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布莱顿主客场球衣:研究氧化工藝對膜層絕緣導熱性能的影響及變化規律

來源:原創論文網 添加時間:2019-09-29

布莱顿西服 www.ybzmtt.com.cn 材料學碩士論文精心編輯6篇第四篇:研究氧化工藝對膜層絕緣導熱性能的影響及變化規律

摘要

  針對傳統LED封裝結構中鋁基板絕緣層導熱性差的現狀,本課題通過不同脈沖寬度的微弧氧化和不同電解液體系的陽極氧化工藝在鋁基板表面制備氧化膜,替代傳統鋁基板中環氧樹脂絕緣層。借助XRD、sEM等檢測手段,并對所制備膜層的微觀形貌、物相及耐蝕性進行了檢測分析,系統研究了氧化工藝對膜層絕緣導熱性能的影響及變化規律,為微弧氧化和陽極氧化工藝在鋁基板領域的應用提供借鑒參考和數據支持。

  研究表明:鋁基板表面微弧氧化膜層隨著脈沖寬度的提升,厚度先升高后下降,表面爆熔微孔數量和尺寸逐漸增加,氧化膜中主要成分⒍A12O3和γ-A12O3兩相比值逐漸增加;隨脈沖寬度的提升,鋁基板表面微弧氧化膜層的體積電阻率逐漸增加,擊穿電壓先升高后下降,導熱系數略微上開:在SO0Hz的脈沖頻率下,當脈沖寬度為gOous時,膜層具有最佳的綜合絕緣性能,體積電阻率高達8.6×1014Ω·cm,擊穿電壓為1240V,滿足鋁基板絕緣層的體積電阻率應大于∴10】0Ω·cm,擊穿電壓應高于1010V的使用要求。同時導熱系數為".⒆W/m·k,比環氧樹脂高兩個數量級。

  硫酸、草酸、混合有機酸三種電解液體系制備的鋁基板表面陽極氧化膜層,厚度都隨電解液濃度的升高先增加后下降,硫酸和草酸陽極氧化膜層表面通孔尺寸和孔隙率隨電解液濃度提升而升高,混合有機酸陽極氧化膜層表面通孔結構和尺寸不受電解液濃度變化而變化。當硫酸濃度為140g/L、草酸濃度為ωg/L、混合有機酸配比為100g/L磺基水楊酸加40g/L蘋果酸時,制備的陽極氧化膜層擁有最佳的絕緣性能:硫酸氧化膜的體積電阻率為6.2×1011Ωcm,擊穿電壓為1420V:草酸氧化膜的體積電阻率為3.6×1012Ω·cm,擊穿電壓為120OV;混合有機酸氧化膜的體積電阻率為7.1×1013Ωcm,擊穿電壓為15sOV,都較好得滿足了鋁基板對絕緣性能的相關要求,此時三種陽極氧化膜層的導熱系數分別為15,弘W/m·K、17.53W/Im·K、⒛。⒛W/m·K,與環氧樹脂相比表現出良好的導熱性能。電化學阻抗結果表明微弧氧化及混合有機酸陽極氧化膜層的耐蝕性優異,對電解液中離子侵蝕能起到較強的屏蔽作用,確保鋁基板后期刻蝕銅箔電路時不受侵蝕。

  關鍵詞:鋁基板;微弧氧化;陽極氧化;體積電阻率;擊穿電壓;導熱系數

鋁基板

目錄

  1緒論

  1.1引言

  發光二極管(LightEmittingDiode,LED)是一種能夠將電能轉化為光能的半導體固態照明電子元件。從二十世紀六十年代出現到現在,其發展已經歷了近六十年的時間。LED與白熾燈、熒光燈、氣體放電光源等傳統照明設備相比,有著諸多無法比擬的優點與更加廣泛的使用場景,被稱為第四代光源技術革命[1-4].其優點主要表現為:

