陶瓷基板常用的幾種陶瓷材料

富力天晟科技（武漢）有限公司——斯利通

陶瓷基板大家最常見(jiàn)的就是氧化鋁和氮化鋁陶瓷，但有沒(méi)有其他陶瓷類(lèi)基板呢？

在回答這個(gè)問(wèn)題前，先來(lái)了解下DPC薄膜工藝。

DPC（DirectPlatingCopper）薄膜工藝是一種利用磁控濺射技術(shù)制備銅薄膜的方法。該工藝是將目標(biāo)材料為銅的銅靶放置在真空腔室中，通過(guò)磁控濺射技術(shù)使得銅靶表面產(chǎn)生等離子體，利用等離子體中的離子轟擊靶表面，將其濺射成細(xì)小顆粒并沉積在基底上形成銅薄膜的過(guò)程。

鑒于DPC工藝的特性?xún)?yōu)勢(shì)，磁控濺射可以將平面，3D等任何形狀的材料覆上金屬層，且有良好的結(jié)合力，所以在很多陶瓷材料都可以成為陶瓷基板，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路互聯(lián)，基于不同陶瓷材料的特性，也應(yīng)用在各行各業(yè)。

常用的前十位陶瓷材料：

96氧化鋁（Al2O3），99氧化鋁（Al2O3），氧化鋯（ZrO2），氮化鋁（AlN），碳化硅（SiC），氮化硅（Si3N4），壓電陶瓷，金剛石，藍(lán)寶石，增韌陶瓷（ZTA）。

不常用的陶瓷材料：

二氧化硅（SiO2），氧化鋯鈦（ZrTiO4），氮化硼（BN），碳化硼（B4C），氧化鎂（MgO），氧化鐵（Fe2O3），氧化鈰（CeO2），氮化硅（Si3N4），氧化鋯釔（Y2O3-ZrO2），氧化鋁釔（Y3Al5O12），氧化鈦（TiO2），氧化鋯硅（ZrSiO4），碳化鎢（WC），碳化鈦（TiC），氮化鈦（TiN），氮化硅氧（SiOxNy）。

前十位常用的陶瓷材料各項(xiàng)性能：

一、99氧化鋁

99氧化鋁指的是純度為99%或更高的氧化鋁材料，通常用化學(xué)純氧化鋁或高純度氧化鋁作為原材料，經(jīng)過(guò)高溫煅燒、粉碎、成型、燒結(jié)等多道工藝制成。與96氧化鋁相比，99氧化鋁具有更高的化學(xué)純度、密度和硬度，以及更好的高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。

99氧化鋁在電子、機(jī)械、化工、航空航天等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在電子領(lǐng)域，99氧化鋁通常用于制造高頻電子元件、集成電路封裝、電介質(zhì)等器件；在機(jī)械領(lǐng)域，99氧化鋁主要應(yīng)用于制造高硬度的陶瓷刀具、軸承球等；在化工領(lǐng)域，99氧化鋁可用于制造催化劑和吸附劑；在航空航天領(lǐng)域，99氧化鋁常用于制造高溫結(jié)構(gòu)件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。

二、96氧化鋁

96氧化鋁，又稱(chēng)為工業(yè)氧化鋁或α-氧化鋁，是一種高純度的陶瓷材料。它的化學(xué)式為Al2O3，屬于氧化物類(lèi)陶瓷。96氧化鋁通常采用氧化鋁粉末經(jīng)過(guò)壓制、成型、燒結(jié)等工藝制成。其中的“96”指的是它的鋁氧化物純度達(dá)到了96%以上。96氧化鋁具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨、高溫穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制造陶瓷制品、耐火材料、磨料、電子器件等領(lǐng)域。

99氧化鋁基板和96氧化鋁基板對(duì)比有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

99氧化鋁基板和96氧化鋁基板是常見(jiàn)的高純度氧化鋁材料，它們?cè)谝恍?yīng)用中有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。

99氧化鋁基板的優(yōu)點(diǎn)：

高純度，通常可以達(dá)到99.99%的純度水平，電學(xué)性能優(yōu)異，具有較高的介電常數(shù)和較低的介質(zhì)損耗。

高溫穩(wěn)定性好，可在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，通常能夠承受高達(dá)1700℃的溫度。

高機(jī)械強(qiáng)度，強(qiáng)度大，硬度高，不易受損，可以耐受較大的力和壓力。

具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，不受大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，適用于酸、堿等化學(xué)介質(zhì)。

