專利名稱：LED散熱基板用Al₂O₃陶瓷材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及LED散熱基板用材料領域技術，尤其是指一種LED散熱基板用Al2O3陶瓷材料。
背景技術：
LED是發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)的簡稱，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態(tài)的半導體器件，在照明及背光源等領域有著廣闊的市場前景。
近年來，隨著半導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、交通標志、LCD背光源、汽車照明、廣告牌等特殊照明領域得到應用，并向普通照明市場邁進。然而，隨著LED芯片輸入功率的不斷提高，大耗散功率帶來的大發(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。對高功率LED產品來講，其散熱基板材料要求具有高電絕緣性、高穩(wěn)定性、高導熱性及與芯片匹配的熱膨脹系數(CTE)、平整性和較高的強度。
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板的熱傳導率約在0. 36ff/(m · K)、熱膨脹系數約在13 17ppm/K。其優(yōu)點是技術相對成熟，成本低廉，缺點是熱性能較差，一般只能應用于傳統(tǒng)的低功率LED。MCPCB 板是將熱導系數相對高的金屬(如鋁、銅)裝進PCB板內，以此來強化散熱效果。但MCPCB 板中絕緣層導熱系數極低，因此絕緣層成為該結構基板的散熱瓶頸，影響整個基板的散熱效果，使得整體的熱導率也只為1 2. 2 W/(m ·Κ)；同時由于絕緣層的存在，使得其無法承受高溫焊接，從而影響了封裝工藝的實施，限制了封裝結構的優(yōu)化，因此不利于LED散熱。
高純Al2O3陶瓷室溫下的熱導率為_ (m · K)，與鋼鐵的熱導率接近，且具有高絕緣性能、與元器件相近的線膨脹系數、高的化學穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點；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板是整個行業(yè)的發(fā)展趨勢，Al2O3陶瓷材料在功率型LED散熱基板領域有著廣闊的應用前景。
然而，由于Al2O2自身陽離子電荷多，半徑小，離子鍵強的特點，導致其晶格能較大，擴散系數較低，燒結溫度高。一般純氧化鋁陶瓷的燒結溫度在1800度左右，這樣高的燒結溫度在工業(yè)上較難普遍實現，不利于節(jié)約能耗；且窯爐與窯具的使用壽命短，生產周期長，生產效率低；陶瓷結構上也會存在較多的缺陷，對材料力學性能不利。這使得Al2O3陶瓷在LED散熱基板領域的應用和推廣受到極大限制。
目前國內外科學工作者或以高純超細氧化鋁粉為原料、或采用先進的燒結工藝、 以Ti02、Cr203> Fe2O3^ MnO2等變價氧化物為燒結助劑來獲得燒結溫度低、晶粒細小的氧化鋁粉陶瓷。但原材料及設備成本過高，產能低，使得生產成本仍然較高；且用變價氧化物作燒結助劑時不能獲得白色的氧化鋁陶瓷，因而其應用范圍并不大。此外，盡管國內成功開發(fā)出燒結溫度低于1000°C的低溫共燒Al2O3陶瓷材料并實現產業(yè)化，但為了降低燒結溫度，加入了高達30wt% 40wt%的導熱性能不好的玻璃組分，使得這類陶瓷材料的導熱系數只有滿足大功率LED器件的散熱要求。
因此，開發(fā)出同時具有較高導熱系數和較低燒結溫度的Al2O3陶瓷材料將極大促進其在LED散熱基板領域的應用和推廣。發(fā)明內容
針對現有技術的不足，本發(fā)明提供了一種LED散熱基板用Al2O3陶瓷材料，克服現有Al2O3陶瓷材料燒結溫度高、導熱系數低和生產成本過大的缺陷。
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，按質量百分比計，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的含量對該材料的燒結溫度和導熱系數有較大影響，Al2O3含量愈高， 則燒結溫度愈高，導熱系數愈大；反之，則燒結溫度愈低，導熱系數也愈小。
然而，由于該CaO、BaO, SiO2在燒成過程中能與Al2O3生成低熔點的鈣鋇玻璃，起到降低燒結溫度的作用。因此，適量的加入，可顯著降低瓷體的燒結溫度，增加瓷體的密度。 但由于這類玻璃導熱性能不佳，如加入量過高，將會明顯降低瓷體的導熱系數，且容易在瓷體內產生氣孔及微裂紋，降低瓷體的密度。此外，通過改變玻璃組分中CaO、BaO, SiO2的含量比，可以調整玻璃相的熔點、熱膨脹系數及浸潤性，使其滿足不同含量Al2O3陶瓷的工藝要求。