 ?。?)綠色節能。LED的光電轉化效率較高,較同等亮度的白熾燈能夠減少約80%的能耗[5].隨著中國工業化及城市化進程的不斷推進,照明所需能耗迅速攀升,采用LED光源替代傳統照明設備能夠減輕巨大能源消耗對環境產生的影響。此外,LED生產制備中不含汞等重金屬污染物,避免了回收報廢時產生的二次污染;

 ?。?)LED使用壽命較長。其正常工作壽命可達數萬小時,遠遠高于2500~3500小時工作壽命的熒光燈及平均僅有1000小時工作壽命的白熾燈,即使在高頻率的開關下也不會對其壽命產生影響[6];

 ?。?)使用安全。LED結構中不包含傳統照明設備普遍存在的玻璃?;ふ?,無需抽真空或注入特殊氣體,因此,LED的抗震及抗沖擊性能良好。同時,LED的工作電壓更低,通常使用3~24V的直流電源,因而具有更高的安全系數[7];

 ?。?)LED響應速度極快,通常為微秒甚至納秒級別,而白熾燈等光源響應時間為毫秒級甚至更長;

 ?。?)LED的體積非常小,便于布置設計于更多應用領域

 ?。?)發光效果優異。LED發光集中,光衰減低,可以利用透鏡等方式達到所需集散程度。同時LED具有豐富的色域范圍,能夠在不加濾光器的情況下發出各種色光,色域范圍可控且純凈。LED與傳統光源相比具有巨大優勢,因而被應用于越來越廣闊的使用場景:除了普通照明領域,LED在背光照明、道路交通指示、交通工具照明、招牌廣告顯示、農業、漁業及醫療業等各種領域都發揮著愈加重要的作用[8-10]

  1.2LED封裝基板類型

  隨著LED行業的發展,LED的光通量與功率逐年提升,早期引腳式的結構已經不能滿足LED的散熱需求,功率型的LED會在工作時產生大量的熱量,如果不能及時將其產生的熱量從內部導出,將使LED工作溫度迅速升高,進而導致光通量的降低與壽命的縮減,因此,采用合適的散熱封裝結構設計使LED工作時產生的熱量及時導出,對保證其良好的發光效果與使用壽命的延長起著至關重要的作用?;遄魑庾敖峁辜俺性匭酒鬧匾槌剎糠?,主要有以下幾種類型:

 ?。?)樹脂基板:樹脂基板采用環氧樹脂作為基體,并用高性能的酚醛樹脂作為固化劑制作而成。目前應用較為普遍的樹脂基板材料有:聚苯醚樹脂(PPE)、聚酰亞胺樹脂(PI)、及雙馬聚酰亞胺三嗪樹脂(BT)等[11],環氧樹脂具有較高的玻璃化溫度,較低的介電常數與熱膨脹系數,同時樹脂基板成型簡單,模具及配套設備要求低,價格低廉,因此在LED基板中還存在較多應用,然而樹脂基板成型效果粗糙,易產生裂紋和毛刺,并且起散熱作用主要為金屬引線和支架,散熱能力極為有限,一般僅適用于功率較小或低集成度的LED陣列元器件封裝。

 ?。?)陶瓷基板:陶瓷材料板材制備容易,同時具有較好的機械強度、優異的絕緣性能、超高的化學穩定性與較好的導熱系數等諸多優點,同樣適合用于LED封裝結構基板,目前陶瓷基板在LED封裝領域已有一定應用,常見陶瓷基板的材料及性能參數如表1-1所示。

