CN104726735B - 一种具有复合式结构的高定向导热材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有复合式结构的高定向导热材料及其制备方法，属于热管理材料制备技术领域。该材料由封装材料和密封在封装材料中的高导热碳材料组成，高导热碳材料上镀覆金属层，封装材料与高导热碳材料之间由金属层连接，金属层与封装材料之间为冶金结合。将封装材料加工凹槽，放置镀覆有金属层的高导热材料，加工封装材料盖板，然后三者通过热压成一个具有复合式结构的高定向导热材料。本发明在现有的封装材料中密封高导热材料，并通过对高导热材料镀覆金属层，来改善高导热材料与封装材料界面结合问题。该类材料可以广泛应用在需要局部高效散热的于微电子封装、激光二极管、IGBT和半导体、散热片和盖板。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有复合式结构的高定向导热材料及其制备方法，属于热管理材料制备技术领域。
背景技术
传统电子器件的散热采用的封装材料铜、可伐合金、铝、铝铍、钨铜等金属材料，甚至新一代散热材料AlSi、金刚石/铜、金刚石/铝等金属基复合材料开始替代原有的封装材料。此类材料可以广泛应用在需要局部高效散热的微电子封装、激光二极管、IGBT和半导体、散热片和盖板。但是仍然存在某个区域的热流密度大，急需将此区域的热量快速导出或分散到周边区域。
对于以上问题的应对策略是在现有的封装材料中置入更高导热的材料，将局部产生的热量导出，使整体器件的热梯度降低。在金属基复合材料中置入高导热材料的研究曾有报道，CPS公司在热电冷却器的激光二极管封装基板中预埋TPG片，厚度0.38毫米，2005年DS&A LLC在SiC/Al复合材料嵌入超高导热的高定向热解石墨片及金刚石栓的复合基板，散热效果有很大提高。由于以上两家研究单位均采用了液态压铸的工艺，因此在浇注过程液态金属直接填充TPG、高定向热解石墨片或金刚石栓与预制件的空隙，并通过工艺调整实现一定的界面结合，避免了高导热与基体材料的空隙产生。而如果在传统的封装材料如铜、铝等金属封装材料中置入高导热材料则挤压铸造成本过高，且置入的材料难以定位，因此在此类材料中置入高导热材料大多通过机加工出放置高导热材料的凹槽，置入高导热材料，加盖封存，然后整体热压焊合。USP5296310就提到了前面说到的制备工艺，但是对界面的改进未做任何改进，界面处仅为机械接触，在冷热循环的过程中高导热材料与密封金属材料之间滑动接触。在实际应用的过程中发现金属与置入的高导热材料之间存在的空隙大大影响整体的导热性能，急需进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有复合式结构的高定向导热的材料及其制备方法。
一种具有复合式结构的定向导热材料，由封装材料和密封在封装材料中的高导热碳材料组成，所述的高导热碳材料上镀覆金属层，所述的封装材料与高导热碳材料之间由金属层连接，所述的金属层与封装材料之间为冶金结合。
所述的高导热碳材料为HOPG（高定向热解石墨）、CAPG（压应力热处理热解石墨）、APG（退火热解石墨）、TPG（高导热石墨）或金刚石膜。
金属层选择与所述封装材料实现冶金结合的金属材料，如金属层为Ni、Ti、Cr、Cu、Zr等常用金属镀层。
所述的高导热碳材料为片状，厚度为1～2mm；所述的金属层的厚度为1～10μm。
所述的封装材料可选择已知的封装材料，包括金属材料和金属基复合材料，如Al、Cu、AlSi、可伐合金、铝铍、钨铜等。
上述具有复合式结构的定向导热材料的制备方法，包括如下工艺步骤：
1）在高导热碳材料上镀覆金属层；
2）将封装材料加工成可容纳高导热碳材料的凹槽及覆盖凹槽的盖板；
3）在凹槽中放置带有镀层的高导热碳材料，然后放置盖板；
4）放入热压炉中热压，使金属层与封装材料之间冶金结合。
步骤1）中，所述的镀覆方法为化学镀、真空蒸发镀、磁控溅射镀覆或电镀等。
步骤4）中，热压的温度及压力等工艺参数取决于封装材料与金属层冶金结合需要的条件。
本发明的有益效果：改善原有工艺中存在的高导热材料与密封金属材料之间机械接触，避免两者之间的空隙，从而减少因此带来的热阻，更大程度的提供材料的散热性能，并使冷热循环过程中由于热膨胀差异带来的界面剪切力逐步减小。
本发明在现有的封装材料中密封高导热材料，并通过对高导热材料镀覆金属层，来改善高导热材料与封装材料界面结合问题。将封装材料加工凹槽，放置镀覆有金属层的高导热材料，加工封装材料盖板，然后三者通过热压成一个具有复合式结构的高定向导热材料。此类材料可以广泛应用在需要局部高效散热的于微电子封装、激光二极管、IGBT和半导体、散热片和盖板。
