CN105693260B - 一种低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板。该基板由陶瓷粉、铜纤维及低温玻璃烧结助剂组成。基板材料组成以质量百分数计：陶瓷粉30～40％，铜纤维20～40％，低温玻璃烧结助剂30～40％。本发明提供的陶瓷基复合基板可在800～950℃烧成。本发明选取价格低廉的可实现低温烧结的陶瓷粉体作为主要原料，通过在陶瓷基体中添加高导热铜纤维，铜纤维穿插于陶瓷基体之间，使材料的传热阻力降低，基板的热导率有很大程度的提高。同时加入一定量的低温玻璃烧结助剂，在金属纤维熔点以下实现基板的低温烧结。本发明适用于LED的封装应用等领域。
Description
技术领域
本发明属于LED陶瓷散热基板技术领域，主要涉及大功率发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）光源的散热技术，具体为含有铜纤维的陶瓷基复合基板。
背景技术
陶瓷材料化学性能稳定、电绝缘性好，线膨胀系数与电子元器件非常相近，是电子元器件中常用的基板材料之一。而且陶瓷材料价格相对低廉，在目前电子行业中得到广泛的应用。低温烧结陶瓷能够根据预先设定的结构，将电极材料、基板、电子器件等一次性烧成，能用于实现高集成度、高性能的电子封装技术。但是低温烧结陶瓷热导率相对较低，难以满足大功率集成电路或大功率LED的散热要求。
金属具有高导热、成本低廉，室温热导率高，但金属基板热膨胀系数很大，与电子元器件不匹配，容易造成电子元器件的脱落，难以满足产业应用的要求。金属纤维不仅具有长径比高、结构完整、缺陷少、强度和模量高等特点，而且还具有金属的固有高导热特性，用铜纤维制备高导热低成本复合材料散热基板尚没有人尝试。
发明内容附图说明
本发明是针对低温烧结陶瓷热导率相对较低、金属基板热膨胀系数大的问题，通过铜纤维的桥接导热，大幅度提高低温烧结铜纤维陶瓷基复合材料基板的热导率，使低成本的复合陶瓷基板适应大功率LED、高集成度大功率模块电路的高热导率要求。
针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的是提出一种低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板。
实现本发明上述目的的技术方案为：
一种低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板，所述基板由陶瓷粉、铜纤维及低温玻璃烧结助剂组成，基板材料组分的质量百分含量为：陶瓷粉30~40%，铜纤维20~40%，低温玻璃烧结助剂30~40%。
所述的陶瓷粉为具有低温烧结性能或在低温烧结助剂作用下实现低温烧结的氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷粉体或它们两种以上的混合物。
所述的陶瓷粉体为粉末状，粉末粒径为0.1~1μm。
所述铜纤维直径为0.5~2μm，长径比大于10。
所述铜纤维为纯铜纤维或铜合金纤维，以及表面镀其它材料的铜金属或铜合金金属纤维。
所述的低温玻璃烧结助剂其氧化物质量百分比配方为：
SiO2 40~55%，
Al2O3 1~5%，
K2O 8~18%，
TiO2 0~3%，
B2O3 10~20%，
ZnO 11~24%，
Na2O 0~1%。
所述基板的烧成温度在800~950℃，具体制备工艺如下：
(1)混料：按权利要求1所述比例的陶瓷粉、铜纤维以及低温玻璃烧结助剂混合后，加入一定量无水乙醇，经12-24h球磨混合或机械搅拌混合后烘干、过筛备用；
(2)成型：按步骤(1)得到的混合料，加入混合料总质量为4%~6%的水和4~6%的聚乙二醇后置于钢模中，在自动压片机压力作用下，模压成型得到1~1.5mm厚的基板预制件；
(3)干燥：将模压成型基板预制件在烘箱中干燥1小时；
(4)排胶：将预制件进行加热排胶，升温至500~700℃，保持1~3小时得到陶瓷坯片；
(5)烧结：将排胶后的陶瓷坯片送入以氮气或惰性气体进行保护的烧结设备中，在800~950℃温度下，烧结2~6小时，得到铜纤维陶瓷基复合基板。
本发明所述的制备工艺得到的低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板，其有益效果在于：
选取价格低廉陶瓷粉体作为主要原料，通过在陶瓷基体中添加高导热的金属纤维，金属纤维穿插于陶瓷基体之间，有利于形成导热网络，增加导热通路，使材料的传热阻力降低，基板的热导率有很大程度的提高；同时，通过添加低温烧结助剂显著降低了陶瓷基板的烧结温度，降低了制备成本，避免了金属纤维的高温熔化弱点，从而为更大功率LED、更高集成度大功率模块电路提供必要的散热基板。
附图说明
图1为本发明陶瓷基复合基板的制备流程图。
图2为本发明陶瓷基复合基板的剖面图。
具体实施方式
低温玻璃烧结助剂是根据不同的陶瓷粉体优选具有高导热性能的能促进陶瓷粉体在低温烧结的低熔点玻璃助剂。
实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。
实施例1：
参见图1 的流程图。取平均粒径为1μm的Al2O3粉体400g，直径为1μm、长径比10~12的铜纤维350g，平均粒径为0.5μm的低温玻璃烧结助剂250g，加入无水乙醇500g进行球磨混合24小时。将得到的混合料，加入75g水和75g的聚乙二醇后置于钢模中，在自动压片机80MPa压力作用下，模压成型得到1.5mm厚的基板预制件，并将脱模后的基板预制件在烘箱中经180℃的热风进行干燥1小时。
