高导热、低膨胀石墨—铝复合材料的设计、制备与性能研究

随着电子器件不断向小型化、轻量化和高性能方向发展,单位体积的发热量也越来越大,随之而来的温度升高以及封装材料与芯片之间热应力的增大将严重影响器件的性能、可靠性和使用寿命。电子器件的散热问题已成为制约高功率器件发展与应用的瓶颈。为了有效地散热,这就要求热管理材料应具有尽可能高的热导率,同时应具有与半导体材料相匹配的热膨胀系数(CTE),以避免因CTE差异引起的热应力导致器件失效。传统的热管理材料由于热导率不足以及不能同时满足上述性能要求,已经不能满足高功率器件的散热要求。铝基复合材料以其较高的热导率和可设计的CTE,以及较低的密度、优良的可加工性,为设计高性能热管理材料提供了可能。然而以下问题制约了其发展:难以同时实现高导热与低膨胀,而且还需兼顾可加工性、力学性能、低密度和低成本的要求。本论文以提高铝基复合材料的导热性能和调控CTE为重点,通过优化材料的复合构型以及调控界面结构来实现复合材料的高导热与低膨胀性能,同时兼顾可加工性与力学性能等方面的要求,最终获得高导热、低膨胀石墨-铝复合材料。论文首先在理论上分析实现复合材料高导热性能的必要条件,基于有效介质理论推导预测复合材料导热性能的理论模型,建立复合材料导热性能与显微结构要素(包括复合构型和界面结构)之间的定量关系,从而为石墨-铝复合材料的设计提供理论指导。然后,对石墨-铝复合材料的显微结构进行优化设计,制备了具有面内随机分布的短切纤维、定向石墨片阵列以及互穿结构等不同复合构型的复合材料,并与常规的弥散分布的石墨颗粒-铝复合材料进行对比。通过比较不同复合构型的热增强能力,确定最优的复合构型;与此同时,通过抑制有害界面反应实现了低热阻的界面结构,从而实现复合材料的高导热性能。在此基础上,对石墨填料、基体材料和界面结构进行优化,进一步提高石墨-铝复合材料的导热性能。最后,对复合材料的热膨胀性能和力学性能展开研究。最终获得了高导热、低膨胀的石墨-铝复合材料。不同复合构型的热增强能力研究表明,定向石墨片阵列结构具有最高的热增强能力。本文基于有效介质理论推导了相应的预测复合材料热导率的理论模型,实验值与预测值一致,证明了预测模型的有效性。本文研究了石墨片尺寸对定向石墨片阵列结构复合材料导热性能的影响规律,结果表明复合材料的热导率随石墨片直径的增加而增加,但当直径增加到一定程度时复合材料热导率的增加趋于平缓;复合材料的热导率随石墨片纵横比倒数的增加而增加。定向石墨片阵列在不同基体中的热增强行为存在明显的差异,本文推导的理论模型很好地解释了该现象。这主要归因于有效相衬(定义为填料的有效热导率与基体的热导率之比)的影响。随着有效相衬的增加,定向石墨片阵列的热增强行为从线性逐渐过渡到非线性。界面的表征结果显示在石墨片与铝基体之间存在非晶界面层。在石墨片的侧面,界面层为反应性al-si-o-c非晶层,厚度约40-50nm。在石墨片端面的界面层内未发现反应产物,快速傅里叶变换的结果表明该界面层为非晶碳层,其厚度约5-8nm。复合材料热导率的实验值与零厚度界面对应的理论热导率(即只考虑kapitza热阻)非常接近,这表明纳米尺度的非晶碳层并不会对界面热传导产生明显的不良影响。通过逆运算求解得到含非晶界面层的界面热导率为1.3×107w/m2k,这与零厚度界面对应的界面热导率(4.5×107w/m2k)在一个数量级。研究还发现热处理能显著降低复合材料的热导率,这主要归因于氧原子在界面处富集增加了对声子的散射作用,以及形成有害界面反应产物降低了界面热导率。在石墨片与铝基体之间构造适合的中间层并将中间层的厚度控制在临界厚度以下可以实现更高的界面热导率。理论计算表明:高导热的金刚石、银和铜不适合作为石墨/铝界面的中间层,硅是最适合的材料。石墨片-硅-铝复合材料的热膨胀行为研究表明,随着石墨片的体积分数从13.7%增加到71.1%,复合材料xy方向上的热膨胀系数从11.4ppm/k降低到7.7ppm/k,这与kerner模型的预测结果一致。但在z方向上复合材料存在反常热膨胀行为:z方向上的热膨胀系数反而比xy方向上的热膨胀系数更低,且随着石墨片体积分数的增加而降低。通过优化复合构型和调控界面结构,最终获得了高导热、低膨胀的石墨片-硅-铝复合材料,其性能指标达到:xy方向上的热导率达到526W/m K,比基体提高了400%;热膨胀系数为7.7ppm/K,与半导体材料的热膨胀系数相匹配;密度为2.32g/cm3;力学性能满足半导体行业散热组件的使用要求。采用金刚石取代硅颗粒,复合材料的热导率达到630W/m K。