CN202713783U - 超高导热金属基线路板 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有超高导热性能的金属基线路板，在金属基板材如铝、铜等表面涂敷一层AlN陶瓷涂层或者AlN+DLC复合涂层构成的超高导热线路板，应用在大功率LED器件或模组等需要超高导热的领域，在满足电器绝缘要求的同时提高基板的导热散热能力。

Description

超高导热金属基线路板

技术领域

本实用新型涉及一种具有超高导热性能的金属基线路板，属于电子技术领域。

背景技术

在工业上，一些热源或者光源，例如新兴的LED器件或模组，往往需要快速导热和散热。LED具有节能、环保等优点，成为第四代固体照明灯具。LED从信号指示灯发展到照明灯具领域需要提高功率，即研发大功率芯粒，这需要解决很多问题，其中大功率芯粒的导热散热是一个必须解决的技术问题。采用具有高导热散热性能的线路基板进行高功率LED的封装是一个有效的技术途径。

LED封装基板可以包括FR4、覆铜铝基板、陶瓷基板、高导热金属基板。前两者由于导热系数很低不能满足高功率芯粒的散热需求，而陶瓷基板由于成型困难、难以获得大面积板材且成本难以降低，不能够满足大规模使用，因此目前LED封装基板发展的重点集中在金属基板。

采用AIN（氮化铝）陶瓷基板封装的大功率LED器件热阻比铝基基板、氧化铝基基板封装的LED器件低54.9%、40.2%。铝本身的导热效率跟AIN陶瓷的热导率相近，但是AIN陶瓷基板封装的大功率LED器件热阻比铝基基板低54.9%，归因于铝基板上的绝缘层，该绝缘层热导率一般都在3W/mK以下，因此，相比与带有绝缘层的铝基板，AIN陶瓷涂层基板这种高导热而且又绝缘的基板可以有效地改善制约大功率LED发展的瓶颈，尤其是对于多芯片LED集成模块，可提高其出光效率及工作可靠性。

目前大多数AlN陶瓷基板的制造方式为采用陶瓷粉末烧结而成，这种方式制作的线路板具有材料脆性较大，不能制作成较大面积的线路板产品且不易加工成型；此外，由于烧结温度较高，在金属基板上实现AlN陶瓷烧结成本高且产品良率低。

目前还有一种做法为采用Al₂O₃（氧化铝）陶瓷基板封装大功率LED器件，但是Al₂O₃陶瓷基板的制造方式为采用电解槽在金属基板上通过阳极氧化制备Al₂O₃涂层作为绝缘导热层，成本较高，且性能不稳定，制作过程耗能且污染环境。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述的技术问题，提供一种具有超高导热性能的金属基线路板，即在金属基板材如铝、铜等表面涂敷一层AlN陶瓷涂层或者AlN+DLC复合涂层构成的超高导热线路板，应用在大功率LED器件或模组等需要超高导热的领域，在满足电器绝缘要求的同时提高基板的导热散热能力。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种超高导热金属基线路板，其特征在于：包括金属板材，所述金属板材的上方依次设有通过PVD方法镀设的用于绝缘导热的AIN陶瓷涂层，以及用于导电的Cu涂层。

优选的，所述AIN陶瓷涂层和Cu涂层之间还镀设有一层DLC涂层。

优选的，当所述金属板材为非铝金属材料时，所述金属板材和AIN陶瓷涂层之间还镀设有一层起过渡作用的Al涂层。

优选的，所述AIN陶瓷涂层的厚度为30～40微米；所述Cu涂层的厚度为30～60微米；所述DLC涂层的厚度为2～4微米；所述Al涂层的厚度为0.5～0.7微米。

本实用新型的超高导热金属基线路板的制备方法，依次包括如下步骤：

第一，金属板材清洗步骤：用超声波设备清洗金属板材，并烘干；

第二，抽气预处理步骤：将所述金属板材安装于真空镀膜室中，并将真空镀膜室抽气至5.0×10^-3Pa以上的真空度；

第三，离子清洗步骤：将真空镀膜室的真空度抽至高于5.0×10^-4Pa，向真空镀膜室内通入99.999%以上纯度Ar，并保持真空镀膜室内的工艺真空度为0.3-0.7Pa；开启离子源电源及偏压电源；所述偏压电源采用高频脉冲电源，电压为-3kV，频率40kHz~60kHz，占空比60~99%，离子清洗时间为20分钟；

第四，AIN陶瓷涂层沉积步骤：真空度高于5.0×10^-4Pa，向真空镀膜室内通入99.999%以上纯度Ar，流量20sccm，同时通入99.999%以上纯度N₂，流量80sccm，并保持真空镀膜室内的工艺真空度为2.0~5.0Pa，开启一对带有铝靶溅射阴极的中频溅射电源，电源功率20kW；并同时开启偏压电源，偏压电源采用射频电源，功率1.0kW；沉积时间240分钟；

