浅析α—Al2O3在电子领域的应用

日期：2021-11-11 浏览次数：次

氧化铝有着(zhe)非常多的相态，即(ji)α-Al₂O₃、γ-Al₂O₃、η-Al₂O₃、δ-Al₂O₃、θ-Al₂O₃、χ-Al₂O₃、κ-Al₂O₃等。不同晶型由于其晶体结构(gou)的差异(yi)而表(biao)现出不同的性能，应用在不同的领域。而α-Al₂O₃作为铝(lv)的氧化(hua)物中最为稳定的晶相，以(yi)其独特优势(shi)，在电子领域备受关注。

浅析α—Al2O3在电子领域的应用

图(tu)1、α—Al₂O₃粉体来源：百度百科

一、α—Al₂O₃的结(jie)构及其特性(xing)

在α—Al₂O₃的晶(jing)体(ti)(ti)结构中，由3个氧原子组成的面是两相邻接的八面体所共有，整个晶体可以看成无数八面体[AlO₆]通过共面结合(he)而成的大“分子”，这一结(jie)构使(shi)得α－氧化铝的稳定性大。同(tong)时(shi)这种紧密堆积结(jie)构，Al-O化(hua)学键很(hen)强，晶格能(neng)很(hen)大(da)，使得α-Al₂O₃的熔点高(gao)达2050℃，莫(mo)氏硬度高达(da)9，并且α相具有(you)耐酸(suan)碱、绝(jue)缘(yuan)性能好﹑耐高温﹑导热率高等(deng)优点，因(yin)此应用(yong)也最多。

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图2、α—Al₂O₃的结构示意图(tu)和(he)主要性质

二、α—Al₂O₃的制(zhi)备方法(fa)

目前，α-Al₂O₃的制备方法有固相(xiang)、液(ye)相(xiang)以及气相(xiang)三(san)种，固相(xiang)、液(ye)相(xiang)合成方法中分别主(zhu)要以机械研磨法、燃烧法，和(he)溶胶－凝胶法、沉淀法制(zhi)备 α-A1₂O₃粉(fen)末，气相合成方法则(ze)主要是通(tong)过(guo)化(hua)学气(qi)相沉积法制备(bei)氧化铝薄膜。基于这些方法可使 α-A1₂O₃制备满足多个领域的应(ying)用(yong)，所以针对制备过(guo)程中α-A1₂O₃晶粒的影响因素，如温度、pH 值、矿化剂类型等，已经存在较为成熟的研究结论。

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图3、α—Al₂O₃的制备方(fang)法

（1）固相合成法

固相合成方法(fa)通常是(shi)以工(gong)业(ye)氧(yang)(yang)化铝或氢氧(yang)(yang)化铝为(wei)原料，经过高温煅(duan)烧(shao)后生成α—Al₂O₃。但(dan)煅烧温度过高会引起氧(yang)化铝粒径增大和颗粒聚(ju)集现象(xiang)，导致(zhi)α—Al₂0₃的高温性能受到较大(da)影响，因此(ci)通(tong)常采(cai)用机械球磨或加入矿化剂(ji)的(de)方法来(lai)改善产品的(de)质量。加入矿化剂(ji)的主要目的是去除(chu)产品中的金属氧化物，降低相变温度，控制晶粒尺寸和形貌(mao)。

（2）液相制备

工业氧化(hua)铝中存(cun)在碱金(jin)属氧化(hua)物(wu)（尤其(qi)是Na₂O）等杂质，为(wei)了改善这种情况，通常采用溶(rong)胶凝胶法(fa)以铝盐与酸或碱反(fan)应制(zhi)备(bei)氧化铝前体，然后高温(wen)煅烧制(zhi)备(bei)α—Al₂O₃。这(zhei)种方(fang)法的煅烧温度(du)低，得到的氧化(hua)铝纯度(du)高。但制备工(gong)艺复(fu)杂，对原料纯度要求高。在溶胶－凝(ning)胶法制备α—Al₂O₃的过程(cheng)中添加α—Al₂O₃晶种是很常见的一种(zhong)方法，目的是为了让(rang)氧(yang)化铝(lv)从(cong)θ相转变(bian)为α相。

（3）气相制备

化学(xue)气相(xiang)淀积（CVD) 在气相合成中是最为经典的方法，利用气体，或者通过一定的方法加热，使物质转变为气体，在气态下两种或两种以上材料发生物理或化学反应，形成新材料，新材料沉积到晶片表面，在冷却过程中凝聚长大，形成超细粉体的过程。该方法常用于制备适用于航空(kong)航天领域的α-Al₂O₃涂层(ceng)材(cai)料。

三(san)、α—Al₂O₃电(dian)子领(ling)域的应用

（1）环氧(yang)复合绝缘(yuan)材料

因α—Al₂O₃的绝缘(yuan)性能好(hao)﹐且(qie)和环氧(yang)树(shu)脂(zhi)有较(jiao)好(hao)的相容性，填充到环氧(yang)树(shu)脂(zhi)中可以起到颗(ke)粒(li)补强作用(yong)﹐并能提高导热能力(li)﹐因此，可(ke)以和环(huan)氧(yang)树(shu)脂制备(bei)成复合(he)材料，应用到(dao)高压绝缘(yuan)材料﹐比如高压开关盆式绝缘(yuan)子、高压互感器、绝缘(yuan)拉杆、环(huan)氧(yang)套管等，电压等级从110～1000kV。

