一種新型散熱絕緣複合材料及其製備方法與流程

2023-10-06 22:39:19 1

本發明屬於功能材料技術領域，涉及一種新型散熱絕緣複合材料及其製備方法。

背景技術：

對於半導體集成電路晶片、LED照明、IGBT等領域的發展而言，散熱問題已經困擾業界多年。隨著晶片集成度越來越高，如何解決散熱問題變得越來越突出。由於受到使用空間和晶片尺寸的約束，註定只能採用被動散熱策略，即在發熱體產生熱量之後，通過採用散熱性能較好的材料有效且快速地帶走熱量，保證晶片在所能承受的溫度上限以內正常工作。

就LED照明行業來講，目前正以大功率COB(Chip on Board)作為發展趨勢，散熱問題因而顯得更加突出。用於散熱的成本已經佔據系統成本大約20％～30％的比重，因此尋求高性價比的散熱解決方案一直是業內人士追求的目標。LED散熱基板一般要求具有高導熱性和絕緣性。目前，在LED照明光源和燈具的生產中，發展較成熟的主要為傳統金屬鋁材或陶瓷材料的散熱系統(散熱基板+散熱器)，這兩種材料初始導熱性能優良。但是，金屬鋁材的成型工藝周期長，並且材料本身導電，不利於照明產品的多樣化設計，也增加了達到安全要求的設計成本。而陶瓷材料雖然本身絕緣，但比重大、成型難度高、批量化生產不易實現，也提高了使用成本，限制了應用範圍。日本專利特許P5335339公開了鈴木等人發明的石墨-鋁複合材料，雖然該複合材料具有高導熱性和低熱膨脹特性，但其本身導電，需要外加絕緣材料，大大降低了既有的高導熱性能，限制了其廣泛應用。

總之，現有的LED基板散熱材料存在如下問題：

(1)LED晶片材料包括氮化鎵(GaN)、氧化鋁(Al2O3)、藍寶石等材料，其熱膨脹係數為7ppm/K左右，因此要求與其相匹配的散熱基板材料最好具有相同的熱膨脹係數，而傳統的金屬材料(如鋁、銅等)的熱膨脹係數分別為25ppm/K和17ppm/K，遠遠大於7ppm/K，溫度升高時會在連接處發生斷裂，導致熱阻增加，降低LED壽命；陶瓷材料雖然具有相近的熱膨脹係數(7.2ppm/K)，但是導熱性能不高，應用仍然受限；

(2)LED的散熱基板材料要求具有較高的導熱性，傳統的金屬材料(如導熱係數為220W/m·K的鋁和導熱係數為390W/m·K的銅)雖然具有較高的導熱性能，但是由於不具備絕緣性，需要與其他絕緣材料一起使用，這樣就會大大降低其導熱性；陶瓷材料雖然具有絕緣性，但是導熱性能普遍不高，例如氧化鋁陶瓷(以Al2O3為主體)的導熱係數只有30W/m·K，其他的陶瓷材料如氮化矽陶瓷(以Si3N4為主體)、氮化鋁陶瓷(以AlN為主體)等雖然導熱性能有所改善，但仍不夠穩定，而且成本較高；

(3)LED的散熱基板材料要求具有絕緣性，小功率的LED COB模組(<50W)可以採用絕緣樹脂(如FR4)來實現，而大功率的LED COB模組(其絕緣性要求耐壓在1000V以上)則需要加一定厚度的絕緣層；傳統的PCB、DBC基板就是兩面鍍銅、中間是FR4樹脂或陶瓷的三明治結構，層與層之間通過焊接或者導熱矽脂粘接，導熱性能有所降低。

技術實現要素：

晶片的熱量主要通過導熱材料以熱傳導方式進行散熱。熱傳導是指當物體直接接觸時，通過分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而產生的熱量傳遞形式。圖1中展示了一維熱傳導模型。當達到熱平衡之後，熱傳導遵循如式(1)所示的傅立葉傳熱定律：

Q＝K·A·(T1-T2)/L (1)

式中：Q為傳導熱量(W)；K為導熱係數(W/m·K)；A為傳熱面積(m2)；L為導熱長度(m)；(T1-T2)為溫度差(K)。導熱係數越大，表示在相同的溫度梯度下可以傳導更多的熱量。

