CN105925978A - 一种铝基复合材料基板及其制备方法 - Google Patents

一种铝基复合材料基板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铝基复合材料基板，包括铝金属板和涂覆在铝金属板表面经过激光喷丸后的涂覆层，激光喷丸后的涂覆层为铝粉和碳化硅纳米颗粒的混合物。该铝基复合材料基板通过激光烧结技术将碳化硅纳米颗粒嵌入普通铝金属板中，同时利用激光喷丸技术对铝基纳米复合材料进行强化处理，本发明铝基复合材料基板与现有的铝碳化硅基板相比，密度更低、整体与局部的失配更小、应力更低、翘曲更小，并且价格低廉。

Description

一种铝基复合材料基板及其制备方法
技术领域
本发明属于电子封装技术领域，具体涉及一种铝基复合材料基板及其制备方法。
背景技术
随着发光二极管(LED) 材料及封装技术的不断进步，促使LED 产品发光效率不断提高，其产品应用已涵盖可携式产品、看板、显示器背光源、汽车、照明等领域，市场规模及成长动力相当可观。
LED 散热技术随着高功率LED 产品的应用发展，已成为各家业者相继寻求解决的议题，而LED 散热基板的选择亦随着LED 的线路设计、尺寸、发光效率等条件的不同有设计上的差异，但伴随高亮度高功率LED 的发展及高密度封装的应用趋势，其散热问题如同中央处理器(CPU) 的发展一般也面临愈来愈严峻的考验，如不适时解决将影响LED的寿命及发光强度。传统LED 由于发热量不大，散热问题不严重，因此只需要运用一般电子用的铜箔印刷电路板(PCB) 即足以应付，但随着高功率LED 愈来愈盛行，铜箔印刷电路板已不足以应付散热需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有的基板不能满足高功率LED的散热需求的问题。
为此，本发明提供了一种铝基复合材料基板，包括铝金属板和涂覆在铝金属板表面经过激光喷丸后的涂覆层，所述所述激光喷丸后的涂覆层为铝粉和碳化硅纳米颗粒的混合物。
进一步地，上述激光喷丸后的涂覆层覆盖铝金属板上表面，或对称覆盖铝金属板上表面和下表面，或覆盖铝金属板的全表面。
进一步地，上述激光喷丸后的涂覆层的厚度为50微米～100微米，所述激光喷丸后的涂覆层中碳化硅纳米颗粒含量为5%～70%。
进一步地，上述铝粉的平均直径为50纳米～5微米。
另外，本发明还提供了上述铝基复合材料基板的制备方法，包括如下步骤：
1)准备铝金属板、铝粉和碳化硅纳米颗粒。
2)通过磁力搅拌器将铝粉和碳化硅纳米颗粒混合物混合于悬浮液中，搅拌均匀，混合物中碳化硅纳米颗粒含量为5%～70%，混合物与悬浮液的质量比为1:2～1:10。
3)将步骤2)中制得的悬浮液混合物涂覆在铝金属板表面形成涂覆层。
4)对铝金属板表面的涂覆层进行激光烧结处理，使得涂覆层与铝金属板融合，形成铝基纳米复合材料。
5)对步骤4)中形成的铝基纳米复合材料进行激光喷丸处理。
进一步地，上述步骤2)中悬浮液为质量分数4%的聚乙烯醇悬浮液。
进一步地，上述步骤3)中涂覆过程采用浸渍法、喷涂法或涂刷法。
进一步地，上述步骤4)中激光烧结过程在充满氮气，或不与铝基纳米复合材料反应的惰性气体的保护腔中进行。
进一步地，上述激光烧结过程和激光喷丸过程中采用的脉冲激光为飞秒激光、纳秒激光、皮秒激光、或者三者的组合。
进一步地，上述激光喷丸过程中铝基纳米复合材料的表面依次覆盖有薄铝箔和约束中介层。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种铝基复合材料基板通过在铝金属板表面增加碳化硅纳米颗粒，可以在较低的碳化硅含量下实现基板的低热膨胀系数和高强度，与现有的铝碳化硅基板相比，密度更低、整体与局部的失配更小、应力更低、翘曲更小，并且价格低廉。
