一种适于铝基板表面高性能导热绝缘陶瓷层的制备方法与流程

本发明属于铝合金表面功能涂层技术领域，尤其涉及一种适于铝基板表面高性能导热绝缘陶瓷层的制备方法。

背景技术：

随着电子行业的飞速发展，电子产品的使用功能不断增多，使用功率随之增大，散热问题的出现对电子工业设计是一个巨大挑战。铝基板是一种具有良好散热功能的金属基覆铜板，一般单面板由三层结构所构成，分别是电路层(铜箔)、绝缘层和金属基层、常见于led照明产品。有正反两面，白的的一面是焊接led引脚的，另一面呈现铝本色，一般会涂抹热凝浆后与导热部分接触。

铝基板比传统fr-4基板，在绝缘性、导热系数、电阻率和击穿电压等诸多方面有明显进步。但随着电子产品性能的不断改进，现有铝基板的导热性已不满足相关需求。电路板的制作过程中铝基板与线路层之间必须要添加导热绝缘层，以实现金属铝基板与线路层之间的绝缘和粘合。

目前，导热绝缘层主要是由树脂类材料填充高导热粒子制备而成的，高导热粒子的填充含量通常与导热性、绝缘性、稳定性直接相关，粒子的填充率增加，将会提升铝基线路板的热传递性能，但绝缘性与结合力在粒子添加过量后会降低，而且高导热粒子的种类和粒径都会产生不同的影响，因此，目前的导热绝缘层的导热性和绝缘性差，已经不能满足现有需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适于铝基板表面高性能导热绝缘陶瓷层的制备方法，以提升铝基板表面导热绝缘层的导热性和绝缘性。

本发明采用以下技术方案：一种适于铝基板表面高性能导热绝缘陶瓷层的制备方法，由以下步骤组成：

预处理：依次对待加工铝基板进行除油脱脂、磨制、抛光和水洗；

微弧氧化处理：对水洗后的待加工铝基板进行微弧氧化处理，直至铝基板表面生成陶瓷膜层；

溶胶处理：采用浸渍提拉法将生成陶瓷膜层后的铝基板的陶瓷膜层表面浸渍于溶胶中，直至陶瓷膜层表面光滑；将浸渍后的铝基板进行分级干燥，直至溶胶充分填充于陶瓷层的孔洞中；

溶胶配置方法具体为：

采用粒径为50～500nm的α-al2o3粉末和/或粒径为50～100nm的aln粉末溶于去离子水和聚乙二醇的组合液，且向组合液中添加5.0wt％的聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，采用盐酸和氨水调节组合液的ph值，直至组合液的ph值为2～6，将组合液在65～70℃下搅拌均匀后静置，选取上清液为溶胶；

热处理：对溶胶后的铝基板进行热处理，得到表面覆有导热绝缘陶瓷层的铝基板。

优选的，微弧氧化处理的电解液中含有10～15g/l硅酸钠、5～10g/l偏铝酸钠、5～10g/l四硼酸钠和al2o3粉末；

微弧氧化处理采用双脉冲微弧氧化电源，其参数为：正电压450～650v，负电压300～450v，正负脉冲数量(10～20):1，频率200～800hz，占空比5～30％，通电时间1～5h；

微弧氧化处理步骤生成的陶瓷膜层的厚度为50～200μm。

优选的，浸渍提拉法中的提拉速度为10cm/min。

优选的，分级干燥具体为：

第一级干燥温度为80℃，干燥时间为15min；

第二级干燥温度为50℃，干燥时间为30min；

第三级干燥温度为30℃，干燥时间为30min；

三级干燥后冷却到室温。

优选的，溶胶处理次数为1～5次。

优选的，热处理温度为150℃。

本发明的另一种技术方案：一种适于铝基板表面高性能导热绝缘陶瓷层的制备方法，由上述的一种适于铝基板表面高性能导热绝缘陶瓷层的制备方法和超声清洗处理步骤组成；

超声清洗处理步骤位于微弧氧化处理和溶胶处理之间，超声清洗处理具体为：使用去离子水对微弧氧化处理后的陶瓷膜层进行超声清洗，直至陶瓷膜层的孔洞当中清除干净。

本发明的有益效果是：本发明通过采用微弧氧化方法，在铝基板表面生成微弧氧化陶瓷层，该陶瓷层作为导热绝缘层，其与铝基板材料成分一致，有效提高导热绝缘层与铝基板之间的结合力，结合溶胶凝胶技术，对陶瓷层的表面进行封孔处理，可以在降低微弧氧化陶瓷层后附的同时，有效增加基板的导热性和绝缘性，有效隔离电流通过，具有工艺简单、生产效率高、成本低等特点，使电子元器件具有一个稳定的工作环境，对电子元器件的使用性能和延长使用寿命具有重大意义，在led、电路板等应用方向具有很大的潜力。

