CN101130461A - 半导体照明散热衬底基板材料 - Google Patents
半导体照明散热衬底基板材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种半导体照明散热衬底基板材料。它是由下列重量百分比的原料和方法制成的：氧化铍97～99％，氧化铝0.5～1.6％，氧化镁0.4～1.1％，氧化钙0.1～0.3％，在煅烧前将氧化铍中加入氧化铝，在密封的容器中，在3700度～3900度的高温中煅烧，再加入氧化镁、氧化钙，共煅烧60分钟，得纯度97～99％的氧化铍材料；球磨混合，瓷坯成型，冲片，烧成。本发明优点在于在芯片封装散热材料上采用的是氧化铍材料，一次加工成型，导热率达到230K。解决散热及防静电关键技术，使其使用效果达到通用化，又能达到相应的照明标准。
Description
技术领域
本发明属于一种半导体照明芯片散热衬底集光基板材料及其制备方法。
背景技术
半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。90年代以来，随着氮化镓(CaN)为代表的第三代半导体材料的兴起，蓝色和白色发光二极管(LED)的研究成功，作为新型固态光源，半导体照明光源将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次革命。但是，作为高技术必然要有与之配套的关键技术支持，要有与之相配套的技术配件支持，散热衬底基板材料技术就是其中的关键技术之一。
LED的发光波长随温度变化为0.2-0.3nm/℃，光谱宽度随之增加，影响颜色鲜艳度。另外，当正向电流流经pn结，发热性损耗使结区产生温升，在室温下，温度每升高1℃，LED的发光强度会相应地减少1％左右，封装、散热、保持色纯度与发光强度是技术的保证。以往多采用减少其驱动电流的办法，降低结温，传统小芯片LED的驱动电流限制在20mA左右。但是，LED的光输出会随电流的增大而增加，目前，很多功率型LED的驱动电流可以达到70mA、100mA甚至1A级以上，需改善热特性，新型的散热材料是关键的技术。散热技术已经成为影响LED发光效率的关键因素，只有散热技术的改进才能使LED光电转换效率得到显著的提高。
发明内容
本发明提供一种半导体照明散热衬底基板材料，以解决目前半导体照明散热衬底基板材料存在的散热效果不好的问题。本发明采取的
技术方案是：它是由下列重量百分比的原料和方法制成的：
氧化铍BeO 97～99％， 颗粒直径在10～20μm，
氧化铝Al2O3 0.5～1.6％，颗粒直径在10～20μm，
氧化镁MgO 0.4～1.1％，颗粒直径在10～20μm，
氧化钙CaO 0.1～0.3％，颗粒直径在10～20μm，
一、配料：按重量百分比，
氧化铍BeO 97～99％， 颗粒直径在10～20μm，
氧化铝Al2O3 0.5～1.6％，颗粒直径在10～20μm，
氧化镁MgO 0.4～1.1％，颗粒直径在10～20μm，
氧化钙CaO 0.1～0.3％，颗粒直径在10～20μm，
二、锻烧
在煅烧前将氧化铍BeO中加入氧化铝Al2O3，在密封的容器中，在1600度～1900度的高温中煅烧，10分钟后加入氧化镁，20分钟后加入氧化钙，然后再煅烧40分钟，得纯度高达97～99％的氧化铍材料；
三、球磨混合
将得到的氧化铍材料投入球磨机中，进行研磨，研磨出10～20μm的颗粒；
四、瓷坯成型
将研磨后的氧化铍材料，经过模具成型后，用成型机挤压成形，制成了瓷坯；
五、冲片
将瓷坯经过清水冲洗；
八、烧成
将经过清水冲洗的瓷坯，再进行高温1600-1900度烧结。
氧化铍BeO无机合成半导体散热材料是耐火氧化物，熔点为2570℃。无机合成材料的共价键性很强，纯无机合成材料陶瓷的烧结温度很高，可达到1900℃。添加氧化铝Al2O31.6％、氧化镁MgO1.1％和CaO 0.3％烧结温度可降至1640℃。在室温下能以大约300W/mK进行散热。颗粒直径应控制在10～20μm，由于氧化铍陶瓷的烧成温度较高，因此在配方中需加入适量的添加剂Al2O3、MgO、CaO来降低其烧成温度。Al2O3与BeO在高温下生成二元低共熔体，最低共熔温度为1835℃MgO与BeO生成最低共熔体的温度为1850℃，Al2O3、MgO、CaO单独作为添加剂，对降低氧化铍陶瓷的烧成温度不十分明显，但三者同时作为添加剂使用，对降低氧化铍的烧成温度十分明显。
