高反射率LED 陶瓷基板制備及其COB 封裝光源光效的研究

吳崇雋

(鄭州中瓷科技有限公司，鄭州市功能陶瓷工程技術(shù)研究中心，河南 登封 452470)

0 引 言

普通陶瓷基板一般是用氧化鋁粉體通過流延、軋膜或凝膠注模等方法成型，在高溫下燒結(jié)制成片狀陶瓷板材。在陶瓷基板上印刷厚膜電路，就可以成為L(zhǎng)ED 用陶瓷電路板。高反射率陶瓷基板比普通的氧化鋁陶瓷基板在反射率上有很大提高，可以提高LED 光源的發(fā)光效率；在同等光通量的情況下，可減少在基板上搭載的LED 芯片數(shù)量，降低LED 的生產(chǎn)成本[1]。

普通陶瓷基板和鏡面鋁基板進(jìn)行COB（Chips on Board）封裝后，由于鏡面鋁基板的熱導(dǎo)率和反射率高于普通陶瓷基板，所以用鏡面鋁基板封裝的光源，其發(fā)光效率高于普通陶瓷基板[2]。通過測(cè)量，陶瓷基板的抗擊穿電壓大于15kV/mm，而鏡面鋁基板的抗擊穿電壓指標(biāo)只有2.5kV/mm。普通陶瓷基板的反射率是92%，鏡面鋁基板的反射率是98%，通過提高陶瓷基板的反射率，從而提高陶瓷基板COB 封裝光源的光效。陶瓷基板有絕緣的優(yōu)勢(shì)，在有擊穿電壓要求的LED 領(lǐng)域，陶瓷基板就有廣泛的用途。

在氧化鋁陶瓷基板中摻雜Y2O3、MgTiO3、CaTiO3等添加劑可以提高陶瓷基板的介電常數(shù)[3]。本文在氧化鋁陶瓷基板中，提高氣孔率，摻雜不同的氧化物，尋找提高陶瓷基板反射率的方法。用不同反射率陶瓷基板封裝的COB 光源作為試驗(yàn)組，鏡面鋁基板封裝的COB 光源作為對(duì)比組，研究陶瓷基板的反射率。與其封裝的COB 光源的光效之間的關(guān)系，驗(yàn)證高反射率陶瓷基板封裝光源的光效，是否能夠達(dá)到鏡面鋁基板封裝光源的光效。

1 高反射率陶瓷基片的制備

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在陶瓷體系中最大的反射效應(yīng)取決于粒子與介質(zhì)的相對(duì)折射率（m=n粒子/n介質(zhì)），菲涅爾（Fresnel）公式說明，完全光滑表面上的鏡面反射率是由折射率決定的：

R是反射率，n1，n2分別是兩種介質(zhì)相對(duì)于真空的折射率。當(dāng)n1，n2差值越大，反射率越高。

從微觀角度看，光學(xué)現(xiàn)象都是光子散射的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。所以，反射也是一種散射行為，散射顯著受到粒子尺寸的影響，最大的散射發(fā)生在粒子尺寸與輻射波長(zhǎng)相等的時(shí)候[4]。

在普通陶瓷基板中，加大粒子之間的相對(duì)折射率，控制粒子的尺寸與入射光波長(zhǎng)盡量接近，適當(dāng)增加陶瓷基板的厚度，都可以提高陶瓷基板的反射率。

1.1.1 方案一

氧化鋁陶瓷中，氧化鋁晶體相的折射率n1=1.76，氣孔相的折射率n2=1，從而得到1.76 的高相對(duì)折射率。通過提高陶瓷基板的反射率，可以提高基板氣孔率。在氧化鋁粉體中加入4%的燒結(jié)助劑，通過調(diào)節(jié)燒成溫度，獲得不同密度和氣孔率的96%氧化鋁陶瓷基板，用來驗(yàn)證氣孔率對(duì)陶瓷基板反射率的影響。

