TWI607881B - Composite material for LED heat-dissipating substrate and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

用於LED散熱基板的複合材料與其製造方法
本發明係關於一種複合材料與其製造方法，更特別的是關於一種用於LED散熱基板的複合材料與其製造方法。
隨著全球環保的意識抬頭，節能省電已成為當今的趨勢，而LED產業更是近年來最受矚目的產業之一。LED產品具有節能、省電、高效率、反應時間快、壽命週期長、且不含汞、具有環保效益等優點。然而，目前LED發光輸出效率在20~30%之間，其餘的70~80%都被轉換成熱能，這些熱能若無法被順利地導出，將會使LED產品溫度過高，進而影響產品的生命週期、發光效率與穩定性。
一般用於LED的基板是由玻璃纖維與環氧樹脂之複合材料(Flame Retardant Type 4,FR4)所組成，這類型的材料具備優異的絕緣特性，但導熱係數(K)卻非常低(<5W/mK)，使得LED之光電轉換過程所產生的熱量，無法藉由基板迅速地傳遞到外界，熱量持續不斷地疊積在基板內，導致位於基板上的LED壽命因而降低。
近年已發展出使用氮化鋁(AlN)基板作為LED的基板，可兼具絕緣與導熱的特性。然而，氮化鋁基板之成型技術涉及冷均壓、燒結等多項製程，需要具備一定程度的設備與技術，才能製造出具有優異絕緣與導熱特性的基板，對一般製造商而言，會因高成本與高技術考量而無法大量使用。
本發明之一目的在於提供一種用於LED散熱基板的材料，其具有低成本、製程簡單的優勢，能有效解決先前技術因高成本與高技術考量而無法大量使用的問題。
為達上述目的及其他目的，本發明揭示一種用於LED散熱基板的複合材料，依序包含：一陶瓷材料層，該陶瓷材料層的熱傳導係數為20~24W/mK；一金屬材料層，該金屬材料層的熱傳導係數為100~200W/mK；及一石墨材料層，該石墨材料層的平面向熱傳導係數為950W/mK，縱向熱傳導係數為3W/mK。
於本發明之一實施例中，該金屬材料層的熱傳導係數為185W/mK。
為達上述目的及其他目的，本發明復揭示一種用於LED散熱基板之複合材料的製造方法，包含：一層狀堆疊步驟，將一陶瓷材料層、一金屬材料層與一石墨材料層依序均勻堆疊置放，形成一層狀結構；一夾持步驟，以一夾具固定該層狀結構；及一熱處理步驟，對該層狀結構進行一熱處理程序以形成用於LED散熱基板之一複合材料；其中該陶瓷材料層的熱傳導係數為20~24W/mK，該石墨材料層的平面向熱傳導係數為950W/mK，縱向熱傳導係數為3W/mK，且該金屬材料層的熱傳導係數為100~200W/mK。
於本發明之一實施例中，在該層狀堆疊步驟前更包含：一清潔步驟，以一醇類清潔該陶瓷材料層、該金屬材料層與該石墨材料層。
於本發明之一實施例中，該醇類為甲醇或乙醇。
於本發明之一實施例中，該夾具的材料係選自氧化鋁、氧化鋯及石墨所組成之群。
於本發明之一實施例中，該夾具對該層狀結構施加的夾持壓力為0.1~5.0kg/cm2。
於本發明之一實施例中，該熱處理步驟包括：一放置步驟，將被該夾具固定的該層狀結構放置於一管型爐中；一通氣步驟，將一保護氣體以20~200mL/min之流速通入該管型爐中；一升溫步驟，將該管型爐內的溫度以1~10℃/min之升溫速率從室溫升溫，並維持於1000~1500℃；及一降溫步驟，將該管型爐內的溫度以1~10℃/min之降溫速率降回室溫。
於本發明之一實施例中，該保護氣體為氮氣或氬氣。
藉此，本發明利用金屬材料將兩種異質材料結合在一起成為一複合材料，使得該複合材料的一邊具備絕緣特性，另一邊具備熱傳導特性，該複合材料的材料成本較低，且製程簡單，將成為極具濳力之LED燈散熱基板。
100‧‧‧複合材料
11‧‧‧陶瓷材料層
13‧‧‧金屬材料層
15‧‧‧石墨材料層
S11~S15‧‧‧流程步驟
S151~S157‧‧‧流程步驟
〔圖1〕係為本發明一實施例中用於LED散熱基板之複合材料的示意圖。
〔圖2〕係為本發明一實施例中用於LED散熱基板之複合材料之製造方法的流程圖。
〔圖3〕係為本發明一實施例中之熱處理步驟的流程圖。
為充分瞭解本發明，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明。本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的目的、特徵及功效。須注意的是，本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的精神下進行各種修飾與變更。另外，本發明所附之圖式僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的技術範圍。說明如後：圖1係為本發明一實施例中用於LED散熱基板之複合材料100的示意圖。如圖1所示，複合材料100依序包含一陶瓷材料層11、一金屬材料層13及一石墨材料層15。在本實施例中，陶瓷材料層11的熱傳導係數為20~24W/mK，金屬材料層13的熱傳導係數為100~200W/mK，石墨材料層15的平面向(in plane)熱傳導係數為950W/mK，石墨材料層15的縱向(through plane)熱傳導係數為3W/mK。