本发明优点在于在芯片封装散热材料上采用的是氧化铍材料，一次加工成型，导热率达到230K。解决散热及防静电关键技术，使其使用效果达到通用化，解决散热技术，又能达到相应的照明标准，从而使LED大功率集合技术达到照明的目的。
本发明采用的无机合成技术，它的特性具有良好的导热性能和热阻小的性能；具有良好的绝缘性，同时又具备良好的衬底导热性。熔点温度高达2570度，焊接温度高达980度，衬底温度达到980度，具有高强度、耐高温、耐磨、防腐、工艺制备精确、体积小等优势。它解决了半导体照明光源灯具系统中关键部件设计的难题，完成了半导体照明光源散热模组工业化生产技术的开发，因此半导体照明光源散热模组产品已具备规模化、产业化的生产能力。
具体实施方式
本发明主要技术指标测试结果：
| 序号 | 主要技术指标 | 测试结果 | |
| 测试数据 | 结果 | ||
| 1 | 介电常数(1MHz) | 6.8 | 合格 |
| 2 | 击穿强度 | 37.8KV | 合格 |
| 3 | 体积密度 | 2.88g/cm3 | 合格 |
| 4 | 抗热震性(0-800℃) | 无龟裂、无裂纹 | 合格 |
| 5 | 抗折强度 | 191.3mpa | 合格 |
智能化模组主要性能指标：。
| 项目 | 测试条件 | 指标 | 单位 |
| 体积密度 | ≥2.88 | G/cm3 | |
| 抗折强度 | ≥145 | mpa | |
| 热导率 | 25℃ | ≥320 | W/m.k |
| 体积电阻率 | 25℃ | ≥1×1014 | Ω.cm |
| 350℃ | ≥1×1010 | ||
| 500℃ | ≥1×1010 | ||
| 绝缘强度 | ≥17.9×106 | V/m | |
| 介质损耗指数 | 1MHz | ≤0.016 | |
| 平均线膨胀系数 | 20℃~500℃ | (7.0~8.5)×10-6 | 1/℃ |
无机合成材料检验项目、方法及技术要求
| 序号 | 检验项目 | 技术要求 | 样品数(只) | 允许失效数(只) | 失效数(只) | 备注 |
| 1 | 击穿强度 | 方法：按GB/T18791-2002规定的方法进行，样品被好银，在50℃烘箱放置48h后将样品放入干燥器内5h后即可进行实验要求：≥15KDC/mm | 5 | 0 | 0 | |
| 2 | 抗折强度 | 方法：按GB/T5593-1996中5.6条规定的方法测量，支点距离为5cm要求：≥145MPa | 5 | 0 | 0 | |
| 3 | 导热系数 | 方法：用闪光导热仪采用激光法进行测量要求：25℃时，≥1×1014300℃时，≥1×1011 | 2 | 0 | 0 | 外协 |
| 4 | 体积电阻率 | 方法：按GB/T5594.5-85规定方法测量要求：25℃时，≥1×1014300℃时，≥1×1011 | 5 | 0 | 0 | |
| 5 | 介电常数 | 方法：按GB/T5593-1996中5.11.1条规定方法测量要求：(1MHz时)6.5-7.5(10GHz时)6.5-7.5 | 5 | 0 | 0 | |
| 5 | 0 | 0 | 专家数据 | |||
| 6 | 介质损耗角正切值 | 方法：按GB/T5594.3-85中5.11.1条和GB7265.1-1987规定方法测量要求：(1MHz时)≤4×10-4(10GHz时)≤8×10-4 | 5 | 0 | 0 | |
| 5 | 0 | 0 | 专家数据 | |||
| 7 | 平均线膨胀系数 | 方法：按GB/T5594.3-85规定方法测量要求：25℃-500℃时，(7.0-8.5)×10-6(1/K) | 2 | 0 | 0 | 外协 |
| 8 | 体积密度 | 方法：按GB/T2413规定的方法测量要求：≥2.80g/cm3 | 5 | 0 | 0 | |
