摘要：氧化鋁陶瓷基板因其高機械強度（通常抗彎強度可達300-400 MPa）、好的電絕緣性（體積電阻率高于101? Ω·cm）以及好的遮光性能，在多層布線陶瓷基板、高密度電子封裝、射頻微波電路及功率模塊等領域獲得廣泛應用。然而，目前國內氧化鋁陶瓷基板的生產仍面臨燒結溫度過高（純度99%的氧化鋁陶瓷燒結溫度普遍超過1600℃）、產品一致性與可靠性不足等問題，導致高端基板仍嚴重依賴進口。本文系統研究氧化鋁陶瓷基板的材料體系與關鍵制備工藝，旨在為我國實現高性能氧化鋁陶瓷基板的國產化提供理論依據與技術參考。

　　隨著第五代移動通信（5G）、物聯網及功率電子技術的迅猛發展，電子元件不斷向小型化、高集成度和高頻高速方向演進，對電路封裝材料的熱管理、絕緣可靠性及信號完整性提出了更高要求。氧化鋁陶瓷憑借其高機械強度、絕緣特性、好熱導率（約20-30 W/(m·K)）、低介電損耗以及出色的耐熱沖擊和化學穩定性，成為電子封裝中不可替代的關鍵基礎材料。加之其原料來源廣泛、成本相對較低、制造工藝成熟，氧化鋁陶瓷基板在航空航天、新能源汽車、工業控制及消費電子等多類場景中扮演重要角色。

　　1  氧化鋁陶瓷基板的晶體結構、分類及性能

　　氧化鋁（Al?O?）存在多種同質異晶體，常見包括α-Al?O?、β-Al?O?和γ-Al?O?等，其中α-Al?O?（剛玉結構）最為穩定。其晶體屬三方晶系，氧離子呈六方密堆積，鋁離子填充于三分之二的八面體空隙，形成結構致密、結合強度高的穩定架構。這種結構賦予α-Al?O?高硬度（莫氏硬度9）、高熔點（約2050℃）、優良的化學惰性與介電性能，因此成為制造高性能陶瓷基體的首選。

　　按氧化鋁純度不同，常見陶瓷分為：剛玉瓷（Al?O? ≥ 99%）、99瓷、95瓷、90瓷等，通常Al?O?含量高于85%即稱為高鋁瓷。隨著Al?O?純度提高，陶瓷的力學、熱學及電學性能顯著提升。例如，99.5%氧化鋁陶瓷的典型性能如下：體積密度約3.95 g/cm3，抗彎強度達395 MPa，線膨脹系數（25~800℃）為8.1×10??/℃，熱導率達32 W/(m·K)，絕緣強度為18 kV/mm，體積電阻率（25℃）高于101? Ω·cm。這些性能使其非常適用于大功率、高絕緣及高溫工況下的電子封裝。

　　2  黑色氧化鋁陶瓷制備工藝

　　黑色氧化鋁陶瓷主要用于光敏型半導體器件（如傳感器、光電集成電路）及消費電子產品（如手機攝像頭模組、顯示驅動模塊）中。因需阻隔外界雜散光干擾，保障信號清晰與設備穩定，封裝基板須具備高遮光性（通常要求可見光區域透光率低于5%）。近年來電子產品迭代加速，黑色陶瓷基板市場需求持續增長，成為國內外企業與研發機構關注的熱點。

　　著色黑色氧化鋁陶瓷時，著色劑的選擇需兼顧遮光效果與基板功能性能。常用黑色著色劑包括Fe?O?、CoO、NiO、MnO、TiO?等過渡金屬氧化物，其中Fe?O?與CoO因發色穩定、成本相對較低而應用最廣。這些著色劑離子在高溫下易固溶進Al?O?晶格或與基質反應生成尖晶石類化合物（如(Co,Mn)Al?O?），從而實現穩定黑色著色。但著色劑高溫易揮發，尤其是CoO在1350℃以上揮發性顯著增強，可能導致著色不均和性能波動。

　　為抑制揮發，工藝上常采取兩類措施：

　　1）引入礦化劑或玻璃形成劑（如滑石，主成分為Mg?Si?O???）。滑石中SiO?可形成玻璃相包覆著色離子，MgO則有助于與著色劑形成熱穩定性更高的尖晶石結構。

　　2）采用低溫共熔體系降低燒結溫度。研究表明，添加3-4%的MnO-TiO?低共熔物可使99瓷燒結溫度降低約100~150℃，但同時需配合加入少量Fe?O?（通常＜1.5%）以調節共熔行為與色度。應注意的是，總著色添加劑含量一般不宜超過陶瓷體系的2.5%，以免過度形成第二相損害致密性與機電性能。

　　3  流延法制造黑色氧化鋁陶瓷基板工藝

　　流延成型（Tape Casting）自20世紀40年代開發以來，已成為制備薄層、多層陶瓷基板的主導工藝。其基本流程包括：將陶瓷粉體與溶劑、分散劑、粘結劑、增塑劑等按一定配比混合制成均勻漿料，通過刮刀流延成生坯帶，干燥后形成柔性膜片，后經層壓、切割與燒結得到成品。該工藝優勢顯著：可連續大規模生產，生坯密度均勻且彈性好，適于制造大面積、復雜構型與多層布線基板。

　　關鍵原材料的選擇直接影響流延工藝與性能：

　　陶瓷粉料：純度、粒度分布、比表面積與顆粒形貌是關鍵指標。粒度通常控制在0.1~50 μm，其中亞微米級顆粒有利于降低燒結溫度、提高致密性，但過細（如D50 < 0.5 μm）會導致漿料粘度劇增、添加劑用量上升，干燥與燒結收縮加大易引起變形與開裂。

　　溶劑體系：分為有機溶劑基與水基兩種。有機溶劑（如乙醇-甲苯共沸體系、三氯乙烯）具揮發快、潤濕性好、不易氣泡的優點，但存在毒性、易燃易爆與成本高的問題；水基溶劑安全環保、成本低，但對粉體潤濕性差、干燥慢，易引入氣孔，且需配合特殊水性粘結劑（如丙烯酸乳液、聚乙烯醇縮丁醛乳液），目前技術仍不如有機體系成熟。

　　實際生產中，為兼顧性能與工藝，高端黑色氧化鋁基板多采用有機流延工藝，并通過優化燒結曲線（如采用分段保溫與緩慢降溫）抑制著色劑揮發、控制晶粒生長，最終獲得表面平整、布線精準、遮光良好的高性能基板。

　　結束語

　　當前電子封裝用多層陶瓷基板多數采用90%~99.5%氧化鋁陶瓷材料，純度越高，性能越優，但燒結溫度也相應提高（如99瓷需1600℃以上），對設備與控制提出嚴峻挑戰。目前我國在高品質氧化鋁陶瓷基板，特別是黑色基板方面尚未實現大規模穩定生產，高端產品仍高度依賴進口。因此，系統研究并突破粉體處理、流延成型與低溫燒結等關鍵技術，對于提升國產氧化鋁陶瓷基板工藝水平、推動相關產業鏈自主可控具有迫切現實意義。