LED陶瓷基板燒成用高溫超平板國(guó)產(chǎn)化探索研究

張文澤+范志輝+許林峰

摘 要：隨著LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，解決制約LED壽命的散熱陶瓷基板問(wèn)題也變得尤為重要，因此LED陶瓷基板燒成用高溫超平板的國(guó)產(chǎn)化研究也迫在眉睫。本工作通過(guò)對(duì)進(jìn)口超平板和試制超平板性能進(jìn)行對(duì)比，來(lái)探索超平板國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題的可能解決方法，為下一步的國(guó)產(chǎn)化研究奠定一定的理論基礎(chǔ)。凝膠注模成型未來(lái)有望成為解決國(guó)產(chǎn)超平板問(wèn)題的新工藝。

關(guān)健詞：LED；陶瓷基板；國(guó)產(chǎn)化

1 前言

隨著世界能源的日益緊缺，減少能源消耗、提高能源利用率成為當(dāng)前世人的共識(shí)。作為占全部電能消耗10 ～ 15%的照明行業(yè)，日益受到世界各國(guó)政府和專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的關(guān)注，成為節(jié)能技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。LED作為一種新型全固態(tài)照明器件，因其節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定性好成為世界照明技術(shù)發(fā)展的主流方向，世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)國(guó)家已將LED列為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)加以扶持和推動(dòng)[1]。在我國(guó)，以L(fǎng)ED路燈為切入點(diǎn)，通過(guò)近五年的努力，已使得LED照明形成了完善的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，并成為節(jié)能領(lǐng)域最重要的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域之一。

隨著LED照明的需求日益迫切，高功率LED的散熱問(wèn)題越發(fā)受到重視，因?yàn)檫^(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致LED發(fā)光效率的衰減，通常LED高功率產(chǎn)品輸入功率約15%能轉(zhuǎn)化成光，剩下85%的電能均轉(zhuǎn)換為熱能。LED運(yùn)作所產(chǎn)生的廢熱若無(wú)法有效散出，將會(huì)使LED結(jié)面溫度過(guò)高，進(jìn)而影響產(chǎn)品的生命周期、發(fā)光效率、穩(wěn)定性，對(duì)LED的壽命造成致命的影響。因此散熱問(wèn)題是LED產(chǎn)業(yè)永遠(yuǎn)無(wú)法逃避的重要課題，要提升LED的發(fā)光效率，必須解決散熱問(wèn)題?，F(xiàn)階段，LED整個(gè)系統(tǒng)的散熱瓶頸多數(shù)發(fā)生在將熱量從LED顆粒傳導(dǎo)至其基板再到系統(tǒng)電路板為主，所以高導(dǎo)熱散熱基板材料的選擇在LED散熱管理上占了極重要的一環(huán)。與目前一般LED產(chǎn)品所采用的金屬基板相比，陶瓷基板由于具有良好的導(dǎo)熱性能、電絕緣性能、較高的強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性等性能，成為高功率LED散熱材料的首選[2，3]。因此，包括Crcc、歐司朗、飛利浦及日亞化等國(guó)際大廠(chǎng)，都有使用陶瓷基板作為L(zhǎng)ED散熱材質(zhì)。

高功率、高亮度、小尺寸LED產(chǎn)品已逐步成為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)，因此對(duì)散熱基板本身的線(xiàn)路對(duì)位精準(zhǔn)度要求極為嚴(yán)苛，并且需要高散熱性、小尺寸、金屬線(xiàn)路附著性佳等性能，陶瓷基板作為印刷電路的基體就必須具備小尺寸、良好的加工強(qiáng)度以及很高的平整度。陶瓷材料都需在較高的溫度下燒成，這就對(duì)承燒的窯具材料提出了較高的要求：在接近1600℃高溫下具有較高的平整度、不變形，且抗熱震性好，高溫強(qiáng)度高。國(guó)外將符合這種要求的窯具承燒板稱(chēng)之為“超平板”。目前，LED企業(yè)陶瓷基板燒成用超平板仍需從日本等國(guó)進(jìn)口，價(jià)格昂貴，高達(dá)10萬(wàn)元 / 噸，而國(guó)產(chǎn)超平板往往存在高溫穩(wěn)定性差、同一性差以及高溫平整度不高等問(wèn)題。隨著LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，解決制約LED壽命的散熱陶瓷基板問(wèn)題也變得尤為重要，因此超平板的國(guó)產(chǎn)化也迫在眉睫。本工作通過(guò)對(duì)進(jìn)口超平板和試制超平板性能進(jìn)行對(duì)比，來(lái)探索超平板國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題的可能解決方法，為下一步的國(guó)產(chǎn)化奠定一定的理論基礎(chǔ)。

