LED 微弧氧化鋁基板及其表面金屬化技術(shù)研究

魏曉慧

（惠州學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，廣東 惠州 516007）

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）具有能耗低、壽命長及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，作為新型的固態(tài)節(jié)能綠色照明光源，隨著相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，已經(jīng)在許多應(yīng)用領(lǐng)域逐漸成為主流照明光源.為滿足日益增加的照明需求，LED 趨于向高亮度、大功率的方向發(fā)展.但隨著LED光源功率上升，其散熱問題也日漸突出，嚴(yán)重影響了LED的性能及壽命，限制了其發(fā)展.所以，散熱問題是大功率長壽命LED光源大范圍應(yīng)用需解決的關(guān)鍵問題，有效解決LED的散熱問題具有重要的意義［1］.

大功率LED的基板絕緣材料必須同時(shí)具有高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性以及電絕緣高等優(yōu)點(diǎn).目前廣泛使用的金屬基和聚合物基兩種基板性能各有優(yōu)缺點(diǎn).一般來講，在金屬鋁基材表面進(jìn)行陽極氧化處理，形成結(jié)合力牢固的氧化鋁層，絕緣性能優(yōu)良，導(dǎo)熱率也遠(yuǎn)大于常用的聚合物（有機(jī)材料絕緣層）覆銅板基本；并且在制作工藝上，陽極氧化具有工藝簡單、成本低、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，比聚合物散熱基板具有明顯優(yōu)勢.微弧氧化作為陽極氧化的改進(jìn)升級(jí)處理手段，具有比常規(guī)陽極氧化能量密度更大的優(yōu)點(diǎn)，獲得的氧化鋁膜層更加致密，從而可有效提高其絕緣性能［2］.

基于上文所述，文章對(duì)鋁基板表面采用微弧氧化處理技術(shù)制備絕緣層，通過直流磁控濺射方法在其表面鍍制導(dǎo)電膜.并對(duì)研制的鋁基板樣品進(jìn)行了絕緣性能、表面形貌、導(dǎo)電膜結(jié)合力等進(jìn)行測試分析.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 微弧氧化制備鋁基板絕緣層

1.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

微弧氧化設(shè)備主要包括微弧氧化電源、反應(yīng)池以及冷卻裝置等.其中，電源為自制電源設(shè)備，主要技術(shù)指標(biāo)：脈沖脈寬頻率范圍為100-2kHz；電壓最高為700 V，占空比范圍為5%-95%.

1.1.2 試驗(yàn)材料及方法

選用LY12鋁合金作為基板材料，是一種典型的硬鋁材料，作為LED散熱背板已有應(yīng)用，主要成分如表1所示.

表1 LY12鋁合金主要成分

試樣尺寸為40mm×40mm×4mm（也可根據(jù)需求更改），先用300#粗砂紙打磨后用拋光機(jī)對(duì)其表面進(jìn)行拋光，隨后用熱水清洗，并用丙酮溶液超聲清洗30分鐘，再用去離子水清洗.經(jīng)此過程清洗一方面可提高樣品表面整潔度，有利于氧化薄膜生長；另一方面可避免樣品表面雜質(zhì)進(jìn)入電解液，造成溶液污染.

1.2 磁控濺射制備導(dǎo)電膜

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用自研直流磁控濺射鍍膜設(shè)備，直流電源最大功率10kw，設(shè)備最優(yōu)真空度1×10-4Pa，有三個(gè)靶位，可裝入三個(gè)不同的金屬靶材，實(shí)現(xiàn)多層膜的制備，每個(gè)靶位配備獨(dú)立的進(jìn)氣管道，并配有質(zhì)量流量計(jì).

