CN109256449A - 一种led基板 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LED基板及其制造方法，依次包括金属基材、绝缘导热层、导电金属层；绝缘导热层为无机复合材料，绝缘导热层厚度不超过0.3mm；金属基材为铜、铝、铜合金或铝合金。本申请以纳米SiO2溶胶、纳米Al2O3溶胶、TiO2溶胶中的任意一种或多种组成的混合物为粘结剂，与导热性填料及耐高压击穿填料具有极佳的相容性，达到很高的导热填料含量，保证了涂层的导热能力和金属层结合强度。上述原因使得本发明提供的LED基板有相当优秀的抗电击穿能力和导热能力。
Description
技术领域
本发明涉及电路基板领域，特别地，涉及一种能广泛应用于大功率LED领域的基板。
背景技术
LED发光二极管作为一种新型光源，具有光电转换效率高、亮度高、功耗低、寿命长、成本低等优势，已经广泛应用于显示、办公家居采光、道路照明、高亮度照明等领域，发挥着越来越重要的作用。尽管LED光源有寿命长、功耗低等优点，但使用过程中也会产生大量废热导致元件温度升高，LED光源长时间工作在高温下（本领域为50℃及以上），其寿命会大大缩短，大功率LED光源因此都配有相当规模的散热元件为其散热降温，其首要条件则是焊接承载LED元件的基板具有良好导热性能。
目前针对不同散热需求有三种LED基板产品。第一种是对于功率很小的LED光源产品，如LED手电筒直接沿用普通有机树脂玻璃纤维层压板，即普通PCB作为基板，该方案基本不能为LED元件提供额外导热散热能力，无法应用于高功率LED产品；第二种是在涂布有机树脂薄膜（作为绝缘层）的高导热金属铝板上贴上一层铜箔作为导电介质，得到贴铜铝基板。该种产品能够为LED元件提供一定的散热保障，但由于有机树脂绝缘层导热能力太差（最高仅0.5W/（m·k）)，这种产品的散热能力有限，只能用在中低散热功率场合的低附加值产品中；为改善产品散热能力，市场上出现了添加了高导热填充粉体的增强导热有机树脂膜的覆铜LED基板产品，其导热系数达到2.5W/（m·k），这种产品基本满足大功率（单管功率1W以上甚至是数十瓦）的需求，缺点是不耐老化，使用寿命短。还有一种直接在陶瓷薄板上覆铜制成的LED基板产品，直接使用具有较高导热系数的陶瓷，如Al2O3陶瓷、AlN陶瓷、SiC陶瓷或是复合陶瓷板作为载体，避免了导热差的有机层的使用，很好解决了大功率LED的散热需求，但这种产品需要高温烧结超薄陶瓷片，在陶瓷成型、干燥固化及烧结方面都有很高的工艺要求，技术门槛高。配套设备设施价格高、产品成品率控制要求高等方面的原因，使得该种产品的价格远远高于铝基板产品，一般可达600~800元/m2。特别的对于具有高导热性的AlN陶瓷基板，价格更是高达7500~8000元/m2，大大限制了其应用推广。
发明内容
本发明目的在于提供一种LED基板，以解决现有铝基LED基板导热能力差、陶瓷基板价格过高的问题。
本发明的第一目的是提供一种LED基板方案，依次包括金属基材、绝缘导热层、导电金属层；绝缘导热层为无机复合材料，绝缘导热层厚度不超过0.3mm，导热系数为2-60 W/（m·k）；上述金属基材为铜、铝、铜合金或铝合金。
优选地，上述绝缘导热层由粘结组分、高导热填料和耐高压填料组成，所述高导热填料所占质量百分比为4~75%，所述耐高压填料所占质量百分比为0.1~10%，所述粘结组分所占质量百分比为15%~95.9%，上述组分的含量之和为100%。
优选地，上述高导热填料为经高温焙烧的SiC、AlN、Al2O3、MgO、金刚石、氮化硼（CBN)中的任意一种或多种组成的混合物；所述耐高压填料为白炭黑、绢云母、碳酸钙中的任意一种或多种的混合物；所述粘结组分是无机非金属材质，固化前为纳米SiO2溶胶、纳米Al2O3溶胶、纳米TiO2溶胶中的任意一种或多种的混合物。
优选地，上述高导热填料、耐高压填料的颗粒粒度为1~25μm。
优选地，上述导电金属层厚度为5~70μm，其材质为金、银、铜、铜银合金、铜锡合金中的任意一种。