【附图说明】

图1为采用本发明方法制作出的铝基板表面高性能导热绝缘陶瓷层的结构示意图；

其中，a为铝基体层，b为微弧氧化层，c为溶胶凝胶层。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种适于铝基板表面高性能导热绝缘陶瓷层的制备方法，由预处理、微弧氧化处理、溶胶处理和热处理组成，经过上述步骤后，可在铝基板表面形成微弧氧化+溶胶凝胶复合涂层。

预处理：依次对待加工铝基板进行除油脱脂、磨制、抛光和水洗。磨制过程根据需要经过不同的水砂纸磨制，磨制后进行抛光和水洗，以备后续处理。

微弧氧化处理：对水洗后的待加工铝基板进行微弧氧化处理，微弧氧化处理后，可在铝基板表面生成50～200μm陶瓷膜层，该厚度内的陶瓷膜层的绝缘性和热传导性最好。

微弧氧化处理的电解液中含有10～15g/l硅酸钠、5～10g/l偏铝酸钠、5～10g/l四硼酸钠和al2o3粉末，其中，由于硅酸钠微弧氧化效果最好，所以该电解液中以硅酸钠为主，al2o3粉末含量不限，直至电解液饱和即可，另外，还有氢氧化钠和去离子水等作为辅料，。

微弧氧化处理采用双脉冲微弧氧化电源，其参数为：正电压450～650v，负电压300～450v，正负脉冲数量(10～20):1，频率200～800hz，占空比5～30％，通电时间1～5h。通过选择双脉冲微弧氧化电源，可以有效降低陶瓷膜层中的空洞深度，避免由于孔洞过深，导致溶胶不能充分填充于其内部，进而导致降低陶瓷膜层的绝缘度。

溶胶处理：采用浸渍提拉法将生成陶瓷膜层后的铝基板的陶瓷膜层表面浸渍于溶胶中，浸渍提拉法中的提拉速度为10cm/min，直至陶瓷膜层表面光滑；将浸渍后的铝基板进行分级干燥，直至溶胶充分填充于陶瓷层的孔洞中。

溶胶配置方法具体为：

采用粒径为50～500nm的α-al2o3粉末和/或粒径为50～100nm的aln粉末溶于去离子水和聚乙二醇的组合液，且向组合液中添加5.0wt％的聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，采用盐酸和氨水调节组合液的ph值，直至组合液的ph值为2-6，将组合液在65～70℃下搅拌均匀后静置，选取上清液为溶胶。

分级干燥具体为：

第一级干燥温度为80℃，干燥时间为15min；

第二级干燥温度为50℃，干燥时间为30min；

第三级干燥温度为30℃，干燥时间为30min；

三级干燥后冷却到室温，避免膜层破裂，保证了膜层的完整度。

为了避免单次溶胶处理时，陶瓷膜层中的孔洞内没有完全填充溶胶，可以进行1～5次溶胶处理，保证陶瓷膜层中的孔洞内完全填充溶胶，避免电压击穿。

热处理：对溶胶后的铝基板进行热处理，热处理温度为150℃，得到表面覆有导热绝缘陶瓷层的铝基板，通过热处理，可以去除溶胶中的自由水和添加剂。

本发明还公开了一种适于铝基板表面高性能导热绝缘陶瓷层的制备方法，由上述步骤和超声清洗处理步骤组成，超声清洗处理步骤位于微弧氧化处理和溶胶处理之间，以清除陶瓷膜层孔洞中存在的电解液，避免电解液对后续步骤的干扰。

