氧化锆增韧氧化铝基板的特点及应用

陶瓷基板的材料种类很多，有氧化铝、氧化铍、氮化铝、氮化硅等。氧化锆增韧氧化铝陶瓷（Zirconia Toughened Aluminum，ZTA）是以Al2O3为基体，部分稳定ZrO2为增韧相的一种复合相陶瓷材料。由于ZTA陶瓷具有优异的散热性、绝缘性、抗热震性和机械强度，ZTA陶瓷覆铜基板广泛应用于电动汽车IGBT、LED等领域。  

图   DBC ZTA陶瓷覆铜基板，贺利氏  

1、氧化锆增韧氧化铝的增韧机制

氧化铝以其高强度、高硬度、高耐磨、抗氧化及抗热震等优异性能，在机械、电子、化工等领域得到广泛应用。但氧化铝的断裂韧性较低，抗冲击能力差，限制了其更广泛领域的应用。通过在氧化铝基体中添加增韧材料，可明显改善这一现象。其中氧化锆增韧氧化铝陶瓷被证明具有较好的增韧效果。     氧化锆的增韧机制一般认为有应力诱导相变、微裂纹增韧、弥散增韧、压缩表面韧化等：  1）应力诱导相变  应力诱导相变增韧是利用应力诱导四方ZrO2马氏体相变来改变陶瓷材料的韧性。ZrO2在室温下为单斜晶系，当温度达到1170℃时，由单斜晶系转化为亚稳态的四方晶型，在应力作用下，亚稳态的四方晶型ZrO2可诱发相变重新转化为单斜晶型。当ZrO2颗粒的尺寸足够小，在室温时，ZrO2仍保持四方相，当受到外应力时，裂纹尖端前部区域的四方ZrO2发生相变，吸收能力，引起体积膨胀，阻止裂纹扩展。  

 2）微裂纹增韧  在一定条件下，相变引发体积膨胀在基体中引起均匀分散又不互相连接的微裂纹，增加材料的断裂表面能，吸收主裂纹扩展的能力，达到增加断裂韧性的效果。  

 3）弥散增韧  不改变裂纹尺寸的情况下，添加四方氧化锆和立方氧化锆的氧化铝，使得裂纹扩展路径曲折、分叉，吸收更多能量，断裂韧性有所提高。  4）压缩表面韧化  研磨相变韧化ZrO2的表面，可以使表面层的四方相ZrO2颗粒转变为单斜相，并产生体积膨胀，形成压缩表面层，抵消一部分外加拉应力，从而强化陶瓷。  

2、氧化锆增韧氧化铝基板的特点

1）高强度，强度是一般氧化铝基板的两倍以上；

2）与氧化铝基板和氮化铝基板相比，拥有1.5倍以上的弯曲强度； 3）比一般氧化铝基板及氮化铝基板有更高的反射率； 4）可以承受严苛的热冲击测试； 5）绝佳的基板表面质量。以均质的微细的微结构，实现出色的表面粗糙度； 6）与氧化铝基板相比，拥有1.2倍的热传导性。 7）拥有高电绝缘性，介电常数小； 8）与硅相近的热膨胀系数； 9）DBC ZTA陶瓷基板制造成本与DBC标准氧化铝陶瓷基板相近，比氮化物陶瓷基板低。  

3、氧化锆增韧氧化铝基板的应用

ZTA 基板与普通 Al2O3 基板相比具有良好的弯曲强度，主要用于长寿命和高可靠性的应用。在大功率电动汽车、航天航空和军工等先进工业领域中，需要使用强大载流和散热能力的陶瓷基板。在大功率LED灯的应用中，也需要使用高反射率和高耐电压冲击强度的陶瓷基板。ZTA基板通过掺杂锆的氧化铝陶瓷提高了可靠性，耐腐蚀、化学稳定性好，具有高断裂韧性和抗弯强度、高耐温能力、高载流容量、高绝缘电压、高热容与热扩散能力以及与硅相近的热膨胀系数，使其成为DBC陶瓷覆铜基板和LED线路板急需的高性能陶瓷材质电路载体。   应用领域:

高功率电源模块，如IGBT模块用基板

LED 封装用基板

ZTA陶瓷覆铜基板相关厂商有：罗杰斯、贺利氏电子、富乐华、韩国KCC、博敏电子、日本碍子、展至电子等。  

      审核编辑 ：李倩