熱阻R為單位面積、單位厚度的材料阻止熱量流動的能力，其計算公式如式(2)所示。

R＝(T1-T2)/Q＝L/(K·A) (2)

另一方面，在物體受熱升溫的非穩態導熱過程中，存在如式(3)所示的如下關係：

K＝α·c·ρ (3)

式中：α為熱擴散率(cm2/s)或熱擴散係數；ρ為密度(g/cm3)；c為比熱容(J/g·K)。熱擴散率是材料傳播溫度變化能力大小的指標，因而有導溫係數之稱。α越大，材料中溫度傳播的速度越快。

由式(2)和式(3)可知，對於單一均質材料而言，材料的熱阻與材料的厚度成正比；對於非單一材料而言，總體趨勢是材料的熱阻隨著材料厚度的增加而增大，但不是純粹的線形關係。另一方面，在導熱過程中，熱阻與材料的熱擴散率成反比，材料的熱擴散率越大，散熱路徑的熱阻越小。因此，在熱設計時，要求散熱材料不僅要具有高導熱率，而且還要具有高熱擴散率，即不僅要具有帶走熱量的能力，還要迅速將熱量帶走，並且後面一點在散熱過程中更加重要。

目前，在自然材料中，只有金剛石能夠同時滿足上述要求，但其價格昂貴、不易加工，無法推廣。因此，在實際過程中，晶片等器件的散熱基本上是通過由幾種不同的散熱材料(如金屬鋁、銅和非金屬石墨片)組成的散熱組件來完成。但是，上述散熱組件會帶來另外一個問題，即當幾種不同材料結合在一起時，由於材料的熱膨脹特性不同，溫度的變化會使散熱組件在結合處發生變形，導致空氣進入，使熱阻變大，最終會影響晶片的穩定性和壽命。

鑑於此，本發明的目的在於提供一種新型散熱絕緣複合材料及其製備方法。通過高壓鍛造的方法，將石墨、金屬、陶瓷實現一體成型，形成一種具有三明治結構特徵的全新的複合散熱絕緣材料，該材料具有高導熱性、低熱膨脹性和絕緣性，很好地解決了當前散熱材料存在的缺陷，為LED照明、電子元件提供了高導熱性、高耐壓絕緣性和低熱膨脹性的導熱介質，使得發熱源產生的熱量能夠快速傳導至散熱器，降低了熱阻。

為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種新型散熱絕緣複合材料，其由石墨、鋁和陶瓷組成，其中鋁的重量百分比在25％以下；所述新型散熱絕緣複合材料具有三明治結構，其中陶瓷片層位於三明治結構的中間，石墨/鋁複合片層位於三明治結構的兩邊；所述石墨/鋁複合片層由具有孔隙的石墨片層以及填充在孔隙中的鋁構成，孔隙填充率在95％以上；所述具有孔隙的石墨片層同時滿足下列要求：a、密度為1.6～2.0g/cm3；b、平均晶面間距d002在0.34nm以下；c、孔隙直徑為1～3μm；d、孔隙率為5％～25％。

優選的，在上述複合材料中，所述陶瓷片層所使用的陶瓷選自氧化鋁(Al2O3)陶瓷、氮化鋁(AlN)陶瓷、氮化矽(Si3N4)陶瓷中的任意一種。

優選的，在上述複合材料中，所述陶瓷片層和所述石墨/鋁複合片層具有相同的尺寸。

一種新型散熱絕緣複合材料的製備方法，其包括下列步驟：

1)將石墨製成塊狀石墨預製件，所述塊狀石墨預製件同時滿足下列技術指標要求：a、密度為1.6～2.0g/cm3；b、平均晶面間距d002在0.34nm以下；c、孔隙直徑為1～3μm；d、孔隙率為5％～25％；

2)將塊狀石墨預製件切割成片狀，並按照2個石墨片層夾1個陶瓷片層的方式排列成三明治結構，固定後置於鑄型模中；

3)將鋁加熱至熔化，完全熔化後繼續升溫至710～860℃並保持5～15分鐘(溫度過低會導致金屬填充率較低，溫度過高會使石墨與金屬發生化學反應，生成具有潮解性的碳化物)，然後將熔化的鋁澆入含有三明治結構的鑄型模中，並覆蓋整個三明治結構；

