高导热层状石墨膜复合材料的制备及其应用研究

近年来微电子集成和电子封装技术的快速发展,使得智能电子产品和可穿戴设备的体积不断缩小,功率密度不断的增大。这导致电子器件工作环境温度增加,而电子器件的寿命又与其工作环境的温度密切相关。因此电子产品散热问题变得极其重要,对热管理技术的要求也更为严格。本文以制备高导热热管理材料为目的,分别以低导热石墨膜(LG)和高导热石墨膜(HG)为填料来制备高导热层状石墨膜复合材料。首先,利用电镀方法在高导热石墨膜表面生长金属铜层,制备了铜-石墨膜-铜层状复合材料。为增强石墨膜与镀铜层之间的结合力,在石墨膜上制备直径为50-100μm的微孔。电镀过程中,微孔中长满金属铜形成“铆钉”结构,将石墨膜与镀铜层牢固结合在一起。对得到的铜-石墨膜-铜层状复合材料进行热性能测试,其热扩散系数为319-442mm2/s,热导率为526-626W/(m·K),是铜的1.66-1.98倍,但密度仅为2.36-3.17g/cm~3。对制备得到的铜-石墨膜-铜层状复合材料进行散热实验,芯片功率为1.4W时,35μm厚复合材料基板上芯片的温度比50μm厚铜箔上的温度降低了8℃。而且该复合材料的另一个优点是具有可焊性。模拟研究表明,在芯片功率为3.0W时,钎料连接芯片的温度比导热脂连接芯片温度降低了22.06±9.88℃。其次,采用热压固化成型的方法分别将低导热石墨膜和高导热石墨膜与环氧树脂复合制备了石墨膜/环氧树脂层状复合材料。在压力作用下,环氧树脂渗入石墨膜中,在石墨膜内固化,使环氧树脂与石墨膜牢固结合在一起,增强了界面结合力。在实验过程中探究了固化压力对复合材料力学性能和热性能的影响。随着固化压力从1KPa增加到80KPa,复合材料的抗拉强度从25.83MPa降低到6.53MPa,热导率从120 W/(m·K)增加到240 W/(m·K)。低导热石墨膜/环氧树脂层状高导热复合块的热导率最高可以达到240 W/(m·K),密度为1.678g/cm~3。在散热实验中,其散热效果与金属铝相当。高导热石墨膜/环氧树脂层状复合导热块的热导率最高可以达到1050 W/(m·K),为金属铜的2.69倍,而密度仅有1.65g/cm~3。最后,采用叠层工艺制备了石墨膜填充的高导热PCB板。芯片功率密度为1.15-2.07W/cm2时,制备的高导热石墨膜填充高导热PCB板芯片温度比普通PCB板降低了30-50℃。高导热石墨膜填充高导热PCB板的散热效果与铝电路板相当,相同的实验条件下两者温差仅有2oC左右,其密度仅为1.4g/cm~3,在某些对密度要求严格的领域具有明显优势。在芯片功率密度为1.14W/cm2时,制备的低导热石墨膜/聚碳酸酯手机壳的温度,比纯聚碳酸酯手机壳的温度降低了98.4oC。使用ANSYS进行散热模拟时,复合材料手机壳的散热效果与铝合金手机壳散热效果相当温差仅为3℃左右。