作为电子工业中最常用的基板材料，氧化铝陶瓷基板具有良好的绝缘性、化学性质稳定，热导率高，高频性好等特性，往往用作电子元器件的基底，起支撑和散热、绝缘作用。为了满足市场庞大的需求量，氧化铝陶瓷基板通常采用工艺简单、可实现连续化的流延成型法制备。具体而言，具有一定粘度的流延浆料会在膜带的牵引下，经过流延、干燥剪裁、多层叠片、等温静压处理、烧结等多道复杂工序后，得到氧化铝陶瓷基板。在这个过程中，原料配方、流延膜带厚度以及脱粘烧结工艺参数等是制备过程的关键，其控制是否妥当会影响最终基板的厚度及厚度均匀性、外观质量和表面粗糙等工程应用指标，进而影响产品的整体性能表现。以下就从原料优化和工艺控制两方面来探讨如何把控氧化铝陶瓷基板流延成型中的制备要点，生产出高性能的氧化铝陶瓷基板。

浆料优化

氧化铝流延浆料的主要组成为氧化铝陶瓷粉体和溶剂、粘结剂、分散剂等。陶瓷粉体的物理外观参数是决定产品最终质量的关键，而添加剂和溶剂则赋予了流延浆料特有的流变和分散性能。

1、氧化铝陶瓷粉如何选？

氧化铝粉体作为流延浆料的主相，其颗粒尺寸、粒度分布以及粉体的结晶形貌都对后续流延工艺的控制以及流延成品的导热性、电阻率、介电常数、化学稳定性以及机械强度等有着很大的影响，在选择氧化铝粉体对流延成型的影响应该考虑：

（1）纯度：浆料原料一般要求氧化铝的含量在95%以上，若存在的杂质较多将会对成品的外观、收缩率、微观结构甚至使用性能产生较大的影响，如采用夹带游离Fe颗粒的A1₂O₃陶瓷腾粉体，在陶瓷烧结过程中，会在陶瓷内部或表面显色，出现红色或黑色的斑点，不但使得成品存在表观性缺陷，而且还会影响其绝缘性能。

存在暗斑的氧化铝陶瓷基板

（2）粉体尺寸和比表面积：流延成型中所用氧化铝粉体尺寸通常要求在0.3-1.7μm范围内，比表面积为2-11m²/g。粉体的粒径越小，则表面积与表面能越高，能够为流延膜的致密化提供更大的驱动力，从而提高成品的致密度；但在另一方面，粉体的粒径越小浆料所需的包裹在粉体颗粒外面的分散剂、粘结剂等添加剂就越多，不仅会使浆料流动性变差，影响后续排胶过程，还会导致陶瓷烧结收缩率增加，烧结体密度减小。

（3）粉体形貌：氧化铝粉体有球形、片状、纤维状、不规则状等多种形貌，一般来说，球形颗粒表面光滑、流动性较好，所制成的成品致密度会更高，而非球形颗粒烧结后，粉体间会存在间隙，影响成品的致密化烧结。

多种形貌的氧化铝粉体（片状、球形、纤维）

（4）分散性：为了提升粉体在浆料的分散性，除了适当添加分散剂外，还可以通过改变粉体自身的特性来解决分散性问题。通过适当的对粉体表面进行改性处理可大大的提高浆料的分散性能和流变性能。

2、溶剂如何选？

溶剂的主要作用是溶解并使得各组分形成均匀一体的浆料，其挥发性影响着生坯的干燥速度，与生产能力紧密相关，因此选择挥发性快且在干燥时瞬时蒸发的溶剂是最佳选择。不过由于单一的有机溶剂无法满足后续的梯度升温干燥工艺，且使用单一的有机溶剂极易出现应力开裂和浆料表层起皮现象，因此通常选择水、乙醇、甲苯、三氯乙烷、丙酮或者几种溶剂组合。

常用溶剂体系及效果^[2]

3、添加剂怎么选？

粘结剂：作为整个系统中最重要的有机添加剂，粘结剂可以包裹住粉体，在粉体之间构建一个三维网络，为陶瓷薄片提供强度和韧性。在粘结剂种类的选择上，要求必须能够溶解于选用的溶剂，目前常用的粘结剂种类有聚乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、甲基纤维素等，而至于粘结剂的添加量，则需要综合考虑流延生坯的表观形貌、加工特性，以及脱脂后的气孔率对产品性能的影响，粘结剂越多，不仅不易脱脂排胶还会导致陶瓷薄片的生坯密度降低。高温烧结后生坯产生过多的孔洞，导致陶瓷薄片收缩率增大；而含量过低则无法为粉体提供有效粘结，影响成品机械性能。

增塑剂：在浆料中加入粘结剂虽然增加了流延膜的抗拉强度，但并没有增加流延膜的弯曲强度，因此在浆料中加入适量的增塑剂，可使粘结剂的塑限温度降低，在室温下具有优良的柔韧性以及可加工性，从而缓解流延膜干燥后韧性不足等问题；另一方面，增塑剂可以起到润滑与连接的作用，提高浆料的稳定性。但加入增塑剂会降低流延膜的强度，因此在保证性能的前提下，尽量减少增塑剂的添加，且所加入的增塑剂要具有稳定的物理与化学性能，与浆料其他组分具有良好的匹配性。