| 9 | 抗热震性 | 方法：按GB/T18791-2002规定的方法进行，低温0℃下放置30min，再在800℃温度下放置30min为一个循环，循环5次，再在品红溶液中浸3min取出洗净擦干检查。要求：应无裂痕、龟裂。 | 3 | 0 | 0 | |
| 10 | 化学稳定性 | 方法：按GB/T5594.3-1985规定方法进行。要求：1∶9HCI应≤0.3mg/cm210％NaOH应≤0.2mg/cm2 | 5 | 0 | 0 | |
| 11 | 气密性 | 方法：按GB/T5594.1-1985规定方法。 | 3 | 0 | 0 | 外协 |
测量原理与实验条件
1、热扩散系数与比热测试
测试仪器：闪光导热仪
测试方法：激光法
测试原理：由加热源氙气灯发射一束脉冲打在样品的表面，使用InSb红外探测器测量样品上表面的相应温升，在分析软件中选用适当模型计算出样品的热扩散系数。同时对相同几何外观的标样(即参比样品，比热值已知)在相同条件下测试，通过比较两者探测得信号的强度可以求得样品的比热值。
参比样品：POCO石墨，Φ12.63mm圆，厚2.007mm，密度1.74g/cm3
2、导热系数计算
λ(T)＝a(T)*Cp(T)*ρ(T)
T＝25℃，100℃
λ(T)：导热系数
a(T)：热扩散系数
Cp(T)：比热
ρ(T)：密度(ρ＝m/V，近似认为密度ρ在上述温度范围内保持不变)
无机合成散热衬底材料气密性测试：
1、测试依据
按照GB5594.1-85《电子元器件结构陶瓷材料性能测试方法、气密性测试方法》。
2、测试单位
本测试由中国电子科技集团公司第十三研究所封装专业部检验组测试
3、测试样品
测试样品共分四组：
A 041024ASE 3片 白色
B 041025BSE 4片 黑色
C 040930BDE 5片 灰色
D 040824ADE 5片 白色
4、设备情况
设备名称：氦质谱检漏仪
设备型号：ULVAC日本真空HELLOTModel 306
标准漏孔：校正4.3×10-9Pa·m3/s，测试：3.8×10-9·m3/s
5、测试数据
单位：10-10·m3/s
测试技术和数据结果
标量网络分析仪Agilent8757Dopt001 S/N4047A07449/95025AS/N US38020305PSG连续波信号发生器Agilent E8247C Opt540，007，1EA，UNR S/N MY43320614数字立式测长计JCG002-1 S/N88002
测试注意事项：
①测试之前应测量被测样品的平面度、平行度并观察杂质点分布情况，在测试报告中注明：
②样品在120℃条件下，烘烤一小时后置于干燥缸中冷却至室温待测量。
每一片样品的测试过程：
步骤1.空腔校准：
步骤2.手戴胶指套将样品《正面向上》置入腔体，用校正夹具定样品中心；
步骤3.做TE012～TE015四个模式的宽带测试一次；
步骤4.手戴胶指套将样品取出，再重置入腔体，用校正夹具定样品中心；
步骤5.在TE013模式频率上做点频重复测试；
步骤6.重复步骤4、步骤5十次，做十次点频重复测试；
步骤7.手戴胶指套将样品取下，再以《反面向上》置入腔体，用校正夹具定中心；
步骤8.重复步骤3～步骤6。
数据处理：
每片正反两面各有一个平均数据，正反两个平均值平均之后为最终结果。
测试单位：微波测试中心
测试结果
样品尺寸：φ50.98×1.98mm
被测样品情况：表面良好，平行10μ，未观察到杂质点
环境温度：24℃
测试时间：2004.11.1313:04～13:35
宽频测试：
| 测试频率(MHz) | 正面向上 | 反面向上 | ||
| E | tamδ | E | tamδ | |
| 8213 | 6.86 | 3.1×10-4 | 6.88 | 3.0×10-4 |
| 9473 | 6.85 | 2.8×10-4 | 6.87 | 2.8×10-4 |
| 10959 | 6.85 | 3.2×10-4 | 6.86 | 3.2×10-4 |
