六方氮化硼薄片的製造方法與流程

2023-05-30 09:48:27

本發明涉及一種六方氮化硼薄片的製造方法，能夠展現10至40瓦/米·度(w/m.k)的導熱率，這比目前使用的熱管理更加顯著。

背景技術：

增加電路密度且現代電子學的小型化能高效除熱並散熱，對以往的電子設備及系統更是使其可靠運轉的關鍵。因此，此行業可適用於各種熱管理應用的新型導熱材料，且具迫切需要。如果這樣的材料可具電絕緣性，將更有益，因為它們能夠直接應用於電子電路上。

不幸的是，大部分具經濟效益且可行的絕緣材料具低導熱性，這嚴重限制了它們的應用，無法作為高效散熱器。

已經知道的是，大量的六方氮化硼(hbn)具有其它材料中最高基面的熱導率(在室溫下高達400瓦/米·度)，並幾乎與銀相匹配。在六方氮化硼中，最近的興趣在於研究用於熱管理應用的石墨烯電絕緣性。除了優良的介電性能，幾個原子層的六方氮化硼晶體表現出大量價值，並預計可超過高導熱值。可考慮將具有異常高導熱性的六方氮化硼的電絕緣特性罕見的組合，用於最有希望的下一代熱管理材料候選材料。然而，將多層的六方晶氮化硼晶體用於實際應用上，需要使導熱層具可撓性或共形表面，並在較佳方性的導熱通道內具有較小的熱結。這些需求可通過獲取具有六方氮化硼晶體的多個薄片(最好是單層)，而被實現。之前的石墨烯薄片具有相對高的熱導率(高達100瓦/米·度)，證明該石墨烯薄片具完美的塗料特性。不幸的是，這樣的石墨烯薄片的潛在熱管理應用數量被它們的高導電率限制。另一方面，六方氮化硼薄片可預期提供高導熱性及優良的電絕緣性組合，而成為電子工業的典範。

技術實現要素：

本發明的主要目的是提供一種六方氮化硼薄片的製造方法，能夠展現10至40瓦/米·度(w/m.k)的導熱率，這比目前使用的熱管理更加顯著。

本發明的次要目的是提供一種六方氮化硼薄片的製造方法，該六方氮化硼薄片的導熱率可隨著漸增的質量密度而提升，為開啟微調六方氮化硼薄片熱性能的方式。

為了獲致上述目的，本發明所提供的一種六方氮化硼薄片的製造方法，包括步驟：

a)將10至80重量百分比的電介質聚合物溶解在溶劑中；

b)混合20至90重量百分比的六方氮化硼粉末，以形成良好混合的六方氮化硼塗布漿料；

c)將所述漿料塗布於多個基材上，並在攝氏100至150度下進行乾燥，在此處理步驟後，可獲得一層的六方氮化硼薄片；

d-1)對於單一的六方氮化硼膜片，通過滾壓處理，將介電聚合物層由水批中的基材上剝離；

d-2)對於多個基材上的六方氮化硼膜片，在攝氏100至250度下對所述多個基材及多個六方氮化硼薄片進行熱壓，用以形成多層基材。

有關本發明的具體實施方式及其技術特點和功效，下文將配合圖式說明如下。

附圖說明

圖1a是六方氮化硼薄片的光學影像示意圖，其中，對比度的垂直變化是源於充電及1微米的比例尺；

圖1b是六方氮化硼薄片的光學影像剖視圖，其中，比例尺為1微米；

圖2顯示出不同質量密度值ρ的六方氮化硼薄片，在溫度函數t下被測量的熱導率κ；

圖3顯示出六方氮化硼薄片的熱導率κ對應密度函數，在攝氏80度溫度下進行測量，其中，顏色灰階由圖上左至右深淺不同的個別曲線代表在不同數值下接觸熱導率的模擬結果；

圖4為低密度樣本a及高密度樣本b用於數值仿真的薄片模型示意圖，其中，一單一六方氮化硼薄片為一具橫向尺寸1微米×1微米，且厚度為10納米的固體塊。

具體實施方式

本發明一較佳實施例的一種六方氮化硼薄片的製造方法，包括步驟：

a)將10至80重量百分比的電介質聚合物溶解在溶劑中。較佳的 是，所述電介質聚合物為下列聚合物的至少一種，包括聚對苯二甲酸乙酯(petp)，聚苯硫醚(pps)，聚醚醯亞胺(pei)，聚醚醚酮(peek)，聚醚酮(pek)，聚醯亞胺(pi)，聚偏二氟乙烯乙烯(pvdf)，酚醛樹脂或丙烯酸樹脂。

b)混合20至90重量百分比的六方氮化硼(hbn)粉末，以形成良好混合的六方氮化硼塗布漿料。較佳的是，所述六方氮化硼粉末的厚度為1至500納米，且其尺寸為0.1至100微米。

c)將所述漿料塗布於多個基材上，並在攝氏100至150度下進行乾燥，在此處理步驟後，可獲得一層的六方氮化硼薄片。

d-1)對於單一的六方氮化硼薄片，通過滾壓處理，將介電聚合物層由基材上剝離。

d-2)對於多個基材上的六方氮化硼薄片，在攝氏100至250度下對所述多個基材及多個六方氮化硼薄片進行熱壓，用以形成多層基材。

較佳的是，所述多個基材為導電層，例如鈣或鋁箔。

較佳的是，一導電層的厚度是介於10微米至100微米。

請參閱圖1a及圖1b，所述薄膜的頂部及剖面光學影像圖分析透露出六方氮化硼薄膜的主要橫向尺寸約為10納米，具約為1微米的平均厚度。所述光學影像圖亦顯示六方氮化硼粉末如何構建散熱通道，以展示其高導熱性。圖1a顯示在六方氮化硼粉末之間的側向觸點，而圖1b顯示出六方氮化硼粉末非晶堆棧的剖視圖，這可確保熱量可被散熱至所有方向。

