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很会导热的氮化铝陶瓷基板,制备起来可不容易!
2021年05月08日    阅读量:26722    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

优秀的散热能力对LED来说很重要,因为在它将电能转化成光能的过程中,会有大量(70%~80%)的能量转化为热能散发出去,而且功率越大,所需要散发的热量越多。

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如果这些热量不能及时散发出去,它们引起的结温上升不仅会导致LED输出光功率减小,而且芯片还会锐化加速,器件寿命缩短,因此LED产品必须保证散热通畅。在LED散热过程中,“封装基板”起到非常关键的作用,因此开发出高热导率的散热基板材料成为了解决LED器件的散热问题、提升大功率LED发光效率与使用寿命的重要途径中国建材网cnprofit.com


随着LED功率的增大,传统的树脂基板早已不能应付它们的散热性能需求。如今,国际上对于该领域的研究主要集中在具有高导热系数、与半导体芯片相匹配的热膨胀系数,以及高绝缘性能的高导热陶瓷基板上。


一、氮化铝材料的优势

在可选择的陶瓷材质中,长期以来Al2O3和BeO陶瓷是被考虑的两种主要基材,然而这两者都具有固有的缺点,如Al2O3具有低导热率和与芯片材料不匹配的热膨胀系数;BeO则是具有很高的生产成本,并且有剧毒,不利于大规模生产。另外,SiC虽然具有很高的热导率,热膨胀系数也与Si最为接近,但它的烧结温度高达二千多度,制备能耗大,热压生产成本高,同样限制了它作为基板材料的发展及应用。

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氮化铝基板


除了上述这些外,其实还有一个更好的选择就是氮化铝(AlN),它是少数具有高热传导性和出色的电绝缘特性这一有趣组合的陶瓷材料,此外它环保无毒,还具高的机械强度及化学稳定性,能够在较恶劣的环境下保持正常的工作状态,因此作为大功率LED散热材料再合适不过了。下表是AlN与其他常见陶瓷封装材料的性能对比。


表  常用陶瓷封装材料及其特性

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二、氮化铝陶瓷制备的研究

科学家发现,显微结构、氧杂质含量是影响AlN陶瓷热导率因素中最重要的两项。因此为了提高AlN陶瓷热导率,制备陶瓷的粉体原料和烧结工艺就必须要多加注意——而经过不断的实验研究表明,细化氮化铝原始粉料以及添加适宜的低温烧结助剂都是行之有效的解决方法。


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氮化铝粉体


1、粉体原料的选择


氮化铝粉料是制备优良性能氮化铝陶瓷材料的前提和关键。氮化铝烧结过程的驱动力为表面能,颗粒细小的AlN粉体能够增强烧结活性,增加烧结推动力从而加速烧结过程。研究证实,当氮化铝原始粉料的起始粒径细小20倍后,陶瓷的烧结速率将增加147倍。同时为防止二次再结晶,原始粉体粒径也应细小均匀,若颗粒内有少量的大颗粒存在,则易发生晶粒异常生长而不利于致密化烧结;若颗粒分布不均匀,在烧结过程中容易发生个别晶体异常长大而影响烧结。此外,氮化铝陶瓷的烧结机理有时也受原始粉末粒度的影响。微米级的氮化铝粉体按体积扩散机理进行烧结,而纳米级的粉体则按晶界扩散或者表面扩散机理进行烧结。


Kuramot等研究表明,在不添加任何低温烧结助剂的前提下,氮化铝粉体比表面积约为3m2/g时,即便在高达1900℃的高温下氮化铝也未能达到致密烧,而颗粒粒径为80-100nm,比表面积为40~50m2/g与粒径约为0.11μm,比表面积为16.6m2/g的氮化铝粉体在1700℃下烧结就基本上能达到理论密度;Hashimoto,Panchula和Ying的研究证实,在氮化铝原始粉料中添加适量的纳米氮化铝粉体,可以在1700℃常压下达到氮化铝陶瓷的致密烧结;Watari等的研究也表明,氮化铝陶瓷的烧结性能与原始粉料的细度成正比例关系,即原始粉料越细小,烧结性能越好。


虽然选用粒径细小均匀的粉体能够在一定程度上降低氮化铝陶瓷的烧结温度,但是细小均匀的氮化铝粉体制备很困难,大多通过湿化学法结合碳热还原法制备,不仅烧结工艺复杂,而且耗能大,并不适于大规模的推广应用。而添加适宜的烧结助剂,在能够显著降低AlN陶瓷烧结温度的同时还能够改善AlN陶瓷的一些性能,目前这种方法得到了广泛的应用研究


氮化铝陶瓷的显微晶相


2、烧结助剂的选择


目前,氮化铝烧结普遍采用的方法是添加适宜的烧结助剂,在常压下进行烧结,这种方法不仅能够大大降低能耗,还能够制备出高性能的AlN陶瓷。研究表明,通过添加一些低熔点的烧结助剂,可以在氮化铝烧结过程中产生液相,促进氮化铝胚体的致密烧结。


此外,一些烧结助剂除了能够产生液相促进烧结,还能够与氮化铝晶格中的氧杂质反应,起到去除氧杂质净化晶格的作用,从而提高AlN陶瓷的热导性能。然而,烧结助剂不能盲目的添加,添加的量也要适宜,否则可能会产生不利的作用。例如,烧结助剂添加量过多,会导致大量第二相的出现,进而致使AlN的热导率会显著降低。


Hirano等将不添加烧结助剂的AlN粉末在1900℃保温8h得到热导率仅为114W/m·K的致密化AlN陶瓷,而在相同条件下添加4%的Y2O3后,热导率提升到218W/m·K。Liu等研究了以Dy2O3作为烧结助剂,在N2气氛下1650℃无压烧结AlN陶瓷,获得了热导率为156W/m·k的氮化铝陶瓷,结果表明Dy2O3能够有效去除氮化铝中的氧杂质,提高AlN陶瓷的热导率。Watari等添加LiYO2-CaO后,在1600℃烧结获得了热导率大于170W/m·K的AlN陶瓷。周和平和乔梁通过在氮化铝中添加复合烧结助剂CaF2-Y2O3-Li2CO3,在较低的烧结温度1650℃下就达到了氮化铝陶瓷的致密烧结,且热导率也高达177W/m·K。


三、总结

显然,要做出优秀的AlN陶瓷并不易,需要顾全原料粉体制备、成型工艺和烧结工艺等多个方面。更多关于氮化铝陶瓷制备的话题,可查看粉体圈历史文章进行了解。另外在9月14-15日于广州琶洲举办的“2021年全国氮化物粉体与陶瓷创新发展论坛”(CAC2021广州先进陶瓷展同期活动)上也会有相关的专题报告,感兴趣的话请多多留意噢。


资料来源:

大功率LED用高热导率氮化铝陶瓷基座的制备与封装研究,李宏伟。


标签:技术中心成品材料瓷砖陶瓷
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