大功率LED封装用铝基PCB导热基板研究
　　前言随着LED在道路照明、家用照明、汽车大灯照明等领域的广泛使用，大功率LED的散热成为越来越重要的问题，封装基板是LED散热中最重要的部分之一。理化特性稳定、绝缘及散热良好的散热基板将会大大改善LED的散热问题，提高大功率LED的稳定性和寿命。
　　
　　微弧氧化(MAO?Micro arcOx i d a t i o n )又称微等离子体氧化(MPO?Micro Plasma Oxidation)或阳极火花沉积(ASD?Anodic SparkDeposition) ，该技术在导电溶液中利用微等离子体放电，能直接在铝、钛、镁轻金属表面通过复杂的电化学、等离子体化学和热化学过程原位生长氧化物陶瓷膜层。微弧氧化技术是在阳极氧化基础上发展起来的，但与传统的阳极氧化法相比，微弧氧化技术工艺简单、效率高、无污染、处理工件能力强。利用微弧氧化技术生成的氧化陶瓷膜具有很好的物理化学性能，如结合力强、硬度高，耐磨性、耐蚀性、抗热震性高，膜层电绝缘性好，击穿电压高等，具有很大的实用价值，是一项很有前途的材料表面处理新技术，具有广阔的应用前景。
　　
　　在LED领域，采用此技术制作散热基板却鲜有报道。国外公司有美国UOE公司制作的Norlux系列功率LED封装基板，美国TT公司(TT 前言随着LED在道路照明、家用照明、汽车大灯照明等领域的广泛使用，大功率LED的散热成为越来越重要的问题，封装基板是LED散热中最重要的部分之一。理化特性稳定、绝缘及散热良好的散热基板将会大大改善LED的散热问题，提高大功率LED的稳定性和寿命。
　　
　　微弧氧化(MAO?Micro arcOx i d a t i o n )又称微等离子体氧化(MPO?Micro Plasma Oxidation)或阳极火花沉积(ASD?Anodic SparkDeposition) ，该技术在导电溶液中利用微等离子体放电，能直接在铝、钛、镁轻金属表面通过复杂的电化学、等离子体化学和热化学过程原位生长氧化物陶瓷膜层。微弧氧化技术是在阳极氧化基础上发展起来的，但与传统的阳极氧化法相比，微弧氧化技术工艺简单、效率高、无污染、处理工件能力强。利用微弧氧化技术生成的氧化陶瓷膜具有很好的物理化学性能，如结合力强、硬度高，耐磨性、耐蚀性、抗热震性高，膜层电绝缘性好，击穿电压高等，具有很大的实用价值，是一项很有前途的材料表面处理新技术，具有广阔的应用前景。
　　
　　在LED领域，采用此技术制作散热基板却鲜有报道。国外公司有美国UOE公司制作的Norlux系列功率LED封装基板，美国TT公司(TT electronics)的Anotherm导热基板，Lamina公司采用金属上低温共烧陶瓷(LTCC-M)技术制作的多层互连的三维电路基板等，这些基板均存在制作成本较高等问题。国内外公司制作的铝基覆铜PCB基板，此基板由铝板、掺陶瓷颗粒改性环氧树脂或环氧玻璃布粘结片、铜箔三者经热压而成，优点是结构简单、易于后期加工、机械强度高、耗能较低。但是设备工艺复杂、散热性能一般，特别是高低温下介质层热导率不稳定、抗剥离强度下降，此外，随着掺杂量的增加，在获得较高导热特性 的同时，其耐压、剥离等性能会大幅下降。
　　
　　本文采用微弧氧化技术制作大功率LED铝基陶瓷散热基板。在铝的表面生长一层20～40um厚的氧化铝薄膜，通过溅射或丝网印刷工艺制作电路层。该板能够抵抗500V以上的静电击穿电压，可以简化LED的封装结构和工艺，成本较低，散热效率较高，稳定性好。
　　