所研究的薄片的熱傳導率κ是使用下列公式計算

κ＝αρcp,(1)

這裡的α是內面的熱擴散，ρ是指材料質量密度，而cp是比熱。這三個參數是在實驗中被單獨確認。

熱擴散α作為溫度t的函數可通過可商業系統(耐馳lfa457)的雷射閃光法進行測定。為了測量內面的熱擴散率，特定的樣本架已被使用，其可容納被切成直徑22毫米圓形的單一六方氮化硼薄膜樣本。所述樣本背面的直徑約為5毫米，且被一雷射束以閃光加熱。 在時間函數下的熱擴散是沿著薄片的頂部周緣，被一紅外線檢測器由樣本中心的5至6毫米內被檢測。為了避免不必要的反射，所述樣本及樣本保持器已經被噴塗上石墨漆。在測量期間，雷射閃光系統的樣本是以30毫升/分流量的氮氣連續清洗。所述樣本的比熱cp可使用藍寶石作為參考樣本，以差示掃描量熱計(耐馳dsc404f3)進行測定。所述質量密度ρ可通過加權該樣本的已知尺寸，以精密電子天平進行量秤。

為了評估薄膜組合物的效果，我們測得四個六方氮化硼薄片在溫度函數t下的熱傳導率κ，具有不同的質量密度ρ。如圖2所示，該質量密度ρ分別為1.58、1.60、1.64、1.65克/立方釐米(g/cm3),熱導率是弱度依賴於溫度，且可隨著密度的增加而增加。所述熱導率的觀察值落在10至20瓦/米·度(w/m.k)之間，這當然是一個工業相關值。

為了更好了解該材料密度在熱導率上的影響，我們研究了在質量密度值ρ上的κ於室溫下的依賴度。薄片樣本的密度是以兩種不同的方式來控制：(i)利用不同厚度的六方氮化硼薄片(僅限制ρ的變化可以用這種方式來實現)，和(ii)：利用額外的輥子壓縮變化所述六方氮化硼薄片。這兩種方法都在熱傳導率上具有相同的效果。本研究的合併結果顯示於圖3。類似的數據顯示於圖2，所述熱導率傾向於隨著六方氮化硼薄片的密度增加而增加。

在對不同密度的薄片進行系統性的光學影像檢驗後，我們的結論是，密度變化的主要原因在於堆棧的六方氮化硼薄片之間存在的空隙大小。二個具有不同密度的薄片是顯示於圖4中。因此，我們的歸納出通過更多的空隙，可造成熱路徑中的不連續性，並降低熱導率。

為了證實我們的建議，我們建立多個具空隙的薄片的熱流模式。我們使用abaqus2011進行數值模擬，定義元分析軟體包。為了探索有效導熱性及六方氮化硼薄片密度之間的關係，我們通過下列方程式模擬控制穩態熱傳：

其中，q是熱通量，且(穩態傳熱)。所述模型系統是利用abaqus組件類型dc2d8進行評估，且如圖4所示，是以1微米×1微米的橫向尺寸及10納米厚度的導熱介質的有序堆棧固體塊的條帶表示。為了模擬六方氮化硼薄片，所述固體塊的熱傳導率是選擇在室溫下390瓦/米·度(w/m.k)。為了改變仿真薄片的有效密度，我們調整了相鄰固塊間的堆棧區域，如圖4樣本a.b所示。此外，考慮到堆棧薄片之間的不完善熱接觸，有限的接觸熱導率已被引入至所述模型中。所述最終模擬結果通過在105至106瓦/米2·度(w/m2.k)範圍中的接觸熱導率來變化實驗數據進行相互匹配。所述六方氮化硼薄片的所得有效熱傳導率κeff是使用傅立葉定律計算：

這裡的q表示通過所述薄片的截面總淨熱流，l為所述薄片條帶的總長度，而δt表示所述條帶熱端及冷端之間的溫度差。

所述數值模擬的結果是通過圖3中的實線顯示。各曲線代表在所述堆棧的薄片之間具不同接觸熱阻的薄片有效熱導率。所述仿真僅顯示與實驗數據定性一致，因為我們的模型較簡易。一個更精確的模擬將不得不考慮薄片的尺寸分布及在填充密度上的接觸電導依賴性。然而，我們最初的假設為該熱傳導率是被所述薄片內部存在的空隙限制，這已通過此一簡單的模型被證實。此外，所述接觸熱導率粗略估計為106瓦/米2·度(w/m2.k)序列。在所述有接觸熱導率上沒有的數據仍可適用於此一系統，但一近似於石墨烯/六方氮化硼接口公開大約為7·106瓦/米2·度(w/m2.k)，此幅度順序高於我們的仿真預估。最可能的解釋是，所述六方氮化硼薄片的表面被溶劑殘留物汙染，這又降低了橫跨薄片至薄片接口的導熱率。

最後，我們證明了六方氮化硼油墨可用於製造具有高達20瓦/米·度(w/m.k)的熱導率的薄片。在上述實施例中，這比目前在熱管理中所使用的材料效果更顯著。我們還證明有效導熱率可通過改 變薄片填充密度來做調整。我們還通過改進薄片至薄片接口的質量來證明一用於增加熱傳導的潛在方法。要達到電絕緣，六方氮化硼薄片有可能開啟了一新的途徑，並可作為先進的熱管理材料。

雖然本發明已通過上述的實施例公開如上，然而其並非用以限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的專利保護範圍以權利要求發明權利要求內容為準。