專利名稱：LED散熱基板用Al₂O₃陶瓷材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED散熱基板用材料領(lǐng)域技術(shù)，尤其是指一種LED散熱基板用Al2O3陶瓷材料。
背景技術(shù)：
LED是發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)的簡(jiǎn)稱，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，在照明及背光源等領(lǐng)域有著廣闊的市場(chǎng)前景。
近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體材料和封裝工藝的完善、光通量和出光效率的提高，功率型 LED已在城市景觀、交通標(biāo)志、LCD背光源、汽車(chē)照明、廣告牌等特殊照明領(lǐng)域得到應(yīng)用，并向普通照明市場(chǎng)邁進(jìn)。然而，隨著LED芯片輸入功率的不斷提高，大耗散功率帶來(lái)的大發(fā)熱量及要求高的出光效率給LED的散熱基板材料提出了更新、更高的要求。對(duì)高功率LED產(chǎn)品來(lái)講，其散熱基板材料要求具有高電絕緣性、高穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性及與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE)、平整性和較高的強(qiáng)度。
傳統(tǒng)上最常用作LED散熱基板的有FR4印刷電路基板(PCB)和金屬芯印刷電路板 (MCPCB)。PCB板的熱傳導(dǎo)率約在0. 36ff/(m · K)、熱膨脹系數(shù)約在13 17ppm/K。其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)相對(duì)成熟，成本低廉，缺點(diǎn)是熱性能較差，一般只能應(yīng)用于傳統(tǒng)的低功率LED。MCPCB 板是將熱導(dǎo)系數(shù)相對(duì)高的金屬(如鋁、銅)裝進(jìn)PCB板內(nèi)，以此來(lái)強(qiáng)化散熱效果。但MCPCB 板中絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)極低，因此絕緣層成為該結(jié)構(gòu)基板的散熱瓶頸，影響整個(gè)基板的散熱效果，使得整體的熱導(dǎo)率也只為1 2. 2 W/(m ·Κ)；同時(shí)由于絕緣層的存在，使得其無(wú)法承受高溫焊接，從而影響了封裝工藝的實(shí)施，限制了封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，因此不利于LED散熱。
高純Al2O3陶瓷室溫下的熱導(dǎo)率為_(kāi) (m · K)，與鋼鐵的熱導(dǎo)率接近，且具有高絕緣性能、與元器件相近的線膨脹系數(shù)、高的化學(xué)穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)；此外，與MCPCB的制備相比，Al2O3陶瓷基板的制備也要容易很多。因此，采用Al2O3陶瓷材料替代傳統(tǒng)的PCB和 MCPCB板是整個(gè)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，Al2O3陶瓷材料在功率型LED散熱基板領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
然而，由于Al2O2自身陽(yáng)離子電荷多，半徑小，離子鍵強(qiáng)的特點(diǎn)，導(dǎo)致其晶格能較大，擴(kuò)散系數(shù)較低，燒結(jié)溫度高。一般純氧化鋁陶瓷的燒結(jié)溫度在1800度左右，這樣高的燒結(jié)溫度在工業(yè)上較難普遍實(shí)現(xiàn)，不利于節(jié)約能耗；且窯爐與窯具的使用壽命短，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低；陶瓷結(jié)構(gòu)上也會(huì)存在較多的缺陷，對(duì)材料力學(xué)性能不利。這使得Al2O3陶瓷在LED散熱基板領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣受到極大限制。
