阅读说明：本技术 一种led用高导热陶瓷材料的制备方法 (Preparation method of high-thermal-conductivity ceramic material for LED ) 是由 吴俊楠 洪明祈 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种LED用高导热陶瓷材料的制备方法,属于LED技术领域。本发明以氮化铝陶瓷为基材,通过化学镀银工艺,制备一种LED用高导热陶瓷材料,氮化铝陶瓷是一种具有优良综合性能的陶瓷材料,氮化铝具有低原子量,原子间键结强,晶体结构简单,晶格振荡谐和性高等特点,因而具有极高的热导率,在氮化铝陶瓷基材表面化学镀银,用氨水与银离子形成银氨络离子溶液,采用氢氧化钾作为速度调节剂和pH调节剂,能够增加沉积速率,可以有效提高镀银率,从而提高材料的散热性能。(The invention relates to a preparation method of a high-thermal-conductivity ceramic material for an LED, belonging to the technical field of LEDs. The invention takes aluminum nitride ceramic as a substrate, prepares a high-thermal-conductivity ceramic material for an LED through a chemical silver plating process, the aluminum nitride ceramic is a ceramic material with excellent comprehensive performance, the aluminum nitride has the characteristics of low atomic weight, strong interatomic bonding, simple crystal structure, high lattice oscillation harmony and the like, so that the aluminum nitride ceramic has extremely high thermal conductivity, the aluminum nitride ceramic substrate is subjected to surface chemical silver plating, ammonia water and silver ions are used for forming silver-ammonia complex ion solution, and potassium hydroxide is used as a speed regulator and a pH regulator, so that the deposition rate can be increased, the silver plating rate can be effectively improved, and the heat dissipation performance of the material is improved.)

一种LED用高导热陶瓷材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种LED用高导热陶瓷材料的制备方法，属于LED技术领域。

背景技术

LED结构组成可以简单概括为三个主要部分，即散热基板、芯片和荧光粉。其中散热基板有两个主要作用：一是作为支架起到支撑作用；二是起到LED工作过程中热量的传导散发作用。

氧化铝陶瓷是最为常见的一种陶瓷基板材料，它因价格较低、稳定性好、绝缘性和机械性能较好，而且工艺技术纯熟，是目前应用最为广泛的一种陶瓷基板材料。但是氧化铝陶瓷的热导率较低(20W/m·K)，而且热膨胀系数与Si不太匹配，在一定程度上限制了其在大功率电子产品中的应用，其应用范围局限在电路所能承受的电压较低和电路的集成度不太高的封装领域。氧化铍陶瓷是目前较为常用的高导热陶瓷基板材料，综合性能良好，能够满足较高的电子封装要求，但是其热导率随温度波动变化较大，温度升高其热导率大幅度下降。此外，氧化铍有剧毒，不利于规模化生产，所以大大限制了它的应用。碳化硅陶瓷具有很高的热导率，热膨胀系数也与Si最为接近，而且碳化硅物理性能较好，具有高耐磨性和高硬度，但是碳化硅是强共价键化合物，烧结温度高达二千多度，而且需要加入少量的烧结助剂才能够烧结致密，导致碳化硅陶瓷基片的制备能耗大，热压生产成本高，这在很大程度上限制了碳化硅的发展和大批量的应用。氮化铝陶瓷作为一种新型的LED封装基板材料，具有强度高、热膨胀系数低、介电损耗小、耐高温及化学腐蚀，绝缘性好，而且无毒环保等优良性能，但目前商用氮化铝基板的散热性能比较差，限制了其进一步的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有LED陶瓷基板散热效率低的问题，提供了一种LED用高导热陶瓷材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

(1)按重量份数计，分别称量20～40份氮化铝陶瓷、10～20份硝酸银、10～20份氨水、1～2份乙二胺、0.2～0.4份硫代硫酸钠、2～4份氢氧化钾、4～8份葡萄糖、2～4份酒石酸钾钠、1～2份聚乙二醇、20～40份无水乙醇、80～160份去离子水；

