CN101661977A - 一种用于大功率led封装的绝缘金属基板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大功率LED封装的绝缘金属基板的制备方法。该种方法以具有高导热性的铝、铜等金属为基板，基板的表面是导热绝缘层，导热绝缘层上置有金属化层。这种绝缘金属基板的特点是其导热绝缘层为陶瓷状薄膜，其成份是含有高导热陶瓷微粒的陶瓷基复合材料。制作时先用机械或化学的方法对金属表面进行预处理，经过去油、水洗、烘干后，得到清洁平整的工件表面。采用浸涂或喷涂的方法将配制好的聚合物先驱体浆料涂装在工件表面，放入100℃～1000℃的热处理炉中处理3～6个小时后，得到具有陶瓷绝缘层的金属基板。最后再利用溅射、蒸镀、化学镀等工艺在陶瓷绝缘层的表面覆盖导电层，即可获得该种绝缘金属基板。本发明在保证了金属基板良好的电绝缘性、耐热性、加工性和机械强度的同时，提高了金属基板的导热性能，从而满足了大功率LED对于高导热封装材料的要求。

Description

一种用于大功率LED封装的绝缘金属基板的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种具有优良导热性能的绝缘金属基板的制备方法，及根据上述方法制备的绝缘金属基板，可用作大功率LED芯片的封装基板。属于电子封装技术领域。

背景技术：

随着电子工业的飞速发展，电子产品的体积越来越小，功率密度却越来越大，使得电子元器件的发热量节节攀升。在LED芯片耗散的能量当中，只有小部分(＜20％)转化成光，大部分(＞80％)变成热。如果不及时将芯片发出的热量导出并消散，大量的热量将积聚在LED内部，芯片的结温将严重升高，发光效率将急剧下降，可靠性(如寿命、色移等)将降低。同时高温高热将使LED封装结构内部产生机械应力，引发一系列的质量问题。因此导热材料的开发以及散热结构的设计，就成为当今电子工业设计的一个巨大挑战，而绝缘金属基板无疑是解决散热问题的有效手段之一。

传统的绝缘金属基板由三层结构所组成，分别是导电层(金属化层)、绝缘层和金属基层。绝缘层则是其中最核心的技术，主要起到粘接、绝缘和导热的功能。绝缘层是功率模块结构中最大的导热屏障，它的热传导性能越好，越有利于器件运行时所产生热量的扩散，也就越有利于降低器件的运行温度，从而达到提高模块的功率负荷，减小体积，延长寿命，提高功率输出等目的。

根据绝缘层制备方法的不同，目前绝缘金属基板的制备技术主要有三种：1，用浸有环氧树脂的玻璃纤维布将铜箔和金属铝板粘接在一起，经过热处理之后环氧树脂固化，制得绝缘金属基板。其中浸有环氧树脂的玻璃纤维布起到绝缘层的作用，导热系数不及0.3W/m.K。2，以美国Bergquist的产品为典型，是在环氧树脂或硅树脂中加入氮化物系、碳化物系的导热陶瓷填料，用以粘结铜箔和金属铝板。制得的绝缘金属基板具有良好的电绝缘性和机械性能，但其导热系数也只是在0.8～2.2W/m.K之间。3，采用阳极氧化或者微弧氧化的工艺，在金属铝板的表面生长出一层氧化铝薄膜，以这层薄膜为绝缘层，在其上覆盖导电层后即可制得绝缘金属基板。该工艺的主要问题是这种氧化工艺在铝的表面不可避免地形成了相当多的微孔层并带来大量缺陷，这些微孔不仅影响了绝缘层的导热性，而且使得导电层不能良好地附着在绝缘层上。

发明内容：

本发明的目的是通过使用一种新型的绝缘层制备工艺，开发出具有良好导热性与绝缘性的、适用于大功率LED封装的金属基板。通过分析以环氧树脂、复合材料、氧化物陶瓷为绝缘层的传统绝缘金属基板制备工艺，充分考虑了环氧树脂的成型工艺便易性、复合材料的结构成分可设计性以及陶瓷材料绝缘与导热的统一性，结合已在大功率电子封装中成熟应用的低温共烧陶瓷技术(LTCC)，制备出了以陶瓷微粒增强的陶瓷基复合材料薄膜为绝缘层的金属基板。

本发明的设计方案是：先用机械或化学的方法除去工件表面的油污和杂质，烘干后得到清洁平整的工件表面。采用浸涂或喷涂的方法将配制好的聚合物先驱体浆料涂装在工件表面，放入100℃～900℃的热处理炉中处理3～6个小时后，得到具有陶瓷绝缘层的金属基板。采用掩膜光刻的方法在陶瓷绝缘层上形成所要求的电路图形，再利用溅射、蒸镀、化学镀等工艺在陶瓷绝缘层的表面覆盖导电层，从而得到该种绝缘金属基板。这种绝缘金属基板的绝缘层是以液态的聚合物先驱体浆料的形式涂敷在金属基板表面，浆料中的活性物质能够与金属基板表面发生界面化反应，因此可以做到紧密结合，最大限度地降低了热阻，在保证绝缘性的同时，改善了导热性，导热系数达到150W/m.K以上，而且在后期的机械加工和回流焊热处理过程中具有良好的机械加工性能和耐热冲击性能。

