LED散热基板用Al₂O₃陶瓷材料的制作方法

专利名称：LED散热基板用Al₂O₃陶瓷材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED散热基板用材料领域技术，尤其是指一种LED散热基板用Al2O3陶瓷材料。
背景技术：
LED是发光二极管(Light Emitting Diode)的简称，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，在照明及背光源等领域有着广阔的市场前景。
近年来，随着半导体材料和封装工艺的完善、光通量和出光效率的提高，功率型 LED已在城市景观、交通标志、LCD背光源、汽车照明、广告牌等特殊照明领域得到应用，并向普通照明市场迈进。然而，随着LED芯片输入功率的不断提高，大耗散功率带来的大发热量及要求高的出光效率给LED的散热基板材料提出了更新、更高的要求。对高功率LED产品来讲，其散热基板材料要求具有高电绝缘性、高稳定性、高导热性及与芯片匹配的热膨胀系数(CTE)、平整性和较高的强度。
传统上最常用作LED散热基板的有FR4印刷电路基板(PCB)和金属芯印刷电路板 (MCPCB)。PCB板的热传导率约在0. 36ff/(m · K)、热膨胀系数约在13 17ppm/K。其优点是技术相对成熟，成本低廉，缺点是热性能较差，一般只能应用于传统的低功率LED。MCPCB 板是将热导系数相对高的金属(如铝、铜)装进PCB板内，以此来强化散热效果。但MCPCB 板中绝缘层导热系数极低，因此绝缘层成为该结构基板的散热瓶颈，影响整个基板的散热效果，使得整体的热导率也只为1 2. 2 W/(m ·Κ)；同时由于绝缘层的存在，使得其无法承受高温焊接，从而影响了封装工艺的实施，限制了封装结构的优化，因此不利于LED散热。
高纯Al2O3陶瓷室温下的热导率为_ (m · K)，与钢铁的热导率接近，且具有高绝缘性能、与元器件相近的线膨胀系数、高的化学稳定性等诸多优点；此外，与MCPCB的制备相比，Al2O3陶瓷基板的制备也要容易很多。因此，采用Al2O3陶瓷材料替代传统的PCB和 MCPCB板是整个行业的发展趋势，Al2O3陶瓷材料在功率型LED散热基板领域有着广阔的应用前景。
然而，由于Al2O2自身阳离子电荷多，半径小，离子键强的特点，导致其晶格能较大，扩散系数较低，烧结温度高。一般纯氧化铝陶瓷的烧结温度在1800度左右，这样高的烧结温度在工业上较难普遍实现，不利于节约能耗；且窑炉与窑具的使用寿命短，生产周期长，生产效率低；陶瓷结构上也会存在较多的缺陷，对材料力学性能不利。这使得Al2O3陶瓷在LED散热基板领域的应用和推广受到极大限制。
目前国内外科学工作者或以高纯超细氧化铝粉为原料、或采用先进的烧结工艺、 以Ti02、Cr203> Fe2O3^ MnO2等变价氧化物为烧结助剂来获得烧结温度低、晶粒细小的氧化铝粉陶瓷。但原材料及设备成本过高，产能低，使得生产成本仍然较高；且用变价氧化物作烧结助剂时不能获得白色的氧化铝陶瓷，因而其应用范围并不大。此外，尽管国内成功开发出烧结温度低于1000°C的低温共烧Al2O3陶瓷材料并实现产业化，但为了降低烧结温度，加入了高达30wt% 40wt%的导热性能不好的玻璃组分，使得这类陶瓷材料的导热系数只有满足大功率LED器件的散热要求。
因此，开发出同时具有较高导热系数和较低烧结温度的Al2O3陶瓷材料将极大促进其在LED散热基板领域的应用和推广。发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种LED散热基板用Al2O3陶瓷材料，克服现有Al2O3陶瓷材料烧结温度高、导热系数低和生产成本过大的缺陷。
本发明采用的解决方案是一种LED散热基板用Al2O3陶瓷材料，按质量百分比计，包括以下组分Al2O3 85 95%CaO1 3%MgO 1 3%BaO0. 5 2%SiO22 7%ZrO2 0. 5 1%。
其中，Al2O3的含量对该材料的烧结温度和导热系数有较大影响，Al2O3含量愈高， 则烧结温度愈高，导热系数愈大；反之，则烧结温度愈低，导热系数也愈小。
然而，由于该CaO、BaO, SiO2在烧成过程中能与Al2O3生成低熔点的钙钡玻璃，起到降低烧结温度的作用。因此，适量的加入，可显著降低瓷体的烧结温度，增加瓷体的密度。 但由于这类玻璃导热性能不佳，如加入量过高，将会明显降低瓷体的导热系数，且容易在瓷体内产生气孔及微裂纹，降低瓷体的密度。此外，通过改变玻璃组分中CaO、BaO, SiO2的含量比，可以调整玻璃相的熔点、热膨胀系数及浸润性，使其满足不同含量Al2O3陶瓷的工艺要求。