(2)将硝酸银加入1/2重量份的去离子水中，常温下以120～160r/min转速搅拌10～20min，得硝酸银溶液；

(3)将氨水、乙二胺、硫代硫酸钠加入硝酸银溶液中，常温下以200～250r/min转速搅拌40～60min，得银氨悬浮液；

(4)将氢氧化钾加入银氨悬浮液中，常温下以250～300r/min转速搅拌20～30min，得银氨络合物溶液；

(5)将葡萄糖、酒石酸钾钠加入剩余1/2重量份的去离子水中，在80～90℃的水浴条件下以160～200r/min转速搅拌20～30min，得葡萄糖混合溶液；

(6)将聚乙二醇、份无水乙醇加入葡萄糖混合溶液中，常温下以200～250r/min转速搅拌30～40min，得还原剂溶液；

(7)将氮化铝陶瓷、还原剂溶液加入银氨络合物溶液中，在40～60℃的水浴条件下以200～300r/min转搅拌2～4h，过滤，取滤饼，用去离子水洗涤3～5次，置于60～80℃的烘箱中干燥1～2h，常温冷却，得LED用高导热陶瓷材料。

步骤(1)所述的氨水的质量分数为10％。

步骤(1)所述的氮化铝陶瓷的具体制备步骤为：

(1)按重量份数计，分别称量20～30份氮化铝粉体、0.8～1.2份碳酸钙粉末、0.4～0.6份氧化镁、0.4～0.6份二氧化硅、0.2～0.3份硼酸、8～12份聚乙烯醇缩丁醛、100～150份无水乙醇；

(2)将氮化铝粉体、碳酸钙粉末、氧化镁、二氧化硅、硼酸加入1/2重量份的无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以160～200r/min转速球磨4～8h，得混合浆料；

(3)将聚乙烯醇缩丁醛加入无水乙醇中，常温下以200～240r/min转速搅拌20～40min，得聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液；

(4)将聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液加入混合浆料中，常温下以400～600r/min转速搅拌1～2h，得混合料，将混合料置于热压机内热压处理40～60min，得素胚；

(5)将素胚置于管式气氛炉中，常温下以5℃/min的速率升温至500～600℃保温1～2h，再以1℃/min的速率升温至1600～1800℃，通入氮气保护，保温烧结2～4h，随炉冷却至室温，得氮化铝陶瓷。

步骤(1)所述的碳酸钙粉末的平均粒径为20～40μm，氧化镁的平均粒径为20～40μm，二氧化硅的平均粒径为30～50μm，硼酸的平均粒径为60～80μm。

步骤(4)所述的热压处理的条件为温度80～90℃、压力160～200MPa。

步骤(5)所述的氮气的通入速率为150～200mL/min。

步骤(1)所述的氮化铝粉体的具体制备步骤为：

(1)按重量份数计，分别称量20～30份硝酸铝、2～3份硝酸钙、2～3份硝酸钇、10～15份葡萄糖、100～150份去离子水；

(2)将硝酸铝、硝酸钙、硝酸钇、葡萄糖加入去离子水中，常温下以200～300r/min转速搅拌20～30min，得混合溶液；

(3)将混合溶液置于120～140℃的烘箱中加热1～2h，得泡沫粉体；

(4)将泡沫状粉体置于马弗炉中，常温下以20℃/min的速率升温至1000～1200℃，保温煅烧40～60min，得混合粉末前驱体；

(5)将混合粉末前驱体置于真空碳管烧结炉中，通入氮气，常温下以50℃/min的速率升温至1300～1600℃，保温氮化2～4h，再降温至600～800℃，保温除碳30～40min，随炉冷却至室温，得氮化铝粉体。

步骤(5)所述的氮气的通入速率为100～120mL/min，氮化铝粉体的平均粒径为100～200μm。

本发明与其他方法相比，有益技术效果是：

本发明以氮化铝陶瓷为基材，通过化学镀银工艺，制备一种LED用高导热陶瓷材料，氮化铝陶瓷是一种具有优良综合性能的陶瓷材料，氮化铝具有低原子量，原子间键结强，晶体结构简单，晶格振荡谐和性高等特点，因而具有极高的热导率，氮化铝分解温度高达2450℃，在2000℃以内的高温非氧化物气氛中，稳定性极好，其抗热震性也非常好，此外，氮化铝具有不受铝和其它熔融金属侵蚀特性，具有极良好的耐浸蚀性，良好的电绝缘性和介电性质，以氮化铝陶瓷为基材可以有效提高材料的散热性和稳定性，化学镀是在没有外加电流的条件下，利用处于同一溶液中的金属盐和还原剂在具有催化活性的基体表面上能够进行氧化还原反应的原理，在基体表面化学沉积形成金属或合金镀层的一种表面处理技术，金属银是所有金属中导电、导热性能最强的，是最有效的储存及反射材质，在氮化铝陶瓷基材表面化学镀银，导电性优异、防电磁屏蔽效能安全可靠；银镀层还具有长效抗菌、生物相容性好、抗静电的功能，用氨水与银离子形成银氨络离子溶液，提高氨水的浓度能增加溶液的稳定性，添加胺乙二胺和硫代硫酸钠可与银形成稳定配合物的物质，采用氢氧化钾作为速度调节剂和pH调节剂，能够增加沉积速率，可以有效提高镀银率，从而可以有效提高材料的散热性能，由于化学镀工艺相对简单、不要求材料本身具有导电性而特别适用于各种形状不规则的非金属基体施镀，可以广泛应用于多种基体上。

