CN102321370A - 一种防静电、高热导率的led封装基座材料及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防静电、高热导率的LED封装基座材料及其生产工艺，其组成按重量百分比为：碳化硅陶瓷微粉，40.0%～60.0%；聚苯硫醚PPS，20.0%～30.0%；玻璃纤维，10.0%～20.0%；云母粉，2.0%～8.0%；偶联剂，0.5%～5.0%；辅助剂，0～2.0%。该封装基座材料的生产工艺包括步骤：首先将原料按上述比例混合，然后进入塑料双螺杆挤出机中，其中玻璃纤维由双螺杆挤出机的玻纤口加入，温度控制在265～300℃，再进行造粒，然后经注塑机注塑成型得到LED封装基座。由本发明生产制造的LED封装基座具有良好的热导性、耐高温性、绝缘性、抗静电能力、物理机械性能和抗老化性能，尤其适合高大功率LED支架基座包封材料使用。

Description

一种防静电、高热导率的LED封装基座材料及其生产工艺

技术领域

本发明涉及合成材料技术领域，具体涉及一种防静电、高热导率的LED封装基座材料及其生产工艺。

背景技术

LED作为一种新型光源，由于具有节能、环保、寿命长、启动速度快、能控制发光光谱和禁止带幅的大小使彩度更高等传统光源无可比拟的优势而得到了空前发展。大功率LED固态照明是继白炽灯发明以来，最重要的照明革命。半导体LED材料能将电能直接转化为光能，具有与传统照明光源最大的不同，发光效率高，能耗仅为普通白炽灯八分之一；寿命长；无频闪、无红外和紫外辐射以及不含汞元素等，是典型的节能、绿色环保照明。

伴随着LED电流强度和发光量的增加，LED芯片的发热量也随之上升，对于高功率LED，输入能源的80%都以热的形态消耗掉。如果这些热量不能及时排出外界，造成芯片的温升效应，LED的寿命和光输出都会大打折扣；随着技术进步及市场规模的不断扩大，单颗大功率LED的功率密度及发光效率在不断提高，对大功率LED封装材料及工艺也提出了更高的要求。

支架、芯片以及透明封装胶是大功率LED封装工艺中的三大主要原材料。大功率LED支架性能的好坏对LED灯具的稳定使用具有非常重要的影响。大功率LED支架主要包括支架引线、热沉、封装基座、透镜组成。封装基座，目前一般采用包封塑料，主要作用是绝缘隔热，特别是在高温下必须具有一定的机械力学性能。有两个方面的因素容易导致包封塑料损坏，一是由于现有的技术限制，LED芯片80％的电能转换成热能，致使大功率LED在使用过程中发热非常厉害，光源使用温度很高，塑料包封料要求在100℃以上长期使用而绝缘性能不受到影响；二是大功率LED光源在焊接时瞬间温度高达260℃以上，短期高温不能对塑料包封料产生破坏，绝缘性能及机械强度不能有太大的衰减。传统的包封塑料或封装基座为尼龙增强改性材料，以尼龙为基体的改性复合材料在耐高温、耐老化、抗冲击、绝缘性能都相对不理想，在灯具制造过程中或在光源焊接过程中往往不容易承受达260℃短时高温，而导致老化绝缘性能减低，甚至灯具失效。还有传统使用的环氧树脂封装基座的热传导率仅为0.47W/mK，已经远远不能满足高功率的LED的散热要求。近年逐步被高导热率的铝金属基板替代，铝基板受绝缘有机材料的影响，热传导率为1.5-3.5W/mK，只能够满足部分低功率LED的封装要求，但铝基板的热膨胀系数与LED芯片差异很大，当温度变化很大或封装作业不当时极易产生热歪斜，引发芯片瑕疵及发光效率降低。由于LED亮度随驱动电流的增大而增大，对更高亮度的LED，铝基板已经无法满足其散热要求；因此需要开发新的安装在LED芯片的底板上的高导热率的材料，从而使LED芯片的工作电流密度约提高5～10倍。就目前的趋势看来，金属基座材料的选择主要是以高热传导系数的材料为组成，如铝、铜等，但这些材料与芯片间的热膨胀系数差异甚大，若将其直接接触很可能因为在温度升高时材料间产生的应力而造成可靠性的问题，所以一般都会在材料间加上兼具传导系数及膨胀系数的中间材料作为间隔。过去曾经有过采用高导热性氮化铝材料作为LED封装外壳的产品，LED的热量可以借助外壳传导至封装底板。虽然该外壳能够凭借导热性和耐热性优于树脂外壳的特点实现高功率LED封装，但成本昂贵。与之相比，芯片封装底板采用铜引线框架作为导热路径，而非LED封装外壳，外壳采用耐热性优秀的廉价陶瓷，虽然使成本降低到了原有陶瓷LED封装的一半，但导热性差，影响芯片的使用寿命。近年来，陶瓷封装基座因具有热导率高（氧化铝陶瓷的导热系数一般在15-22 W/mK）、热膨胀系数与高亮度LED晶体匹配、电绝缘强度高、可设计反射杯及导热通孔等性能，虽然可以有效的解决这些问题，但现有的陶瓷封装基座的的生产和应用存在一定的缺点：1）、生产工艺复杂，能耗大，成本高，且生产中产生大量废渣、废水；2）、容易脆化，机械物理性能不佳；3）、未使用高导热材料或未设高导热柱，封装散热性差；杯壁未金属化或未使用高反射率材料，封装聚光及反射效果差。陶瓷封装基座生产工艺一般为：原材料分散、流延、切片、冲孔(腔)、灌封(印孔)、平面印刷、叠层/加压、刻槽、排胶/烧结、电镀。分别描述如下：

