陶瓷基板作為一種關(guān)鍵的電子材料，廣泛應(yīng)用于電子器件的熱管理中，尤其是在高功率電子設(shè)備和LED照明領(lǐng)域。隨著電子設(shè)備的性能不斷提升，對(duì)散熱材料的需求也日益增大。陶瓷基板以其優(yōu)異的熱導(dǎo)性和機(jī)械強(qiáng)度，成為了這一領(lǐng)域的熱門選擇。

陶瓷基板

對(duì)于陶瓷基板而言，其制備方式在一定程度上影響和決定了它的最終性能，如熱導(dǎo)性能、機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性等。因此，深入了解不同的制備方法，對(duì)于選擇適合的陶瓷基板材料和優(yōu)化產(chǎn)品性能具有重要意義。

目前大功率器件所使用的陶瓷基板多為平面狀，平面陶瓷基板的制造工藝主要分為成型、燒結(jié)、加工等步驟。

一、成型

成型工藝對(duì)陶瓷基板的性能有著重要影響，如致密度、強(qiáng)度、表面質(zhì)量、尺寸等。目前常見(jiàn)的成型工藝及特點(diǎn)如下所示。

1、干壓成型

干壓成型是通過(guò)使用沖頭或活塞在單向方向施加壓力，將陶瓷粉末壓入剛性模具中，形成生胚。這是一種簡(jiǎn)單且高度自動(dòng)化的工藝，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。然而，干壓成型存在一個(gè)缺點(diǎn)，即不同區(qū)域的壓力可能不均，導(dǎo)致生胚的均勻性較差。

干壓成型流程

2、等靜壓成型

等靜壓成型將陶瓷粉末置于柔性橡膠或塑料模具中，通過(guò)液體介質(zhì)在均勻方向上施加高壓，最終將粉體壓成緊實(shí)均勻的生胚。與干壓成型相比，等靜壓成型具有更高的均勻性，但其效率較低且成本高。

3、注漿成型

注漿成型是通過(guò)將陶瓷漿料注入模具中，利用漿料的沉積和脫水等過(guò)程，最終形成固體陶瓷件。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是能耗低且步驟簡(jiǎn)單，但其成型時(shí)間較長(zhǎng)，模具易損壞，而且收縮率較高，導(dǎo)致成型的精度較差。

4、流延成型

流延成型將陶瓷漿料涂覆在平整的基底表面，通過(guò)控制漿料的厚度和干燥等過(guò)程，最終得到薄且均勻的陶瓷片材。此工藝具有高度自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)，可堆疊形成不同厚度的生胚，且單層厚度可低至3μm。但流延成型的缺點(diǎn)是粘結(jié)劑含量較高，坯體收縮率較大。

流延成型流程

5、注射成型

注射成型是將陶瓷粉末與粘合劑混合后，注入模具中，并通過(guò)加熱后冷卻形成生胚。此方法適用于大規(guī)模生產(chǎn)小型復(fù)雜陶瓷部件，并且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。然而，注射成型對(duì)模具的要求較高，且如果工藝不合理，可能產(chǎn)生較多的缺陷。

6、擠出成型

擠出成型是將陶瓷粉末與粘合劑混合后，通過(guò)噴嘴將其擠出，形成一定形狀的生胚。該工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，但初胚容易變形，且生產(chǎn)出的形狀精度較低。

7、壓延成型

壓延成型是將陶瓷粉末制成漿料，通過(guò)多道壓延滾軸形成平板狀生胚。此工藝高效且成本較低，適合大批量生產(chǎn)。然而，壓延成型無(wú)法生產(chǎn)小于10μm厚度的陶瓷，因此在精度要求較高的應(yīng)用中不適用。

8、增材制造

增材制造通過(guò)將光敏樹(shù)脂與陶瓷粉末混合，利用3D打印機(jī)逐層打印并固化形成生胚。此工藝能夠生產(chǎn)形狀復(fù)雜的生胚，適用于需要高度定制的應(yīng)用。然而，增材制造效率較低，且無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

其中，干壓成型和流延成型廣泛用于陶瓷基板的工業(yè)化生產(chǎn)。采用干壓成型的話，施加壓力和保壓時(shí)間是干壓過(guò)程中最重要的參數(shù)。而流延成型被認(rèn)為是制造大尺寸平面陶瓷基板的一種經(jīng)濟(jì)、連續(xù)和自動(dòng)化的工藝，在制備多層材料及器件方面具有低成本和高效率的特性，廣泛用于制造諸如低溫共燒陶瓷基板、電容器和微波介電陶瓷器件。

