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邹(zou)小姐：13326633089 -
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当(dang)今电子(zi)技术发展极其迅速，半导(dao)体(ti)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(shi)用(yong)寿(shou)命长，在散热良好的情况下，使(shi)用(yong)寿(shou)命可达到(dao)10万小时；发光(guang)效(xiao)率高，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(se)环保，不含汞铅等有害物质，废弃(qi)产品回收不会(hui)污染环境。
但(dan)是，LED也(ye)会遇到一(yi)些问题(ti)，其(qi)中主(zhu)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(guang)，光(guang)谱中不(bu)含红(hong)外成(cheng)分，不(bu)能(neng)通(tong)过辐射进行散热，散热困(kun)难会降低使用寿命并直接阻碍LED的大功率化。另外一个问题就是(shi)常规(gui)LED灯受材料限制(zhi)，主(zhu)要是(shi)单面发光，能(neng)量利(li)用不充分，同(tong)时反面大量未(wei)能(neng)发散出去的光能(neng)又(you)集聚在基片上(shang)，转(zhuan)化成热能(neng)，增(zeng)加了散热负担。
常(chang)见(jian)的单面发(fa)光LED灯
LED照(zhao)明的新型发(fa)展需求
市(shi)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(fa)光LED灯
对于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(tou)光。
因此，随着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(qian)，这(zhei)种(zhong)基(ji)片材料(liao)主要是蓝宝(bao)石和玻(bo)璃(li)材料(liao)，然而玻(bo)璃(li)基(ji)片的散热性(xing)能(neng)较差，将会(hui)降低(di)灯(deng)具(ju)的使用(yong)寿命；蓝宝(bao)石散热性(xing)能(neng)良好，但(dan)蓝宝(bao)石是单(dan)晶(jing)氧化铝(lv)，单(dan)晶(jing)材料(liao)的制备条(tiao)件(jian)苛(ke)刻，成品率低(di)，生产成本太高。对比之下(xia)，多(duo)晶透明氧化铝陶(tao)瓷生产成本比(bi)蓝宝石低，强度和导热性能(neng)比(bi)玻璃材料好，因此(ci)，氧化铝(lv)透明陶瓷作为LED芯片的基片，具有广阔的发展潜力。
用于LED照(zhao)明的透明氧化铝陶瓷（99.99%以(yi)上的高纯Al2O3）
图源：日本碍(ai)子(zi)官网(wang)
氧化(hua)铝(lv)透明(ming)陶瓷
透明多晶陶瓷(ci)指将无机材(cai)料粉(fen)末（如氧化(hua)铝粉(fen)、氧化(hua)锆(gao)粉(fen)、氮化(hua)铝粉(fen)等）制(zhi)(zhi)作成具(ju)有(you)(you)一定形状的(de)坯件，然后在(zai)特(te)殊(shu)条(tiao)件下烧结（如氢气氛炉(lu)中），制(zhi)(zhi)成的(de)有(you)(you)一定透明度的(de)陶瓷(ci)。透明陶瓷(ci)除了具(ju)有(you)(you)陶瓷(ci)固有(you)(you)的(de)高(gao)绝缘、耐高(gao)温和耐腐蚀等特(te)性，还有(you)(you)类似(si)于单晶蓝宝(bao)石的(de)光(guang)(guang)学性能，以及具(ju)有(you)(you)较(jiao)好的(de)抗热(re)冲击性能和机械(xie)性能，是应(ying)用(yong)于激光(guang)(guang)、照明、光(guang)(guang)学等行业的(de)优(you)秀基(ji)体材(cai)料，常用(yong)来制(zhi)(zhi)作高(gao)压卤灯灯管、激光(guang)(guang)陶瓷(ci)、透波和窗口材(cai)料、无机闪烁体和光(guang)(guang)辐射护目镜等。
