摘要：氧化铝陶瓷基板因其高机械强度（通常抗弯强度可达300-400 MPa）、好的电绝缘性（体积电阻率高于10¹⁴ Ω·cm）以及好的遮光性能，在多层布线陶瓷基板、高密度电子封装、射频微波电路及功率模块等领域获得广泛应用。然而，目前国内氧化铝陶瓷基板的生产仍面临烧结温度过高（纯度99%的氧化铝陶瓷烧结温度普遍超过1600℃）、产品一致性与可靠性不足等问题，导致高端基板仍严重依赖进口。本文系统研究氧化铝陶瓷基板的材料体系与关键制备工艺，旨在为我国实现高性能氧化铝陶瓷基板的国产化提供理论依据与技术参考。

　　随着第五代移动通信（5G）、物联网及功率电子技术的迅猛发展，电子元件不断向小型化、高集成度和高频高速方向演进，对电路封装材料的热管理、绝缘可靠性及信号完整性提出了更高要求。氧化铝陶瓷凭借其高机械强度、绝缘特性、好热导率（约20-30 W/(m·K)）、低介电损耗以及出色的耐热冲击和化学稳定性，成为电子封装中不可替代的关键基础材料。加之其原料来源广泛、成本相对较低、制造工艺成熟，氧化铝陶瓷基板在航空航天、新能源汽车、工业控制及消费电子等多类场景中扮演重要角色。

　　1  氧化铝陶瓷基板的晶体结构、分类及性能

　　氧化铝（Al₂O₃）存在多种同质异晶体，常见包括α-Al₂O₃、β-Al₂O₃和γ-Al₂O₃等，其中α-Al₂O₃（刚玉结构）最为稳定。其晶体属三方晶系，氧离子呈六方密堆积，铝离子填充于三分之二的八面体空隙，形成结构致密、结合强度高的稳定架构。这种结构赋予α-Al₂O₃高硬度（莫氏硬度9）、高熔点（约2050℃）、优良的化学惰性与介电性能，因此成为制造高性能陶瓷基体的首选。

　　按氧化铝纯度不同，常见陶瓷分为：刚玉瓷（Al₂O₃ ≥ 99%）、99瓷、95瓷、90瓷等，通常Al₂O₃含量高于85%即称为高铝瓷。随着Al₂O₃纯度提高，陶瓷的力学、热学及电学性能显著提升。例如，99.5%氧化铝陶瓷的典型性能如下：体积密度约3.95 g/cm³，抗弯强度达395 MPa，线膨胀系数（25~800℃）为8.1×10⁻⁶/℃，热导率达32 W/(m·K)，绝缘强度为18 kV/mm，体积电阻率（25℃）高于10¹⁴ Ω·cm。这些性能使其非常适用于大功率、高绝缘及高温工况下的电子封装。

　　2  黑色氧化铝陶瓷制备工艺

　　黑色氧化铝陶瓷主要用于光敏型半导体器件（如传感器、光电集成电路）及消费电子产品（如手机摄像头模组、显示驱动模块）中。因需阻隔外界杂散光干扰，保障信号清晰与设备稳定，封装基板须具备高遮光性（通常要求可见光区域透光率低于5%）。近年来电子产品迭代加速，黑色陶瓷基板市场需求持续增长，成为国内外企业与研发机构关注的热点。

　　着色黑色氧化铝陶瓷时，着色剂的选择需兼顾遮光效果与基板功能性能。常用黑色着色剂包括Fe₂O₃、CoO、NiO、MnO、TiO₂等过渡金属氧化物，其中Fe₂O₃与CoO因发色稳定、成本相对较低而应用最广。这些着色剂离子在高温下易固溶进Al₂O₃晶格或与基质反应生成尖晶石类化合物（如(Co,Mn)Al₂O₄），从而实现稳定黑色着色。但着色剂高温易挥发，尤其是CoO在1350℃以上挥发性显著增强，可能导致着色不均和性能波动。

　　为抑制挥发，工艺上常采取两类措施：

　　1）引入矿化剂或玻璃形成剂（如滑石，主成分为Mg₃Si₄O₁₀₂）。滑石中SiO₂可形成玻璃相包覆着色离子，MgO则有助于与着色剂形成热稳定性更高的尖晶石结构。

　　2）采用低温共熔体系降低烧结温度。研究表明，添加3-4%的MnO-TiO₂低共熔物可使99瓷烧结温度降低约100~150℃，但同时需配合加入少量Fe₂O₃（通常＜1.5%）以调节共熔行为与色度。应注意的是，总着色添加剂含量一般不宜超过陶瓷体系的2.5%，以免过度形成第二相损害致密性与机电性能。

　　3  流延法制造黑色氧化铝陶瓷基板工艺

　　流延成型（Tape Casting）自20世纪40年代开发以来，已成为制备薄层、多层陶瓷基板的主导工艺。其基本流程包括：将陶瓷粉体与溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂等按一定配比混合制成均匀浆料，通过刮刀流延成生坯带，干燥后形成柔性膜片，后经层压、切割与烧结得到成品。该工艺优势显著：可连续大规模生产，生坯密度均匀且弹性好，适于制造大面积、复杂构型与多层布线基板。

　　关键原材料的选择直接影响流延工艺与性能：

　　陶瓷粉料：纯度、粒度分布、比表面积与颗粒形貌是关键指标。粒度通常控制在0.1~50 μm，其中亚微米级颗粒有利于降低烧结温度、提高致密性，但过细（如D50 < 0.5 μm）会导致浆料粘度剧增、添加剂用量上升，干燥与烧结收缩加大易引起变形与开裂。

　　溶剂体系：分为有机溶剂基与水基两种。有机溶剂（如乙醇-甲苯共沸体系、三氯乙烯）具挥发快、润湿性好、不易气泡的优点，但存在毒性、易燃易爆与成本高的问题；水基溶剂安全环保、成本低，但对粉体润湿性差、干燥慢，易引入气孔，且需配合特殊水性粘结剂（如丙烯酸乳液、聚乙烯醇缩丁醛乳液），目前技术仍不如有机体系成熟。

　　实际生产中，为兼顾性能与工艺，高端黑色氧化铝基板多采用有机流延工艺，并通过优化烧结曲线（如采用分段保温与缓慢降温）抑制着色剂挥发、控制晶粒生长，最终获得表面平整、布线精准、遮光良好的高性能基板。

　　结束语

　　当前电子封装用多层陶瓷基板多数采用90%~99.5%氧化铝陶瓷材料，纯度越高，性能越优，但烧结温度也相应提高（如99瓷需1600℃以上），对设备与控制提出严峻挑战。目前我国在高品质氧化铝陶瓷基板，特别是黑色基板方面尚未实现大规模稳定生产，高端产品仍高度依赖进口。因此，系统研究并突破粉体处理、流延成型与低温烧结等关键技术，对于提升国产氧化铝陶瓷基板工艺水平、推动相关产业链自主可控具有迫切现实意义。