2 性能檢測(cè)

將進(jìn)口超平板和試制超平板送至佛山某檢測(cè)公司，進(jìn)行化學(xué)組成分析、常規(guī)物理性能和熱膨脹系數(shù)的檢測(cè)。按GB / T21114 - 2007對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)組成分析；按QB / T1010 - 1999和GB / T3810.3 - 2006測(cè)試試樣的體積密度及顯氣孔率；按GB / T3001 - 2007測(cè)試樣的常溫抗折強(qiáng)度；參照GB / T3810.8 - 1999檢測(cè)試樣室溫 ～ 1200℃的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)；將兩種超平板送至佛山某LED用散熱陶瓷基板生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)使用，對(duì)比其使用性能的差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 試樣的化學(xué)組成分析

進(jìn)口超平板和試制超平板試樣的化學(xué)組成分析如表1所示。

由表1可以看出：進(jìn)口超平板和試制超平板的Al2O3 + SiO2含量都>99%，其中進(jìn)口超平板的Al2O3含量略低于試制超平板，SiO2含量則略高于試制超平板，結(jié)合兩者的燒成溫度，兩種超平板的純度都比較高，主晶相應(yīng)該都為剛玉相和莫來(lái)石相，并且進(jìn)口超平板的莫來(lái)石相含量可能略高于試制超平板；進(jìn)口超平板的低熔點(diǎn)化合物（K2O、 Na2O、CaO、Fe2O3）含量都略高于試制超平板，這說(shuō)明在高溫?zé)蓵r(shí)，進(jìn)口超平板的液相含量會(huì)高于試制超平板，可能會(huì)使得進(jìn)口超平板制品相對(duì)于試制超平板更加致密。

3.2 試樣的常溫物理性能

由表2可以看出，進(jìn)口超平板的體積密度高于試制超平板，顯氣孔率低于試制超平板，這說(shuō)明進(jìn)口超平板比試制超平板更加致密，這可能是因?yàn)檫M(jìn)口超平板成型更致密，且存在有更多高溫液相，填充了氣孔，增加了致密性；進(jìn)口超平板的常溫抗折強(qiáng)度高于試制超平板，一方面是因?yàn)檫M(jìn)口超平板致密性更好，另一方面也有可能是因?yàn)楦喔邷匾合嗟拇嬖跁?huì)使得進(jìn)口超平板制品的基質(zhì)與骨料結(jié)合得更加緊密。

3.3 線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)

進(jìn)口超平板和試制超平板試樣在室溫 ～ 1200℃的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)如表3所示。

由表3可以看出，兩種超平板的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)相差不大，但進(jìn)口超平板的熱膨脹系數(shù)要小于試制超平板，這可能與兩者的主晶相含量有關(guān)，莫來(lái)石的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)（4.2 ～ 5.6 × 10-6·K-1）小于剛玉相（8.7 × 10-6·K-1），進(jìn)口超平板的莫來(lái)石相含量要高于試制超平板，剛玉相含量則低于試制超平板。

3.4 使用性能

將兩批進(jìn)口超平板和試制超平板送至佛山某陶瓷基板生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)使用，其中進(jìn)口超平板的使用壽命平均在10次左右，部分試制超平板使用壽命已經(jīng)接近于進(jìn)口超平板，但整體的使用性能不夠穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）進(jìn)口超平板和試制超平板的Al2O3 + SiO2含量都>99%，其中進(jìn)口超平板的Al2O3含量略低于試制超平板，SiO2含量則略高于試制超平板，低熔點(diǎn)化合物（K2O、 Na2O、CaO、Fe2O3）含量都略高于試制超平板；