各类高技术透明陶瓷(ci)材料(liao)
（a）透明氧化铝托槽；（b）氧化铝陶瓷金(jin)卤灯(deng)管；（c）透明氧化(hua)错陶瓷镜头；（d）YAG 激光陶(tao)瓷；（e）透明氧化铝装甲；（f）镁铝尖晶石整流罩(zhao)
对于需要兼顾强(qiang)度、导热性能(neng)、透光性以及生产成本的LED领域来说，氧化铝(lv)透(tou)明陶瓷是最具(ju)潜力的蓝宝(bao)石替(ti)代品，可满足360℃发光的LED封装基板的性能需求。
目前行业内关于用在电子领(ling)域的氧化铝陶瓷基板制(zhi)备技术已日趋(qu)成熟(shu)，而当前限制(zhi)其在LED领域的应用主要是在透光性上遇到瓶颈。
传统氧化铝透明陶瓷通常在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(lv)是一种六方晶系的材料，存在双光轴，陶瓷晶粒的双折(zhe)效应会引起光(guang)(guang)散射，降(jiang)低(di)陶瓷的(de)光(guang)(guang)透过率。所以传统制备的(de)氧(yang)化铝透明陶瓷的(de)直线透过率通常低(di)于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。
关于透明陶瓷透光(guang)性的原(yuan)理和(he)影响(xiang)因素可阅读以下文章(zhang)：
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提(ti)高(gao)氧化铝陶瓷透光性的(de)措施
1. 材料(liao)选择
（1）高纯度原料
纯度(du)低的(de)(de)(de)原料(liao)(liao)会出现较多的(de)(de)(de)杂质(zhi)、第二(er)相和(he)其他(ta)各种结构缺陷(xian)，各种缺陷(xian)的(de)(de)(de)折射(she)率的(de)(de)(de)不(bu)同(tong)，光(guang)入射(she)到(dao)缺陷(xian)上(shang)，造成大(da)量散射(she)和(he)吸收，导致陶(tao)(tao)瓷材(cai)料(liao)(liao)透(tou)光(guang)性(xing)大(da)大(da)降低，一般(ban)透(tou)明陶(tao)(tao)瓷的(de)(de)(de)原料(liao)(liao)纯度(du)要求大(da)于99.9%，避免(mian)杂质等带来(lai)的光损失。
（2）添加剂
为(wei)了获得最低的(de)(de)气(qi)(qi)孔(kong)率，在(zai)高纯的(de)(de)原料里往(wang)往(wang)加入(ru)一些添加剂(ji)（掺杂(za)微(wei)量(liang)元素尤其(qi)是(shi)稀土元素），以(yi)促(cu)进(jin)陶瓷(ci)烧(shao)结致密的(de)(de)进(jin)行(xing)(xing)。原料中(zhong)引入(ru)的(de)(de)添加剂(ji)的(de)(de)作(zuo)用(yong)主要是(shi)在(zai)晶界(jie)上高浓度聚(ju)集，从(cong)而阻止烧(shao)结过程(cheng)中(zhong)晶体的(de)(de)过快生长并促(cu)使气(qi)(qi)孔(kong)变少。使用(yong)与主要烧(shao)结氧化物阳(yang)离子(zi)原价不(bu)同的(de)(de)阳(yang)离子(zi)作(zuo)为(wei)添加剂(ji)，以(yi)及在(zai)真空或氢中(zhong)进(jin)行(xing)(xing)烧(shao)成(cheng)时，能促(cu)进(jin)坯件的(de)(de)排气(qi)(qi)和增(zeng)大结构的(de)(de)缺陷(xian)性(xing)，因而加速从(cong)晶界(jie)到气(qi)(qi)孔(kong)的(de)(de)传(chuan)质过程(cheng)。添加剂(ji)的(de)(de)加入(ru)还可以(yi)使陶瓷(ci)出现液相烧(shao)结现象，从(cong)而降(jiang)低烧(shao)结温度。
液相的形成温度
2. 透明陶瓷的成型