(2)本发明提供的这种铝基复合材料基板的制备方法操作简单，通过该方法制备的铝基复合材料基板能满足高功率的LED散热需求，且其机械性能远胜于传统基板。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是浸渍法在铝金属板表面涂覆铝粉和碳化硅纳米颗粒示意图。
图2是激光烧结形成铝基纳米复合材料示意图。
图3是激光喷丸对铝基纳米复合材料表面强化处理示意图。
图4是激光喷丸后的涂覆层覆盖在铝金属板上表面示意图。
图5是激光喷丸后的涂覆层对称覆盖在铝金属板上、下表面示意图。
附图标记说明：1、铝金属板；2、涂覆层；3、熔融状态的涂覆层；4、激光器；5、玻璃腔；6、薄铝箔；7、约束中介层；8、激光喷丸后的涂覆层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种铝基复合材料基板，包括铝金属板1和涂覆在铝金属板1表面经过激光喷丸后的涂覆层8，所述激光喷丸后的涂覆层8为铝粉和碳化硅纳米颗粒的混合物，所述激光喷丸后的涂覆层8中碳化硅纳米颗粒含量为5%～70%。而所述激光喷丸后的涂覆层8可以仅覆盖在铝金属板1上表面，或者对称覆盖铝金属板1上表面和下表面，或者覆盖在铝金属板1的全表面；所述激光喷丸后的涂覆层8的厚度为50微米～100微米；所述铝粉的平均直径为50纳米～5微米。常温下纯铝的热膨胀系数为23×10-6/℃，碳化硅的热膨胀系数为4.5×10-6/℃，碳化硅的热膨胀系数更小，通过在铝金属板1的表面加入碳化硅纳米颗粒，可以在较低的碳化硅含量下实现基板的低热膨胀系数和高强度，与现有的铝碳化硅基板相比，密度更低、整体与局部的失配更小、应力更低、翘曲更小，并且价格低廉；而且铝的密度比碳化硅小而铝的热导率又比碳化硅大，相对比传统的整体铝碳化硅产品而言，本发明只在铝金属板表面上集成有碳化硅颗粒，单位质量下散热性能更好。
该铝基复合材料基板的制备方法，具体包括以下步骤：
1)准备铝金属板1、铝粉和碳化硅纳米颗粒；其中优选的铝粉的平均直径为50纳米～5微米，铝粉直径越小，有利于提高后续激光烧结过程的效率。
2)通过磁力搅拌器将铝粉和碳化硅纳米颗粒混合物混合于悬浮液中，混合物中碳化硅纳米颗粒含量为5%～70%，混合物与悬浮液的质量比为1:2～1:10，并利用磁力搅拌器将该悬浮液混合物搅拌均匀。优选的，该悬浮液选用质量分数为4%的聚乙烯醇水悬浮液，聚乙烯醇是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂，常用作分散剂，制作成悬浮液以分散难溶解于液体的固体颗粒能防止颗粒的沉降和凝聚，形成安定分布均匀地悬浮液。
3)将步骤2)中制得的悬浮液混合物涂覆在铝金属板表面形成涂覆层2。涂覆过程可以根据实际需要选用浸渍法、喷涂法或涂刷法，涂覆层2的厚度为50微米～100微米；涂覆层2可以仅覆盖在铝金属板1上表面，或者对称覆盖铝金属板1上表面和下表面，或者覆盖在铝金属板1的全表面。
4)对铝金属板1表面的涂覆层2进行激光烧结处理，由于铝粉的熔点约为660摄氏度，碳化硅的熔点约为2700摄氏度，通过控制激光的强度和扫描速度，使铝粉熔化的同时保持碳化硅为固态，熔化了的铝粉与铝金属板融合，而碳化硅纳米颗粒混入熔化的铝粉中，涂覆层2变成熔融状态的涂覆层3，而聚乙烯醇水悬浮液在激光烧结过程中蒸发掉，待铝粉固化后碳化硅纳米颗粒嵌入固化的铝粉中，从而使得涂覆层2与铝金属板3融合，形成铝基纳米复合材料。具体的，该激光烧结过程在充满保护气的玻璃腔5中进行，以保护样品在激光烧结过程中不被氧化，保护气选用氮气，或不与铝基纳米复合材料反应的惰性气体；所述激光烧结过程中激光器4的脉冲激光可以是飞秒激光、纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光或者三者的组合。