超声清洗处理具体为：使用去离子水对微弧氧化处理后的陶瓷膜层进行超声清洗，直至陶瓷膜层的孔洞当中清除干净，根据实际需要可清洗3～8min，优选为5min。

实施例1：

本实施例中，铝基板为铝合金，在铝合金表面制备微弧氧化+溶胶凝胶复合涂层(即陶瓷膜层)，具体包括如下步骤：

步骤1：对线切割的铝合金试样先经过除油除脂工艺后，先经过不同水砂纸磨制，再经抛光后水洗以备微弧氧化处理。

步骤2：依据铝合金微弧氧化电解液以硅酸钠(10～15g/l)为主，添加偏铝酸钠(5～10g/l)、四硼酸钠(5～10g/l)和al2o3粉末的微弧氧化电解液。

步骤3：采用双脉冲微弧氧化电源，通过调整正电压450v，负电压300v，正负脉冲数量10：1，频率200hz，占空比5％，通电时间1h。

步骤4：采用粒径为50～500nm的α-al2o3粉末溶于去离子水和聚乙二醇的组合液，添加5.0wt％的聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，采用盐酸和氨水调节ph为5，70℃搅拌1h，静置回流24h，搅拌时间和静置回流时间可根据实际情况设定，直至溶胶在可见光照射时中产生光柱即可，选取上清液进行后续实验。

步骤5：用浸渍提拉的方法，将铝合金微弧氧化层表面浸渍于α-al2o3溶胶层，提拉速度为10cm/min。

步骤6：采用分级干燥的机制对试样进行处理，首先将试样在80℃下干燥15min，而后将其在50℃下干燥30min，最后在30℃下干燥30min，并冷却到室温。

步骤7：对涂层进行150℃的热处理去除溶胶中的自由水与添加剂，得到最终产品。

本实施例中，测得制备的微弧氧化陶瓷层厚度为50μm的，采用α-al2o3溶胶凝胶对其进行封孔，经过对本实施例生成的铝基板进行测试，其击穿电压为1500v，证明及绝缘性良好。

实施例2：

本实施例中，在铝合金表面制备微弧氧化+溶胶凝胶复合涂层，包括如下步骤：

步骤1：对线切割的铝合金试样先经过除油除脂工艺后，先经过不同水砂纸磨制，再经抛光后水洗以备微弧氧化处理。

步骤2：依据铝合金微弧氧化电解液以硅酸钠为主，添加偏铝酸钠、四硼酸钠和al2o3粉末的微弧氧化电解液，各成分含量与实施例1相同。

步骤3：采用双脉冲微弧氧化电源，通过调整正电压550v，负电压350v，正负脉冲数量15：1，频率300hz，占空比20％，通电时间3h。

步骤4：采用粒径为50～500nm的α-al2o3粉末溶于去离子水和聚乙二醇的组合液，添加5.0wt％的聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，采用盐酸和氨水调节ph为6，70℃搅拌1h，静置回流24h，选取上清液进行后续实验。

步骤5：用浸渍提拉的方法，将铝合金微弧氧化层表面浸渍于α-al2o3溶胶层，提拉速度为10cm/min。

步骤6：采用分级干燥的机制对试样进行处理，首先将试样在80℃下干燥15min，而后将其在50℃下干燥30min，最后在30℃下干燥30min，并冷却到室温。

步骤7：重复步骤6和步骤7，反复5次，保证α-al2o3充分填充在微弧氧化层孔洞当中。

步骤8：对涂层进行150℃的热处理去除溶胶中的自由水与添加剂。

本实施例中，测得制备的微弧氧化陶瓷膜层厚度为100μm，采用α-al2o3溶胶凝胶对其进行封孔，经过对本实施例制得的铝基板进行测试，其击穿电压为2000v，可知其绝缘性良好。

实施例3：

本实施例中，铝合金表面制备微弧氧化+溶胶凝胶复合涂层，包括如下步骤：

步骤1：对线切割的铝合金试样先经过除油除脂工艺后，先经过不同水砂纸磨制，再经抛光后水洗以备微弧氧化处理。

步骤2：依据铝合金微弧氧化电解液以硅酸钠为主，添加偏铝酸钠、四硼酸钠和al2o3粉末的微弧氧化电解液，各成分含量与实施例1相同。

步骤3：采用双脉冲微弧氧化电源，通过调整正电压500v，负电压300v，正负脉冲数量10：1，频率500hz，占空比15％，通电时间1h，使铝合金表面形成陶瓷层厚度为50μm。