透明陶瓷最(zui)常用(yong)成(cheng)型方法是将干(gan)压成(cheng)型与冷(leng)等(deng)静压成(cheng)型相结合的方式，先干(gan)压获得一定(ding)的形状和强度，再(zai)冷(leng)等(deng)静压增大(da)素坯的致(zhi)密(mi)性，成(cheng)本较低。注(zhu)塑(su)成型(xing)和凝胶铸模成型(xing)是(shi)新(xin)型成型方式。
凝胶(jiao)成(cheng)型(xing)与干压成(cheng)型(xing)和冷等静压成(cheng)型(xing)有(you)着本质差别，属于(yu)流体(ti)成(cheng)型(xing)方法，由于(yu)其具有(you)尺(chi)寸精度高，坯体(ti)强度高，可生产(chan)形状复杂器(qi)件的特(te)点，越(yue)来越(yue)受(shou)到(dao)关注，该方法的缺点成(cheng)型(xing)后(hou)需(xu)要排胶(jiao)。
注塑成型(xing)也属于流体成型(xing)，是(shi)快速精密成型(xing)法(fa)的一(yi)种，一(yi)般烧(shao)结后的部(bu)件不需(xu)要(yao)后续处理(li)，可实现自动化生(sheng)产(chan)。缺点是(shi)注塑成型(xing)坯体中(zhong)含(han)有(you)(you)大量(liang)有(you)(you)机溶剂，烧(shao)结前需(xu)进(jin)行(xing)排胶(jiao)(jiao)处理(li)，排胶(jiao)(jiao)较困难，尤其(qi)是(shi)大部(bu)件排胶(jiao)(jiao)过程易发生(sheng)开(kai)裂现象，目前该方法(fa)已(yi)经(jing)运用于高压卤灯(deng)透明陶瓷电(dian)弧(hu)管的生(sheng)产(chan)。
3. 透明陶(tao)瓷的烧结
（1）烧结方式
① 热压烧结(jie)
热压(ya)烧结通过(guo)(guo)施加外压(ya)力(li)，以促(cu)进材料烧结过(guo)(guo)程中(zhong)致(zhi)密(mi)化，从而(er)得到(dao)细晶粒的致(zhi)密(mi)化陶瓷，其烧结温度(du)比真(zhen)空烧结低，广(guang)泛应用于透明陶瓷。不(bu)过(guo)(guo)此烧结法的缺点是不(bu)易(yi)生产(chan)形状复杂的器(qi)件，需要(yao)昂贵的设备，生产(chan)规模(mo)小，成本较高，而(er)且容易(yi)引入杂质和产(chan)生结构缺陷。目前已制备出 YAG、AIN、Lu2O3等透明陶瓷。
② 热(re)等静压(ya)烧结
热(re)等静压(ya)与(yu)冷等静压(ya)的(de)不同(tong)之(zhi)处在(zai)于其以气(qi)体(ti)作为(wei)加压(ya)介质(zhi)，在(zai)向(xiang)坯体(ti)各(ge)个(ge)方向(xiang)施加均等压(ya)力的(de)同(tong)时(shi)对坯体(ti)加热(re)，使其在(zai)高(gao)温(wen)高(gao)压(ya)的(de)共同(tong)作用下完(wan)成(cheng)烧结(jie)。热(re)等静压(ya)烧结(jie)温(wen)度较低，可以直接制成(cheng)形状复杂(za)或大尺寸(cun)的(de)零(ling)部件，但热(re)等静压(ya)设备复杂(za)、价(jia)格昂(ang)贵、操作繁琐(suo)。目(mu)前已应用于氧(yang)化(hua)铝、氧(yang)化(hua)钇、PNNZT等透明陶瓷的制备。
③ 氧化气氛烧结
目前(qian)常用的是在(zai)真空/还原气氛条件下烧结，有(you)利于烧结过(guo)程中气孔(kong)的(de)消(xiao)除，提高(gao)陶瓷的(de)致密性，而且其设(she)备简单，生(sheng)产成本低，是(shi)目前透明陶瓷主要烧结方式。氧化(hua)气氛(fen)烧结透明陶瓷是一种比较新(xin)型的(de)烧结方式，氧(yang)气(qi)(qi)氛(fen)可以(yi)消(xiao)除(chu)由于(yu)材料成分(fen)的(de)挥发产(chan)生(sheng)的(de)空(kong)位等(deng)缺(que)陷，同时氧(yang)气(qi)(qi)高温分(fen)离为氧(yang)离子，为气(qi)(qi)孔排(pai)除(chu)提供便捷通道(dao)，从(cong)而达到提高陶瓷的(de)致密(mi)性的(de)目的(de)。
