[发明专利]多质点陶瓷/金属复合材料散热基板及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型散热基板设计及制备技术，具体地说是一种多质点陶瓷/金属复合材料散热基板及其制备方法。

背景技术

散热基板广泛应用于电子、电力领域。以正在快速发展的半导体照明（LED）技术为例，LED灯具必须具有优异的散热能力，才能保证LED芯片长期保持其应有的发光效率，其节能效益材料得到最终保障。倒装型封装LED灯具的典型的散热过程如图1所示，1为LED芯片，2为倒装焊层，3为SiC或其它衬底片，4为固晶胶，5为散热基板，6为金丝引线，7为导热胶，8为铝散热器。从图中可以看出LED芯片工作时产生的热量经由芯片衬底传递到散热基板，再通过散热基板传递到散热器（或称热沉），最终通过散热器与空气的热交换将LED产生的热耗散到空气中。在此过程中，散热基板起到了承上启下的作用。理论上，该基板不仅要具有优异的导热性能，其膨胀系数还必须分别与芯片衬底和铝灯具（热沉）的膨胀系数匹配，方可使传热通路长期保持畅通，保障芯片正常工作。

然而，目前LED灯具使用的散热基板基本上都是铝基板，其热膨胀系数约为23′10^-6，远高于芯片衬底的热膨胀系数（一般芯片的热膨胀系数低于8′10^-6）。无论是采用固晶胶，还是采用金属钎焊方式连接芯片与基板，芯片衬底与铝基板之间存在的显著热膨胀系数差异，都会使芯片衬底与铝基板间的连接层承受较大的热应力。当该热应力超过连接层材料的破坏强度时，直接导致芯片衬底与铝基板分离。当热应力小于但接近连接层材料的破坏强度时，伴随LED灯具反复开、闭，连接层也会由于热疲劳发生破坏，最终导致芯片衬底与铝基板分离。芯片衬底与铝基板分离直接破坏传热通路，造成热量无法有效传递，使LED芯片超出其正常工作温度范围，造成LED发光率低、生命周期短、稳定性差等问题。换言之，铝散热基板与芯片衬底之间存在的热膨胀系数显著差异是现有LED灯使用寿命显著低于LED芯片正常工作寿命的一个主要原因。

为了克服铝散热基板与芯片衬底热膨胀系数差过大带来的上述问题，国际上相继发展了金属基复合材料基板和陶瓷基板，使LED散热基板形成了包括金属基板、金属基复合材料基板和陶瓷基板在内的三种基本材料体系。但鉴于以下分析，这些散热基板优缺点都和突出，均不符合理想散热基板的要求。

金属基板以铝或铜材为主，尽管存在因热膨胀系数差过大造成传热通路断路的问题，但因材料相对廉价、生产技术成熟、成本低等优点，仍在中低档LED产品中得到广泛使用。

陶瓷基板具有耐高温、电绝缘性能高、介电常数和介质损耗低、热导率大、化学稳定性好、与功率元件衬底的热膨胀系数相近、线路对位精确度高等主要优点，被业界公认为导热与散热性能较佳材料，成为目前高功率LED散热所采用的方案。目前，实际生产和开发应用的陶瓷基板材料有Al₂O₃、AlN、SiC、BeO、BN、莫来石和玻璃陶瓷等。其中，BeO和SiC热导率很高，但BeO因具有毒性，应用范围小，故产量低；SiC因体积电阻较小、介电常数较大、介电损耗较高，不利于信号的传输，且成型工艺复杂、设备昂贵，故应用范围也很小；AlN陶瓷基板是新一代高性能陶瓷基片，具有很高的热导率（商品化的AlN基板热导率大于140W/m·k）、较低的介电常数和介电损耗、以及和硅相匹配的热膨胀系数（4.4×10^-6/K）等优点，但由于成本居高不下，一直没能大规模应用；Al₂O₃陶瓷基片虽然热导率不高（20W/m·K），但因其生产工艺相对简单、价格便宜，成为目前最广泛应用的陶瓷基板。

与金属基板相比，尽管陶瓷基板具有突出的优点，但其应用量远远小于金属基板，造成这一局面的原因，除了陶瓷基板存在上述的个性问题外，与陶瓷基板存在的以下共性问题有着更为密切的关系：第一，材质较脆，制成的基板面积较小，制造成本高；第二，陶瓷基板膨胀系数与金属散热器的热膨胀系数差异过大，受热时两者易产生变形失配，导致散热基板与散热器脱离，传热通路遭到破坏。