陶瓷基板常用的几种陶瓷材料

陶瓷基板常用的几种陶瓷材料

富力天晟科技（武汉）有限公司——斯利通

陶瓷基板大家最常见的就是氧化铝和氮化铝陶瓷，但有没有其他陶瓷类基板呢？

在回答这个问题前，先来了解下DPC薄膜工艺。

DPC（DirectPlatingCopper）薄膜工艺是一种利用磁控溅射技术制备铜薄膜的方法。该工艺是将目标材料为铜的铜靶放置在真空腔室中，通过磁控溅射技术使得铜靶表面产生等离子体，利用等离子体中的离子轰击靶表面，将其溅射成细小颗粒并沉积在基底上形成铜薄膜的过程。

鉴于DPC工艺的特性优势，磁控溅射可以将平面，3D等任何形状的材料覆上金属层，且有良好的结合力，所以在很多陶瓷材料都可以成为陶瓷基板，实现线路互联，基于不同陶瓷材料的特性，也应用在各行各业。

常用的前十位陶瓷材料：

96氧化铝（Al2O3），99氧化铝（Al2O3），氧化锆（ZrO2），氮化铝（AlN），碳化硅（SiC），氮化硅（Si3N4），压电陶瓷，金刚石，蓝宝石，增韧陶瓷（ZTA）。

不常用的陶瓷材料：

二氧化硅（SiO2），氧化锆钛（ZrTiO4），氮化硼（BN），碳化硼（B4C），氧化镁（MgO），氧化铁（Fe2O3），氧化铈（CeO2），氮化硅（Si3N4），氧化锆钇（Y2O3-ZrO2），氧化铝钇（Y3Al5O12），氧化钛（TiO2），氧化锆硅（ZrSiO4），碳化钨（WC），碳化钛（TiC），氮化钛（TiN），氮化硅氧（SiOxNy）。

前十位常用的陶瓷材料各项性能：

一、99氧化铝

99氧化铝指的是纯度为99%或更高的氧化铝材料，通常用化学纯氧化铝或高纯度氧化铝作为原材料，经过高温煅烧、粉碎、成型、烧结等多道工艺制成。与96氧化铝相比，99氧化铝具有更高的化学纯度、密度和硬度，以及更好的高温稳定性和耐腐蚀性能。

99氧化铝在电子、机械、化工、航空航天等领域都有广泛应用。在电子领域，99氧化铝通常用于制造高频电子元件、集成电路封装、电介质等器件；在机械领域，99氧化铝主要应用于制造高硬度的陶瓷刀具、轴承球等；在化工领域，99氧化铝可用于制造催化剂和吸附剂；在航空航天领域，99氧化铝常用于制造高温结构件、航空发动机部件等。

二、96氧化铝

96氧化铝，又称为工业氧化铝或α-氧化铝，是一种高纯度的陶瓷材料。它的化学式为Al2O3，属于氧化物类陶瓷。96氧化铝通常采用氧化铝粉末经过压制、成型、烧结等工艺制成。其中的“96”指的是它的铝氧化物纯度达到了96%以上。96氧化铝具有高硬度、高强度、高耐磨、高温稳定性好等特点，被广泛应用于制造陶瓷制品、耐火材料、磨料、电子器件等领域。

99氧化铝基板和96氧化铝基板对比有什么优缺点？

99氧化铝基板和96氧化铝基板是常见的高纯度氧化铝材料，它们在一些应用中有不同的优缺点。

99氧化铝基板的优点：

高纯度，通常可以达到99.99%的纯度水平，电学性能优异，具有较高的介电常数和较低的介质损耗。

高温稳定性好，可在高温环境下稳定工作，通常能够承受高达1700℃的温度。

高机械强度，强度大，硬度高，不易受损，可以耐受较大的力和压力。

具有优异的抗腐蚀性能，不受大多数化学物质的侵蚀，适用于酸、碱等化学介质。

可以制备成较薄的基板，有利于微电子器件制备。

96氧化铝基板的优点：

比99氧化铝基板更加廉价，成本相对较低。

比99氧化铝基板更容易加工，可以进行切割、钻孔等加工处理，方便制备各种形状的基板。

在一些低温、低电场强度的应用中，介电常数和介质损耗比99氧化铝基板更低，具有更好的信号传输性能。

缺点：

相对于99氧化铝基板，96氧化铝基板的纯度较低，介电常数和介质损耗较高。

在高温环境下易出现脆性断裂。

应用行业细分：

99氧化铝基板：适用于高功率LED、高压集成电路、高温传感器、高频电子元器件等领域。

96氧化铝基板：适用于低功率电子元件、传感器、电容器、微型继电器、微波元器件等领域。

二、氮化铝（AlN）

氮化铝陶瓷是一种高性能陶瓷材料，由氮化铝粉末经过高温烧结而成。它的主要成分为氮化铝（AlN），具有很高的熔点（约2800℃）、硬度（9.0至9.5Mohs）、强度和导热性能等特点。同时，它也具有良好的绝缘性能、化学稳定性和耐高温性能。由于这些特性，氮化铝陶瓷在微电子、光电、电力电子、航空航天等领域有着广泛的应用。