原材料分散：按一定的配比将陶瓷粉末、有机粘合剂、溶剂及其它助剂通过球磨等工艺加工而形成陶瓷浆料。流延：将加工好的陶瓷浆料均匀地涂布在薄膜上，烘干得到陶瓷生带。

切片：将流延制成的陶瓷生带切割成一定尺寸的陶瓷生片。

冲孔(腔)：根据产品设计需要，在切割好的陶瓷生片上冲制通孔或腔体。

灌封(印孔)：根据需要，用金属浆料填充陶瓷生片上的通孔或在陶瓷生片上的通孔孔壁挂金属浆料。

平面印刷：根据产品设计，在陶瓷生片表面印刷导电图形。

叠层/加压：根据产品设计，将几片已经加工完成的单层陶瓷生片叠合在一起并加压形成整体的陶瓷BAR块。

刻槽：将叠/压好的陶瓷BAR块，按设计要求切割形成一定深度的槽，以便后续分成单只产品。

排胶/烧结：将加工完成的生坯中的有机物通过高温排除干净，并在还原性气氛下烧结形成致密的整体。烧结温度在600℃以上。

电镀：在金属化层的表面镀上所需的光亮金属层。

可见陶瓷封装基座生产工艺及其复杂，而且要经过叠层、刻槽、600℃高温烧结，还需要重新经过电镀，生产工艺耗费大量人力和能源，生产成本高，且生产过程产生大量废水废渣。

聚苯硫醚PPS是一种综合性能优异的热塑性特种工程塑料，其突出特点是耐高温、耐腐蚀、耐辐射、不燃、机械性能和电性能优异。主要用于汽车制造、电子电器、机械行业、化工仪器仪表和航天工业等。但是PPS和其他塑料一样，与金属的主要区别在于它的低导热性能，限制了它不能在某些领域代替金属。随着工业生产和科学技术的发展，一些对材料导热性能要求较高的领域如换热工程、电磁屏蔽、电子信息等领域，对导热材料提出了更高的要求，希望材料具有优良的综合性能。

塑料的导热系数很小，提高其导热性能的途径主要有两种，一是合成具有高导热系数的结构塑料，如聚乙炔、聚苯胺、聚口比咯等，它们是主要通过电子导热机制实现导热，或具有完整结晶性。但是此种方式受聚合物本身结构限制，不能适用于所有的材料；二是用高导热填料对塑料进行填充。大多数塑料采用第二种方法提高其导热系数。目前通过此种方法制得的导热塑料大多是普通塑料，如PP、PE等，但针对高性能的高导热聚苯硫醚PPS的复合材料还很少。

纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。纳米级陶瓷复合材料的力学性能，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高。有关研究表明，纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性，而且纳米陶瓷出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。在室温压缩时，纳米颗粒已有很好的结合，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍许的增加，所得的硬度和断裂韧度值更好，而烧结温度却要比工程陶瓷低400～600℃，且烧结不需要任何的添加剂。其硬度和断裂韧度随烧结温度的增加（即孔隙度的降低）而增加，故低温烧结能获得好的力学性能。通常，硬化处理使材料变脆，造成断裂韧度的降低，而就纳米晶而言，硬化和韧化由孔隙的消除来形成，这样就增加了材料的整体强度。因此，如果陶瓷材料以纳米晶的形式出现，可观察到通常为脆性的陶瓷可变成延展性的，在室温下就允许有大的弹性形变。 

随着高技术的不断出现，人们对超微米、纳米陶瓷寄予很大希望，世界各国的科研工作者正在不断研究开发纳米陶瓷粉体并以此为原料合成高技术超微米、纳米陶瓷。碳化硅超微陶瓷粉体纯度高、粒径小、分布均匀，比表面积大、高表面活性，松装密度低，具有极好的力学、热学、电学和化学性能，即具有高硬度、高耐磨性和良好的自润滑、高热传导率、低热膨胀系数及高温强度大特点。普通碳化硅的导热系数为83.6W/mK，碳化硅超微粉体做为绝缘材料，导热系数高达150W/mK以上，又因为是原子晶体，化学性质非常稳定，不溶于任何强酸、强碱。    

SiC陶瓷具有如此优良的性能，但同时SiC也是难以直接烧结致密的陶瓷。它属共价键性很强的材料。SiC致密陶瓷可以采用多种烧结方式进行烧结，常用的有反应烧结、无压烧结及热等静压烧结等，其中无压烧结SiC陶瓷制品为性价比最高的产品。无压烧结工艺包括固相烧结和液相烧结两种方式。无压烧结具有成本低、烧结体性能好、可以制备复杂形状和大尺寸SiC部件的优点，而且相对容易实现工业化生产。无压烧结法是将超微粒碳化硅粉末和烧结促进剂的混和物用一般的成形方法压制成型、注塑成型、烧注成型等成型技术，无压烧结是在非氧化性气氛（氮气环境下）中不加压进行烧结的方法，亦称常压烧结法。无压烧结法同以往的陶瓷制造方法非常相似，适合于形状复杂的高密度烧结制品的生产，作为廉价的大批量制品的制造方法是很有希望的。但是无压烧结需要的温度较高，尤其是固相烧结，通常温度大于2000℃，生产设备条件高，能耗高。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题是提供一种防静电、高热导率及耐高温、耐老化、抗冲击、高绝缘等性能的LED封装基座材料及其生产工艺，使之克服现有技术的缺点。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种防静电、高热导率的LED封装基座材料，其组成按重量百分比为：

碳化硅陶瓷微粉    40.0%～60.0%；

聚苯硫醚PPS      20.0%～30.0%；

玻璃纤维          10.0%～20.0%；

云母粉            2.0%～8.0%

偶联剂            0.5%～5.0%；

    辅助剂            0～2.0%。

所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料，其中所述聚苯硫醚PPS为分子量是3万至10万的第二代高分子量线性树脂。

所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料，其中所述碳化硅陶瓷微粉的粒径为0.1μm-10μm。

所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料，其中所述玻璃纤维设为无碱无捻长玻璃纤维。

所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料，其中所述偶联剂为硅烷偶联剂，选自苯γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷（KH560）、苯乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）、γ―氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）中的一种或任意两种的组合。

所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料，其中所述辅助剂设为抗氧化剂和紫外线吸收剂。

    所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料的生产工艺，包括步骤：

1）、将碳化硅陶瓷微粉、云母粉混合，加入偶联剂进行表面处理，处理温度30～70℃，处理时间5～15min；

2）、将聚苯硫醚在200-250℃氧化热交联4-8小时后，加入1）中处理好的碳化硅陶瓷微粉、云母粉、偶联剂，再添加辅助剂，在高速搅拌机里搅拌混合，混合3～10min，得到复合预混料；

3）、将2）中混合好的复合预混料投入到双螺杆挤出机的加料斗，玻璃纤维由玻纤口加入，经熔融混炼、烧结挤出，烧结温度在265～300℃，压力为12～18Mpa，保温停留时间10～40min，再经冷却、切粒得到复合材料粒子；

