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研究氧化工艺对膜层绝缘导热性能的影响及变化规律

时间:2019-09-29 10:46 作者:乐枫

材料学硕士论文精心编辑6篇第四篇:研究氧化工艺对膜层绝缘导热性能的影响及变化规律

摘要

  针对传统LED封装结构中铝基板绝缘层导热性差的现状,本课题通过不同脉冲宽度的微弧氧化和不同电解液体系的阳极氧化工艺在铝基板表面制备氧化膜,替代传统铝基板中环氧树脂绝缘层。借助XRD、sEM等检测手段,并对所制备膜层的微观形貌、物相及耐蚀性进行了检测分析,系统研究了氧化工艺对膜层绝缘导热性能的影响及变化规律,为微弧氧化和阳极氧化工艺在铝基板领域的应用提供借鉴参考和数据支持。

  研究表明:铝基板表面微弧氧化膜层随着脉冲宽度的提升,厚度先升高后下降,表面爆熔微孔数量和尺寸逐渐增加,氧化膜中主要成分⒍A12O3和γ-A12O3两相比值逐渐增加;随脉冲宽度的提升,铝基板表面微弧氧化膜层的体积电阻率逐渐增加,击穿电压先升高后下降,导热系数略微上开:在SO0Hz的脉冲频率下,当脉冲宽度为gOous时,膜层具有最佳的综合绝缘性能,体积电阻率高达8.6×1014Ω·cm,击穿电压为1240V,满足铝基板绝缘层的体积电阻率应大于∴10】0Ω·cm,击穿电压应高于1010V的使用要求。同时导热系数为".⒆W/m·k,比环氧树脂高两个数量级。

  硫酸、草酸、混合有机酸三种电解液体系制备的铝基板表面阳极氧化膜层,厚度都随电解液浓度的升高先增加后下降,硫酸和草酸阳极氧化膜层表面通孔尺寸和孔隙率随电解液浓度提升而升高,混合有机酸阳极氧化膜层表面通孔结构和尺寸不受电解液浓度变化而变化。当硫酸浓度为140g/L、草酸浓度为ωg/L、混合有机酸配比为100g/L磺基水杨酸加40g/L苹果酸时,制备的阳极氧化膜层拥有最佳的绝缘性能:硫酸氧化膜的体积电阻率为6.2×1011Ωcm,击穿电压为1420V:草酸氧化膜的体积电阻率为3.6×1012Ω·cm,击穿电压为120OV;混合有机酸氧化膜的体积电阻率为7.1×1013Ωcm,击穿电压为15sOV,都较好得满足了铝基板对绝缘性能的相关要求,此时三种阳极氧化膜层的导热系数分别为15,弘W/m·K、17.53W/Im·K、⒛。⒛W/m·K,与环氧树脂相比表现出良好的导热性能。电化学阻抗结果表明微弧氧化及混合有机酸阳极氧化膜层的耐蚀性优异,对电解液中离子侵蚀能起到较强的屏蔽作用,确保铝基板后期刻蚀铜箔电路时不受侵蚀。

  关键词:铝基板;微弧氧化;阳极氧化;体积电阻率;击穿电压;导热系数

铝基板

目录

  1绪论

  1.1引言

  发光二极管(LightEmittingDiode,LED)是一种能够将电能转化为光能的半导体固态照明电子元件。从二十世纪六十年代出现到现在,其发展已经历了近六十年的时间。LED与白炽灯、荧光灯、气体放电光源等传统照明设备相比,有着诸多无法比拟的优点与更加广泛的使用场景,被称为第四代光源技术革命[1-4].其优点主要表现为:

  (1)绿色节能。LED的光电转化效率较高,较同等亮度的白炽灯能够减少约80%的能耗[5].随着中国工业化及城市化进程的不断推进,照明所需能耗迅速攀升,采用LED光源替代传统照明设备能够减轻巨大能源消耗对环境产生的影响。此外,LED生产制备中不含汞等重金属污染物,避免了回收报废时产生的二次污染;

  (2)LED使用寿命较长。其正常工作寿命可达数万小时,远远高于2500~3500小时工作寿命的荧光灯及平均仅有1000小时工作寿命的白炽灯,即使在高频率的开关下也不会对其寿命产生影响[6];

  (3)使用安全。LED结构中不包含传统照明设备普遍存在的玻璃保护罩,无需抽真空或注入特殊气体,因此,LED的抗震及抗冲击性能良好。同时,LED的工作电压更低,通常使用3~24V的直流电源,因而具有更高的安全系数[7];

  (4)LED响应速度极快,通常为微秒甚至纳秒级别,而白炽灯等光源响应时间为毫秒级甚至更长;