氮化铝陶瓷是一种高性能陶瓷材料，具有以下性能：

高硬度：氮化铝的硬度接近于金刚石，是传统氧化铝的3倍以上，可以用于制作高强度的机械零件。

高强度：氮化铝的强度高，具有很好的耐磨性和抗腐蚀性，可以用于制作高负载、高磨损、耐腐蚀的零件。

高导热性：氮化铝的热导率很高，可以达到170-230W/(m·K)，是传统氧化铝的4倍以上，可以用于制作高功率、高频率的射频元器件。

高绝缘性：氮化铝的介电常数低，是传统氧化铝的1/3左右，可以用于制作高频率、高精度的微波元器件。

抗氧化性：氮化铝在高温下具有很好的抗氧化性能，可以用于制作高温环境下的零件。

综合以上特性，氮化铝陶瓷被广泛应用于半导体、航空航天、电子、军事等领域。例如，用于制作高频射频器件、微波元器件、电子陶瓷、热敏电阻、高温传感器等。

四、氧化锆（ZrO2）

氧化锆陶瓷材料是一种高强度、高硬度、高温耐受性、耐腐蚀性和绝缘性能良好的陶瓷材料。它的化学式为ZrO2，通常采用稳定化处理以提高其晶格的稳定性和耐磨性。氧化锆陶瓷材料具有低热传导系数和高熔点等特点，因此在高温、高压、高速和高精度等要求严格的工业领域中得到广泛应用，如航空航天、电子、医疗和能源等领域。

氧化锆陶瓷是一种高性能工程陶瓷材料，具有以下特点和性能：

高硬度：氧化锆陶瓷的硬度非常高，通常可达到HRA90以上，甚至高达HRA95，是钢铁的10倍以上。

高强度：氧化锆陶瓷具有极高的强度，常温下可达到900MPa，高温下仍能保持较高强度。

良好的抗磨损性：氧化锆陶瓷表面平整度高，硬度大，因此具有较好的抗磨损性。

良好的抗腐蚀性：氧化锆陶瓷化学惰性强，不易被酸碱等化学物质侵蚀，可在恶劣环境下长期稳定运行。

优异的绝缘性能：氧化锆陶瓷的绝缘性能优异，可用于高压绝缘材料。

高温稳定性好：氧化锆陶瓷具有极高的熔点和高温稳定性，可在高温环境下长期使用。

氧化锆陶瓷具有以上特点和性能，因此被广泛应用于高端制造、电子、航空航天、医疗器械、化工等领域，如磨料、高温结构、气动部件、医疗器械、传感器、电容器等。

五、碳化硅（SiC）

碳化硅是一种化合物，化学式为SiC，由硅和碳两种元素组成。它是一种耐高温、耐腐蚀、硬度极高的陶瓷材料，也是一种广泛应用于高温、高频、高压等极端环境下的工业材料。碳化硅具有优异的机械、电磁学和热学性能，也因此在半导体、磁盘、航空航天等领域得到了广泛应用。此外，碳化硅还有很好的半导体性能，也被广泛应用于电力电子、光电子等领域。

碳化硅材料具有以下性能：

高硬度：碳化硅材料的硬度比钢高出5倍，比铝高出3倍。

高强度：碳化硅材料的强度高，抗拉强度可达400MPa以上。

耐高温：碳化硅材料的熔点高，可承受高温热冲击，一般使用温度在1200℃-1600℃。

良好的抗氧化性：碳化硅材料能够抵抗高温氧化腐蚀，能够在空气中使用。

良好的耐磨性：碳化硅材料硬度高、摩擦系数小，具有良好的耐磨性能。

良好的导热性：碳化硅材料的导热性能优良，是金属的2-3倍，能够有效地散热。

良好的化学稳定性：碳化硅材料具有良好的化学稳定性，不会被酸、碱等腐蚀。

基于这些性能，碳化硅材料被广泛应用于高温、高压、高速、高载荷、耐腐蚀等领域，如电力、电子、机械、航空、冶金等行业。

六、氮化硅（Si3N4）

氮化硅陶瓷材料是一种基于氮和硅元素构成的高温陶瓷材料。它具有高强度、高硬度、高耐磨性、耐高温、抗氧化、抗腐蚀等优异性能。其化学稳定性极高，不易受到酸、碱、溶剂等腐蚀。

氮化硅陶瓷材料的硬度可以与金刚石相媲美，甚至更高，达到了24GPa左右，比普通陶瓷材料更为坚硬，不易磨损。同时，它具有很好的绝缘性能和热稳定性，可在高温环境下长期稳定工作。