具体实施方式

按重量份数计，分别称量20～30份硝酸铝、2～3份硝酸钙、2～3份硝酸钇、10～15份葡萄糖、100～150份去离子水，将硝酸铝、硝酸钙、硝酸钇、葡萄糖加入去离子水中，常温下以200～300r/min转速搅拌20～30min，得混合溶液，将混合溶液置于120～140℃的烘箱中加热1～2h，得泡沫粉体，将泡沫状粉体置于马弗炉中，常温下以20℃/min的速率升温至1000～1200℃，保温煅烧40～60min，得混合粉末前驱体，将混合粉末前驱体置于真空碳管烧结炉中，以100～120mL/min的速率通入氮气，常温下以50℃/min的速率升温至1300～1600℃，保温氮化2～4h，再降温至600～800℃，保温除碳30～40min，随炉冷却至室温，得平均粒径100～200μm的氮化铝粉体；

再按重量份数计，分别称量20～30份氮化铝粉体、0.8～1.2份平均粒径20～40μm的碳酸钙粉末、0.4～0.6份平均粒径20～40μm的氧化镁、0.4～0.6份平均粒径30～50μm的二氧化硅、0.2～0.3份平均粒径60～80μm的硼酸、8～12份聚乙烯醇缩丁醛、100～150份无水乙醇，将氮化铝粉体、碳酸钙粉末、氧化镁、二氧化硅、硼酸加入1/2重量份的无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以160～200r/min转速球磨4～8h，得混合浆料，将聚乙烯醇缩丁醛加入无水乙醇中，常温下以200～240r/min转速搅拌20～40min，得聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液，将聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液加入混合浆料中，常温下以400～600r/min转速搅拌1～2h，得混合料，将混合料置于热压机内，在温度80～90℃、压力160～200MPa的条件下热压处理40～60min，得素胚，将素胚置于管式气氛炉中，常温下以5℃/min的速率升温至500～600℃保温1～2h，再以1℃/min的速率升温至1600～1800℃，以150～200mL/min的速率通入氮气保护，保温烧结2～4h，随炉冷却至室温，得氮化铝陶瓷；

再按重量份数计，分别称量20～40份氮化铝陶瓷、10～20份硝酸银、10～20份质量分数10％的氨水、1～2份乙二胺、0.2～0.4份硫代硫酸钠、2～4份氢氧化钾、4～8份葡萄糖、2～4份酒石酸钾钠、1～2份聚乙二醇、20～40份无水乙醇、80～160份去离子水，将硝酸银加入1/2重量份的去离子水中，常温下以120～160r/min转速搅拌10～20min，得硝酸银溶液，将氨水、乙二胺、硫代硫酸钠加入硝酸银溶液中，常温下以200～250r/min转速搅拌40～60min，得银氨悬浮液，将氢氧化钾加入银氨悬浮液中，常温下以250～300r/min转速搅拌20～30min，得银氨络合物溶液，将葡萄糖、酒石酸钾钠加入剩余1/2重量份的去离子水中，在80～90℃的水浴条件下以160～200r/min转速搅拌20～30min，得葡萄糖混合溶液，将聚乙二醇、份无水乙醇加入葡萄糖混合溶液中，常温下以200～250r/min转速搅拌30～40min，得还原剂溶液，将氮化铝陶瓷、还原剂溶液加入银氨络合物溶液中，在40～60℃的水浴条件下以200～300r/min转搅拌2～4h，过滤，取滤饼，用去离子水洗涤3～5次，置于60～80℃的烘箱中干燥1～2h，常温冷却，得LED用高导热陶瓷材料。

实例1

按重量份数计，分别称量20份硝酸铝、2份硝酸钙、2份硝酸钇、10份葡萄糖、100份去离子水，将硝酸铝、硝酸钙、硝酸钇、葡萄糖加入去离子水中，常温下以200r/min转速搅拌20min，得混合溶液，将混合溶液置于120℃的烘箱中加热1h，得泡沫粉体，将泡沫状粉体置于马弗炉中，常温下以20℃/min的速率升温至1000℃，保温煅烧40min，得混合粉末前驱体，将混合粉末前驱体置于真空碳管烧结炉中，以100mL/min的速率通入氮气，常温下以50℃/min的速率升温至1300℃，保温氮化2h，再降温至600℃，保温除碳30min，随炉冷却至室温，得平均粒径100μm的氮化铝粉体；