氧气氛中(zhong)烧结(jie)装置与(yu)还原气氛中(zhong)相(xiang)似，但比还原气氛安全，目前(qian)已经利(li)用该烧结(jie)方式制备出了氧化铝、YAG、Y2O3等(deng)透明陶(tao)瓷(ci)。
④ 微波(bo)烧结
微波烧结也是一种新型透明陶(tao)瓷(ci)烧结方(fang)式，加热速(su)度快、热量分布均匀、烧结时间短，可迅(xun)速(su)促使(shi)陶(tao)瓷(ci)致(zhi)密化，己成功应用(yong)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(fang)电等(deng)离子烧结
放电等(deng)(deng)离子(zi)烧结利(li)用(yong)瞬间脉(mai)冲(chong)电流产(chan)生的放电脉(mai)冲(chong)压力、脉(mai)冲(chong)能和(he)焦(jiao)耳热(re)(re)实(shi)现陶(tao)瓷粉体(ti)颗(ke)粒(li)活(huo)化烧结。等(deng)(deng)离子(zi)烧结速度快、保温(wen)时间短、烧结温(wen)度低(di)（比热(re)(re)等(deng)(deng)静压烧结还(hai)低(di)）、温(wen)度分布均匀，烧结体(ti)纯度高、晶粒(li)小(xiao)，但(dan)是由于加热(re)(re)升(sheng)温(wen)速率非常快，该方法制(zhi)得的陶(tao)瓷容易开裂(lie)。目前已报道的通(tong)过SPS制备的透明陶瓷有MgO、YAG、ZrO2、MgAl2O4、Al2O3和AIN等。
SPS烧(shao)结氧化铝多晶陶瓷的显微结构
（a）170℃/min；（b）340℃/min
（2）烧结工艺
烧(shao)结(jie)(jie)温(wen)度对陶(tao)瓷的(de)致密化起到关键作用，一(yi)般烧(shao)结(jie)(jie)温(wen)度越(yue)(yue)高，陶(tao)瓷晶(jing)粒(li)越(yue)(yue)大，随着烧(shao)结(jie)(jie)温(wen)度的(de)提高，晶(jing)粒(li)明显长大，气孔变少，晶(jing)界厚度变薄。
与烧结温(wen)(wen)度有相似(si)作用(yong)的是(shi)保(bao)温(wen)(wen)时间，随着保(bao)温(wen)(wen)时间的延(yan)长，陶(tao)瓷(ci)致密性升高，晶粒(li)(li)变(bian)大，晶界变(bian)得干净，晶粒(li)(li)大小(xiao)均(jun)匀性变(bian)好(hao)。为了(le)获(huo)得比较好(hao)的性能(neng)，保(bao)温(wen)(wen)时间与具体(ti)的烧结方(fang)式有关(guan)，一般(ban)透明(ming)陶(tao)瓷(ci)真空烧结的保(bao)温(wen)(wen)时间超过10小时，而等离子烧结的保温时间不到半小时。
但氧(yang)化铝(lv)透明陶瓷的透光(guang)性是要求(qiu)晶粒不(bu)能太大，气(qi)孔(kong)要尽量少，如(ru)何平衡(heng)这两者的关系(xi)，对工艺设计提出(chu)了一定的要求(qiu)。
总(zong)结(jie)
未(wei)来几年内随(sui)着透明(ming)氧化(hua)铝陶(tao)瓷基(ji)片的批生产技术(shu)获得突(tu)破，透明(ming)氧化(hua)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，需从粉体处理、成(cheng)型和显微结构控制等方(fang)面入手，逐步(bu)缩小与国外产品的差(cha)距，并早(zao)日赶上(shang)国外的产品品质。另外，氧化铝透明陶瓷企业(ye)应和封(feng)装企业(ye)真诚合作，快速发现上(shang)下游(you)部(bu)件(jian)或产品存在的问题，从而可以推(tui)动各部(bu)件(jian)或产品关键技术的解决。
参考来源：
1. 掺(chan)杂(za)氧化铝透明(ming)陶(tao)瓷基片(pian)致密化行为(wei)的研究，刘文燕（华(hua)中科技大学）；
2. 透明氧化铝陶瓷(ci)的制备(bei)及其性能(neng)研究，袁康（西南(nan)科(ke)技大(da)学）；
3. 制备微量元素掺杂氧化铝透明陶瓷及其性能研(yan)究(jiu)，黄金山（西(xi)南科技大学(xue)）。
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