CN104129920A - 一种共烧玻璃陶瓷材料及制备方法与利用共烧玻璃陶瓷材料制作led封装用基板的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种共烧玻璃陶瓷材料及制备方法与利用共烧玻璃陶瓷材料制作LED封装用基板的方法，其包括：步骤1：共烧玻璃陶瓷生胚的制备；步骤2：LED封装用基板的制备；本发明制备150um厚的生胚表面平整，光滑，绕卷不开裂。
Description
技术领域
本发明涉及一种共烧玻璃陶瓷材料及制备方法与利用共烧玻璃陶瓷材料制作LED封装用基板的方法，属于电子陶瓷基板材料及其制造领域。
背景技术
陶瓷基板材料以其优良的导热性和气密性，广泛应用于功率电子、电子封装、混合微电子与多芯片模块等领域。基板的最大诉求为导热更佳，照明的LED封装需求最重要的就是散热和高反射率问题；其次则是需要强而有力的结构体和稳定可靠的材料。
LED封装经过30年的演进，最大的特色就是尺寸愈来愈小，因此热效应问题在输入驱动电流较高时便凸显出来。在一定的尺寸下，要求更高功率，要不就是增加LED芯片数量，要不就是提高单颗芯片的电流，对于后者在相对狭小的空间范围内就会增大LED的发热，灯内温度就会升高，结果是每升高20℃，LED效能就要降低5%。
为了解决以上问题，国内外都积极致力于开发出功率高，散热能力强，热膨胀系数小，结构稳定的LED基板，如专利CN1905223A，介绍一种热电分离设计的LED共烧玻璃陶瓷基板，可以明显降低LED封装温度，提高光效，CN101188260A通过氧化铝陶瓷基板与氮化铝陶瓷基板叠层结合在一起，结合两者的优点，去除缺点，将散热能力提高几十到上百倍，US20050161682A1提出一种适于较高温度工作的LED封装结构是使用金属与LTCC结合的基板，并在LTCC上形成导电和导热焊盘。另外，照明反光板的研究现在朝反光材料和反光角度两方面展开，反光材料研究已经有上百年的时间，包括PVC晶格反光片、电镀、镜面铝、纳米膜、荧光布等等，大量用于反光板和其他方面，技术相当完善，其中纳米材料反射率可以达86%，德国安铝的镜面铝最高可以达到98%，本项目采用高平滑性，导电系数高的银层，它具有下列优点：优秀的光反射特性(95%以上全反射率、扩散反射率：92%、镜面反射率：3%)、反射能力都能够维持均一性，对于有忠实反射光源要求的情况下，更能发挥其特长。
先前封装用陶瓷基板材料由于材料成本高且烧结后强度不足，造成应用面的拓展困难，本发明提供一种成本低且制程相对简易的陶瓷生胚制造方法，提高陶瓷坯体有效性及致密度，加上内埋银线路当导热体及反射面，大幅度提高散热性及发光效率，满足量产的需求，由于成本较低有助降低LED晶粒的生产成本，具产业推广效益。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高热传导率、高强度和低成本的共烧玻璃陶瓷材料制作的LED封装用基板。
本发明的另一目的在于提供一种采用一定的银膏印刷得到高反射率的LED封装用陶瓷基板的方法。
本发明是这样实现的，一种共烧玻璃陶瓷材料，其特征在于，所述共烧玻璃陶瓷材料主要组分包括40-60wt%的无机相成分和40-60%有机相成分，其中：
所述无机相成分占总整体重量百分含量为：20-30wt%高精细氧化铝粉料和20-30wt%精加工玻璃粉；
所述有机相包括溶剂乙醇、粘结剂聚乙稀醇缩丁醛、塑化剂邻苯二甲酸二辛酯和邻苯二甲酸二丁酯其中一种或两种。
所述高精细氧化铝粉料是来自昭和电工株式会社，粉料型号为Al-160SG-4，平均粒径为0.55um，纯度达到99.5%；所述精加工玻璃粉是来自磊盈股份有限公司，粉料型号为TF888，平均粒径为0.67um。
所述溶剂乙醇来自赣县银基化工商行，纯度达到99%；所述粘结剂聚乙稀醇缩丁醛来自格雷斯蒙-伟斯公司，型号为GMB-705，固含量为18.5wt%，粘度235cps；所述塑化剂邻苯二甲酸二辛酯和邻苯二甲酸二丁酯来自南昌全友化工原料有限公司，纯度达到99.9%以上。
所述有机相成分中各组成占无机与有机整体重量百分含量为：溶剂乙醇20-25wt%，粘结剂20-25wt%，塑化剂2-8%。
