當(dāng)今電子技術(shù)發(fā)展極其迅速，半導(dǎo)體照明也越來(lái)越受到關(guān)注，LED照明被認(rèn)為是繼白熾燈、日光燈、高壓鹵燈后第四代照明光源。與普通光源相比，LED照明具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：使用壽命長(zhǎng)，在散熱良好的情況下，使用壽命可達(dá)到10萬(wàn)小時(shí)；發(fā)光效率高，LED基于半導(dǎo)體材料構(gòu)成，釋放的能量主要集中在可見(jiàn)光區(qū)，光譜窄，其光效可以達(dá)到50~200 lm/W；綠色環(huán)保，不含汞鉛等有害物質(zhì)，廢棄產(chǎn)品回收不會(huì)污染環(huán)境。

但是，LED也會(huì)遇到一些問(wèn)題，其中主要的原因就是LED屬于冷光源，其依靠能帶間的電子躍遷發(fā)光，光譜中不含紅外成分，不能通過(guò)輻射進(jìn)行散熱，散熱困難會(huì)降低使用壽命并直接阻礙LED的大功率化。另外一個(gè)問(wèn)題就是常規(guī)LED燈受材料限制，主要是單面發(fā)光，能量利用不充分，同時(shí)反面大量未能發(fā)散出去的光能又集聚在基片上，轉(zhuǎn)化成熱能，增加了散熱負(fù)擔(dān)。

常見(jiàn)的單面發(fā)光LED燈

LED照明的新型發(fā)展需求

市場(chǎng)上對(duì)LED多角度發(fā)光的一個(gè)改善措施是制成燈泡結(jié)構(gòu)，采用多個(gè)LED芯片串聯(lián)，或者將芯片多角度安裝，以達(dá)到多面發(fā)光的效果，如下圖所示。

新型LED結(jié)構(gòu)案例

雙面發(fā)光LED燈

對(duì)于LED燈來(lái)說(shuō)，其發(fā)光依靠的是芯片，而非燈絲，因此必須需要基片作為載體，若想要滿足多角度發(fā)光，那就帶來(lái)一個(gè)對(duì)基片的需求——透光。

因此，隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，芯片封裝基板除了作為支撐基體和散熱媒介外，擁有一定的透光率也會(huì)越來(lái)越受到關(guān)注，以滿足高性能均勻高效發(fā)光需求。這就對(duì)LED封裝基片提出如下要求：

（1）有一定強(qiáng)度，能夠承載芯片；

（2）具有一定的透光率，保證LED燈能夠360°發(fā)光；

（3）熱導(dǎo)率高，能夠散熱，利于燈芯的熱發(fā)散；

（4）生產(chǎn)成本低，能夠大規(guī)模批量生產(chǎn)。

目前，這種基片材料主要是藍(lán)寶石和玻璃材料，然而玻璃基片的散熱性能較差，將會(huì)降低燈具的使用壽命；藍(lán)寶石散熱性能良好，但藍(lán)寶石是單晶氧化鋁，單晶材料的制備條件苛刻，成品率低，生產(chǎn)成本太高。對(duì)比之下，多晶透明氧化鋁陶瓷生產(chǎn)成本比藍(lán)寶石低，強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能比玻璃材料好，因此，氧化鋁透明陶瓷作為LED芯片的基片，具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

用于LED照明的透明氧化鋁陶瓷（99.99%以上的高純Al2O3）

圖源：日本礙子官網(wǎng)

氧化鋁透明陶瓷

透明多晶陶瓷指將無(wú)機(jī)材料粉末（如氧化鋁粉、氧化鋯粉、氮化鋁粉等）制作成具有一定形狀的坯件，然后在特殊條件下燒結(jié)（如氫氣氛爐中），制成的有一定透明度的陶瓷。透明陶瓷除了具有陶瓷固有的高絕緣、耐高溫和耐腐蝕等特性，還有類(lèi)似于單晶藍(lán)寶石的光學(xué)性能，以及具有較好的抗熱沖擊性能和機(jī)械性能，是應(yīng)用于激光、照明、光學(xué)等行業(yè)的優(yōu)秀基體材料，常用來(lái)制作高壓鹵燈燈管、激光陶瓷、透波和窗口材料、無(wú)機(jī)閃爍體和光輻射護(hù)目鏡等。

各類(lèi)高技術(shù)透明陶瓷材料

（a）透明氧化鋁托槽；（b）氧化鋁陶瓷金鹵燈管；（c）透明氧化錯(cuò)陶瓷鏡頭；（d）YAG 激光陶瓷；（e）透明氧化鋁裝甲；（f）鎂鋁尖晶石整流罩

對(duì)于需要兼顧強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能、透光性以及生產(chǎn)成本的LED領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，氧化鋁透明陶瓷是最具潛力的藍(lán)寶石替代品，可滿足360℃發(fā)光的LED封裝基板的性能需求。