  (5)LED的体积非常小,便于布置设计于更多应用领域

  (6)发光效果优异。LED发光集中,光衰减低,可以利用透镜等方式达到所需集散程度。同时LED具有丰富的色域范围,能够在不加滤光器的情况下发出各种色光,色域范围可控且纯净。LED与传统光源相比具有巨大优势,因而被应用于越来越广阔的使用场景:除了普通照明领域,LED在背光照明、道路交通指示、交通工具照明、招牌广告显示、农业、渔业及医疗业等各种领域都发挥着愈加重要的作用[8-10]

  1.2LED封装基板类型

  随着LED行业的发展,LED的光通量与功率逐年提升,早期引脚式的结构已经不能满足LED的散热需求,功率型的LED会在工作时产生大量的热量,如果不能及时将其产生的热量从内部导出,将使LED工作温度迅速升高,进而导致光通量的降低与寿命的缩减,因此,采用合适的散热封装结构设计使LED工作时产生的热量及时导出,对保证其良好的发光效果与使用寿命的延长起着至关重要的作用。基板作为封装结构及承载芯片的重要组成部分,主要有以下几种类型:

  (1)树脂基板:树脂基板采用环氧树脂作为基体,并用高性能的酚醛树脂作为固化剂制作而成。目前应用较为普遍的树脂基板材料有:聚苯醚树脂(PPE)、聚酰亚胺树脂(PI)、及双马聚酰亚胺三嗪树脂(BT)等[11],环氧树脂具有较高的玻璃化温度,较低的介电常数与热膨胀系数,同时树脂基板成型简单,模具及配套设备要求低,价格低廉,因此在LED基板中还存在较多应用,然而树脂基板成型效果粗糙,易产生裂纹和毛刺,并且起散热作用主要为金属引线和支架,散热能力极为有限,一般仅适用于功率较小或低集成度的LED阵列元器件封装。

  (2)陶瓷基板:陶瓷材料板材制备容易,同时具有较好的机械强度、优异的绝缘性能、超高的化学稳定性与较好的导热系数等诸多优点,同样适合用于LED封装结构基板,目前陶瓷基板在LED封装领域已有一定应用,常见陶瓷基板的材料及性能参数如表1-1所示。

  几种陶瓷基板材料中,都有各自的优缺点:氧化铝制备简单方便,来源广泛,价格便宜,不论从绝缘性能、耐热性、化学稳定性、机械强度等方面等有良好的表现,但氧化铝的导热系数相对其他绝缘陶瓷较低,仅适合作为薄膜材料,当基板整体都使用氧化铝制备时,难以满足大功率LED基板的封装要求;AlN晶体属于宽禁带、直接带隙材料,具有较高的导热系数,同时拥有良好的绝缘强度,是理想的LED基板材料,但AlN基板成型极为复杂,优质AlN粉体合成成本高昂,限制了其大规模的应用;SiC具有金刚石结构,拥有良好的机械强度与导热系数,不过其绝缘性能较差,电阻率与击穿强度偏低,介电常数偏大,不适合作为LED基板材料;BeO作为封装基板材料来说绝缘及导热性能都比较优异,然而BeO本身有毒,对人体和环境危害较大,生产制备过程中需要大量防毒设备投入,目前日本和欧洲已限制其生产制备和应用,国内也仅有少量军工产品使用该材料;六方氮化硼具有良好的综合绝缘导热性能,但作为基板材料来说没有什么优势且价格昂贵,目前还处于研究与推广阶段[13-16].

  (3)金属芯印刷电路板:金属芯印刷电路板(MetalCorePrintedCircuitBoard,MCPCB)利用导热系数相对较高的金属(如铝、铜)通过一定技术与印刷电路板相结合,以强化封装结构的散热效果,其结构通常为由金属基层、绝缘层、电路层组成的三明治结构。优点为:成本低廉,能够实现大规模大尺寸量产,同时拥有较好的绝缘导热效果,目前在大功率的LED封装中处于主导地位,能够满足集成度较高、功率较大的LED器件对基板的使用要求[17].常见的金属芯印刷电路板有铁基板、铜基板和铝基板。铁基板所具备的电磁特性是其他金属基板所没有的,同时具有良好的尺寸稳定性,便于加工且价格低廉,然而铁基板比重大,易被腐蚀,且热传导性能与铜基板、铝基板相比较差[18].铜作为基板使用时,导热性极好,能够快速传导并散失热量,但其重量较大,价格昂贵,且存在端面易氧化的缺点[19].相比之下铝基板具有极高的热导率,同时价格低廉,尺寸稳定,可塑性好,容易进行剪切冲击加工,因此铝基板是最为理想的金属基板,在LED封装基板中占据了绝大多数市场[20].

