CN104868042B - 一种高导热复合陶瓷基板 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种高导热复合陶瓷基板，所述复合陶瓷基板包含一种或一种以上的高导热的一维导热材料且所述一维导热材料在所述复合陶瓷基板中形成贯穿于所述复合陶瓷基板纵截面的高速散热通道。本发明实施例还公开了一种高导热复合陶瓷基板的制作方法。采用本发明，通过在陶瓷基板材料中加入一维导热材料，经过挤压成型工艺，使得一维导热材料与剪切力平行排列。切割得到的陶瓷基板中一维导热材料贯穿于基板排列，形成贯穿于基板的取向一致的高速散热通道，大大提高了陶瓷基板的散热能力，可以应用于大功率LED和高度集成电路的散热基板，十分适合大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及电子封装材料领域，尤其涉及一种高导热复合陶瓷基板。
背景技术
目前常用的散热基基板料包括PCB、硅、金属(如铝，铜)、陶瓷(如Al2O3， AlN，SiC)和复合材料等。传统使用的PCB板封装基座的热传导率仅约为 0.36W/mK，已经远远不能满足大功率电子封装基板的散热要求。由于硅材料基板有加工困难、成本高的缺点，也很难满足大功率电子封装基板要求。单一金属材料(主要是Al、Cu)基板由于其热膨胀系数与LED芯片不匹配，比如铝基板热膨胀系数是LED芯片热膨胀系数的5倍之多，这将使得大功率LED工作时，金属基板与LED芯片的热应力太大，容易引起芯片断裂失效，单一材料很多场合下无法满足封装的需求。
陶瓷基板是最理想的基基板料，随着微电子技术的不断发展，大功率模块电路集成度不断提高以及大功率LED的发展，陶瓷基板的市场需求越来越大。但高温烧结的陶瓷材料烧结困难、成本高；低温烧结氧化铝陶瓷热导率不高。
发明内容
本发明实施例的目的在于，提供一种高导热复合陶瓷基板及其制作方法。在传统陶瓷基基板材料中加入一种或多种一维导热材料，采用挤压成型工艺，制得具有一定塑性的棒材之后再进行切割、烧结，即可得到一维导热材料贯穿于基板纵截面的陶瓷基板，形成一维导热材料取向一致且贯穿于基板的高速散热通道，大大提高陶瓷基板的散热能力，适合大批量生产应用于大功率LED、高集成电路板的散热基板。
本发明实施例提供了一种高导热复合陶瓷基板，所述复合陶瓷基板包含一种或一种以上的高导热的一维导热材料且所述一维导热材料在所述复合陶瓷基板中形成贯穿于所述复合陶瓷基板纵截面的高速散热通道。
本发明实施例还提供了一种高导热复合陶瓷基板，包括各组分的体积百分比为：陶瓷基体30～50％、玻璃烧结助剂30～40％、一维导热材料10～40％。
进一步地，所述一维导热材料为高导热晶须和/或纤维材料。
更进一步地，所述高导热晶须为AlN晶须。
更进一步地，所述一维纤维材料为铜纤维、碳纤维材料的至少一种，当基板需要绝缘时，可以通过在基板表面涂敷绝缘材料来保障其绝缘性能。
进一步地，所述玻璃烧结助剂为ZnO-B2O3-SiO2系低熔点玻璃。
进一步地，所述陶瓷基体为氧化铝陶瓷、堇青石陶瓷、多元电子陶瓷中的至少一种构成。
相应地，本发明实施例还提供了一种制作上述的高导热复合陶瓷基板的方法，包括以下工艺步骤：
(1)按所需的比例称取各组份原料，置于混料机内充分混合2h，再往混合物中加入7～10％粘结剂和10～25％的水，在50～120℃温度下继续充分混合 30min～60min；
(2)将混合好后的浆料放入真空挤压机内，在30～60MPa下挤压成具有塑性的陶瓷棒材；
(3)将陶瓷棒坯料进行切片处理，切割成所需厚度尺寸的薄片；
(4)将薄片加热进行排胶处理，排胶温度为500～700℃，保持1～3h；然后在800～1000℃下烧结2～4h，经过磨削抛光等后处理工序即可制得一维导热材料贯穿基板纵截面的高导热复合陶瓷基板。