同時，由于MgO能與Al2O3生成鎂鋁尖晶石，提高了晶界結合力，因此MgO的含量對 Al2O3陶瓷的密度影響很大。MgO的適量添加，可使瓷體獲得細晶的微觀結構，增加陶瓷的密度。這是因為MgO與Al2O3在高溫下可發(fā)生固相反應，在晶界上形成尖晶石相，阻礙了 Al2O3 晶粒的長大，這時MgO是Al2O3燒結過程中的顯微結構穩(wěn)定劑。而MgO的過量添加，使其極易與Al2O3反應形成第二相，對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，促進了燒結。但當^O2的加入過多時，陶瓷的燒結溫度將會增加。
本發(fā)明采用CaO-MgO-SiO2-BaO-ZiO2系低熔點玻璃作為Al2O3陶瓷的燒結助劑，不但解決了現有Al2O3陶瓷材料燒結溫度過高的缺陷，能將燒結溫度降低至1350°C 1500°C， 明顯降低了能耗和生產成本，同時產品成品率可達95% ；而且使得本申請之Al2O3陶瓷材料保持較高的熱傳導系數，同時具有較高導熱系數和較低燒結溫度。其燒結溫度介于1350 1500°C之間，導熱系數介于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，具有良好的市場前景和商業(yè)價值。
具體實施方式
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下述實施例中組分的百分比(％)，除另有說明外，系指質量百分比。
實施例1:按組分=Al2O3 95%, CaO 1%, MgO 1%, BaO :0. 5%, SiO2 :2%，ZrO2 :0. 5% 進行配比，經 1500°C溫度燒結，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率達96%。經測驗，所制得之Al2O3陶瓷材料的導熱系數為18W/(m · K)，瓷體密度3. 75g/cm3，體積電阻率大于IO13 Ω cm。
實施例2:按組分=Al2O3 90%, CaO :2%，MgO :1. 5%, BaO :1. 0%, SiO2 :4. 8%, ZrO2 :0. 7% 進行配比，經 1450°C溫度燒結，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率達95%。經測驗，所制得之Al2O3陶瓷材料的導熱系數為17W/(m · K)，瓷體密度3. 70g/cm3，體積電阻率大于IO14 Ω cm。
實施例3:按組分=Al2O3 89%, CaO :3%，MgO :0. 8%, BaO :1. 1%，SiO2 :5. 5%, ZrO2 :0. 6% 進行配比，經 1400°C溫度燒結，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率達95. 5%。經測驗，所制得之Al2O3陶瓷材料的導熱系數為16W/(m · K)，瓷體密度3. 60g/cm3，體積電阻率大于IO14 Qcm,。
實施例4 按組分=Al2O3 85%, CaO :2%,Mg0 :3%，Ba0 :2%,Si02 7%, ZrO2 :1% 進行配比，經 1350°C溫度燒結，可制得Al2O3陶瓷材料，其成品率達97%。經測驗，所制得之Al2O3陶瓷材料的導熱系數為15ff/(m · K)，瓷體密度3. 45g/cm3，體積電阻率大于IO15 Qcm0
權利要求
1. 一種LED散熱基板用Al2O3陶瓷材料，其特征在于按質量百分比計，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)明公開了一種LED散熱基板用Al2O3陶瓷材料，克服現有材料燒結溫度過高、導熱系數低和生產成本過大的缺陷。本發(fā)明之陶瓷材料按質量百分比計，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陶瓷的燒結助劑，在1350℃～1500℃的較低溫度下就可以燒結出致密的A12O3陶瓷，明顯降低了能耗和生產成本，同時產品成品率可達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C04B35/10GK102503382SQ20111034457
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權日2011年11月4日
發(fā)明者劉浩 申請人:東莞市凱昶德電子科技股份有限公司