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邹小姐：13326633089 -
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当今电子技术发展极其迅速，半导体照明也越(yue)来越(yue)受到关注(zhu)，LED照明被认为是继白炽灯、日光灯、高压卤灯后第四代照明光源。与普通光源相比，LED照明具有以下几个优点：使用(yong)寿命长，在散热良好的情况下，使用(yong)寿命可(ke)达到(dao)10万小时；发光效率高(gao)，LED基于半导体材料构成，释放的能量主要集中在可见光区，光谱窄，其光效可以达到50~200 lm/W；绿色环保，不含汞铅(qian)等有害物质，废弃产品回收不会污染环境。
但(dan)是，LED也会遇(yu)到一(yi)些(xie)问题(ti)，其中(zhong)主要的原因就是LED属于冷光源，其依靠能带间的电子跃迁发光，光谱中不含红外成分，不能通过辐射(she)进(jin)行散(san)热，散(san)热困难会(hui)降(jiang)低使用寿(shou)命(ming)并(bing)直接(jie)阻(zu)碍LED的大功率化。另外一个问题就是(shi)常(chang)规LED灯受材料(liao)限(xian)制(zhi)，主要(yao)是(shi)单面发(fa)(fa)光(guang)，能量利用不(bu)充分(fen)，同时(shi)反面大量未能发(fa)(fa)散出去(qu)的(de)光(guang)能又集聚在基(ji)片上，转(zhuan)化(hua)成热能，增加(jia)了散热负担(dan)。
常见的单面发(fa)光LED灯
LED照(zhao)明的新型发展需求
市场上对LED多角度发光的一个改善措施是制成灯泡结构，采用多个LED芯片串联，或者将芯片多角度安装，以达到多面发光的效果，如下图所示。
新型LED结构案例
双面发光(guang)LED灯
对(dui)于LED灯来说，其发光依靠的是芯片，而非灯丝，因此必须需要基片作为载体，若想要满足多角度发光，那就带来一个对基片的需求——透光。
因此(ci)，随(sui)着LED照明产业的发展，芯片封装基板除了作为支撑基体和散热媒介外，拥有一定的透光率也会越来越受到关注，以满足高性能均匀高效发光需求。这就对LED封装基片提出如下要求：
（1）有一定强度，能够承载芯片；
（2）具有一定的透光率，保证LED灯能够360°发光；
（3）热导率高，能够散热，利于灯芯的热发散；
（4）生产成本低，能够大规模批量生产。
目前，这种基片(pian)材料主要是(shi)蓝宝石和玻(bo)璃材料，然而玻(bo)璃基片(pian)的(de)散(san)热性能较(jiao)差，将会降低(di)(di)灯具的(de)使用寿(shou)命；蓝宝石散(san)热性能良(liang)好(hao)，但蓝宝石是(shi)单晶(jing)氧化铝，单晶(jing)材料的(de)制(zhi)备条件(jian)苛(ke)刻，成(cheng)品率低(di)(di)，生产成(cheng)本太(tai)高(gao)。对比之(zhi)下，多晶(jing)透明氧化铝(lv)陶瓷生产成(cheng)本比蓝宝(bao)石低，强度和导热性能比玻璃材(cai)料好，因此，氧化铝(lv)透明陶瓷(ci)作为LED芯片的基片，具有广阔的发展潜力。
用于LED照明(ming)的透明(ming)氧化铝陶(tao)瓷（99.99%以(yi)上的高纯Al2O3）
图源(yuan)：日本碍(ai)子官网(wang)
氧化(hua)铝透(tou)明陶瓷
透(tou)(tou)明多(duo)晶陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)指将无(wu)(wu)机(ji)材料粉(fen)末（如氧化铝(lv)粉(fen)、氧化锆粉(fen)、氮化铝(lv)粉(fen)等(deng)）制(zhi)作成具有(you)一(yi)定形状的(de)坯件，然(ran)后在特殊条件下烧(shao)结（如氢气氛炉中），制(zhi)成的(de)有(you)一(yi)定透(tou)(tou)明度的(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)。透(tou)(tou)明陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)除了具有(you)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)固有(you)的(de)高绝缘、耐(nai)高温和耐(nai)腐蚀等(deng)特性(xing)，还有(you)类似于(yu)单晶蓝宝石的(de)光(guang)学性(xing)能，以及具有(you)较好的(de)抗热冲(chong)击性(xing)能和机(ji)械性(xing)能，是应用于(yu)激光(guang)、照(zhao)明、光(guang)学等(deng)行(xing)业的(de)优(you)秀基体(ti)材料，常用来制(zhi)作高压(ya)卤(lu)灯灯管、激光(guang)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)、透(tou)(tou)波和窗口(kou)材料、无(wu)(wu)机(ji)闪(shan)烁体(ti)和光(guang)辐射护目镜等(deng)。
