中國粉體網(wǎng)訊 黑色氧化鋁陶瓷因其獨(dú)特的遮光性，被廣泛應(yīng)用于集成電路的封裝管殼、數(shù)碼管襯板等領(lǐng)域，晶體振蕩器使用黑色Al2O3陶瓷封裝，可使體積縮小幾十倍甚至百倍。
在某些集成電路密封環(huán)節(jié)，塑料封裝材料也可以被加工成黑色，但是黑色塑封料在耐濕性、氣密性、化學(xué)穩(wěn)定性及耐熱沖擊性能等方面較陶瓷封裝材料差，難以滿足某些特種封裝的要求。
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在陶瓷封裝材料中，AlN陶瓷燒成溫度太高且不易通過配方和工藝的調(diào)整使之降低，故難以制得黑色AlN陶瓷。BeO陶瓷燒成溫度高且粉末有毒，限制了它的使用。純的Al2O3陶瓷本身的燒成溫度也是很高的，在助熔劑摻雜及特殊工藝條件下，Al2O3陶瓷的燒成溫度大大降低，因而以Al2O3為主要原料可以得到黑色Al2O3陶瓷。
Al2O3陶瓷的呈色機(jī)理
物質(zhì)呈現(xiàn)出特定的顏色是由于物質(zhì)對可見光選擇性吸收引起的。若物質(zhì)對可見光范圍內(nèi)所有波長的光全部吸收，則物質(zhì)呈現(xiàn)黑色。Al2O3陶瓷呈黑色是因?yàn)槠涑煞种泻兄趸铩?/p>
著色氧化物主要是過渡金屬氧化物。在晶體場作用下，過渡金屬元素離子的d軌道發(fā)生能級分裂，形成不同的能級，電子在不同能級的d軌道之間躍遷，躍遷能在1-4eV之間，對應(yīng)著吸收一定波長的光，波長范圍正好落在可見光區(qū)，使物質(zhì)呈色，物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色為其所吸收的光波的補(bǔ)色。調(diào)整Al2O3陶瓷配方中著色氧化物的比例，在一定條件下制得的陶瓷樣品，能吸收全部可見光而呈現(xiàn)黑色。
如何呈現(xiàn)黑色
作為電子產(chǎn)品用途的氧化鋁陶瓷，由于其應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，其黑色著色色料的選擇則必須要考慮到陶瓷材料的性能。例如，必須考慮到陶瓷材料應(yīng)具有較高的電阻率，即黑色氧化鋁陶瓷在制備的時(shí)候就要從色料的選擇上考慮到其使用上的要求，不僅要保證陶瓷基板顏色的黑度、機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)也要保證陶瓷基板的絕緣性、熱學(xué)性質(zhì)以及用作電子器件時(shí)應(yīng)具備的其他性能。
黑色氧化鋁中的呈色效果主要是由不同的尖晶石型化合物決定的。下表是各種尖晶石型化合物的顏色。
尖晶石類化合物及其顏色
兩種制備方法
制備黑色氧化鋁一般采用一次合成法與二次合成法，一次合成法是將氧化鋁、著色氧化物、助溶劑直接按一定的配比和工藝來制備黑色氧化鋁。此法過程簡單，但陶瓷著色比二次合成法稍差，其原因是Fe2O3、Cr2O3、CoO、V2O5、NiO和Mn2O3等著色氧化物在高溫下?lián)]發(fā)性都較強(qiáng)。
二次合成法是先利用一些金屬氧化物合成黑色色料，再把黑色色料、助溶劑、氧化鋁按一定配比和工藝來制備黑色氧化鋁，此法過程比較復(fù)雜，能耗高。
如何抑制著色氧化物揮發(fā)是關(guān)鍵
目前，常用的黑色著色氧化物以Fe2O3、CoO、Cr2O3、MnO最為常用。這些常用的著色氧化物在高溫下的揮發(fā)性都較強(qiáng)，并且其揮發(fā)速度隨溫度升高而加快。因此，選擇在較低溫度下燒成的原料組成對抑制著色氧化物的揮發(fā)有直接效果。
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著色氧化物在形成尖晶石類化合物后，其高溫?fù)]發(fā)性會有明顯降低。因而在燒成黑色色料時(shí)，宜在低溫下著色氧化物的揮發(fā)性還不明顯的溫度保溫一定時(shí)間，使游離態(tài)著色氧化物在此溫度下盡可能結(jié)合成尖晶石類化合物。這樣，就能有效地避免著色氧化物在繼續(xù)升溫后的揮發(fā)，保證良好的呈色效果。
一些輔料對黑色Al2O3陶瓷性能的影響
1、二氧化鈦
徐利華以超微細(xì)α-氧化鋁粉為主要原料，添加適量過渡金屬氧化物以及不同分量的TiO2粉末，采用傳統(tǒng)粉末冶金技術(shù)、干壓燒結(jié)法制備了黑色Al2O3陶瓷。對制備工藝中的原料準(zhǔn)備、壓制成型、燒結(jié)過程進(jìn)行了討論，并對其導(dǎo)電性能進(jìn)行了測試分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：TiO2是一種良好的添加劑，它不僅可以降低燒成溫度，還有利于Al2O3陶瓷黑色的形成，提高黑色氧化鋁陶瓷的體積電阻率，改善其電氣性能。
2、二氧化硅
周東祥等用超微細(xì)氧化鋁(Al2O3)，二氧化硅(SiO2)粉體及適量的過渡金屬氧化物，用固相反應(yīng)法在1350℃空氣中燒結(jié)得到了致密的黑色Al2O3陶瓷。研究了SiO2摻雜對陶瓷顯微結(jié)構(gòu)和電性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明：在黑色Al2O3陶瓷中，SiO2是一種較好的摻雜劑，它不僅可以降低燒結(jié)溫度，使陶瓷晶粒細(xì)小均勻，同時(shí)還可以改善材料的電氣性能，使之滿足用作晶體振蕩器件、光電器件及集成電路器件等的基板及避光封裝外殼的要求。
參考來源：
[1]徐利華.二氧化鈦對黑色Al2O3陶瓷性能的影響
[2]周東祥等.二氧化硅摻雜對黑色氧化鋁陶瓷的改性
[3]張小鋒等.黑色氧化鋁陶瓷制備與介電性能的研究
[4]田修營等.一次合成法合成Fe-Cr-Mn系黑色氧化鋁陶瓷及其性能研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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