大功率LED用Al2O3陶瓷封装基板的金属化和致密化研究

摘要

本文利用无玻璃体系的铜系厚膜电子浆料,采用厚膜工艺,通过烧结、还原过程实现 Al2O3陶瓷封装基板的金属化,着重探讨了碳还原过程对金属化的影响。为了提高 Al2O3陶瓷封装基板的性能,尝试采用化学镀和高温热处理的方式对还原后的 Al2O3陶瓷封装基板进行致密化处理,主要探究了添加不同络合剂的化学镀、高温热处理温度以及保温时间对Al2O3陶瓷封装基板的性能影响。采用SEM对金属化后和致密化后的Al2O3陶瓷封装基板的表面形貌进行观察,估算其表面孔隙率,并测试和分析它们的电学和力学性能。最后,在致密化后的性能最优的 Al2O3陶瓷封装基板的基础上,构建一种封装基板与散热翅片钎焊连接的新型LED封装结构,通过计算机热仿真和实验对比分析了该新型封装结构与普通封装结构的散热性能。研究结果表明:1)碳还原工艺的最佳反应温度为950℃,此时Al2O3陶瓷封装基板的孔隙率为16.2％,表面方阻为3mΩ,结合强度为230 N/cm2。2)与添加单一络合剂的化学镀相比,添加复合络合剂的化学镀具有更好的致密化效果,最佳复合络合剂是草酸钠和酒石酸钾钠,此时Al2O3陶瓷封装基板孔隙率为8.78%,表面方阻降低0.8 mΩ,结合强度为310 N/cm2。3)高温热处理时,950℃、保温时间15min时Al2O3陶瓷封装基板性能较佳,其孔隙率约为17.6%,表面方阻降低0.22 mΩ,结合强度达到290 N/cm2。4)在恒温热载荷和不同功率热载荷的热仿真模拟中,与普通封装结构相比,钎焊连接的新型封装结构具有更好的散热性能。随着热载荷功率的增加,新型封装结构的散热性能更突出,更适合应用于大功率LED封装中。5)在热试验分析中,钎焊连接的新型封装结构的温差测试结果为3℃,而普通封装结构的温差测试结果为4.5℃,无论在升温状态还是在稳定状态,新型封装结构都有较高的热传导能力。

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图表清单

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 LED发光机理及LED热特性

1.3 LED封装结构和封装基板材料

1.4 Al2O3陶瓷基板金属化和致密化

1.5 本课题的提出和研究内容

第二章Al2O3陶瓷封装基板的制备和测试方法

2.1 实验原料与实验仪器设备

2.2 Al2O3陶瓷封装基板的制备

2.3 Al2O3陶瓷封装基板的性能测试分析

第三章 Al2O3陶瓷封装基板的金属化

3.1 Al2O3陶瓷封装基板的金属化层形成机理

3.2 Al2O3陶瓷封装基板的金属化工艺

3.3 还原对Al2O3陶瓷封装基板的性能影响

3.4 本章小结

第四章 Al2O3陶瓷封装基板的致密化

4.1 Al2O3陶瓷封装基板的致密化机理

4.2 Al2O3陶瓷封装基板金属化层致密化工艺

4.3 Al2O3陶瓷封装基板金属化层致密化的微观形貌

4.4 Al2O3陶瓷封装基板致密化后的电学性能

4.5 Al2O3陶瓷封装基板致密化后的力学性能

4.6 本章小结

第五章 基于Al2O3陶瓷封装基板的大功率LED新型封装结构

5.1 大功率LED新型封装结构模型构建

5.2 大功率LED新型封装结构热仿真分析

5.3 大功率LED新型封装结构的实现

5.4 大功率LED新型封装结构的散热性能分析

5.5 本章小结

第六章 全文总结和课题展望

6.1 全文总结

6.2 课题展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文