大功率LED用AlN金属化陶瓷基板的制备及性能研究

发布时间：2017-10-13 07:32

  本文关键词：大功率LED用AlN金属化陶瓷基板的制备及性能研究

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【摘要】：本文在充分了解大功率LED封装基板及其表面金属化的基础上,采用反应结合型厚膜工艺制备AlN金属化基板。通过在AlN基板丝网印刷铜电子浆料,经过烧结、还原过程实现AlN基板表面的铜金属化。在该厚膜工艺的基础之上,通过向铜电子浆料当中掺入其他金属氧化物(MgO,Co3O4和Fe2O3),经过相同的金属化工艺实现基板表面金属化铜层的致密化,并通过金属氧化物和AlN基板之间的反应,增强基板金属化层和基板之间的结合强度,制备性能优良的AlN金属化基板。最后,基于该AlN金属化基板,提出一种钎焊连接的LED封装方式。采用XRD、SEM对金属化基板进行物相和形貌分析,采用剥离法测试基板表面金属铜层和基板之间的结合强度,采用四探针方法测试基板表面铜层的电学性能,以获得具备优异性能的AlN金属化基板;采用计算机仿真和实验对比分析其散热性能。研究结果表明:1)经过1075°C烧结30min,400°C还原处理120min,获得的最佳试样表面铜层的方块电阻为2.2 mΩ/□,铜层和基板的最佳结合强度为11.9MPa。2)界面中间层化合物中,细小薄片状的CuAlO2和八面体状的尖晶石型CuAl2O4由于适中的热膨胀系数和强烈的化学结合对于连接强度的增加有促进作用,而粗大层片状的CuAlO2和界面间的Cu2O会降低结合强度。3)纳米金属氧化物(MgO、Co3O4和Fe2O3)的掺入有利于增加AlN基板金属化层的致密性,进而影响表面金属化层的电学性能;除此之外,部分纳米氧化物(Co3O4和Fe2O3)还可以和AlN基板发生反应生成不同种类的中间化合物,同时增强表面金属层和基板结合作用,影响金属化基板的机械性能。4)对照三种不同的金属氧化物(MgO、Co3O4和Fe2O3)对金属化基板的影响,当掺入8%的Fe2O3于金属化浆料,并经过烧结还原实现金属化后,AlN金属化基板的综合性能最佳,该基板的结合强度为20.6MPa,表面方块电阻为5.65 mΩ/□。5)结合恒温热载荷条件下的瞬态分析和不同功率的热载荷条件下的稳态分析的仿真模拟计算以及实际的热试验分析发现,基于该AlN金属化基板,采用钎焊连接的封装方式具备更好的散热性能,更适合应用于大功率LED封装中。
【关键词】：AlN基板 金属化 金属氧化物 结合强度 电学性能 钎焊连接
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN312.8;TB306
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 第一章 绪论14-30
• 1.1 引言14-15
• 1.2 LED发光机理及散热问题15-17
• 1.2.1 LED的发光机理15-16
• 1.2.2 LED的产热机理及散热16-17
• 1.3 LED封装结构和封装基板材料17-24
• 1.3.1 LED封装结构17-20
• 1.3.2 LED封装基板材料20-24
• 1.4 AlN陶瓷基板金属化24-28
• 1.4.1 AlN陶瓷基板金属化技术24-27
• 1.4.2 AlN陶瓷厚膜金属化机理及发展现状27-28
• 1.5 本课题的提出及研究内容28-30
• 1.5.1 本课题的提出28-29
• 1.5.2 本课题的研究内容29-30
• 第二章 AlN金属化陶瓷基板的制备及性能表征30-36
• 2.1 实验原料与实验设备30-31
• 2.1.1 实验原料30
• 2.1.2 实验仪器设备30-31
• 2.2 AlN金属化陶瓷基板的制备31-33
• 2.3 AlN金属化陶瓷基板的性能测试33-36
• 2.3.1 AlN金属化陶瓷基板的XRD测试33