同时，由于MgO能与Al2O3生成镁铝尖晶石，提高了晶界结合力，因此MgO的含量对 Al2O3陶瓷的密度影响很大。MgO的适量添加，可使瓷体获得细晶的微观结构，增加陶瓷的密度。这是因为MgO与Al2O3在高温下可发生固相反应，在晶界上形成尖晶石相，阻碍了 Al2O3 晶粒的长大，这时MgO是Al2O3烧结过程中的显微结构稳定剂。而MgO的过量添加，使其极易与Al2O3反应形成第二相，对致密化的效果明显减弱。
以及，适量的加入有利于降低高温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，促进了烧结。但当^O2的加入过多时，陶瓷的烧结温度将会增加。
本发明采用CaO-MgO-SiO2-BaO-ZiO2系低熔点玻璃作为Al2O3陶瓷的烧结助剂，不但解决了现有Al2O3陶瓷材料烧结温度过高的缺陷，能将烧结温度降低至1350°C 1500°C， 明显降低了能耗和生产成本，同时产品成品率可达95% ；而且使得本申请之Al2O3陶瓷材料保持较高的热传导系数，同时具有较高导热系数和较低烧结温度。其烧结温度介于1350 1500°C之间，导热系数介于15 18ff/(m · K)之间，瓷体密度介于3. 45 3. 75g/cm3之间， 体积电阻率大于IO13 Qcm。此种陶瓷材料尤其可用作大功率LED器件的散热基板，具有良好的市场前景和商业价值。
具体实施方式
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下述实施例中组分的百分比(％)，除另有说明外，系指质量百分比。
实施例1:按组分=Al2O3 95%, CaO 1%, MgO 1%, BaO :0. 5%, SiO2 :2%，ZrO2 :0. 5% 进行配比，经 1500°C温度烧结，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率达96%。经测验，所制得之Al2O3陶瓷材料的导热系数为18W/(m · K)，瓷体密度3. 75g/cm3，体积电阻率大于IO13 Ω cm。
实施例2:按组分=Al2O3 90%, CaO :2%，MgO :1. 5%, BaO :1. 0%, SiO2 :4. 8%, ZrO2 :0. 7% 进行配比，经 1450°C温度烧结，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率达95%。经测验，所制得之Al2O3陶瓷材料的导热系数为17W/(m · K)，瓷体密度3. 70g/cm3，体积电阻率大于IO14 Ω cm。
实施例3:按组分=Al2O3 89%, CaO :3%，MgO :0. 8%, BaO :1. 1%，SiO2 :5. 5%, ZrO2 :0. 6% 进行配比，经 1400°C温度烧结，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率达95. 5%。经测验，所制得之Al2O3陶瓷材料的导热系数为16W/(m · K)，瓷体密度3. 60g/cm3，体积电阻率大于IO14 Qcm,。
实施例4 按组分=Al2O3 85%, CaO :2%,Mg0 :3%，Ba0 :2%,Si02 7%, ZrO2 :1% 进行配比，经 1350°C温度烧结，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率达97%。经测验，所制得之Al2O3陶瓷材料的导热系数为15ff/(m · K)，瓷体密度3. 45g/cm3，体积电阻率大于IO15 Qcm0
权利要求
1. 一种LED散热基板用Al2O3陶瓷材料，其特征在于按质量百分比计，包括以下组分Al2O385 95%CaO1 3%MgO1 3%BaO0. 5 SiO22 7%ZrO90. 5 1%。
全文摘要
本发明公开了一种LED散热基板用Al2O3陶瓷材料，克服现有材料烧结温度过高、导热系数低和生产成本过大的缺陷。本发明之陶瓷材料按质量百分比计，包括组分Al2O385～95%，CaO1～3%，MgO1～3%，BaO0.5～2%，SiO22～7%，ZrO20.5～1%。本发明采用CaO-MgO-SiO2-BaO-ZrO2系玻璃作为Al2O3陶瓷的烧结助剂，在1350℃～1500℃的较低温度下就可以烧结出致密的A12O3陶瓷，明显降低了能耗和生产成本，同时产品成品率可达95%。本发明制备的Al2O3陶瓷密度介于3.45～3.75g/cm3之间，热传导率介于15～18W/(m·K)之间，体积电阻率大于1013Ω·cm，可用作LED散热基板。
文档编号C04B35/10GK102503382SQ20111034457
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者刘浩 申请人:东莞市凯昶德电子科技股份有限公司