度越高的陶瓷片其介电常数越高，介质损耗越低，其基板的光洁度越好。有时Al₂O₃含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系列。

▼不同Al₂O₃含量的Al₂O₃陶瓷基片的典型性能

其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；85瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件。75瓷和95瓷是广泛用作厚膜电路基板的陶瓷材料，薄膜电路用的陶瓷基板多采用97瓷或99瓷。

氧化铝基片的主要性能随着氧化铝含量的增加而提高，但氧化铝含量越高，陶瓷制备越困难，95瓷一般在1500℃以上烧成。而99瓷的烧成温度达到1700℃以上。

按照颜色来分，氧化铝陶瓷基片有白色、紫色、黑色三种。常见的氧化铝基板是白色，用作LED基板、高频电路基板等，但有些用途需要避免氧化铝基板反射光线，黑色氧化铝的产品因此生成。

氧化铝陶瓷基板的优势

● 良好的绝缘性能：氧化铝陶瓷基板具有良好的绝缘性能，能够有效隔离电路，避免因漏电等问题导致的故障。

● 优异的耐高温性能：氧化铝陶瓷基板在高温环境下能够保持稳定的性能，能够承受高温环境下的长时间运行，不易变形、烧蚀或氧化等。

● 高强度和硬度：氧化铝陶瓷基板具有较高的强度和硬度，能够承受一定的机械压力和冲击力，不易破碎或磨损。

● 优异的化学稳定性：氧化铝陶瓷基板对大多数化学物质都具有良好的耐腐蚀性，能够在化学侵蚀的环境中稳定运行。

● 良好的加工性能：氧化铝陶瓷基板具有良好的加工性能，可以进行钻孔、铣削、切割等加工工艺，可以实现复杂的几何形状和高精度的尺寸要求。可基于薄膜光刻工艺进行电路加工，其精度可达到微米级别，许多无源器件可基于氧化铝陶瓷基片进行设计，由于其介电常数相对一般PCB基板较高，设计而成的器件尺寸小，这在各类组件模块小型化的发展趋势中有着十分显著的优势。

作为组成航天器的最基本单元，航天器材料的性能水平将直接影响航天器在轨的可靠性。而高纯氧化铝基板制备过程中往往会出现如下问题：

（1）高纯氧化铝粉体经过流延、干燥剪裁、多层叠片、等温静压处理、烧结等多道复杂工序的得到的薄膜氧化铝陶瓷基板，材质纯度低，将会增大介电损耗导致电路性能降低。

（2）材料机械强度弱，则会导致薄膜电路产品在组装和试验过程中出现裂纹、材料本体剥落等问题。

（3）陶瓷基板表面缺陷会造成在其上制作的电路膜层的局部附着力恶化，线条边缘毛刺等质量问题，影响电路信号质量，甚至造成产品多余物。

因卫星在轨不可维修性和高可靠性要求，种种问题限制了氧化铝基板在星载微波组件中的应用。因此高纯氧化铝基板的特性对于微波电路的使用至关重要。

高纯氧化铝基板制备要点

经研究实践总结：溶剂体系、流延膜带厚度以及脱粘烧结工艺参数等是制备过程的关键，其控制是否妥当会影响最终基板的厚度及厚度均匀性、外观质量和表面粗糙等工程应用指标。

高纯氧化铝基板的制备工艺流程

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流延浆料溶剂体系的优化

溶剂的主要作用是溶解粘接剂、增塑剂和其它添加剂，分散粉粒，并为浆料提供合适的粘度。不同溶剂体系对环境的适应性不同，且会影响配制浆料的固含量、流延膜片表面状态及成膜效果。在分散剂、粘结剂和塑化剂固定的前提下，不同溶剂体系的流延成型状态差异较多。

流延成型工艺流程图

比如，无水乙醇空气中易挥发，浆料在流延过程中很容易结膜，流延膜片也容易开裂。经过反复试验，开发出新的复合体系溶剂。如：固定溶剂为无水乙醇+乙酸丁酷的复合体系溶剂，固含量在56 wt.%附近，浆料粘度在5Pa·s左右，流变性能好，适合流延。可用于制备浆料可获得高固含量浆料，且能够获得性能稳定的膜片。

