高反射率LED 陶瓷基板制備及其COB 封裝光源光效的研究

吳崇雋

(鄭州中瓷科技有限公司，鄭州市功能陶瓷工程技術研究中心，河南 登封 452470)

0 引 言

普通陶瓷基板一般是用氧化鋁粉體通過流延、軋膜或凝膠注模等方法成型，在高溫下燒結制成片狀陶瓷板材。在陶瓷基板上印刷厚膜電路，就可以成為LED 用陶瓷電路板。高反射率陶瓷基板比普通的氧化鋁陶瓷基板在反射率上有很大提高，可以提高LED 光源的發光效率；在同等光通量的情況下，可減少在基板上搭載的LED 芯片數量，降低LED 的生產成本[1]。

普通陶瓷基板和鏡面鋁基板進行COB（Chips on Board）封裝后，由于鏡面鋁基板的熱導率和反射率高于普通陶瓷基板，所以用鏡面鋁基板封裝的光源，其發光效率高于普通陶瓷基板[2]。通過測量，陶瓷基板的抗擊穿電壓大于15kV/mm，而鏡面鋁基板的抗擊穿電壓指標只有2.5kV/mm。普通陶瓷基板的反射率是92%，鏡面鋁基板的反射率是98%，通過提高陶瓷基板的反射率，從而提高陶瓷基板COB 封裝光源的光效。陶瓷基板有絕緣的優勢，在有擊穿電壓要求的LED 領域，陶瓷基板就有廣泛的用途。

在氧化鋁陶瓷基板中摻雜Y2O3、MgTiO3、CaTiO3等添加劑可以提高陶瓷基板的介電常數[3]。本文在氧化鋁陶瓷基板中，提高氣孔率，摻雜不同的氧化物，尋找提高陶瓷基板反射率的方法。用不同反射率陶瓷基板封裝的COB 光源作為試驗組，鏡面鋁基板封裝的COB 光源作為對比組，研究陶瓷基板的反射率。與其封裝的COB 光源的光效之間的關系，驗證高反射率陶瓷基板封裝光源的光效，是否能夠達到鏡面鋁基板封裝光源的光效。

1 高反射率陶瓷基片的制備

1.1 試驗設計

在陶瓷體系中最大的反射效應取決于粒子與介質的相對折射率（m=n粒子/n介質），菲涅爾（Fresnel）公式說明，完全光滑表面上的鏡面反射率是由折射率決定的：

R是反射率，n1，n2分別是兩種介質相對于真空的折射率。當n1，n2差值越大，反射率越高。

從微觀角度看，光學現象都是光子散射的統計結果。所以，反射也是一種散射行為，散射顯著受到粒子尺寸的影響，最大的散射發生在粒子尺寸與輻射波長相等的時候[4]。

在普通陶瓷基板中，加大粒子之間的相對折射率，控制粒子的尺寸與入射光波長盡量接近，適當增加陶瓷基板的厚度，都可以提高陶瓷基板的反射率。

1.1.1 方案一

氧化鋁陶瓷中，氧化鋁晶體相的折射率n1=1.76，氣孔相的折射率n2=1，從而得到1.76 的高相對折射率。通過提高陶瓷基板的反射率，可以提高基板氣孔率。在氧化鋁粉體中加入4%的燒結助劑，通過調節燒成溫度，獲得不同密度和氣孔率的96%氧化鋁陶瓷基板，用來驗證氣孔率對陶瓷基板反射率的影響。

1.1.2 方案二

為了在提高氧化鋁陶瓷反射率的同時，不降低其抗彎強度，故在氧化鋁體系中摻雜折射率差值大的氧化物。吸收系數大的材料其反射率低，因此摻雜氧化物應該為白色；ZnO、SnO2、ZrO2的折射率分別為2.0、2.0、2.2，而且是適合氧化鋁陶瓷燒結的白色氧化物。