第五，Cu涂层沉积步骤：将真空镀膜室的真空度抽至高于5.0×10^-4Pa，通入99.999%以上纯度Ar，流量20sccm，并保持真空镀膜室内的工艺真空度为2.0-5.0Pa，开启带有铜靶溅射阴极的直流溅射电源，电源功率10kW；沉积时间30~60分钟。

或者，所述AIN陶瓷涂层沉积步骤中，所述偏压电源可采用高频脉冲偏压电源，电压50V~70V，频率40kHz~60kHz，占空比60~99%来代替。

优选的，为了进一步提高导热性能，所述AIN陶瓷涂层沉积步骤和Cu涂层沉积步骤之间还包括一DLC涂层沉积步骤：

当所述AIN陶瓷涂层沉积步骤结束后，关闭包括Ar和N₂的工艺气体，将真空镀膜室的真空度抽至高于5.0×10^-4Pa，通入纯度98%以上的C₂H₂等碳氢类气体，并保持真空镀膜室内的工艺真空度在0.4-2.0Pa；

开启离子束电源，电压控制在1000-2000V，电流200~300mA，并同时开启偏压电源，偏压电源采用射频电源，功率0.5kW；沉积时间45~55分钟。

或者，所述DLC涂层沉积步骤中，所述偏压电源可采用高频脉冲偏压电源，电压2000V~3000V，频率40kHz~60kHz，占空比60~99%来代替。

优选的，当所述金属板材为非铝金属时，为了得到更好的结合度，所述离子清洗步骤和AIN陶瓷涂层沉积步骤之间还包括一Al涂层沉积步骤：

将真空镀膜室的真空度抽至高于5.0×10^-4Pa，通入99.999%以上纯度Ar，流量20sccm，保持真空镀膜室的工艺真空度为2.0-5.0Pa，开启一对带有铝靶溅射阴极的中频溅射电源，电源功率20kW；并同时开启偏压电源，采用高频脉冲偏压电源，电压2500V~3000V，频率40kHz~60kHz，占空比60~99%；沉积时间10分钟。

以上所有的超高导热金属基线路板均可作为LED封装基板。

本实用新型的有益效果主要体现在：采用物理气相沉积技术，综合应用磁控溅射技术和离子束技术，在金属板材上沉积AlN陶瓷涂层和/或AlN+DLC复合涂层，并以此作为线路板基板构成用于大功率LED等应用的线路板。由于AlN陶瓷涂层的良好绝缘导热性以及DLC涂层的优异导热性，以此构成的线路板具有超高导热和散热性能并具有极高的绝缘性能。

附图说明

图1为本实用新型优选实施例的金属基线路板的示意图。

具体实施方式

近年来，各种涂层技术不断发展，为工业制造及人们的日常生活带来许多进步和便利。依托涂层技术，可以使产品或零部件获得更好的表面性能，从而弥补材料本身所不具有的某些特性。类金刚石涂层(Diamond-like Carbon)，或简称DLC涂层是含有金刚石结构（sp³键）和石墨结构（sp²键）的亚稳非晶态物质。

涂层技术中，物理气相沉积是指通过蒸发、电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面，简称PVD。目前常用的PVD镀膜技术主要分为三类，为真空蒸发镀膜技术、真空溅射镀膜技术和真空离子束镀膜技术。其中，真空磁控溅射镀膜技术是用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基板上。真空离子束镀膜技术是指在真空环境下被引入的气体在离子束的电磁场共同作用下被离子化；被离子化的离子在离子束和基片之间的电场作用下被加速，并以高能粒子的形式轰击或沉积在基片上；被引入的气体根据工艺的需要，可能为Ar，H₂或C₂H₂等，从而完成离子刻蚀清洗和离子束沉积等工艺。但是对于不同能量的选择和不同的制备工艺，所制备的产品就能得到不同的性能。

如图1所示，本实用新型揭示了一种优选的超高导热金属基线路板，包括金属板材，所述金属板材的上方依次设有用于绝缘导热的AIN陶瓷涂层，具有更优异导热性能的DLC涂层，以及用于导电的Cu涂层。当然，如果仅仅在金属板材上镀设一层AIN陶瓷涂层，亦能达到本实用新型的导热效果。

优选的，当所述金属板材为非铝金属材料（例如Cu）时，所述金属板材和AIN陶瓷涂层之间还可镀设有一层起过渡作用的Al涂层。本实用新型的导热复合涂层具有多层镀膜，各镀膜之间有良好的结合能力。

