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CN102179970A - 导热材料及其制备工艺,以及使用该导热材料的led线路板 - Google Patents

导热材料及其制备工艺,以及使用该导热材料的led线路板 Download PDF

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CN102179970A CN2011100516098A CN201110051609A CN102179970A CN 102179970 A CN102179970 A CN 102179970A CN 2011100516098 A CN2011100516098 A CN 2011100516098A CN 201110051609 A CN201110051609 A CN 201110051609A CN 102179970 A CN102179970 A CN 102179970A
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Abstract

本发明提供了一种导热材料及其制备工艺，以及使用该导热材料的LED线路板，导热材料包括基材及设置在基材上的导热涂层，所述导热涂层包括通过磁控溅射工艺设于所述基材上的Si层镀膜；通过离子束技术设于所述Si层镀膜上的DLC层镀膜；通过磁控溅射工艺设于所述DLC层镀膜上的Cu层镀膜。本发明的有益效果主要体现在：在绝缘材料基板上沉积DLC涂层，使导热材料具有超高导热性能并且具有良好的绝缘性能，且导热材料的制备工艺也简单高效，具有很好的推广价值。

Description

导热材料及其制备工艺,以及使用该导热材料的LED线路板
技术领域
本发明涉及一种导热材料及其制备工艺，以及使用该导热材料的LED线路板，属于涂层材料技术领域。
背景技术
近年来，各种涂层技术不断发展，为工业制造及人们的日常生活带来许多进步和便利。依托涂层技术，可以使产品或零部件获得更好的表面性能，从而弥补材料本身所不具有的某些特性。类金刚石涂层(Diamond-like Carbon)，或简称DLC涂层是含有金刚石结构(sp3键)和石墨结构(sp2键)的亚稳非晶态物质。
涂层技术中，物理气相沉积是指通过蒸发、电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面，简称PVD。目前常用的PVD镀膜技术主要分为三类，真空蒸发镀膜、真空溅射镀和真空离子束镀膜。其中，溅射镀膜是用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基板上。
在工业上，一些热源或者光源，例如新兴的LED器件或模组，往往需要快速导热和散热，同时，一些场合还需要导热材料具有良好的绝缘性。与另外一种导热性能较好的材料石墨(石墨的导热系数在450W/mK左右)相比，DLC涂层不但有更高的导热系数，同时在各个方向上具有同样的导热能力，而石墨只在单一平面内具有以上的导热性能，而在垂直方向上的导热性能较差。同时石墨本身是导电材料，所以若以石墨作为导热基材做 成的LED线路板需要多种辅助绝缘工艺并致使成本增加。因此，同时满足绝缘和高导热性能的材料往往十分昂贵。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种采用同时具有高导热性和高绝缘性的导热材料。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种导热材料，包括基材及设置在基材上的导热涂层，所述导热涂层包括通过磁控溅射工艺设于所述基材上的Si层镀膜；通过离子束技术设于所述Si层镀膜上的DLC层镀膜；通过磁控溅射工艺设于所述DLC层镀膜上的Cu层镀膜。
优选的，所述Si层镀膜的厚度为1±0.1微米，所述产生Si层镀膜的磁控溅射工艺中使用的为纯度99.9999％以上的单晶Si靶。
优选的，所述DLC层镀膜的厚度为2±0.2微米。
优选的，所述Cu层镀膜的厚度为5±0.5微米，所述产生Cu层镀膜的磁控溅射工艺中使用的为纯度在95％以上的Cu靶。
优选的，导热材料的综合导热系数大于等于480W/mK，耐击穿电压大于等于500V。
优选的，所述基材为绝缘基材。
本发明还揭示了一种导热材料的制备工艺，包括如下步骤：
(1)将基材装夹于真空镀膜室中，对真空镀膜室抽气，使之达到1×10-5Pa以上真空度；
(2)向镀膜真空室内通入气流量在500～900sccm之间的氢气，使用离子束对引入的氢气进行离化并轰击基材，离化时离子能量在1,900eV以上；
(3)向镀膜真空室内通入气流量在50～70sccm之间的氩气，使用非平衡磁控溅射阴极对基材进行Si镀膜，镀膜使用纯度在99.9999％以上单 晶Si靶，所述阴极上施加电压600～800V、频率40～60kHz的脉冲直流；
(4)向镀膜真空室内通入气流量在300～500sccm之间的乙炔气体，使用离子束对基材进行DLC的镀膜，镀膜时由离子束离化的离子能量在1,200eV以上，阴极上施加5000V以上，脉冲频率60～80kHz的直流脉冲偏压；
(5)向镀膜真空室内通入气流量在50～70sccm之间的氩气，使用非平衡磁控溅射阴极对基材进行Cu的镀膜，镀膜使用纯度在95％以上的Cu靶，所述阴极上施加电压300～500V的脉冲直流。
其中，所述第2步骤中的轰击时间为45分钟，所述第3步骤中的镀膜时间为50分钟，所述第4步骤中的镀膜时间为150分钟，所述第5步骤中的镀膜时间为30分钟。
