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一种LED散热基板材料及制备方法

阅读:947发布:2023-02-25

专利汇可以提供一种LED散热基板材料及制备方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种LED 散热 基板 材料,主要由以下重量份的原料制成: 铝 熔融金属液30‑40份、氮化铝粉末10‑15份及 烧结 助剂4‑5份;其制备方法如下:(1)将氮化铝粉末压紧、填充在烧结模具中并将烧结模具放入 热压 设备中,然后加入烧结助剂,使氮化铝粉末烧结成氮化铝粉坯;(2)将氮化铝粉坯放入压 力 浸渗炉中,在机械加压条件下,铝熔融金属液作为密封介质,通过保持机械加压使铝熔融金属液强行渗入氮化铝粉坯的气孔和缝隙中,最终 凝固 、冷却形成铝基氮化铝 复合材料 ;(3)对铝基氮化铝复合材料进行 热处理 ,最终得到铝基氮化铝散热基板材料。使用上述制备方法制得的铝基氮化铝散热基板材料导热性好, 热膨胀 系数低,能发挥更好的散热效果。,下面是一种LED散热基板材料及制备方法专利的具体信息内容。

1.一种LED散热基板材料,其特征在于,由以下重量份的原料制成:熔融金属液30-40份、氮化铝粉末10-15份及烧结助剂4-5份。
2.如权利要求1所述的一种LED散热基板材料,其特征在于,所述氮化铝粉末由以下重量份的原料制成:无三氯化铝6-8份、异丙醚10-13份、二氯甲烷29-31份、四氟乙烯10-15份、黑10-12份及无水乙醇2-3份。
3.如权利要求2所述的一种LED散热基板材料,其特征在于,所述氮化铝粉末的制备方法如下:(A)取无水三氯化铝6-8份、异丙醚10-13份、二氯甲烷29-31份混合搅拌15-20分钟得到混合溶液;(B)将所述混合溶液倒入有四氟乙烯10-15份的容器中,密封后置于100°烤箱中反应20小时后自然冷却,获得化铝凝胶;(C)将所述氧化铝凝胶与碳黑10-12份混合,加无水乙醇2-3份球磨成细粉,置于石墨坩埚中备用;(D)将所述石墨坩埚放在1600 0C—
1750 0C、氮气气氛保护下让细粉充分反应,保温5-8小时后在低于7500C空气中保温1-4小时,脱除残余碳并最终得到灰白色的氮化铝粉末。
4.根据权利要求1所述的一种LED散热基板材料,其特征在于,所述烧结助剂由以下重量份的原料制成:氧化3-5份、二氧化3-5份、三氧化二钇1-2份、氧化镧1-2份、氧化铈2-
3份、氧化锂1-2份。
5.根据权利要求4所述的一种LED散热基板材料,其特征在于,所述烧结助剂的制备方法如下:将氧化钙3-5份、二氧化硅3-5份、三氧化二钇1-2份、氧化镧1-2份、氧化铈2-3份、氧化锂1-2份溶于20份纯净水中配制成溶液,充分混合搅拌后浓缩干燥,研磨成粉。
6.一种如权利要求1 5所述的LED散热基板材料的制备方法,其特征在于,制备方法如~
下:(1)将氮化铝粉末压紧、填充在烧结模具中并将烧结模具放入热压设备中,然后加入烧结助剂,使氮化铝粉末烧结成氮化铝粉坯;(2)将所述氮化铝粉坯放入压浸渗炉中,在机械加压条件下,所述铝熔融金属液作为密封介质,通过保持机械加压使所述铝熔融金属液强行渗入所述氮化铝粉坯的气孔和缝隙中,最终凝固、冷却形成铝基氮化铝复合材料;(3)对所述铝基氮化铝复合材料进行热处理,最终得到铝基氮化铝散热基板材料。
7.如权利要求6所述的一种LED散热基板材料的制备方法,其特征在于,所述热处理包括中温固溶处理和低温完全人工时效处理。

说明书全文

一种LED散热基板材料及制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及灯具散热基板材料领域,具体涉及一种LED散热基板材料及制备方法。

