LED陶瓷基板烧成用高温超平板国产化探索研究

张文泽+范志辉+许林峰

摘 要：随着LED产业的快速发展，解决制约LED寿命的散热陶瓷基板问题也变得尤为重要，因此LED陶瓷基板烧成用高温超平板的国产化研究也迫在眉睫。本工作通过对进口超平板和试制超平板性能进行对比，来探索超平板国产化问题的可能解决方法，为下一步的国产化研究奠定一定的理论基础。凝胶注模成型未来有望成为解决国产超平板问题的新工艺。

关健词：LED；陶瓷基板；国产化

1 前言

随着世界能源的日益紧缺，减少能源消耗、提高能源利用率成为当前世人的共识。作为占全部电能消耗10 ～ 15%的照明行业，日益受到世界各国政府和专业技术人员的关注，成为节能技术开发的重点领域。LED作为一种新型全固态照明器件，因其节能、环保、稳定性好成为世界照明技术发展的主流方向，世界各国特别是发达国家已将LED列为战略产业加以扶持和推动[1]。在我国，以LED路灯为切入点，通过近五年的努力，已使得LED照明形成了完善的产业链结构，并成为节能领域最重要的开发领域之一。

随着LED照明的需求日益迫切，高功率LED的散热问题越发受到重视，因为过高的温度会导致LED发光效率的衰减，通常LED高功率产品输入功率约15%能转化成光，剩下85%的电能均转换为热能。LED运作所产生的废热若无法有效散出，将会使LED结面温度过高，进而影响产品的生命周期、发光效率、稳定性，对LED的寿命造成致命的影响。因此散热问题是LED产业永远无法逃避的重要课题，要提升LED的发光效率，必须解决散热问题。现阶段，LED整个系统的散热瓶颈多数发生在将热量从LED颗粒传导至其基板再到系统电路板为主，所以高导热散热基板材料的选择在LED散热管理上占了极重要的一环。与目前一般LED产品所采用的金属基板相比，陶瓷基板由于具有良好的导热性能、电绝缘性能、较高的强度和化学稳定性等性能，成为高功率LED散热材料的首选[2，3]。因此，包括Crcc、欧司朗、飞利浦及日亚化等国际大厂，都有使用陶瓷基板作为LED散热材质。

高功率、高亮度、小尺寸LED产品已逐步成为LED产业发展的重点，因此对散热基板本身的线路对位精准度要求极为严苛，并且需要高散热性、小尺寸、金属线路附着性佳等性能，陶瓷基板作为印刷电路的基体就必须具备小尺寸、良好的加工强度以及很高的平整度。陶瓷材料都需在较高的温度下烧成，这就对承烧的窑具材料提出了较高的要求：在接近1600℃高温下具有较高的平整度、不变形，且抗热震性好，高温强度高。国外将符合这种要求的窑具承烧板称之为“超平板”。目前，LED企业陶瓷基板烧成用超平板仍需从日本等国进口，价格昂贵，高达10万元 / 吨，而国产超平板往往存在高温稳定性差、同一性差以及高温平整度不高等问题。随着LED产业的快速发展，解决制约LED寿命的散热陶瓷基板问题也变得尤为重要，因此超平板的国产化也迫在眉睫。本工作通过对进口超平板和试制超平板性能进行对比，来探索超平板国产化问题的可能解决方法，为下一步的国产化奠定一定的理论基础。

2 性能检测

将进口超平板和试制超平板送至佛山某检测公司，进行化学组成分析、常规物理性能和热膨胀系数的检测。按GB / T21114 - 2007对试样进行化学组成分析；按QB / T1010 - 1999和GB / T3810.3 - 2006测试试样的体积密度及显气孔率；按GB / T3001 - 2007测试样的常温抗折强度；参照GB / T3810.8 - 1999检测试样室温 ～ 1200℃的线性热膨胀系数；将两种超平板送至佛山某LED用散热陶瓷基板生产厂家进行现场使用，对比其使用性能的差异。

3 结果与讨论

3.1 试样的化学组成分析

进口超平板和试制超平板试样的化学组成分析如表1所示。

由表1可以看出：进口超平板和试制超平板的Al2O3 + SiO2含量都>99%，其中进口超平板的Al2O3含量略低于试制超平板，SiO2含量则略高于试制超平板，结合两者的烧成温度，两种超平板的纯度都比较高，主晶相应该都为刚玉相和莫来石相，并且进口超平板的莫来石相含量可能略高于试制超平板；进口超平板的低熔点化合物（K2O、 Na2O、CaO、Fe2O3）含量都略高于试制超平板，这说明在高温烧成时，进口超平板的液相含量会高于试制超平板，可能会使得进口超平板制品相对于试制超平板更加致密。

