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行業新聞
ZTA復合材料怎么樣,陶瓷基板材料優化設計
日期: 2023-02-25
瀏覽次數: 373

ZTA陶瓷是以Al2O3為基體,部分穩定ZrO2為增韌相的一種復相陶瓷材料。ZTA陶瓷的機械性能介于Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷之間,既保留了Al2O3陶瓷高硬度和耐磨的特性,又有ZrO2陶瓷斷裂韌性好和抗彎強度高的優點,且價格低于ZrO2陶瓷。


ZTA陶瓷的增韌機理及應用優勢

氧化鋯增韌氧化鋁的主要機制是:由于ZrO2的熱膨脹系數大于氧化鋁,而且粉體中位粒徑為0.25μm的3Y- ZrO2的燒結溫度低于中位粒徑為2.00μm的Al2O3.有利于ZrO2四方相向單斜相產生馬氏體相轉變,相變晶粒的剪切應力和體積膨脹對基體產生壓應變,使裂紋擴展需要更大的能力,從而增加了ZTA陶瓷基體的韌性。


由于ZTA陶瓷具有優良的散熱性、絕緣性、抗熱震性和機械強度,因此,ZTA陶瓷敷銅基板和發熱元件在壓力傳感器、電動汽車IGBT、DC-AC逆變器以及電子煙中有廣泛的應用。

普通的DBC覆銅板,以氧化鋁陶瓷基板為載體,抗彎強度為380MPa左右。


當銅金屬層厚度為300μm時,55-150℃的溫度循環次數在50次左右。將ZTA陶瓷基板用于DBC電路板時,由于其抗彎強度達到750Mpa以上,比96%氧化鋁陶瓷基板高一倍,銅金屬層厚度在100-500μm,可承受更高的載流容量,以銅厚300μm為例,55-150℃溫度循環次數超過200次。將ZTA陶瓷應用于發熱元件時,能夠比96%氧化鋁陶瓷發熱元件承受三倍以上的啟動功率。


電學性能優化設計

ZrO2在ZTA陶瓷中作為增韌相的同時,也是導電相。當ZrO2含量超過一定量時,ZTA陶瓷敷銅電路板會出現漏電流,發熱元件會發生擊穿現象。陶瓷材料的宏觀性能是由材料的組成和顯微結構決定的,因此,可以通過設計陶瓷的成分和晶粒結構來制造一種滿足使用要求的材料。


吳崇雋等根據威爾-弗蘭模型和立方排列原理,分別推導出ZTA陶瓷中ZrO2體積分數與Al2O3/ ZrO2粒徑比的立方成反比的公式。由公式計算出ZTA陶瓷配方中Al2O3粉體和ZrO2粉體的含量和粒徑,采用流延成型工藝和常壓燒結方法制備陶瓷基板樣品,研究材料組成和顯微結構對ZTA陶瓷基板力學和電學性能的影響。

ZTA復合材料怎么樣,陶瓷基板材料優化設計

ZTA

(a)16% ZrO

(b)16% ZrO

(c)8.57% ZrO

(d)8.57% ZrO

結果表明,按照立方排列原理計算出來的ZrO2含量為8.57%,其中,ZrO2與Al2O3粒徑比為0.414的ZrO2含量為2.86%,粒徑比為0.225的ZrO2含量為5.71%,ZTA陶瓷基板的抗彎強度達到816MPa,在600℃時的體積電阻率為6.9×1010?·cm,滿足了ZTA陶瓷覆銅基板和發熱元件對力學與電學性能的要求。


力學和光學性能優化設計

目前在LED行業普遍采用96%Al2O3陶瓷基板和鏡面鋁基板進行COB(Chipson Board)封裝,對比兩種封裝用的基板,各有利弊。高反射率(>99%)陶瓷基板比普通的96% Al2O3陶瓷基板(<92%)在反射率上會有很大提高,且高于鏡面鋁基板,其封裝COB光源的光效和光衰減量均優于鏡面鋁基板。


在同等光通量的情況下,可減少在基板上搭載的LED芯片數量,降低LED的生產成本。目前,對ZTA陶瓷基板光學性能的研究還少見于報端,對其應用領域也談之甚少。


吳崇雋等以α-Al2O3粉體為主相材料,添加不同含量的ZrO2 (體積分數0%~28%),采用流延成型工藝和常壓燒結方法制備ZTA陶瓷樣品,研究ZrO2的含量、氣孔率、基板厚度以及白度對ZTA陶瓷基板力學和光學性能的影響。

ZTA復合材料怎么樣,陶瓷基板材料優化設計

ZTA

結果表明:隨ZrO2含量增加,斷裂韌性和抗彎強度呈現先增大后減小的趨勢,ZrO2含量為體積分數20%時達到最大值,分別為5.7MPa·m1/2和865MPa;當ZrO2含量低于體積分數12%時,隨氣孔率增加,反射率升高;此外,ZTA陶瓷基板的厚度增加,反射率升高;白度下降,反射率也隨之降低。最終制備出一種反射率達到100.7%,滿足LED高光效需求的ZTA陶瓷基板。


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