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的就是氧化鋁和氮化鋁陶瓷，但有沒有其他陶瓷類基板呢？

在回答這個問題前，先來了解下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。該工藝是將目標材料為銅的銅靶放置在真空腔室中，通過磁控濺射技術(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，將其濺射成細小顆粒并沉積在基底上形成銅薄膜的過程。

鑒于DPC工藝的特性優(yōu)勢，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，實現(xiàn)線路互聯(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)動機部件等。

二、96氧化鋁

96氧化鋁，又稱為工業(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，屬于氧化物類陶瓷。96氧化鋁通常采用氧化鋁粉末經(jīng)過壓制、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到了96%以上。96氧化鋁具有高硬度、高強度、高耐磨、高溫穩(wěn)定性好等特點，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氧化鋁基板對比有什么優(yōu)缺點？

99氧化鋁基板和96氧化鋁基板是常見的高純度氧化鋁材料，它們在一些應(yīng)用中有不同的優(yōu)缺點。

99氧化鋁基板的優(yōu)點：

高純度，通常可以達到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1700℃的溫度。

高機械強度，強度大，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：

比99氧化鋁基板更加廉價，成本相對較低。

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

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

缺點：

相對于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（約2800℃）、硬度（9.0至9.5Mohs）、強度和導(dǎo)熱性能等特點。同時，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，可以用于制作高強度的機械零件。

高強度：氮化鋁的強度高，具有很好的耐磨性和抗腐蝕性，可以用于制作高負載、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)和高熔點等特點，因此在高溫、高壓、高速和高精度等要求嚴格的工業(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，具有以下特點和性能：

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

高強度：氧化鋯陶瓷具有極高的強度，常溫下可達到900MPa，高溫下仍能保持較高強度。

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，不易被酸堿等化學(xué)物質(zhì)侵蝕，可在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運行。

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和高溫穩(wěn)定性，可在高溫環(huán)境下長期使用。

氧化鋯陶瓷具有以上特點和性能，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)異的機械、電磁學(xué)和熱學(xué)性能，也因此在半導(dǎo)體、磁盤、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。

高強度：碳化硅材料的強度高，抗拉強度可達400MPa以上。

耐高溫：碳化硅材料的熔點高，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，達到了24GPa左右，比普通陶瓷材料更為堅硬，不易磨損。同時，它具有很好的絕緣性能和熱穩(wěn)定性，可在高溫環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。

氮化硅陶瓷材料是由氮化硅粉末通過壓制和燒結(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，可達到30GPa以上。

高強度：氮化硅陶瓷材料的抗彎強度高，可達到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。

綜上所述，氮化硅陶瓷材料具有高硬度、高強度、高耐磨性、耐高溫性、耐腐蝕性和輕質(zhì)化等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、光電、電子、半導(dǎo)體、機械等領(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，能夠在外加電場或機械應(yīng)力下發(fā)生形變，同時在形變時產(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械應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電信號，或?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)化為機械運動。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。

機械性能：具有較高的硬度、強度和耐磨性，使得壓電陶瓷材料在機械工程中得到應(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。

總體來說，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，能夠達到摩氏硬度10級，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：

極高的硬度和強度，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，能夠抵御強酸強堿等腐蝕介質(zhì)；

高溫抗氧化性能優(yōu)異，可在高溫下長時間使用不受損；

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、藍寶石

藍寶石陶瓷材料，又稱為人造藍寶石（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。藍寶石陶瓷材料主要成分是氧化鋁（Al2O3），通過高溫下的熔融法或熱處理法制備而成。

藍寶石陶瓷材料的獨特性能主要包括：

高硬度：藍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：藍寶石陶瓷材料的抗腐蝕性能優(yōu)異，可在強酸、強堿等惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定使用。

高透光性：藍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：藍寶石陶瓷材料的熔點高，可在高溫環(huán)境下穩(wěn)定使用。

高強度：藍寶石陶瓷材料具有很高的強度和韌性，不易破裂和變形。

藍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：

高硬度和高強度：增韌陶瓷具有類似于氧化鋁陶瓷的高硬度和高強度。

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。

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、機械密封件等高強度、高耐磨、高溫、高腐蝕性能的零部件。

審核編輯：湯梓紅