4）、经过工艺3）处理所得复合材料粒子于110～130℃鼓风干燥3～6 h后，采用注塑温度为250～320℃、模温为90～130℃的注塑机，在LED引线支架上直接注塑成型，制备LED封装基座。

本发明的有益效果：1、本发明采用碳化硅超微陶瓷粉粒、玻璃纤维、聚苯硫醚的主要原料导热系数高，且材料价格相对于铜、铝金属材料及氮化铝陶瓷材料具有成本低廉的优势，制备成的LED封装基座材料具有高导热性能，大大提高了大功率LED灯的散热性能。2、本发明制得的封装基座材料，采用高热导性的碳化硅超微陶瓷粉粒、玻璃纤维对聚苯硫醚复合材料进行混炼、烧结，保持材料的其他各项物理力学性能优异的同时，克服了陶瓷基座的易脆化、导热性能不够好等缺陷。3、本发明提出的LED封装基座材料是一种玻璃纤维强化的PPS/SiC复合材料，采用直接螺杆机混炼、低温烧结，再在LED支架引线上直接注塑成型，生产工艺简单，免除了陶瓷基座生产中的叠层、刻槽、600℃高温烧结成型及电镀等复杂、耗能、耗时的工艺环节，且无废水、废气和废渣产生，因此生产成本低、节能环保。

具体实施方式

实施例1：

按以下组分和重量称取原料：碳化硅陶瓷微粉47kg，聚苯硫醚PPS 22.6kg；玻璃纤维15kg；云母粉6kg，苯乙烯基三乙氧基硅烷2kg；抗氧化剂和紫外线吸收剂1.4kg。采用下述工艺步骤：

1）、将碳化硅陶瓷微粉、云母粉混合，加入苯乙烯基三乙氧基硅烷进行表面处理，处理温度50℃，处理时间10min；

2）、将聚苯硫醚树脂在220℃氧化热交联5小时后，加入1）中处理好的碳化硅陶瓷微粉、云母粉、苯乙烯基三乙氧基硅烷及抗氧化剂和紫外线吸收剂，在高速搅拌机里搅拌混合，混合5min，得到复合预混料；

3）、将2）中混合好的复合预混料投入到双螺杆挤出机的加料斗，玻璃纤维由玻纤口加入，经熔融混炼、烧结挤出，烧结温度在285℃，压力为13Mpa，保温停留时间25min，再经冷却、切粒得到复合材料粒子；

4）、经过工艺3）处理所得复合材料粒子于120℃鼓风干燥5 h后，采用注塑温度为290℃、模温为120℃的注塑机，在LED引线支架上直接注塑成型，制备LED封装基座。

   

实施例2：

按以下组分和重量称取原料：碳化硅陶瓷微粉54.7kg，聚苯硫醚PPS 23kg；玻璃纤维13kg；云母粉5kg，苯乙烯基三乙氧基硅烷2.5kg；抗氧化剂和紫外线吸收剂1.8kg。采用下述工艺步骤：

1）、将碳化硅陶瓷微粉、云母粉混合，加入苯乙烯基三乙氧基硅烷进行表面处理，处理温度55℃，处理时间12min；

2）、将聚苯硫醚树脂在215℃氧化热交联6小时后，加入1）中处理好的碳化硅陶瓷微粉、云母粉、苯乙烯基三乙氧基硅烷以及抗氧化剂和紫外线吸收剂，在高速搅拌机里搅拌混合，混合7min，得到复合预混料；

3）、将2）中混合好的复合预混料投入到双螺杆挤出机的加料斗，玻璃纤维由玻纤口加入，经熔融混炼、烧结挤出，烧结温度在290℃，压力为14Mpa，保温停留时间35min，再经冷却、切粒得到复合材料粒子；

4）、经过工艺3）处理所得复合材料粒子于120℃鼓风干燥4h后，采用注塑温度为290℃、模温为125℃的注塑机，在LED引线支架上直接注塑成型，制备LED封装基座。   

本发明的LED封装基座材料是一种玻璃纤维强化的PPS/SiC复合材料，碳化硅为超微米级或纳米级碳化硅粉粒，粒径为0.1μm-10μm，其主要目的是提高复合材料在注塑成型后的电绝缘性和抗冲击强度，同时还会提高复合材料的耐高温程度，从而使LED支架、包封基座、框架、封装材料能够承受连续使用温度提高到220-280℃，短时间承受温度达260-360℃，其添加量在40-60％在之间，如高于60％，复合材料烧结成型效果不好，如低于40％却达不到耐高温和抗冲击强度等特性，添加45-55％是最佳的选择。

