CN102820418A - 一种半导体照明用绝缘导热膜层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体照明用绝缘导热膜层材料及其制备方法，其特征是依次由基材(1)；铝过渡层(2)和氮化铝膜层(3)构成。其制备方法依次包括离子束清洗基材，沉积铝过渡层和氮化铝层。本发明提供的一种半导体照明用绝缘导热薄膜材料具有良好的膜/基体结合力，高的热导率以及优异的绝缘性能，是一种适合用于半导体照明的金属散热板与芯片之间的绝缘导热材料。

Description

一种半导体照明用绝缘导热膜层材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面膜层材料及其制备方法，特别涉及一种半导体照明用绝缘导热膜层材料及其制备方法。

背景技术

目前，由于大功率LED封装结构和工艺复杂，一直是近年来该领域的研究热点。在当前的技术水平下，大功率LED将电能转化为光能的效率很低，大部分以热能的形式散发出去。如果LED封装散热不良，会使芯片温度升高，引起应力分布不均、芯片发光效率降低、荧光粉转换效率下降等一系列后果，进而缩短LED的正常工作寿命。近年来，国际学术界普遍认为，提高封装散热能力是现阶段大功率LED亟待解决的关键技术之一。散热材料必须具有高的电绝缘性能、高稳定性、高热导率与芯片相近的热膨胀系数等。传统的散热金属材料具有较好的热导率，如Cu、Al，其热导率分别为400W/(m·K)和200W/(m·K)，且具有足够的机械自支撑强度，但是其热膨胀系数分别为17×10^-6/K和22×10^-6/K，热膨胀系数过大，如热膨胀系数为5.9×10^-6/K的GaAs芯片，难以与其匹配。另外，当Cu、Al等应用于LED散热时，金属散热板与芯片之间需要施加导热胶来绝缘，但施加导热绝缘胶后的热导率会大幅度下降，目前使用的高导热绝缘胶的热导率大部分仍在20W/(m·K)，如此低的导热性，无疑是制约LED向大功率、高亮度发展的瓶颈。

氮化铝(AlN)具有很多优异的性能：高热导率(300W/(m·K)、高击穿场强(14×10⁶V/cm)、高禁带宽度、高化学和热稳定性等，如此优异的性能正是解决LED散热问题所需要的。用粉末冶金的法方制备的块体AlN陶瓷可用于LED作为散热材料，但存在加工难度大，造价昂贵且易于破碎的问题。陈勇(高导热绝缘氮化铝薄膜的制备、性能及在LED上的应用研究，重庆大学硕士学位论文，2008)采用直流和射频磁控溅射法制备AlN薄膜，并在实验室证实了AlN薄膜有提高LED灯的散热能力。但文中也表达了所制备AlN薄膜的热导率不足，需寻找更好的制备方法和进一步优化沉积工艺以提高AlN薄膜的热导率和绝缘性能。

综上所述，利用表面工程技术，在保持Al和Cu基体的机械强度和韧性的同时，又能发挥导热、绝缘及热膨胀系数与芯片匹配的功能，从而大大提高了关键部件的实用性和适应性，具有巨大的应用潜力。AlN膜层欲成功应用于散热材料，必须同时具备高的膜/基体结合强度、良好的热导率和绝缘性能，因此对于其制备技术具有很高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决大功率LED散热问题的膜层材料，该膜层材料取代导热绝缘胶，具有高的薄膜与基体结合力、良好的热导率和高的电阻率。

本发明的另一个目的是提供一种所述半导体照明用绝缘导热膜层材料的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：所述的一种半导体照明用绝缘导热膜层材料依次由基材1、铝过渡层2和氮化铝膜层3构成。

所述的基材1为铝及铝合金或铜及铜合金。

所述的一种半导体照明用绝缘导热膜层材料的制备方法是采用铝做靶材，在达到本底真空：5.0×10^-3Pa，温度：150～250℃，工件架转速：1～5rpm条件下，依次包括以下步骤：

①离子束清洗基材：炉内压强：0.2～0.6Pa，Ar气流量：100～250sccm，离子源：2.0～5.0kW，负偏压：500～1000V，时间：20～40min；

②铝过渡层沉积：炉内压强：0.2～0.5Pa，Ar气流量：150～250sccm，中频磁控溅射铝靶功率：5.0～9.0kW，离子源：0.5～1.0kW，负偏压：100～200V，时间：5～15min；