　　散热基板的制作实验材料及设备本实验采用60×60×1mm3的铝合金做为铝基底。Na2SiO3和KOH混合电解液作为溶液。
　　
　　采用双脉冲微弧氧化电源设备、电解槽、电解液冷却循环系统及气体搅拌装置等。其中电源设备的正负向脉冲电压、个数及脉宽均可调。
　　
　　实验方法将铝合金进行表面清洁处理，然后将其中一面密封，此面不进行氧化膜的生长。
　　
　　基底前期准备完毕后，即开始进行氧化铝陶瓷膜的生长。膜层的生长的主要工艺流程如下图1所示：
　　
　　图1 微弧氧化工艺流程作为大功率LED封装用导热基板，膜层在保证绝缘击穿电压的前提下，生长的氧化铝陶瓷膜的厚度越薄越好，这样有利于减少陶瓷膜层的热阻，提高导热基板的散热效率。
　　
　　实验结果及分析膜层的表面形貌微弧氧化膜一般有三层组成，由内向外可以分为过渡层、致密层和疏松层。致密层与基体金属间存在着一个过渡带。在过渡带中，基体金属与氧化膜已烧结成为一个整体。同时，致密层又与过渡带犬牙交错，紧密结合，更使得整个氧化膜与基体结合牢固，致密层的晶粒较细小，硬度和绝缘电阻均很大。疏松层晶粒较粗大，并且在疏松层内存在许多小孔洞，孔洞周围又有许多裂缝向内扩展，直到致密层。
　　
　　图2 铝基陶瓷PCB板表面形貌用肉眼观察试验中生长的铝基导热基板样品，陶瓷膜层的手感细腻程均匀性都比较好，表面呈现乳白色，如图2所示。其中表面疏松层由一层很硬但孔隙率较大的物质组成，与基体结合不牢，易被打磨掉。将表面疏松层磨抛掉之后，导热基板的硬度、光滑度及均匀性都有很大提高。
　　
　　使用SEM扫描电子显微镜对铝基陶瓷基板的微观形貌进行观察分析，如图3(Ⅰ、Ⅱ)所示，是样品在放大倍数500倍，10KV下的显微照片。
　　
　　从图中可以看出，膜层表面有许多不规则圆形的火山状突起，这是由微弧氧化过程中熔融态氧化物喷涌出在表面冷却形成。在每一个小突起上有大小不一的孔洞，此孔洞是喷涌时的通道，就如火山口一样，各个通道相互重叠咬合构成表面的疏松多孔结构。
　　
　　图3铝基陶瓷基板SEM显微照片铝基陶瓷基板厚度及耐压测试使用“CMI200牛津测厚仪”对其中一片样品基板进行厚度测试，对样品选取13个参考点，参考点位置及实际厚度如图4所示：
　　
　　图4 参考点位置及实际厚度(um)如上图所示的厚度测试方法，样品的平均厚度为33.95um。如图中所示，陶瓷膜的厚度在周边较厚，中间相对较薄，这与电极和铝基板的连接点位置有关。微弧氧化过程是一种表面放电成膜过程，放电现象总是发生在基板表面较易被击穿的区域，即击穿电压小的区域成膜要容易的多。在本文中，基板与电极的连接点在基板的对角两处。因此，微弧氧化开始的过程中总是连接有电极的两角及边缘处开始放电。随着基板边缘的成膜过程，基板表面覆盖有氧化铝薄膜，于是击穿电压开始增大，这是铝基板中部未生长陶瓷膜的区域开始放电，直到整个铝基板表面击穿电压平衡之后，整个铝基板开始放电生长均匀陶瓷膜，如图5(Ⅰ、Ⅱ)所示。
　　
　　由于上述原因，铝基板上陶瓷膜的厚度呈现出边缘厚，中间薄的现象。在对铝基板用砂纸将表面的疏松层打磨掉之后，铝基板上陶瓷膜的厚度一致性将大大提高。
　　
　　图5 铝基板放电击穿过程使用半导体管特性图示仪对铝基陶瓷基板进行耐压测试，调节最大击穿电压500V，检测电流1mA，仪器显示铝基陶瓷基板的V－A特性曲线斜率始终为零，证明基板的耐击穿电压在500V以上。
　　
　　陶瓷膜相分析使用X射线衍射仪(XRD)用来分析其中某一样品(20±5um)厚度的成分和晶相组成，其X-Ray衍射图谱如图6所示：