下面详细介绍本实用新型的金属基线路板的制备方法。

第一，金属板材清洗步骤：用超声波设备清洗铝基板材或者铜基板材等金属板材，并烘干。

第二，抽气预处理步骤：将所述金属板材安装于真空镀膜室中，并将真空镀膜室抽气至5.0×10^-3Pa以上的真空度。

第三，离子清洗步骤：将真空镀膜室的真空度抽至高于5.0×10^-4Pa，向真空镀膜室内通入99.999%以上纯度Ar，并保持真空镀膜室内的工艺真空度为0.3-0.7Pa；开启离子源电源及偏压电源；所述偏压电源采用高频脉冲电源，电压为-3kV，频率40kHz~60kHz，占空比60~99%，离子清洗时间为20分钟。

第四，AIN陶瓷涂层沉积步骤：真空度高于5.0×10^-4Pa，向真空镀膜室内通入99.999%以上纯度Ar，流量20sccm，同时通入99.999%以上纯度N₂，流量80sccm，并保持真空镀膜室内的工艺真空度为2.0~5.0Pa，开启一对带有铝靶溅射阴极的中频溅射电源，电源功率20kW；并同时开启偏压电源，偏压电源采用射频电源，功率1.0kW；或者，所述偏压电源可采用高频脉冲偏压电源，电压50V~70V，频率40kHz~60kHz，占空比60~99%来代替。沉积时间240分钟；AIN陶瓷涂层沉积厚度30~40微米。

第五，DLC涂层沉积步骤：当所述AlN陶瓷涂层沉积步骤结束后，关闭工艺气体（包括Ar和N₂），将真空镀膜室的真空度抽至高于5.0×10^-4Pa，通入纯度98%以上的碳氢类气体，并保持真空镀膜室内的工艺真空度未0.4-2.0Pa；

开启离子束电源，电压控制在1000-2000V，电流200~300mA，并同时开启偏压电源，偏压电源采用射频电源，功率0.5kW；或者所述偏压电源可采用高频脉冲偏压电源，电压2000V~3000V，频率40kHz~60kHz，占空比60~99%来代替。沉积时间45~55分钟，DLC涂层沉积厚度2~4微米。

第六，Cu涂层沉积步骤：将真空镀膜室的真空度抽至高于5.0×10^-4Pa，通入99.999%以上纯度Ar，流量20sccm，并保持真空镀膜室内的工艺真空度为2.0-5.0Pa，开启带有铜靶溅射阴极的直流溅射电源，电源功率10kW；沉积时间30~60分钟，Cu涂层沉积厚度30~60微米。

优选的，当所述金属板材为非铝金属时，为了得到更好的结合度，所述离子清洗步骤和AIN陶瓷涂层沉积步骤之间还包括一Al涂层沉积步骤：将真空镀膜室的真空度抽至高于5.0×10^-4Pa，通入99.999%以上纯度Ar，流量20sccm，保持真空镀膜室的工艺真空度为2.0-5.0Pa，开启一对带有铝靶溅射阴极的溅射电源，电源功率20kW，并同时开启偏压电源，采用高频脉冲偏压电源，电压2500V~3000V，频率40kHz~60kHz，占空比60~99%；沉积时间10分钟，Al涂层沉积厚度0.5~0.7微米。

当然，当所述金属板材为铝时，所述离子清洗步骤和AIN陶瓷涂层沉积步骤之间设置一Al涂层沉积步骤，亦可。

通过以上方法制备的超高导热金属基线路板可作为LED封装基板。

如下表一，本实用新型采用AlN+DLC复合涂层的超高导热金属基线路板与普通铝基板线路板和含有DLC涂层阳极氧化铝基板线路板的比较如下：导热能力明显增加；线路板的耐击穿电压明显提升。

表一

本实用新型的超高导热金属基线路板上的AlN+DLC复合涂层，还可以用于制造其他的产品，如制造LED光源导热散热器件等。其具有广泛的工业前景，可以应用于多种需要高导热性能和绝缘性能的场合。

Claims (5)

1.一种超高导热金属基线路板，其特征在于：包括金属板材，所述金属板材的上方依次设有通过PVD方法镀设的用于绝缘导热的AlN陶瓷涂层，以及用于导电的Cu涂层。

2.根据权利要求1所述的超高导热金属基线路板，其特征在于：所述AlN陶瓷涂层和Cu涂层之间还镀设有一层DLC涂层。

3.根据权利要求2所述的超高导热金属基线路板，其特征在于：当所述金属板材为非铝金属材料时，所述金属板材和AlN陶瓷涂层之间还镀设有一层起过渡作用的Al涂层。

4.根据权利要求3所述的超高导热金属基线路板，其特征在于：所述AlN陶瓷涂层的厚度为30~40微米；所述Cu涂层的厚度为30~60微米；所述DLC涂层的厚度为2~4微米；所述Al涂层的厚度为0.5~0.7微米。

5.根据权利要求1-4所述的任一超高导热金属基线路板，其特征在于：所述超高导热金属基线路板作为LED封装基板。

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