本发明的第二个目的是提供一种LED基板的制造方法，依次通过以下步骤制造：
A、金属基材的粗化及洁净处理；
B、往经过粗化及结晶处理的金属基材表面涂覆绝缘导热浆料，形成厚度均匀的涂层；
C、养护上述涂层使其干燥固化，形成绝缘导热无机非金属层；
D、金属化所述绝缘导热层，在绝缘导热无机非金属材料层表面形成导电金属层；
优选地，上述步骤B中所述的涂覆方法包括丝印、喷涂、淋涂及流延涂覆法中的任意一种。
优选地，上述绝缘导热浆料包括溶剂、高导热填料、耐高压填料、粘结组分及添加剂，所述溶剂为碳链长不超过4的一元醇或其复配物，溶剂在浆料中的质量占浆料总质量百分比为20~60%；填料及粘结组分含量占浆料总质量百分比为35~79%，所述添加剂的质量百分比占浆料总质量百分比为1~5%；上述组分的含量之和为100%。
优选地，上述养护方法为常压加热保温，其工艺流程依次为：
1）、流平稠化段，35~50℃静置10~30min；
2）、溶剂蒸发干燥段，50~90℃保温10~120min；
3）、添加剂蒸发段，90~150℃保温10~120min；
4）、固化段，150~300℃保温10~120min；
5）、冷却段，随炉冷却至常温，降温速度不高于10℃/min；
优选地，在上述已养护绝缘导热层上金属化的方法包括金属浆料丝印-烧结法、化学镀-电镀法、气相沉积-电镀法及直接贴箔法。
所述金属化方法为直接贴箔法时，是指将上述金属层材质制成的薄片通过粘结剂直接贴在上述绝缘导热层上，并经过相应的后处理，所用粘结剂为所述绝缘导热浆料或添加有所述高导热填料的无机粘合剂。
本发明具有以下有益效果：
以纳米SiO2溶胶、纳米Al2O3溶胶、纳米TiO2溶胶中的任意一种或多种的混合物为粘结剂，添加高导热填料和耐高压击穿填料制成的全无机非金属高导热涂层，基于硅羟基（或铝羟基、或是钛羟基）通过缩聚反应而制得的无机纳米溶胶-凝胶体系作为粘结组分，与导热性填料及耐高压击穿填料具有极佳的相容性，做到浑然一体，因此可以达到极高的导热填料含量，极大提升了涂层的导热能力，同时提供良好的金属层结合强度。上述原因使得本发明提供的LED基板具备相当优秀的抗电击穿能力和导热能力，可达60W/（m·k）的热传导率，媲美全陶瓷LED基板。
另外，本发明中LED基板的制备方法简单温和，控制简单有效，其价格仅为以有机树脂为绝缘层的传统LED铝基板的1.2倍，是全陶瓷LED基板的一半，高导热AlN基板的1/12，可以很好地满足单珠功率1W以上，甚至是单珠功率数十瓦的超大功率LED元件长时间稳定工作的需要，在各种LED照明领域甚至是其他需要提供散热能力的电子领域都有着广阔的应用前景。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
采用本发明提供方案的一种LED基板，金属基材为厚度1mm的铝基板，面积为400mm×300mm，其绝缘导热层的涂覆采用喷涂法，总厚度为50μm，其中高导热填料为SiC，耐高压填料为白炭黑，SiC和白炭黑的颗粒粒度为1-10μm，粘结相为纳米Al2O3溶胶，浆料具体组成如下；导电层采用化学镀铜-电镀铜法制造，铜层厚度35.4μm。
其制作过程如下：
A、铝基板的粗化及洁净处理；
B、往经过粗化及洁净处理的铝基板表面涂覆绝缘导热浆料，形成上述厚度的涂层；
该绝缘导热浆料的组成如下表所示：
| 溶剂 | 添加剂 | 高导热填料 | 耐高压填料 | 粘结组分 | |
| 成分 | 乙醇 | 乙酸丁酯+十二烷基醋酸铵 | SiC | 气相法白炭黑 | 纳米Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
| 占浆料质量百分比 | 25% | 3.5%+1.5% | 50% | 5% | 15% |
C、养护上述涂层使其干燥固化，形成绝缘导热层；
养护包括下述几个阶段：
1. 流平稠化段，45℃静置15min；
2. 溶剂蒸发干燥段，80℃保温30min；
3. 添加剂蒸发段，130℃保温20min；