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  1.3 铝基板研究进展
  1.3.1 铝基板结构与原理
  1.3.2 铝基板发展现状

  1.4 铝基板绝缘层制备新工艺
  1.4.1 微弧氧化
  1.4.2 阳极氧化
  1.4.3 新工艺制备绝缘层实例

  1.5 微弧氧化与阳极氧化膜层绝缘导热特性
  1.5.1 氧化膜的绝缘性能及影响因素
  1.5.2 氧化膜的导热性能及影响因素

  1.6 课题研究意义与内容
  1.6.1 课题研究意义
  1.6.2 课题研究内容及技术路线图

  2 实验设备及研究方法
  2.1 实验材料
  2.2 微弧氧化工艺制备氧化膜
  2.3 阳极氧化工艺制备氧化膜

  2.4 氧化膜的性能测试
  2.4.1 氧化膜的厚度测试
  2.4.2 氧化膜的微观形貌观察
  2.4.3 氧化膜的物相成分分析
  2.4.4 氧化膜的绝缘性能测试
  2.4.5 氧化膜的电化学阻抗测试
  2.4.6 氧化膜的导热系数测试

  3 微弧氧化膜层的微观形貌及绝缘导热性能
  3.1 微弧氧化膜层的厚度及微观形貌
  3.2 微弧氧化膜层的物相组成
  3.3 微弧氧化膜层的绝缘性能
  3.3.1 微弧氧化膜层的电阻率
  3.3.2 微弧氧化膜层的击穿电压

  3.4 微弧氧化膜层的电化学阻抗
  3.5 微弧氧化膜层的导热性能
  3.6 本章小结

  4 阳极氧化膜层的微观形貌及绝缘导热性能
  4.1 硫酸阳极氧化膜层形貌及绝缘性能
  4.1.1 硫酸阳极氧化膜层形貌
  4.1.2 硫酸阳极氧化膜层的绝缘性能

  4.2 草酸阳极氧化膜层形貌及绝缘性能
  4.2.1 草酸阳极氧化膜层形貌
  4.2.2 草酸阳极氧化膜层的绝缘性能
  4.3 混合有机酸阳极氧化膜层形貌及绝缘性能
  4.3.1 混合有机酸阳极氧化膜层形貌
  4.3.2 混合有机酸阳极氧化膜层的绝缘性能

  4.4 阳极氧化膜层的物相成分分析
  4.5 阳极氧化膜层的电化学阻抗
  4.6 阳极氧化膜层的导热性能
  4.7 本章小结

5结论

  本课题采用不同脉冲宽度的微弧氧化及硫酸、草酸和混合有机酸三种电解液体系的阳极氧化工艺在铝基板的表面制备氧化膜层,取代目前主要以环氧树脂为原料的铝基板绝缘层,以改善绝缘层导热性能较差的现状。并对制备的氧化膜的厚度、微观结构、物相、耐蚀性及绝缘导热性能进行测试分析,得到如下结论:

  (1)随脉冲宽度的提升,铝基板微弧氧化膜层的厚度先增大后减小;表面爆熔微孔的数量逐渐增多,尺寸逐渐增大;膜层的主要成分为α-Al2O3和γ-Al2O3中,且α-Al2O3所占比例随脉冲宽度增大逐渐提升。同时,膜层的体积电阻率随脉冲宽度的增加有所提升;但膜层击穿电压随脉冲宽度的提升先升高后下降;脉冲宽度为800μs时制备的氧化膜综合绝缘性能最好,击穿电压达到1240V,体积电阻率高达8.6×1014Ω?cm.

  (2)铝基板表面阳极氧化膜层厚度随各体系电解液浓度增加先升高后下降,硫酸和草酸阳极氧化膜层孔隙率随电解液浓度增加而增大,混合有机酸浓度对膜层孔隙尺寸及孔隙率无明显影响。膜层体积电阻率不受电解液浓度变化而变化,其中混合有机酸阳极氧化膜层体积电阻率最高,硫酸阳极氧化膜层体积电阻率最低,但都大于1010Ω?cm,表现出良好的绝缘性,各体系下阳极氧化膜层击穿电压与膜层厚度变化呈一致性,当硫酸浓度为140g/L、草酸浓度为60g/L、混合有机酸配比为100g/L磺基水杨酸加40g/L苹果酸时,阳极氧化膜击穿电压最高,分别达到1420V、1200V和1580V.

  (3)铝基板表面微弧氧化膜层整体表现出良好的耐蚀性与对电解液离子的屏蔽能力,且随脉冲宽度的增大,耐蚀性增强。而不同电解液体系制备的阳极氧化膜层中,混合有机酸制备的阳极氧化膜层具有良好的耐蚀性与电解液离子屏蔽能力,但硫酸阳极氧化膜层对铝基体的保护性较差。

  (4)微弧氧化膜层的导热系数随电源脉冲宽度的提升略有升高,硫酸和草酸阳极氧化膜层的导热系数随电解液浓度的提升略有减小,混合有机酸浓度对膜层导热系数无显著影响。几种铝基板表面制备的氧化膜中,微弧氧化膜层的导热系数最高,达27.26W/m?K,混合有机酸阳极氧化膜层次之,草酸阳极氧化膜层与硫酸阳极氧化膜层最低,但与环氧树脂相比都表现出较强的导热性能,导热系数高两个数量级。

  致谢
  参考文献

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