須注意的是，由於石墨材料層15係由片狀天然石墨所堆疊產生的材料，因此平面向與縱向之熱傳導係數差異甚大。而陶瓷材料層11與金屬材料層13係為粉體熱壓成型，因此平面向與縱向之熱傳導係數相同。
在本發明實施例中，將兩種異質材料，亦即石墨材料層15與陶瓷材料層11結合在一起，可同時具備良好的絕緣性與熱傳性。然而，這兩種異質材料具有不同的鍵結，無法直接地進行結合。因此，本發明實施例係在不影響兩種異質材料之特性下，利用第三種材料，亦即金屬材料層13，於特定的 溫度與氣氛條件下，將兩種異質材料完全緊密地結合在一起而形成用於LED散熱基板之複合材料100。金屬材料層13亦可提供低的界面熱阻，使得結合後的複合材料100具備優異的熱傳導特性。
圖2係為本發明一實施例中用於LED散熱基板之複合材料100之製造方法的流程圖。以下係參照圖2所示之流程圖中的步驟進行說明。但要特別注意的是，本發明實施例之複合材料100的製造方法，可包含圖2所示之流程圖中未描述的步驟，亦即，本發明並未限制於圖2所示的流程步驟。
步驟S11為一層狀堆疊步驟，將一陶瓷材料層11、一金屬材料層13與一石墨材料層15依序均勻堆疊置放，形成一層狀結構。在本實施例中，陶瓷材料層11的熱傳導係數為20~24W/mK；金屬材料層13的熱傳導係數為100~200W/mK；石墨材料層15的平面向熱傳導係數為950W/mK，縱向熱傳導係數為3W/mK。
在一實施例中，於該層狀堆疊步驟前可包含一清潔步驟，該清潔步驟係以一醇類清潔陶瓷材料層11、金屬材料層13與石墨材料層15的表面。舉例來說，可以甲醇、乙醇等醇類溶劑，擦拭陶瓷材料層11、金屬材料層13與石墨材料層15的表面。
步驟S13為一夾持步驟，以一夾具固定由陶瓷材料層11、金屬材料層13與石墨材料層15所形成的層狀結構。在本實施例中，夾具須選擇不會與該層狀結構產生反應的材料，例如，夾具的材料可選自氧化鋁、氧化鋯及石墨所組成之群。再者，夾具對該層狀結構施加的夾持壓力可為0.1~5.0kg/cm2，夾持壓力愈低，後續形成之複合材料結合的效果愈差，但夾持壓力也不可過高，避免破壞該層狀結構。
步驟S15為一熱處理步驟，對由陶瓷材料層11、金屬材料層13與石墨材料層15所形成的層狀結構進行一熱處理程序，形成用於LED散熱基板之一複合材料100。熱處理步驟可具有不同的實施方式，以下將以圖3所示之熱處理步驟進行說明。
圖3係為本發明一實施例中之熱處理步驟的流程圖。步驟S151為一放置步驟，將被夾具所固定，由陶瓷材料層11、金屬材料層13與石墨材料層15所形成的層狀結構放置於一管型爐中。
步驟S153為一通氣步驟，將一保護氣體以20~200mL/min之流速通入該管型爐中。在一實施例中，保護氣體係為不會與該層狀結構產生反應，且具有惰性的氣體，例如氮氣或氬氣。
步驟S155為一升溫步驟，將該管型爐內的溫度以1~10℃/min之升溫速率從室溫升溫，並維持於1000~1500℃約15分鐘。
步驟S157為一降溫步驟，將該管型爐內的溫度以1~10℃/min之降溫速率降回室溫。
在某些比較例中，同樣以圖2與圖3所示的步驟製造一複合材料。與前述本發明實施例之複合材料100的差異之處在於這些比較例所製造之複合材料的金屬材料層，其熱傳導係數為50~100W/mK或者為100~150W/mK。相較於本發明之實施例，由於比較例之金屬材料層的熱傳導係數較低，會影響熱量從陶瓷材料層11傳導至石墨材料層15進行散熱的熱通量，進而影響比較例之複合材料整體的熱傳導表現。
以下係為依據本發明前述製造方法的一示例。
首先，提供一陶瓷材料層11、一金屬材料層13與一石墨材料層15，其中陶瓷材料層11的熱傳導係數為20~24W/mK，金屬材料層13的熱傳導係數為185W/mK，石墨材料層15之平面向與縱向的熱傳導係數分別為950W/mK與3W/mK。
接著，清潔陶瓷材料層11、金屬材料層13與石墨材料層15的表面，並將清潔完畢的陶瓷材料層11、金屬材料層13與石墨材料層15三者依序堆疊在一起形成一層狀結構，以一夾具固定該層狀結構放入一管型爐中。
接著，將氮氣通入管型爐中，並控制氮氣的流量為50mL/min，同時將管型爐內的溫度以3℃/min之升溫速率從室溫升溫到1050℃，並維持管型爐內的溫度於1050℃約15分鐘。
最後，將管型爐內的溫度以3℃/min之降溫速率降回室溫後，取出由陶瓷材料層11、金屬材料層13與石墨材料層15所形成的層狀結構，即為可用於LED散熱基板的一複合材料。
以前述製造的複合材料製成一試片，量測該試片之縱向熱傳導係數為20~24W/mk，三點彎曲之強度值約在331~407MPa。
綜上所述，本發明用於LED散熱基板的複合材料，可以簡單的製造方法，在不影響陶瓷材料層11與石墨材料層15這兩種異質材料之特性，於特定的溫度與氣氛條件下，利用金屬材料層13將這兩種異質材料完全緊密地的結合在一起形成一複合材料，使該複合材料同時具備絕緣與熱傳的性質。同時，金屬材料層13亦可提供低的界面熱阻，使得該複合材料具備優異的熱傳導特性。
此外，該複合材料的材料成本較低，且不需要複雜的製程，能有效解決先前技術因高成本與高技術考量而無法大量使用的問題。
本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧複合材料
11‧‧‧陶瓷材料層
13‧‧‧金屬材料層
15‧‧‧石墨材料層

