随着新能源汽车、智能电网等高压大功率应用场景的快速发展，功率器件正朝着高功率密度、高可靠性方向演进。作为器件封装的核心材料，直接覆铜陶瓷基板需要在热传导、电气绝缘与机械支撑之间取得平衡，传统使用的氧化铝基板存在韧性不足的问题，限制了其在剧烈热循环工况下的使用。氧化锆增韧氧化铝（ZTA）基板通过在氧化铝基体中引入相变增韧机制，将断裂韧性提升至5-8 MPa·m¹/²，同时保持接近纯氧化铝基板的热导率，已广泛应用于混合动力汽车主驱逆变器、智能电网IGBT模块等高可靠性场景。

（来源：株洲艾森达）

然而，ZTA作为两相复合陶瓷，其性能高度依赖于微观结构的均匀性与氧化锆相变行为的精确控制。因此，本文将从制备工艺角度出发，系统梳理ZTA陶瓷基板从粉体处理到烧结成型的全流程关键控制点。

ZTA两大制备难题：均匀性与相变控制

难点一：微观均匀度控制

ZTA陶瓷的力学性能（如强度、韧性）和功能性能（如热稳定性、耐腐蚀性）高度依赖于微观结构的均匀性，均匀的微观结构一方面可使氧化锆颗粒钉扎在氧化铝晶界处，抑制氧化铝晶粒异常长大，从而提升材料的力学强度，另一方面还可确保ZTA陶瓷充分发挥相变增韧、微裂纹增韧等机制，避免因局部团聚或分布不均导致的性能波动。但由于氧化铝（密度3.98 g/cm³）与氧化锆（密度6.05 g/cm³）存在显著密度差异，若采用常规机械混合，氧化锆颗粒易沉降团聚，形成富锆区域。

难点二：相变控制

氧化锆的增韧机制源于其四方相（t-ZrO₂）向单斜相（m-ZrO₂）的应力诱导相变。当裂纹扩展遇到t-ZrO₂颗粒时，裂纹尖端的拉应力场触发相变，伴随3-5%的体积膨胀，对裂纹施加压应力，从而消耗裂纹扩展能量。而这一机制有效工作的前提是：t-ZrO₂在室温下以亚稳态存在，仅在受力时发生相变。然而，若工艺控制不当，t-ZrO₂可能在烧结降温过程中自发相变为m-ZrO₂，这种无应力诱导的体积膨胀会在材料内部产生微裂纹网络，严重时导致基板开裂。

ZTA陶瓷的相变增韧机制

制备工艺如何优化？

1、粉体制备

粉体特性直接关系到ZTA陶瓷的最终微观结构，理想的ZTA复合粉体应满足以下特征：

（1）组分分布均匀：ZrO₂颗粒均匀分布于Al₂O₃基体中，无偏析团聚；

（2）颗粒细小且分布窄：亚微米、纳米级的氧化锆方能更好通过相变增韧和微裂纹增韧机制有效阻碍裂纹扩展；

（3）相组成可控：ZrO₂以四方相为主，为后续增韧提供前提；

（4）分散性良好：无硬团聚，保证成型时堆积密度均匀。

（5）含水率适中：严格控制粉体含水率在0.1%-0.5%范围内，含水率过高易导致粉体粘模，过低则影响颗粒间结合力。

针对上述要求，首先从混合方式入手提升均匀性。目前能够实现粉体均匀分散的手段主要为多相悬浮分散混合工艺、溶胶-凝胶法、共沉淀法等液相法工艺。

·多相悬浮分散混合工艺：是克服不同相态之间的界面能垒，实现均匀混合并保持稳定的过程，一般是通过添加分散剂、调整pH值，先分别制备各组元充分分散的单相稳定悬浮液，然后找出各相颗粒均能良好分散的混合悬浮条件，将各单相悬浮液混合，再通过实验找出共同的絮凝条件以制备均匀混合的粉体，因此该技术的难度较大。

·溶胶凝胶法和共沉淀法等化学手段：能够在分子级别上混合铝源与锆源，从而获得两相分布极为均匀的纳米复合粉体，不过，这类技术对反应温度、压力、pH值、反应时间等参数要求严格，参数偏差可能导致反应不完全、颗粒生长异常或相组成改变。