进一步地，所述粘接剂为聚乙烯醇、石蜡、硬脂酸、高密度乙烯中的一种或多种混合物。
进一步地，所述切片可以在烧结步骤后进行切片处理。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明通过在陶瓷基板材料中加入一维导热材料，经过挤压成型工艺，使得一维导热材料与剪切力平行排列。切割得到的陶瓷基板中一维导热材料贯穿于基板排列，形成贯穿于基板的取向一致的高速散热通道，大大提高了陶瓷基板的散热能力，可以应用于大功率LED 和高度集成电路的散热基板，十分适合大批量生产。
附图说明
图1是高导热复合陶瓷基板横截面结构示意图；
图2是陶瓷-晶须复合材料基板纵截面结构示意图；
图3是陶瓷-纤维复合材料基板纵截面结构示意图。
其中：10是陶瓷基板,20是一维材料，21是纤维，22是晶须。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1：
称取Al2O3陶瓷粉30份，AlN晶须30份，ZnO-B2O3-SiO2系低熔点玻璃烧结助剂40份，在混料机内充分混合2h。向混合好的混合物中加入的7％的聚乙烯醇和20％的水，在95℃温度下充分混合50min。
将混好后的浆料倒入真空挤压机内，在60MPa下挤压成型，经过挤压成型后，形成具有一定塑性的棒材，采用金刚石锯片机将陶瓷棒坯料进行切片处理，切割成所需厚度尺寸的薄片。将薄片在500℃温度下，保温3小时进行排胶处理；然后在800℃下烧结4h，经过磨削抛光等后处理工序即可制得一维材料贯穿于基板纵截面的高导热复合陶瓷基板，参照图1所示结构示意图，其中10是陶瓷基板，20是一维材料。
所制成的陶瓷基板具有良好的绝缘性能和优良的散热性能，适合应用于大功率LED和集成电路的散热基板。
实施例2：
称取Al2O3陶瓷粉50份，AlN晶须10份，ZnO-B2O3-SiO2系低熔点玻璃烧结助剂40份，在混料机内充分混合2h。向混合好的混合物中加入10％的聚乙烯醇和18％的水，在95℃温度下充分混合50min。
将混好后的浆料倒入真空挤压机内，在50MPa下挤压成型，经过挤压成型后，形成具有一定塑性的棒材，采用线锯将陶瓷棒坯料进行切片处理，切割成所需厚度尺寸的薄片。将薄片在600℃温度下，保温2小时进行排胶处理；然后在900℃下烧结3h，经过磨削抛光等后处理工序即可制一维材料贯穿于基板纵截面的高导热复合陶瓷基板，如图1、图2所示结构示意图，其中10是陶瓷基板，21是晶须。
实施例3：
称取Al2O3陶瓷粉50份，铜纤维20份，ZnO-B2O3-SiO2系低熔点玻璃烧结助剂30份，在混料机内充分混合2h。向混合好的混合物中加入8％的石蜡和20％的水，在80℃温度下充分混合50min。
将混好后的浆料倒入真空挤压机内，在40MPa下挤压成型，经过挤压成型后，形成具有一定塑性的棒材，采用金刚石锯片机将陶瓷棒坯料进行切片处理，切割成所需厚度尺寸的薄片。将薄片在650℃温度下，保温2小时进行排胶处理；然后在950℃下烧结2.5h，经过磨削抛光等后处理工序即可制一维材料贯穿于基板纵截面的高导热复合陶瓷基板，如图1、图3所示结构示意图，其中10是陶瓷基板，22是纤维。
所制作成的陶瓷基板，由于铜纤维的加入，散热性能大大提高，但绝缘性能下降，适合于大功率LED散热基板的应用。为了保证陶瓷基板的绝缘性能，可以在基板表面涂敷绝缘材料。
实施例4:
分别称取Al2O3陶瓷粉30份，碳纤维40份，ZnO-B2O3-SiO2系低熔点烧结助剂30份，在混料机内充分混合2h。向混合好的混合物中加入9％的(50％石蜡+50％硬脂酸)混合物和20％的水，在70℃温度下充分混合60min。