Claims (9)

  1. 一種用於LED散熱基板的複合材料，依序包含：一陶瓷材料層，該陶瓷材料層的熱傳導係數為20~24W/mK；一金屬材料層，該金屬材料層的熱傳導係數為100~200W/mK；及一石墨材料層，該石墨材料層的平面向熱傳導係數為950W/mK，縱向熱傳導係數為3W/mK。
  2. 如請求項1所述之複合材料，其中該金屬材料層的熱傳導係數為185W/mK。
  3. 一種用於LED散熱基板之複合材料的製造方法，包含：一層狀堆疊步驟，將一陶瓷材料層、一金屬材料層及一石墨材料層依序均勻堆疊置放，形成一層狀結構；一夾持步驟，以一夾具固定該層狀結構；及一熱處理步驟，對該層狀結構進行一熱處理程序，形成用於LED散熱基板之一複合材料；其中該陶瓷材料層的熱傳導係數為20~24W/mK，該金屬材料層的熱傳導係數為100~200W/mK，且該石墨材料層的平面向熱傳導係數為950W/mK，縱向熱傳導係數為3W/mK。
  4. 如請求項3所述之製造方法，其中在該層狀堆疊步驟前更包含：一清潔步驟，以一醇類清潔該陶瓷材料層、該金屬材料層與該石墨材料層。
  5. 如請求項4所述之製造方法，其中該醇類為甲醇或乙醇。
  6. 如請求項3所述之製造方法，其中該夾具的材料係選自氧化鋁、氧化鋯及石墨所組成之群。
  7. 如請求項3所述之製造方法，其中該夾具對該層狀結構施加的夾持壓力為0.1~5.0kg/cm2。
  8. 如請求項3所述之製造方法，其中該熱處理步驟包括：一放置步驟，將被該夾具固定的該層狀結構放置於一管型爐中；一通氣步驟，將一保護氣體以20~200mL/min之流速通入該管型爐中；一升溫步驟，將該管型爐內的溫度以1~10℃/min之升溫速率從室溫升溫，並維持於1000~1500℃；及一降溫步驟，將該管型爐內的溫度以1~10℃/min之降溫速率降回室溫。
  9. 如請求項8所述之製造方法，其中該保護氣體為氮氣或氬氣。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202274442U (zh) * 2011-10-22 2012-06-13 华南师范大学 一种具有良好热传导的发光二极管散热基座
CN102651961A (zh) * 2012-05-29 2012-08-29 邱璟 一种导热散热界面材料及其制造方法
CN205498197U (zh) * 2016-04-13 2016-08-24 贵州新碳高科有限责任公司 高效热流导向散热复合膜

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN202274442U (zh) * 2011-10-22 2012-06-13 华南师范大学 一种具有良好热传导的发光二极管散热基座
CN102651961A (zh) * 2012-05-29 2012-08-29 邱璟 一种导热散热界面材料及其制造方法
CN205498197U (zh) * 2016-04-13 2016-08-24 贵州新碳高科有限责任公司 高效热流导向散热复合膜

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