1.1.2 方案二

為了在提高氧化鋁陶瓷反射率的同時(shí)，不降低其抗彎強(qiáng)度，故在氧化鋁體系中摻雜折射率差值大的氧化物。吸收系數(shù)大的材料其反射率低，因此摻雜氧化物應(yīng)該為白色；ZnO、SnO2、ZrO2的折射率分別為2.0、2.0、2.2，而且是適合氧化鋁陶瓷燒結(jié)的白色氧化物。

將ZnO、SnO2、ZrO2分別與Al2O3組成不同的原料配方列為表1 所示。按此配方制得陶瓷基板，用來驗(yàn)證摻雜高折射率氧化物能否提高陶瓷基板反射率。

1.2 基板的制備

高反射率陶瓷基板采用α 氧化鋁粉為主要材料，試驗(yàn)用氧化鋁粉體的主要指標(biāo)如下，Al2O3：99.69%；SiO2：0.064%；Fe2O3：0.021%；NaO：0.015%；灼燒：0.21%；加入SiO2、MgO、CaO、Y2O3、CeO2中的一種或幾種作為燒結(jié)助劑，調(diào)節(jié)基板的燒成溫度和氣孔率；用ZnO、SnO2、ZrO2分別摻雜到氧化鋁里面，用于提高反射率和抗彎強(qiáng)度；選用無水乙醇和丁酮的二元共沸混合物做溶劑，磷酸酯作為分散劑，聚乙烯縮丁醛做粘接劑，鄰苯二甲酸二丁酯做增塑劑。

表1 摻雜氧化鋁陶瓷基板的配方Tab.1 Formulation of doped alumina ceramic substrate

首先將氧化鋁粉體、燒結(jié)助劑或摻雜氧化物、分散劑和溶劑加入球磨機(jī)，球磨分散24 小時(shí)后，再加入粘接劑和增塑劑二次球磨24 小時(shí)，從球磨機(jī)里出料，通過真空脫泡獲得粘度為20000-24000mPa·s 的流延漿料，在流延機(jī)上流延成型，用沖床裁切成長(zhǎng)141mm、寬141mm、厚1.18mm 的流延生坯片；所得流延生坯片在1580℃-1610℃的窯爐中燒結(jié)，高溫保溫3.5h，燒結(jié)成120×120×1.0mm 規(guī)格的陶瓷基片，作為測(cè)試分析用。

試驗(yàn)中所涉及的儀器設(shè)備如無特別說明，均為常規(guī)儀器設(shè)備；所涉及的工業(yè)原料如無特別說明，均為市售常規(guī)工業(yè)原料。

1.3 性能測(cè)試及表征

將試驗(yàn)方案一和試驗(yàn)方案二所得到的陶瓷基板進(jìn)行測(cè)試。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察燒后樣品的微觀形貌和結(jié)構(gòu)；采用阿基米德排水法測(cè)量燒結(jié)樣品的體積密度；采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量樣品的抗彎強(qiáng)度；采用WSB-2 臺(tái)式白度儀測(cè)量樣品的白度；采用C84-Ⅲ反射率測(cè)定儀測(cè)量陶瓷基片的反射率。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化鋁陶瓷基板的性能和結(jié)構(gòu)

將試驗(yàn)方案一所制備的96%氧化鋁陶瓷流延生坯在不同的溫度下燒成，得到了不同密度的陶瓷基板，具有性能如表2 所示。

將96%氧化鋁陶瓷基板氣孔率從小到大作為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的反射率和抗彎強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)，制得圖1。

由圖1可以看出，當(dāng)陶瓷基板的氣孔率從3.3%增加到25.4%時(shí)，反射率從92.1%增加到102.7%，說明氣孔率的增加，確實(shí)導(dǎo)致了反射率的增加；同時(shí)，當(dāng)陶瓷基板的氣孔率增加時(shí)，抗彎強(qiáng)度也從425MPa降低到167MPa，說明盡管氣孔率增加，使得反射率增加，但是也導(dǎo)致了抗彎強(qiáng)度下降。如果抗彎強(qiáng)度低于300MPa，陶瓷基板容易斷裂，也不符合96 氧化鋁陶瓷基板的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5]，沒有實(shí)用性。