4. 固化段，250℃保温20min；
5. 冷却段，随炉冷却至常温，降温速度不高于6℃/min。
冷却段外的升温阶段的升温速度不超过15℃/min。
D、使用甲醛化学镀铜—酸性镀铜法，在绝缘导热无机层表面形成导电金属层。
最终得到导热系数47.5W/（m·k）的LED基板，灯具总输入功率120W，适配铝制被动散热器，散热器规模为散热面积12.5dm2，外界温度28.5℃的自然对流散热状态下，连续点亮48h，LED灯珠元件最高温度39.5℃，金属层结合强度为20kgF/cm2。
实施例2
采用本发明提供方案的一种LED基板，金属基材为厚度2mm的铝基板，面积为φ100mm，其绝缘导热层的涂覆采用丝印法，总厚度为70μm，其中高导热填料为Al2O3、SiC，耐高压填料为绢云母，Al2O3、SiC和绢云母的颗粒粒度为5-10μm，粘结相为纳米SiO2溶胶，浆料具体组成如下；导电层采用气相沉积-电镀铜法制造，铜层厚度为20.2μm。
本实施例的制作过程类同实施例1。
绝缘导热浆料的组成如下表所示：
| 溶剂 | 添加剂 | 高导热填料 | 耐高压填料 | 粘结组分 | |
| 成分 | 正丙醇 | 油酸铵+丙二醇 | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>、SiC | 绢云母 | 纳米SiO<sub>2</sub> |
| 占浆料质量百分比 | 20.3% | 1.5%+3% | 35.5%+16% | 3% | 20.7% |
养护阶段的具体参数如下：
1. 流平稠化段，35℃静置20min；
2. 溶剂蒸发干燥段，60℃保温60min；
3. 添加剂蒸发段，150℃保温50min；
4. 固化段，150℃保温80min；
5. 冷却段，随炉冷却至常温，降温速度不高于6℃/min。
冷却段外的升温阶段的升温速度不超过15℃/min。
最终得到导热系数17.5W/（m·k）的LED基板，灯具总输入功率40W，适配铝制被动散热器，散热器规模为散热面积2.5dm2，外界温度33℃的自然对流散热状态下，连续点亮48h，LED灯珠元件最高温度37.5℃，金属层结合强度为25kgF/cm2。
实施例3
采用本发明提供方案的一种LED基板，金属基材为厚度2mm的铝基板，面积为φ280mm，其绝缘导热层的涂覆采用喷涂法，总厚度为70μm，其中高导热填料为SiC、金刚石粉，耐高压填料为绢云母，SiC、金刚石粉和绢云母的颗粒粒度为1-10μm，粘结相为纳米TiO2溶胶，浆料具体组成如下；导电层采用化学镀-电镀法制造，铜锡合金层厚度为70μm。
本实施例的制作过程类同实施例1。
绝缘导热浆料的组成如下表所示：
| 溶剂 | 添加剂 | 高导热填料 | 耐高压填料 | 粘结组分 | |
| 成分 | 异丙醇+乙醇 | 吐温80+乙二醇 | SiC、金刚石粉 | 绢云母 | 纳米TiO<sub>2</sub>溶胶 |
| 占浆料质量百分比 | 10%+10% | 2.5%+2.5% | 52.5%+2.5% | 3% | 17% |
养护阶段的具体参数如下：
1. 流平稠化段，50℃静置10min；
2. 溶剂蒸发干燥段，80℃保温120min；
3. 添加剂蒸发段，110℃保温100min；
4. 固化段，200℃保温100min；
5. 冷却段，随炉冷却至常温，降温速度不高于10℃/min。
冷却段外的升温阶段的升温速度不超过15℃/min。
最终得到导热系数58.75W/（m·k）的LED基板，适配总输入功率200W的LED探照灯，采用铝制被动散热器，散热器规模为散热面积25dm2，外界温度28~32℃的自然对流散热状态下，连续点亮48h，LED灯珠元件最高温度44.5℃，金属层结合强度为21kgF/cm2。
实施例4
采用本发明提供方案的一种LED基板，金属基材为厚度0.8mm的铝基板，面积为φ50mm，其绝缘导热层的涂覆采用流延法，总厚度为70μm，其中高导热填料为SiC，耐高压填为料碳酸钙，SiC、碳酸钙的颗粒粒度为7-14μm，粘结相为纳米SiO2溶胶，浆料具体组成如下；导电层采用丝印-烧结法制造，丝印银浆D50=90nm，烧结温度300℃，保温时间20min，随炉冷却，银层厚度为10.8μm。
