一种用于半导体器件的高效复合散热材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种用于半导体器件的高效复合散热材料及其制备方法，该高效复合散热材料包括散热层材料和均匀覆盖在散热层之上的绝缘层材料；本发明专利技术将石墨烯、氧化石墨烯与纳米陶瓷材料共混以制备石墨烯杂化粉体，并以较高的含量比掺杂到相应的高分子聚合物中作为散热层，以较低的含量比掺杂到相应的高分子聚合物中实现绝缘层，最后在散热层材料之上复合绝缘层材料，即可获得高导热且具绝缘性的复合散热材料。其中，散热层材料和绝缘层材料的成分相同，而石墨烯杂化粉体所占复合散热材料的比重不同，均具有良好的散热能力，绝缘层相对于散热层具有更低的导电率，可满足绝大半导体器件既需要高效散热又需要良好绝缘的场合。

An efficient composite heat dissipation material for semiconductor devices and its preparation method

The invention discloses a method for efficient heat dissipation materials of semiconductor devices and its preparation method, the efficient composite heat dissipating material comprises a radiating layer material and uniform coverage in heat insulating layer material layer; the invention of Shi Moxi, graphene oxide and nano ceramic materials were mixed to prepare graphene powder in the hybrid system, and to higher content than the doped polymer corresponding as the heat radiating layer, with low content is doped into polymer insulation layer corresponding, finally in the heat radiating layer material on the composite insulation materials, can obtain high thermal conductivity and heat insulation of composite material. Among them, the heat radiating layer material and the insulating layer material of the same components, different graphene powder proportion of composite thermal material, has good heat dissipating ability, the insulating layer with respect to the conductive layer has a lower cooling rate, can meet the needs of most semiconductor devices requires both high efficiency and good heat insulation occasions.

【技术实现步骤摘要】
一种用于半导体器件的高效复合散热材料及其制备方法
本专利技术涉及散热材料领域，具体是一种用于半导体器件的高效复合散热材料及其制备方法，可解决半导体照明行业中电子元器件的散热问题。
技术介绍
半导体照明行业中，随着LED向高光强、高功率方向发展，其散热问题日渐突出。目前，商品化的功率型LED输入功率一般为1~3W，芯片面积约为1mm×1mm~2.5mm×2.5mm，其热流密度达到了100~300W/cm2，由此引发的散热问题已经严重影响到LED的发光效率和使用寿命。随着技术的发展和需求的延伸，单颗LED芯片的发光亮度已经不能完全满足照明亮度的需求，成组使用的功率型LED构成大功率LED照明光源成为了必然选择，在实际环境下，成组使用的LED芯片模组排成一定形式的阵列焊接在专用的基板上，LED工作时会产生热量，这些热量通过基板传导到灯壳散热翅片上，从而达到散热的目的。然而，LED散热基板与灯壳散热翅片均是固体材料，接触面之间存在空气间隙，空气导热性能极差，严重影响传热效率。