石墨膜基导热复合材料的制备与应用研究

随着计算机微电子、新材料的不断进步,电子设备朝向高集成度、高功能化方向发展。电子器件的封装环境不断减小,而电子器件的功率密度却在不断增大。日益狭小的环境给芯片的散热带来了严重的问题,因此电子器件热管理问题也日趋严重。为了应对日益严苛的热管理问题,本文以石墨膜为基体制备高导热复合材料。分别采用环氧树脂与聚氨酯体系的粘结剂,通过涂覆刷膜等工艺手段,制备出具有层状结构的复合材料。该种复合材料兼具轻质与高导热的优良性能。首先,选取低导热石墨膜作为导热基体,采用真空热压的方法将其与环氧树脂复合。通过对热压工艺的探索,分析了工艺主要影响参数固化压力对所制备复合材料的影响。随着固化压力的增大,层间环氧树脂含量逐渐降低,复合材料中作为导热基体的石墨膜的含量逐渐升高。在复合材料中,热固性的环氧树脂主要作为力学性能的载体,用以提高复合材料的抗拉强度与抗弯强度;低导热石墨膜作为导热基体,用来提高复合材料的导热性能。在固化压力达到30MPa时,复合材料中石墨膜含量达到最大,且石墨膜层间结合的最好。其热导率达到198 W/(m·K),其抗拉强度为17~23MPa,抗弯强度为26~36MPa。而密度仅为1.8g/cm~3,与镁合金相似,仅为铝合金的67%。其次,在制备低导热石墨膜/环氧树脂复合材料的基础上,通过更换导热性能更加优良的高分子粘结剂来对复合材料的导热性能进行优化。探索并采用石墨纳米片与聚氨酯复合的体系(GNP/PU),制作出导热性能较好的导热浆料作为层间粘结剂。选取GNP:PU=4:10比例的浆料作为兼顾高导热性与粘结性的粘结剂。借鉴前期摸索出的工艺参数制备出低导热石墨膜/GNP-PU复合材料,其纵向热导率为3.4 W/(m·K),密度与低导热石墨膜/环氧树脂复合材料相当为1.7g/cm~3左右。通过散热实验与模拟分析对其实际导热能力进行探究,实验结果显示所制备出的低导热石墨膜/GNP-PU复合材料同样具有更加优良的导热性能。最后,换用导热性能更加优良的高导热石墨膜,采用相同的涂覆刷膜工艺利用聚氨酯体系作为粘结剂,制备出高导热石墨膜/PU复合材料。其热扩散系数为494mm~2/s,密度仅为1.8g/cm~3,热导率为630 W/(m·K)。通过散热实验对比测试,在发热体功率为28W时,2mm的复合材料芯片上最高温度比2mm厚同尺寸的6061铝合金板芯片上最高温度低22℃。实验结果显示复合材料具有良好的散热效果。同时研究了复合材料的实际应用,将其镶嵌入铝合金外壳,制备出可装配在机箱中的石墨基芯壳式散热冷板。通过散热实验对比,该芯壳式冷板在实际应用中展现了高导热与减重的优良特性。