• 2.3.2 AlN金属化陶瓷封装基板的微观形貌33-34
• 2.3.3 AlN金属化陶瓷封装基板的电学性能测试34
• 2.3.4 AlN陶瓷封装基板的力学性能测试34-36
• 第三章 AlN陶瓷封装基板的金属化36-51
• 3.1 AlN陶瓷封装基板的金属化层形成机理36-38
• 3.2 AlN陶瓷基板的金属化的烧结工艺38-45
• 3.2.1 烧结温度对AlN陶瓷基板厚膜表面物相和形貌的影响38-41
• 3.2.2 烧结温度对AlN金属化基板结合强度的影响41
• 3.2.3 不同烧结工艺下的AlN金属化基板结合机理探讨41-45
• 3.3 AlN陶瓷基板的金属化的还原工艺45-50
• 3.3.1 还原温度对AlN陶瓷基板厚膜表面物相和形貌的影响46-48
• 3.3.2 还原温度对AlN金属化基板电学性能的影响48-49
• 3.3.3 还原温度对AlN金属化基板机械性能的影响49-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 金属氧化物掺入对AlN基板表面金属层形貌及性能的影响51-72
• 4.1 纳米MgO掺入对AlN金属化基板表面铜层形貌及性能的影响51-58
• 4.1.1 纳米MgO颗粒的掺入机理51-52
• 4.1.2 掺入MgO对AlN金属化基板烧结表面物相和形貌的影响52-53
• 4.1.3 掺入MgO对AlN金属化基板还原表面物相和形貌的影响53-55
• 4.1.4 掺入MgO对AlN金属化基板结合强度的影响55-57
• 4.1.5 掺入MgO对AlN金属化基板电学性能的影响57-58
• 4.2 纳米Co_3O_4掺入对AlN金属化基板表面铜层形貌及性能的影响58-64
• 4.2.1 纳米Co_3O_4掺入机理58
• 4.2.2 掺入Co_3O_4对AlN金属化基板烧结表面物相和形貌的影响58-59
• 4.2.3 掺入Co_3O_4对AlN金属化基板还原表面物相和形貌的影响59-61
• 4.2.4 掺入Co_3O_4对AlN金属化基板结合强度的影响61-63
• 4.2.5 掺入Co_3O_4对AlN金属化基板电学性能的影响63-64
• 4.3 纳米Fe_2O_3掺入对AlN金属化基板表面铜层形貌及性能的影响64-71
• 4.3.1 纳米Fe_2O_3掺入机理64
• 4.3.2 掺入Fe_2O_3对AlN金属化基板烧结表面物相和形貌的影响64-65
• 4.3.3 掺入Fe_2O_3对AlN金属化基板还原表面物相和形貌的影响65-67
• 4.3.4 掺入Fe_2O_3对AlN金属化基板结合强度的影响67-70
• 4.3.5 掺入Fe_2O_3对AlN金属化基板电学性能的影响70-71
• 4.4 本章小结71-72
• 第五章 基于AlN金属化基板的大功率LED新型封装结构72-81
• 5.1 大功率LED封装结构的优化72-73
• 5.2 大功率LED新型封装结构热仿真分析73-76
• 5.2.1 热仿真模拟条件73-74
• 5.2.2 热仿真模拟结果分析74-76
• 5.3 大功率LED新型封装结构的实现76-78
• 5.3.1 AlN金属化基板与散热翅片阻焊镍层的制备76-77
• 5.3.2 AlN金属化基板与散热翅片钎焊的断面形貌分析77-78
• 5.4 大功率LED新型封装结构的散热性能分析78-79
• 5.5 本章小结79-81
• 第六章 全文总结和课题展望81-84
• 6.1 全文工作总结81-82
• 6.2 本文的创新点82
• 6.3 课题展望82-84
• 参考文献84-91
• 致谢91-92
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文92-93

【参考文献】

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本文编号：1023591