CN115703682B - 一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碳材料表面处理技术及电子封装材料领域，尤其涉及一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法和应用。通过通入稀释气体，采用流化床化学气相沉积方法在碳材料粉体表面涂覆陶瓷层。所述化学气相沉积工艺为：化学气相沉积反应温度为600‑1400ºC，化学气相沉积反应压力为100‑2000 Pa，化学气相沉积反应时间为0.2‑5 h；通过改变反应气可以得到不同的陶瓷层，进而扩大材料的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于碳材料表面处理技术及电子封装材料领域，尤其涉及一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法和应用。
背景技术
目前，随着电子电力行业以及能源等领域的快速发展，电子集成电路、电子器件与电子设备等的功率密度越来越大，带来的散热问题日益突出。电子器件与设备工作时产生的热量会导致其工作温度升高，并对其性能及寿命造成严重影响。因此，如何提高电子器件中热管理材料的导热系数及降低热阻，是电子封装与散热工程所面临的一个相当重要的课题。
由于有机聚合物的导热系数通常较低（<1.0 W m-1 K-1），需要在聚合物基体中引入具有高导热系数的填料颗粒来提高聚合物复合材料的导热性能。填料颗粒的导热系数取决于热量在填料颗粒内部的传导方式。通常情况下，传热机理为声子传热的填料导热系数较低，而通过自由电子传热的填料则具有较高的导热系数。碳基填料包括石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维等，由于其具有非常髙的导热系数而被广泛应用于导热领域。由于碳基填料本身的导热性能优异，导热系数高，因此在聚合物中添加少量的碳基颗粒就能够显著的提高复合材料的导热性能。另外，相比金属和陶瓷填料，碳基填料还具有重量轻的优点，在聚合物基体中添加碳基填料能够制备轻质复合材料。
然而，碳材料良好的导电性能会对复合材料电绝缘性造成破坏，影响其在电子封装领域的应用拓展。通过在碳材料表面进行绝缘涂层包覆可以隔绝电子在碳颗粒之间的传输，从而赋予碳材料一定的绝缘性能。因此，如何在碳材料表面进行绝缘涂层包覆成为电子器件热管理领域一个亟待解决的难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的是制备一种表面绝缘涂层包覆的碳材料粉体，通过在碳颗粒表面包覆一层绝缘陶瓷涂层，在保持碳颗粒高导热性能的前提下，赋予其一定的绝缘性能，扩展碳材料粉体在电子器件封装热管理领域的应用场合。
本发明的技术方案如下：
一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，通过通入稀释气体，采用流化床化学气相沉积方法在碳材料粉体表面涂覆陶瓷层。
所述的陶瓷层厚度为50nm-2μm；所述的陶瓷层为SiC、Si3N4、BN、AlN中的一种或几种。
所述化学气相沉积工艺为：通入稀释气体，实现流化床化学气相沉积方法；化学气相沉积反应温度为600-1400 ºC，化学气相沉积反应压力为100-2000 Pa，化学气相沉积反应时间为0.2-5 h；所述反应气与陶瓷层的关系为：
SiC涂层，反应气为甲基硅烷，三氯甲基硅烷、六甲基二硅烷、硅烷/甲烷中的一种或几种；
Si3N4涂层，反应气为四氯化硅/氨气、三氯硅烷/氨气、硅烷/氨气、甲硅烷/氨气中的一种或几种；
B涂层，反应气为三氯化硼/氨气、乙硼烷/氨气、环硼氮烷中的一种或几种；
AlN涂层，反应气为三氯化铝/氨气、三乙基铝/氨气中的一种或几种；
所述的稀释气体由氢气、氩气、氮气中的一种或几种组成。
优选地，沉积反应结束后，停止通入反应气体，通入稀释气体至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
上述的在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法制备的材料。
上述材料在电子器件热管理材料中的应用。
优选地，在热界面材料领域的应用。
现有的化学气相沉积主要是针对块体或长纤维，而本申请的是粉体，通过通入稀释气体，实现粉体的漂浮，实现粉体材料的化学气相沉积工艺，保证气相沉积的效果，同时保证包埋的均匀性及稳定性；同时可以根据不同的需要，改变反应气体，得到不同涂层陶瓷层的种类，所制得的产品适用面广，效果好。
与现有技术相比，本发明的优点是：
（1）涂层均匀致密，且与碳材料接触紧密构筑有效导热通路；同时碳粉末被涂层完整包裹，防止电子在颗粒间流通；涂层的厚度可根据沉积条件进行有效调控，可根据应用场合的需求对碳粉末的绝缘性能进行定制。
（2）表面包覆处理的碳材料制备成热界面材料，其电阻率高、击穿电压高，同时可保留碳材料高热导率的优点，满足电子封装对绝缘导热性能的要求。
（3）制备流程简单、易于控制、工艺重复性好、产品性能温度且适合规模化生产；适用面广。
附图说明
图1为本发明中所采用化学气相沉积炉内结构及物料状态示意图；
