有机/无机复合热界面材料的制备与性能研究

在过去的几十年里,随着微处理器继续沿着摩尔定律发展,甚至超越了摩尔定律的发展趋势,在满足了集成度及性能的增长需求的同时,其功率密度也迅速的增加,因此,微处理器的冷却需求越来越受到重视。本论文以铝基导热填料、环氧树脂及硅橡胶为基体,制备出了新型高性能的有机/无机复合热界面材料,得到以下研究成果:(1)采取高温下自钝化的方法制备出了一种核壳结构的Al@Al_2O_3杂化颗粒,将该杂化颗粒与环氧树脂基体进行复合进而制备成了Al@Al_2O_3/Epoxy导热电绝缘的热界面材料。研究结果显示:当Al@Al_2O_3杂化颗粒的填充量达到60 wt%时,该复合材料的热导率最高可达0.92 W m~-11 K~(-1),是纯环氧树脂的4.2倍。由于在Al微球表面包覆上了一层致密绝缘的Al_2O_3层,有效地限制了电子的传递,导致复合材料具有很高的电阻率(4.6×10~(13)Ω·cm)和击穿电压(1.81 KV/mm)。另外,通过实际应用场景的模拟可以观察到该复合材料能够有效且快速的帮助发热元器件进行散热,且该复合材料也展示出了十分优良的热机械性能。综上,考虑到该热界面材料的所有优点,有望将其应用于导热绝缘热管理领域。(2)采用Al_2O_3和AlN两种陶瓷颗粒进行复配,将合理搭配好的填料体系与硅橡胶复合制备成高导热的Al_2O_3-AlN/硅橡胶导热垫片。研究结果显示:利用硅烷偶联剂对粉体进行表面改性处理后,在其表面成功“嫁接”上了有机官能团,改善了粉体与硅胶基体的相容性。通过对三种不同粒径的Al_2O_3进行粒度精准测量,借助颗粒级配理论模型的分析和计算得到了它们在最密堆积方式下的百分含量比。在该级配比例的指导下制备出的导热垫片的热导率在96 wt%的填充量下最高可达9.6 W m~(-1)K~(-1),是单纯填充Al_2O_3的1.6倍。证明了最密堆积的级配方式使得填料颗粒形成了更多的导热路径,进而使得导热垫片的热导率得到了提升。通过极端的冷热应用条件的模拟,可以观察到当冷热循环冲击600次后,该导热垫片的导热性能并没有明显的下降,表现出了极佳的环境适应能力。另外,该导热垫片也具有良好的柔性和贴合性,能同时起到散热和缓冲保护的双重作用。因此,该导热垫片在高导热电子封装领域里有很好的应用前景。