本发明采用了聚合物先驱体转化法制备陶瓷的技术，并结合大功率LED封装技术对绝缘层的导热性和电绝缘性的要求，添加相应的填料及助剂，参考环氧树脂的固化工艺以及低温共烧陶瓷的烧结工艺，在金属材料上制备出了具有优良导热性和电绝缘性的陶瓷绝缘层。本发明是以液态的聚合物先驱体树脂为基料，向其中加入一定量微米级或纳米级的氮化物、碳化物等高导热陶瓷粉料，以及纳米级的钛、硅、铝、硼等活性填料。再加入一定量的溶剂和硅烷偶联剂后配成一定粘度的浆料，再将该浆料涂装于金属材料表面，放入热处理炉中在程序控制温度下烧结一段时间后即可得到金属材料表面的陶瓷绝缘层。为避免陶瓷绝缘层与金属基底材料由于热胀系数的不同而产生较大的应力而导致出现空隙、裂缝等缺陷，本发明采用了多次涂装、多次烧结的工艺，使得在金属材料表面以上的陶瓷绝缘层可细分为多层结构。每层的材料成分不尽相同，从金属材料表面开始呈梯度分布，在一定程度上降低了界面应力，避免了空隙、裂缝等缺陷的出现，提高了陶瓷层的界面接合强度，满足了大功率LED的封装结构强度以及高导热、高绝缘的要求。

本发明所述的陶瓷绝缘层可形成在铝及其合金、铜及其合金、铁及其合金、石墨、陶瓷、C/C_f复合材料等多种材料表面。对于大功率LED封装的应用要求而言，基板材料应选择导热性能优异、价格低廉的金属材料。本发明主要使用了铝合金以及工业用纯铜作为基板材料。通常还需要对基板材料的表面预处理，以使其适应于本发明的绝缘层制备工艺。1)对于铝合金基板，采用微弧氧化的工艺，在其表面上生长出一薄层氧化铝陶瓷薄膜，这层氧化铝陶瓷薄膜由于是在电弧的作用下原位生成，因此与铝合金基板有较高的界面接合强度，其表面一般含有大量微孔，因此也相当于提高了铝合金基板的微观界面面积。液态的聚合物先驱体浆料很容易渗入这些微孔中，这样就不仅使得其裂解产物与铝合金基板的微观接触面积增大，也避免了由聚合物先驱体裂解所产生的裂纹、缝隙等缺陷。2)对于工业纯铜基板，采用表面喷砂处理工艺以及微氧化工艺。喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到被需处理工件表面，使工件的表面发生变化，由于磨料对工件表面的冲击、挤压和切削作用，变表面拉应力为压应力，使其机械性能得到改善，同时也使工件表面产生均匀细微的凹凸面，增强了它和涂层之间的附着力。由于铜和陶瓷的物理化学性质差别很大，要实现陶瓷绝缘层与铜基板的良好结合，本发明采用了微氧化的技术，在高温状态下，处理过的铜板表面就会形成一层共晶液相，能够充分润湿聚合物先驱体的陶瓷产物，使二者牢固结合在一起。

在金属基板表面上形成导热绝缘层后，下一步就是在导热绝缘层的外面覆盖上导电层。由于在导热绝缘层的处理工艺中，采用了类似于低温共烧陶瓷的技术，其热处理温度视金属基材的耐热温度而定(介于400℃至1000℃之间)，烧结产物为含有高导热陶瓷微粒的陶瓷薄膜。因此在该陶瓷薄膜上覆盖导电层的技术，与陶瓷材料表面金属化工艺类似，可采用的方法包括厚膜金属化、薄膜金属化、磁控溅射、蒸镀、化学镀等工艺。本发明采用了掩膜光刻的方法在陶瓷绝缘层上形成所要求的电路图形，再利用磁控溅射和化学镀等工艺在陶瓷绝缘层的表面沉积金属铜层以作为导电层，从而得到该种绝缘金属基板。

附图说明

图1是本发明绝缘金属基板的制备工艺流程图；

图2是本发明绝缘金属基板的结构示意图，1为导电层，2为具有过渡层结构的陶瓷微粒增强陶瓷薄膜，3为金属基板；

图3是本发明的绝缘金属基板用于大功率LED封装的结构示意图，1为导电层，2为大功率LED芯片，3为金线，4为共晶焊层，5为金属基板，6为具有过渡层结构的陶瓷微粒增强陶瓷薄膜。

具体实施方式

实施例一：

以铝合金为绝缘金属基板的基材，一般选择有较高导热率和一定机械强度，又能够耐受一定温度的铝板，如6165、6061、6055、6063等牌号的铝板。制备绝缘层所用到的聚合物先驱体浆料为含有氮化铝、碳化硅等陶瓷填料的有机硅先驱体树脂，其中陶瓷粉料的粒度等级为纳米级和亚微米级。导电层材料为铜。在用作大功率LED封装基板的时候，还可在LED芯片焊装区域覆镀上一层银锡共晶焊料。

