氧化铝陶瓷基板工艺初研

摘 要：氧化铝陶瓷基板的机械强度高，且绝缘性和避光性较好，在多层布线陶瓷基板、电子封装及高密度封装基板中受到了广泛应用。但目前国内在氧化铝陶瓷基板的生產中存在一些问题，例如烧结温度过高等，导致我国在该部件的应用主要依靠进口。文章主要针对氧化铝陶瓷基板工艺展开研究，旨在提升我国氧化铝陶瓷基板的制造工艺。

关键词：氧化铝陶瓷基板；布线陶瓷基板；电子封装

随着现代通讯技术的不断发展，电子元件向简单化、小型化、高集成度不断转变，对电路封装工艺的要求也随之提升，对氧化铝陶瓷封装基板的需求也越来越大。氧化铝陶瓷在强度、耐热、耐热冲击及电绝缘和耐腐蚀等方面具有较好的性能，且原材料充足，价格实惠，制造及加工体系完善，在工业封装中具有重要的作用。

一、氧化铝陶瓷基板的晶体结构、分类及性能

氧化铝（Al2O3）有许多同质异晶体，例如α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3等，其中以α-Al2O3的稳定性较高，其晶体结构紧密、物理性能与化学性能稳定，具有密度与机械强度较高的优势，在工业中的应用也较多[1]。

氧化铝陶瓷通过用氧化铝纯度进行分类，Al2O3纯度为>99%被称为刚玉瓷，Al2O3纯度为99%、95%和90%左右被称为99瓷、95瓷和90瓷[2]，含量>85%的Al2O3陶瓷一般被称为高铝瓷。99.5%氧化铝陶瓷的体积密度为3.95g/cm3，抗弯强度为395MPa，线膨胀系数（25～800℃）为8.1×10-6，热导率为32w/（m·k），绝缘强度为18KV/mm，体积电阻率（25℃）>1014Ω·cm.

二、黑色氧化铝陶瓷制工艺

黑色氧化铝陶瓷多用于半导体集成电路及电子产品中，这主要是由于大部分电子产品具有高光敏性，需要封装材料具有较强的遮光性，才能够保障数码显示的清晰度，因此，多采用黑色氧化铝陶瓷进行封装。随着现代电子元件的不断更新，对于黑色氧化铝封装陶瓷基板的需求也不断扩大，目前国内外均积极开展对黑色氧化铝陶瓷制造工艺的研究[3]。

电子产品封装中使用的黑色氧化铝陶瓷，基于其应用领域的需求，黑色着色料的选择需要结合陶瓷原材料的性能。例如需要考虑到其陶瓷原材料需要具备较好的电绝缘性，因此，黑色着色料除了考虑到陶瓷基板的最终着色度、机械强度外，同时还要考虑到其电绝缘性、隔热性及电子封装材料的其他功能[4]。黑色氧化铝陶瓷中常用的黑色着色料有Fe2O3、CoO、NiO、MnO、TiO2等，其中以Fe2O3、CoO的应用最为广泛，这些着色料的挥发性会随着温度的升高而提升，在高温下具有较好的挥发性。因此，选择低温烧制原材料可能对着色料的挥发产生较严重的影响。

在陶瓷着色过程中，低温环境可能促使着色料的挥发性受到影响而保温一定时间，在此过程中，游离态着色物可能集结成尖晶石类化合物，能够避免着色料在高温环境下的持续挥发，保障着色效果[5]。为了减少着色料的挥发，可在配料过程中加入适量滑石。滑石中含有大量的SiO2，是一种玻璃形成剂，能够抑制着色料的挥发；此外，滑石含有MgO能够与着色料形成尖晶石类化合物，能够抑制其挥发。有相关文献通过研究发现，在99.0%氧化铝中加入3～4%MnO-TiO2的低共熔物，能够降低其烧结温度。为了降低黑色氧化铝陶瓷的烧结温度，可以通过加入MnO-TiO2的低共熔物，并加入一定数量的Fe2O3，能够有效弱化MnO-TiO2的低共熔物的促烧结作用。同时，要注意黑色氧化铝陶瓷制作过程中，Fe2O3与TiO2添加物不得超过总材料的2.5%。

