一种新型散热绝缘复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于功能材料技术领域，涉及一种新型散热绝缘复合材料及其制备方法。具体而言，本发明专利技术的新型散热绝缘复合材料由石墨、铝和陶瓷组成，具有三明治结构，其中陶瓷片层位于中间，石墨/铝复合片层位于两边；石墨/铝复合片层由具有孔隙的石墨片层以及填充在孔隙中的铝构成。本发明专利技术通过高压锻造的方法实现了石墨、金属铝、陶瓷的一体成型，形成一种全新的复合材料，既具有高导热性又具有高绝缘性，且机械强度得到提高，原材料价格低廉，制备方法简单易行，极具市场竞争力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功能材料
，涉及一种新型散热绝缘复合材料及其制备方法。
技术介绍
对于半导体集成电路芯片、LED照明、IGBT等领域的发展而言，散热问题已经困扰业界多年。随着芯片集成度越来越高，如何解决散热问题变得越来越突出。由于受到使用空间和芯片尺寸的约束，注定只能采用被动散热策略，即在发热体产生热量之后，通过采用散热性能较好的材料有效且快速地带走热量，保证芯片在所能承受的温度上限以内正常工作。就LED照明行业来讲，目前正以大功率COB(ChiponBoard)作为发展趋势，散热问题因而显得更加突出。用于散热的成本已经占据系统成本大约20％～30％的比重，因此寻求高性价比的散热解决方案一直是业内人士追求的目标。LED散热基板一般要求具有高导热性和绝缘性。目前，在LED照明光源和灯具的生产中，发展较成熟的主要为传统金属铝材或陶瓷材料的散热系统(散热基板+散热器)，这两种材料初始导热性能优良。但是，金属铝材的成型工艺周期长，并且材料本身导电，不利于照明产品的多样化设计，也增加了达到安全要求的设计成本。而陶瓷材料虽然本身绝缘，但比重大、成型难度高、批量化生产不易实现，也提高了使用成本，限制了应用范围。日本专利特许P5335339公开了铃木等人专利技术的石墨-铝复合材料，虽然该复合材料具有高导热性和低热膨胀特性，但其本身导电，需要外加绝缘材料，大大降低了既有的高导热性能，限制了其广泛应用。总之，现有的LED基板散热材料存在如下问题：(1)LED芯片材料包括氮化镓(GaN)、氧化铝(Al2O3)、蓝宝石等材料，其热膨胀系数为7ppm/K左右，因此要求与其相匹配的散热基板材料最好具有相同的热膨胀系数，而传统的金属材料(如铝、铜等)的热膨胀系数分别为25ppm/K和17ppm/K，远远大于7ppm/K，温度升高时会在连接处发生断裂，导致热阻增加，降低LED寿命；陶瓷材料虽然具有相近的热膨胀系数(7.2ppm/K)，但是导热性能不高，应用仍然受限；(2)LED的散热基板材料要求具有较高的导热性，传统的金属材料(如导热系数为220W/m·K的铝和导热系数为390W/m·K的铜)虽然具有较高的导热性能，但是由于不具备绝缘性，需要与其他绝缘材料一起使用，这样就会大大降低其导热性；陶瓷材料虽然具有绝缘性，但是导热性能普遍不高，例如氧化铝陶瓷(以Al2O3为主体)的导热系数只有30W/m·K，其他的陶瓷材料如氮化硅陶瓷(以Si3N4为主体)、氮化铝陶瓷(以AlN为主体)等虽然导热性能有所改善，但仍不够稳定，而且成本较高；(3)LED的散热基板材料要求具有绝缘性，小功率的LEDCOB模组(<50W)可以采用绝缘树脂(如FR4)来实现，而大功率的LEDCOB模组(其绝缘性要求耐压在1000V以上)则需要加一定厚度的绝缘层；传统的PCB、DBC基板就是两面镀铜、中间是FR4树脂或陶瓷的三明治结构，层与层之间通过焊接或者导热硅脂粘接，导热性能有所降低。
技术实现思路
芯片的热量主要通过导热材料以热传导方式进行散热。热传导是指当物体直接接触时，通过分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递形式。图1中展示了一维热传导模型。当达到热平衡之后，热传导遵循如式(1)所示的傅立叶传热定律：Q＝K·A·(T1-T2)/L(1)式中：Q为传导热量(W)；K为导热系数(W/m·K)；A为传热面积(m2)；L为导热长度(m)；(T1-T2)为温度差(K)。导热系数越大，表示在相同的温度梯度下可以传导更多的热量。热阻R为单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力，其计算公式如式(2)所示。R＝(T1-T2)/Q＝L/(K·A)(2)另一方面，在物体受热升温的非稳态导热过程中，存在如式(3)所示的如下关系：K＝α·c·ρ(3)式中：α为热扩散率(cm2/s)或热扩散系数；ρ为密度(g/cm3)；c为比热容(J/g·K)。热扩散率是材料传播温度变化能力大小的指标，因而有导温系数之称。α越大，材料中温度传播的速度越快。由式(2)和式(3)可知，对于单一均质材料而言，材料的热阻与材料的厚度成正比；对于非单一材料而言，总体趋势是材料的热阻随着材料厚度的增加而增大，但不是纯粹的线形关系。另一方面，在导热过程中，热阻与材料的热扩散率成反比，材料的热扩散率越大，散热路径的热阻越小。