目前國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者或以高純超細(xì)氧化鋁粉為原料、或采用先進(jìn)的燒結(jié)工藝、 以Ti02、Cr203> Fe2O3^ MnO2等變價(jià)氧化物為燒結(jié)助劑來(lái)獲得燒結(jié)溫度低、晶粒細(xì)小的氧化鋁粉陶瓷。但原材料及設(shè)備成本過(guò)高，產(chǎn)能低，使得生產(chǎn)成本仍然較高；且用變價(jià)氧化物作燒結(jié)助劑時(shí)不能獲得白色的氧化鋁陶瓷，因而其應(yīng)用范圍并不大。此外，盡管?chē)?guó)內(nèi)成功開(kāi)發(fā)出燒結(jié)溫度低于1000°C的低溫共燒Al2O3陶瓷材料并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但為了降低燒結(jié)溫度，加入了高達(dá)30wt% 40wt%的導(dǎo)熱性能不好的玻璃組分，使得這類(lèi)陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)只有滿足大功率LED器件的散熱要求。
因此，開(kāi)發(fā)出同時(shí)具有較高導(dǎo)熱系數(shù)和較低燒結(jié)溫度的Al2O3陶瓷材料將極大促進(jìn)其在LED散熱基板領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種LED散熱基板用Al2O3陶瓷材料，克服現(xiàn)有Al2O3陶瓷材料燒結(jié)溫度高、導(dǎo)熱系數(shù)低和生產(chǎn)成本過(guò)大的缺陷。
本發(fā)明采用的解決方案是一種LED散熱基板用Al2O3陶瓷材料，按質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分Al2O3 85 95%CaO1 3%MgO 1 3%BaO0. 5 2%SiO22 7%ZrO2 0. 5 1%。
其中，Al2O3的含量對(duì)該材料的燒結(jié)溫度和導(dǎo)熱系數(shù)有較大影響，Al2O3含量愈高， 則燒結(jié)溫度愈高，導(dǎo)熱系數(shù)愈大；反之，則燒結(jié)溫度愈低，導(dǎo)熱系數(shù)也愈小。
然而，由于該CaO、BaO, SiO2在燒成過(guò)程中能與Al2O3生成低熔點(diǎn)的鈣鋇玻璃，起到降低燒結(jié)溫度的作用。因此，適量的加入，可顯著降低瓷體的燒結(jié)溫度，增加瓷體的密度。 但由于這類(lèi)玻璃導(dǎo)熱性能不佳，如加入量過(guò)高，將會(huì)明顯降低瓷體的導(dǎo)熱系數(shù)，且容易在瓷體內(nèi)產(chǎn)生氣孔及微裂紋，降低瓷體的密度。此外，通過(guò)改變玻璃組分中CaO、BaO, SiO2的含量比，可以調(diào)整玻璃相的熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)及浸潤(rùn)性，使其滿足不同含量Al2O3陶瓷的工藝要求。
同時(shí)，由于MgO能與Al2O3生成鎂鋁尖晶石，提高了晶界結(jié)合力，因此MgO的含量對(duì) Al2O3陶瓷的密度影響很大。MgO的適量添加，可使瓷體獲得細(xì)晶的微觀結(jié)構(gòu)，增加陶瓷的密度。這是因?yàn)镸gO與Al2O3在高溫下可發(fā)生固相反應(yīng)，在晶界上形成尖晶石相，阻礙了 Al2O3 晶粒的長(zhǎng)大，這時(shí)MgO是Al2O3燒結(jié)過(guò)程中的顯微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑。而MgO的過(guò)量添加，使其極易與Al2O3反應(yīng)形成第二相，對(duì)致密化的效果明顯減弱。
以及，適量的加入有利于降低高溫下熔融的玻璃相的粘度，有助于玻璃相沿陶瓷晶界的均勻分布，促進(jìn)了燒結(jié)。但當(dāng)^O2的加入過(guò)多時(shí)，陶瓷的燒結(jié)溫度將會(huì)增加。
本發(fā)明采用CaO-MgO-SiO2-BaO-ZiO2系低熔點(diǎn)玻璃作為Al2O3陶瓷的燒結(jié)助劑，不但解決了現(xiàn)有Al2O3陶瓷材料燒結(jié)溫度過(guò)高的缺陷，能將燒結(jié)溫度降低至1350°C 1500°C， 明顯降低了能耗和生產(chǎn)成本，同時(shí)產(chǎn)品成品率可達(dá)95% ；而且使得本申請(qǐng)之Al2O3陶瓷材料保持較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，同時(shí)具有較高導(dǎo)熱系數(shù)和較低燒結(jié)溫度。其燒結(jié)溫度介于1350 1500°C之間，導(dǎo)熱系數(shù)介于15 18ff/(m · K)之間，瓷體密度介于3. 45 3. 75g/cm3之間， 體積電阻率大于IO13 Qcm。此種陶瓷材料尤其可用作大功率LED器件的散熱基板，具有良好的市場(chǎng)前景和商業(yè)價(jià)值。