·非水基沉淀覆膜技术：该技术由广东工业大学的伍尚华教授和聂光临博士提出，是在非水溶剂环境中，通过选择合适的金属离子前驱体（如Zr⁴⁺、Y³⁺等）和沉淀剂（如二乙胺），利用金属离子与沉淀剂之间的络合反应，形成金属-胺络合物。这些络合物在非水溶剂中溶解度较低，会逐渐从溶液中析出，并优先在基体表面吸附并形核生长，逐渐形成一层均匀的包覆层。随着沉淀反应的持续进行，包覆层不断增厚，最终实现对基体颗粒的完整包覆。这种核壳结构的ZTA粉体在后续成型烧结中，ZrO₂颗粒倾向于分布在Al₂O₃晶界处，既起到钉扎作用，又从根本上消除了氧化锆团聚体。

除了混合，粉体后续的造粒处理同样关键。喷雾干燥造粒可获得流动性好、粒度分布窄的球形颗粒，保证压制成型时填充均匀，而除了造粒过程中需精确控制粘结剂种类与用量

2、压制成型

成型阶段的任务是将粉体制备成具有一定强度、密度均匀的生坯。对于基板类产品，主流成型方式包括干压成型与流延成型。

·干压成型：适用于简单形状但对尺寸精度和机械性能有严格要求的产品，其关键在于消除密度梯度。其中，等静压成型是以液体作为压力传递介质，素坯可以从各个方向得到更加均匀的受压，可以制备密度高、气孔小、均匀性好的坯体。

·流延成型：流延成型基板是在具有一定粘度的流延浆料会在膜带的牵引下铺展成薄层，经过流延、干燥剪裁、多层叠片、等温静压处理的到生瓷片，可制备厚度从数十微米至毫米量级的陶瓷片材，适合制造大尺寸、超薄的高密度封装陶瓷基板。在这项技术中，浆料的流变性直接影响生带质量：粘度控制在1000-4000 mPa·s范围内，固含量通常50-60 vol%。除此之外，生带干燥过程中，也需控制温度与湿度梯度，避免因溶剂挥发过快导致表面结皮或内部裂纹。

3、烧结

烧结是ZTA微观结构定型、性能显现的关键工序，需同时实现高致密度、细晶粒与t-ZrO₂的亚稳态保留。

·助剂设计：烧结助剂不仅是降低烧结温度、抑制晶粒长大的核心手段，在ZTA陶瓷中，部分助剂还会显著影响氧化锆（ZrO₂）的相变行为。比如，Y₂O₃可固溶进入ZrO₂晶格，产生氧空位，增加t-ZrO₂的稳定性，同时其对烧结过程有一定促进作用，有助于提高陶瓷的致密度和力学性能。不过，为避免单一助剂的缺陷，在实际应用中往往采用多相复合烧结助剂，而种类和含量的选择则需根据具体配方和工艺进行精确调整，以平衡相变温度和增韧效果。

·温度制度：陶瓷制品的烧结一般是逐步升温至烧结温度（通常1300-1650℃），保温一定时间后进行冷却。致密化通常在烧结末期（1400-1500℃）快速完成，但此时晶粒长大也最为显著，不仅导致材料致密度的下降，还会削弱ZrO₂颗粒的钉扎效应，并使其亚稳态四方相的发生转变。而两步烧结法、热压烧结、放电等离子烧结（SPS）等先进烧结技术，可在较低温度下实现致密化，抑制晶粒长大，同时保留ZrO₂的四方相结构。除此之外，升温速率和冷却速率也是需要关注的重点，两者都不宜过快，以避免导致坯体开裂或内部应力集中。

小结

ZTA陶瓷基板的性能突破本质上是对其微观结构“均匀性”与“相变行为”的精准调控。从粉体制备的源头控制，到成型工艺的均匀致密，再到烧结制度的亚稳态保留，每一环节都深刻影响着ZrO₂的分布状态与相变活性。只有通过对这些全流程关键控制点的系统性优化，才能使ZTA陶瓷在保留高热导率的同时，充分发挥其相变增韧机制，从而满足高压大功率器件对高可靠性与长寿命的严苛需求，为下一代功率模块的发展提供坚实的材料支撑。

粉体圈Corange整理