表2 不同密度的96%氧化鋁陶瓷基板的性能Tab.2 Performance of 96% alumina ceramic substrates with different densities

圖1 氣孔率對(duì)氧化鋁陶瓷基板反射率和抗彎強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of porosity on reflectance and flexural strength of alumina ceramic substrate

將96%氧化鋁陶瓷基板斷面進(jìn)行電子顯微鏡掃描，觀察陶瓷基板微觀氣孔和氧化鋁晶粒的形貌和尺寸，按照氣孔率從小到大，如圖2 所示。

由圖2 陶瓷基板的顯微照片可以看出，當(dāng)氣孔率只有3.3%時(shí)，陶瓷燒結(jié)完成，氣孔很少，抗彎強(qiáng)度高，反射率低。當(dāng)氣孔率為10.4%時(shí)，氣孔的直徑接近1μm，由于氣孔的折射率接近于1，氧化鋁固體的折射率為1.76，從而得到接近1.8 的高相對(duì)折射率，使得基板的反射率也高達(dá)99.7%，抗彎強(qiáng)度降到247MPa。當(dāng)氣孔率25.9%時(shí)，陶瓷基板沒有燒結(jié)，有大量0.5μm 左右的小氣孔?？梢姽獠ㄩL(zhǎng)范圍是0.39μm-0.76μm。當(dāng)氣孔的直徑與可見光的波長(zhǎng)相近時(shí)，陶瓷基板的反射率增加。此時(shí)，陶瓷基板的反射率超過了標(biāo)準(zhǔn)板的反射率，達(dá)到102.7%；白度也超過標(biāo)準(zhǔn)白板的白度，達(dá)到100.3%，但是抗彎強(qiáng)度只有167MPa。因此，單純靠提高氣孔率，想把陶瓷基板的反射率提高到99%以上，會(huì)導(dǎo)致陶瓷基板強(qiáng)度下降，不能作為工業(yè)產(chǎn)品正式推向市場(chǎng)。

圖2 不同氣孔率的96%氧化鋁陶瓷基板SEM 斷面圖Fig.2 SEM cross-section images of 96% alumina ceramic substrates with different porosities

2.2 摻雜氧化鋁陶瓷基板的性能和結(jié)構(gòu)

為了彌補(bǔ)氣孔率上升導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度下降的影響，在氧化鋁基板里摻雜白色氧化物，尋找既能增加反射率，又能提高抗彎強(qiáng)度的方法。將試驗(yàn)方案二不同摻雜配方的陶瓷基片板分別測(cè)量密度、抗彎強(qiáng)度、氣孔率度和反射率，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

表3 不同摻雜配方的氧化鋁陶瓷基板性能Tab.3 Properties of alumina ceramic substrates with different doping formulations

表3 的測(cè)試結(jié)果表明，摻雜ZnO 的1#配方抗彎強(qiáng)度偏低，反射率98.4%，大于普通陶瓷基板92%的反射率；摻雜SnO2的2#配方，白度最高，反射率達(dá)到99.6%，是所有配方中最高的，抗彎強(qiáng)度385MPa，大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的300MPa，是高反射率陶瓷基板的可選配方；摻雜ZrO2的3#配方，抗彎強(qiáng)度為412MPa，達(dá)到目前質(zhì)量較好的96%氧化鋁陶瓷基板的指標(biāo)，反射率也達(dá)到99.2%的高水平，可以成為優(yōu)良品質(zhì)的高反射率陶瓷基板；當(dāng)ZrO2含量增加一倍，到達(dá)15%時(shí)，陶瓷基板的抗彎強(qiáng)度達(dá)到787MPa，反射率也達(dá)到98.6%的高水平。由此可見，4#配方可以制成高強(qiáng)度、高反射率的陶瓷基板。

