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鄒小姐：13326633089 -
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當今電子技術發展極其迅速，半導體照明也越來越受到關注，LED照明被認為是繼白熾燈、日光燈、高壓鹵燈后第四代照明光源。與普通光源相比，LED照明具有以下幾個優點：使用壽命長，在散熱良好的情況下，使用壽命可達到10萬小時；發光效率高，LED基于半導體材料構成，釋放的能量主要集中在可見光區，光譜窄，其光效可以達到50~200 lm/W；綠色環保，不含汞鉛等有害物質，廢棄產品回收不會污染環境。
但是，LED也會遇到一些問題，其中主要的原因就是LED屬于冷光源，其依靠能帶間的電子躍遷發光，光譜中不含紅外成分，不能通過輻射進行散熱，散熱困難會降低使用壽命并直接阻礙LED的大功率化。另外一個問題就是常規LED燈受材料限制，主要是單面發光，能量利用不充分，同時反面大量未能發散出去的光能又集聚在基片上，轉化成熱能，增加了散熱負擔。
常見的單面發光LED燈
LED照明的新型發展需求
市場上對LED多角度發光的一個改善措施是制成燈泡結構，采用多個LED芯片串聯，或者將芯片多角度安裝，以達到多面發光的效果，如下圖所示。
新型LED結構案例
雙面發光LED燈
對于LED燈來說，其發光依靠的是芯片，而非燈絲，因此必須需要基片作為載體，若想要滿足多角度發光，那就帶來一個對基片的需求——透光。
因此，隨著LED照明產業的發展，芯片封裝基板除了作為支撐基體和散熱媒介外，擁有一定的透光率也會越來越受到關注，以滿足高性能均勻高效發光需求。這就對LED封裝基片提出如下要求：
（1）有一定強度，能夠承載芯片；
（2）具有一定的透光率，保證LED燈能夠360°發光；
（3）熱導率高，能夠散熱，利于燈芯的熱發散；
（4）生產成本低，能夠大規模批量生產。
目前，這種基片材料主要是藍寶石和玻璃材料，然而玻璃基片的散熱性能較差，將會降低燈具的使用壽命；藍寶石散熱性能良好，但藍寶石是單晶氧化鋁，單晶材料的制備條件苛刻，成品率低，生產成本太高。對比之下，多晶透明氧化鋁陶瓷生產成本比藍寶石低，強度和導熱性能比玻璃材料好，因此，氧化鋁透明陶瓷作為LED芯片的基片，具有廣闊的發展潛力。
用于LED照明的透明氧化鋁陶瓷（99.99%以上的高純Al2O3）
圖源：日本礙子官網
氧化鋁透明陶瓷
透明多晶陶瓷指將無機材料粉末（如氧化鋁粉、氧化鋯粉、氮化鋁粉等）制作成具有一定形狀的坯件，然后在特殊條件下燒結（如氫氣氛爐中），制成的有一定透明度的陶瓷。透明陶瓷除了具有陶瓷固有的高絕緣、耐高溫和耐腐蝕等特性，還有類似于單晶藍寶石的光學性能，以及具有較好的抗熱沖擊性能和機械性能，是應用于激光、照明、光學等行業的優秀基體材料，常用來制作高壓鹵燈燈管、激光陶瓷、透波和窗口材料、無機閃爍體和光輻射護目鏡等。
各類高技術透明陶瓷材料
（a）透明氧化鋁托槽；（b）氧化鋁陶瓷金鹵燈管；（c）透明氧化錯陶瓷鏡頭；（d）YAG 激光陶瓷；（e）透明氧化鋁裝甲；（f）鎂鋁尖晶石整流罩
對于需要兼顧強度、導熱性能、透光性以及生產成本的LED領域來說，氧化鋁透明陶瓷是最具潛力的藍寶石替代品，可滿足360℃發光的LED封裝基板的性能需求。
目前行業內關于用在電子領域的氧化鋁陶瓷基板制備技術已日趨成熟，而當前限制其在LED領域的應用主要是在透光性上遇到瓶頸。
傳統氧化鋁透明陶瓷通常在1700 °C以上的氫氣氣氛中燒結制備得到，高的燒結溫度會導致晶粒的過度生長，這將會嚴重影響到陶瓷的機械性能和材料的硬度等性能，如果晶粒尺寸足夠大(>410 um)，由于氧化鋁是一種六方晶系的材料，存在雙光軸，陶瓷晶粒的雙折效應會引起光散射，降低陶瓷的光透過率。所以傳統制備的氧化鋁透明陶瓷的直線透過率通常低于10%，低的直線透過率和低的力學性能極大的限制了透明氧化鋁陶瓷的應用。
關于透明陶瓷透光性的原理和影響因素可閱讀以下文章：
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提高氧化鋁陶瓷透光性的措施
1. 材料選擇
（1）高純度原料
純度低的原料會出現較多的雜質、第二相和其他各種結構缺陷，各種缺陷的折射率的不同，光入射到缺陷上，造成大量散射和吸收，導致陶瓷材料透光性大大降低，一般透明陶瓷的原料純度要求大于99.9%，避免雜質等帶來的光損失。
（2）添加劑