1.先用机械的方法去除铝板表面的油污和杂质，然后采用微弧氧化的工艺，使其表面生长出一薄层氧化铝陶瓷，约为5～10μm，再用超声清洗去除其表面的疏松状组织，得到表面含有微孔的、接合强度高的薄膜；

2.再将调配好的聚合物先驱体浆料涂敷在铝基板表面，然后送入热处理炉中在程序控制温度下做热处理，温度不得超过500度，处理结束后得到覆有陶瓷层的铝基板。为减小涂层与基板之间的热应力，此工序可重复3～5次，每次所用浆料的配方均不同，其所用填料粒度为由细到粗；

3.在制得的陶瓷绝缘层表面采用掩膜光刻工艺形成所要求的电路图形，再利用磁控溅射工艺在陶瓷绝缘层的表面沉积金属铜层以作为导电层，从而得到该种绝缘金属基板。

实施例二：

选用高导热的工业纯铜为绝缘金属基板的基材，制备绝缘层所用到的聚合物先驱体浆料为含有碳化硅、碳化硼等陶瓷填料的有机硅先驱体树脂，其中陶瓷粉料的粒度等级为纳米级和亚微米级。导电层材料为铜。在用作大功率LED封装基板的时候，还可在LED芯片焊装区域覆镀上一层银锡共晶焊料。

1.先用机械的方法去除铜板表面的油污和杂质，然后对铜板表面采用喷砂工艺，使工件表面产生均匀细微的凹凸面，增强了它和涂层之间的附着力。再采用微氧化技术，使其表面产生少量的氧化亚铜；

2.再将调配好的聚合物先驱体浆料涂敷在铜基板表面，然后送入热处理炉中在程序控制温度下做热处理，温度不得超过1000度，处理结束后得到覆有陶瓷层的铜基板。为减小涂层与基板之间的热应力，此工序可重复3～5次，每次所用浆料的配方均不同，其所用填料粒度为由细到粗；

3.在制得的陶瓷绝缘层表面采用掩膜光刻工艺形成所要求的电路图形，再利用磁控溅射工艺在陶瓷绝缘层的表面沉积金属铜层以作为导电层，从而得到该种绝缘金属基板。

Claims (10)

1.一种用于大功率LED封装的绝缘金属基板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

①用机械或化学的方法除去金属板表面的油污和杂质，再使用微弧氧化法或喷砂工艺处理金属板表面，清洗并烘干后得到干净平整的金属板表面；

②将调配好的聚合物先驱体浆料涂敷在金属板表面，然后送入热处理炉中在程序控制温度下做热处理，温度不得超过1000摄氏度，处理结束后得到覆有陶瓷层的金属基板。为减小涂层与基板之间的热应力，此工序可重复3～5次，每次所用浆料的配方均不同，其所用填料粒度为由细到粗；

③在制得的陶瓷绝缘层表面采用掩膜光刻工艺形成所要求的电路图形，再利用磁控溅射工艺在陶瓷绝缘层的表面沉积金属铜层以作为导电层，从而得到该种绝缘金属基板。

2.根据权利要求1的制备方法，其特征在于：该种绝缘金属基板包括基底层、中间层和表面层，基底层为1～2mm厚的金属板，中间层为含有高导热陶瓷微粒的陶瓷薄膜，表面层为导电层，以导电线路的形式存在。

3.根据权利要求2所述的金属板，其特征在于：可以为铝及其合金、铜及其合金、铁及其合金。

4.根据权利要求2所述的含有高导热陶瓷微粒的陶瓷薄膜，其特征在于：所述陶瓷微粒为氮化铝、氮化硼、碳化硅、碳化硼，其粒度等级为纳米级和亚微米级。所述陶瓷薄膜为聚合物先驱体的裂解产物。

5.根据权利要求1所述的微弧氧化法，其特征在于：所用电流脉冲频率为50～100Hz，在金属铝板上形成的陶瓷薄膜厚度为5～10μm。

6.根据权利要求1所述的喷砂工艺，其特征在于：所用沙粒尺寸为0.05mm～0.15mm，空气压力为0.03MPa～0.05Mpa。

7.根据权利要求1所述的聚合物先驱体浆料，其特征在于：该浆料是以液态的聚合物先驱体树脂为基料，向其中加入一定量的陶瓷粉料以及活性填料，再加入一定量的溶剂和硅烷偶联剂后配制而成。

8.根据权利要求7所述的聚合物先驱体树脂，其特征在于：包括了聚硅氮烷、聚硅氧烷、聚碳硅烷。

9.根据权利要求7所述的活性填料，其特征在于：是纳米级的钛、硅、铝、硼粉体。

10.根据权利要求1所述的绝缘金属基板的制备方法，其特征在于：其导电层的制备采用了掩膜光刻工艺以及磁控溅射工艺。

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