背景技术

[0002] 21世纪以来,LED在照明领域的发展如日中天,但据研究报告显示,现今市面上生产、生活常用的大功率LED,它们的电光转换效率约为20%-30%,剩余的70%-80%的电能无法转化成光能,就会转化为无法通过热辐射方式释放的热能。这些多余热量会使LED内半导体晶格震动加剧、禁带宽度减小、出光效率下降,直接影响LED器件的使用寿命。现有的LED散热基板主要是由等金属材料制成,虽然此类纯金属散热基板的导热性比较好,但是热膨胀性也相对较高,在实际使用过程中容易产生热应,导致散热基板变形翘曲,不能持续稳定地散热,导致LED在使用过程中散热不佳,影响LED的使用质量
[0003] 因此,现有技术有待改进和发展。

发明内容

[0004] 鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种LED散热基板材料及制备方法,使制得的散热基板可稳定持续地散热,防止LED在使用过程中散热不佳,保证LED的使用质量。
[0005] 本发明的技术方案如下:一种LED散热基板材料,由以下重量份的原料制成:铝熔融金属液30-40份、氮化铝粉末
10-15份及烧结助剂4-5份。
[0006] 所述的一种LED散热基板材料,其中,氮化铝粉末由以下重量份的原料制成:无三氯化铝6-8份、异丙醚10-13份、二氯甲烷29-31份、四氟乙烯10-15份、黑10-12份及无水乙醇2-3份。
[0007] 所述的一种LED散热基板材料,其中,氮化铝粉末的制备方法如下:(A)取无水三氯化铝6-8份、异丙醚10-13份、二氯甲烷29-31份混合搅拌15-20分钟得到混合溶液;(B)将混合溶液倒入有四氟乙烯10-15份的容器中,密封后置于100°烤箱中反应20小时后自然冷却,获得化铝凝胶;(C)将氧化铝凝胶与碳黑10-12份混合,加无水乙醇2-3份球磨成细粉,置于石墨坩埚中备用;(D)将石墨坩埚放在1600 0C—1750 0C、氮气气氛保护下让细粉充分反应,保温5-8小时后在低于7500C空气中保温1-4小时,脱除残余碳并最终得到灰白色的氮化铝粉末。
[0008] 所述的一种LED散热基板材料,其中,烧结助剂由以下重量份的原料制成:氧化3-5份、二氧化3-5份、三氧化二钇1-2份、氧化镧1-2份、氧化铈2-3份、氧化锂1-2份。
[0009] 所述的一种LED散热基板材料,其中,烧结助剂的制备方法如下:将氧化钙3-5份、二氧化硅3-5份、三氧化二钇1-2份、氧化镧1-2份、氧化铈2-3份、氧化锂1-2份溶于20份纯净水中配制成溶液,充分混合搅拌后浓缩干燥,研磨成粉备用。
[0010] 一种LED散热基板材料的制备方法,其中,制备方法如下:(1)将氮化铝粉末压紧、填充在烧结模具中并将烧结模具放入热压设备中,然后加入烧结助剂,使氮化铝粉末烧结成氮化铝粉坯;(2)将氮化铝粉坯放入压力浸渗炉中,在机械加压条件下,铝熔融金属液作为密封介质,通过保持机械加压使铝熔融金属液强行渗入氮化铝粉坯的气孔和缝隙中,最终凝固、冷却形成铝基氮化铝复合材料;(3)对铝基氮化铝复合材料进行热处理,最终得到铝基氮化铝散热基板材料。
[0011] 所述的一种LED散热基板材料的制备方法,其中,热处理包括中温固溶处理和低温完全人工时效处理。
[0012] 本发明的有益效果是:本发明通过提供一种LED散热基板材料及其制备方法,制备出铝基氮化铝散热基板材料,使用此材料制得的散热基板成品导热性高、热膨胀系数低,能持续稳定地发挥较好的散热效果,保证LED的使用性能,延长LED的使用寿命。
[0013] 附图说明:图1为纯铝和实施例1 3的铝基氮化铝散热基板材料关于热导率和热膨胀系数的测试~
数据表。