1.2.2 制備方法

將微弧氧化處理的基板，經(jīng)過超聲清洗并烘干后放置在磁控濺射基底架上，使用掩膜的方式將不需要鍍制電極的部分遮擋，以便于制備出所需形狀的電極.當(dāng)真空度達(dá)到后，用離子束轟擊的方法對(duì)基底表面進(jìn)行預(yù)處理，隨后逐層鍍制金屬薄膜.金屬薄膜分為兩層，首先鍍一層Cr 作為過渡層，可有效提高膜層的結(jié)合力，再鍍制一層Ni-Cu膜作為導(dǎo)電層，方便與LED的電路連接.

1.3 基板性能測試

樣品的絕緣性能由AR7710耐壓性能測試儀測量，導(dǎo)電膜層結(jié)合力由自研H50KT型拉力測試儀測量［3］.

2 實(shí)驗(yàn)與分析

微弧氧化和磁控濺射都是較為復(fù)雜的表面處理過程，會(huì)不同程度地影響最終的成膜質(zhì)量.根據(jù)實(shí)際應(yīng)用背景，本文將重點(diǎn)探討微弧氧化工藝對(duì)膜層絕緣性能和熱導(dǎo)率的影響以及磁控濺射工藝對(duì)金屬導(dǎo)電膜結(jié)合力的影響.

2.1 微弧氧化電解液成分對(duì)氧化膜絕緣性能的影響

微弧氧化工藝一般都選用弱堿性電解液，同時(shí)保證電解液應(yīng)具有吸附放電、導(dǎo)電、溶液穩(wěn)定以及膜層調(diào)整等功能［4］.不同的電解液成分，使得膜層的絕緣電阻和擊穿電壓發(fā)生相應(yīng)的變化，選取8 種不同的溶液成分，在其他條件相同的情況下（主成膜劑為6g/L，導(dǎo)電添加劑為2g/L，處理時(shí)間15 min，終止電壓460 V，占空比10%，頻率800Hz），試樣測試結(jié)果如表2所示.

表2 不同電解液成分制備的鋁基板絕緣性能

（續(xù)表2）

從表2可知，在未加入KOH的條件下，不同成分的電解質(zhì)溶液得到的氧化膜絕緣層的絕緣性低于同等條件并加入KOH情況下的絕緣性.并且Na2Si03為電解液主要成分下得到的氧化膜層所測得的絕緣性能更佳，究其原因是在以硅酸鹽成分的溶液環(huán)境中，Si032-一定程度上有助于陶瓷結(jié)晶相的生長，因而可以得到較多的結(jié)晶相氧化鋁，從而結(jié)晶相膜層更加均勻致密，使其具有良好的絕緣性能.此外，從實(shí)驗(yàn)中可以觀察到，在NaAlO 體系溶液在成膜過程中，微弧放電表現(xiàn)為不穩(wěn)定持續(xù)，這也一定程度上造成膜層較差的均勻性.（Na-PO3）6溶液由于本身腐蝕性較強(qiáng)，導(dǎo)致膜層粗糙度較高，使得致密性下降，并且結(jié)晶相的氧化鋁較少，從而造成其絕緣性能不佳［5］.

2.2 微弧氧化膜厚對(duì)基板熱導(dǎo)率的影響

在2.1節(jié)的研究基礎(chǔ)上，采用相同溶液配比和電源參數(shù)，通過改變微弧氧化處理時(shí)間，研究其對(duì)膜厚影響.發(fā)現(xiàn)在微弧氧化過程中，隨微弧處理時(shí)間的累加，氧化物膜層厚度會(huì)相應(yīng)地增加（見圖1）.進(jìn)一步，測試了不同處理時(shí)間下形成的氧化膜的耐壓性能和熱導(dǎo)率.

