当今电子技术发展极其迅速，半导体照明也越来越受到关注，LED照明被认为是继白炽灯、日光灯、高压卤灯后第四代照明光源。与普通光源相比，LED照明具有以下几个优点：使用寿命长，在散热良好的情况下，使用寿命可达到10万小时；发光效率高，LED基于半导体材料构成，释放的能量主要集中在可见光区，光谱窄，其光效可以达到50~200 lm/W；绿色环保，不含汞铅等有害物质，废弃产品回收不会污染环境。

但是，LED也会遇到一些问题，其中主要的原因就是LED属于冷光源，其依靠能带间的电子跃迁发光，光谱中不含红外成分，不能通过辐射进行散热，散热困难会降低使用寿命并直接阻碍LED的大功率化。另外一个问题就是常规LED灯受材料限制，主要是单面发光，能量利用不充分，同时反面大量未能发散出去的光能又集聚在基片上，转化成热能，增加了散热负担。

常见的单面发光LED灯

LED照明的新型发展需求

市场上对LED多角度发光的一个改善措施是制成灯泡结构，采用多个LED芯片串联，或者将芯片多角度安装，以达到多面发光的效果，如下图所示。

新型LED结构案例

双面发光LED灯

对于LED灯来说，其发光依靠的是芯片，而非灯丝，因此必须需要基片作为载体，若想要满足多角度发光，那就带来一个对基片的需求——透光。

因此，随着LED照明产业的发展，芯片封装基板除了作为支撑基体和散热媒介外，拥有一定的透光率也会越来越受到关注，以满足高性能均匀高效发光需求。这就对LED封装基片提出如下要求：

（1）有一定强度，能够承载芯片；

（2）具有一定的透光率，保证LED灯能够360°发光；

（3）热导率高，能够散热，利于灯芯的热发散；

（4）生产成本低，能够大规模批量生产。

目前，这种基片材料主要是蓝宝石和玻璃材料，然而玻璃基片的散热性能较差，将会降低灯具的使用寿命；蓝宝石散热性能良好，但蓝宝石是单晶氧化铝，单晶材料的制备条件苛刻，成品率低，生产成本太高。对比之下，多晶透明氧化铝陶瓷生产成本比蓝宝石低，强度和导热性能比玻璃材料好，因此，氧化铝透明陶瓷作为LED芯片的基片，具有广阔的发展潜力。

用于LED照明的透明氧化铝陶瓷（99.99%以上的高纯Al2O3）

图源：日本碍子官网

氧化铝透明陶瓷

透明多晶陶瓷指将无机材料粉末（如氧化铝粉、氧化锆粉、氮化铝粉等）制作成具有一定形状的坯件，然后在特殊条件下烧结（如氢气氛炉中），制成的有一定透明度的陶瓷。透明陶瓷除了具有陶瓷固有的高绝缘、耐高温和耐腐蚀等特性，还有类似于单晶蓝宝石的光学性能，以及具有较好的抗热冲击性能和机械性能，是应用于激光、照明、光学等行业的优秀基体材料，常用来制作高压卤灯灯管、激光陶瓷、透波和窗口材料、无机闪烁体和光辐射护目镜等。

各类高技术透明陶瓷材料

（a）透明氧化铝托槽；（b）氧化铝陶瓷金卤灯管；（c）透明氧化错陶瓷镜头；（d）YAG 激光陶瓷；（e）透明氧化铝装甲；（f）镁铝尖晶石整流罩

对于需要兼顾强度、导热性能、透光性以及生产成本的LED领域来说，氧化铝透明陶瓷是最具潜力的蓝宝石替代品，可满足360℃发光的LED封装基板的性能需求。

目前行业内关于用在电子领域的氧化铝陶瓷基板制备技术已日趋成熟，而当前限制其在LED领域的应用主要是在透光性上遇到瓶颈。

传统氧化铝透明陶瓷通常在1700 °C以上的氢气气氛中烧结制备得到，高的烧结温度会导致晶粒的过度生长，这将会严重影响到陶瓷的机械性能和材料的硬度等性能，如果晶粒尺寸足够大(>410 um)，由于氧化铝是一种六方晶系的材料，存在双光轴，陶瓷晶粒的双折效应会引起光散射，降低陶瓷的光透过率。所以传统制备的氧化铝透明陶瓷的直线透过率通常低于10%，低的直线透过率和低的力学性能极大的限制了透明氧化铝陶瓷的应用。

关于透明陶瓷透光性的原理和影响因素可阅读以下文章：

为啥玻璃透明，而陶瓷不透明？

陶瓷是怎样“炼成”透明陶瓷的？

提高氧化铝陶瓷透光性的措施

1. 材料选择

（1）高纯度原料

纯度低的原料会出现较多的杂质、第二相和其他各种结构缺陷，各种缺陷的折射率的不同，光入射到缺陷上，造成大量散射和吸收，导致陶瓷材料透光性大大降低，一般透明陶瓷的原料纯度要求大于99.9%，避免杂质等带来的光损失。

（2）添加剂

为了获得最低的气孔率，在高纯的原料里往往加入一些添加剂（掺杂微量元素尤其是稀土元素），以促进陶瓷烧结致密的进行。原料中引入的添加剂的作用主要是在晶界上高浓度聚集，从而阻止烧结过程中晶体的过快生长并促使气孔变少。使用与主要烧结氧化物阳离子原价不同的阳离子作为添加剂，以及在真空或氢中进行烧成时，能促进坯件的排气和增大结构的缺陷性，因而加速从晶界到气孔的传质过程。添加剂的加入还可以使陶瓷出现液相烧结现象，从而降低烧结温度。