具體實(shí)施方式
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下述實(shí)施例中組分的百分比(％)，除另有說(shuō)明外，系指質(zhì)量百分比。
實(shí)施例1:按組分=Al2O3 95%, CaO 1%, MgO 1%, BaO :0. 5%, SiO2 :2%，ZrO2 :0. 5% 進(jìn)行配比，經(jīng) 1500°C溫度燒結(jié)，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率達(dá)96%。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，所制得之Al2O3陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)為18W/(m · K)，瓷體密度3. 75g/cm3，體積電阻率大于IO13 Ω cm。
實(shí)施例2:按組分=Al2O3 90%, CaO :2%，MgO :1. 5%, BaO :1. 0%, SiO2 :4. 8%, ZrO2 :0. 7% 進(jìn)行配比，經(jīng) 1450°C溫度燒結(jié)，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率達(dá)95%。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，所制得之Al2O3陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)為17W/(m · K)，瓷體密度3. 70g/cm3，體積電阻率大于IO14 Ω cm。
實(shí)施例3:按組分=Al2O3 89%, CaO :3%，MgO :0. 8%, BaO :1. 1%，SiO2 :5. 5%, ZrO2 :0. 6% 進(jìn)行配比，經(jīng) 1400°C溫度燒結(jié)，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率達(dá)95. 5%。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，所制得之Al2O3陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)為16W/(m · K)，瓷體密度3. 60g/cm3，體積電阻率大于IO14 Qcm,。
實(shí)施例4 按組分=Al2O3 85%, CaO :2%,Mg0 :3%，Ba0 :2%,Si02 7%, ZrO2 :1% 進(jìn)行配比，經(jīng) 1350°C溫度燒結(jié)，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率達(dá)97%。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，所制得之Al2O3陶瓷材料的導(dǎo)熱系數(shù)為15ff/(m · K)，瓷體密度3. 45g/cm3，體積電阻率大于IO15 Qcm0
權(quán)利要求
1. 一種LED散熱基板用Al2O3陶瓷材料，其特征在于按質(zhì)量百分比計(jì)，包括以下組分Al2O385 95%CaO1 3%MgO1 3%BaO0. 5 SiO22 7%ZrO90. 5 1%。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種LED散熱基板用Al2O3陶瓷材料，克服現(xiàn)有材料燒結(jié)溫度過(guò)高、導(dǎo)熱系數(shù)低和生產(chǎn)成本過(guò)大的缺陷。本發(fā)明之陶瓷材料按質(zhì)量百分比計(jì)，包括組分Al2O385～95%，CaO1～3%，MgO1～3%，BaO0.5～2%，SiO22～7%，ZrO20.5～1%。本發(fā)明采用CaO-MgO-SiO2-BaO-ZrO2系玻璃作為Al2O3陶瓷的燒結(jié)助劑，在1350℃～1500℃的較低溫度下就可以燒結(jié)出致密的A12O3陶瓷，明顯降低了能耗和生產(chǎn)成本，同時(shí)產(chǎn)品成品率可達(dá)95%。本發(fā)明制備的Al2O3陶瓷密度介于3.45～3.75g/cm3之間，熱傳導(dǎo)率介于15～18W/(m·K)之間，體積電阻率大于1013Ω·cm，可用作LED散熱基板。
文檔編號(hào)C04B35/10GK102503382SQ20111034457
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者劉浩 申請(qǐng)人:東莞市凱昶德電子科技股份有限公司