各类(lei)高(gao)技(ji)术透(tou)明陶瓷材(cai)料
（a）透(tou)明氧化(hua)铝托槽；（b）氧化(hua)铝陶瓷金(jin)卤(lu)灯管(guan)；（c）透(tou)明氧(yang)化错陶瓷镜头；（d）YAG 激光陶瓷；（e）透明(ming)氧化(hua)铝装甲；（f）镁铝尖(jian)晶石整流罩(zhao)
对于需要兼顾(gu)强度、导热性(xing)能、透光性(xing)以及生(sheng)产成(cheng)本的LED领域来说，氧化铝透(tou)明(ming)陶瓷是最具潜力的蓝宝石替代品，可满足360℃发光的LED封装基板的性能需求。
目前(qian)行业内关于(yu)用在(zai)电子领(ling)域的氧(yang)化铝陶瓷基板制(zhi)备技(ji)术已日(ri)趋成熟，而当前(qian)限制(zhi)其(qi)在(zai)LED领域的应用主要是在透光性(xing)上遇到瓶颈。
传统氧(yang)化铝(lv)透(tou)明陶瓷通(tong)常在(zai)1700 °C以上的氢气气氛中烧结制备得到，高的烧结温度会导致晶粒的过度生长，这将会严重影响到陶瓷的机械性能和材料的硬度等性能，如果晶粒尺寸足够大(>410 um)，由于氧化铝是(shi)一种六方(fang)晶系的(de)材(cai)料，存(cun)在双光轴(zhou)，陶瓷晶粒的双折效应会引(yin)起光(guang)散(san)射(she)，降低(di)陶瓷的光(guang)透过率(lv)(lv)。所以(yi)传统(tong)制(zhi)备(bei)的氧化(hua)铝透明陶瓷的直线(xian)透过率(lv)(lv)通常(chang)低(di)于(yu)10%，低的直线透过率和低的力学性能极大的限制了透明氧化铝陶瓷的应用。
关于透明陶瓷(ci)透光性的原理和影响因素可阅读(du)以下文章：
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提高氧化(hua)铝陶(tao)瓷透(tou)光性的(de)措(cuo)施
1. 材(cai)料选(xuan)择
（1）高纯度原料
纯度低的(de)(de)(de)原(yuan)料(liao)会出现较(jiao)多的(de)(de)(de)杂(za)质、第二相(xiang)和其他各(ge)种(zhong)结(jie)构缺陷，各(ge)种(zhong)缺陷的(de)(de)(de)折射(she)率的(de)(de)(de)不同，光(guang)入射(she)到缺陷上，造成大(da)量(liang)散射(she)和吸收，导致陶(tao)(tao)瓷材料(liao)透光(guang)性大(da)大(da)降低，一般透明陶(tao)(tao)瓷的(de)(de)(de)原(yuan)料(liao)纯度要求大(da)于99.9%，避免杂质等带来的(de)光损失。
（2）添加剂
为(wei)了获得最低的(de)气(qi)孔率，在(zai)高纯的(de)原(yuan)料里往(wang)往(wang)加入一(yi)些添(tian)(tian)加剂（掺杂微量(liang)元素尤其是(shi)稀(xi)土元素），以(yi)(yi)促(cu)进(jin)陶瓷烧(shao)(shao)结(jie)(jie)致密的(de)进(jin)行。原(yuan)料中引入的(de)添(tian)(tian)加剂的(de)作用(yong)主(zhu)要是(shi)在(zai)晶界(jie)上高浓度聚集，从而阻(zu)止烧(shao)(shao)结(jie)(jie)过(guo)程(cheng)中晶体的(de)过(guo)快(kuai)生长并(bing)促(cu)使气(qi)孔变少。使用(yong)与主(zhu)要烧(shao)(shao)结(jie)(jie)氧化物阳(yang)离子(zi)原(yuan)价不同的(de)阳(yang)离子(zi)作为(wei)添(tian)(tian)加剂，以(yi)(yi)及在(zai)真(zhen)空或氢中进(jin)行烧(shao)(shao)成(cheng)时，能促(cu)进(jin)坯件的(de)排气(qi)和增(zeng)大结(jie)(jie)构的(de)缺陷性，因而加速(su)从晶界(jie)到(dao)气(qi)孔的(de)传质过(guo)程(cheng)。添(tian)(tian)加剂的(de)加入还可以(yi)(yi)使陶瓷出(chu)现(xian)(xian)液(ye)相烧(shao)(shao)结(jie)(jie)现(xian)(xian)象(xiang)，从而降低烧(shao)(shao)结(jie)(jie)温度。