| 12544 | 6.84 | 3.4×10-4 | 6.85 | 3.4×10-4 |
重复性测试：
测试频率：9473MHz
| 次序 | 正面向上 | 反面向上 | ||||
| E | tamδ | E | tamδ | |||
| 1 | 6.86 | 3.1×10-4 | 6.87 | 2.9×10-4 | ||
| 2 | 6.87 | 2.8×10-4 | 6.87 | 2.8×10-4 | ||
| 3 | 6.87 | 2.9×10-4 | 6.87 | 3.0×10-4 | ||
| 4 | 6.87 | 2.9×10-4 | 6.87 | 3.1×10-4 | ||
| 5 | 6.87 | 2.8×10-4 | 6.87 | 3.0×10-4 | ||
| 6 | 6.87 | 2.9×10-4 | 6.87 | 2.9×10-4 | ||
| 7 | 6.87 | 2.9×10-4 | 6.87 | 2.9×10-4 | ||
| 8 | 6.87 | 2.9×10-4 | 6.87 | 2.9×10-4 | ||
| 9 | 6.87 | 3.0×10-4 | 6.87 | 3.0×10-4 | ||
| 10 | 6.88 | 2.9×10-4 | 6.87 | 2.9×10-4 | ||
| 平均值 | 6.87 | 2.9×10-4 | 6.87 | 2.9×10-4 | ||
| 标准偏差 | 0.006 | 0.09×10-4 | 0.003 | 0.0.8×10-4 | ||
热导率测试样品编写及材料分类
| 序号 | 测试项目 | 样品尺寸 | 测试单位样品编号 | 数量 | 材料类别 |
| 1 | 热导率25℃、100℃ | Φ12.7×1.5 | 1、2 | 2 | 040824ADE |
| 3、4 | 2 | 04093BDE | |||
| 5、6 | 2 | 041024ASE | |||
| 7、8 | 2 | 041024BSE | |||
| 9、10 | 2(加工) | 新产品样本 |
线膨胀系数测试样品编号及材料分类
| 序号 | 测试项目 | 样品尺寸 | 测试单位样品编号 | 数量 | 材料类别 |
| 1 | 热导率25℃～500℃ | Φ3×50 | 3(后补) | 2 | 040824ADE |
| 4(后补) | 2 | 04093BDE | |||
| 1(后补) | 2 | 041024ASE | |||
| 2(后补) | 2 | 041024BSE |
无机合成散热材料
| 项目 | 测试条件 | 指标 | 单位 | |
| 97％ | 99％ | |||
| 击穿强度 | D.C | ≥12 | ≥15 | KV/mm |
| 抗折强度 | ≥100 | ≥140 | Mpa | |
| 抗折震性 | 应无裂痕、龟裂 | |||
| 热导率 | 25℃ | 220 | W/m.k | |
| 100℃ | 146 | 176 | ||
| 体积电阻率 | 1MHz | 6.5~7.5 | ||
| 10GHz | ||||
| 介质损耗角正切值 | 1MHz | ≤510-410-4 | ≤4×10-4 | |
| 10GHz | ≤8×10-4 | |||
| 平均线膨胀系数 | 25℃~500℃ | (7.8~8.0)10-6 | (7.8~8.5)10-6 | HK |
| 体积密度 | ≥2。80 | ≥2。85 | G/cm3 | |
实施例1氧化铍BeO的制备
氧化铍BeO原料采用活化烧结的工艺获得，用氢氧化铍[Be(OH)2]经预烧分解得活性BeO粉末，预烧需在1000～1200℃的氢气氛中进行。
实施例2
一、配料：按重量百分比，
氧化铍BeO 97％， 颗粒直径在10～20μm，
氧化铝Al2O3 1.6％，颗粒直径在10～20μm，
氧化镁MgO 1.1％，颗粒直径在10～20μm，
氧化钙CaO 0.3％，颗粒直径在10～20μm，
二、锻烧
在煅烧前将氧化铍BeO中加入氧化铝Al2O3，在密封的容器中，在1700度的高温中煅烧，10分钟后加入氧化镁，20分钟后加入氧化钙，然后再煅烧40分钟，得纯度高达97％的氧化铍材料；