將ZnO、SnO2、ZrO2分別與Al2O3組成不同的原料配方列為表1 所示。按此配方制得陶瓷基板，用來驗證摻雜高折射率氧化物能否提高陶瓷基板反射率。

1.2 基板的制備

高反射率陶瓷基板采用α 氧化鋁粉為主要材料，試驗用氧化鋁粉體的主要指標如下，Al2O3：99.69%；SiO2：0.064%；Fe2O3：0.021%；NaO：0.015%；灼燒：0.21%；加入SiO2、MgO、CaO、Y2O3、CeO2中的一種或幾種作為燒結助劑，調節基板的燒成溫度和氣孔率；用ZnO、SnO2、ZrO2分別摻雜到氧化鋁里面，用于提高反射率和抗彎強度；選用無水乙醇和丁酮的二元共沸混合物做溶劑，磷酸酯作為分散劑，聚乙烯縮丁醛做粘接劑，鄰苯二甲酸二丁酯做增塑劑。

表1 摻雜氧化鋁陶瓷基板的配方Tab.1 Formulation of doped alumina ceramic substrate

首先將氧化鋁粉體、燒結助劑或摻雜氧化物、分散劑和溶劑加入球磨機，球磨分散24 小時后，再加入粘接劑和增塑劑二次球磨24 小時，從球磨機里出料，通過真空脫泡獲得粘度為20000-24000mPa·s 的流延漿料，在流延機上流延成型，用沖床裁切成長141mm、寬141mm、厚1.18mm 的流延生坯片；所得流延生坯片在1580℃-1610℃的窯爐中燒結，高溫保溫3.5h，燒結成120×120×1.0mm 規格的陶瓷基片，作為測試分析用。

試驗中所涉及的儀器設備如無特別說明，均為常規儀器設備；所涉及的工業原料如無特別說明，均為市售常規工業原料。

1.3 性能測試及表征

將試驗方案一和試驗方案二所得到的陶瓷基板進行測試。采用場發射掃描電鏡觀察燒后樣品的微觀形貌和結構；采用阿基米德排水法測量燒結樣品的體積密度；采用三點彎曲法測量樣品的抗彎強度；采用WSB-2 臺式白度儀測量樣品的白度；采用C84-Ⅲ反射率測定儀測量陶瓷基片的反射率。

2 結果與討論

2.1 氧化鋁陶瓷基板的性能和結構

將試驗方案一所制備的96%氧化鋁陶瓷流延生坯在不同的溫度下燒成，得到了不同密度的陶瓷基板，具有性能如表2 所示。

將96%氧化鋁陶瓷基板氣孔率從小到大作為橫坐標，對應的反射率和抗彎強度作為縱坐標，制得圖1。

由圖1可以看出，當陶瓷基板的氣孔率從3.3%增加到25.4%時，反射率從92.1%增加到102.7%，說明氣孔率的增加，確實導致了反射率的增加；同時，當陶瓷基板的氣孔率增加時，抗彎強度也從425MPa降低到167MPa，說明盡管氣孔率增加，使得反射率增加，但是也導致了抗彎強度下降。如果抗彎強度低于300MPa，陶瓷基板容易斷裂，也不符合96 氧化鋁陶瓷基板的國家標準[5]，沒有實用性。

表2 不同密度的96%氧化鋁陶瓷基板的性能Tab.2 Performance of 96% alumina ceramic substrates with different densities

圖1 氣孔率對氧化鋁陶瓷基板反射率和抗彎強度的影響Fig.1 Effect of porosity on reflectance and flexural strength of alumina ceramic substrate

將96%氧化鋁陶瓷基板斷面進行電子顯微鏡掃描，觀察陶瓷基板微觀氣孔和氧化鋁晶粒的形貌和尺寸，按照氣孔率從小到大，如圖2 所示。

由圖2 陶瓷基板的顯微照片可以看出，當氣孔率只有3.3%時，陶瓷燒結完成，氣孔很少，抗彎強度高，反射率低。當氣孔率為10.4%時，氣孔的直徑接近1μm，由于氣孔的折射率接近于1，氧化鋁固體的折射率為1.76，從而得到接近1.8 的高相對折射率，使得基板的反射率也高達99.7%，抗彎強度降到247MPa。當氣孔率25.9%時，陶瓷基板沒有燒結，有大量0.5μm 左右的小氣孔?？梢姽獠ㄩL范圍是0.39μm-0.76μm。當氣孔的直徑與可見光的波長相近時，陶瓷基板的反射率增加。此時，陶瓷基板的反射率超過了標準板的反射率，達到102.7%；白度也超過標準白板的白度，達到100.3%，但是抗彎強度只有167MPa。因此，單純靠提高氣孔率，想把陶瓷基板的反射率提高到99%以上，會導致陶瓷基板強度下降，不能作為工業產品正式推向市場。