目前行業(yè)內(nèi)關(guān)于用在電子領(lǐng)域的氧化鋁陶瓷基板制備技術(shù)已日趨成熟，而當(dāng)前限制其在LED領(lǐng)域的應(yīng)用主要是在透光性上遇到瓶頸。

傳統(tǒng)氧化鋁透明陶瓷通常在1700 °C以上的氫氣氣氛中燒結(jié)制備得到，高的燒結(jié)溫度會(huì)導(dǎo)致晶粒的過(guò)度生長(zhǎng)，這將會(huì)嚴(yán)重影響到陶瓷的機(jī)械性能和材料的硬度等性能，如果晶粒尺寸足夠大(>410 um)，由于氧化鋁是一種六方晶系的材料，存在雙光軸，陶瓷晶粒的雙折效應(yīng)會(huì)引起光散射，降低陶瓷的光透過(guò)率。所以傳統(tǒng)制備的氧化鋁透明陶瓷的直線透過(guò)率通常低于10%，低的直線透過(guò)率和低的力學(xué)性能極大的限制了透明氧化鋁陶瓷的應(yīng)用。

關(guān)于透明陶瓷透光性的原理和影響因素可閱讀以下文章：

為啥玻璃透明，而陶瓷不透明？

陶瓷是怎樣“煉成”透明陶瓷的？

提高氧化鋁陶瓷透光性的措施

1. 材料選擇

（1）高純度原料

純度低的原料會(huì)出現(xiàn)較多的雜質(zhì)、第二相和其他各種結(jié)構(gòu)缺陷，各種缺陷的折射率的不同，光入射到缺陷上，造成大量散射和吸收，導(dǎo)致陶瓷材料透光性大大降低，一般透明陶瓷的原料純度要求大于99.9%，避免雜質(zhì)等帶來(lái)的光損失。

（2）添加劑

為了獲得最低的氣孔率，在高純的原料里往往加入一些添加劑（摻雜微量元素尤其是稀土元素），以促進(jìn)陶瓷燒結(jié)致密的進(jìn)行。原料中引入的添加劑的作用主要是在晶界上高濃度聚集，從而阻止燒結(jié)過(guò)程中晶體的過(guò)快生長(zhǎng)并促使氣孔變少。使用與主要燒結(jié)氧化物陽(yáng)離子原價(jià)不同的陽(yáng)離子作為添加劑，以及在真空或氫中進(jìn)行燒成時(shí)，能促進(jìn)坯件的排氣和增大結(jié)構(gòu)的缺陷性，因而加速?gòu)木Ы绲綒饪椎膫髻|(zhì)過(guò)程。添加劑的加入還可以使陶瓷出現(xiàn)液相燒結(jié)現(xiàn)象，從而降低燒結(jié)溫度。

液相的形成溫度

2. 透明陶瓷的成型

透明陶瓷最常用成型方法是將干壓成型與冷等靜壓成型相結(jié)合的方式，先干壓獲得一定的形狀和強(qiáng)度，再冷等靜壓增大素坯的致密性，成本較低。注塑成型和凝膠鑄模成型是新型成型方式。

凝膠成型與干壓成型和冷等靜壓成型有著本質(zhì)差別，屬于流體成型方法，由于其具有尺寸精度高，坯體強(qiáng)度高，可生產(chǎn)形狀復(fù)雜器件的特點(diǎn)，越來(lái)越受到關(guān)注，該方法的缺點(diǎn)成型后需要排膠。

注塑成型也屬于流體成型，是快速精密成型法的一種，一般燒結(jié)后的部件不需要后續(xù)處理，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。缺點(diǎn)是注塑成型坯體中含有大量有機(jī)溶劑，燒結(jié)前需進(jìn)行排膠處理，排膠較困難，尤其是大部件排膠過(guò)程易發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，目前該方法已經(jīng)運(yùn)用于高壓鹵燈透明陶瓷電弧管的生產(chǎn)。

3. 透明陶瓷的燒結(jié)

（1）燒結(jié)方式

① 熱壓燒結(jié)

熱壓燒結(jié)通過(guò)施加外壓力，以促進(jìn)材料燒結(jié)過(guò)程中致密化，從而得到細(xì)晶粒的致密化陶瓷，其燒結(jié)溫度比真空燒結(jié)低，廣泛應(yīng)用于透明陶瓷。不過(guò)此燒結(jié)法的缺點(diǎn)是不易生產(chǎn)形狀復(fù)雜的器件，需要昂貴的設(shè)備，生產(chǎn)規(guī)模小，成本較高，而且容易引入雜質(zhì)和產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷。目前已制備出 YAG、AIN、Lu₂O₃等透明陶瓷。

② 熱等靜壓燒結(jié)