二、燒結(jié)

陶瓷的燒結(jié)是將陶瓷粉末在高溫下形成致密陶瓷塊體的過(guò)程。高導(dǎo)熱的SiC、AlN和Si₃N₄等陶瓷因其具有特別強(qiáng)的共價(jià)鍵而難以使用純的陶瓷粉末燒結(jié)成致密的陶瓷塊體。通常通過(guò)摻入低熔點(diǎn)的添加劑并混合成型再一起燒結(jié)，以提高燒結(jié)體致密度。

燒結(jié)按燒結(jié)過(guò)程是否形成液相分為固相燒結(jié)和液相燒結(jié)，兩者的驅(qū)動(dòng)力都是總表面能的減少。

l 固相燒結(jié)是一種無(wú)需液相參與的陶瓷致密化方法，該過(guò)程主要通過(guò)三種機(jī)制實(shí)現(xiàn)：蒸氣傳輸、表面-晶格-晶界擴(kuò)散以及由位錯(cuò)遷移驅(qū)動(dòng)的塑性變形，這些機(jī)制共同促進(jìn)陶瓷內(nèi)部顆粒間有效的致密連接。

l 液相燒結(jié)是添加劑在高溫下轉(zhuǎn)變成液態(tài)，形成固體顆粒和液相處于化學(xué)平衡的系統(tǒng)[，并且隨著燒結(jié)的進(jìn)行，陶瓷的晶粒生長(zhǎng)和致密化同時(shí)發(fā)生的一種燒結(jié)工藝。

若按照工藝區(qū)分，燒結(jié)工藝還可以分為無(wú)壓燒結(jié)(Pressureless Sintering，PLS)、氣壓燒結(jié)(Gas Pressure Sintering，GPS)、熱壓燒結(jié)(Hot Press Sintering，HPS)、熱等靜壓燒結(jié)(Hot IsostaticPressure Sintering，HIPS)、放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，SPS)等。其中SPS、HPS和HIPS由于條件要求高或工藝復(fù)雜，不適合大規(guī)模生產(chǎn)陶瓷基板。

三、后處理和加工

在導(dǎo)熱陶瓷基板的制造過(guò)程中，除了成型和燒結(jié)工藝，后處理工藝同樣對(duì)其最終性能起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)一系列的后處理工藝，可以進(jìn)一步提升陶瓷基板的表面質(zhì)量、尺寸精度等。常見(jiàn)的后處理工藝包括機(jī)械加工和表面處理。

1、機(jī)械加工

機(jī)械加工是導(dǎo)熱陶瓷基板后處理中的常見(jiàn)工藝，主要包括以下幾種：

l 切割與磨削：通過(guò)使用鉆石刀具或其他硬質(zhì)工具，對(duì)陶瓷基板進(jìn)行切割和磨削，以調(diào)整其尺寸和形狀。

l 鉆孔：采用高精度鉆孔技術(shù)，在陶瓷基板上進(jìn)行鉆孔處理。

2、表面處理

表面處理工藝主要用于提高導(dǎo)熱陶瓷基板的功能性和性能。常見(jiàn)的表面處理方式包括：

l 涂層：在陶瓷基板表面涂覆金屬等材料，可以改善陶瓷電路板表面的焊接性能等。

l 拋光：通過(guò)化學(xué)或機(jī)械方式對(duì)陶瓷表面進(jìn)行拋光，減少表面粗糙度，提高表面平整光潔度。

精密拋光

四、總結(jié)

通過(guò)對(duì)陶瓷基板制備工藝的介紹，可以看出各種成型方法、燒結(jié)工藝、加工方法對(duì)最終基板的性能起著至關(guān)重要的作用。每種工藝有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)與局限，如何選擇合適的工藝，不僅取決于陶瓷基板的性能要求，還受到生產(chǎn)規(guī)模、成本控制及精度要求的影響。

不過(guò)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新興的其他創(chuàng)新工藝正在推動(dòng)導(dǎo)熱陶瓷基板的生產(chǎn)方式向更高精度的方向發(fā)展。未來(lái)，隨著材料科學(xué)與制造技術(shù)的進(jìn)步，導(dǎo)熱陶瓷基板的制備工藝將更加高效、精細(xì)化，滿足日益增長(zhǎng)的電子設(shè)備散熱需求。

粉體圈整理