本实施例的制作过程类同实施例1。
绝缘导热浆料的组成如下表所示：
| 溶剂 | 添加剂 | 高导热填料 | 耐高压填料 | 粘结组分 | |
| 成分 | 正丁醇 | 丙烯酸甲酯+十六胺醋酸盐 | SiC | 碳酸钙 | 纳米SiO<sub>2</sub> |
| 占浆料质量百分比 | 36.25% | 2%+2% | 40% | 2.5% | 17.25% |
养护阶段的具体参数如下：
1. 流平稠化段，40℃静置25min；
2. 溶剂蒸发干燥段，60℃保温70min；
3. 添加剂蒸发段，95℃保温40min；
4. 固化段，220℃保温80min；
5. 冷却段，随炉冷却至常温，降温速度不高于8℃/min。
冷却段外的升温阶段的升温速度不超过15℃/min。
最终得到导热系数12.6W/（m·k）的LED基板，适配总输入功率8W的LED照明，采用铝制被动散热器，散热器规模为散热面积1.8dm2，外界温度24~29℃的自然对流散热状态下，连续点亮1周，LED灯珠元件最高温度31℃，金属层结合强度为30kgF/cm2。
实施例5
采用本发明提供方案的一种LED基板，金属基材为厚度0.8mm的铝基板，面积为φ50mm，其绝缘导热层的涂覆采用淋涂法，总厚度为0.25mm，其中高导热填料为高温焙烧MgO，耐高压填料为碳酸钙，MgO、碳酸钙的颗粒粒度为1-15μm，粘结相为纳米Al2O3溶胶，浆料具体组成如下；导电层采用丝印-烧结法制造，丝印铜银合金浆D50=5nm，烧结温度300℃，保温时间20min，随炉冷却，铜银合金层厚度35μm。
本实施例的制作过程类同实施例1。
绝缘导热浆料的组成如下表所示：
| 溶剂 | 添加剂 | 高导热填料 | 耐高压填料 | 粘结组分 | |
| 成分 | 乙醇 | 硬脂酸铵+2-丙三醇单乙醚 | MgO | 碳酸钙 | 纳米Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
| 占浆料质量百分比 | 60% | 0.5%+4.5% | 9% | 1% | 25% |
养护阶段的具体参数如下：
1. 流平稠化段，35℃静置30min；
2. 溶剂蒸发干燥段，65℃保温90min；
3. 添加剂蒸发段，135℃保温80min；
4. 固化段，200℃保温100min；
5. 冷却段，随炉冷却至常温，降温速度不高于6℃/min。
冷却段外的升温阶段的升温速度不超过15℃/min。
最终得到导热系数2.8W/（m·k）的LED基板，适配总输入功率8W的LED照明，采用铝制被动散热器，散热器规模为散热面积1.8dm2，外界温度24~29℃的自然对流散热状态下，连续点亮1周，LED灯珠元件最高温度42℃，金属层结合强度为33kgF/cm2。
实施例6
采用本发明提供方案的一种LED基板，金属基材为厚度1.2mm的铝合金基板，面积为φ50mm，其绝缘导热层的涂覆采用丝印法，总厚度为0.15mm，绝缘导热层采用与实施例4相同的浆料及养护条件；导电层采用直接贴铜箔法制造，其中粘结剂采用本实施例所使用的绝缘导热浆料，粘结剂厚度为0.1mm，贴合后80℃、0.4MPa条件下干燥4h，120℃、0.2MPa下干燥2h，常压180℃下固化30min。
本实施例的制作过程类同实施例1。
最终得到导热系数8.6W/（m·k）的LED基板，适配总输入功率20W的LED照明，采用铝制被动散热器，散热器规模为散热面积2.7dm2，外界温度20~35℃的自然对流散热状态下，连续点亮10天，LED灯珠元件最高温度52℃。金属层结合强度为18kgF/cm2。
可以理解的是，上述实施例中的高导热填料可以为SiC、AlN、Al2O3、MgO、金刚石、氮化硼中的任意一种或多种组成的混合物；所述耐高压填料为白炭黑、云母、碳酸钙中的一种或多种的混合物，都不影响实施例的实现。