③氮化铝膜层沉积：炉内压强：0.3～0.6Pa，Ar气流量：100～200sccm，N₂气流量：30～60sccm，离子源：1.0～3.0kW，中频磁控溅射铝靶功率：5.0～9.0kW，负偏压：50～150V，时间：120～300min。

本发明沉积金属铝过渡层是因为其与铝及铝合金或铜及铜合金等的粘附性好，该层的厚度为50～200nm。

本发明采用离子束辅助中频磁控溅射技术，利用阳极层流型气体离子源离化N₂，与此同时开启中频磁控溅射Al金属靶，进而制备一种半导体照明用绝缘导热膜层材料。本发明的优点是：沉积速率快，相比于分子束外延、金属有机物化学气相沉积等方法其沉积速率高出一个数量级。其次，通过离子源离化反应气体，提高离化率，促进化合生成氮化铝相。最后，采用中频磁控溅射可有效地解决直流磁控溅射存在的“靶中毒”和“打弧”问题。“靶中毒”可引起沉积速率大幅度下降，而“打弧”会使所沉积的膜层质量下降，避免了采用射频电源带来的对设备及操作者潜在的危害。利用氮化铝膜具有良好的热导率与高的电阻率，将其作为LED散热材料，既能很好地散热，又能替代导热胶起到绝缘的作用，解决目前半导体照明普遍使用的在金属散热板与芯片之间绝缘胶导热性差的技术瓶颈。

附图说明

图1为本发明的一种半导体照明用绝缘导热膜层材料结构示意图。

图中：基材1、铝过渡层2和氮化铝层3。

具体实施方式

实施例1～3分别按表1～3所列工艺流程和参数操作。采取的性能测试方法如下：

(1)膜层厚度通过扫描电镜截面法观察来测量。

(2)膜/基结合力采用薄膜结合强度划痕试验仪测量，加载速度为100N/min，划行速度为5mm/min，划行时间为1分钟。

(3)膜层热导率采用激光闪光导热仪测量。

(4)薄膜电阻率采用四探针法进行测量。

实施例1

表1AlN膜层工艺流程表

采用Al靶材，气体为99.99％的氩气和氮气，将Al及Al合金基板放置在多功能离子镀膜机，依次沉积Al/AlN层，厚度分别为55nm和1100nm。膜层总厚度为1155nm，膜基结合力为55N，膜基复合热导率为216.9W/(m·k)，电阻率为5.6×10⁶Ω·cm。

实施例2

表2AlN膜层工艺流程表

采用Al靶材，气体为99.99％的氩气和氮气，将Al及Al合金基板放置在多功能离子镀膜机，依次沉积Al/AlN层，厚度分别为125nm和1600nm。膜层总厚度为1725nm，膜基结合力为50N，膜基复合热导率为231.3W/(m·k)，电阻率为3.4×10⁸Ω·cm。

实施例3

表3AlN膜层工艺流程表

采用Al靶材，气体为99.99％的氩气和氮气，将Cu及Cu合金基板放置在多功能离子镀膜机，依次沉积Al/AlN层，厚度分别为200nm和2100nm。膜层总厚度为2300nm，膜基结合力为40N，膜基复合热导率为436.7W/(m·k)，电阻率为6.9×10⁷Ω·cm。

Claims (3)

1.一种半导体照明用绝缘导热膜层材料，其特征依次由基材(1)；铝过渡层(2)和氮化铝层(3)构成。

2.根据权利要求1所述的半导体照明用绝缘导热膜层材料，其特征是所述的基材为铝及铝合金、铜及铜合金。

3.权利要求1所述的半导体照明用绝缘导热膜层材料的制备方法，其特征是采用铝做靶材，在达到本底真空：5.0×10^-3Pa，温度：150～250℃，工件架转速：1～5rpm条件下，依次包括以下步骤：

①离子束清洗基材：炉内压强：0.2～0.6Pa，Ar气流量：100～250sccm，离子源：2.0～5.0kW，负偏压：500～1000V，时间：20～40min；

②铝过渡层沉积：炉内压强：0.2～0.5Pa，Ar气流量：150～250sccm，中频磁控溅射铝靶功率：5.0～9.0kW，离子源：0.5～1.0kW，负偏压：100～200V，时间：5～15min；

③氮化铝膜层沉积：炉内压强：0.3～0.6Pa，Ar气流量：100～200sccm，N₂气流量：30～60sccm，离子源：1.0～3.0kW，中频磁控溅射铝靶功率：5.0～9.0kW，负偏压：50～150V，时间：120～300min。

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