所述的一种共烧玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：
1）将氧化铝粉放入行星球磨机按质量球料水比3:1:1进行球磨3-6h，然后烘干进行600度淬火4-8h；
2）将玻璃粉放入行星球磨机按质量球料水比3:1:1进行球磨1-3h，然后烘干进行200度淬火4-8h；
3）按照制备共烧玻璃陶瓷所需原材料中各组分占无机与有机整体质量百分含量，分别称取淬火好的氧化铝与玻璃粉和溶剂、粘结剂与塑化剂，添加到球磨罐中，然后放入行星式球磨机中进行一次性球磨8-12h；
4）将球磨料浆放入脱泡机中进行真空脱泡，脱泡要求搅拌速度为10-20r/min，脱泡时间20-40min；
5）将脱泡好的料浆倒入流延机中进行流延，流延刀口高度1.0-1.5mm，流速0.5-1.5m/min，烘制温度40-60℃，然后裁切成150*150mm的生胚带，放入烘箱中进行90-120℃烘制。
所述的利用共烧玻璃陶瓷材料制作LED封装用基板的方法，其特征在于，首先将若干张陶瓷生胚带叠层、冲孔，通孔内填满银浆，在生胚带上丝网印刷银浆导体图形及相应电极，将印刷好的生胚带按预先设计的层数和次序合模后经水压机均匀等静压，最后切割成相应尺寸的基板毛坯，放入箱式炉中进行烧结，烧结程式：0-350℃阶段升温速度为5-8℃/min，保温20-40min，350-770℃阶段升温速度为5-10℃/min，保温20-40min，然后随炉降温。
所述叠层水压等静压的压力为6000-8000psi，温度为65-80℃，合模水压等静压的压力为500-800psi，温度为65-80℃。
所述球磨罐中球为氧化铝球和氧化锆球混合体，按质量百分含量均为50%，各类球含有两种不同的直径，分别是12mm和7mm。
本发明的优点：
1 、原材料全部来自已商业化产品，可以大幅度降低产品生产成本，提高产品竞争力；
2 、本发明产品保证较高的热传导率，较小的热膨胀系数的情况下，具有低收缩率和高密度，可以显著提高产品的稳定性和抗震性。
3 、采用一定的银膏印刷，可得到反射率95%以上的LED基板，提高LED光效。
4、此烧结出来的LED封装用基板可以达到密度3.2-3.5g/cm3，热传导率在18-20 W/m.k，基板光反射率95 %以上，热膨胀系数低于6.2 ppm/℃，达到高强度、高热导率及低成本的产业应用需求。
附图说明
图1是LED封装用单颗基板的正视图。
图2是LED封装用单颗基板的反视图。
图3是LED封装用单颗基板的剖面图。
图4是LED封装用单颗基板的立体图。
图5是成品整体图。
具体实施方式
图1是LED封装用单颗基板正视图，基板内层导电银膏表层区域1起到导电和光线反射作用，基板内层导热银膏表层区域2同时也起到导热和光线反射作用，大面积银膏表层可以起到大幅度提高光线的反射率的效果。为了提高基板导电导热性能，对基板下层打通若干孔，通过填充高导电导热银膏提高导电和导热性能，如图2，单颗基板上设有导热孔3、导电孔5、基板外层导热银膏表层区域4和基板外层导电银膏表层区域6，如图3，填充好的导热银膏7、导电银膏8。为了后续封装方便并提供一定的LED芯片位置空间，需要加上基板上层，如图4基板立体图，基板上层9是由5张150um厚度的毛坯带叠压在一起的，在上层槽中填充一定反射率的硅胶，硅胶在这里一方面可以起到固定LED芯片，另一方面可以提高光的反射率的作用。基板下层10是由2张150um厚度的薄毛坯带叠压在一起，先进行打孔，银膏填孔，并在其上下两面印刷银膏，它是LED封装用基板的重要部分。图5是基板成品整体图，它是由上下两层合模在一起而成，尺寸为60*60mm，共有180颗LED封装单颗基板。
实施案例1
一种制备共烧玻璃陶瓷生胚带的制备方法，包括如下步骤：
（1）将昭和电工氧化铝粉放入球磨罐中，于行星球磨机按质量球料水比3：1：1，进行球磨3h，然后烘干进行600度淬火6h，
（2）将磊盈玻璃粉放入球磨罐中，于行星球磨机按质量球料水比3：1：1，进行球磨2h，然后烘干进行200度淬火4h，
（3）将淬火好的氧化铝22wt%，淬火好的玻璃粉28wt%，溶剂乙醇22.5wt%，粘结剂22.5wt%和塑化剂5%，放入球磨罐中，球料溶剂质量比为6：3：1，放入行星式球磨机中进行一次性球磨10h，