对比实施例
现有技术制作的一种LED基板，制作方法如下：
以国内专利CN 201267054Y提供的金属基覆铜箔板作为现有技术进行综述：该产品由金属基板1、粘结层2和铜箔3依次复合粘结组成，其粘结层2是纳米级细微颗粒三氧化二铝、氮化硼和氮化铝三者中的一种或两种或三种与不含溴的双酚A环氧树脂类树脂的混合物粘结层；其中三氧化二铝、氮化硼和氮化铝的粒径小于等于50nm；其中金属基板1的厚度在0.5～5mm范围内，粘结层的厚度在0.05mm～0.5mm范围内，铜箔3的厚度在0.01～0.2mm范围内。按照该方法制备的铝基板产品，其粘结层中环氧树脂含量50%、AlN40%、固化剂双氰胺5%、促进剂咪唑类5%，与上述原料重量相等的溶剂丙酮，经搅拌均匀后，加热模铸固化而成，最终所得基板的导热系数1.1W/（m·k）。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种LED基板，其特征在于，依次包括金属基材、绝缘导热层、导电金属层；所述绝缘导热层为无机复合材料，所述绝缘导热层厚度不超过0.3mm；所述金属基材为铜、铝、铜合金或铝合金。
2.根据权利要求1所述的一种LED基板，其特征在于，所述绝缘导热层的无机复合材料由粘结组分、高导热填料和耐高压填料组成，所述高导热填料占绝缘导热层总质量百分比为4~75%，所述耐高压填料占绝缘导热层总质量百分比为0.1~10%，所述粘结组分占绝缘导热层总质量百分比为15%~95.9%；
上述组分的含量之和为100%。
3.根据权利要求2所述的一种LED基板，其特征在于，所述高导热填料为SiC、AlN、Al2O3、MgO、金刚石、氮化硼中的任意一种或多种组成的混合物；所述耐高压填料为白炭黑、绢云母、碳酸钙中的任意一种或多种的混合物；所述粘结组分是无机非金属材质，固化前为纳米SiO2溶胶、纳米Al2O3溶胶或纳米TiO2溶胶中的任意一种或多种组成的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种LED基板，其特征在于，所述高导热填料、耐高压填料的颗粒粒度为1～25μm。
5.根据权利要求1所述的一种LED基板，其特征在于，所述导电金属层厚度为5~70μm，其材质为金、银、铜、铜银合金、铜锡合金中的任意一种。
6.一种LED基板的制造方法，其特征在于，依次通过以下步骤制造：
金属基材的粗化及洁净处理；
往经过粗化及洁净处理的金属基材表面涂覆绝缘导热浆料，形成厚度均匀的涂层；
养护上述涂层使其干燥固化，形成绝缘导热层；
金属化所述绝缘导热层，在绝缘导热层表面形成导电金属层。
7.根据权利要求6所述的LED基板制造方法，其特征在于，步骤B中所述的涂覆方法包括丝印、喷涂、淋涂及流延涂覆法中的任意一种。
8.根据权利要求6所述的LED基板制造方法，其特征在于，步骤B中所述绝缘导热浆料包括溶剂、高导热填料、耐高压填料、粘结组分及添加剂，所述溶剂为碳链不超过4的一元醇或其复配物，溶剂在浆料中的质量占浆料总质量百分比为20~60%；高导热填料、耐高压填料及粘结组分含量占浆料总质量百分比为35~79%，所述添加剂的质量占浆料总质量百分比为1~5%；
上述组分的含量之和为100%。
9.根据权利要求6所述的LED基板制造方法，其特征在于，步骤C中所述养护方法为常压加热保温，其工艺流程包括：
1）、流平稠化段，35~50℃静置10~30min；
2）、溶剂蒸发干燥段，50~90℃保温10~120min；
3）、添加剂蒸发段，90~150℃保温10~120min；
4）、固化段，150~300℃保温10~120min；
5）、冷却段，随炉冷却至常温，降温速度不高于10℃/min。
10.根据权利要求6所述的LED基板制造方法，其特征在于，所述金属化方法包括金属浆料丝印-烧结法、化学镀-电镀法、气相沉积-电镀法及直接贴箔法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190122 |