常用粘结剂对应增塑剂

分散剂：在浆料配制过程中，粉体的分散性尤为重要，颗粒与颗粒之间良好的分散性是制备密度均一的氧化铝陶瓷基板的关键。分散剂可以通过对粉体的静电位阻与空间位阻作用，使得氧化铝颗粒在浆料中悬浮，达到分散稳定的目的。分散剂的含量和种类需要根据不同的浆料体系来选择，常用的分散剂包括无机分散剂（硅酸钠、偏硅酸钠、氢氧化铵）、有机分散剂（甘油酯、脂肪酸胺）、高分子聚合物分散剂（聚乙烯亚胺、聚甲基丙烯酸）以及复合分散剂等，在含量的添加上，则取决于氧化铝粉体的粒径，较细的颗粒由于其较高的表面能往往需要更多的分散剂用量。

工艺制备要点

流延成型工艺流程图

1、流延膜带厚度的控制

单层流延膜片的厚度影响到最终基板的厚度公差，一般来说，流延膜片厚度除了受浆料状态的影响，还与流延刀口的高度有关，在浆料固含量确定之后，流延刀口高度和干膜片厚度之间的关系影响了最终产品的厚度。由于浆料具有一定的铺展能力,流延时若采用相同的刮刀间隙流延膜总是出现中心部分较厚而两侧较薄的现象，因此当流延膜厚度公差要求较高时，可以采用可调刮刀刃面曲线的流延机，并将流延的速度控制在固定的数值，即匀速直线运动通常厚的流延生带需要慢速，而薄的流延生带需要快速流延。

来源：[1]王平,王正娟,何飞.高纯氧化铝基板的制备要点与宇航应用验证实践[J].空间电子技术,2023,20(02):105-111.

2、干燥工艺过程的控制

由于流延浆料具有一定粘度，在载体膜上流延后易与其粘连，流延后要完全干燥才能使生坯带具有一定强度，并从载体膜上完整剥离下来。在干燥的过程中，随着粉体颗粒间的溶液逐渐减少，生坯片体积收缩，生坯片内部会产生一定的应力，一旦该应力超过临界数值，生坯片会出现开裂、翘曲等情况，而且如果干燥速度过快，溶剂的快速挥发也会导致坯体上下比重不一，因此制定合适的干燥工艺对干燥的过程十分重要。

干燥过程控制（来源：焦作真节能）

在生坯带的干燥过程中，由于生坯体表面液相膜蒸发的速率远远大于溶剂从浆料内部扩散至表面的速率，所以通常需要根据膜片状态制定恒速干燥与降速干燥两个阶段。恒速干燥阶段主要是用于蒸发坯体上覆盖着的液相膜，所以干燥速率应该恒为生坯片表面溶剂蒸发的速率。

当表面液相膜干燥完成时，干燥过程由生坯片表面进入到内部进行，干燥速率主要由浆料内部的溶剂扩散到表面的速率控制，因此干燥速率应当开始逐渐变慢，即进入降速干燥阶段。

3、外观及平整度的控制

良好的外观和平整度是高纯氧化铝基板工程应用的基础。影响基板外观和平整度的因素很多，其中叠层、排胶和烧结是关键环节。

叠层工艺控制：

为了避免流延膜片在叠层和温等静压处理过程中素坯片出现表面缺陷和平整度问题，叠层时必须控制温度、压力和时间等基本参数，温度的选择主要考虑加入有机添加剂后的玻璃转化温度，以及产品叠层厚度和数量，保证所有陶瓷薄片受热均匀。压力的选择则主要考虑层与层之间紧密接触达到成型要求，且压力不会使陶瓷薄片变形影响最终尺寸。

排胶工艺控制：

排胶工艺的目的是通过热处理去除素坯内的有机物。为保证有机物完全去除，同时素坯脱粘过程的翘曲和开裂问题，需要综合考虑坯料的组成及性质、有机黏合剂的种类及用量、坯体的规格、尺寸等，制定的合适的脱粘温升曲线。

烧结工艺控制：

烧结一般来说是借助热的作用使粉体发生分子或者原子在固体状态中的相互吸引，经过物质的迁移使粉体产生强度并导致致密化和再结晶的过程，因此该工艺在很大程度上影响到基板的性能指标，包括体积密度、晶粒尺寸和分布、外观、尺寸、平整度、表面粗糙度以及抗折强度等。在这个过程中应当根据氧化铝坯体的厚度、尺寸制定合适的烧结温度和升降温曲线，避免过快的升降温速率导致陶瓷材料内部产生较大的热应力，引起材料开裂和变形，同时也避免过高的温度和过长的保温时间使晶粒异常长大。

参考文献：

1、欧阳雪琼,黎达,王兴军等.影响陶瓷材料流延成型的关键因素[J].佛山陶瓷.

2、王平,王正娟,何飞.高纯氧化铝基板的制备要点与宇航应用验证实践[J].空间电子技术.

3、崔唐茵,刘镇,魏春城.流延成型技术制备陶瓷薄片的研究现状[J].中国陶瓷工业.

4、欧阳雪琼,黎达,王兴军等.影响陶瓷材料流延成型的关键因素[J].佛山陶瓷.

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