（4）将球磨料浆放入脱泡机中进行真空脱泡，脱泡要求搅拌速度为12rpm，脱泡时间30min，
（5）将脱泡好的料浆倒入流延机中进行流延，流延刀口高度1.2mm，流速1.5m/min，烘制温度50℃，然后裁切成150*150mm的生胚带，放入烘箱中进行120℃烘制。
（6）将若干张陶瓷生胚带叠层、冲孔，通孔内填满银浆，在生胚带上丝网印刷银浆导体图形及相应电极，
（7）将印刷好的生胚带按预先设计的层数和次序合模后经水压机均匀等静压，最后切割成相应尺寸的基板毛坯，
（8）将基板毛坯放入箱式炉中进行烧结，烧结程式：0-400℃阶段升温速度为7℃/min，保温20min，400-750℃阶段升温速度为8℃/min，保温20min，然后随炉降温。
实施案例2
一种制备共烧玻璃陶瓷生胚带的制备方法，包括如下步骤：
（1）将昭和电工氧化铝粉放入球磨罐中，于行星球磨机按质量球料水比3：1：1，进行球磨3h，然后烘干进行600度淬火6h，
（2）将磊盈玻璃粉放入球磨罐中，于行星球磨机按质量球料水比3：1：1，进行球磨2h，然后烘干进行200度淬火4h，
（3）将淬火好的氧化铝24wt%，淬火好的玻璃粉26wt%，溶剂乙醇22.5wt%，粘结剂23wt%和塑化剂5.5%，放入球磨罐中，球料溶剂质量比为6：3：1，放入行星式球磨机中进行一次性球磨10h，
（4）将球磨料浆放入脱泡机中进行真空脱泡，脱泡要求搅拌速度为14rpm，脱泡时间30min，
（5）将脱泡好的料浆倒入流延机中进行流延，流延刀口高度1.3mm，流速1.3m/min，烘制温度50℃，然后裁切成150*150mm的生胚带，放入烘箱中进行110℃烘制。
（6）将若干张陶瓷生胚带叠层、冲孔，通孔内填满银浆，在生胚带上丝网印刷银浆导体图形及相应电极，
（7）将印刷好的生胚带按预先设计的层数和次序合模后经水压机均匀等静压，最后切割成相应尺寸的基板毛坯，
（8）将基板毛坯放入箱式炉中进行烧结，烧结程式：0-350℃阶段升温速度为6℃/min，保温30min，350-770℃阶段升温速度为7℃/min，保温30min，然后随炉降温。
实施案例3
一种制备共烧玻璃陶瓷生胚带的制备方法，包括如下步骤：
（1）将昭和电工氧化铝粉放入球磨罐中，于行星球磨机按质量球料水比3：1：1，进行球磨3h，然后烘干进行600度淬火6h，
（2）将磊盈玻璃粉放入球磨罐中，于行星球磨机按质量球料水比3：1：1，进行球磨2h，然后烘干进行200度淬火4h，
（3）将淬火好的氧化铝26wt%，淬火好的玻璃粉24wt%，溶剂乙醇22.5wt%，粘结剂23.5wt%和塑化剂6%，放入球磨罐中，球料溶剂质量比为6：3：1，放入行星式球磨机中进行一次性球磨10h，
（4）将球磨料浆放入脱泡机中进行真空脱泡，脱泡要求搅拌速度为16rpm，脱泡时间30min，
（5）将脱泡好的料浆倒入流延机中进行流延，流延刀口高度1.4mm，流速1.1m/min，烘制温度50℃，然后裁切成150*150mm的生胚带，放入烘箱中进行100℃烘制。
（6）将若干张陶瓷生胚带叠层、冲孔，通孔内填满银浆，在生胚带上丝网印刷银浆导体图形及相应电极，
（7）将印刷好的生胚带按预先设计的层数和次序合模后经水压机均匀等静压，最后切割成相应尺寸的基板毛坯，
（8）将基板毛坯放入箱式炉中进行烧结，烧结程式：0-300℃阶段升温速度为5℃/min，保温40min，300-790℃阶段升温速度为6℃/min，保温30min，然后随炉降温。
实施案例4
一种制备共烧玻璃陶瓷生胚带的制备方法，包括如下步骤：
（1）将昭和电工氧化铝粉放入球磨罐中，于行星球磨机按质量球料水比3：1：1，进行球磨3h，然后烘干进行600度淬火6h，
（2）将磊盈玻璃粉放入球磨罐中，于行星球磨机按质量球料水比3：1：1，进行球磨2h，然后烘干进行200度淬火4h，
（3）将淬火好的氧化铝28wt%，淬火好的玻璃粉22wt%，溶剂乙醇22.5wt%，粘结剂24wt%和塑化剂6.5%，放入球磨罐中，球料溶剂质量比为6：3：1，放入行星式球磨机中进行一次性球磨10h，
（4）将球磨料浆放入脱泡机中进行真空脱泡，脱泡要求搅拌速度为18rpm，脱泡时间30min，
（5）将脱泡好的料浆倒入流延机中进行流延，流延刀口高度1.5mm，流速0.9m/min，烘制温度50℃，然后裁切成150*150mm的生胚带，放入烘箱中进行90℃烘制。