具体实施方式

[0014] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确,以下举实施例对本发明进一步详细说明。
[0015] 作为大功率LED基板材料,不仅要有较高的导热性,还要有与芯片相近的较低的热膨胀系数。生产中常用的散热基板材料有硅、陶瓷、金属(如铝、铜)等。其中硅和陶瓷材料加工困难、生产成本高;金属材料的热膨胀系数与LED晶粒不匹配,使用过程中易产生热应力和翘曲。为了尽可能保留某些材料的优势和减少某些材料的缺陷发明人构想出一种复合材料,提出一种LED散热基板材料,主要由以下重量份的原料制成:铝熔融金属液30-40份、氮化铝粉末10-15份及烧结助剂4-5份。上述的LED散热基板材料,其制备方法如下:(1)将氮化铝粉末压紧、填充在烧结模具中并将烧结模具放入热压设备中,然后加入烧结助剂,使氮化铝粉末烧结成氮化铝粉坯;(2)将氮化铝粉坯放入压力浸渗炉中,在机械加压条件下,铝熔融金属液作为密封介质,通过保持机械加压使铝熔融金属液强行渗入氮化铝粉坯的气孔和缝隙中,最终凝固、冷却形成铝基氮化铝复合材料;(3)对铝基氮化铝复合材料进行热处理,最终得到铝基氮化铝散热基板材料。使用上述制备方法制得的铝基氮化铝散热基板材料导热率高、膨胀系数低,能持续稳定地发挥更好的散热效果。
[0016] 铝基氮化铝散热基板材料作为一种复合材料,其主要组成部分包括基体和增强体。其中,基体对复合材料的机械性能起着决定性作用,要求作为基体的材料具有良好的导热性和符合要求的低热膨胀性。因此,基体材料通常选择铝、镁、铜等纯金属。在研制过程中,发明人选择综合性能优异、低密度、低成本的铝作为基体,将铝加工成熔融铝金属液待用。增强体主要影响复合材料的热膨胀系数和导热性这两个重要的热物理性能,在研制过程中,发明人选择氮化铝作为增强体。
[0017] 其中,氮化铝粉末由以下重量份的原料制成:无水三氯化铝6-8份、异丙醚10-13份、二氯甲烷29-31份、四氟乙烯10-15份、碳黑10-12份及无水乙醇2-3份,其制备方法如下:(A)取无水三氯化铝6-8份、异丙醚10-13份、二氯甲烷29-31份混合搅拌15-20分钟得到混合溶液;(B)将混合溶液倒入有四氟乙烯10-15份的容器中,密封后置于100°烤箱中反应20小时后自然冷却,获得氧化铝凝胶;(C)将氧化铝凝胶与碳黑10-12份混合,加无水乙醇2-3份球磨成细粉,置于石墨坩埚中备用;(D)将石墨坩埚放在1600 0C—1750 0C、氮气气氛保护下让细粉充分反应,保温5-8小时后在低于7500C空气中保温1-4小时,脱除残余碳并最终得到灰白色的氮化铝粉末。
[0018] 为了制得质量更好的铝基氮化铝散热基板材料,在制备过程中,可以加入烧结助剂。一方面,加入烧结助剂有助于降低烧结温度,更容易实现液相烧结,有利于提高氮化铝粉坯的致密度;另一方面,烧结助剂能与氧气反应,帮助减少铝基氮化铝复合材料内部的含氧杂质,从而提高导热性。烧结助剂由以下重量份的原料制成:氧化钙3-5份、二氧化硅3-5份、三氧化二钇1-2份、氧化镧1-2份、氧化铈2-3份、氧化锂1-2份,其制备方法如下:将氧化钙3-5份、二氧化硅3-5份、三氧化二钇1-2份、氧化镧1-2份、氧化铈2-3份、氧化锂1-2份溶于20份纯净水中配制成溶液,充分混合搅拌后浓缩干燥,研磨成粉备用。
[0019] 为了使铝基氮化铝复合材料的综合性能进一步提高,变成能够用于制备散热基板的铝基氮化铝散热基板材料,还需要进行一定的热处理。其中,热处理包括中温固溶处理和低温完全人工时效处理。
[0020] 实施例1本实施例制备了一种铝基氮化铝散热基板材料,并实验测定其导热性能和热膨胀性能,其制备方法如下:
(a1)取无水三氯化铝6份、异丙醚10份、二氯甲烷29份混合搅拌15分钟;将混合溶液倒入有四氟乙烯10份的容器中,密封后置于100°烤箱中反应20小时后自然冷却,获得氧化铝凝胶;将氧化铝凝胶与碳黑10份混合,加无水乙醇2份球磨成细粉,置于石墨坩埚中;将石墨坩埚放在1600 0C—1750 0C、氮气气氛保护下让细粉充分反应,保温5-8小时后在低于7500C空气中保温1-4小时,脱除残余碳并最终得到灰白色的氮化铝粉末10份备用;
 (b1)取氧化钙3份、二氧化硅3份、三氧化二钇1份、氧化镧1份、氧化铈2份、氧化锂1份,溶于20份纯净水中配制成溶液,充分混合搅拌后浓缩干燥,研磨成粉,得到4份烧结助剂备用;
(c1)将10份氮化铝粉末压紧、填充在烧结模具中并将烧结模具放入加热温度为600℃并持续施加单轴压力的热压设备中,然后加入4份烧结助剂,使氮化铝粉末烧结成氮化铝粉坯;将氮化铝粉坯放入压力浸渗炉中,在机械加压条件下,30份铝熔融金属液作为密封介质,通过保持机械加压使铝熔融金属液强行渗入氮化铝粉坯的气孔和缝隙中,最终凝固、冷却形成铝基氮化铝复合材料;
(d1)对铝基氮化铝复合材料进行热处理:第一步进行固溶处理,即将铝基氮化铝复合材料加热到495℃,即满足高温单相区的温度,然后恒温保持1小时,这一步的效果是使过剩相能够在此条件下充分溶解到固溶体中,然后将铝基氮化铝复合材料置于水中冷却,得到内部组织为过饱和固溶体的铝基氮化铝复合材料;第二布进行完全人工时效,即对铝基氮化铝复合材料采用160℃的时效温度,并且保温8小时,最终得到铝基氮化铝散热基板材料。
[0021] 以下对本实施例制得的铝基氮化铝散热基板材料进行导热性和热膨胀性能进行测试:导热性是指材料传导热量的能力,一般用热导率衡量,热导率是指在材料内部,当温度垂直于导热方向向下梯度为1℃/m时,单位时间(1秒)内通过单位水平横截面积(1平方米)所传递的热量,单位一般是W/(m·K)。实验中,使用激光导热仪来测试尺寸为ø8×10mm的铝基氮化铝散热基板材料样品,得到的数据为128.9(W/mk),如图1所示。
[0022] 热膨胀性描述的是固体金属材料在温度每升高1K时,材料长度或体积发生形变后与之前对比的相对变化量。实验中,使用热膨胀测试仪测定尺寸为ø8×10mm的铝基氮化铝散热基板材料样品,得到的数据为0.631×10^-5 0.874×10^-5 (1/℃),如图1所示。~
[0023] 实施例2本实施例制备了一种铝基氮化铝散热基板材料,并实验测定其导热性能和热膨胀性能,其制备方法如下:
(a2)取无水三氯化铝8份、异丙醚13份、二氯甲烷31份混合搅拌15分钟;将混合溶液倒入有四氟乙烯15份的容器中,密封后置于100°烤箱中反应20小时后自然冷却,获得氧化铝凝胶;将氧化铝凝胶与碳黑12份混合,加无水乙醇3份球磨成细粉,置于石墨坩埚中;将石墨
0 0 0
坩埚放在1600  C—1750  C、氮气气氛保护下让细粉充分反应,保温5-8小时后在低于750 C空气中保温1-4小时,脱除残余碳并最终得到灰白色的氮化铝粉末15份备用;
 (b2)取氧化钙5份、二氧化硅5份、三氧化二钇2份、氧化镧2份、氧化铈3份、氧化锂2份,溶于25份纯净水中配制成溶液,充分混合搅拌后浓缩干燥,研磨成粉,得到5份烧结助剂备用;
(c2)将15份氮化铝粉末压紧、填充在烧结模具中并将烧结模具放入加热温度为600℃并持续施加单轴压力的热压设备中,然后加入5份烧结助剂,使氮化铝粉末烧结成氮化铝粉坯;将氮化铝粉坯放入压力浸渗炉中,在机械加压条件下,40份铝熔融金属液作为密封介质,通过保持机械加压使铝熔融金属液强行渗入氮化铝粉坯的气孔和缝隙中,最终凝固、冷却形成铝基氮化铝复合材料;
(d2)对铝基氮化铝复合材料进行热处理:第一步进行固溶处理,即将铝基氮化铝复合材料加热到495℃,即满足高温单相区的温度,然后恒温保持1小时,这一步的效果是使过剩相能够在此条件下充分溶解到固溶体中,然后将铝基氮化铝复合材料置于水中冷却,得到内部组织为过饱和固溶体的铝基氮化铝复合材料;第二布进行完全人工时效,即对铝基氮化铝复合材料采用160℃的时效温度,并且保温8小时,最终得到铝基氮化铝散热基板材料。