液(ye)相的(de)形成温(wen)度
2. 透明陶瓷的成型
透明陶瓷最常用成(cheng)型方(fang)法是将干压(ya)成(cheng)型与冷等(deng)静压(ya)成(cheng)型相结合的(de)方(fang)式，先干压(ya)获得一(yi)定的(de)形(xing)状和强度，再冷等(deng)静压(ya)增大素(su)坯的(de)致密性，成(cheng)本较低(di)。注塑成(cheng)型(xing)和凝胶铸模成(cheng)型(xing)是(shi)新型成型方式。
凝胶成型与干压成型和冷等(deng)静压成型有(you)着本质(zhi)差别(bie)，属于流体(ti)成型方法，由于其具有(you)尺寸精(jing)度高，坯体(ti)强度高，可生产(chan)形状复杂器件的特点，越(yue)来越(yue)受到关注，该方法的缺点成型后(hou)需(xu)要排胶。
注(zhu)塑(su)成(cheng)型(xing)也(ye)属于(yu)流体(ti)成(cheng)型(xing)，是快速(su)精(jing)密成(cheng)型(xing)法的(de)一种(zhong)，一般(ban)烧结后的(de)部件(jian)不(bu)需要后续处理，可实现(xian)自动化生产。缺(que)点是注(zhu)塑(su)成(cheng)型(xing)坯体(ti)中(zhong)含有(you)大量有(you)机溶剂，烧结前需进(jin)行排胶处理，排胶较困难，尤其是大部件(jian)排胶过程易发(fa)生开裂现(xian)象，目前该方法已经运用于(yu)高压(ya)卤灯透明陶(tao)瓷电弧管的(de)生产。
3. 透明陶瓷的烧结
（1）烧结方式
① 热压烧结
热压(ya)烧(shao)(shao)结(jie)通过施加外压(ya)力(li)，以促进材料烧(shao)(shao)结(jie)过程中致(zhi)密化，从而得到细晶粒的(de)(de)致(zhi)密化陶瓷，其烧(shao)(shao)结(jie)温度比真空烧(shao)(shao)结(jie)低，广(guang)泛(fan)应(ying)用于透明陶瓷。不(bu)过此烧(shao)(shao)结(jie)法的(de)(de)缺点是不(bu)易生(sheng)(sheng)产形状(zhuang)复杂的(de)(de)器件(jian)，需要(yao)昂贵的(de)(de)设备，生(sheng)(sheng)产规(gui)模小，成(cheng)本较高，而且容易引入杂质和产生(sheng)(sheng)结(jie)构缺陷(xian)。目前已制备出(chu) YAG、AIN、Lu2O3等透(tou)明(ming)陶(tao)瓷。
② 热等静压烧结(jie)
热等静压(ya)(ya)与冷等静压(ya)(ya)的不同(tong)之处在于(yu)其以气体作为加压(ya)(ya)介质(zhi)，在向坯体各个方向施(shi)加均等压(ya)(ya)力的同(tong)时(shi)对坯体加热，使(shi)其在高温高压(ya)(ya)的共同(tong)作用(yong)下完成烧(shao)(shao)结。热等静压(ya)(ya)烧(shao)(shao)结温度较低，可以直接制成形状(zhuang)复杂或大尺寸的零部件，但热等静压(ya)(ya)设(she)备复杂、价格(ge)昂贵、操作繁琐(suo)。目前已应用(yong)于(yu)氧(yang)化(hua)铝、氧(yang)化(hua)钇、PNNZT等透明陶瓷的制备。
③ 氧化气(qi)氛(fen)烧结
目(mu)前(qian)常用的是(shi)在(zai)真空/还原气氛条件下烧(shao)结，有(you)利于烧(shao)结过程中气(qi)孔(kong)的消除，提高陶瓷(ci)的致密性，而且其(qi)设(she)备简(jian)单，生产成本低，是(shi)目前(qian)透明陶瓷(ci)主(zhu)要烧(shao)结方式。氧化气氛烧结(jie)透明陶(tao)瓷是一(yi)种(zhong)比较新型的(de)烧(shao)结(jie)方式，氧气(qi)氛可以(yi)消除由于材料(liao)成分的(de)挥发产生的(de)空(kong)位(wei)等缺陷，同时氧气(qi)高温分离为氧离子，为气(qi)孔排除提(ti)供便捷通道(dao)，从而(er)达(da)到提(ti)高陶(tao)瓷的(de)致密性的(de)目的(de)。