圖1 微弧氧化處理時(shí)間與氧化膜厚度、擊穿電壓以及熱導(dǎo)率的關(guān)系

可以發(fā)現(xiàn)，氧化物膜層厚度以及擊穿電壓隨處理時(shí)間累加而增加，而熱導(dǎo)率則呈下降趨勢.這也表明膜厚會(huì)對(duì)絕緣性能和熱導(dǎo)率均產(chǎn)生影響，并且處理時(shí)間加長還會(huì)導(dǎo)致氧化物膜層表面孔隙率增加，使其導(dǎo)熱率的下降趨勢更加明顯.由此，需要兼顧絕緣特性和熱導(dǎo)率，折中可考慮膜厚度，以實(shí)現(xiàn)絕緣性能滿足使用要求和基板散熱性達(dá)到最佳目的.基于此，可以得出，當(dāng)處理時(shí)間為15min 時(shí)，膜厚度約為14μm，熱導(dǎo)率為1.23W/m·K，高于傳統(tǒng)的FR-4 型的環(huán)氧樹脂絕緣層0.23W/m·K 的熱導(dǎo)率.同時(shí)擊穿電壓也達(dá)到了680V，能完全滿足耐受市電220V實(shí)際應(yīng)用要求.

2.3 磁控濺射工藝對(duì)金屬膜層結(jié)合力的影響

金屬導(dǎo)電膜層與基板絕緣氧化物膜層的結(jié)合力，是直接影響LED 基板的整體可靠性，在結(jié)合力較差的情況下會(huì)導(dǎo)致膜層開裂或脫落，從而影響使用壽命，甚至可能直接導(dǎo)致器件失效［6］.影響膜層結(jié)合力的主要因素包括金屬氧化物與金屬膜層之間的匹配程度、針對(duì)基底的預(yù)處理工藝以及濺射鍍膜的工藝參數(shù)等.

針對(duì)LED鋁基板表面金屬電極的膜系結(jié)構(gòu)的研究國內(nèi)外已經(jīng)開展較多，目前公認(rèn)的比較合理的結(jié)構(gòu)為過渡層-阻擋層-焊接層的三層結(jié)構(gòu)［7］.其中過渡層一般選擇Cr、Ni、Ti等與氧化物和金屬結(jié)合力都較高的金屬材料，這些金屬活性較高，有一定的擴(kuò)散率，可與部分氧化鋁的懸鍵結(jié)合，達(dá)到化學(xué)結(jié)合、擴(kuò)散和機(jī)械咬合的綜合狀態(tài)；阻擋層一般選擇擴(kuò)散系數(shù)小、高溫穩(wěn)定的Ni、Cu 等，能夠有效得阻擋高溫焊錫的熔蝕，焊接層，一般采用焊接性好、抗氧化、與焊料能無限互溶、阻抗低的金屬如Ag、Au、Pt、Cu等.綜合考慮結(jié)合力、工藝實(shí)現(xiàn)性等因素，采用Cr作為過渡層，Ni-Cu合金作為阻擋層.由于焊接層對(duì)結(jié)合力影響較小，不再制備焊接層（圖2）.

圖2 LED鋁基板結(jié)構(gòu)示意圖

磁控濺射工藝對(duì)金屬膜層結(jié)合力的影響較大，本文從基底預(yù)處理工藝、膜層厚度、濺射功率、鍍膜溫度、靶基距、濺射氣壓等方面進(jìn)行分析.

2.3.1 膜厚對(duì)結(jié)合力的影響

膜厚的變化會(huì)使薄膜的內(nèi)應(yīng)力隨之發(fā)生變化，從而影響薄膜的結(jié)合力.在磁控濺射鍍膜過程中，適當(dāng)?shù)膽?yīng)力會(huì)使得薄膜結(jié)合更加牢固，有助于獲得更好的結(jié)合力；而如果內(nèi)應(yīng)力過大，會(huì)導(dǎo)致薄膜結(jié)合力下降，甚至使膜層產(chǎn)生開裂或脫落.

分別對(duì)過渡層和阻擋層的厚度對(duì)結(jié)合力的影響進(jìn)行研究.首先保持Ni-Cu合金層1 000 nm不變，制備不同Cr 層厚度的樣品，測試其結(jié)合力，結(jié)果如圖3 所示.Cr 層厚度逐漸增加，結(jié)合力隨之增加，當(dāng)達(dá)到約200 nm 時(shí)，結(jié)合力達(dá)到6.4 MPa；之后，結(jié)合力隨Cr 層厚度增加而變小.因此，認(rèn)為Cr 層厚度達(dá)到約200nm，是較佳的工藝狀態(tài).