本发明采用聚苯硫醚PPS，是要利用聚苯酯在很宽的温度范围都具有很高的机械刚性，同时具有很高的热稳定性，塑料中最大的导热系数，良好的电绝缘性以及优异的耐化学性能，从而提高大功率LED支架框架包封材料的散热性能，这样会大大延长大功率LED支架框架包封材料的使用寿命；同时提高大功率LED支架基座包封材料的耐高温和抗冲击强度等特性。其添加量为20-30％，如高于30％会增加其成本，如低于20％却达不到延长使用寿命和耐高温和抗冲击强度等特性，添加20-25％是最佳的选择。

    在本发明的方案中，由于LED光源的芯片却有80％的电能转化为热能，使用的LED支架材料需要承受较高的温度，不然就会降低LED支架的使用寿命。在灯具制造过程中，在芯片焊接过程中往往需要承受达260℃短时高温，目前国内外使用的大功率LED支架材料，主要是五大工程塑料等材料，这些材料最大的特点是价格便宜，其耐高温、耐老化、抗冲击、绝缘性能都不尽理想，在工程塑料经过增强处理后，能够长期承受的温度就是在120-130℃之间，短时间承受温度在180℃左右，它们这些特性远远不能够满足LED灯具的制造需要，同时，在芯片的铅锡焊接过程中，会因为焊接温度高而使目前的工程塑料熔化，甚至烧焦缩短其使用寿命，还可能造成电极之间发生短路等危害，为此本发明所采用的玻璃纤维强化的PPS/SiC复合材料所得到的封装基座具有优异的高温下的热稳定性，并具有高阻燃性、高电绝缘性、抗静电性能、耐辐射和良好的机械性能，尤其适合高大功率LED支架包封材料使用。

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (7)

1.一种防静电、高热导率的LED封装基座材料，其特征在于，其组成按重量百分比为：

碳化硅陶瓷微粉    40.0%～60.0%；

聚苯硫醚PPS      20.0%～30.0%；

玻璃纤维          10.0%～20.0%；

云母粉            2.0%～8.0%

偶联剂            0.5%～5.0%；

    辅助剂            0～2.0%。

2.根据权利要求1所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料，其特征在于：所述聚苯硫醚PPS为分子量是3万至10万的第二代高分子量线性树脂。

3.根据权利要求2所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料，其特征在于：所述碳化硅陶瓷微粉的粒径为0.1μm-10μm。

4.根据权利要求3所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料，其特征在于：所述玻璃纤维设为无碱无捻长玻璃纤维。

5.根据权利要求4所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料，其特征在于：所述偶联剂为硅烷偶联剂，选自苯γ―(2,3-环氧丙氧) 丙基三甲氧基硅烷（KH560）、苯乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）、γ―氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）中的一种或任意两种的组合。

6.根据权利要求5所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料，其特征在于：所述辅助剂设为抗氧化剂和紫外线吸收剂。

7.    根据权利要求1至6任一所述的防静电、高热导率的LED封装基座材料的生产工艺，其特征在于，包括步骤：

1）、将碳化硅陶瓷微粉、云母粉混合，加入偶联剂进行表面处理，处理温度30～70℃，处理时间5～15min；

2）、将聚苯硫醚在200-250℃氧化热交联4-8小时后，加入1）中处理好的碳化硅陶瓷微粉、云母粉、偶联剂，再添加辅助剂，在高速搅拌机里搅拌混合，混合3～10min，得到复合预混料；

3）、将2）中混合好的复合预混料投入到双螺杆挤出机的加料斗，玻璃纤维由玻纤口加入，经熔融混炼、烧结挤出，烧结温度在265～300℃，压力为12～18Mpa，保温停留时间10～40min，再经冷却、切粒得到复合材料粒子；

4）、经过工艺3）处理所得复合材料粒子于110～130℃鼓风干燥3～6 h后，采用注塑温度为250～320℃、模温为90～130℃的注塑机，在LED引线支架上直接注塑成型，制备LED封装基座。