再按重量份数计，分别称量20份氮化铝粉体、0.8份平均粒径20μm的碳酸钙粉末、0.4份平均粒径20μm的氧化镁、0.4份平均粒径30μm的二氧化硅、0.2份平均粒径60μm的硼酸、8份聚乙烯醇缩丁醛、100份无水乙醇，将氮化铝粉体、碳酸钙粉末、氧化镁、二氧化硅、硼酸加入1/2重量份的无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以160r/min转速球磨4h，得混合浆料，将聚乙烯醇缩丁醛加入无水乙醇中，常温下以200r/min转速搅拌20min，得聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液，将聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液加入混合浆料中，常温下以400r/min转速搅拌1h，得混合料，将混合料置于热压机内，在温度80℃、压力160MPa的条件下热压处理40min，得素胚，将素胚置于管式气氛炉中，常温下以5℃/min的速率升温至500℃保温1h，再以1℃/min的速率升温至1600℃，以150mL/min的速率通入氮气保护，保温烧结2h，随炉冷却至室温，得氮化铝陶瓷；

再按重量份数计，分别称量20份氮化铝陶瓷、10份硝酸银、10份质量分数10％的氨水、1份乙二胺、0.2份硫代硫酸钠、2份氢氧化钾、4份葡萄糖、2份酒石酸钾钠、1份聚乙二醇、20份无水乙醇、80份去离子水，将硝酸银加入1/2重量份的去离子水中，常温下以120r/min转速搅拌10min，得硝酸银溶液，将氨水、乙二胺、硫代硫酸钠加入硝酸银溶液中，常温下以200r/min转速搅拌40min，得银氨悬浮液，将氢氧化钾加入银氨悬浮液中，常温下以250r/min转速搅拌20min，得银氨络合物溶液，将葡萄糖、酒石酸钾钠加入剩余1/2重量份的去离子水中，在80℃的水浴条件下以160r/min转速搅拌20min，得葡萄糖混合溶液，将聚乙二醇、份无水乙醇加入葡萄糖混合溶液中，常温下以200r/min转速搅拌30min，得还原剂溶液，将氮化铝陶瓷、还原剂溶液加入银氨络合物溶液中，在40℃的水浴条件下以200r/min转搅拌2h，过滤，取滤饼，用去离子水洗涤3次，置于60℃的烘箱中干燥1h，常温冷却，得LED用高导热陶瓷材料。

实例2

按重量份数计，分别称量25份硝酸铝、2.5份硝酸钙、2.5份硝酸钇、12.5份葡萄糖、125份去离子水，将硝酸铝、硝酸钙、硝酸钇、葡萄糖加入去离子水中，常温下以250r/min转速搅拌25min，得混合溶液，将混合溶液置于130℃的烘箱中加热1.5h，得泡沫粉体，将泡沫状粉体置于马弗炉中，常温下以20℃/min的速率升温至1100℃，保温煅烧50min，得混合粉末前驱体，将混合粉末前驱体置于真空碳管烧结炉中，以110mL/min的速率通入氮气，常温下以50℃/min的速率升温至1450℃，保温氮化3h，再降温至700℃，保温除碳35min，随炉冷却至室温，得平均粒径150μm的氮化铝粉体；

再按重量份数计，分别称量25份氮化铝粉体、1份平均粒径30μm的碳酸钙粉末、0.5份平均粒径30μm的氧化镁、0.5份平均粒径40μm的二氧化硅、0.25份平均粒径70μm的硼酸、10份聚乙烯醇缩丁醛、125份无水乙醇，将氮化铝粉体、碳酸钙粉末、氧化镁、二氧化硅、硼酸加入1/2重量份的无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以180r/min转速球磨6h，得混合浆料，将聚乙烯醇缩丁醛加入无水乙醇中，常温下以220r/min转速搅拌30min，得聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液，将聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液加入混合浆料中，常温下以500r/min转速搅拌1.5h，得混合料，将混合料置于热压机内，在温度85℃、压力180MPa的条件下热压处理50min，得素胚，将素胚置于管式气氛炉中，常温下以5℃/min的速率升温至550℃保温1.5h，再以1℃/min的速率升温至1700℃，以175mL/min的速率通入氮气保护，保温烧结3h，随炉冷却至室温，得氮化铝陶瓷；