图2为本发明中实施例1所制备样品的SEM图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例中所述的流化床式化学气相沉积炉，是改进的通过通入稀释气体可以实现碳材料粉体漂浮的化学气相沉积炉。
实施例1 SiC涂层制备-1
一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将碳纤维粉末置于流化床式化学气相沉积炉内，开动真空泵抽真空至100Pa，沉积炉升温至1100ºC；
（2）待炉体温度稳定后，通入氩气和氢气使碳纤维粉末处于流化状态，氩气和氢气的流量均为2000sccm，调节反应炉体压力至200Pa；
（3）甲基硅烷作为反应气体，流量为500sccm，氩气与甲基硅烷混合后通入反应炉体，使其与碳纤维粉末均匀接触发生反应0.5h，碳纤维表面生成SiC涂层；
（4）沉积反应结束后，停止通入甲基硅烷，通入氩气至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
如附图2所示，碳纤维表面被SiC陶瓷涂层紧密包裹，涂层厚度500nm，涂层致密均匀，既有利于形成高效的导热通道，又能避免电子在纤维间的扩散迁移。
实施例2 SiC涂层制备-2
一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将石墨粉体置于流化床式化学气相沉积炉内，开动真空泵抽真空至100Pa，沉积炉升温至1200ºC；
（2）待炉体温度稳定后，通入氩气和氢气使石墨粉体处于流化状态，氩气和氢气的流量均为3000sccm，调节反应炉体压力至800Pa；
（3）三氯甲基硅烷作为反应气体，流量为1000sccm，氩气与三氯甲基硅烷混合后通入反应炉体，使其与石墨粒子均匀接触发生反应1h，石墨粒子表面生成SiC涂层；
（4）沉积反应结束后，停止通入三氯甲基硅烷，通入氩气至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
实施例3 Si3N4涂层制备-1
一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将碳纤维粉末置于流化床式化学气相沉积炉内，开动真空泵抽真空至100Pa，沉积炉升温至1400ºC；
（2）待炉体温度稳定后，通入氮气使碳纤维粉末处于流化状态，氮气的流量为3000sccm，调节反应炉体压力至2000Pa；
（3）三氯硅烷/氨气作为反应气体，流量为2000sccm，三氯硅烷与氨气配比为1:5，氮气与三氯硅烷/氨气混合后通入反应炉体，使其与碳纤维粉末均匀接触发生反应1 h，碳纤维表面生成Si3N4涂层；
（4）沉积反应结束后，停止通入三氯硅烷/氨气，通入氮气至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
实施例4 Si3N4涂层制备-2
一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将碳纳米管粉末置于流化床式化学气相沉积炉内，开动真空泵抽真空至100Pa，沉积炉升温至1000ºC；
（2）待炉体温度稳定后，通入氮气使碳纳米管粉末处于流化状态，氮气的流量为500sccm，调节反应炉体压力至500Pa；
（3）四氯化硅/氨气作为反应气体，流量为200sccm，四氯化硅与氨气配比为1:2，氮气与四氯化硅/氨气混合后通入反应炉体，使其与碳纳米管粉末均匀接触发生反应0.2 h，碳纳米管表面生成Si3N4涂层；
（4）沉积反应结束后，停止通入四氯化硅/氨气，通入氮气至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
实施例5 BN涂层制备-1
一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将碳纤维粉末置于流化床式化学气相沉积炉内，开动真空泵抽真空至100Pa，沉积炉升温至1200ºC；
（2）待炉体温度稳定后，通入氮气使碳纤维粉末处于流化状态，氮气的流量为2000sccm，调节反应炉体压力至1000Pa；
（3）三氯化硼/氨气作为反应气体，流量为500sccm，三氯化硼与氨气配比为1:2，氮气与三氯化硼/氨气混合后通入反应炉体，使其与碳纤维粉末均匀接触发生反应5h，碳纤维表面生成BN涂层；
（4）沉积反应结束后，停止通入三氯化硼/氨气，通入氮气至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
实施例6 BN涂层制备-2
一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将石墨粉体置于流化床式化学气相沉积炉内，开动真空泵抽真空至100Pa，沉积炉升温至800ºC；
（2）待炉体温度稳定后，通入氮气和氢气使石墨粉体处于流化状态，氮气和氢气的流量均为2000sccm，调节反应炉体压力至1000Pa；
（3）环硼氮烷作为反应气体，流量为500sccm，氮气与环硼氮烷混合后通入反应炉体，使其与石墨粒子均匀接触发生反应2h，石墨粒子表面生成BN涂层；
（4）沉积反应结束后，停止通入环硼氮烷，通入氮气至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
实施例7 AlN涂层制备-1