為了觀察摻雜氧化物和氧化鋁的晶粒分布和粒徑大小，將不同摻雜配方的陶瓷基板進(jìn)行電子顯微鏡背散射掃描，如圖3 所示。

分析四種不同摻雜配方陶瓷基片的掃描電鏡照片和性能測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，1#配方氣孔率為8.8%，晶粒發(fā)育不好，抗彎強(qiáng)度只有315MPa，不推薦用作陶瓷基板；2#配方從顯微照片看燒結(jié)較好，氣孔率卻高達(dá)10.1%，反射率是最高的達(dá)到99.6%，抗彎強(qiáng)度也達(dá)到實(shí)用的385MPa，可以用作高反射率陶瓷基板；3#和4#配方，摻雜的是ZrO2，其折射率為2.2，在摻雜的幾種原料中是最高的。相對(duì)Al2O3折射率為1.25，從背散射照片來看，白色晶粒是ZrO2，晶粒尺寸在1μm 左右，接近入射光的波長(zhǎng)。其中3#配方氣孔率達(dá)到8.5%，與折射率較大的ZrO2同時(shí)起作用，使得反射率達(dá)到99.2%。從成本來說，3#配方成本較低，反射率較高，抗彎強(qiáng)度也達(dá)到氧化鋁陶瓷基板的要求，推薦用于高反射率陶瓷基板；4#配方摻雜 ZrO2較多，氣孔率只有3.4%，反射率仍然到達(dá)98.6%，說明1μm 左右的ZrO2晶粒起到了反射可見光的作用。隨著ZrO2含量的增加，抗彎強(qiáng)度高達(dá)787MPa，說明ZrO2不僅提高反射率，也起到了相變?cè)鲰g提高陶瓷基板抗彎強(qiáng)度的作用。但是這個(gè)配方生產(chǎn)成本較高，適用于高強(qiáng)度陶瓷基板。

圖3 四種不同配方的摻雜氧化鋁陶瓷基板SEM 背散射圖Fig.3 SEM backscattering images of doped alumina ceramic substrates with four different formulations

3 COB 封裝光源光效

3.1 中瓷高反射率陶瓷基板和日本普通陶瓷基板封裝成COB 后光效的比較

3.1.1 COB 封裝

試驗(yàn)組支架采用3#配方制成的1512 中瓷99%反射率陶瓷基板，對(duì)比組支架采用1512 日本進(jìn)口92%反射率常規(guī)陶瓷基板；芯片采用三安17*34(452.5-455/183-190/3.0-3.1)，27 個(gè)芯片9 個(gè)串聯(lián)3 組并聯(lián)；烘烤條件為150℃保溫3H；測(cè)試機(jī)臺(tái)是ATA-1000 遠(yuǎn)方測(cè)試儀；測(cè)試條件為300 ma/30V；試驗(yàn)組和對(duì)比組各封裝5 個(gè)COB 光源。

封裝好的1512COB 光源如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)組COB：中瓷1512 高反射率基板（99%）Fig.4 COB test group:Sinocream 1512 high reflectivity ceramic substrate (99%)

圖5 對(duì)比組COB：日本1512 常規(guī)反射率基板（92%）Fig.5 Comparison group:Japanese 1512 conventional reflectivity substrate (92%)

3.1.2 測(cè)試結(jié)果與分析

上述試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5 所示：二組物料試驗(yàn)打靶落點(diǎn)位置相當(dāng)，色區(qū)60G；試驗(yàn)組高反射率陶瓷基板1512COB 平均亮度為1093.0lm，光效為136.67lm/w；對(duì)比組日本普通陶瓷基板1512COB平均亮度為1030.5lm，光效為128.41lm/w；高反射率基板比常規(guī)反射率基板平均亮度高出62.5lm，光效高出6.43%。

試驗(yàn)證明：99%反射率陶瓷基板比普通92%反射率陶瓷基板的光效也成比例高出相應(yīng)的6%-7%。

表4 試驗(yàn)組中瓷99%反射率基板1512COB 測(cè)試結(jié)果Tab.4 1512 COB test results of Sinocream 99% reflectivity ceramic substrate in test group

