【原创】氧化铝透明陶瓷：LED半导体照明领域“新宠儿”

中国粉体网讯  LED照明作为一种新一代的照明方式，相对于传统照明在节能环保方面具有巨大优势，是现阶段替代传统照明的最佳照明方式。从第一代照明到第三代照明，LED半导体照明以节能、环保及光亮度更高的优势，逐渐替代其它普通节能灯，成为未来照明的发展趋势。

一、氧化铝陶瓷基板在LED照明中应用的优势

LED半导体照明依靠芯片发光，必须以基片作为载体，而随着LED大功率化发展，散热能力成为制约LED寿命长短的关键因素。用于大功率LED封装的基板材料主要是铝和铜等具有优异导热能力的金属材料,而随着人们对安全性能要求的提高，金属材料的导电性成为致命弱点，也因此，电绝缘材料引起了人们的注意。

电绝缘材料主要有陶瓷材料、塑料材料等。先进陶瓷材料有着绝缘性好、热导率高、高强度、热膨胀系数低等特点，完全可以成为LED照明用基板的新材料。现阶段，国际上对于大功率LED新型封装基板的研究也主要集中在高导热的陶瓷基板领域，常用的几种陶瓷基板有：氧化铝陶瓷基板、氮化铝陶瓷基板、氧化铍陶瓷基板、碳化硅陶瓷基板。

表1 常用陶瓷基板材料及特性

碳化硅和氧化铍陶瓷基板因为其毒性和较高的成本限制了其生产和应用，氧化铝和氮化铝陶瓷基板凭借价格优势、耐热冲击性好而被广泛使用，尤其粉体生产工艺相对简单、价格低廉的氧化铝陶瓷基板约占了市场的90%。

图1 LED氧化铝陶瓷电路板（图源：金瑞欣特种电路）

二、氧化铝透明陶瓷实现LED照明的多角度发光

随着LED照明产业的发展，芯片封装基板除了作为支撑载体和散热媒介外，其透光率也越来越受到关注。受材料限制，常规LED灯仅单面发光，这不仅没有充分利用能量，而且反面大量未能发散出去的光能聚集在基片上，转化成热能，加重了散热负担。因此，为实现多角度均匀发光，减轻散热负担，陶瓷基板还需要具有一定的透光性。

透光基片材料主要是蓝宝石（单晶氧化铝）和玻璃两种。然而玻璃基片的散热性能较差，会降低灯具的使用寿命；蓝宝石虽然散热性能良好，但制备条件苛刻，生产成本太高。而氧化铝透明陶瓷生产成本比蓝宝石低，导热性能比玻璃好，因此，氧化铝透明陶瓷是LED芯片的优质基片材料。

图2 透明氧化铝陶瓷 （图源：赛硕新材料）

氧化铝透明陶瓷是指用高纯氧化铝粉末掺杂微量添加物质制作而成的具有一定形状的坯件，然后在一定的温度、气氛、压力条件下，烧结出具有一定透明度的陶瓷。氧化铝透明陶瓷除了具有氧化铝陶瓷固有的高绝缘、耐高温和耐腐蚀等特性，还有类似于单晶蓝宝石的光学性能。

照明领域是氧化铝透明陶瓷最早的应用领域。对于需要兼顾强度、导热性能、透光性以及生产成本的LED照明领域来说，氧化铝透明陶瓷是最具潜力的蓝宝石替代品，可满足全方位发光的LED封装基板的性能需求。

三、提高氧化铝透明陶瓷透光性的措施

在电子领域应用的氧化铝陶瓷基板的制备技术已日趋成熟，限制其在LED领域应用的瓶颈在于氧化铝陶瓷的透光性。

传统氧化铝透明陶瓷通常在1700°C以上的氢气气氛中烧结制备得到，较高的烧结温度会导致晶粒的过度生长，氧化铝陶瓷晶粒过大会导致双折射效应的产生，降低陶瓷的光透过率。所以，传统制备的氧化铝透明陶瓷较低的透光性和力学性能限制了其在LED照明中的应用。提高氧化铝透明陶瓷的透光性还需从原料、成型烧结工艺等角度入手，主要措施如下：

1.使用高纯度原料

为了获得较高透明度的氧化铝陶瓷，对使用的原料纯度有一定的要求。若纯度偏低，陶瓷材料会出现较多的杂质、第二相等光散射源，造成大量散射和吸收，导致陶瓷材料透光性大大降低。在照明领域应用的透明氧化铝陶瓷的生产原料应使用高纯氧化铝粉体，原料混合均匀、无团聚且扩散性好，很大程度上可以避免杂质带来的光损失。

2.引入添加剂

为了降低气孔率，提高陶瓷的致密水平，可以在高纯的原料里加入一些添加剂如稀土等微量元素。一方面添加剂在晶界上高浓度聚集，可以阻止晶体在烧结过程中的快速生长，并减少气孔的出现；另一方面，添加剂使陶瓷出现液相烧结现象，可以降低烧结温度。

3.适当的成型方法

成型方法直接关系到陶瓷烧结产品的致密度，即产品气孔含量的高低，所以成型工艺对陶瓷成品的透明性也有一定的影响。目前透明陶瓷最常用的成型方法是将干压成型和冷等静压成型相结合的方法。通过干压获得一定的形状和强度后，再冷等静压增大素坯的致密性，该方法成本较低。此外，新型成型方式还有注射成型和凝胶注模成型，虽然在产品的复杂性方面具有优势，但在气孔率、成本等方面存在一定的缺陷，有待于在生产中进一步优化和完善。

4.优化烧结工艺

要得到致密的、气孔率低的透明氧化铝陶瓷，必须采用不同于普通氧化铝陶瓷的特殊烧结工艺。目前，透明陶瓷烧结方法主要有热压烧结、真空烧结、微波烧结、常压烧结以及各种气氛中的烧结等。此外，烧结温度的高低与保温时间的长短与晶粒的大小、陶瓷致密性存在一致性，然而透明陶瓷的透光性要求晶粒不能过大，因此，在烧结过程中要把控好温度与时间，平衡好氧化铝透明陶瓷的致密性与透光性。

未来随着透明氧化铝陶瓷基片的技术突破，透明氧化铝陶瓷在LED照明领域将大有可为。

参考来源:

[1]黄克强，基于第三代照明半导体氧化铝陶瓷基PCB关键技术研究

[2]饶连江，陶瓷材料在发光二极管照明中的应用研究

[3]王守平，多晶透明氧化铝陶瓷材料的研究与制备

（中国粉体网编辑整理/梧桐）

注：图片非商业用途，存在侵权请告知删除！