4)對覆蓋整個三明治結構的熔化的鋁加壓，加壓重量為1200～1800噸，加壓時間為20～40分鐘，使得熔化的鋁浸入石墨片的孔隙中構成石墨/鋁複合片層(由於外加壓力與石墨的孔隙直徑成反比，與固相與液相之間的表面張力成正比，而浸漬速度又與浸漬金屬的粘度、密度等參數有關，因此需要精確控制壓力，保證石墨孔隙中較高的金屬填充率)，孔隙填充率在95％以上，並在石墨/鋁複合片層和陶瓷片層的表面形成用於將二者粘結在一起的液相表面張力；

5)加壓完畢後，撤去外部壓力，冷卻、脫模後得到複合材料毛坯件，通過常規後處理工序得到新型散熱絕緣複合材料。

優選的，在上述製備方法中，步驟2)中所述固定採用金屬框體來完成；所述金屬框體優選鐵框。

優選的，在上述製備方法中，在步驟2)中所述固定之前，採用金屬板將多個所述三明治結構隔離，以便實現批量化處理；所述金屬板優選鐵板。

優選的，在上述製備方法中，步驟3)中鋁完全熔化後繼續升溫至750℃並保持10分鐘。

優選的，在上述製備方法中，步驟3)中所述加熱採用下述替代方案來完成：直接把鋁置於含有三明治結構的鑄型模中，並加熱至860℃(即鋁的熔點660℃+200℃)。該方案避免了熔化的鋁的轉移，簡化了工藝步驟，降低了操作風險。

優選的，在上述製備方法中，步驟4)中所述加壓採用高壓鑄造機來完成，加壓重量為1500噸，加壓時間為30分鐘。

優選的，在上述製備方法中，步驟5)中所述常規後處理工序包括復位、拋光、衝壓和切削等工序。

與現有技術相比，採用上述技術方案的本發明具有下列優點：

(1)針對現有的散熱材料導熱性不高、絕緣性差等不足，本發明通過高壓鍛造的方法實現了石墨、金屬鋁、陶瓷的一體成型，形成一種全新的具有三明治結構的複合材料；

(2)雖然石墨具有導熱性好、耐磨損、熱膨脹係數低等優良的理化性能，在工業領域具有廣泛的用途，但其屬於典型的多孔介質，微觀結構中存在大量的微小孔隙，必須通過浸漬密實或者過濾吸附的處理過程，才能成為性能優異的工程材料，並且石墨具有各向異性導熱特性，並且在厚度方向上的熱擴散率較低，不利於熱量的傳導，因此本發明通過在石墨中浸入金屬鋁，實現了95％以上的石墨孔隙填充率，形成了具有高導熱率(425W/m·K)的石墨基金屬鋁複合材料；

(3)石墨基金屬鋁複合材料與陶瓷材料通過液相表面張力相互粘結，形成了既具有高導熱性又具有高絕緣性的三明治結構複合材料；

(4)由於三明治結構複合材料的中間層為陶瓷材料，其機械強度得到大大提高；

(5)用於製備本發明的複合材料的原材料(如石墨、金屬鋁等)價格低廉、成本低，製備方法採用傳統的高壓鍛造方法，簡單易行、設備要求低，極具市場競爭力。

附圖說明

圖1為一維熱傳導模型示意圖。

圖2為本發明的具有三明治結構的散熱絕緣複合材料的結構示意圖，其中1表示石墨/鋁複合片層，2表示陶瓷片層。

圖3為本發明的散熱絕緣複合材料中石墨/鋁複合片層的顯微結構圖。

圖4為本發明的散熱絕緣複合材料的製備工藝流程圖。

圖5為石墨片/陶瓷片三明治結構經金屬框體固定後的結構示意圖，其中1表示石墨/鋁複合片層，2表示陶瓷片層，3表示金屬隔板，4表示金屬框體。

具體實施方式

下文將結合附圖和具體實施例來說明本發明的技術方案，下列實施例僅僅旨在進一步解釋本發明，而並未限制本發明的保護範圍。另外，除非另有說明，下列實施例中所使用的儀器、試劑、材料等均可通過常規的商業手段獲得。