[0024] 以下对本实施例制得的铝基氮化铝散热基板材料进行导热性和热膨胀性能进行测试:实验中,使用激光导热仪来测试尺寸为ø8×10mm的铝基氮化铝散热基板材料样品,得到的数据为144.8(W/mk),如图1所示。
[0025] 实验中,使用热膨胀测试仪测定尺寸为ø8×10mm的铝基氮化铝散热基板材料样品,得到的数据为0.745×10^-5 0.925×10^-5 (1/℃),如图1所示。~
[0026] 实施例3:本实施例制备了一种铝基氮化铝散热基板材料,并实验测定其导热性能和热膨胀性能,其制备方法如下:
 (a3)取无水三氯化铝7份、异丙醚12份、二氯甲烷30份混合搅拌15分钟;将混合溶液倒入有四氟乙烯13份的容器中,密封后置于100°烤箱中反应20小时后自然冷却,获得氧化铝凝胶;将氧化铝凝胶与碳黑12份混合,加无水乙醇2份球磨成细粉,置于石墨坩埚中;将石墨坩埚放在1600 0C—1750 0C、氮气气氛保护下让细粉充分反应,保温5-8小时后在低于7500C空气中保温1-4小时,脱除残余碳并最终得到灰白色的氮化铝粉末12份备用;
 (b3)取氧化钙4份、二氧化硅4份、三氧化二钇1份、氧化镧1份、氧化铈2份、氧化锂1份,溶于20份纯净水中配制成溶液,充分混合搅拌后浓缩干燥,研磨成粉,得到4份烧结助剂备用;
(c3)将12份氮化铝粉末压紧、填充在烧结模具中并将烧结模具放入加热温度为600℃并持续施加单轴压力的热压设备中,然后加入4份烧结助剂,使氮化铝粉末烧结成氮化铝粉坯;将氮化铝粉坯放入压力浸渗炉中,在机械加压条件下,35份铝熔融金属液作为密封介质,通过保持机械加压使铝熔融金属液强行渗入氮化铝粉坯的气孔和缝隙中,最终凝固、冷却形成铝基氮化铝复合材料;
(d3)对铝基氮化铝复合材料进行热处理:第一步进行固溶处理,即将铝基氮化铝复合材料加热到495℃,即满足高温单相区的温度,然后恒温保持1小时,这一步的效果是使过剩相能够在此条件下充分溶解到固溶体中,然后将铝基氮化铝复合材料置于水中冷却,得到内部组织为过饱和固溶体的铝基氮化铝复合材料;第二布进行完全人工时效,即对铝基氮化铝复合材料采用160℃的时效温度,并且保温8小时,最终得到铝基氮化铝散热基板材料。
[0027] 以下对本实施例制得的铝基氮化铝散热基板材料进行导热性和热膨胀性能进行测试:实验中,使用激光导热仪来测试尺寸为ø8×10mm的铝基氮化铝散热基板材料样品,得到的数据为165.1(W/mk),如图1所示。
[0028] 实验中,使用热膨胀测试仪测定尺寸为ø8×10mm的铝基氮化铝散热基板材料样品,得到的数据为0.631×10^-5 0.874×10^-5 (1/℃),如图1所示。~
[0029] 为方便与纯铝材料的性能作比较,实验中,使用激光导热仪来测试尺寸为ø8×10mm的纯铝材料样品,得到的数据为217.7(W/mk),如图1所示。实验中,使用热膨胀测试仪测定尺寸为ø8×10mm的纯铝材料样品,得到的数据为1.881×10^-5 2.360×10^-5(1/℃),~
如图1所示。
[0030] 通过对比和分析图1中的实验数据,可以发现铝基氮化铝散热基板材料热导率比纯铝稍低,即导热性能比纯铝稍低,但在实际使用中已经足够满足散热要求;其热膨胀系数比纯铝低很多,尤其实施例3制得的铝基氮化铝散热基板材料的热膨胀系数大约只有纯铝的三分之一,即在同样的温度变化条件下,铝基氮化铝散热基板材料的热膨胀量远远比纯铝小,在实际使用中不易变形,有利于持续稳定地散热。
[0031] 应当理解的是,以上对本发明进行了详细的介绍,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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