可以制備成較薄的基板，有利于微電子器件制備。

96氧化鋁基板的優(yōu)點(diǎn)：

比99氧化鋁基板更加廉價(jià)，成本相對(duì)較低。

比99氧化鋁基板更容易加工，可以進(jìn)行切割、鉆孔等加工處理，方便制備各種形狀的基板。

在一些低溫、低電場(chǎng)強(qiáng)度的應(yīng)用中，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗比99氧化鋁基板更低，具有更好的信號(hào)傳輸性能。

缺點(diǎn)：

相對(duì)于99氧化鋁基板，96氧化鋁基板的純度較低，介電常數(shù)和介質(zhì)損耗較高。

在高溫環(huán)境下易出現(xiàn)脆性斷裂。

應(yīng)用行業(yè)細(xì)分：

99氧化鋁基板：適用于高功率LED、高壓集成電路、高溫傳感器、高頻電子元器件等領(lǐng)域。

96氧化鋁基板：適用于低功率電子元件、傳感器、電容器、微型繼電器、微波元器件等領(lǐng)域。

二、氮化鋁（AlN）

氮化鋁陶瓷是一種高性能陶瓷材料，由氮化鋁粉末經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)而成。它的主要成分為氮化鋁（AlN），具有很高的熔點(diǎn)（約2800℃）、硬度（9.0至9.5Mohs）、強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能等特點(diǎn)。同時(shí)，它也具有良好的絕緣性能、化學(xué)穩(wěn)定性和耐高溫性能。由于這些特性，氮化鋁陶瓷在微電子、光電、電力電子、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

氮化鋁陶瓷是一種高性能陶瓷材料，具有以下性能：

高硬度：氮化鋁的硬度接近于金剛石，是傳統(tǒng)氧化鋁的3倍以上，可以用于制作高強(qiáng)度的機(jī)械零件。

高強(qiáng)度：氮化鋁的強(qiáng)度高，具有很好的耐磨性和抗腐蝕性，可以用于制作高負(fù)載、高磨損、耐腐蝕的零件。

高導(dǎo)熱性：氮化鋁的熱導(dǎo)率很高，可以達(dá)到170-230W/(m·K)，是傳統(tǒng)氧化鋁的4倍以上，可以用于制作高功率、高頻率的射頻元器件。

高絕緣性：氮化鋁的介電常數(shù)低，是傳統(tǒng)氧化鋁的1/3左右，可以用于制作高頻率、高精度的微波元器件。

抗氧化性：氮化鋁在高溫下具有很好的抗氧化性能，可以用于制作高溫環(huán)境下的零件。

綜合以上特性，氮化鋁陶瓷被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、航空航天、電子、軍事等領(lǐng)域。例如，用于制作高頻射頻器件、微波元器件、電子陶瓷、熱敏電阻、高溫傳感器等。

四、氧化鋯（ZrO2）

氧化鋯陶瓷材料是一種高強(qiáng)度、高硬度、高溫耐受性、耐腐蝕性和絕緣性能良好的陶瓷材料。它的化學(xué)式為ZrO2，通常采用穩(wěn)定化處理以提高其晶格的穩(wěn)定性和耐磨性。氧化鋯陶瓷材料具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)和高熔點(diǎn)等特點(diǎn)，因此在高溫、高壓、高速和高精度等要求嚴(yán)格的工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，如航空航天、電子、醫(yī)療和能源等領(lǐng)域。

氧化鋯陶瓷是一種高性能工程陶瓷材料，具有以下特點(diǎn)和性能：

高硬度：氧化鋯陶瓷的硬度非常高，通常可達(dá)到HRA90以上，甚至高達(dá)HRA95，是鋼鐵的10倍以上。

高強(qiáng)度：氧化鋯陶瓷具有極高的強(qiáng)度，常溫下可達(dá)到900MPa，高溫下仍能保持較高強(qiáng)度。

良好的抗磨損性：氧化鋯陶瓷表面平整度高，硬度大，因此具有較好的抗磨損性。

良好的抗腐蝕性：氧化鋯陶瓷化學(xué)惰性強(qiáng)，不易被酸堿等化學(xué)物質(zhì)侵蝕，可在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

優(yōu)異的絕緣性能：氧化鋯陶瓷的絕緣性能優(yōu)異，可用于高壓絕緣材料。

高溫穩(wěn)定性好：氧化鋯陶瓷具有極高的熔點(diǎn)和高溫穩(wěn)定性，可在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期使用。