圖2 不同氣孔率的96%氧化鋁陶瓷基板SEM 斷面圖Fig.2 SEM cross-section images of 96% alumina ceramic substrates with different porosities

2.2 摻雜氧化鋁陶瓷基板的性能和結構

為了彌補氣孔率上升導致抗彎強度下降的影響，在氧化鋁基板里摻雜白色氧化物，尋找既能增加反射率，又能提高抗彎強度的方法。將試驗方案二不同摻雜配方的陶瓷基片板分別測量密度、抗彎強度、氣孔率度和反射率，測試結果如表3 所示。

表3 不同摻雜配方的氧化鋁陶瓷基板性能Tab.3 Properties of alumina ceramic substrates with different doping formulations

表3 的測試結果表明，摻雜ZnO 的1#配方抗彎強度偏低，反射率98.4%，大于普通陶瓷基板92%的反射率；摻雜SnO2的2#配方，白度最高，反射率達到99.6%，是所有配方中最高的，抗彎強度385MPa，大于國家標準要求的300MPa，是高反射率陶瓷基板的可選配方；摻雜ZrO2的3#配方，抗彎強度為412MPa，達到目前質量較好的96%氧化鋁陶瓷基板的指標，反射率也達到99.2%的高水平，可以成為優良品質的高反射率陶瓷基板；當ZrO2含量增加一倍，到達15%時，陶瓷基板的抗彎強度達到787MPa，反射率也達到98.6%的高水平。由此可見，4#配方可以制成高強度、高反射率的陶瓷基板。

為了觀察摻雜氧化物和氧化鋁的晶粒分布和粒徑大小，將不同摻雜配方的陶瓷基板進行電子顯微鏡背散射掃描，如圖3 所示。

分析四種不同摻雜配方陶瓷基片的掃描電鏡照片和性能測試結果可以發現，1#配方氣孔率為8.8%，晶粒發育不好，抗彎強度只有315MPa，不推薦用作陶瓷基板；2#配方從顯微照片看燒結較好，氣孔率卻高達10.1%，反射率是最高的達到99.6%，抗彎強度也達到實用的385MPa，可以用作高反射率陶瓷基板；3#和4#配方，摻雜的是ZrO2，其折射率為2.2，在摻雜的幾種原料中是最高的。相對Al2O3折射率為1.25，從背散射照片來看，白色晶粒是ZrO2，晶粒尺寸在1μm 左右，接近入射光的波長。其中3#配方氣孔率達到8.5%，與折射率較大的ZrO2同時起作用，使得反射率達到99.2%。從成本來說，3#配方成本較低，反射率較高，抗彎強度也達到氧化鋁陶瓷基板的要求，推薦用于高反射率陶瓷基板；4#配方摻雜 ZrO2較多，氣孔率只有3.4%，反射率仍然到達98.6%，說明1μm 左右的ZrO2晶粒起到了反射可見光的作用。隨著ZrO2含量的增加，抗彎強度高達787MPa，說明ZrO2不僅提高反射率，也起到了相變增韌提高陶瓷基板抗彎強度的作用。但是這個配方生產成本較高，適用于高強度陶瓷基板。

圖3 四種不同配方的摻雜氧化鋁陶瓷基板SEM 背散射圖Fig.3 SEM backscattering images of doped alumina ceramic substrates with four different formulations

3 COB 封裝光源光效

3.1 中瓷高反射率陶瓷基板和日本普通陶瓷基板封裝成COB 后光效的比較

3.1.1 COB 封裝

試驗組支架采用3#配方制成的1512 中瓷99%反射率陶瓷基板，對比組支架采用1512 日本進口92%反射率常規陶瓷基板；芯片采用三安17*34(452.5-455/183-190/3.0-3.1)，27 個芯片9 個串聯3 組并聯；烘烤條件為150℃保溫3H；測試機臺是ATA-1000 遠方測試儀；測試條件為300 ma/30V；試驗組和對比組各封裝5 個COB 光源。

封裝好的1512COB 光源如圖4 所示。

圖4 試驗組COB：中瓷1512 高反射率基板（99%）Fig.4 COB test group:Sinocream 1512 high reflectivity ceramic substrate (99%)