目前普遍采用的办法是将既具有柔软性又具有一定导热性能的热界面材料（TIMs）应用于固体组件接触间隙，以填补空气缝隙，提高传热效果。实际应用中广泛使用的热界面复合材料－导热硅脂是以硅油为基质，加入导热填料（导热金属颗粒物）制备而成，存在的缺点是作为导热填料的金属颗粒容易被氧化变成金属氧化物，使导热硅脂的导热性能的变差。热界面复合材料主要依赖于所使用的导热填料的良好导热性能。一种性能良好的导热填料应具备以下特性：导热系数高，热膨胀系数低，密度小，抗氧化和抗腐蚀性能好。多年来被广泛使用的导热填料有铝、铜、钼、掺杂石墨、氧化铝、氮化铝、碳化硅，这些材料在室温下的导热系数分别约为：247、398、142、150、40、320、270W/m·K。石墨烯是近年来新发现的一种由单层碳原子层组成的六方蜂巢状二维纳米材料，其特殊的二维结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应和从不消失的电导率等一系列特殊性质，它可以包裹起来形成零维的富勒烯（Fullerene），卷起来形成一维的碳纳米管（CarbonNanotube），层层堆积形成三维的石墨（graphite），其具有低的密度、弱的化学活性、快的导热速度、高的比表面积和大的红外辐射率，使之成为化学、材料科学及物理学领域的研究热点。特别是石墨烯独特的二维结构显示出超高的导热系数，单层石墨烯的导热系数高达4840~5300W/m·K，是制备复合散热材料的理想材料之一。虽然石墨烯以及聚合物纳米复合材料因为具有优异的各种性能已经有大量的研究报导，目前已引起科学界和工业界的广泛关注，但是石墨烯易堆垛的特性，导致了差的分散性和后期加工难度的增加，从而无法表现出石墨烯本征的优异特性。现有一篇申请号为201310093737.8的专利技术专利，公开了一种高导热绝缘聚合物复合材料，包括以下组分及质量百分含量：聚偏氟乙烯60-90%，杂化物填料10-40%；所述杂化物填料为陶瓷类导热填料-石墨烯杂化物，所述石墨烯和陶瓷类导热填料的质量比为1:2-200。该专利技术采用静电自组装途径获得含陶瓷类导热填料-石墨烯三明治结构杂化物，再通过原位还原得到绝缘高热导率聚合物复合材料，与传统的溶剂共混法相比，热导率提高明显。但是参见该专利技术的具体实施例，高导热绝缘聚合物复合材料中杂化物的百分含量占到20wt%甚至更多，此种情况下，虽然杂化物可以形成良好的导热通路，但是由于石墨烯是导电体，对于复合材料绝缘性能有着致命的损害，例如，上述复合材料应用于半导体器件的散热场合，当半导体器件工作时产生热量温度升高时，受到高温影响，复合材料的导热通路则可能演变为导电通路，尤其是当石墨烯的杂化物的含量过高时，复合材料的绝缘性就更难以保证，使其难以应用在对绝缘要求高的绝缘散热场合中。
技术实现思路
因此，针对上述的问题，本专利技术提出一种用于半导体器件的高效复合散热材料及其制备方法，将石墨烯、氧化石墨烯与纳米陶瓷材料共混以制备石墨烯杂化粉体，并以较高的含量比掺杂到相应的高分子聚合物中作为散热层，以较低的含量比掺杂到相应的高分子聚合物中而实现绝缘层，最后在散热层之上复合绝缘层，即可获得高导热且具绝缘性的复合散热材料。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是，一种用于半导体器件的高效复合散热材料的制备方法，该高效复合散热材料包括散热层和均匀覆盖在散热层之上的绝缘层，其制备方法包括如下步骤：步骤1：制备散热层材料，该散热层材料包括按照重量份计算的如下组分：石墨烯杂化粉体5-10份、第二溶剂55-80份、高分子聚合物50-70份以及附加剂8-10份；散热层材料的制备包括如下过程：过程1.1：首先制备石墨烯杂化粉体：首先将石墨烯、氧化石墨烯、纳米陶瓷按照如下重量份计算的组分混合：石墨烯15-20份、氧化石墨烯2-4份和纳米陶瓷5-8份，获得石墨烯混合粉，其中氧化石墨烯的重量份少于纳米陶瓷的重量份，且氧化石墨烯的重量份是石墨烯的重量份的1/5以下，纳米陶瓷的重量份是是石墨烯的重量份的2/5以下；其中，纳米陶瓷包括Al2O3纳米陶瓷和氮化铝(AlN)纳米陶瓷，且Al2O3纳米陶瓷的重量和氮化铝(AlN)纳米陶瓷的重量满足5：3；将石墨烯混合粉在第一溶剂（例如N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二甲苯、丙酮等溶剂）中超声搅拌混合，使石墨烯混合粉的各粒子相互接触，并形成网状结构，其在高分子聚合物中的分散性和相互接触的状态有利于声子导热通道的形成；在室温下混合预设时间后，将所得的悬浊液升温使其溶剂挥发或者大部分挥发，获得石墨烯杂化材料，然后在真空烘箱（或者其他干燥或者烘干设备）内以预设温度烘干预设时间，将石墨烯杂化材料完全干燥，制成石墨烯杂化粉体。