氧化鋯陶瓷具有以上特點(diǎn)和性能，因此被廣泛應(yīng)用于高端制造、電子、航空航天、醫(yī)療器械、化工等領(lǐng)域，如磨料、高溫結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)部件、醫(yī)療器械、傳感器、電容器等。

五、碳化硅（SiC）

碳化硅是一種化合物，化學(xué)式為SiC，由硅和碳兩種元素組成。它是一種耐高溫、耐腐蝕、硬度極高的陶瓷材料，也是一種廣泛應(yīng)用于高溫、高頻、高壓等極端環(huán)境下的工業(yè)材料。碳化硅具有優(yōu)異的機(jī)械、電磁學(xué)和熱學(xué)性能，也因此在半導(dǎo)體、磁盤(pán)、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外，碳化硅還有很好的半導(dǎo)體性能，也被廣泛應(yīng)用于電力電子、光電子等領(lǐng)域。

碳化硅材料具有以下性能：

高硬度：碳化硅材料的硬度比鋼高出5倍，比鋁高出3倍。

高強(qiáng)度：碳化硅材料的強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度可達(dá)400MPa以上。

耐高溫：碳化硅材料的熔點(diǎn)高，可承受高溫?zé)釠_擊，一般使用溫度在1200℃-1600℃。

良好的抗氧化性：碳化硅材料能夠抵抗高溫氧化腐蝕，能夠在空氣中使用。

良好的耐磨性：碳化硅材料硬度高、摩擦系數(shù)小，具有良好的耐磨性能。

良好的導(dǎo)熱性：碳化硅材料的導(dǎo)熱性能優(yōu)良，是金屬的2-3倍，能夠有效地散熱。

良好的化學(xué)穩(wěn)定性：碳化硅材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不會(huì)被酸、堿等腐蝕。

基于這些性能，碳化硅材料被廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、高速、高載荷、耐腐蝕等領(lǐng)域，如電力、電子、機(jī)械、航空、冶金等行業(yè)。

六、氮化硅（Si3N4）

氮化硅陶瓷材料是一種基于氮和硅元素構(gòu)成的高溫陶瓷材料。它具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、耐高溫、抗氧化、抗腐蝕等優(yōu)異性能。其化學(xué)穩(wěn)定性極高，不易受到酸、堿、溶劑等腐蝕。

氮化硅陶瓷材料的硬度可以與金剛石相媲美，甚至更高，達(dá)到了24GPa左右，比普通陶瓷材料更為堅(jiān)硬，不易磨損。同時(shí)，它具有很好的絕緣性能和熱穩(wěn)定性，可在高溫環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

氮化硅陶瓷材料是由氮化硅粉末通過(guò)壓制和燒結(jié)等工藝制成的一種高性能陶瓷材料。它具有以下性能：

高硬度：氮化硅陶瓷材料的硬度接近于金剛石，可達(dá)到30GPa以上。

高強(qiáng)度：氮化硅陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度高，可達(dá)到1000MPa以上。

高耐磨性：氮化硅陶瓷材料的耐磨性好，可用于制造高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承和切削工具等。

耐高溫性：氮化硅陶瓷材料具有較高的耐高溫性能，可在1000℃以上的高溫環(huán)境下使用。

耐腐蝕性：氮化硅陶瓷材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性，可用于一些酸堿性介質(zhì)的工作環(huán)境中。

輕質(zhì)化：氮化硅陶瓷材料比鋼輕，可用于輕量化設(shè)計(jì)。

綜上所述，氮化硅陶瓷材料具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕性和輕質(zhì)化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、光電、電子、半導(dǎo)體、機(jī)械等領(lǐng)域。

七、壓電陶瓷

壓電陶瓷材料是一種具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料，能夠在外加電場(chǎng)或機(jī)械應(yīng)力下發(fā)生形變，同時(shí)在形變時(shí)產(chǎn)生電荷。它們通常是以鉛酸鋇（Pb(Zr,Ti)O3）或鉛酸鈮（Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3）等物質(zhì)為主要成分，經(jīng)過(guò)燒結(jié)而成。

壓電陶瓷材料的主要性能包括：

壓電效應(yīng)：能夠?qū)C(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，或?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這種效應(yīng)使得壓電陶瓷材料在傳感器、執(zhí)行器、聲波器件等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