為了獲得最低的氣孔率，在高純的原料里往往加入一些添加劑（摻雜微量元素尤其是稀土元素），以促進陶瓷燒結致密的進行。原料中引入的添加劑的作用主要是在晶界上高濃度聚集，從而阻止燒結過程中晶體的過快生長并促使氣孔變少。使用與主要燒結氧化物陽離子原價不同的陽離子作為添加劑，以及在真空或氫中進行燒成時，能促進坯件的排氣和增大結構的缺陷性，因而加速從晶界到氣孔的傳質過程。添加劑的加入還可以使陶瓷出現液相燒結現象，從而降低燒結溫度。
液相的形成溫度
2. 透明陶瓷的成型
透明陶瓷最常用成型方法是將干壓成型與冷等靜壓成型相結合的方式，先干壓獲得一定的形狀和強度，再冷等靜壓增大素坯的致密性，成本較低。注塑成型和凝膠鑄模成型是新型成型方式。
凝膠成型與干壓成型和冷等靜壓成型有著本質差別，屬于流體成型方法，由于其具有尺寸精度高，坯體強度高，可生產形狀復雜器件的特點，越來越受到關注，該方法的缺點成型后需要排膠。
注塑成型也屬于流體成型，是快速精密成型法的一種，一般燒結后的部件不需要后續處理，可實現自動化生產。缺點是注塑成型坯體中含有大量有機溶劑，燒結前需進行排膠處理，排膠較困難，尤其是大部件排膠過程易發生開裂現象，目前該方法已經運用于高壓鹵燈透明陶瓷電弧管的生產。
3. 透明陶瓷的燒結
（1）燒結方式
① 熱壓燒結
熱壓燒結通過施加外壓力，以促進材料燒結過程中致密化，從而得到細晶粒的致密化陶瓷，其燒結溫度比真空燒結低，廣泛應用于透明陶瓷。不過此燒結法的缺點是不易生產形狀復雜的器件，需要昂貴的設備，生產規模小，成本較高，而且容易引入雜質和產生結構缺陷。目前已制備出 YAG、AIN、Lu2O3等透明陶瓷。
② 熱等靜壓燒結
熱等靜壓與冷等靜壓的不同之處在于其以氣體作為加壓介質，在向坯體各個方向施加均等壓力的同時對坯體加熱，使其在高溫高壓的共同作用下完成燒結。熱等靜壓燒結溫度較低，可以直接制成形狀復雜或大尺寸的零部件，但熱等靜壓設備復雜、價格昂貴、操作繁瑣。目前已應用于氧化鋁、氧化釔、PNNZT等透明陶瓷的制備。
③ 氧化氣氛燒結
目前常用的是在真空/還原氣氛條件下燒結，有利于燒結過程中氣孔的消除，提高陶瓷的致密性，而且其設備簡單，生產成本低，是目前透明陶瓷主要燒結方式。氧化氣氛燒結透明陶瓷是一種比較新型的燒結方式，氧氣氛可以消除由于材料成分的揮發產生的空位等缺陷，同時氧氣高溫分離為氧離子，為氣孔排除提供便捷通道，從而達到提高陶瓷的致密性的目的。
氧氣氛中燒結裝置與還原氣氛中相似，但比還原氣氛安全，目前已經利用該燒結方式制備出了氧化鋁、YAG、Y2O3等透明陶瓷。
④ 微波燒結
微波燒結也是一種新型透明陶瓷燒結方式，加熱速度快、熱量分布均勻、燒結時間短，可迅速促使陶瓷致密化，己成功應用于AlON、氮化鋁、氧化鋁、鋁鎂尖晶石透明陶瓷等透明陶瓷的制備。
⑤ 放電等離子燒結
放電等離子燒結利用瞬間脈沖電流產生的放電脈沖壓力、脈沖能和焦耳熱實現陶瓷粉體顆粒活化燒結。等離子燒結速度快、保溫時間短、燒結溫度低（比熱等靜壓燒結還低）、溫度分布均勻，燒結體純度高、晶粒小，但是由于加熱升溫速率非常快，該方法制得的陶瓷容易開裂。目前已報道的通過SPS制備的透明陶瓷有MgO、YAG、ZrO2、MgAl2O4、Al2O3和AIN等。
SPS燒結氧化鋁多晶陶瓷的顯微結構
（a）170℃/min；（b）340℃/min
（2）燒結工藝
燒結溫度對陶瓷的致密化起到關鍵作用，一般燒結溫度越高，陶瓷晶粒越大，隨著燒結溫度的提高，晶粒明顯長大，氣孔變少，晶界厚度變薄。
與燒結溫度有相似作用的是保溫時間，隨著保溫時間的延長，陶瓷致密性升高，晶粒變大，晶界變得干凈，晶粒大小均勻性變好。為了獲得比較好的性能，保溫時間與具體的燒結方式有關，一般透明陶瓷真空燒結的保溫時間超過10小時，而等離子燒結的保溫時間不到半小時。
但氧化鋁透明陶瓷的透光性是要求晶粒不能太大，氣孔要盡量少，如何平衡這兩者的關系，對工藝設計提出了一定的要求。
總結
未來幾年內隨著透明氧化鋁陶瓷基片的批生產技術獲得突破，透明氧化鋁在LED照明領域將有望成為替代藍寶石基片的一大選擇。當前對于高透光性高導熱的透明氧化鋁陶瓷的生產仍有一定的瓶頸，需從粉體處理、成型和顯微結構控制等方面入手，逐步縮小與國外產品的差距，并早日趕上國外的產品品質。另外，氧化鋁透明陶瓷企業應和封裝企業真誠合作，快速發現上下游部件或產品存在的問題，從而可以推動各部件或產品關鍵技術的解決。
參考來源：
1. 摻雜氧化鋁透明陶瓷基片致密化行為的研究，劉文燕（華中科技大學）；
2. 透明氧化鋁陶瓷的制備及其性能研究，袁康（西南科技大學）；
3. 制備微量元素摻雜氧化鋁透明陶瓷及其性能研究，黃金山（西南科技大學）。
粉體圈小吉
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