3.2 试样的常温物理性能

由表2可以看出，进口超平板的体积密度高于试制超平板，显气孔率低于试制超平板，这说明进口超平板比试制超平板更加致密，这可能是因为进口超平板成型更致密，且存在有更多高温液相，填充了气孔，增加了致密性；进口超平板的常温抗折强度高于试制超平板，一方面是因为进口超平板致密性更好，另一方面也有可能是因为更多高温液相的存在会使得进口超平板制品的基质与骨料结合得更加紧密。

3.3 线性热膨胀系数

进口超平板和试制超平板试样在室温 ～ 1200℃的线性热膨胀系数如表3所示。

由表3可以看出，两种超平板的线性热膨胀系数相差不大，但进口超平板的热膨胀系数要小于试制超平板，这可能与两者的主晶相含量有关，莫来石的线性热膨胀系数（4.2 ～ 5.6 × 10-6·K-1）小于刚玉相（8.7 × 10-6·K-1），进口超平板的莫来石相含量要高于试制超平板，刚玉相含量则低于试制超平板。

3.4 使用性能

将两批进口超平板和试制超平板送至佛山某陶瓷基板生产厂家进行现场使用，其中进口超平板的使用寿命平均在10次左右，部分试制超平板使用寿命已经接近于进口超平板，但整体的使用性能不够稳定。

4 结论

（1）进口超平板和试制超平板的Al2O3 + SiO2含量都>99%，其中进口超平板的Al2O3含量略低于试制超平板，SiO2含量则略高于试制超平板，低熔點化合物（K2O、 Na2O、CaO、Fe2O3）含量都略高于试制超平板；

（2）进口超平板的体积密度和抗折强度都高于试制超平板；

（3）进口超平板的现场使用平均寿命要高于试制超平板，且稳定性更好。

5 展望

凝胶注模成型工艺自美国橡树岭国家重点实验室于20世纪90年代初发明以来，一直是材料学领域研究的重点，起初用于陶瓷的制备。凝胶注模成型工艺将传统的陶瓷工艺与聚合物化学知识有机结合起来，将有机单体聚合成高分子的方法灵活地引入到陶瓷的成型工艺中，该工艺主要通过制备低黏度、高固相体积分数的浆料，再将浆料中的有机单体聚合使浆料原位凝固，从而获得高密度、高强度、均匀性好的坯体。坯体经过干燥、排胶和烧结等工序后，可直接制备出复杂形状的近净尺寸部件。

凝胶注模成型作为一种先进、灵活的材料制备工艺，有以下工艺特点：

（1）适用范围广，可制备单一材料或复合材料。

（2）已发展为水基凝胶注模工艺，使用低黏度高固相分数的水基浆料，使用的有机含量少，坯体收缩少，可制备与部件尺寸接近或相同的部件。

（3）流动的液态浆料充分填充于模具中，可制备出复杂形状部件。

（4）生坯强度高，塑性较好，可机加工成更为精密的部件。

（5）对模具要求不高。

（6）由于预混液中除可排出的溶剂外，单体和增塑剂等可以全部使用有机物，烧结后部件纯净度高。

理想的凝胶注模成型工艺应该满足低成本、高可靠性、易于操作和控制，实现净尺寸成型，适合规模化生产，同时对环境友好[4]。在实际操作时需注意和解决：

（1）高的坯体密度可保证坯体质量，减少烧结收缩率，提高制品的密度，降低烧结成本，利于规模化生产。

（2）坯体密度均匀是保证材料可靠性的关键。

目前，凝胶注模成型技术已在Al2O3、ZrO2、AlN、Si3N4等精密陶瓷部件的近净尺寸成型中得到了广泛应用。该工艺技术在陶瓷、耐火材料、粉末冶金等领域备受关注，相较于耐火材料工艺中传统的机械方法成型，凝胶注模成型所制备的材料的显微结构均匀致密，具备良好的物理化学性能以及使用性能，且材料的稳定性更佳，适合于高级耐火材料的制备[5]。

通过对比进口超平板和试制超平板的性能，我们可以看出，试制超平板的化学组成、常温物理性能和热膨胀系数都基本接近于进口超平板，部分试制超平板的现场使用寿命也接近于进口超平板，但影响试制超平板替代进口超平板的主要问题是使用的稳定性。

所以，采用凝胶注模成型工艺来制备LED 陶瓷基板烧成用超平板，有望解决国产超平板所存在的高温稳定性差、同一性差以及高温平整度不高等问题。

参考文献

[1] 何国强.LED照明应用现状及发展前景[J]. 科技传播，2013（2）：49-51.

[2] 李华平，柴广跃，彭文达，等.大功率LED的封装及散热基板研究[J].半导体光电，2007，28（1）：47.

[3] 张强，孙东立，武高辉.电子封装基片材料研究进展[J]. 材料科学与工艺，2000，8（4）：102.

[4] 卜景龙，刘开琪，王志发，巩甘雷. 凝胶注模成型制备高温结构陶瓷 [M]. 北京：化学工业出版社，2008：1-2，7.

[5] 黄勇，杨金龙.高性能陶瓷成型工艺进展[J]. 現代技术陶瓷，1995（4）：4-11