本发明还提供了一种LED线路板，包括：基材、设置在基材上的导热涂层，以及设置在导热涂层上的LED颗粒，所述导热涂层包括通过磁控溅射工艺设于所述基材上的Si层镀膜；通过离子束技术设于所述Si层镀膜上的DLC层镀膜；由通过磁控溅射工艺设于所述DLC层镀膜上的Cu层镀膜加工得到的铜箔电路；所述LED颗粒连接到所述铜箔电路中。
优选的，所述基材为铝基板。
本发明的有益效果主要体现在：采用物理气相沉积技术，综合应用磁控溅射技术和离子束技术，在绝缘材料基板上沉积DLC涂层，使导热材料具有超高导热性能并且具有良好的绝缘性能。该导热材料用作LED光源模组的线路板散热性能优异，绝缘性好，且导热材料的制备工艺也简单高效，具有很好的推广价值。
附图说明
图1为本发明的导热材料的示意图。
图2为本发明的使用了导热材料的LED线路板的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明：
本发明综合采用PVD技术中的磁控溅射技术和离子束技术，选择不同的材料如Si，H2，C2H2和Cu，改变在沉积工艺过程中压力、偏压等参数，制备基材上具导热涂层的导热材料。
在此简单介绍磁控溅射技术和离子束技术的工作原理。
磁控溅射技术是用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基板上。离子束技术是指在真空环境下被引入的气体在离子束的电磁场共同作用下被离子化；被离子化的离子在离子束和基片之间的电场作用下被加速，并以高能粒子的形式轰击或沉积在基片上；被引入的气体根据工艺的需要，可能为Ar，H2或C2H2等，从而完成离子刻蚀清洗和离子束沉积等工艺。但是对于不同能量的选择和不同的制备工艺，所制备的产品就能得到不同的性能。
本发明的导热涂层具有多层镀膜，各镀膜之间有良好的结合能力。最终产品的导热材料具有超高导热性能并且具有良好的绝缘性能，综合导热系数达到480W/mK，耐击穿电压达到500伏特以上。该导热材料可用作LED光源模组的线路板，或导热散热器件。
制备所述导热材料所使用的基材可以为绝缘基材或者为绝缘非基材，如铝基板。
制备所述导热涂层所使用的磁控溅射靶材包括2种实体材料：单晶Si(纯度99.9999％以上)和Cu(纯度95％以上)。反应溅射工艺中所使用的气体包括氢气(纯度99.999％以上)、氩气(纯度99.999％以上)和乙炔气体(纯度98％以上)。磁控溅射所采用的电源为直流电源。
制备导热材料的工艺过程大致如下：
首先，将基材在超声波清洗机中清洗干净，然后依次进行一下步骤：
(1)将基材装夹于真空镀膜室中，对真空镀膜室抽气，使之达到1 ×10-5Pa以上真空度；
(2)向镀膜真空室内通入气流量在500～900sccm之间的氢气，使用离子束对引入的氢气进行离化并轰击基材，离化时离子能量在1,900eV以上；
该步骤中轰击时间为40至50分钟，优选为45分钟；
(3)向镀膜真空室内通入气流量在50～70sccm之间的氩气，使用非平衡磁控溅射阴极对基材进行Si镀膜，镀膜使用纯度在99.9999％以上单晶Si靶，所述阴极上施加电压600～800V、频率40～60kHz的脉冲直流；
该步骤中镀膜时间为40至60分钟，优选为50分钟，所镀Si层厚度1微米左右，优选为1±0.1微米；
(4)向镀膜真空室内通入气流量在300～500sccm之间的乙炔气体，使用离子束对基材进行DLC的镀膜，镀膜时由离子束离化的离子能量在1,200eV以上，阴极上施加5000V以上，脉冲频率60～80kHz的直流脉冲偏压；
该步骤中镀膜时间为120至180分钟，优选为150分钟，所镀DLC层厚度2微米左右，优选为2±0.2微米；
(5)向镀膜真空室内通入气流量在50～70sccm之间的氩气，使用非平衡磁控溅射阴极对基材进行Cu的镀膜，镀膜使用纯度在95％以上的Cu靶，所述阴极上施加电压300～500V的脉冲直流。
该步骤中镀膜时间20至40分钟，优选为30分钟，所镀Cu层厚度5微米左右，优选为5±0.5微米。
如图1，使用上述工艺，制造出的导热材料包括基材1及设置在基材1上的导热涂层，所述导热涂层包括通过磁控溅射工艺设于所述基材上的Si层镀膜2；通过离子束技术设于所述Si层镀膜上的DLC层镀膜3；通过磁控溅射工艺设于所述DLC层镀膜上的Cu层镀膜4。
使用该导热材料，可以制造多种需要优良散热部件，尤其是同时对绝 缘有要求的部件。
通过选用绝缘基材作为导热材料的基材，最终的导热材料能够获得尤其优异的绝缘性能。
以下通过具体实施例描述本发明的导热材料在产业上的应用。
图2为使用了本发明的导热材料的LED线路板，其包括导热材料和安装在导热材料上的LED颗粒5，导热材料的Cu层镀膜经进一步加工处理形成铜箔电路41，LED颗粒5安装在铜箔电路41。
在本实施例中，导热材料的基材1为金属材质，优选的为铝基板；如前所述的，基板1上方为Si层镀膜2；Si层镀膜上方为DLC层镀膜3；DLC层镀膜上为经Cu层镀膜4进一步加工形成的铜箔电路41。
LED发光颗粒5布置在铜箔电路41上方，LED发光颗粒5的正极和负极接入铜箔电路中，以被控制和供电而发光。
图2中的箭头的指向为热量的散发方向，如图2，LED发光颗粒产生的热量大部分通过导热材料向外散发。
本具体实施例的LED线路板具有优异的导热效果，如下表一，本发明的带导热材料的铝基板的综合导热系数达到480W/mK，远远超过普通铝基板的1-3W/mK和陶瓷基板的约110W/mK。
 LED线路板材质   普通铝基板   陶瓷基板   带导热材料的铝基板
 综合导热系数   1～3W/mK   ～110W/mK   480W/mK
 耐击穿电压   ＞500V   ＞500V   ＞500V
表一
本发明的导热材料也可以用于制造其他的产品，如制造LED光源导热散热器件等。
然而，通过上述制备工艺制得的导热材料不仅局限于制造上述产品，其具有广泛的工业前景，可以应用于多种需要高导热性能和绝缘性能的场合。