（2）進(jìn)口超平板的體積密度和抗折強(qiáng)度都高于試制超平板；

（3）進(jìn)口超平板的現(xiàn)場(chǎng)使用平均壽命要高于試制超平板，且穩(wěn)定性更好。

5 展望

凝膠注模成型工藝自美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)90年代初發(fā)明以來(lái)，一直是材料學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，起初用于陶瓷的制備。凝膠注模成型工藝將傳統(tǒng)的陶瓷工藝與聚合物化學(xué)知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，將有機(jī)單體聚合成高分子的方法靈活地引入到陶瓷的成型工藝中，該工藝主要通過(guò)制備低黏度、高固相體積分?jǐn)?shù)的漿料，再將漿料中的有機(jī)單體聚合使?jié){料原位凝固，從而獲得高密度、高強(qiáng)度、均勻性好的坯體。坯體經(jīng)過(guò)干燥、排膠和燒結(jié)等工序后，可直接制備出復(fù)雜形狀的近凈尺寸部件。

凝膠注模成型作為一種先進(jìn)、靈活的材料制備工藝，有以下工藝特點(diǎn)：

（1）適用范圍廣，可制備單一材料或復(fù)合材料。

（2）已發(fā)展為水基凝膠注模工藝，使用低黏度高固相分?jǐn)?shù)的水基漿料，使用的有機(jī)含量少，坯體收縮少，可制備與部件尺寸接近或相同的部件。

（3）流動(dòng)的液態(tài)漿料充分填充于模具中，可制備出復(fù)雜形狀部件。

（4）生坯強(qiáng)度高，塑性較好，可機(jī)加工成更為精密的部件。

（5）對(duì)模具要求不高。

（6）由于預(yù)混液中除可排出的溶劑外，單體和增塑劑等可以全部使用有機(jī)物，燒結(jié)后部件純凈度高。

理想的凝膠注模成型工藝應(yīng)該滿(mǎn)足低成本、高可靠性、易于操作和控制，實(shí)現(xiàn)凈尺寸成型，適合規(guī)?；a(chǎn)，同時(shí)對(duì)環(huán)境友好[4]。在實(shí)際操作時(shí)需注意和解決：

（1）高的坯體密度可保證坯體質(zhì)量，減少燒結(jié)收縮率，提高制品的密度，降低燒結(jié)成本，利于規(guī)?；a(chǎn)。

（2）坯體密度均勻是保證材料可靠性的關(guān)鍵。

目前，凝膠注模成型技術(shù)已在A(yíng)l2O3、ZrO2、AlN、Si3N4等精密陶瓷部件的近凈尺寸成型中得到了廣泛應(yīng)用。該工藝技術(shù)在陶瓷、耐火材料、粉末冶金等領(lǐng)域備受關(guān)注，相較于耐火材料工藝中傳統(tǒng)的機(jī)械方法成型，凝膠注模成型所制備的材料的顯微結(jié)構(gòu)均勻致密，具備良好的物理化學(xué)性能以及使用性能，且材料的穩(wěn)定性更佳，適合于高級(jí)耐火材料的制備[5]。

通過(guò)對(duì)比進(jìn)口超平板和試制超平板的性能，我們可以看出，試制超平板的化學(xué)組成、常溫物理性能和熱膨脹系數(shù)都基本接近于進(jìn)口超平板，部分試制超平板的現(xiàn)場(chǎng)使用壽命也接近于進(jìn)口超平板，但影響試制超平板替代進(jìn)口超平板的主要問(wèn)題是使用的穩(wěn)定性。

所以，采用凝膠注模成型工藝來(lái)制備LED 陶瓷基板燒成用超平板，有望解決國(guó)產(chǎn)超平板所存在的高溫穩(wěn)定性差、同一性差以及高溫平整度不高等問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 何國(guó)強(qiáng).LED照明應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]. 科技傳播，2013（2）：49-51.

[2] 李華平，柴廣躍，彭文達(dá)，等.大功率LED的封裝及散熱基板研究[J].半導(dǎo)體光電，2007，28（1）：47.

[3] 張強(qiáng)，孫東立，武高輝.電子封裝基片材料研究進(jìn)展[J]. 材料科學(xué)與工藝，2000，8（4）：102.

[4] 卜景龍，劉開(kāi)琪，王志發(fā)，鞏甘雷. 凝膠注模成型制備高溫結(jié)構(gòu)陶瓷 [M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：1-2，7.

[5] 黃勇，楊金龍.高性能陶瓷成型工藝進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，1995（4）：4-11