　　
　　图7为文献中50±5um的陶瓷膜的X-Ray衍射图谱。
　　
　　图6 20±5um厚陶瓷晶膜相结构图7 50±5um厚陶瓷膜膜晶相结构
　　
　　从图中可以看出，图6中由于陶瓷膜层薄，因此X-Ray衍射图谱中，仪器探测到的铝的含量相对较高。在图6中γ-Al2O3的最高峰能达到Al的六分之一。在图7中，由于膜的厚度较高，因此探测到铝的含量相对较低，γ-Al2O3的最高峰明显超过铝的最高峰。除去铝的含量，在图6和图7中，膜中γ-Al2O3含量占绝大多数。多次进行其它不同膜厚的X-ray晶相含量分析都说明α-Al2O3晶相含量随着膜厚的增加而增加。其原因为：等离子体火花放电微熔区在淬冷过程中温度急速下降，其高温转变相形成α-Al2O3，低温转变相形成γ-Al2O3。随着微弧氧化膜厚度的增加，氧化过程中的热量积累越来越多，以致越来越多的高温转变相α-Al2O3在氧化铝区域的中间部位形成。对这一过程的相关的报道很多。所以，随着膜生长厚度增大，α-Al2O3晶相所占比重逐渐增加。
　　
　　陶瓷膜热导率测试按照文献5中的方法，对所制作的铝基陶瓷基板进行热导率测试。测量方法及装置示意图如图8所示：
　　
　　图8 测量仪器装置及示意图根据文献及上图所示，制作了两个直径3cm，高3cm的柱体试样，并在其上微弧氧化制作100um厚的陶瓷膜，两个柱体用导热膏粘贴，等间距(10mm)插入热敏电阻。一端用恒定功率的电热片加热，另一端用半导体制冷器和风扇组合进行制冷，待温度恒定时分别记下热敏电阻阻值，如表1所示。
　　
　　表1 100um厚陶瓷膜的测量数据测温点
　　
　　根据在稳态条件下的热传导公式可得：
　　
　　(式中导热面积 )根据公式(1)可得：
　　
　　λAl2O3=2.1W/K.m(计算时忽略导热膏的影响，取λAl=160 W/K.m)。
　　
　　结论本文通过对基于微弧氧化的铝基PCB陶瓷基板的制作方法介绍及对膜层的厚度、热导率、相组成、形貌等特性的分析，表明此种方法制作的铝基PCB导热基板具有优良的散热及封装效率。总结来说，铝基PCB导热基板具有如下优点：
　　
　　(1)。由于是在铝基板上原位生长氧化铝陶瓷薄膜，因此基板可以在很高及全温度范围内可靠性的工作。
　　
　　(2)。制作成本低，微弧氧化技术在机械加工领域已经比较成熟。
　　
　　(3)。微弧氧化几乎适用与任何复杂形状的铝制品，这便于加工和进行多样结构的封装。
　　
　　( 4 ) . 陶 瓷 层 热 导 率λAl2O3=2.1W/K.m高，远超过导热胶的热导率，并且导热基板介质层线膨胀系数与铝基体差异较小，抗剥离强度高(大于5N/mm)。
　　
　　(5)。可以直接把LED芯片等组件安装在铝基PCB导热基板上，非常适合大功率LED的封装要求。
　　
　　参考文献蒋百灵，张先锋，朱静， 铝、镁合金微弧氧化技术研究现状和产业化前景. 金属热处理， 2004, 29 (1) :
　　
　　23-29高敏， 新型铝基PCB导热基板及其在功率型LED封装中的应用研究， 2008,6-7李华平， 大功率LED的封装及其散热基板的研究，2007,68-69 吴汉华，于凤荣，李俊杰等， 铝合金微弧氧化陶瓷膜形成过程中的特性研究， 无机材料学报， 2004,19(3)：617-622辛铁柱，赵万生等， 铝合金表面微弧氧化陶瓷膜的摩擦学性能及微观结构研究。 航天制造技术。 2005,8(4)作者：深圳大学光电子学研究所封装实验室王少华 柴广跃 黄长统 金柯 刘沛 雷云飞 徐光辉)