2
流延膜片的厚度控制

单层流延膜片的厚度影响到最终基板的厚度公差。经试验结果表明，流延膜片厚度主要受浆料状态和流延刀口高度的影响，随着流延浆料固含量的提高，烧结基板平均密度逐渐变大，宽度和厚度方向收缩率趋于稳定。根据这一规律，精细调控固含量和烧结温度可精确控制烧结基板的最终尺寸。

3
基板的外观和平整度控制

良好的外观和平整度是高纯氧化铝基板工程应用的基础，影响基板外观和平整度的因素很多，其中叠层、脱粘和烧结是关键环节。

3.1 流延膜片的叠层工艺控制

为避免流延膜片在叠层和温等静压处理过程中出现表面缺陷和平整度的问题，经多次实验对比，确定采用以下途径：1）采取宽膜带叠层、等静压后裁剪中间部位，避开流延膜带边缘的缺陷和不平整区域；2）采用钢化玻璃板作为叠层载体，将流延素坯平铺在钢化玻璃板上，叠层时控制载带上取下的每张膜片上下表面均保持统一方向。钢化玻璃载体等措施明显减少了膜片表面微观缺陷，有效提高外观质量和平整度。

3.2 素坯脱粘工艺控制

脱粘的作用是去除素坯内的有机物。为有效利用炉膛空间，同时解决素坯脱粘过程的翘曲和开裂问题，基板素坏在炉膛内是采取叠放脱粘方式。经过多种实验表明，最终确定叠层无盖板模式可兼顾效率和防止翘曲开裂，采用叠层+无盖板脱粘方式，进一步优化了脱粘过程叠层层数，最高层数最终确定为5层。

3.3 烧结工艺控制

烧结是氧化铝陶瓷基板制备的较为关键的一道工序，由于烧结温度较高，杂质容易碳化，为避免基板被污染，盖板和垫板的选择很重要。经试验确定，盖板采用多孔高纯氧化铝陶瓷，垫板采用致密高纯氧化铝陶瓷，使用前均需超声清洗。

不同烧结方式基板状态统计

从上表可以看出，采用多片叠加并用多孔盖板进行隔离，不仅可以提高炉膛利用率，烧结基板也容易剥离，且烧结基板具有较高的平整度。优化后的烧结方式，保证了基板产品的外观质量和平整度，通过进一步调节烧结温度，实现了与进口基板性能相近的高纯氧化铝基板的制备。

烧结基板的表面（左）和断面（右）显微结构

黑色的氧化铝基板有其独特的特点和应用，需求也日益增加。

1.氧化铝基板为何要黑色

氧化铝陶瓷通常以基体中氧化铝的含量来分类，例如一般把氧化铝含量在99%、95%、90%左右的依次称为“99瓷”、“95瓷”和“90瓷”。按颜色可分为白色、紫色、黑色氧化铝等。

表氧化铝陶瓷基本性能

黑色氧化铝陶瓷基板多用于半导体集成电路及电子产品中，这主要是由于半导体集成电路以及某些电子产品具有明显的光敏性，要求作为封装材料的氧化铝陶瓷具有遮光性，为保证数码显示清晰也要求数码管衬板的氧化铝陶瓷呈黑色。

图氧化铝黑瓷

黑色氧化铝陶瓷基板具有机械强度高、绝缘性及避光性好等优良的综合性能，适合应用于多层共烧陶瓷基板及光电、数字集成电路、微波电路器件陶瓷外壳等领域。例如采用黑色氧化铝陶瓷封装的晶体振荡器可使体积缩小30~100倍。

氧化铝陶瓷基板抛光可用碱性的二氧化硅溶液搭配合成纤维垫进行抛光，以达到光滑的平面。

2.黑色氧化铝基板的组成

黑色氧化铝是在氧化铝粉体合成时，特别添加过渡性氧化物，制造可吸收可见光的能阶，因此呈现黑色。其构成一般含有三部分：一是氧化铝主体，其含量一般在90%-96 wt%之间；二是黑色色料；三是烧结助剂。

表尖晶石类化合物及其颜色

目前常用的黑色着色氧化物有Fe2O3、CoO、NiO、V2O5、Cr2O3、MnO、TiO2等，其中Fe2O3、CoO、Cr2O3、MnO最为常用。这些着色氧化物在高温下挥发性都较强，在形成尖晶石后其挥发性会有明显降低，因此色料通常以尖晶石（Me2+O·Me3+O3）的形态存在，黑色氧化铝中的呈色效果主要是由不同的尖晶石型化合物决定的。