圖3 不同Cr層厚度的結(jié)合力

隨后保持Cr 層厚度200 nm 不變，制備了不同Ni-Cu合金層厚度的樣品，測試了其結(jié)合力，結(jié)果如圖4所示.起初隨著Ni-Cu合金層厚度的增加，結(jié)合力顯著增加，在900-1100 nm時(shí)達(dá)到約6.32 MPa的最高值，再增加厚度，結(jié)合力反而緩慢降低.由此，可以認(rèn)為Ni-Cu層厚度在900 nm 時(shí)結(jié)合力最佳，當(dāng)其超過1 100 nm后，由于過厚的合金層導(dǎo)致塑性及熱傳導(dǎo)降低，內(nèi)部壓應(yīng)力加大，導(dǎo)致結(jié)合力下降.

圖4 不同Ni-Cu層厚度的結(jié)合力

2.3.2 基底預(yù)處理對(duì)結(jié)合力的影響

基底表面狀態(tài)對(duì)結(jié)合力也有較大的影響.與基底的結(jié)合力實(shí)際上是范德瓦爾力、擴(kuò)散、機(jī)械咬合、靜電引力、化學(xué)鍵力等的綜合作用［8］.基底表面污染會(huì)使薄膜難以和基底直接接觸，造成兩者間的范德瓦爾力極大減弱，擴(kuò)散難以發(fā)生，致使結(jié)合力下降.磁控濺射技術(shù)鍍膜前常用處理方式有兩種，一是采用超聲波清洗，即將樣品放置在乙醇、丙酮或去離子水的超聲清洗機(jī)中清洗，可有效去除樣品表面的油污等；另一種是通過鍍膜前的高能離子轟擊基底表面，可清除表面吸附的氣體及有機(jī)物，還可提高表面活性，形成很薄的等離子聚合體，而產(chǎn)生的自由鍵使過渡層金屬原子和金屬氧化物中的原子形成牢固的鍵合，改善形核和生長狀態(tài)，增大界面結(jié)合強(qiáng)度［9］.

分別在未經(jīng)過預(yù)處理的樣品和經(jīng)過充分預(yù)處理的基底上鍍制了相同結(jié)構(gòu)的金屬膜層，對(duì)其進(jìn)行結(jié)合力對(duì)比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過預(yù)處理的樣品結(jié)合力顯著提高（表3）.

表3 不同預(yù)處理方式樣品結(jié)合力對(duì)比

2.3.3 濺射功率對(duì)結(jié)合力的影響

濺射功率是磁控濺射鍍膜的重要工藝參數(shù)，對(duì)成膜質(zhì)量影響較大，一般用單位面積的濺射功率表征.實(shí)驗(yàn)保持其他濺射條件不變，在不同濺射功率下制備了Cr（200nm）/Ni-Cu（900nm）結(jié)構(gòu)的金屬膜，測試其結(jié)合力如圖5所示.起初隨功率密度增加，薄膜結(jié)合力明顯提高，當(dāng)濺射功率達(dá)到25 W/cm2左右時(shí)，結(jié)合力為6.23 MPa，超過25 W/cm2后，結(jié)合力迅速下降.這是由于在一定的條件下，濺射功率的增加會(huì)使電離離子撞擊出的沉積粒子具有更高的能量，使基底表面膜層與基底結(jié)合能增大，但過快的沉積速率會(huì)使金屬膜層內(nèi)應(yīng)力過大，結(jié)構(gòu)不夠致密，反而降低了膜層結(jié)合力.因此，認(rèn)為25 W/cm2的濺射功率下得到的膜層結(jié)合力最佳.