一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将碳纤维粉末置于流化床式化学气相沉积炉内，开动真空泵抽真空至100Pa，沉积炉升温至1400ºC；
（2）待炉体温度稳定后，通入氮气使碳纤维粉末处于流化状态，氮气的流量为3000sccm，调节反应炉体压力至500Pa；
（3）加热的三氯化铝/氨气作为反应气体，流量为2000sccm，三氯化铝与氨气配比为1:1，氮气与三氯化铝/氨气混合后通入反应炉体，使其与碳纤维粉末均匀接触发生反应2h，碳纤维表面生成AlN涂层；
（4）沉积反应结束后，停止通入三氯化铝/氨气，通入氮气至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
实施例8 AlN涂层制备-2
一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将石墨烯粉末置于流化床式化学气相沉积炉内，开动真空泵抽真空至100Pa，沉积炉升温至1200ºC；
（2）待炉体温度稳定后，通入氮气使碳纤维粉末处于流化状态，氮气的流量为500sccm，调节反应炉体压力至500Pa；
（3）加热的三乙基铝/氨气作为反应气体，流量为200sccm，三氯化铝与氨气配比为1:3，氮气与三乙基铝/氨气混合后通入反应炉体，使其与石墨烯粉末均匀接触发生反应0.2h，石墨烯表面生成AlN涂层；
（4）沉积反应结束后，停止通入三乙基铝/氨气，通入氮气至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
实施例9 SiC/Si3N4涂层制备
一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）将碳纤维粉末置于流化床式化学气相沉积炉内，开动真空泵抽真空至100Pa，沉积炉升温至1100ºC；
（2）待炉体温度稳定后，通入氩气和氢气使碳纤维粉末处于流化状态，氩气和氢气的流量均为2000sccm，调节反应炉体压力至200Pa；
（3）甲基硅烷作为反应气体，流量为500sccm，氩气与甲基硅烷混合后通入反应炉体，使其与碳纤维粉末均匀接触发生反应0.2h，碳纤维表面生成SiC涂层；
（4）停止通入甲基硅烷、氩气和氢气，开动真空泵抽真空至100Pa，沉积炉继续升温至1400ºC；
（5）待炉体温度稳定后，通入氮气使碳纤维粉末处于流化状态，氮气的流量为2000sccm，调节反应炉体压力至2000Pa；
（6）三氯硅烷/氨气作为反应气体，流量为500sccm，三氯硅烷与氨气配比为1:5，氮气与三氯硅烷/氨气混合后通入反应炉体，使其与碳纤维粉末均匀接触发生反应0.5 h，SiC涂层碳纤维表面再生成Si3N4涂层，形成双组分陶瓷涂层；
（7）沉积反应结束后，停止通入三氯硅烷/氨气，通入氮气至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
效果实施例
以本发明的陶瓷涂层碳粉体为主要填料，以高分子聚合物为基体，制备成导热垫片，所制得的导热垫片具有高导热性能和优异的绝缘性能。
需说明的是，关于本发明的导热垫片的制造方法，无特别限定，可适宜使用公知方法。例如，在对碳材料进行取向性排列操作时，可通过专利CA202110280103.8的方法来实现。
以实施例1、3、5、7、9制备的陶瓷涂层碳纤维为主要填料，制备成导热垫片；以未绝缘处理的碳纤维作为导热填料制备成导热垫片，作为对比例1，对这些导热垫片的导热系数和击穿电压进行测试，结果见表1。
表1：样品性能测试结果
。
Claims (5)
1.一种在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，其特征在于，通过通入稀释气体，采用流化床化学气相沉积方法在碳材料粉体表面涂覆陶瓷层；
所述的陶瓷层厚度为50nm-2μm；所述的陶瓷层为SiC、Si3N4、BN、AlN中的一种或几种；
化学气相沉积工艺为：化学气相沉积反应温度为600-1400 ºC，化学气相沉积反应压力为100-2000 Pa，化学气相沉积反应时间为0.2-5 h；
反应气与陶瓷层的关系为：
SiC涂层，反应气为甲基硅烷、三氯甲基硅烷、六甲基二硅烷、硅烷/甲烷中的一种或几种；
Si3N4涂层，反应气为四氯化硅/氨气、三氯硅烷/氨气、硅烷/氨气中的一种或几种；
BN涂层，反应气为三氯化硼/氨气、乙硼烷/氨气、环硼氮烷中的一种或几种；
AlN涂层，反应气为三氯化铝/氨气、三乙基铝/氨气中的一种或几种；
所述的稀释气体由氢气、氩气、氮气中的一种或几种组成。
2.根据权利要求1所述的在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法，其特征在于，沉积反应结束后，停止通入反应气体，通入稀释气体至常压，待炉体冷却至室温后，取出样品。
3.采用权利要求1或2所述的在碳材料粉体表面包覆电绝缘涂层的制备方法制备的材料。
4.权利要求3所述的材料在电子器件热管理材料中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，在热界面材料领域的应用。
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