步骤4：去离子水超声清洗微弧氧化处理铝合金试样5min，以清除表面微孔中存在的电解液。

步骤5：采用粒径为50～100nm的aln粉末溶于去离子水和聚乙二醇的组合液，添加5.0wt％的聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，采用盐酸和氨水调节ph为4，65℃搅拌1h，静置回流24h，选取上清液进行后续实验。

步骤6：用浸渍提拉的方法，将铝合金微弧氧化层表面浸渍于aln溶胶层，提拉速度为10cm/min。

步骤7：采用分级干燥的机制对试样进行处理，首先将试样在80℃下干燥15min，而后将其在50℃下干燥30min，最后在30℃下干燥30min，并冷却到室温。

步骤8：重复步骤6和步骤7，反复3次，保证aln充分填充在微弧氧化层孔洞当中。

步骤9：对涂层进行150℃的热处理去除溶胶中的自由水与添加剂。

本实施例中，测得制备的微弧氧化陶瓷膜层厚度为50μm，采用aln溶胶凝胶对其进行封孔，经过对本实施例制得的铝基板进行测试，其击穿电压为1800v，可知其绝缘性良好。

实施例4：

本实施例中，铝合金表面制备微弧氧化+溶胶凝胶复合涂层，包括如下步骤：

步骤1：对线切割的铝合金试样先经过除油除脂工艺后，先经过不同水砂纸磨制，再经抛光后水洗以备微弧氧化处理。

步骤2：依据铝合金微弧氧化电解液以硅酸钠为主，添加偏铝酸钠、四硼酸钠和al2o3粉末的微弧氧化电解液，各成分含量与实施例1相同。

步骤3：采用双脉冲微弧氧化电源，通过调整正电压600v，负电压350v，正负脉冲数量15：1，频率600hz，占空比20％，通电时间3h。

步骤4：去离子水超声清洗微弧氧化处理铝合金试样5min，以清除表面微孔中存在的电解液。

步骤5：采用粒径为50～100nm的aln粉末溶于去离子水和聚乙二醇的组合液，添加5.0wt％的聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，采用盐酸和氨水调节ph为5，65℃搅拌1h，静置回流24h，选取上清液进行后续实验。

步骤6：用浸渍提拉的方法，将铝合金微弧氧化层表面浸渍于aln溶胶层，提拉速度为10cm/min。

步骤7：采用分级干燥的机制对试样进行处理，首先将试样在80℃下干燥15min，而后将其在50℃下干燥30min，最后在30℃下干燥30min，并冷却到室温。

步骤8：重复步骤6和步骤7，反复4次，保证aln充分填充在微弧氧化层孔洞当中。

步骤9：对涂层进行150℃的热处理去除溶胶中的自由水与添加剂。

本实施例中，测得制备的微弧氧化陶瓷膜层厚度为100μm，采用aln溶胶凝胶对其进行封孔，经过对本实施例制得的铝基板进行测试，其击穿电压为2500v，可知其绝缘性良好。

实施例5：

本实施例中，铝合金表面制备微弧氧化+溶胶凝胶复合涂层，包括如下步骤：

步骤1：对线切割的铝合金试样先经过除油除脂工艺后，先经过不同水砂纸磨制，再经抛光后水洗以备微弧氧化处理。

步骤2：依据铝合金微弧氧化电解液以硅酸钠为主，添加偏铝酸钠、四硼酸钠和al2o3粉末的微弧氧化电解液。

步骤3：采用双脉冲微弧氧化电源，通过调整正电压650v，负电压450v，正负脉冲数量20：1，频率800hz，占空比30％，通电时间5h，使铝合金表面形成陶瓷层厚度为200μm。

步骤4：去离子水超声清洗微弧氧化处理铝合金试样5min，以清除表面微孔中存在的电解液。

步骤5：采用粒径为50～500nm的α-al2o3粉末和粒径在50～100nm的aln粉末溶于去离子水和聚乙二醇的组合液，添加5.0wt％的聚乙烯吡咯烷酮作为分散剂，采用盐酸和氨水调节ph为5.5，65℃搅拌2h，静置回流24h，选取上清液进行后续实验。