此过程是为了在溶液混合前进行表面处理，使制得的石墨烯杂化粉体在溶液中有较好的溶解性和分散性，另外将各材料制成粉体形式，更容易并方便与相应的高分子材料混合。其中，由于石墨烯在制备过程中表面会被氧化一部分，试验中将氧化石墨烯的重量份保持在石墨烯的重量份的1/5及以下，可保证超声共混后形成的网状结构更加完整。石墨烯混合粉中，各组分的重量比优选满足：石墨烯：氧化石墨烯：纳米陶瓷=5：1：2，此种比例下的导热填料能使最终掺杂后的复合材料的导热性能获得最大的提升。其中，石墨烯单独作为导热填料时，微观结构上其在聚合物基体内容易发生团聚现象，这是因为石墨烯层与层之间具有较强的范德华力，容易产生聚集，因此，为降低团聚现象的发生首先将将石墨烯、氧化石墨烯、纳米陶瓷进行杂化共混。石墨烯采用Hummers法和热还原法制备，首先由Hummers法制备氧化石墨烯，将氧化石墨烯热还原为石墨烯。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性，氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布，因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。而微观上，氧化石墨烯的石墨层与层之间的间距变大，且其堆砌的更加疏松，这种疏松的结构可以使得其在超声共混中与其他分子接触，以形成网本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于半导体器件的高效复合散热材料，该高效复合散热材料包括散热层材料和均匀覆盖在散热层之上的绝缘层材料；所述散热层材料包括按照重量份计算的如下组分：石墨烯杂化粉体10‑15份、第二溶剂55‑80份、高分子聚合物50‑70份以及附加剂8‑10份；其中石墨烯杂化粉体的含量满足7.5wt%‑11.7wt%；其中，石墨烯杂化粉体是由石墨烯混合粉在第一溶剂中超声共混后进行干燥而制成的，石墨烯混合粉包括如下按照重量份计算的组分：石墨烯15‑20份、氧化石墨烯2‑4份和纳米陶瓷5‑8份；所述绝缘层材料包括按照重量份计算的如下组分：石墨烯杂化粉体5‑10份、第二溶剂55‑80份、高分子聚合物50‑70份以及附加剂8‑10份；其中石墨烯杂化粉体的含量满足4wt%‑7wt%。

【技术特征摘要】
1.一种用于半导体器件的高效复合散热材料，该高效复合散热材料包括散热层材料和均匀覆盖在散热层之上的绝缘层材料；所述散热层材料包括按照重量份计算的如下组分：石墨烯杂化粉体10-15份、第二溶剂55-80份、高分子聚合物50-70份以及附加剂8-10份；其中石墨烯杂化粉体的含量满足7.5wt%-11.7wt%；其中，石墨烯杂化粉体是由石墨烯混合粉在第一溶剂中超声共混后进行干燥而制成的，石墨烯混合粉包括如下按照重量份计算的组分：石墨烯15-20份、氧化石墨烯2-4份和纳米陶瓷5-8份；所述绝缘层材料包括按照重量份计算的如下组分：石墨烯杂化粉体5-10份、第二溶剂55-80份、高分子聚合物50-70份以及附加剂8-10份；其中石墨烯杂化粉体的含量满足4wt%-7wt%。2.根据权利要求1所述的高效复合散热材料，其特征在于：所述纳米陶瓷包括Al2O3纳米陶瓷和氮化铝纳米陶瓷，且Al2O3纳米陶瓷的重量和氮化铝纳米陶瓷的重量满足5：3。3.根据权利要求1或2所述的高效复合散热材料，其特征在于：所述石墨烯混合粉中，氧化石墨烯的重量份少于纳米陶瓷的重量份，且氧化石墨烯的重量份是石墨烯的重量份的1/5以下，纳米陶瓷的重量份是是石墨烯的重量份的2/5以下。4.根据权利要求3所述的高效复合散热材料，其特征在于：所述石墨烯混合粉中，各组分的重量比满足：石墨烯：氧化石墨烯：纳米陶瓷=5：1：2。5.根据权利要求1或2所述的高效复合散热材料，其特征在于：所述第一溶剂是N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲苯或者丙酮；所述第二溶剂是N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲苯或者丙酮。6.一种用于半导体器件的高效复合散热材料的制备方法，该高效复合散热材料包括散热层材料和均匀覆盖在散热层之上的绝缘层材料，其制备方法包括如下步骤：步骤1：制备散热层材料，该散热层材料包括按照重量份计算的如下组分：石墨烯杂化粉体10-15份、第二溶剂55-80份、高分子聚合物50-7...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤和平，汤海滨，汤丽婉，汤丽勤，汤远照，张水机，汤进生，汤炀，
申请(专利权)人：厦门科一新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：福建,35