5)对形成的铝基纳米复合材料进行激光喷丸处理。
具体的，该激光喷丸过程中激光器4采用纳秒激光、皮秒激光、飞秒激光或者三者的组合作为能源；BK7玻璃因为高冲击阻抗被选作用于透明覆盖的约束中介层7，选用薄铝箔6保护铝基纳米复合材料的表面，将薄铝箔6置于铝基纳米复合材料之上，约束中介层7(BK7玻璃)置于薄铝箔6之上，激光器4的激光脉冲透过约束中介层7被薄铝箔6部分吸收，薄铝箔6吸收激光能量之后达到气化温度，随后被激光脉冲离化从而形成等离子体，等离子体被限制在铝基纳米复合材料和约束中介层7(BK7玻璃)之间，高压等离子体产生冲击波，传播至约束中介层7(BK7玻璃)和铝基纳米复合材料上，使铝基纳米复合材料产生塑性变形。经过激光喷丸处理之后，铝基纳米复合材料产生近表面加工硬化和近表面残余应力，从而改善了铝基纳米复合材料的机械性能。
综上所述，本发明提供的这种铝基复合材料基板通过激光烧结技术将碳化硅纳米颗粒嵌入普通铝金属板中，同时利用激光喷丸技术对铝基纳米复合材料进行强化处理，本发明铝基复合材料基板与现有的铝碳化硅基板相比，密度更低、整体与局部的失配更小、应力更低、翘曲更小，并且价格低廉。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铝基复合材料基板，其特征在于：包括铝金属板和涂覆在铝金属板表面经过激光喷丸后的涂覆层，所述激光喷丸后的涂覆层为铝粉和碳化硅纳米颗粒的混合物。
2.如权利要求1所述的铝基复合材料基板，其特征在于：所述激光喷丸后的涂覆层覆盖铝金属板上表面，或对称覆盖铝金属板上表面和下表面，或覆盖铝金属板的全表面。
3.如权利要求1或2所述的铝基复合材料基板，其特征在于：所述激光喷丸后的涂覆层的厚度为50微米～100微米，所述激光喷丸后的涂覆层中碳化硅纳米颗粒含量为5%～70%。
4.如权利要求1或2所述的铝基复合材料基板，其特征在于：所述铝粉的平均直径为50纳米～5微米。
5.如权利要求1～4任一项所述铝基复合材料基板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)准备铝金属板、铝粉和碳化硅纳米颗粒；
2)通过磁力搅拌器将铝粉和碳化硅纳米颗粒混合物混合于悬浮液中，搅拌均匀，混合物中碳化硅纳米颗粒含量为5%～70%，混合物与悬浮液的质量比为1:2～1:10；
3)将步骤2)中制得的悬浮液混合物涂覆在铝金属板表面形成涂覆层；
4)对铝金属板表面的涂覆层进行激光烧结处理，使得涂覆层与铝金属板融合，形成铝基纳米复合材料；
5)对步骤4)中形成的铝基纳米复合材料进行激光喷丸处理。
6.如权利要求5所述铝基复合材料基板的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中悬浮液为质量分数4%的聚乙烯醇悬浮液。
7.如权利要求5所述铝基复合材料基板的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中涂覆过程采用浸渍法、喷涂法或涂刷法。
8.如权利要求5所述铝基复合材料基板的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中激光烧结过程在充满氮气，或不与铝基纳米复合材料反应的惰性气体的保护腔中进行。
9.如权利要求5所述铝基复合材料基板的制备方法，其特征在于：所述激光烧结过程和激光喷丸过程中采用的脉冲激光为飞秒激光、纳秒激光、皮秒激光、或者三者的组合。
10.如权利要求5所述铝基复合材料基板的制备方法，其特征在于：所述激光喷丸过程中铝基纳米复合材料的表面依次覆盖有薄铝箔和约束中介层。
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