實施例：新型散熱絕緣複合材料的製備及性能測試。

採用常規方法對市場上購買的人工石墨進行預處理，並切成300mm×240mm×140mm的塊狀石墨預製件(密度為1.8g/cm3；平均晶面間距d002為0.32nm；孔隙直徑為2μm；孔隙率為15％)。

將上述塊狀石墨預製件沿300mm方向切割成240mm(長)×140mm(寬)×1.5mm(厚)的石墨片(200片)，從市場上購買240mm(長)×140mm(寬)×0.38mm(厚)的氧化鋁陶瓷片(100片)，並按照2層石墨片夾1層氧化鋁陶瓷片的方式排列成三明治結構，採用鐵板(厚度為0.2mm)將多個三明治結構進行隔離，將整體用金屬框體固定後(如圖5所示)放置於鑄型模中。

把金屬鋁置於坩堝爐中加熱至熔化(鋁的熔點為660℃)，完全熔化後繼續升溫至750℃並保持10分鐘，然後將熔化的鋁澆入鑄型模，並覆蓋整個固定結構。

採用高壓鑄造機對上述覆蓋整個固定結構的熔化的鋁施加1500噸重的壓力，持續加壓30分鐘，使得熔化的金屬鋁浸到石墨片的孔隙中構成石墨/鋁複合片，並在石墨/鋁複合片與陶瓷片的表面形成液相表面張力，以便將石墨/鋁複合片與陶瓷片粘結在一起。

加壓完畢後，撤去外壓，冷卻至200℃後脫模，切掉四周鋁錠並抽出隔離鐵板後，得到兩邊是石墨/鋁複合片、中間是陶瓷片的複合材料毛坯件，經復位、拋光、衝壓、切削等加工工序，得到最終的新型散熱絕緣複合材料。

對所得複合材料進行下列性能測試和評價：

(1)孔隙填充率和分布情況測試：採用掃描電子顯微鏡(500X以上)對複合材料中金屬鋁的孔隙填充率和分布情況進行觀察和評價，結果顯示金屬鋁在石墨孔隙中的填充率為96％，金屬鋁佔複合材料總重量的20％，並且呈現出均勻分布的狀態。

(2)比熱測試：採用DSC法在氦氣氣流中進行測試，結果顯示複合材料的比熱容為395J/kg·K。

(3)密度測試：利用電子分析天平，採用阿基米德法在室溫下進行測量，結果顯示複合材料的密度為2.7g/cm3。

(4)強度測試：採用萬能測試器AG-500對樣片進行強度測試，結果顯示複合材料的強度為85MPa。

(5)熱擴散率測試：採用雷射脈衝法在室溫下進行測試，結果顯示複合材料的熱擴散率為1.57cm2/s，高於銅(1.1cm2/s)和鋁(0.9cm2/s)。複合材料兩邊的石墨/鋁複合片的厚度為1.5mm，導熱係數為400W/m·K；中間的陶瓷片的厚度為0.38mm，導熱係數為30W/m·K，複合後的三明治結構複合材料的導熱係數計算如下：(1.5+0.38+1.5)×[1/(1.5/400+0.38/30+1.5/400)]＝167.6W/m·K。本發明的複合材料是通過高壓鑄造法將石墨、金屬鋁及陶瓷一體成型，無需與其他材料一起使用，其導熱係數在100W/m·K以上，雖然從數值上講低於銅(390W/m·K)和鋁(237W/m·K)，但是需要注意的是，如果將銅和鋁製成散熱基板的話，還要配合其他絕緣材料(如FR4樹脂等)一起使用，整體的導熱係數則會在100W/m·K以下。

(6)熱膨脹率測試：採用熱分析儀，在由室溫至300℃的溫度範圍內進行測量，結果顯示複合材料的熱膨脹率在7.1ppm/K以下，與陶瓷(7.2ppm/K)相近，有效避免了複合材料在石墨/鋁複合片和陶瓷片之間的結合處發生變形。

(7)耐壓絕緣性測試結果顯示複合材料能夠耐受1000V以上的電壓，呈現出優良的絕緣性能。