附图说明
图1为具有复合式结构的高定向导热材料的断面结构示意图。
图2为具有复合式结构的高定向导热的材料制备方法流程示意图。
主要附图标记说明：
1 高导热碳材料 2 （金属层与封装材料的）结合层
3 封装材料
具体实施方式
如图1所示，本发明具有复合式结构的定向导热材料，由封装材料3中密封高导热碳材料1构成，密封材料3与高导热碳材料1之间由金属层连接，金属层与密封材料3为冶金结合，形成结合层2。封装材料3可选择已知的封装金属材料及金属基复合材料。高导热碳材料1选择带有金属镀层的HOPG、CAPG、APG、TPG或金刚石膜，尽管金刚石膜是各向同性，但是金刚石膜的厚度仍然受限，在本发明中也作为定向导热材料的一种。金属镀层可以选择Ni、Ti、Cr、Cu、Zr等常用金属镀层。
如图2所示，为本发明的工艺流程：选择高导热碳材料，高导热碳材料镀覆金属层；选择封装材料，封装材料加工凹槽及盖板；凹槽中置入带镀层的高导热碳材料，加盖板；整体热压。
具体的工艺步骤如下：
1）、将选用的高导热材料采用镀覆金属层，镀覆方法可采用化学镀、真空蒸发镀、磁控溅射镀覆、电镀等已知方法；
2)、将封装材料3加工成可容纳高导热材料的凹穴，及封装材料盖板；
3）、在凹穴中依次放置带有镀层的高导热材料，放置盖板；
4）、将步骤3）所得整体结构放入热压炉中热压，热压的温度及压力等工艺参数取决于密封材料与金属层冶金结合需要的条件。
实施例1
按照图1所示的流程，在1mm厚的HOPG表面真空微蒸发镀Ti，Ti层厚度为2微米，封装材料选择6061Al，热压温度670℃，9MPa下保压30min，得到的复合式结构的高定向导热的材料的x-y轴热导率为1230W/mK，比碳材料表面未镀覆金属层的复合式结构材料热导率提高300W/mK。
实施例2
按照图1所示的流程，选用1mm厚金刚石膜，表面真空微蒸发镀Cr，Cr层厚度为5微米，封装材料选择电解铜，热压温度1070℃，8MPa下保压30min，得到的复合式结构材料的热导率为900W/mK，比金刚石膜表面未镀覆金属层的复合式结构材料热导率提高100W/mK。
实施例3
按照图1所示的流程，选用2mm厚高导热石墨片TPG，表面电镀Cu，Cu层厚度为5微米，封装材料选择电解铜，热压温度1090℃，9MPa下保压25min，得到的复合式结构高定向导热材料的x-y轴热导率为1050W/mK，比TPG膜表面未镀覆金属层的复合式结构材料热导率提高150W/mK。
实施例4
按照图1所示的流程，选用2mm厚高导热石墨片TPG，表面化学镀Ni，Ni层厚度为4微米，封装材料选择AlSi（40%），热压温度950℃，10MPa下保压30min，得到的复合式结构高定向导热材料的x-y轴热导率为1050W/mK，比TPG膜表面未镀覆金属层的复合式结构材料热导率提高170W/mK。
由此可见，本发明有效地改善了高导热材料与封装材料界面结合问题，显著提高了定向导热材料的热导率和材料的散热性能。
Claims (7)
1.一种具有复合式结构的定向导热材料，其特征在于：由封装材料和密封在封装材料中的高导热碳材料组成，所述的高导热碳材料上镀覆金属层，所述的镀覆金属层的高导热碳材料处于封装材料制成的凹槽和盖板中间，所述的封装材料与高导热碳材料之间由金属层连接，所述的金属层与封装材料之间为冶金结合；所述的高导热碳材料为高定向热解石墨、压应力热处理热解石墨、退火热解石墨、高导热石墨或金刚石膜。
2.如权利要求1所述的具有复合式结构的定向导热材料，其特征在于：所述的金属层为与所述封装材料实现冶金结合的金属材料。
3.如权利要求2所述的具有复合式结构的定向导热材料，其特征在于：所述的金属层为Ni、Ti、Cr、Cu或Zr层。
4.如权利要求1所述的具有复合式结构的定向导热材料，其特征在于：所述的高导热碳材料为片状，厚度为1～2mm；所述的金属层的厚度为1～10μm。
5.如权利要求1所述的具有复合式结构的定向导热材料，其特征在于：所述的封装材料为Al、Cu、AlSi、可伐合金、铝铍或钨铜。
6.权利要求1-5中任一项所述的具有复合式结构的定向导热材料的制备方法，包括如下步骤：
1)在高导热碳材料上镀覆金属层；
2)将封装材料加工成可容纳高导热碳材料的凹槽及覆盖凹槽的盖板；
3)在凹槽中放置带有镀层的高导热碳材料，然后放置盖板；
4)放入热压炉中热压，使金属层与封装材料之间冶金结合。
7.如权利要求6所述的具有复合式结构的定向导热材料的制备方法，其特征在于：所述的镀覆方法为化学镀、真空蒸发镀、磁控溅射镀覆或电镀。
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