步骤6：用浸渍提拉的方法，将铝合金微弧氧化层表面浸渍于α-al2o3+aln溶胶层，提拉速度为10cm/min。

步骤7：采用分级干燥的机制对试样进行处理，首先将试样在80℃下干燥15min，而后将其在50℃下干燥30min，最后在30℃下干燥30min，并冷却到室温。

步骤8：重复步骤6和步骤7，反复2次，保证α-al2o3和aln充分填充在微弧氧化层孔洞当中。

步骤9：对涂层进行150℃的热处理去除溶胶中的自由水与添加剂。

本实施例中，测得制备的微弧氧化陶瓷膜层厚度为100μm，采用α-al2o3+aln溶胶凝胶对其进行封孔，经过对本实施例制得的铝基板进行测试，其击穿电压为3000v，可知其绝缘性良好。

微弧氧化技术是一种直接在轻金属表面原位生长陶瓷膜的新技术，其原理是将al、mg、ti等轻金属或其合金置于电解质水溶液中作为阳极，利用电化学方法在该材料的表面产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，获得金属氧化物陶瓷层的一种表面改性技术，该技术工艺简单、绿色环保，膜层厚度与表面孔隙度可控，该绝缘层和金属散热层之间不需要粘接层，有利于芯片的散热，表面形成具有“火山口”形貌，增大了铜箔层和铝基板间的接触面积，有效地降低了热阻，而且微弧氧化陶瓷层本身具有优异的绝缘特性，用其替代导热绝缘层为电路板提供了优异的绝缘能力，在相同的绝缘能力下，热阻明显降低，从而使大功率电子要求器件的使用寿命增长、工作效率更佳。

微弧氧化陶瓷层的厚度与导热性成反比例变化，且陶瓷层越厚绝缘性越好，微弧氧化陶瓷层会存在一部分孔洞导致导热系数下降。由于本发明采用双脉冲微弧氧化电源，在微弧氧化过程中采用正负电压交替工作减少陶瓷层内部的孔洞，采用溶胶凝胶技术对铝基体表面微弧氧化层进行封孔处理，可以在降低微弧氧化陶瓷层的厚度的同时，有效地增加基板的导热性和绝缘性，突起部分对散热性能仍有显著提升，该方法实现了其陶瓷层与基体结合良好，能有效的隔离电流通过，导热性比传统的树脂类材料和单纯的微弧氧化陶瓷过渡层更好，该制备方法工艺比传统工艺简单、生产效率高、成本低的优势，使电子元器件具有一个稳定的工作环境，对电子元器件的使用性能和延长使用寿命具有重大意义，在led、电路板等应用方向具有很大的潜力。

本发明方法针对现有铝基板与镀铜层之间导热性、绝缘性、结合力差等问题进行了技术创新改进，该高性能导热绝缘陶瓷层的出现增强了铝基体与镀铜层间的导热性能，在led、电路板等电子领域具有较大应用潜力。

本发明先在铝合金表面制备特定微弧氧化陶瓷层，表面微孔孔径在纳米级；然后经去离子水超声清洗后，采用溶胶凝胶技术+提拉法在陶瓷层微孔内部填充具有高导热绝缘性的金属氧化物颗粒；最后，经干燥及热处理在基体表面形成具有一定结构的涂层。该涂层表面进行化学镀铜时无需经过粗化处理，采用传统的敏化、活化工艺，可以在基板表面获得导电层。

实验证实，上述微弧氧化+溶胶凝胶复合涂层结构具有优异的导热绝缘性能，陶瓷层厚度为50～200μm，绝缘性能随厚度增加而提升，热导率为15-25w/m·k，耐击穿电压为1500-3500v。

铝合金表面大厚度的微弧氧化陶瓷层比传统的塑料基板具有高阻抗性，高导热性，对陶瓷层表面的纳米级微孔采用溶胶凝胶技术封孔，可以明显提到热导率和绝缘性能。

微弧氧化陶瓷层通过改变双脉冲工作电源电压、频率、占空比和脉冲数量和电解液中添加al2o3颗粒改变陶瓷层致密度，利用溶胶凝胶技术对陶瓷层表面进行封孔，厚度仅增加几百纳米，但绝缘性与导热性明显提升，仍能保留微弧氧化后相对粗糙的表面，相对表面积大便于后期与导电层的结合。

本发明的复合涂层在保证导热绝缘层厚度可控，同时具有较高的击穿电压和热导率，该复合处理工艺制备复合涂层在led、电路板等大功率电子电路领域具有较大应用潜力。