  幾種陶瓷基板材料中,都有各自的優缺點:氧化鋁制備簡單方便,來源廣泛,價格便宜,不論從絕緣性能、耐熱性、化學穩定性、機械強度等方面等有良好的表現,但氧化鋁的導熱系數相對其他絕緣陶瓷較低,僅適合作為薄膜材料,當基板整體都使用氧化鋁制備時,難以滿足大功率LED基板的封裝要求;AlN晶體屬于寬禁帶、直接帶隙材料,具有較高的導熱系數,同時擁有良好的絕緣強度,是理想的LED基板材料,但AlN基板成型極為復雜,優質AlN粉體合成成本高昂,限制了其大規模的應用;SiC具有金剛石結構,擁有良好的機械強度與導熱系數,不過其絕緣性能較差,電阻率與擊穿強度偏低,介電常數偏大,不適合作為LED基板材料;BeO作為封裝基板材料來說絕緣及導熱性能都比較優異,然而BeO本身有毒,對人體和環境危害較大,生產制備過程中需要大量防毒設備投入,目前日本和歐洲已限制其生產制備和應用,國內也僅有少量軍工產品使用該材料;六方氮化硼具有良好的綜合絕緣導熱性能,但作為基板材料來說沒有什么優勢且價格昂貴,目前還處于研究與推廣階段[13-16].

 ?。?)金屬芯印刷電路板:金屬芯印刷電路板(MetalCorePrintedCircuitBoard,MCPCB)利用導熱系數相對較高的金屬(如鋁、銅)通過一定技術與印刷電路板相結合,以強化封裝結構的散熱效果,其結構通常為由金屬基層、絕緣層、電路層組成的三明治結構。優點為:成本低廉,能夠實現大規模大尺寸量產,同時擁有較好的絕緣導熱效果,目前在大功率的LED封裝中處于主導地位,能夠滿足集成度較高、功率較大的LED器件對基板的使用要求[17].常見的金屬芯印刷電路板有鐵基板、銅基板和鋁基板。鐵基板所具備的電磁特性是其他金屬基板所沒有的,同時具有良好的尺寸穩定性,便于加工且價格低廉,然而鐵基板比重大,易被腐蝕,且熱傳導性能與銅基板、鋁基板相比較差[18].銅作為基板使用時,導熱性極好,能夠快速傳導并散失熱量,但其重量較大,價格昂貴,且存在端面易氧化的缺點[19].相比之下鋁基板具有極高的熱導率,同時價格低廉,尺寸穩定,可塑性好,容易進行剪切沖擊加工,因此鋁基板是最為理想的金屬基板,在LED封裝基板中占據了絕大多數市場[20].

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  1.3 鋁基板研究進展
  1.3.1 鋁基板結構與原理
  1.3.2 鋁基板發展現狀

  1.4 鋁基板絕緣層制備新工藝
  1.4.1 微弧氧化
  1.4.2 陽極氧化
  1.4.3 新工藝制備絕緣層實例

  1.5 微弧氧化與陽極氧化膜層絕緣導熱特性
  1.5.1 氧化膜的絕緣性能及影響因素
  1.5.2 氧化膜的導熱性能及影響因素

  1.6 課題研究意義與內容
  1.6.1 課題研究意義
  1.6.2 課題研究內容及技術路線圖

  2 實驗設備及研究方法
  2.1 實驗材料
  2.2 微弧氧化工藝制備氧化膜
  2.3 陽極氧化工藝制備氧化膜

  2.4 氧化膜的性能測試
  2.4.1 氧化膜的厚度測試
  2.4.2 氧化膜的微觀形貌觀察
  2.4.3 氧化膜的物相成分分析
  2.4.4 氧化膜的絕緣性能測試
  2.4.5 氧化膜的電化學阻抗測試
  2.4.6 氧化膜的導熱系數測試

  3 微弧氧化膜層的微觀形貌及絕緣導熱性能
  3.1 微弧氧化膜層的厚度及微觀形貌
  3.2 微弧氧化膜層的物相組成
  3.3 微弧氧化膜層的絕緣性能
  3.3.1 微弧氧化膜層的電阻率
  3.3.2 微弧氧化膜層的擊穿電壓

