中國粉體網訊  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照明中應用的優(yōu)勢

LED半導體照明依靠芯片發(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，金屬材料的導電性成為致命弱點，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。先進陶瓷材料有著絕緣性好、熱導率高、高強度、熱膨脹系數低等特點，完全可以成為LED照明用基板的新材料。現階段，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熱的陶瓷基板領域，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和應用，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LED照明的多角度發(fā)光

隨著LED照明產業(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，轉化成熱能，加重了散熱負擔。因此，為實現多角度均勻發(fā)光，減輕散熱負擔，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；藍寶石雖然散熱性能良好，但制備條件苛刻，生產成本太高。而氧化鋁透明陶瓷生產成本比藍寶石低，導熱性能比玻璃好，因此，氧化鋁透明陶瓷是LED芯片的優(yōu)質基片材料。

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，還有類似于單晶藍寶石的光學性能。

照明領域是氧化鋁透明陶瓷最早的應用領域。對于需要兼顧強度、導熱性能、透光性以及生產成本的LED照明領域來說，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

在電子領域應用的氧化鋁陶瓷基板的制備技術已日趨成熟，限制其在LED領域應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制備得到，較高的燒結溫度會導致晶粒的過度生長，氧化鋁陶瓷晶粒過大會導致雙折射效應的產生，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性能限制了其在LED照明中的應用。提高氧化鋁透明陶瓷的透光性還需從原料、成型燒結工藝等角度入手，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，陶瓷材料會出現較多的雜質、第二相等光散射源，造成大量散射和吸收，導致陶瓷材料透光性大大降低。在照明領域應用的透明氧化鋁陶瓷的生產原料應使用高純氧化鋁粉體，原料混合均勻、無團聚且擴散性好，很大程度上可以避免雜質帶來的光損失。

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過程中的快速生長，并減少氣孔的出現；另一方面，添加劑使陶瓷出現液相燒結現象，可以降低燒結溫度。

3.適當的成型方法

成型方法直接關系到陶瓷燒結產品的致密度，即產品氣孔含量的高低，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合的方法。通過干壓獲得一定的形狀和強度后，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，雖然在產品的復雜性方面具有優(yōu)勢，但在氣孔率、成本等方面存在一定的缺陷，有待于在生產中進一步優(yōu)化和完善。

4.優(yōu)化燒結工藝

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工藝。目前，透明陶瓷燒結方法主要有熱壓燒結、真空燒結、微波燒結、常壓燒結以及各種氣氛中的燒結等。此外，燒結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突破，透明氧化鋁陶瓷在LED照明領域將大有可為。

參考來源:

[1]黃克強，基于第三代照明半導體氧化鋁陶瓷基PCB關鍵技術研究

[2]饒連江，陶瓷材料在發(fā)光二極管照明中的應用研究

[3]王守平，多晶透明氧化鋁陶瓷材料的研究與制備

（中國粉體網編輯整理/梧桐）

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