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，通過磁控濺射技術使得銅靶表面產生等離子體，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，且有良好的結合力，所以在很多陶瓷材料都可以成為陶瓷基板，實現線路互聯，基于不同陶瓷材料的特性，也應用在各行各業。

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，通常用化學純氧化鋁或高純度氧化鋁作為原材料，經過高溫煅燒、粉碎、成型、燒結等多道工藝制成。與96氧化鋁相比，99氧化鋁具有更高的化學純度、密度和硬度，以及更好的高溫穩定性和耐腐蝕性能。

99氧化鋁在電子、機械、化工、航空航天等領域都有廣泛應用。在電子領域，99氧化鋁通常用于制造高頻電子元件、集成電路封裝、電介質等器件；在機械領域，99氧化鋁主要應用于制造高硬度的陶瓷刀具、軸承球等；在化工領域，99氧化鋁可用于制造催化劑和吸附劑；在航空航天領域，99氧化鋁常用于制造高溫結構件、航空發動機部件等。

二、96氧化鋁

96氧化鋁，又稱為工業氧化鋁或α-氧化鋁，是一種高純度的陶瓷材料。它的化學式為Al2O3，屬于氧化物類陶瓷。96氧化鋁通常采用氧化鋁粉末經過壓制、成型、燒結等工藝制成。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、高溫穩定性好等特點，被廣泛應用于制造陶瓷制品、耐火材料、磨料、電子器件等領域。

99氧化鋁基板和96氧化鋁基板對比有什么優缺點？

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，它們在一些應用中有不同的優缺點。

99氧化鋁基板的優點：

高純度，通常可以達到99.99%的純度水平，電學性能優異，具有較高的介電常數和較低的介質損耗。

高溫穩定性好，可在高溫環境下穩定工作，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。

具有優異的抗腐蝕性能，不受大多數化學物質的侵蝕，適用于酸、堿等化學介質。

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、低電場強度的應用中，介電常數和介質損耗比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，介電常數和介質損耗較高。

在高溫環境下易出現脆性斷裂。

應用行業細分：

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，由氮化鋁粉末經過高溫燒結而成。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）、強度和導熱性能等特點。同時，它也具有良好的絕緣性能、化學穩定性和耐高溫性能。由于這些特性，氮化鋁陶瓷在微電子、光電、電力電子、航空航天等領域有著廣泛的應用。

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。

高導熱性：氮化鋁的熱導率很高，可以達到170-230W/(m·K)，是傳統氧化鋁的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：氮化鋁的介電常數低，是傳統氧化鋁的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境下的零件。

綜合以上特性，氮化鋁陶瓷被廣泛應用于半導體、航空航天、電子、軍事等領域。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。它的化學式為ZrO2，通常采用穩定化處理以提高其晶格的穩定性和耐磨性。氧化鋯陶瓷材料具有低熱傳導系數和高熔點等特點，因此在高溫、高壓、高速和高精度等要求嚴格的工業領域中得到廣泛應用，如航空航天、電子、醫療和能源等領域。

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：氧化鋯陶瓷化學惰性強，不易被酸堿等化學物質侵蝕，可在惡劣環境下長期穩定運行。

優異的絕緣性能：氧化鋯陶瓷的絕緣性能優異，可用于高壓絕緣材料。

高溫穩定性好：氧化鋯陶瓷具有極高的熔點和高溫穩定性，可在高溫環境下長期使用。

氧化鋯陶瓷具有以上特點和性能，因此被廣泛應用于高端制造、電子、航空航天、醫療器械、化工等領域，如磨料、高溫結構、氣動部件、醫療器械、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，也是一種廣泛應用于高溫、高頻、高壓等極端環境下的工業材料。碳化硅具有優異的機械、電磁學和熱學性能，也因此在半導體、磁盤、航空航天等領域得到了廣泛應用。此外，碳化硅還有很好的半導體性能，也被廣泛應用于電力電子、光電子等領域。

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，可承受高溫熱沖擊，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、摩擦系數小，具有良好的耐磨性能。

良好的導熱性：碳化硅材料的導熱性能優良，是金屬的2-3倍，能夠有效地散熱。

良好的化學穩定性：碳化硅材料具有良好的化學穩定性，不會被酸、堿等腐蝕。

基于這些性能，碳化硅材料被廣泛應用于高溫、高壓、高速、高載荷、耐腐蝕等領域，如電力、電子、機械、航空、冶金等行業。

六、氮化硅（Si3N4）

氮化硅陶瓷材料是一種基于氮和硅元素構成的高溫陶瓷材料。它具有高強度、高硬度、高耐磨性、耐高溫、抗氧化、抗腐蝕等優異性能。其化學穩定性極高，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定性，可在高溫環境下長期穩定工作。

氮化硅陶瓷材料是由氮化硅粉末通過壓制和燒結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℃以上的高溫環境下使用。

耐腐蝕性：氮化硅陶瓷材料具有優良的耐腐蝕性，可用于一些酸堿性介質的工作環境中。

輕質化：氮化硅陶瓷材料比鋼輕，可用于輕量化設計。

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、耐腐蝕性和輕質化等優點，廣泛應用于航空航天、光電、電子、半導體、機械等領域。

七、壓電陶瓷

壓電陶瓷材料是一種具有壓電效應的陶瓷材料，能夠在外加電場或機械應力下發生形變，同時在形變時產生電荷。它們通常是以鉛酸鋇（Pb(Zr,Ti)O3）或鉛酸鈮（Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3）等物質為主要成分，經過燒結而成。

壓電陶瓷材料的主要性能包括：

壓電效應：能夠將機械應力轉化為電信號，或將電信號轉化為機械運動。這種效應使得壓電陶瓷材料在傳感器、執行器、聲波器件等領域得到廣泛應用。

介電性能：具有較高的介電常數和較低的介電損耗，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用。

熱穩定性：具有良好的熱穩定性和耐高溫性能，可在高溫環境下穩定工作。

總體來說，壓電陶瓷材料具有多種優良性能，被廣泛應用于傳感器、執行器、聲波器件、電子元器件、機械工程等領域。

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，經過高溫高壓燒結制得的新型材料。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；

優異的耐腐蝕性能，能夠抵御強酸強堿等腐蝕介質；

高溫抗氧化性能優異，可在高溫下長時間使用不受損；

具有優異的導熱性和絕緣性能；

易于加工成各種形狀和尺寸的陶瓷產品。

由于其優異的性能，金剛石陶瓷材料廣泛應用于高端機械、電子、光學、醫療和化工等領域，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異，可在強酸、強堿等惡劣環境下長期穩定使用。

高透光性：藍寶石陶瓷材料的透光性很高，可用于光學、激光等領域。

高溫穩定性：藍寶石陶瓷材料的熔點高，可在高溫環境下穩定使用。

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用于光學、電子、航空航天等領域，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，適用于高磨損的環境下。

耐腐蝕性好：增韌陶瓷具有優異的耐腐蝕性，適用于一些腐蝕性環境。

耐高溫性能好：增韌陶瓷的使用溫度范圍較廣，可在高溫環境下使用。

增韌陶瓷材料具有以上優異性能，因此被廣泛應用于制造刀具、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