介電性能：具有較高的介電常數(shù)和較低的介電損耗，使得壓電陶瓷材料在電子元器件中用作電容器、濾波器等。

機(jī)械性能：具有較高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，使得壓電陶瓷材料在機(jī)械工程中得到應(yīng)用。

熱穩(wěn)定性：具有良好的熱穩(wěn)定性和耐高溫性能，可在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。

總體來(lái)說(shuō)，壓電陶瓷材料具有多種優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于傳感器、執(zhí)行器、聲波器件、電子元器件、機(jī)械工程等領(lǐng)域。

八、金剛石

金剛石陶瓷材料是一種使用鉆石微粉和陶瓷作為原料，經(jīng)過(guò)高溫高壓燒結(jié)制得的新型材料。由于金剛石的硬度極高，能夠達(dá)到摩氏硬度10級(jí)，且具有優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕和高溫抗氧化性能，因此金剛石陶瓷材料具有極高的物理和化學(xué)性能。

金剛石陶瓷材料具有以下特點(diǎn)：

極高的硬度和強(qiáng)度，比普通陶瓷材料更加耐磨、耐刮擦和耐沖擊；

優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠抵御強(qiáng)酸強(qiáng)堿等腐蝕介質(zhì)；

高溫抗氧化性能優(yōu)異，可在高溫下長(zhǎng)時(shí)間使用不受損；

具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和絕緣性能；

易于加工成各種形狀和尺寸的陶瓷產(chǎn)品。

由于其優(yōu)異的性能，金剛石陶瓷材料廣泛應(yīng)用于高端機(jī)械、電子、光學(xué)、醫(yī)療和化工等領(lǐng)域，如軸承、噴嘴、切割工具、液壓缸、電器絕緣件、激光器零件等。

九、藍(lán)寶石

藍(lán)寶石陶瓷材料，又稱(chēng)為人造藍(lán)寶石（SyntheticSapphire），是一種人造的單晶體材料，具有高硬度、高抗磨損、高抗腐蝕等優(yōu)良性能。藍(lán)寶石陶瓷材料主要成分是氧化鋁（Al2O3），通過(guò)高溫下的熔融法或熱處理法制備而成。

藍(lán)寶石陶瓷材料的獨(dú)特性能主要包括：

高硬度：藍(lán)寶石陶瓷材料的硬度僅次于金剛石，具有很高的抗磨損性能。

高抗腐蝕：藍(lán)寶石陶瓷材料的抗腐蝕性能優(yōu)異，可在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。

高透光性：藍(lán)寶石陶瓷材料的透光性很高，可用于光學(xué)、激光等領(lǐng)域。

高溫穩(wěn)定性：藍(lán)寶石陶瓷材料的熔點(diǎn)高，可在高溫環(huán)境下穩(wěn)定使用。

高強(qiáng)度：藍(lán)寶石陶瓷材料具有很高的強(qiáng)度和韌性，不易破裂和變形。

藍(lán)寶石陶瓷材料主要應(yīng)用于光學(xué)、電子、航空航天等領(lǐng)域，例如用于制作激光器窗口、LED襯底、手表表鏡、高壓絕緣體等。

十、增韌陶瓷（ZTA）

增韌陶瓷（ZTA）材料是一種新型復(fù)合材料，由氧化鋁（Al2O3）和氧化鋯（ZrO2）組成，其中氧化鋯含量在10-30%之間。相比于純氧化鋁陶瓷，增韌陶瓷具有更好的韌性和抗裂性能。其主要性能如下：

高硬度和高強(qiáng)度：增韌陶瓷具有類(lèi)似于氧化鋁陶瓷的高硬度和高強(qiáng)度。

良好的韌性：由于氧化鋯的存在，增韌陶瓷具有比氧化鋁陶瓷更好的韌性，抗裂性能更強(qiáng)。

良好的耐磨性：增韌陶瓷具有很好的耐磨性，適用于高磨損的環(huán)境下。

耐腐蝕性好：增韌陶瓷具有優(yōu)異的耐腐蝕性，適用于一些腐蝕性環(huán)境。

耐高溫性能好：增韌陶瓷的使用溫度范圍較廣，可在高溫環(huán)境下使用。

增韌陶瓷材料具有以上優(yōu)異性能，因此被廣泛應(yīng)用于制造刀具、軸承、機(jī)械密封件等高強(qiáng)度、高耐磨、高溫、高腐蝕性能的零部件。

審核編輯：湯梓紅