LED陶瓷基板燒成用高溫超平板國產化探索研究

張文澤+范志輝+許林峰

摘 要：隨著LED產業的快速發展，解決制約LED壽命的散熱陶瓷基板問題也變得尤為重要，因此LED陶瓷基板燒成用高溫超平板的國產化研究也迫在眉睫。本工作通過對進口超平板和試制超平板性能進行對比，來探索超平板國產化問題的可能解決方法，為下一步的國產化研究奠定一定的理論基礎。凝膠注模成型未來有望成為解決國產超平板問題的新工藝。

關健詞：LED；陶瓷基板；國產化

1 前言

隨著世界能源的日益緊缺，減少能源消耗、提高能源利用率成為當前世人的共識。作為占全部電能消耗10 ～ 15%的照明行業，日益受到世界各國政府和專業技術人員的關注，成為節能技術開發的重點領域。LED作為一種新型全固態照明器件，因其節能、環保、穩定性好成為世界照明技術發展的主流方向，世界各國特別是發達國家已將LED列為戰略產業加以扶持和推動[1]。在我國，以LED路燈為切入點，通過近五年的努力，已使得LED照明形成了完善的產業鏈結構，并成為節能領域最重要的開發領域之一。

隨著LED照明的需求日益迫切，高功率LED的散熱問題越發受到重視，因為過高的溫度會導致LED發光效率的衰減，通常LED高功率產品輸入功率約15%能轉化成光，剩下85%的電能均轉換為熱能。LED運作所產生的廢熱若無法有效散出，將會使LED結面溫度過高，進而影響產品的生命周期、發光效率、穩定性，對LED的壽命造成致命的影響。因此散熱問題是LED產業永遠無法逃避的重要課題，要提升LED的發光效率，必須解決散熱問題。現階段，LED整個系統的散熱瓶頸多數發生在將熱量從LED顆粒傳導至其基板再到系統電路板為主，所以高導熱散熱基板材料的選擇在LED散熱管理上占了極重要的一環。與目前一般LED產品所采用的金屬基板相比，陶瓷基板由于具有良好的導熱性能、電絕緣性能、較高的強度和化學穩定性等性能，成為高功率LED散熱材料的首選[2，3]。因此，包括Crcc、歐司朗、飛利浦及日亞化等國際大廠，都有使用陶瓷基板作為LED散熱材質。

高功率、高亮度、小尺寸LED產品已逐步成為LED產業發展的重點，因此對散熱基板本身的線路對位精準度要求極為嚴苛，并且需要高散熱性、小尺寸、金屬線路附著性佳等性能，陶瓷基板作為印刷電路的基體就必須具備小尺寸、良好的加工強度以及很高的平整度。陶瓷材料都需在較高的溫度下燒成，這就對承燒的窯具材料提出了較高的要求：在接近1600℃高溫下具有較高的平整度、不變形，且抗熱震性好，高溫強度高。國外將符合這種要求的窯具承燒板稱之為“超平板”。目前，LED企業陶瓷基板燒成用超平板仍需從日本等國進口，價格昂貴，高達10萬元 / 噸，而國產超平板往往存在高溫穩定性差、同一性差以及高溫平整度不高等問題。隨著LED產業的快速發展，解決制約LED壽命的散熱陶瓷基板問題也變得尤為重要，因此超平板的國產化也迫在眉睫。本工作通過對進口超平板和試制超平板性能進行對比，來探索超平板國產化問題的可能解決方法，為下一步的國產化奠定一定的理論基礎。

2 性能檢測

將進口超平板和試制超平板送至佛山某檢測公司，進行化學組成分析、常規物理性能和熱膨脹系數的檢測。按GB / T21114 - 2007對試樣進行化學組成分析；按QB / T1010 - 1999和GB / T3810.3 - 2006測試試樣的體積密度及顯氣孔率；按GB / T3001 - 2007測試樣的常溫抗折強度；參照GB / T3810.8 - 1999檢測試樣室溫 ～ 1200℃的線性熱膨脹系數；將兩種超平板送至佛山某LED用散熱陶瓷基板生產廠家進行現場使用，對比其使用性能的差異。

3 結果與討論

3.1 試樣的化學組成分析

進口超平板和試制超平板試樣的化學組成分析如表1所示。

由表1可以看出：進口超平板和試制超平板的Al2O3 + SiO2含量都>99%，其中進口超平板的Al2O3含量略低于試制超平板，SiO2含量則略高于試制超平板，結合兩者的燒成溫度，兩種超平板的純度都比較高，主晶相應該都為剛玉相和莫來石相，并且進口超平板的莫來石相含量可能略高于試制超平板；進口超平板的低熔點化合物（K2O、 Na2O、CaO、Fe2O3）含量都略高于試制超平板，這說明在高溫燒成時，進口超平板的液相含量會高于試制超平板，可能會使得進口超平板制品相對于試制超平板更加致密。

