中國粉體網(wǎng)訊  LED照明作為一種新一代的照明方式，相對于傳統(tǒng)照明在節(jié)能環(huán)保方面具有巨大優(yōu)勢，是現(xiàn)階段替代傳統(tǒng)照明的最佳照明方式。從第一代照明到第三代照明，LED半導(dǎo)體照明以節(jié)能、環(huán)保及光亮度更高的優(yōu)勢，逐漸替代其它普通節(jié)能燈，成為未來照明的發(fā)展趨勢。

一、氧化鋁陶瓷基板在LED照明中應(yīng)用的優(yōu)勢

LED半導(dǎo)體照明依靠芯片發(fā)光，必須以基片作為載體，而隨著LED大功率化發(fā)展，散熱能力成為制約LED壽命長短的關(guān)鍵因素。用于大功率LED封裝的基板材料主要是鋁和銅等具有優(yōu)異導(dǎo)熱能力的金屬材料,而隨著人們對安全性能要求的提高，金屬材料的導(dǎo)電性成為致命弱點(diǎn)，也因此，電絕緣材料引起了人們的注意。

電絕緣材料主要有陶瓷材料、塑料材料等。先進(jìn)陶瓷材料有著絕緣性好、熱導(dǎo)率高、高強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，完全可以成為LED照明用基板的新材料。現(xiàn)階段，國際上對于大功率LED新型封裝基板的研究也主要集中在高導(dǎo)熱的陶瓷基板領(lǐng)域，常用的幾種陶瓷基板有：氧化鋁陶瓷基板、氮化鋁陶瓷基板、氧化鈹陶瓷基板、碳化硅陶瓷基板。

表1 常用陶瓷基板材料及特性

碳化硅和氧化鈹陶瓷基板因為其毒性和較高的成本限制了其生產(chǎn)和應(yīng)用，氧化鋁和氮化鋁陶瓷基板憑借價格優(yōu)勢、耐熱沖擊性好而被廣泛使用，尤其粉體生產(chǎn)工藝相對簡單、價格低廉的氧化鋁陶瓷基板約占了市場的90%。

圖1 LED氧化鋁陶瓷電路板（圖源：金瑞欣特種電路）

二、氧化鋁透明陶瓷實現(xiàn)LED照明的多角度發(fā)光

隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，芯片封裝基板除了作為支撐載體和散熱媒介外，其透光率也越來越受到關(guān)注。受材料限制，常規(guī)LED燈僅單面發(fā)光，這不僅沒有充分利用能量，而且反面大量未能發(fā)散出去的光能聚集在基片上，轉(zhuǎn)化成熱能，加重了散熱負(fù)擔(dān)。因此，為實現(xiàn)多角度均勻發(fā)光，減輕散熱負(fù)擔(dān)，陶瓷基板還需要具有一定的透光性。

透光基片材料主要是藍(lán)寶石（單晶氧化鋁）和玻璃兩種。然而玻璃基片的散熱性能較差，會降低燈具的使用壽命；藍(lán)寶石雖然散熱性能良好，但制備條件苛刻，生產(chǎn)成本太高。而氧化鋁透明陶瓷生產(chǎn)成本比藍(lán)寶石低，導(dǎo)熱性能比玻璃好，因此，氧化鋁透明陶瓷是LED芯片的優(yōu)質(zhì)基片材料。

圖2 透明氧化鋁陶瓷 （圖源：賽碩新材料）

氧化鋁透明陶瓷是指用高純氧化鋁粉末摻雜微量添加物質(zhì)制作而成的具有一定形狀的坯件，然后在一定的溫度、氣氛、壓力條件下，燒結(jié)出具有一定透明度的陶瓷。氧化鋁透明陶瓷除了具有氧化鋁陶瓷固有的高絕緣、耐高溫和耐腐蝕等特性，還有類似于單晶藍(lán)寶石的光學(xué)性能。

照明領(lǐng)域是氧化鋁透明陶瓷最早的應(yīng)用領(lǐng)域。對于需要兼顧強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能、透光性以及生產(chǎn)成本的LED照明領(lǐng)域來說，氧化鋁透明陶瓷是最具潛力的藍(lán)寶石替代品，可滿足全方位發(fā)光的LED封裝基板的性能需求。