圖5 對比組COB：日本1512 常規反射率基板（92%）Fig.5 Comparison group:Japanese 1512 conventional reflectivity substrate (92%)

3.1.2 測試結果與分析

上述試驗結果如表4、表5 所示：二組物料試驗打靶落點位置相當，色區60G；試驗組高反射率陶瓷基板1512COB 平均亮度為1093.0lm，光效為136.67lm/w；對比組日本普通陶瓷基板1512COB平均亮度為1030.5lm，光效為128.41lm/w；高反射率基板比常規反射率基板平均亮度高出62.5lm，光效高出6.43%。

試驗證明：99%反射率陶瓷基板比普通92%反射率陶瓷基板的光效也成比例高出相應的6%-7%。

表4 試驗組中瓷99%反射率基板1512COB 測試結果Tab.4 1512 COB test results of Sinocream 99% reflectivity ceramic substrate in test group

表5 對比組日本常規92%反射率陶瓷基板1512COB 測試結果Tab.5 1512 COB test results of Japanese 92% conventional reflectivity ceramic substrate in comparison group

3.2 中瓷高反射率陶瓷基板和德國鏡面鋁基板封裝成COB 后光效的比較

3.2.1 COB 封裝

試驗組支架采用3#配方制成的1919 中瓷99%高反射率陶瓷基板，對比組支架采用1919 德國進口98%反射率鏡面鋁基板；芯片采用三安1231/452.5-455/190-197/3.0-3.1/120mA/厚度150μm，108顆芯片，54 個串聯2 組并聯；測試機臺是ATA-1000遠方測試儀，測試條件為300 mA/ 160-170V。試驗組和對比組各封裝8 個COB 光源。

封裝好的1919COB 如圖6、圖7 所示。

3.2.2 測試結果與分析

上述試驗結果如表6、表7 所示：高反射率陶基板1919COB 平均亮度4840lm，光效95.82lm/w；鏡面鋁基板1919COB 平均亮度4755lm，光效94.66lm/w；高反射率陶基板COB 比鏡面鋁基板COB 的光效高1.22%。

圖6 試驗組COB：中瓷1919 高反射率陶瓷基板Fig.6 Test group COB:Sinocream 1919 high reflectivity ceramic substrate

圖7 對比組COB：德國1919 鏡面鋁基板Fig.7 Comparison group COB:Germany 1919 mirror aluminum substrate

表6 試驗組中瓷99%反射率陶基板1919COB測試結果Tab.6 1919 COB test result of Sinocream 99%reflectivity ceramic substrate in test group

試驗證明：99%高反射率陶瓷基板封裝的COB 光源比98%反射率鏡面鋁基板封裝的COB光源，其光效也成比例的高出1-2%。

表7 對比組德國98%反射率鏡面鋁基板1919COB 測試結果Tab.7 1919 COB test results of German 98% reflectivity mirror aluminum substrate in comparison group

4 結 論

（1）在96%氧化鋁陶瓷基板中增加氣孔率，可以把陶瓷基板的反射率從92.1%，提高到102.7%，相應的抗彎強度從425MPa，降低到167MPa。

（2）在Al2O3中摻雜7.5%SnO2制成的陶瓷基板，反射率可以高達99.6%，抗彎強度能達到385MPa。

（3）在Al2O3中摻雜7.5%的ZrO2制成的陶瓷基板，反射率達到99.2%，抗彎強度為412MPa，由于其生產成本低，適合用于高反射率陶瓷基板。

（4）在Al2O3中摻雜15%的ZrO2制成的陶瓷基板，抗彎強度可以高達787MPa，反射率可以達到98.6%。

（5）采用7.5%ZrO2摻雜的99%高反射率陶瓷基板制成的1512COB，比采用92%反射率普通陶瓷基板制成的1512COB，光效高出6%-7%。

（6）采用 99%高反射率陶瓷基板制成的1919COB，比采用98%反射率鏡面鋁基板制成的1919COB，光效高出1%-2%。

（7）用高反射率陶瓷基板制作的LED 電路板，與鏡面鋁LED 電路板的生產成本相比略低，用高反射率陶瓷基板封裝的COB 光源的光效，比鏡面鋁基板封裝的COB 光源的光效略高，而陶瓷基板的耐電壓沖擊能力比鏡面鋁基板大約高6 倍。