圖5 不同濺射功率密度下的膜層結(jié)合力

2.3.4 濺射氣壓對(duì)結(jié)合力的影響

在磁控濺射鍍膜過程中，氬氣分壓的大小對(duì)薄膜的沉積過程及膜層性能都有重要的影響.濺射壓力較小時(shí)，濺射出來的原子和氣體分子的碰撞次數(shù)減少，損失的能量較小，可以提高沉積原子與基底的擴(kuò)散能力，從而提高薄膜的致密度和結(jié)合力；但是若濺射氣體的壓力太小，則濺射靶材原子數(shù)目較少，將降低薄膜沉積速率，還可導(dǎo)致濺射不能起輝或起輝不足.但若濺射氣壓過高，靶材原子與氣體的碰撞次數(shù)增加，損失能量過多，將造成到達(dá)基底的靶材原子能量過低，影響膜層的致密性和附著力.

圖6 不同濺射氣壓下的膜層結(jié)合力

實(shí)驗(yàn)保持其他濺射條件不變，在不同濺射氣壓下制備了Cr（200 nm）/Ni-Cu（900 nm）結(jié)構(gòu)的金屬膜，測試其結(jié)合力如圖6所示.起初隨功率增加，薄膜結(jié)合力明顯提高，當(dāng)濺射氣壓達(dá)到0.5Pa 之后時(shí)，結(jié)合力為6.4MPa，超過0.5Pa 后，結(jié)合力有所下降.因此，認(rèn)為0.5Pa的濺射氣壓最為合適.

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研制的LED鋁基板樣品的測試結(jié)果如表4所示：

制備的氧化鋁膜層的熱導(dǎo)率可達(dá)1.23 W/m·K，比傳統(tǒng)的FR-4 型的環(huán)氧樹脂絕緣層0.23W/m·K 的熱導(dǎo)率［10］提高了5 倍以上.在基板表面直接生長氧化物膜層，再鍍制導(dǎo)電膜層，相比傳統(tǒng)有機(jī)材料覆銅板的多層封裝工藝，可大大減少由于接觸面不平整導(dǎo)致的界面熱阻，因此這種膜層結(jié)構(gòu)相比常用的聚合物絕緣結(jié)構(gòu)可將有效提高基板的散熱性能.另外，其耐熱沖擊性能也能滿足在LED器件上應(yīng)用的焊接要求.

綜上所述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電解液的成分對(duì)氧化層的絕緣性能影響較大，加入了KOH 的Na2SiO3溶液制備的膜層具有最佳的絕緣性能，擊穿電壓可達(dá)684 V；而適當(dāng)?shù)幕最A(yù)處理可有效提高金屬導(dǎo)電膜層的結(jié)合力，采用Cr（200 nm）/Ni-Cu（900 nm）的膜系結(jié)構(gòu)，在25 W/cm2濺射功率和0.5Pa 濺射氣壓下制備的導(dǎo)電膜結(jié)合力可達(dá)6.4 MPa.

3 結(jié)論

（1）采用微弧氧化的方法在LED 鋁背板表面制備了金屬氧化物絕緣膜層，通過對(duì)在8 種不同溶液配比下制備的膜層絕緣性能研究，發(fā)現(xiàn)加入了KOH 的Na2SiO3溶液制備的膜層具有最佳的絕緣性能.

（2）通過微弧氧化制備氧化膜層處理時(shí)間研究，折中獲得了15分鐘最優(yōu)處理時(shí)間，得到氧化物膜層厚度約為14 μm，具有耐壓684 V 和熱導(dǎo)率1.23 W/m·K 的良好絕緣及熱傳導(dǎo)特性.

（3）微弧氧化絕緣膜層表面使用磁控濺射的方法制備了金屬薄膜層，通過對(duì)工藝參數(shù)的研究，發(fā)現(xiàn)各膜層厚度、是否表面預(yù)處理、濺射功率密度、濺射氣壓等因素都對(duì)最終成膜的結(jié)合力影響較大.并通過實(shí)驗(yàn)得到了最佳的工藝參數(shù)，依照此參數(shù)制備的鋁基板金屬層結(jié)合力可達(dá)6.4MPa.