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功率型LED陶瓷基印刷电路板的研究

作　者: 董政
导　师: 王德苗；金浩
学　校: 浙江大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 功率型LED 散热基板氧化铝陶瓷丝网印刷磁控溅射
分类号: TN41
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

经历了白炽灯、荧光灯之后,LED照明以其耗电少、寿命长、绿色无污染等优点成为未来照明产业的发展方向。随着LED功率增大,散热问题已经成了制约大功率LED发展的一个瓶颈。陶瓷基印刷电路板具有绝缘强度高、散热性能好等优点,被业界广泛看好,本论文从理论、实验以及产业化三个方面研究了大功率LED用高导热陶瓷基印刷电路板,论文的主要研究工作和取得的成果如下：1、建立了功率型LED电路散热模型,从理论上研究了功率型LED散热基板的导热系数以及基板厚度对散热性能的影响。采用ANSYS有限元稳态热分析对模型进行仿真分析,得出较为理想的大功率LED器件材料及结构,并进行了实验验证。实验结果表明：新型陶瓷基板可以使功率型LED散热热阻从传统FR-4环氧树脂覆铜板的300K/W降低到10K/W左右；一定的陶瓷基板厚度可使基板散热效率和材料韧性两方面达到最佳值。2、提出了一整套采用氧化铝陶瓷为散热基板的印刷电路制备方案。选用了市场上工艺较为成熟的氧化铝陶瓷为基板材料,采用丝网印刷技术,以正性、负性两种油墨掩膜方式制作电路图型,成功地制备出符合产业化要求的功率型LED印刷电路板。该方案与现行的印刷电路制备工艺比较接近,能大大降低了工艺设备的改进成本。3、设计了“过渡层+阻挡层+焊接层”多层膜系导电层结构,研究了用磁控溅射技术制备导电膜层的工艺参数,确定了导电层的最佳材料及膜层厚度,其导电层薄膜拉脱强度达到1.5MPa以上,能承受450℃无铅焊料熔蚀,完全满足无铅贴片焊接的工艺要求。4、参与了磁控溅射金属化生产线的设计和工艺制定,并调试了该生产设备,进行了产业化生产研究。5、探索了氮化铝陶瓷基印刷板的制备,采用等离子喷涂工艺在铝基板上制备了氮化铝绝缘层,分析并提出了在此绝缘层上制备导电电路图案的方法。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-10
图录  10-11
表录  11-12
第1章绪论  12-18
  1.1 引言  12-13
  1.2 大功率LED  13-14
  1.3 大功率LED发展瓶颈  14-16
  1.4 课题背景及研究目标  16-18
第2章大功率LED散热模型及分析  18-36
  2.1 大功率LED散热模型  18-20
    2.1.1 热阻与导热系数  18
    2.1.2 影响导热能力的因素  18
    2.1.3 稳态时LED热阻等效模型  18-20
  2.2 大功率LED的热学分析  20-21
    2.2.1 影响LED散热的因素  20-21
    2.2.2 大功率LED的散热计算  21
  2.3 ANSYS软件散热仿真  21-25
    2.3.1 ANSYS软件介绍  21-22
    2.3.2 ANSYS热分析基本原理及边界条件  22-23
    2.3.3 本论文仿真目标  23
    2.3.4 仿真模型的建立  23-25
  2.4 仿真结果及分析  25-34
    2.4.1 不同类型基板散热性能的仿真分析  25-30
    2.4.2 不同厚度陶瓷基板散热性能仿真分析  30-32
    2.4.3 LED芯片间距对散热性能的仿真分析  32-34
  2.5 本章小结  34-36
第3章氧化铝陶瓷散热基板制备  36-50
  3.1 氧化铝陶瓷的类别和性能  36-38
    3.1.1 按氧含量划分氧化铝陶瓷  36-37
    3.1.2 氧化铝陶瓷其他分类方法  37-38
  3.2 氧化铝陶瓷的制备  38-40
  3.3 氧化铝陶瓷表面金属化  40-43
    3.3.1 陶瓷表面金属化常用方法  40-41
    3.3.2 陶瓷表面金属化磁控溅射法  41-43
  3.4 氧化铝陶瓷基板电路图案制备  43-49
    3.4.1 磁控溅射工艺流程  43-44
    3.4.2 导电层制备工艺  44-46
    3.4.3 电路图案制备  46-49
  3.5 本章小结  49-50
第4章性能测试及产业化研究  50-58
  4.1 测量方法及结果  50-55
    4.1.1 散热性能的测量及分析  50-53
    4.1.2 膜层附着力的测量及分析  53-54
    4.1.3 其他指标的测量及分析  54-55
  4.2 氧化铝陶瓷电路板产业化  55-57
    4.2.1 导电层薄膜制备生产线  55-56
    4.2.2 氧化铝陶瓷电路板其他工艺流程  56-57
  4.3 本章小结  57-58
第5章氮化铝陶瓷散热基板探索  58-69
  5.1 氮化铝性能  58-59
  5.2 氮化铝绝缘层常规制备方法  59-61
    5.2.1 化学气相沉积  59-60
    5.2.2 物理气相沉积  60-61
  5.3 等离子喷涂制备氮化铝绝缘层  61-65
    5.3.1 等离子喷涂  61-62
    5.3.2 等离子喷涂制备氮化铝绝缘层工艺流程  62-65
  5.4 其他方法制备氮化铝绝缘层探究  65-66
    5.4.1 等离子渗氮法  65-66
    5.4.2 铝膏氨气等温共烧法  66
  5.5 探究结果  66-67
  5.6 本章小结  67-69
第6章总结和展望  69-72
  6.1 论文研究的主要内容  69-70
  6.2 论文的主要创新点  70
  6.3 论文的不足之处及今后的工作  70-72
参考文献  72-75
作者简历及在校期间所取得的科研成果  75

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