（6）将若干张陶瓷生胚带叠层、冲孔，通孔内填满银浆，在生胚带上丝网印刷银浆导体图形及相应电极，
（7）将印刷好的生胚带按预先设计的层数和次序合模后经水压机均匀等静压，最后切割成相应尺寸的基板毛坯，
（8）将基板毛坯放入箱式炉中进行烧结，烧结程式：0-250℃阶段升温速度为4℃/min，保温60min，250-750℃阶段升温速度为5℃/min，保温40min，然后随炉降温。
以上实例1-4，按照实施案例步骤制作出来的产品，将本发明产品与日本薄带71EAS制备的LED基板进行特性对比，具体特性对比情况如表1所示：
表1 本发明产品与日本71EAS薄带特性对比
由表1数据对比可知：本发明产品在热传导率、热膨胀系数等相关参数达到同等日本产品数值，而且本发明产品在收缩率比日本产品小的情况下，反而密度更大，这样明显可以提高LED中陶瓷基板的稳定性和抗震性。
Claims (7)
1.一种共烧玻璃陶瓷材料，其特征在于，所述共烧玻璃陶瓷材料主要组分包括40-60wt%的无机相成分和40-60%有机相成分，其中：
所述无机相成分占总整体重量百分含量为：20-30wt%高精细氧化铝粉料和20-30wt%精加工玻璃粉；
所述有机相包括溶剂乙醇、粘结剂聚乙稀醇缩丁醛、塑化剂邻苯二甲酸二辛酯和邻苯二甲酸二丁酯其中一种或两种。
2.根据权利要求1所述的一种共烧玻璃陶瓷材料，其特征在于，所述高精细氧化铝粉料是来自昭和电工株式会社，粉料型号为Al-160SG-4，平均粒径为0.55um，纯度达到99.5%；所述精加工玻璃粉是来自磊盈股份有限公司，粉料型号为TF888，平均粒径为0.67um。
3.根据权利要求1所述的一种共烧玻璃陶瓷材料，其特征在于，所述溶剂乙醇来自赣县银基化工商行，纯度达到99%；所述粘结剂聚乙稀醇缩丁醛来自格雷斯蒙-伟斯公司，型号为GMB-705，固含量为18.5wt%，粘度235cps；所述塑化剂邻苯二甲酸二辛酯和邻苯二甲酸二丁酯来自南昌全友化工原料有限公司，纯度达到99.9%以上。
4.根据权利要求1所述的一种共烧玻璃陶瓷材料，其特征在于，所述有机相成分中各组成占无机与有机整体重量百分含量为：溶剂乙醇20-25wt%，粘结剂20-25wt%，塑化剂2-8%。
5.一种权利要求1所述的一种共烧玻璃陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括：
1）将氧化铝粉放入行星球磨机按质量球料水比3:1:1进行球磨3-6h，然后烘干进行600度淬火4-8h；
2）将玻璃粉放入行星球磨机按质量球料水比3:1:1进行球磨1-3h，然后烘干进行200度淬火4-8h；
3）按照制备共烧玻璃陶瓷所需原材料中各组分占无机与有机整体质量百分含量，分别称取淬火好的氧化铝与玻璃粉和溶剂、粘结剂与塑化剂，添加到球磨罐中，然后放入行星式球磨机中进行一次性球磨8-12h；
4）将球磨料浆放入脱泡机中进行真空脱泡，脱泡要求搅拌速度为10-20r/min，脱泡时间20-40min；
5）将脱泡好的料浆倒入流延机中进行流延，流延刀口高度1.0-1.5mm，流速0.5-1.5m/min，烘制温度40-60℃，然后裁切成150*150mm的生胚带，放入烘箱中进行90-120℃烘制。
6.一种根据权利要求1、5所述的利用共烧玻璃陶瓷材料制作LED封装用基板的方法，其特征在于，首先将若干张陶瓷生胚带叠层、冲孔，通孔内填满银浆，在生胚带上丝网印刷银浆导体图形及相应电极，将印刷好的生胚带按预先设计的层数和次序合模后经水压机均匀等静压，最后切割成相应尺寸的基板毛坯，放入箱式炉中进行烧结，烧结程式：0-350℃阶段升温速度为5-8℃/min，保温20-40min，350-770℃阶段升温速度为5-10℃/min，保温20-40min，然后随炉降温。
7.根据权利要求6所述的利用共烧玻璃陶瓷材料制作LED封装用基板的方法，其特征在于，所述叠层水压等静压的压力为6000-8000psi，温度为65-80℃，合模水压等静压的压力为500-800psi，温度为65-80℃。
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