因此，在热设计时，要求散热材料不仅要具有高导热率，而且还要具有高热扩散率，即不仅要具有带走热量的能力，还要迅速将热量带走，并且后面一点在散热过程中更加重要。目前，在自然材料中，只有金刚石能够同时满足上述要求，但其价格昂贵、不易加工，无法推广。因此，在实际过程中，芯片等器件的散热基本上是通过由几种不同的散热材料(如金属铝、铜和非金属石墨片)组成的散热组件来完成。但是，上述散热组件会带来另外一个问题，即当几种不同材料结合在一起时，由于材料的热膨胀特性不同，温度的变化会使散热组件在结合处发生变形，导致空气进入，使热阻变大，最终会影响芯片的稳定性和寿命。鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种新型散热绝缘复合材料及其制备方法。通过高压锻造的方法，将石墨、金属、陶瓷实现一体成型，形成一种具有三明治结构特征的全新的复合散热绝缘材料，该材料具有高导热性、低热膨胀性和绝缘性，很好地解决了当前散热材料存在的缺陷，为LED照明、电子元件提供了高导热性、高耐压绝缘性和低热膨胀性的导热介质，使得发热源产生的热量能够快速传导至散热器，降低了热阻。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种新型散热绝缘复合材料，其由石墨、铝和陶瓷组成，其中铝的重量百分比在25％以下；所述新型散热绝缘复合材料具有三明治结构，其中陶瓷片层位于三明治结构的中间，石墨/铝复合片层位于三明治结构的两边；所述石墨/铝复合片层由具有孔隙的石墨片层以及填充在孔隙中的铝构成，孔隙填充率在95％以上；所述具有孔隙的石墨片层同时满足下列要求：a、密度为1.6～2.0g/cm3；b、平均晶面间距d002在0.34nm以下；c、孔隙直径为1～3μm；d、孔隙率为5％～25％。优选的，在上述复合材料中，所述陶瓷片层所使用的陶瓷选自氧化铝(Al2O3)陶瓷、氮化铝(AlN)陶瓷、氮化硅(Si3N4)陶瓷中的任意一种。优选的，在上述复合材料中，所述陶瓷片层和所述石墨/铝复合片层具有相同的尺寸。一种新型散热绝缘复合材料的制备方法，其包括下列步骤：1)将石墨制成块状石墨预制件，所述块状石墨预制件同时满足下列技术指标要求：a、密度为1.6～2.0g/cm3；b、平均晶面间距d002在0.34nm以下；c、孔隙直径为1～3μm；d、孔隙率为5％～25％；2)将块状石墨预制件切割成片状，并按照2个石墨片层夹1个陶瓷片层的方式排列成三明治结构，固定后置于铸型模中；3)将铝加热至熔化，完全熔化后继续升温至710～860℃并保持5～15分钟(温度过低会导致金属填充率较低，温度过高会使石墨与金属发生化学反应，生成具有潮解性的碳化物)，然后将熔化的铝浇入含有三明治结构的铸型模中，并覆盖整个三明治结构；4)对覆盖整个三明治结构的熔化的铝加压，加压重量为1200～1800吨，加压时间为20～40分钟，使得熔化的铝浸入石墨片的孔隙中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型散热绝缘复合材料，其由石墨、铝和陶瓷组成，其中铝的重量百分比在25％以下；所述新型散热绝缘复合材料具有三明治结构，其中陶瓷片层位于三明治结构的中间，石墨/铝复合片层位于三明治结构的两边；所述石墨/铝复合片层由具有孔隙的石墨片层以及填充在孔隙中的铝构成，孔隙填充率在95％以上；所述具有孔隙的石墨片层同时满足下列要求：a、密度为1.6～2.0g/cm3；b、平均晶面间距d002在0.34nm以下；c、孔隙直径为1～3μm；d、孔隙率为5％～25％。

【技术特征摘要】
1.一种新型散热绝缘复合材料，其由石墨、铝和陶瓷组成，其中铝的重量百分比在25％以下；所述新型散热绝缘复合材料具有三明治结构，其中陶瓷片层位于三明治结构的中间，石墨/铝复合片层位于三明治结构的两边；所述石墨/铝复合片层由具有孔隙的石墨片层以及填充在孔隙中的铝构成，孔隙填充率在95％以上；所述具有孔隙的石墨片层同时满足下列要求：a、密度为1.6～2.0g/cm3；b、平均晶面间距d002在0.34nm以下；c、孔隙直径为1～3μm；d、孔隙率为5％～25％。2.根据权利要求1所述的新型散热绝缘复合材料，其特征在于：所述陶瓷片层所使用的陶瓷选自氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷中的任意一种。3.根据权利要求1所述的新型散热绝缘复合材料，其特征在于：所述陶瓷片层和所述石墨/铝复合片层具有相同的尺寸。4.一种根据权利要求1至3中任一项所述的新型散热绝缘复合材料的制备方法，其包括下列步骤：1)将石墨制成块状石墨预制件，所述块状石墨预制件同时满足下列技术指标要求：a、密度为1.6～2.0g/cm3；b、平均晶面间距d002在0.34nm以下；c、孔隙直径为1～3μm；d、孔隙率为5％～25％；2)将步骤1)中得到的块状石墨预制件切割成片状，并按照2个石墨片层夹1个陶瓷片层的方式排列成三明治结构，固...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓峰，
申请(专利权)人：南京劲峰洋光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32