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图4、高压开关用盆式绝缘子

（2）电子陶(tao)瓷

α—Al₂O₃不(bu)但(dan)具有良好的成(cheng)瓷性能﹐且具有高电(dian)阻率、高热导率、低介(jie)(jie)电(dian)常(chang)数(shu)、介(jie)(jie)电(dian)损耗，因此被制备成(cheng)不同的电(dian)子陶瓷﹐主要用于电(dian)子封装、真空(kong)灭(mie)弧室(shi)、行波管﹑点(dian)火器等(deng)。

电(dian)气(qi)陶瓷其中之一就(jiu)是集成电(dian)路基板(ban)﹐随着(zhe)电(dian)子技术(shu)的发展﹐不断推出多层共烧技术(shu)（HTCC、LTCC），进(jin)一(yi)步提高了集成电(dian)路(lu)的小型化，氧化(hua)铝陶(tao)瓷基片已成为应用最广泛的电(dian)子(zi)陶(tao)瓷，占电子陶瓷基片(pian)的90%，已成为电子工业不(bu)可(ke)或缺的材料。

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图5、氧化铝陶瓷电路板来源：同达鑫官网

（3）导热绝缘材料

α—Al₂O₃不但具有良好的绝缘性能﹐且热导率为30 W /(m∙K)，相对(dui)氮化铝﹑氮化硼等(deng)性价比(bi)高(gao)，且在硅胶﹑硅油体系(xi)有良(liang)好的分散性能，因此，在电子导热(re)绝缘领(ling)域占有很大的比重(zhong)，常用(yong)于导(dao)(dao)热硅胶片、导(dao)(dao)热灌(guan)封(feng)胶﹑导(dao)(dao)热硅脂等材料。

导热(re)硅(gui)胶(jiao)垫能(neng)够填充到(dao)电子(zi)元件(jian)(jian)和壳体或(huo)散(san)热(re)器(qi)的缝隙(xi)中﹐起到(dao)散(san)热(re)作用(yong)，同时(shi)还起到(dao)绝缘(yuan)﹑减震(zhen)﹑密封等作用(yong)。导热(re)灌(guan)封胶(jiao)用(yong)于封装电子(zi)元器(qi)件(jian)(jian)﹑线路等，提高(gao)整体(ti)性(xing)和(he)耐(nai)候(hou)性(xing)及抗震(zhen)等(deng)性(xing)能。导(dao)热硅脂主要是(shi)由氧化铝和(he)硅油配制(zhi)，并加有(you)稳定(ding)剂和改性添加剂，调配(pei)成均匀的(de)膏(gao)状(zhuang)物质(zhi)，用于(yu)散(san)热器和器件(jian)之间。

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图(tu)6、导热硅胶垫片来源：中铝郑州研究院(yuan)

（4）电子玻璃

LCD（液晶）玻(bo)璃基板是(shi)一(yi)种区别于普通玻(bo)璃的电子(zi)玻(bo)璃，是(shi)平板显示的关(guan)键基础材料之(zhi)一(yi)，其表面极其平整(zheng)，厚度(du)为0.1～0.7 mm。不但(dan)表观质量要求苛(ke)刻，而且(qie)还要求极低(di)的(de)膨(peng)胀系数，良好的(de)化学稳定性﹑高的机械强度等，是一种制(zhi)备技术要求极高的材(cai)料。LCD玻璃属于无碱铝硼硅酸盐玻璃，即为SiO₂一Al₂O₃一(yi)B₂O₃一RO体系（RO为碱土金属），因此要求其中的氧化铝为低钠α—Al₂O₃。

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图7、液晶玻璃基板来源：洛阳古洛玻璃有限公司

（5）锂离(li)子(zi)电池

α—Al₂O₃在(zai)锂离子电池领域应用量最大的是隔膜涂层，即将(jiang)α—Al₂O₃粉体均(jun)匀的(de)涂覆(fu)在一层有微(wei)孔结构的(de)聚烯烧薄膜表面，用于(yu)隔离正负极防止(zhi)短路(lu)，但(dan)又(you)能(neng)保证锂离子自由通过(guo)。涂覆(fu)氧化铝后﹐耐温可达180℃，而且极大地减小了收缩率，同时(shi)提高耐刺穿能力和(he)吸(xi)液率(lv)，有效(xiao)提高电(dian)池安全性能。

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图8、锂电池概念图来源中国电池网

总结

用于电子领域的α—Al₂O₃粉体要求(qiu)也(ye)越(yue)来(lai)越(yue)高(gao)。更高(gao)品质的产品和(he)产品指标的稳定将是未(wei)来(lai)的发展趋势(shi)。

（1）产品(pin)更高的(de)纯度意味(wei)着电气元器(qi)件更高的(de)可(ke)靠度，随着电气元(yuan)器件的小型化，要求α—Al₂O₃具有更高的纯(chun)度，尤其(qi)是异物(wu)的含(han)量将要(yao)求越来越高(gao)。

（2）高(gao)性能的亚微米α—Al₂O₃在未(wei)来(lai)高端电子(zi)应用(yong)领域有着较(jiao)强的(de)优势，更高转化率、小比表(biao)面积(ji)的亚微(wei)米(mi)粉体(ti)将是技术(shu)发(fa)展趋势。

（3）除了对产品(pin)理化(hua)指标的严格控制之外(wai)，作为电子(zi)领域(yu)应用(yong)的α—Al₂O₃，其(qi)产品的批(pi)一致(zhi)性(xing)和稳定性(xing)越(yue)来越(yue)受(shou)到关注(zhu)，成(cheng)为产品质量重要的衡量指标。