将混好后的浆料倒入真空挤压机内，在30MPa下挤压成型，经过挤压成型后，形成具有一定塑性的棒材，用金刚石线切割机将陶瓷棒坯料进行切片处理，切割成所需厚度尺寸的薄片。将薄片在700℃温度下，保温1小时进行排胶处理；然后在1000℃下烧结2h，经过磨削抛光等后处理工序即可制一维材料贯穿于基板纵截面的高导热复合陶瓷基板。
实施例5：
分别称取堇青石陶瓷40份，AlN晶须10份、Si3N4晶须10份，ZnO-B2O3-SiO2系低熔点烧结助剂40份，在混料机内充分混合2h。向混合好的混合物中加入 8％的(40％石蜡+20％硬脂酸+40％高密度乙烯)混合物和20％的水，在90℃温度下充分混合40min。
将混好后的浆料倒入真空挤压机内，在40MPa下挤压成型，经过挤压成型后，形成具有一定塑性的棒材，用金刚石线切割机将陶瓷棒坯料进行切片处理，切割成所需厚度尺寸的薄片。将薄片在700℃温度下，保温1小时进行排胶处理；然后在1000℃下烧结2h，经过磨削抛光等后处理工序即可制一维材料贯穿于基板纵截面的高导热复合陶瓷基板。
实施例6：
分别称取堇青石陶瓷15份、锂铌钛电子陶瓷共35份，铜纤维须10份、碳纤维5份，ZnO-B2O3-SiO2系低熔点烧结助剂35份，在混料机内充分混合2h。向混合好的混合物中加入8％的(50％石蜡+20％硬脂酸+30％高密度乙烯)混合物和 20％的水，在90℃温度下充分混合40min。
将混好后的浆料倒入真空挤压机内，在40MPa下挤压成型，经过挤压成型后，形成具有一定塑性的棒材，将棒材切段，在700℃温度下保温1小时进行排胶处理；然后在1000℃下烧结2h，用金刚石线切割机将陶瓷棒进行切片处理，切割成所需厚度尺寸的薄片，经过磨削抛光等后处理工序即可制一维材料贯穿于基板纵截面的高导热复合陶瓷基板。
以上的实施例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种高导热复合陶瓷基板，其特征在于，所述复合陶瓷基板包含一种或一种以上的高导热的一维导热材料且所述一维导热材料在所述复合陶瓷基板中形成贯穿于所述复合陶瓷基板纵截面的高速散热通道，所述复合陶瓷基板包括以下体积百分比组分：陶瓷基体30～50％、玻璃烧结助剂30～40％、一维导热材料10～40％，各组分通过以下工艺进行制备：
(1)按所需的比例称取各组份原料，置于混料机内充分混合2h，再往混合物中加入7～10％粘结剂和10～25％的水，在50～120℃温度下继续充分混合30min～60min；
(2)将混合好后的浆料放入真空挤压机内，在30～60MPa下挤压成具有塑性的陶瓷棒材；
(3)将陶瓷棒坯料进行切片处理，切割成所需厚度尺寸的薄片；
(4)将薄片加热进行排胶处理，排胶温度为500～700℃，保持1～3h；然后在800～1000℃下烧结2～4h。
2.根据权利要求1所述的高导热复合陶瓷基板，其特征在于，所述一维导热材料为高导热晶须和/或纤维材料。
3.根据权利要求2所述的高导热复合陶瓷基板，其特征在于，所述高导热晶须为AlN晶须。
4.根据权利要求2所述的高导热复合陶瓷基板，其特征在于，所述一维纤维材料为铜纤维、碳纤维材料的至少一种。
5.根据权利要求1所述的高导热复合陶瓷基板，其特征在于，所述玻璃烧结助剂为ZnO-B2O3-SiO2系低熔点玻璃。
6.根据权利要求1所述的高导热复合陶瓷基板，其特征在于，所述陶瓷基体为氧化铝陶瓷、堇青石陶瓷、多元电子陶瓷中的至少一种构成。
7.根据权利要求1-6任一项所述的高导热复合陶瓷基板，其特征在于，所述粘结 剂为聚乙烯醇、石蜡、硬脂酸、高密度乙烯中的一种或多种混合物。
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