氧(yang)气(qi)氛(fen)中烧(shao)结装置与还原气(qi)氛(fen)中相似(si)，但比(bi)还原气(qi)氛(fen)安(an)全，目前已经利用该(gai)烧(shao)结方式制(zhi)备出(chu)了氧(yang)化铝(lv)、YAG、Y2O3等透明陶瓷。
④ 微波烧结
微(wei)波烧结也(ye)是一种新型透明陶(tao)(tao)瓷烧结方式，加热速度快(kuai)、热量分布均匀(yun)、烧结时间短，可迅速促使陶(tao)(tao)瓷致密化(hua)，己成功应用于(yu)AlON、氮化铝、氧化铝、铝镁尖晶石透明陶瓷等透明陶瓷的制备。
⑤ 放电等离子烧结(jie)
放电(dian)(dian)等(deng)离子烧(shao)(shao)结利用瞬间(jian)脉(mai)冲(chong)电(dian)(dian)流(liu)产生的放电(dian)(dian)脉(mai)冲(chong)压力、脉(mai)冲(chong)能(neng)和焦耳热(re)实现陶瓷粉体颗粒(li)活(huo)化烧(shao)(shao)结。等(deng)离子烧(shao)(shao)结速度(du)快(kuai)、保温(wen)时(shi)间(jian)短、烧(shao)(shao)结温(wen)度(du)低（比热(re)等(deng)静压烧(shao)(shao)结还(hai)低）、温(wen)度(du)分布均匀，烧(shao)(shao)结体纯度(du)高、晶粒(li)小，但是由(you)于加热(re)升(sheng)温(wen)速率非常快(kuai)，该方(fang)法制得的陶瓷容易开裂。目前已报道(dao)的通过SPS制备的透明陶瓷有MgO、YAG、ZrO2、MgAl2O4、Al2O3和AIN等。
SPS烧结氧化铝多(duo)晶陶瓷的显微(wei)结构
（a）170℃/min；（b）340℃/min
（2）烧结工艺
烧(shao)结温(wen)度(du)对陶(tao)(tao)瓷(ci)的致密化起到(dao)关键作用(yong)，一般烧(shao)结温(wen)度(du)越(yue)(yue)高(gao)，陶(tao)(tao)瓷(ci)晶(jing)粒越(yue)(yue)大，随着烧(shao)结温(wen)度(du)的提高(gao)，晶(jing)粒明显长大，气孔变少，晶(jing)界厚度(du)变薄。
与(yu)烧(shao)结温(wen)(wen)度有(you)相(xiang)似作用(yong)的(de)是保(bao)温(wen)(wen)时间(jian)，随着保(bao)温(wen)(wen)时间(jian)的(de)延长(zhang)，陶(tao)瓷致密性(xing)升高，晶(jing)粒变大(da)，晶(jing)界(jie)变得干净，晶(jing)粒大(da)小均匀性(xing)变好。为了(le)获得比(bi)较好的(de)性(xing)能，保(bao)温(wen)(wen)时间(jian)与(yu)具体的(de)烧(shao)结方式有(you)关，一般(ban)透明陶(tao)瓷真(zhen)空烧(shao)结的(de)保(bao)温(wen)(wen)时间(jian)超过10小时，而等离子烧结的保温时间不到半小时。
但氧化铝透明陶瓷(ci)的(de)透光性是(shi)要(yao)求晶粒不能太大，气孔要(yao)尽量少，如何平衡这(zhei)两(liang)者的(de)关系(xi)，对(dui)工艺(yi)设计提出了一定的(de)要(yao)求。
总结(jie)
未来几年内随着透明氧化铝陶瓷(ci)基片的批生产技(ji)术获得(de)突破，透明氧化铝在LED照明领域将有望成为替代蓝宝石基片的一大选择。当前对于高透光性高导热的透明氧化铝陶瓷的生产仍有一定的瓶颈，需从(cong)(cong)粉体处理、成型和显微结构控制等方面(mian)入(ru)手，逐步(bu)缩小与(yu)国(guo)外产(chan)(chan)品的(de)(de)差距，并早日赶上国(guo)外的(de)(de)产(chan)(chan)品品质。另外，氧(yang)化铝(lv)透明陶瓷企业应和封装企业真诚合作，快速(su)发现上下游部件(jian)或产(chan)(chan)品存在的(de)(de)问题(ti)，从(cong)(cong)而(er)可以推动各部件(jian)或产(chan)(chan)品关键(jian)技术的(de)(de)解决。
参考来源：
1. 掺杂氧化(hua)铝透明陶(tao)瓷(ci)基片致密化(hua)行为的(de)研(yan)究，刘文(wen)燕（华中科技大学）；
2. 透(tou)明氧化铝陶瓷(ci)的制备(bei)及其性能研究(jiu)，袁康(kang)（西(xi)南科技(ji)大学）；
3. 制备微量元素掺杂氧化铝透明陶瓷及其性(xing)能研究，黄(huang)金山（西南科技大学）。
粉体(ti)圈(quan)小吉
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