表5 對(duì)比組日本常規(guī)92%反射率陶瓷基板1512COB 測(cè)試結(jié)果Tab.5 1512 COB test results of Japanese 92% conventional reflectivity ceramic substrate in comparison group

3.2 中瓷高反射率陶瓷基板和德國(guó)鏡面鋁基板封裝成COB 后光效的比較

3.2.1 COB 封裝

試驗(yàn)組支架采用3#配方制成的1919 中瓷99%高反射率陶瓷基板，對(duì)比組支架采用1919 德國(guó)進(jìn)口98%反射率鏡面鋁基板；芯片采用三安1231/452.5-455/190-197/3.0-3.1/120mA/厚度150μm，108顆芯片，54 個(gè)串聯(lián)2 組并聯(lián)；測(cè)試機(jī)臺(tái)是ATA-1000遠(yuǎn)方測(cè)試儀，測(cè)試條件為300 mA/ 160-170V。試驗(yàn)組和對(duì)比組各封裝8 個(gè)COB 光源。

封裝好的1919COB 如圖6、圖7 所示。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

上述試驗(yàn)結(jié)果如表6、表7 所示：高反射率陶基板1919COB 平均亮度4840lm，光效95.82lm/w；鏡面鋁基板1919COB 平均亮度4755lm，光效94.66lm/w；高反射率陶基板COB 比鏡面鋁基板COB 的光效高1.22%。

圖6 試驗(yàn)組COB：中瓷1919 高反射率陶瓷基板Fig.6 Test group COB:Sinocream 1919 high reflectivity ceramic substrate

圖7 對(duì)比組COB：德國(guó)1919 鏡面鋁基板Fig.7 Comparison group COB:Germany 1919 mirror aluminum substrate

表6 試驗(yàn)組中瓷99%反射率陶基板1919COB測(cè)試結(jié)果Tab.6 1919 COB test result of Sinocream 99%reflectivity ceramic substrate in test group

試驗(yàn)證明：99%高反射率陶瓷基板封裝的COB 光源比98%反射率鏡面鋁基板封裝的COB光源，其光效也成比例的高出1-2%。

表7 對(duì)比組德國(guó)98%反射率鏡面鋁基板1919COB 測(cè)試結(jié)果Tab.7 1919 COB test results of German 98% reflectivity mirror aluminum substrate in comparison group

4 結(jié) 論

（1）在96%氧化鋁陶瓷基板中增加氣孔率，可以把陶瓷基板的反射率從92.1%，提高到102.7%，相應(yīng)的抗彎強(qiáng)度從425MPa，降低到167MPa。

（2）在Al2O3中摻雜7.5%SnO2制成的陶瓷基板，反射率可以高達(dá)99.6%，抗彎強(qiáng)度能達(dá)到385MPa。

（3）在Al2O3中摻雜7.5%的ZrO2制成的陶瓷基板，反射率達(dá)到99.2%，抗彎強(qiáng)度為412MPa，由于其生產(chǎn)成本低，適合用于高反射率陶瓷基板。

（4）在Al2O3中摻雜15%的ZrO2制成的陶瓷基板，抗彎強(qiáng)度可以高達(dá)787MPa，反射率可以達(dá)到98.6%。

（5）采用7.5%ZrO2摻雜的99%高反射率陶瓷基板制成的1512COB，比采用92%反射率普通陶瓷基板制成的1512COB，光效高出6%-7%。

（6）采用 99%高反射率陶瓷基板制成的1919COB，比采用98%反射率鏡面鋁基板制成的1919COB，光效高出1%-2%。

（7）用高反射率陶瓷基板制作的LED 電路板，與鏡面鋁LED 電路板的生產(chǎn)成本相比略低，用高反射率陶瓷基板封裝的COB 光源的光效，比鏡面鋁基板封裝的COB 光源的光效略高，而陶瓷基板的耐電壓沖擊能力比鏡面鋁基板大約高6 倍。