當前位置:首頁 > 粉體資訊 > 粉體加工技術 > 正文
很會導熱的氮化鋁陶瓷基板,制備起來可不容易!
2021年05月08日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:188
0

優秀的散熱能力對LED來說很重要,因為在它將電能轉化成光能的過程中,會有大量(70%~80%)的能量轉化為熱能散發出去,而且功率越大,所需要散發的熱量越多。

如果這些熱量不能及時散發出去,它們引起的結溫上升不僅會導致LED輸出光功率減小,而且芯片還會銳化加速,器件壽命縮短,因此LED 產品必須保證散熱通暢。在LED散熱過程中,“封裝基板”起到非常關鍵的作用,因此開發出高熱導率的散熱基板材料成為了解決LED器件的散熱問題、提升大功率LED發光效率與使用壽命的重要途徑。

隨著LED功率的增大,傳統的樹脂基板早已不能應付它們的散熱性能需求。如今,國際上對于該領域的研究主要集中在具有高導熱系數、與半導體芯片相匹配的熱膨脹系數,以及高絕緣性能的高導熱陶瓷基板上。

一、氮化鋁材料的優勢

在可選擇的陶瓷材質中,長期以來Al2O3BeO陶瓷是被考慮的兩種主要基材,然而這兩者都具有固有的缺點,如Al2O3具有低導熱率和與芯片材料不匹配的熱膨脹系數;BeO則是具有很高的生產成本,并且有劇毒,不利于大規模生產。另外,SiC雖然具有很高的熱導率,熱膨脹系數也與Si最為接近,但它的燒結溫度高達二千多度,制備能耗大,熱壓生產成本高,同樣限制了它作為基板材料的發展及應用。

氮化鋁基板

除了上述這些外,其實還有一個更好的選擇就是氮化鋁(AlN),它是少數具有高熱傳導性和出色的電絕緣特性這一有趣組合的陶瓷材料,此外它環保無毒,還具高的機械強度及化學穩定性,能夠在較惡劣的環境下保持正常的工作狀態,因此作為大功率LED散熱材料再合適不過了。下表是AlN與其他常見陶瓷封裝材料的性能對比。

常用陶瓷封裝材料及其特性

二、氮化鋁陶瓷制備的研究

科學家發現,顯微結構、氧雜質含量是影響AlN陶瓷熱導率因素中最重要的兩項。因此為了提高AlN陶瓷熱導率,制備陶瓷的粉體原料和燒結工藝就必須要多加注意——而經過不斷的實驗研究表明,細化氮化鋁原始粉料以及添加適宜的低溫燒結助劑都是行之有效的解決方法。

氮化鋁粉體

1、粉體原料的選擇

氮化鋁粉料是制備優良性能氮化鋁陶瓷材料的前提和關鍵。氮化鋁燒結過程的驅動力為表面能,顆粒細小的AlN粉體能夠增強燒結活性,增加燒結推動力從而加速燒結過程。研究證實,當氮化鋁原始粉料的起始粒徑細小20倍后,陶瓷的燒結速率將增加147倍。同時為防止二次再結晶,原始粉體粒徑也應細小均勻,若顆粒內有少量的大顆粒存在,則易發生晶粒異常生長而不利于致密化燒結;若顆粒分布不均勻,在燒結過程中容易發生個別晶體異常長大而影響燒結。此外,氮化鋁陶瓷的燒結機理有時也受原始粉末粒度的影響。微米級的氮化鋁粉體按體積擴散機理進行燒結,而納米級的粉體則按晶界擴散或者表面擴散機理進行燒結。

Kuramot等研究表明,在不添加任何低溫燒結助劑的前提下,氮化鋁粉體比表面積約為3m2/g時,即便在高達1900℃的高溫下氮化鋁也未能達到致密燒,而顆粒粒徑為80-100nm,比表面積為40~50m2/g與粒徑約為0.11μm,比表面積為16.6m2/g的氮化鋁粉體在1700℃下燒結就基本上能達到理論密度;Hashimoto,Panchula和Ying的研究證實,在氮化鋁原始粉料中添加適量的納米氮化鋁粉體,可以在1700℃常壓下達到氮化鋁陶瓷的致密燒結;Watari等的研究也表明,氮化鋁陶瓷的燒結性能與原始粉料的細度成正比例關系,即原始粉料越細小,燒結性能越好。

雖然選用粒徑細小均勻的粉體能夠在一定程度上降低氮化鋁陶瓷的燒結溫度,但是細小均勻的氮化鋁粉體制備很困難,大多通過濕化學法結合碳熱還原法制備,不僅燒結工藝復雜,而且耗能大,并不適于大規模的推廣應用。而添加適宜的燒結助劑,在能夠顯著降低AlN陶瓷燒結溫度的同時還能夠改善AlN陶瓷的一些性能,目前這種方法得到了廣泛的應用研究

氮化鋁陶瓷的顯微晶相

2、燒結助劑的選擇

目前,氮化鋁燒結普遍采用的方法是添加適宜的燒結助劑,在常壓下進行燒結,這種方法不僅能夠大大降低能耗,還能夠制備出高性能的AlN陶瓷。研究表明,通過添加一些低熔點的燒結助劑,可以在氮化鋁燒結過程中產生液相,促進氮化鋁胚體的致密燒結。

此外,一些燒結助劑除了能夠產生液相促進燒結,還能夠與氮化鋁晶格中的氧雜質反應,起到去除氧雜質凈化晶格的作用,從而提高AlN陶瓷的熱導性能。然而,燒結助劑不能盲目的添加,添加的量也要適宜,否則可能會產生不利的作用。例如,燒結助劑添加量過多,會導致大量第二相的出現,進而致使AlN的熱導率會顯著降低。

Hirano等將不添加燒結助劑的AlN粉末在1900℃保溫8h得到熱導率僅為114W/m·K的致密化AlN陶瓷,而在相同條件下添加4%的Y2O3后,熱導率提升到218W/m·K。Liu等研究了以Dy2O3作為燒結助劑,在N2氣氛下1650℃無壓燒結AlN陶瓷,獲得了熱導率為156W/m·k的氮化鋁陶瓷,結果表明Dy2O3能夠有效去除氮化鋁中的氧雜質,提高AlN陶瓷的熱導率。Watari等添加LiYO2-CaO后,在1600℃燒結獲得了熱導率大于170W/m·K的AlN陶瓷。周和平和喬梁通過在氮化鋁中添加復合燒結助劑CaF2-Y2O3-Li2CO3,在較低的燒結溫度1650℃下就達到了氮化鋁陶瓷的致密燒結,且熱導率也高達177W/m·K。

三、總結

顯然,要做出優秀的AlN陶瓷并不易,需要顧全原料粉體制備、成型工藝和燒結工藝等多個方面。更多關于氮化鋁陶瓷制備的話題,可查看粉體圈歷史文章進行了解。另外在9月14-15日于廣州琶洲舉辦的“2021年全國氮化物粉體與陶瓷創新發展論壇”上也會有相關的專題報告,感興趣的話請多多留意噢。

資料來源:

大功率LED用高熱導率氮化鋁陶瓷基座的制備與封裝研究,李宏偉。

粉體圈整理


相關內容:
0
 

粉體求購:

設備求購:

尋求幫助:

合作投稿:

粉體技術:

關注粉體圈

了解粉體資訊

午夜神器成在线人成在线人-午夜神器A片免费看