三、提高氧化鋁透明陶瓷透光性的措施

在電子領(lǐng)域應(yīng)用的氧化鋁陶瓷基板的制備技術(shù)已日趨成熟，限制其在LED領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸在于氧化鋁陶瓷的透光性。

傳統(tǒng)氧化鋁透明陶瓷通常在1700°C以上的氫氣氣氛中燒結(jié)制備得到，較高的燒結(jié)溫度會導(dǎo)致晶粒的過度生長，氧化鋁陶瓷晶粒過大會導(dǎo)致雙折射效應(yīng)的產(chǎn)生，降低陶瓷的光透過率。所以，傳統(tǒng)制備的氧化鋁透明陶瓷較低的透光性和力學(xué)性能限制了其在LED照明中的應(yīng)用。提高氧化鋁透明陶瓷的透光性還需從原料、成型燒結(jié)工藝等角度入手，主要措施如下：

1.使用高純度原料

為了獲得較高透明度的氧化鋁陶瓷，對使用的原料純度有一定的要求。若純度偏低，陶瓷材料會出現(xiàn)較多的雜質(zhì)、第二相等光散射源，造成大量散射和吸收，導(dǎo)致陶瓷材料透光性大大降低。在照明領(lǐng)域應(yīng)用的透明氧化鋁陶瓷的生產(chǎn)原料應(yīng)使用高純氧化鋁粉體，原料混合均勻、無團(tuán)聚且擴(kuò)散性好，很大程度上可以避免雜質(zhì)帶來的光損失。

2.引入添加劑

為了降低氣孔率，提高陶瓷的致密水平，可以在高純的原料里加入一些添加劑如稀土等微量元素。一方面添加劑在晶界上高濃度聚集，可以阻止晶體在燒結(jié)過程中的快速生長，并減少氣孔的出現(xiàn)；另一方面，添加劑使陶瓷出現(xiàn)液相燒結(jié)現(xiàn)象，可以降低燒結(jié)溫度。

3.適當(dāng)?shù)某尚头椒?/p>

成型方法直接關(guān)系到陶瓷燒結(jié)產(chǎn)品的致密度，即產(chǎn)品氣孔含量的高低，所以成型工藝對陶瓷成品的透明性也有一定的影響。目前透明陶瓷最常用的成型方法是將干壓成型和冷等靜壓成型相結(jié)合的方法。通過干壓獲得一定的形狀和強(qiáng)度后，再冷等靜壓增大素坯的致密性，該方法成本較低。此外，新型成型方式還有注射成型和凝膠注模成型，雖然在產(chǎn)品的復(fù)雜性方面具有優(yōu)勢，但在氣孔率、成本等方面存在一定的缺陷，有待于在生產(chǎn)中進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

4.優(yōu)化燒結(jié)工藝

要得到致密的、氣孔率低的透明氧化鋁陶瓷，必須采用不同于普通氧化鋁陶瓷的特殊燒結(jié)工藝。目前，透明陶瓷燒結(jié)方法主要有熱壓燒結(jié)、真空燒結(jié)、微波燒結(jié)、常壓燒結(jié)以及各種氣氛中的燒結(jié)等。此外，燒結(jié)溫度的高低與保溫時間的長短與晶粒的大小、陶瓷致密性存在一致性，然而透明陶瓷的透光性要求晶粒不能過大，因此，在燒結(jié)過程中要把控好溫度與時間，平衡好氧化鋁透明陶瓷的致密性與透光性。

未來隨著透明氧化鋁陶瓷基片的技術(shù)突破，透明氧化鋁陶瓷在LED照明領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀椤?/p>

參考來源:

[1]黃克強(qiáng)，基于第三代照明半導(dǎo)體氧化鋁陶瓷基PCB關(guān)鍵技術(shù)研究

[2]饒連江，陶瓷材料在發(fā)光二極管照明中的應(yīng)用研究

[3]王守平，多晶透明氧化鋁陶瓷材料的研究與制備

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）

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