熱等靜壓與冷等靜壓的不同之處在于其以氣體作為加壓介質(zhì)，在向坯體各個(gè)方向施加均等壓力的同時(shí)對(duì)坯體加熱，使其在高溫高壓的共同作用下完成燒結(jié)。熱等靜壓燒結(jié)溫度較低，可以直接制成形狀復(fù)雜或大尺寸的零部件，但熱等靜壓設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴、操作繁瑣。目前已應(yīng)用于氧化鋁、氧化釔、PNNZT等透明陶瓷的制備。

③ 氧化氣氛燒結(jié)

目前常用的是在真空/還原氣氛條件下燒結(jié)，有利于燒結(jié)過(guò)程中氣孔的消除，提高陶瓷的致密性，而且其設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，是目前透明陶瓷主要燒結(jié)方式。氧化氣氛燒結(jié)透明陶瓷是一種比較新型的燒結(jié)方式，氧氣氛可以消除由于材料成分的揮發(fā)產(chǎn)生的空位等缺陷，同時(shí)氧氣高溫分離為氧離子，為氣孔排除提供便捷通道，從而達(dá)到提高陶瓷的致密性的目的。

氧氣氛中燒結(jié)裝置與還原氣氛中相似，但比還原氣氛安全，目前已經(jīng)利用該燒結(jié)方式制備出了氧化鋁、YAG、Y₂O₃等透明陶瓷。

④ 微波燒結(jié)

微波燒結(jié)也是一種新型透明陶瓷燒結(jié)方式，加熱速度快、熱量分布均勻、燒結(jié)時(shí)間短，可迅速促使陶瓷致密化，己成功應(yīng)用于AlON、氮化鋁、氧化鋁、鋁鎂尖晶石透明陶瓷等透明陶瓷的制備。

⑤ 放電等離子燒結(jié)

放電等離子燒結(jié)利用瞬間脈沖電流產(chǎn)生的放電脈沖壓力、脈沖能和焦耳熱實(shí)現(xiàn)陶瓷粉體顆粒活化燒結(jié)。等離子燒結(jié)速度快、保溫時(shí)間短、燒結(jié)溫度低（比熱等靜壓燒結(jié)還低）、溫度分布均勻，燒結(jié)體純度高、晶粒小，但是由于加熱升溫速率非常快，該方法制得的陶瓷容易開(kāi)裂。目前已報(bào)道的通過(guò)SPS制備的透明陶瓷有MgO、YAG、ZrO₂、MgAl₂O₄、Al₂O₃和AIN等。

SPS燒結(jié)氧化鋁多晶陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)

（a）170℃/min；（b）340℃/min

（2）燒結(jié)工藝

燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷的致密化起到關(guān)鍵作用，一般燒結(jié)溫度越高，陶瓷晶粒越大，隨著燒結(jié)溫度的提高，晶粒明顯長(zhǎng)大，氣孔變少，晶界厚度變薄。

與燒結(jié)溫度有相似作用的是保溫時(shí)間，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，陶瓷致密性升高，晶粒變大，晶界變得干凈，晶粒大小均勻性變好。為了獲得比較好的性能，保溫時(shí)間與具體的燒結(jié)方式有關(guān)，一般透明陶瓷真空燒結(jié)的保溫時(shí)間超過(guò)10小時(shí)，而等離子燒結(jié)的保溫時(shí)間不到半小時(shí)。

但氧化鋁透明陶瓷的透光性是要求晶粒不能太大，氣孔要盡量少，如何平衡這兩者的關(guān)系，對(duì)工藝設(shè)計(jì)提出了一定的要求。

總結(jié)

未來(lái)幾年內(nèi)隨著透明氧化鋁陶瓷基片的批生產(chǎn)技術(shù)獲得突破，透明氧化鋁在LED照明領(lǐng)域?qū)⒂型蔀樘娲{(lán)寶石基片的一大選擇。當(dāng)前對(duì)于高透光性高導(dǎo)熱的透明氧化鋁陶瓷的生產(chǎn)仍有一定的瓶頸，需從粉體處理、成型和顯微結(jié)構(gòu)控制等方面入手，逐步縮小與國(guó)外產(chǎn)品的差距，并早日趕上國(guó)外的產(chǎn)品品質(zhì)。另外，氧化鋁透明陶瓷企業(yè)應(yīng)和封裝企業(yè)真誠(chéng)合作，快速發(fā)現(xiàn)上下游部件或產(chǎn)品存在的問(wèn)題，從而可以推動(dòng)各部件或產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)的解決。

參考來(lái)源：

1. 摻雜氧化鋁透明陶瓷基片致密化行為的研究，劉文燕（華中科技大學(xué)）；

2. 透明氧化鋁陶瓷的制備及其性能研究，袁康（西南科技大學(xué)）；

3. 制備微量元素?fù)诫s氧化鋁透明陶瓷及其性能研究，黃金山（西南科技大學(xué)）。

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