将干燥后的基板预制件送入排胶炉中，分段排胶，升温至700℃，保温3小时，排胶后得到陶瓷坯片。将陶瓷坯片送入气氛烧结炉，在2个大气压的氮气保护气氛中，在830℃温度下，烧结3小时得到低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板。
实施例2：
取平均粒径为0.8μm的SiC粉体350g，直径为1μm、长径比10~12的黄铜纤维350g，平均粒径为0.5μm的低温玻璃烧结助剂300g，加入无水乙醇500g进行球磨混合24小时。将得到的混合料，加入70g水和70g的聚乙二醇后置于钢模中，在自动压片机70MPa压力作用下，模压成型得到1.4mm厚的基板预制件，并将脱模后的基板预制件在烘箱中经150℃的热风进行干燥1小时。
将干燥后的基板预制件送入排胶炉中，分段排胶，升温至600℃，保温3小时，排胶后得到陶瓷坯片。将陶瓷坯片送入气氛烧结炉，在2个大气压的氮气保护气氛中，在870℃温度下，烧结5小时得到低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板。
实施例3：
取平均粒径为0.75μm堇青石玻璃陶瓷粉体400g，直径为1.5μm、长径比10~15的铜纤维250g，平均粒径为0.5μm的低温玻璃烧结助剂300g，加入无水乙醇500g进行球磨混合24小时。将得到的混合料，加入65g水和65g的聚乙二醇后置于钢模中，在自动压片机60MPa压力作用下，模压成型得到1.3mm厚的基板预制件，并将脱模后的基板预制件在烘箱中经150℃的热风进行干燥1小时。将干燥后的基板预制件送入排胶炉中，分段排胶，升温至700℃，保温2小时，排胶后得到陶瓷坯片。将陶瓷坯片送入气氛烧结炉，在2个大气压的氮气保护气氛中，在910℃温度下，烧结5小时得到低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板。
实施例4：
取平均粒径为0.3μm AlN粉体400g，直径为0.6μm、长径比10~13的铜纤维300g，平均粒径为0.1μm的低温玻璃烧结助剂270g，加入无水乙醇500g进行球磨混合24小时。将得到的混合料，加入60g水和60g的聚乙二醇后置于钢模中，在自动压片机50MPa压力作用下，模压成型得到1.2mm厚的基板预制件，并将脱模后的基板预制件在烘箱中经115℃的热风进行干燥1小时。将干燥后的基板预制件送入排胶炉中，分段排胶，升温至570℃，保温1小时，排胶后得到陶瓷坯片。将陶瓷坯片送入气氛烧结炉，在2个大气压的氮气保护气氛中，在950℃下，烧结6小时得到低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板。
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 (5)
1.一种低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板，由陶瓷粉、铜纤维及低温玻璃烧结助剂组成，其特征在于：基板材料组分的质量百分含量为：陶瓷粉30~40%，铜纤维20~40%，低温玻璃烧结助剂30~40%；所述的低温玻璃烧结助剂其氧化物质量百分比配方为：SiO2 40~55%，Al2O31~5%，K2O 8~18%，TiO2 0~3%，B2O3 10~20%，ZnO 11~24%，Na2O 0~1%，基板的烧成温度在800~950℃，具体制备工艺如下：
(1)混料：按上述比例的陶瓷粉、铜纤维以及低温玻璃烧结助剂混合后，加入一定量无水乙醇，经12-24h球磨混合或机械搅拌混合后烘干、过筛备用；
(2)成型：按步骤(1)得到的混合料，加入混合料总质量为4%~6%的水和4~6%的聚乙二醇后置于钢模中，在自动压片机压力作用下，模压成型得到1~1.5mm厚的基板预制件；
(3)排胶：将预制件进行加热排胶，升温至500~700℃，保持1~3小时得到陶瓷坯片；
(4)烧结：将排胶后的陶瓷坯片送入以氮气或惰性气体进行保护的烧结设备中，在800~950℃温度下，烧结2~6小时，得到铜纤维陶瓷基复合基板。
2.根据权利要求1所述的一种低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板，其特征在于：所述的陶瓷粉为具有低温烧结性能或在低温烧结助剂作用下实现低温烧结的氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷粉体或它们两种以上的混合物。
3.根据权利要求2所述的一种低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板，其特征在于：所述的陶瓷粉体为粉末状，粉末粒径为0.1~1μm。
4.根据权利要求1所述的一种低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板，其特征在于：所述铜纤维直径为0.5~2μm，长径比大于10。
5.根据权利要求4所述的一种低温烧结铜纤维陶瓷基复合基板，其特征在于：所述铜纤维为纯铜纤维或铜合金纤维，以及表面镀其它材料的铜金属或铜合金金属纤维。
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