3.2 試樣的常溫物理性能

由表2可以看出，進口超平板的體積密度高于試制超平板，顯氣孔率低于試制超平板，這說明進口超平板比試制超平板更加致密，這可能是因為進口超平板成型更致密，且存在有更多高溫液相，填充了氣孔，增加了致密性；進口超平板的常溫抗折強度高于試制超平板，一方面是因為進口超平板致密性更好，另一方面也有可能是因為更多高溫液相的存在會使得進口超平板制品的基質與骨料結合得更加緊密。

3.3 線性熱膨脹系數

進口超平板和試制超平板試樣在室溫 ～ 1200℃的線性熱膨脹系數如表3所示。

由表3可以看出，兩種超平板的線性熱膨脹系數相差不大，但進口超平板的熱膨脹系數要小于試制超平板，這可能與兩者的主晶相含量有關，莫來石的線性熱膨脹系數（4.2 ～ 5.6 × 10-6·K-1）小于剛玉相（8.7 × 10-6·K-1），進口超平板的莫來石相含量要高于試制超平板，剛玉相含量則低于試制超平板。

3.4 使用性能

將兩批進口超平板和試制超平板送至佛山某陶瓷基板生產廠家進行現場使用，其中進口超平板的使用壽命平均在10次左右，部分試制超平板使用壽命已經接近于進口超平板，但整體的使用性能不夠穩定。

4 結論

（1）進口超平板和試制超平板的Al2O3 + SiO2含量都>99%，其中進口超平板的Al2O3含量略低于試制超平板，SiO2含量則略高于試制超平板，低熔點化合物（K2O、 Na2O、CaO、Fe2O3）含量都略高于試制超平板；

（2）進口超平板的體積密度和抗折強度都高于試制超平板；

（3）進口超平板的現場使用平均壽命要高于試制超平板，且穩定性更好。

5 展望

凝膠注模成型工藝自美國橡樹嶺國家重點實驗室于20世紀90年代初發明以來，一直是材料學領域研究的重點，起初用于陶瓷的制備。凝膠注模成型工藝將傳統的陶瓷工藝與聚合物化學知識有機結合起來，將有機單體聚合成高分子的方法靈活地引入到陶瓷的成型工藝中，該工藝主要通過制備低黏度、高固相體積分數的漿料，再將漿料中的有機單體聚合使漿料原位凝固，從而獲得高密度、高強度、均勻性好的坯體。坯體經過干燥、排膠和燒結等工序后，可直接制備出復雜形狀的近凈尺寸部件。

凝膠注模成型作為一種先進、靈活的材料制備工藝，有以下工藝特點：

（1）適用范圍廣，可制備單一材料或復合材料。

（2）已發展為水基凝膠注模工藝，使用低黏度高固相分數的水基漿料，使用的有機含量少，坯體收縮少，可制備與部件尺寸接近或相同的部件。

（3）流動的液態漿料充分填充于模具中，可制備出復雜形狀部件。

（4）生坯強度高，塑性較好，可機加工成更為精密的部件。

（5）對模具要求不高。

（6）由于預混液中除可排出的溶劑外，單體和增塑劑等可以全部使用有機物，燒結后部件純凈度高。

理想的凝膠注模成型工藝應該滿足低成本、高可靠性、易于操作和控制，實現凈尺寸成型，適合規?；a，同時對環境友好[4]。在實際操作時需注意和解決：

（1）高的坯體密度可保證坯體質量，減少燒結收縮率，提高制品的密度，降低燒結成本，利于規?；a。

（2）坯體密度均勻是保證材料可靠性的關鍵。

目前，凝膠注模成型技術已在Al2O3、ZrO2、AlN、Si3N4等精密陶瓷部件的近凈尺寸成型中得到了廣泛應用。該工藝技術在陶瓷、耐火材料、粉末冶金等領域備受關注，相較于耐火材料工藝中傳統的機械方法成型，凝膠注模成型所制備的材料的顯微結構均勻致密，具備良好的物理化學性能以及使用性能，且材料的穩定性更佳，適合于高級耐火材料的制備[5]。

通過對比進口超平板和試制超平板的性能，我們可以看出，試制超平板的化學組成、常溫物理性能和熱膨脹系數都基本接近于進口超平板，部分試制超平板的現場使用壽命也接近于進口超平板，但影響試制超平板替代進口超平板的主要問題是使用的穩定性。

所以，采用凝膠注模成型工藝來制備LED 陶瓷基板燒成用超平板，有望解決國產超平板所存在的高溫穩定性差、同一性差以及高溫平整度不高等問題。

參考文獻

[1] 何國強.LED照明應用現狀及發展前景[J]. 科技傳播，2013（2）：49-51.

[2] 李華平，柴廣躍，彭文達，等.大功率LED的封裝及散熱基板研究[J].半導體光電，2007，28（1）：47.

[3] 張強，孫東立，武高輝.電子封裝基片材料研究進展[J]. 材料科學與工藝，2000，8（4）：102.

[4] 卜景龍，劉開琪，王志發，鞏甘雷. 凝膠注模成型制備高溫結構陶瓷 [M]. 北京：化學工業出版社，2008：1-2，7.

[5] 黃勇，楊金龍.高性能陶瓷成型工藝進展[J]. 現代技術陶瓷，1995（4）：4-11