  3.4 微弧氧化膜層的電化學阻抗
  3.5 微弧氧化膜層的導熱性能
  3.6 本章小結

  4 陽極氧化膜層的微觀形貌及絕緣導熱性能
  4.1 硫酸陽極氧化膜層形貌及絕緣性能
  4.1.1 硫酸陽極氧化膜層形貌
  4.1.2 硫酸陽極氧化膜層的絕緣性能

  4.2 草酸陽極氧化膜層形貌及絕緣性能
  4.2.1 草酸陽極氧化膜層形貌
  4.2.2 草酸陽極氧化膜層的絕緣性能
  4.3 混合有機酸陽極氧化膜層形貌及絕緣性能
  4.3.1 混合有機酸陽極氧化膜層形貌
  4.3.2 混合有機酸陽極氧化膜層的絕緣性能

  4.4 陽極氧化膜層的物相成分分析
  4.5 陽極氧化膜層的電化學阻抗
  4.6 陽極氧化膜層的導熱性能
  4.7 本章小結

5結論

  本課題采用不同脈沖寬度的微弧氧化及硫酸、草酸和混合有機酸三種電解液體系的陽極氧化工藝在鋁基板的表面制備氧化膜層,取代目前主要以環氧樹脂為原料的鋁基板絕緣層,以改善絕緣層導熱性能較差的現狀。并對制備的氧化膜的厚度、微觀結構、物相、耐蝕性及絕緣導熱性能進行測試分析,得到如下結論:

 ?。?)隨脈沖寬度的提升,鋁基板微弧氧化膜層的厚度先增大后減??;表面爆熔微孔的數量逐漸增多,尺寸逐漸增大;膜層的主要成分為α-Al2O3和γ-Al2O3中,且α-Al2O3所占比例隨脈沖寬度增大逐漸提升。同時,膜層的體積電阻率隨脈沖寬度的增加有所提升;但膜層擊穿電壓隨脈沖寬度的提升先升高后下降;脈沖寬度為800μs時制備的氧化膜綜合絕緣性能最好,擊穿電壓達到1240V,體積電阻率高達8.6×1014Ω?cm.

 ?。?)鋁基板表面陽極氧化膜層厚度隨各體系電解液濃度增加先升高后下降,硫酸和草酸陽極氧化膜層孔隙率隨電解液濃度增加而增大,混合有機酸濃度對膜層孔隙尺寸及孔隙率無明顯影響。膜層體積電阻率不受電解液濃度變化而變化,其中混合有機酸陽極氧化膜層體積電阻率最高,硫酸陽極氧化膜層體積電阻率最低,但都大于1010Ω?cm,表現出良好的絕緣性,各體系下陽極氧化膜層擊穿電壓與膜層厚度變化呈一致性,當硫酸濃度為140g/L、草酸濃度為60g/L、混合有機酸配比為100g/L磺基水楊酸加40g/L蘋果酸時,陽極氧化膜擊穿電壓最高,分別達到1420V、1200V和1580V.

 ?。?)鋁基板表面微弧氧化膜層整體表現出良好的耐蝕性與對電解液離子的屏蔽能力,且隨脈沖寬度的增大,耐蝕性增強。而不同電解液體系制備的陽極氧化膜層中,混合有機酸制備的陽極氧化膜層具有良好的耐蝕性與電解液離子屏蔽能力,但硫酸陽極氧化膜層對鋁基體的?;ば越喜?。

 ?。?)微弧氧化膜層的導熱系數隨電源脈沖寬度的提升略有升高,硫酸和草酸陽極氧化膜層的導熱系數隨電解液濃度的提升略有減小,混合有機酸濃度對膜層導熱系數無顯著影響。幾種鋁基板表面制備的氧化膜中,微弧氧化膜層的導熱系數最高,達27.26W/m?K,混合有機酸陽極氧化膜層次之,草酸陽極氧化膜層與硫酸陽極氧化膜層最低,但與環氧樹脂相比都表現出較強的導熱性能,導熱系數高兩個數量級。

  致謝
  參考文獻

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