三、流延法制造黑色氧化铝陶瓷基板工艺

流延法（Tape Castng）是指在陶瓷粉料中加入溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等物质，从而使浆料分布均匀，然后在流延机上制成不同规格陶瓷片的制造工艺，也被称为刮刀成型法。该工艺最早出现于上个世纪40年代后期，被用于生产陶瓷片层电容器，该工艺的优点在于：（1）设备操作简单，生产高效，能够进行连续操作且自动化水平较高；（2）胚体密度及膜片弹性较大；（3）工艺成熟；（4）生产规格可控且范围较广，在陶瓷生产行业受到了广泛的应用。流延成型法除了能够制造传统的陶瓷基板、多层陶瓷电容器等产品外，在制造燃烧电池、功能梯度材料、结构可控材料以及蓄电池隔板等方面具有较广的应用，在现代陶瓷制造中具有重要的应用。

流延法制造黑色氧化铝陶瓷基板工艺的原材料包括陶瓷粉料、溶剂等，这些材料的选择对于浆料的性能有较大影响。文章简单介绍上述材料的选择：①陶瓷粉料：在选择原始陶瓷粉料的过程中，需要结合产品的应用领域，同时也要考虑到生产工艺。粉料的纯度、粒度、比表面积以及颗粒形状等方面对浆料的性能以及工艺具有直接影响。粉末的粒度以及比表面积决定着其他引入剂的添加量，对流延浆料的分散性和流变稳定性有直接影响。细颗粒的烧结性较好，能够降低烧制时的烧结温度，有助于提高产品的紧密度；但粉料过细也会导致分散剂、粘结剂等其他添加剂的加入量增加，导致干燥及烧结过程的时间延长，并且对于产品质量也有一定影响，因此一般选择0.1um～50um左右的粉料，有助于烧结制造。②溶剂：在溶剂的选择中，需要考虑的方面有：能够有效溶解分散剂等添加剂，有能够保障浆料的化学稳定性，且不与粉料发生化学反应，同时具备较好的挥发性及烧除性。目前，生产中常用的溶剂有有机溶剂与水这两大类型。有机溶剂的有点在于挥发及干燥速度快，但缺点是易燃且有毒，容易出现意外事故。水具有价格低、安全性能高且便于大规模生产的优势，但缺点在于对粉料颗粒的湿润性差，挥发及干燥速度慢；并且容易使浆料产生大量气泡，但目前无较好的除气泡处理措施，容易影响胚膜质量；水作为溶剂所制成的浆料需要使用乳状液的粘结剂，但此类型的粘结剂在市面上较少，导致粘结剂的选择范围受到影响；部分陶瓷材料，例如氮化物和碳化物与水结合会产生化合反应，生成一层氧化膜，且氧化钙及氧化镁等材料具有吸附水分的物理性质，导致水作为溶剂的应用受到限制。

结束语

现代生产中使用的陶瓷基片多为多层基片，氧化铝陶瓷的纯度为90.0～99.5%，其纯度越高，性能越好，但关键问题在于该部件对烧结温度的要求较高，导致制造的难度提高。目前我国还无法大量生产氧化铝陶瓷基板，主要是依赖进口。因此，研究氧化铝陶瓷基板工艺对于提升我国本土制造工艺有较高的现实意义。

参考文献

[1]宋秀峰，傅仁利，何洪等.氧化铝陶瓷基板化学镀铜金属化及镀层结构[J].电子元件与材料，2013，26（2）：40-42.

[2]郭栋，李龙土，蔡锴等.氧化铝陶瓷基板过孔的新型激光打孔工艺[J].电子元件与材料，2013，22（3）：46-48.

[3]王林军，方志军，张明龙等.金刚石膜/氧化铝陶瓷复合材料的介电特性和热学性能研究[J].无机材料学报，2014，19（4）：902-906.

[4]卢泽龙，罗来马，黄新民等.激光辐照诱导氧化铝陶瓷基板表面化学镀铜[J].材料热处理学报，2014，35（10）：184-188.

[5]郑志勤，易发成，王哲等.氧化铝陶瓷高温银浆表面金属化研究[J].陶瓷，2014，22（5）：17-23.