再按重量份数计，分别称量30份氮化铝陶瓷、15份硝酸银、15份质量分数10％的氨水、1.5份乙二胺、0.3份硫代硫酸钠、3份氢氧化钾、6份葡萄糖、3份酒石酸钾钠、1.5份聚乙二醇、30份无水乙醇、120份去离子水，将硝酸银加入1/2重量份的去离子水中，常温下以140r/min转速搅拌15min，得硝酸银溶液，将氨水、乙二胺、硫代硫酸钠加入硝酸银溶液中，常温下以225r/min转速搅拌50min，得银氨悬浮液，将氢氧化钾加入银氨悬浮液中，常温下以275r/min转速搅拌25min，得银氨络合物溶液，将葡萄糖、酒石酸钾钠加入剩余1/2重量份的去离子水中，在85℃的水浴条件下以180r/min转速搅拌25min，得葡萄糖混合溶液，将聚乙二醇、份无水乙醇加入葡萄糖混合溶液中，常温下以225r/min转速搅拌35min，得还原剂溶液，将氮化铝陶瓷、还原剂溶液加入银氨络合物溶液中，在50℃的水浴条件下以250r/min转搅拌3h，过滤，取滤饼，用去离子水洗涤4次，置于70℃的烘箱中干燥1.5h，常温冷却，得LED用高导热陶瓷材料。

实例3

按重量份数计，分别称量30份硝酸铝、3份硝酸钙、3份硝酸钇、15份葡萄糖、150份去离子水，将硝酸铝、硝酸钙、硝酸钇、葡萄糖加入去离子水中，常温下以300r/min转速搅拌30min，得混合溶液，将混合溶液置于140℃的烘箱中加热2h，得泡沫粉体，将泡沫状粉体置于马弗炉中，常温下以20℃/min的速率升温至1200℃，保温煅烧60min，得混合粉末前驱体，将混合粉末前驱体置于真空碳管烧结炉中，以120mL/min的速率通入氮气，常温下以50℃/min的速率升温至1600℃，保温氮化4h，再降温至800℃，保温除碳40min，随炉冷却至室温，得平均粒径200μm的氮化铝粉体；

再按重量份数计，分别称量30份氮化铝粉体、1.2份平均粒径40μm的碳酸钙粉末、0.6份平均粒径40μm的氧化镁、0.6份平均粒径50μm的二氧化硅、0.3份平均粒径80μm的硼酸、12份聚乙烯醇缩丁醛、150份无水乙醇，将氮化铝粉体、碳酸钙粉末、氧化镁、二氧化硅、硼酸加入1/2重量份的无水乙醇中，置于球磨机内，常温下以200r/min转速球磨8h，得混合浆料，将聚乙烯醇缩丁醛加入无水乙醇中，常温下以240r/min转速搅拌40min，得聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液，将聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液加入混合浆料中，常温下以600r/min转速搅拌2h，得混合料，将混合料置于热压机内，在温度90℃、压力200MPa的条件下热压处理60min，得素胚，将素胚置于管式气氛炉中，常温下以5℃/min的速率升温至600℃保温2h，再以1℃/min的速率升温至1800℃，以200mL/min的速率通入氮气保护，保温烧结4h，随炉冷却至室温，得氮化铝陶瓷；

再按重量份数计，分别称量40份氮化铝陶瓷、20份硝酸银、20份质量分数10％的氨水、2份乙二胺、0.4份硫代硫酸钠、4份氢氧化钾、8份葡萄糖、4份酒石酸钾钠、2份聚乙二醇、40份无水乙醇、160份去离子水，将硝酸银加入1/2重量份的去离子水中，常温下以160r/min转速搅拌20min，得硝酸银溶液，将氨水、乙二胺、硫代硫酸钠加入硝酸银溶液中，常温下以250r/min转速搅拌60min，得银氨悬浮液，将氢氧化钾加入银氨悬浮液中，常温下以300r/min转速搅拌30min，得银氨络合物溶液，将葡萄糖、酒石酸钾钠加入剩余1/2重量份的去离子水中，在90℃的水浴条件下以200r/min转速搅拌30min，得葡萄糖混合溶液，将聚乙二醇、份无水乙醇加入葡萄糖混合溶液中，常温下以250r/min转速搅拌40min，得还原剂溶液，将氮化铝陶瓷、还原剂溶液加入银氨络合物溶液中，在60℃的水浴条件下以300r/min转搅拌4h，过滤，取滤饼，用去离子水洗涤5次，置于80℃的烘箱中干燥2h，常温冷却，得LED用高导热陶瓷材料。