液相的形成温度

2. 透明陶瓷的成型

透明陶瓷最常用成型方法是将干压成型与冷等静压成型相结合的方式，先干压获得一定的形状和强度，再冷等静压增大素坯的致密性，成本较低。注塑成型和凝胶铸模成型是新型成型方式。

凝胶成型与干压成型和冷等静压成型有着本质差别，属于流体成型方法，由于其具有尺寸精度高，坯体强度高，可生产形状复杂器件的特点，越来越受到关注，该方法的缺点成型后需要排胶。

注塑成型也属于流体成型，是快速精密成型法的一种，一般烧结后的部件不需要后续处理，可实现自动化生产。缺点是注塑成型坯体中含有大量有机溶剂，烧结前需进行排胶处理，排胶较困难，尤其是大部件排胶过程易发生开裂现象，目前该方法已经运用于高压卤灯透明陶瓷电弧管的生产。

3. 透明陶瓷的烧结

（1）烧结方式

① 热压烧结

热压烧结通过施加外压力，以促进材料烧结过程中致密化，从而得到细晶粒的致密化陶瓷，其烧结温度比真空烧结低，广泛应用于透明陶瓷。不过此烧结法的缺点是不易生产形状复杂的器件，需要昂贵的设备，生产规模小，成本较高，而且容易引入杂质和产生结构缺陷。目前已制备出 YAG、AIN、Lu₂O₃等透明陶瓷。

② 热等静压烧结

热等静压与冷等静压的不同之处在于其以气体作为加压介质，在向坯体各个方向施加均等压力的同时对坯体加热，使其在高温高压的共同作用下完成烧结。热等静压烧结温度较低，可以直接制成形状复杂或大尺寸的零部件，但热等静压设备复杂、价格昂贵、操作繁琐。目前已应用于氧化铝、氧化钇、PNNZT等透明陶瓷的制备。

③ 氧化气氛烧结

目前常用的是在真空/还原气氛条件下烧结，有利于烧结过程中气孔的消除，提高陶瓷的致密性，而且其设备简单，生产成本低，是目前透明陶瓷主要烧结方式。氧化气氛烧结透明陶瓷是一种比较新型的烧结方式，氧气氛可以消除由于材料成分的挥发产生的空位等缺陷，同时氧气高温分离为氧离子，为气孔排除提供便捷通道，从而达到提高陶瓷的致密性的目的。

氧气氛中烧结装置与还原气氛中相似，但比还原气氛安全，目前已经利用该烧结方式制备出了氧化铝、YAG、Y₂O₃等透明陶瓷。

④ 微波烧结

微波烧结也是一种新型透明陶瓷烧结方式，加热速度快、热量分布均匀、烧结时间短，可迅速促使陶瓷致密化，己成功应用于AlON、氮化铝、氧化铝、铝镁尖晶石透明陶瓷等透明陶瓷的制备。

⑤ 放电等离子烧结

放电等离子烧结利用瞬间脉冲电流产生的放电脉冲压力、脉冲能和焦耳热实现陶瓷粉体颗粒活化烧结。等离子烧结速度快、保温时间短、烧结温度低（比热等静压烧结还低）、温度分布均匀，烧结体纯度高、晶粒小，但是由于加热升温速率非常快，该方法制得的陶瓷容易开裂。目前已报道的通过SPS制备的透明陶瓷有MgO、YAG、ZrO₂、MgAl₂O₄、Al₂O₃和AIN等。

SPS烧结氧化铝多晶陶瓷的显微结构

（a）170℃/min；（b）340℃/min

（2）烧结工艺

烧结温度对陶瓷的致密化起到关键作用，一般烧结温度越高，陶瓷晶粒越大，随着烧结温度的提高，晶粒明显长大，气孔变少，晶界厚度变薄。

与烧结温度有相似作用的是保温时间，随着保温时间的延长，陶瓷致密性升高，晶粒变大，晶界变得干净，晶粒大小均匀性变好。为了获得比较好的性能，保温时间与具体的烧结方式有关，一般透明陶瓷真空烧结的保温时间超过10小时，而等离子烧结的保温时间不到半小时。

但氧化铝透明陶瓷的透光性是要求晶粒不能太大，气孔要尽量少，如何平衡这两者的关系，对工艺设计提出了一定的要求。

总结

未来几年内随着透明氧化铝陶瓷基片的批生产技术获得突破，透明氧化铝在LED照明领域将有望成为替代蓝宝石基片的一大选择。当前对于高透光性高导热的透明氧化铝陶瓷的生产仍有一定的瓶颈，需从粉体处理、成型和显微结构控制等方面入手，逐步缩小与国外产品的差距，并早日赶上国外的产品品质。另外，氧化铝透明陶瓷企业应和封装企业真诚合作，快速发现上下游部件或产品存在的问题，从而可以推动各部件或产品关键技术的解决。

参考来源：

1. 掺杂氧化铝透明陶瓷基片致密化行为的研究，刘文燕（华中科技大学）；

2. 透明氧化铝陶瓷的制备及其性能研究，袁康（西南科技大学）；

3. 制备微量元素掺杂氧化铝透明陶瓷及其性能研究，黄金山（西南科技大学）。

粉体圈小吉

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。