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氧化锆增韧氧化铝(ZTA)基板的特点及应用
陶瓷基板的材料种类很多,有氧化铝、氧化铍、氮化铝、氮化硅等。氧化锆增韧氧化铝陶瓷(Zirconia Toughened Aluminum,ZTA)是以Al2O3为基体,部分稳定ZrO2为增韧相的一种复合相陶瓷材料。由于ZTA陶瓷具有优异的散热性、绝缘性、抗热震性和机械强度,ZTA陶瓷覆铜基板广泛应用于电动汽车IGBT、LED等领域。



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图   DBC ZTA陶瓷覆铜基板,贺利氏


1、氧化锆增韧氧化铝的增韧机制



氧化铝以其高强度、高硬度、高耐磨、抗氧化及抗热震等优异性能,在机械、电子、化工等领域得到广泛应用。但氧化铝的断裂韧性较低,抗冲击能力差,限制了其更广泛领域的应用。通过在氧化铝基体中添加增韧材料,可明显改善这一现象。其中氧化锆增韧氧化铝陶瓷被证明具有较好的增韧效果。

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图源:诚创

氧化锆的增韧机制一般认为有应力诱导相变、微裂纹增韧、弥散增韧、压缩表面韧化等:

1)应力诱导相变

应力诱导相变增韧是利用应力诱导四方ZrO2马氏体相变来改变陶瓷材料的韧性。ZrO2在室温下为单斜晶系,当温度达到1170℃时,由单斜晶系转化为亚稳态的四方晶型,在应力作用下,亚稳态的四方晶型ZrO2可诱发相变重新转化为单斜晶型。当ZrO2颗粒的尺寸足够小,在室温时,ZrO2仍保持四方相,当受到外应力时,裂纹尖端前部区域的四方ZrO2发生相变,吸收能力,引起体积膨胀,阻止裂纹扩展。

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2)微裂纹增韧

在一定条件下,相变引发体积膨胀在基体中引起均匀分散又不互相连接的微裂纹,增加材料的断裂表面能,吸收主裂纹扩展的能力,达到增加断裂韧性的效果。

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3)弥散增韧

不改变裂纹尺寸的情况下,添加四方氧化锆和立方氧化锆的氧化铝,使得裂纹扩展路径曲折、分叉,吸收更多能量,断裂韧性有所提高。

4)压缩表面韧化

研磨相变韧化ZrO2的表面,可以使表面层的四方相ZrO2颗粒转变为单斜相,并产生体积膨胀,形成压缩表面层,抵消一部分外加拉应力,从而强化陶瓷。


2、氧化锆增韧氧化铝基板的特点


1)高强度,强度是一般氧化铝基板的两倍以上;


2)与氧化铝基板和氮化铝基板相比,拥有1.5倍以上的弯曲强度;
3)比一般氧化铝基板及氮化铝基板有更高的反射率;
4)可以承受严苛的热冲击测试;
5)绝佳的基板表面质量。以均质的微细的微结构,实现出色的表面粗糙度;
6)与氧化铝基板相比,拥有1.2倍的热传导性。
7)拥有高电绝缘性,介电常数小;
8)与硅相近的热膨胀系数;
9)DBC ZTA陶瓷基板制造成本与DBC标准氧化铝陶瓷基板相近,比氮化物陶瓷基板低。


3、氧化锆增韧氧化铝基板的应用



ZTA 基板与普通 Al2O3 基板相比具有良好的弯曲强度,主要用于长寿命和高可靠性的应用。在大功率电动汽车、航天航空和军工等先进工业领域中,需要使用强大载流和散热能力的陶瓷基板。在大功率LED灯的应用中,也需要使用高反射率和高耐电压冲击强度的陶瓷基板。ZTA基板通过掺杂锆的氧化铝陶瓷提高了可靠性,耐腐蚀、化学稳定性好,具有高断裂韧性和抗弯强度、高耐温能力、高载流容量、高绝缘电压、高热容与热扩散能力以及与硅相近的热膨胀系数,使其成为DBC陶瓷覆铜基板和LED线路板急需的高性能陶瓷材质电路载体。

应用领域:


  • 高功率电源模块,如IGBT模块用基板

  • LED 封装用基板



ZTA陶瓷覆铜基板相关厂商有:罗杰斯、贺利氏电子、富乐华、韩国KCC、博敏电子、日本碍子、展至电子等。



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