Claims (10)

1.一种导热材料，其特征在于：包括基材及设置在基材上的导热涂层，所述导热涂层包括通过磁控溅射工艺设于所述基材上的Si层镀膜；通过离子束技术设于所述Si层镀膜上的DLC层镀膜；通过磁控溅射工艺设于所述DLC层镀膜上的Cu层镀膜。
2.根据权利要求1所述的导热材料，其特征在于：所述Si层镀膜的厚度为1±0.1微米，所述产生Si层镀膜的磁控溅射工艺中使用的为纯度99.9999％以上的单晶Si靶。
3.根据权利要求1所述的导热材料，其特征在于：所述DLC层镀膜的厚度为2±0.2微米。
4.根据权利要求1所述的导热材料，其特征在于：所述Cu层镀膜的厚度为5±0.5微米，所述产生Cu层镀膜的磁控溅射工艺中使用的为纯度在95％以上的Cu靶。
5.根据权利要求4所述的导热材料，其特征在于：其综合导热系数大于等于480W/mK，耐击穿电压大于等于500V。
6.根据权利要求1所述的导热材料，其特征在于：所述基材为绝缘基材。
7.一种如权利要求1所述的导热材料的制备工艺，其特征在于：依次包括如下步骤，
(1)将基材装夹于真空镀膜室中，对真空镀膜室抽气，使之达到1×10-5Pa以上真空度；
(2)向镀膜真空室内通入气流量在500～900sccm之间的氢气，使用离子束对引入的氢气进行离化并轰击基材，离化时离子能量在1,900eV以上；
(3)向镀膜真空室内通入气流量在50～70sccm之间的氩气，使用非平衡磁控溅射阴极对基材进行Si镀膜，镀膜使用纯度在99.9999％以上单晶Si靶，所述阴极上施加电压600～800V、频率40～60kHz的脉冲直流；
(4)向镀膜真空室内通入气流量在300～500sccm之间的乙炔气体，使用离子束对基材进行DLC的镀膜，镀膜时由离子束离化的离子能量在1,200eV以上，阴极上施加5000V以上、脉冲频率60～80kHz的直流脉冲偏压；
(5)向镀膜真空室内通入气流量在50～70sccm之间的氩气，使用非平衡磁控溅射阴极对基材进行Cu的镀膜，镀膜使用纯度在95％以上的Cu靶，所述阴极上施加电压300～500V的脉冲直流。
8.根据权利要求7所述的导热涂层的制备工艺，其特征在于：所述第2步骤中的轰击时间为45分钟，所述第3步骤中的镀膜时间为50分钟，所述第4步骤中的镀膜时间为150分钟，所述第5步骤中的镀膜时间为30分钟。
9.一种LED线路板，包括，基材、设置在基材上的导热涂层，以及设置在导热涂层上的LED颗粒，其特征在于：所述导热涂层包括通过磁控溅射工艺设于所述基材上的Si层镀膜；通过离子束技术设于所述Si层镀膜上的DLC层镀膜；由通过磁控溅射工艺设于所述DLC层镀膜上的Cu层镀膜加工得到的铜箔电路；所述LED颗粒连接到所述铜箔电路中。
10.根据权利要求9所述的LED线路板，其特征在于：所述基材为铝基板。
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