氮化硅陶瓷材料是由氮化硅粉末通过压制和烧结等工艺制成的一种高性能陶瓷材料。它具有以下性能：

高硬度：氮化硅陶瓷材料的硬度接近于金刚石，可达到30GPa以上。

高强度：氮化硅陶瓷材料的抗弯强度高，可达到1000MPa以上。

高耐磨性：氮化硅陶瓷材料的耐磨性好，可用于制造高速运转的轴承和切削工具等。

耐高温性：氮化硅陶瓷材料具有较高的耐高温性能，可在1000℃以上的高温环境下使用。

耐腐蚀性：氮化硅陶瓷材料具有优良的耐腐蚀性，可用于一些酸碱性介质的工作环境中。

轻质化：氮化硅陶瓷材料比钢轻，可用于轻量化设计。

综上所述，氮化硅陶瓷材料具有高硬度、高强度、高耐磨性、耐高温性、耐腐蚀性和轻质化等优点，广泛应用于航空航天、光电、电子、半导体、机械等领域。

七、压电陶瓷

压电陶瓷材料是一种具有压电效应的陶瓷材料，能够在外加电场或机械应力下发生形变，同时在形变时产生电荷。它们通常是以铅酸钡（Pb(Zr,Ti)O3）或铅酸铌（Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3）等物质为主要成分，经过烧结而成。

压电陶瓷材料的主要性能包括：

压电效应：能够将机械应力转化为电信号，或将电信号转化为机械运动。这种效应使得压电陶瓷材料在传感器、执行器、声波器件等领域得到广泛应用。

介电性能：具有较高的介电常数和较低的介电损耗，使得压电陶瓷材料在电子元器件中用作电容器、滤波器等。

机械性能：具有较高的硬度、强度和耐磨性，使得压电陶瓷材料在机械工程中得到应用。

热稳定性：具有良好的热稳定性和耐高温性能，可在高温环境下稳定工作。

总体来说，压电陶瓷材料具有多种优良性能，被广泛应用于传感器、执行器、声波器件、电子元器件、机械工程等领域。

八、金刚石

金刚石陶瓷材料是一种使用钻石微粉和陶瓷作为原料，经过高温高压烧结制得的新型材料。由于金刚石的硬度极高，能够达到摩氏硬度10级，且具有优异的耐磨、耐腐蚀和高温抗氧化性能，因此金刚石陶瓷材料具有极高的物理和化学性能。

金刚石陶瓷材料具有以下特点：

极高的硬度和强度，比普通陶瓷材料更加耐磨、耐刮擦和耐冲击；

优异的耐腐蚀性能，能够抵御强酸强碱等腐蚀介质；

高温抗氧化性能优异，可在高温下长时间使用不受损；

具有优异的导热性和绝缘性能；

易于加工成各种形状和尺寸的陶瓷产品。

由于其优异的性能，金刚石陶瓷材料广泛应用于高端机械、电子、光学、医疗和化工等领域，如轴承、喷嘴、切割工具、液压缸、电器绝缘件、激光器零件等。

九、蓝宝石

蓝宝石陶瓷材料，又称为人造蓝宝石（SyntheticSapphire），是一种人造的单晶体材料，具有高硬度、高抗磨损、高抗腐蚀等优良性能。蓝宝石陶瓷材料主要成分是氧化铝（Al2O3），通过高温下的熔融法或热处理法制备而成。

蓝宝石陶瓷材料的独特性能主要包括：

高硬度：蓝宝石陶瓷材料的硬度仅次于金刚石，具有很高的抗磨损性能。

高抗腐蚀：蓝宝石陶瓷材料的抗腐蚀性能优异，可在强酸、强碱等恶劣环境下长期稳定使用。

高透光性：蓝宝石陶瓷材料的透光性很高，可用于光学、激光等领域。

高温稳定性：蓝宝石陶瓷材料的熔点高，可在高温环境下稳定使用。

高强度：蓝宝石陶瓷材料具有很高的强度和韧性，不易破裂和变形。

蓝宝石陶瓷材料主要应用于光学、电子、航空航天等领域，例如用于制作激光器窗口、LED衬底、手表表镜、高压绝缘体等。

十、增韧陶瓷（ZTA）

增韧陶瓷（ZTA）材料是一种新型复合材料，由氧化铝（Al2O3）和氧化锆（ZrO2）组成，其中氧化锆含量在10-30%之间。相比于纯氧化铝陶瓷，增韧陶瓷具有更好的韧性和抗裂性能。其主要性能如下：

高硬度和高强度：增韧陶瓷具有类似于氧化铝陶瓷的高硬度和高强度。

良好的韧性：由于氧化锆的存在，增韧陶瓷具有比氧化铝陶瓷更好的韧性，抗裂性能更强。

良好的耐磨性：增韧陶瓷具有很好的耐磨性，适用于高磨损的环境下。

耐腐蚀性好：增韧陶瓷具有优异的耐腐蚀性，适用于一些腐蚀性环境。

耐高温性能好：增韧陶瓷的使用温度范围较广，可在高温环境下使用。

增韧陶瓷材料具有以上优异性能，因此被广泛应用于制造刀具、轴承、机械密封件等高强度、高耐磨、高温、高腐蚀性能的零部件。

　　审核编辑：汤梓红