三、球磨混合
将得到的氧化铍材料投入球磨机中，进行研磨，研磨出10～20μm的颗粒；
四、瓷坯成型
将研磨后的氧化铍材料，经过模具成型后，用成型机挤压成形，制成了瓷坯；
五、冲片
将瓷坯经过清水冲洗；
八、烧成
将经过清水冲洗的瓷坯，再进行高温1600度烧结。
实施例3
一、配料：按重量百分比，
氧化铍BeO 98％，颗粒直径在10～20μm，
氧化铝Al2O3 1.0％，颗粒直径在10～20μm，
氧化镁MgO 0.8％，颗粒直径在10～20μm，
氧化钙CaO 0.2％，颗粒直径在10～20μm，
二、锻烧
在煅烧前将氧化铍BeO中加入氧化铝Al2O3，在密封的容器中，在1600度的高温中煅烧，10分钟后加入氧化镁，20分钟后加入氧化钙，然后再煅烧40分钟，得纯度高达97％的氧化铍材料；
三、球磨混合
将得到的氧化铍材料投入球磨机中，进行研磨，研磨出10～20μm的颗粒；
四、瓷坯成型
将研磨后的氧化铍材料，经过模具成型后，用成型机挤压成形，制成了瓷坯；
五、冲片
将瓷坯经过清水冲洗；
八、烧成
将经过清水冲洗的瓷坯，再进行高温1700度烧结。
实施例4
一、配料：按重量百分比，
氧化铍BeO 99％，颗粒直径在10～20μm，
氧化铝Al2O3 0.5％，颗粒直径在10～20μm，
氧化镁MgO 0.4％，颗粒直径在10～20μm，
氧化钙CaO 0.1％，颗粒直径在10～20μm，
二、锻烧
在煅烧前将氧化铍BeO中加入氧化铝Al2O3，在密封的容器中，在1900度的高温中煅烧，10分钟后加入氧化镁，20分钟后加入氧化钙，然后再煅烧40分钟，得纯度高达97％的氧化铍材料；
三、球磨混合
将得到的氧化铍材料投入球磨机中，进行研磨，研磨出10～20μm的颗粒；
四、瓷坯成型
将研磨后的氧化铍材料，经过模具成型后，用成型机挤压成形，制成了瓷坯；
五、冲片
将瓷坯经过清水冲洗；
八、烧成
将经过清水冲洗的瓷坯，再进行高温1900度烧结。
Claims (2)
1.半导体照明散热衬底基板材料，它是由下列重量百分比的原料和方法制成的：
氧化铍BeO 97～99％，颗粒直径在10～20μm，
氧化铝Al2O3 0.5～1.6％，颗粒直径在10～20μm，
氧化镁MgO 0.4～1.1％，颗粒直径在10～20μm，
氧化钙CaO 0.1～0.3％，颗粒直径在10～20μm，
制备方法：
一、配料：按重量百分比，
氧化铍BeO 97～99％，颗粒直径在10～20μm，
氧化铝Al2O3 0.5～1.6％，颗粒直径在10～20μm，
氧化镁MgO 0.4～1.1％，颗粒直径在10～20μm，
氧化钙CaO 0.1～0.3％，颗粒直径在10～20μm，
二、锻烧
在煅烧前将氧化铍BeO中加入氧化铝Al2O3，在密封的容器中，在1600度～1900度的高温中煅烧，10分钟后加入氧化镁，20分钟后加入氧化钙，然后再煅烧40分钟，得纯度高达97～99％的氧化铍材料；
三、球磨混合
将得到的氧化铍材料投入球磨机中，进行研磨，研磨出10～20μm的颗粒；
四、瓷坯成型
将研磨后的氧化铍材料，经过模具成型后，用成型机挤压成形，制成了瓷坯；
五、冲片
将瓷坯经过清水冲洗；
八、烧成
将经过清水冲洗的瓷坯，再进行高温1600～1900度烧结。
2.根据权利要求1所述的半导体照明散热衬底基板材料，其特征在于：它是由下列重量百分比的原料制成的：
氧化铍BeO 97％，颗粒直径在10～20μm，
氧化铝Al2O3 1.6％，颗粒直径在10～20μm，
氧化镁MgO 1.1％，颗粒直径在10～20μm，
氧化钙CaO 0.3％，颗粒直径在10～20μm。
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- 2006-08-22 CN CNB2006100171246A patent/CN100465130C/zh not_active Expired - Fee Related
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