一种用于热管理的复合材料及其制备方法与流程

文档序号：19417954发布日期：2019-12-14 01:07阅读：168来源：国知局

本发明属于石墨烯制备技术领域，具体涉及一种用于热管理的复合材料及其制备方法。

背景技术：

随着电子电路集成规模的日益提高，集成电路工作时的单位面积发热量相应升高，导致封装系统的失效概率大幅增加。为了提高集成电路的封装可靠性，从而对具有高导热性和与集成电路芯片膨胀系数相匹配的新热管理材料提出了迫切的需求。

石墨烯是目前发现的最薄的二维材料，它是单层碳原子紧密堆积而形成的炭质材料，具有极高的面内导热系数，热导率可高达5000w/m·k，高于碳纳米管和金刚石，所以石墨烯是目前性能最优的导热材料，在热管理材料领域中存在巨大的应用潜力，而且当前石墨烯制备技术已趋于成熟，其生产成本大幅下降，使石墨烯在复合材料中的大规模应用成为可能。

中国专利文献cn108581253a，公开了一种三明治型石墨烯基散热板的封装方法，该方法包括激光打孔、表面金属化、装配与封装，该方法制备得到的三明治型石墨烯基散热板，其中，石墨烯只能发挥水平面内传热的优势，垂直传热需要表面金属铜和过孔金属铜来实现。此外，热管理材料石墨烯/金属基复合材料与集成电路芯片热膨胀系数相匹配性较差，且材料结构和功能比较单一，现有技术中，多采用方法改性或添加助剂等方式来对石墨烯进行改性，使石墨烯只能满足单一维度上的热管理。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中与石墨烯相关的热管理材料的导热性较差、与集成电路芯片热膨胀系数匹配性不满足要求等缺陷，从而提供一种用于热管理的复合材料及其制备方法。

为此，本发明提供了以下技术方案。

本发明提供了一种用于热管理的复合材料，包括，间隔设置的两金属层和设置于所述两金属层的第一传热层和第二传热层，且所述第一传热层和所述第二传热层的传热界面相互垂直。

所述第一传热层和所述第二传热层层叠设置。

所述第一传热层为石墨烯薄膜，且所述石墨烯薄膜与所述两金属层平行设置。

所述第二传热层为若干石墨烯薄膜，且所述若干石墨烯薄膜与所述两金属层垂直设置。

所述第二传热层包括若干石墨烯薄膜卷，所述石墨烯薄膜卷为圆柱形，且其横截面成螺旋状。

进一步地，圆柱形石墨烯薄膜卷的直径为0.5-5mm，高为0.1-10mm；进一步地，所述石墨烯薄膜卷的直径和高度可以根据实际要求进行调整。

所述两金属层包括第一金属层和第二金属层；

所述第一金属层的导电率不低于1×10⁷/m·ω；所述第二金属层的导电率不低于1×10⁷/m·ω。

所述第一金属层为铜、铝、银、银铜合金等高导电率材料；所述第二金属层为铜、铝、银等高导电率材料。

本发明还提供了一种制备上述用于热管理的复合材料的方法，包括，

将第一金属层、第一传热层、第二传热层和第二金属层依次叠放在热沉基板上，经熔覆后得到所述复合材料。

所述熔覆的温度不低于所述第一金属层和第二金属层中较高熔点者的熔点温度；

所述熔覆的时间为0.5-2h。

所述熔覆的升温速率为1-20℃/min；熔覆后的降温速率为1-20℃/min。

所述熔覆是在真空或惰性气氛下进行；

所述熔覆的真空度为(1×10^-3-1)pa。

所述石墨烯薄膜是采用氧化石墨烯真空抽滤与化学还原结合的方法制备得到；或，

采用化学气相沉积法制备得到。

采用氧化石墨烯真空抽滤与化学还原结合的方法制备得到所述石墨烯薄膜，具体为，氧化石墨烯粉体分散于去离子水中，超声分散，配成0.1-1.0g/l的氧化石墨烯分散液，然后采用真空抽滤法制备得到石墨烯薄膜，在0.5-1.5bar压力下成膜，经还原后得到石墨烯薄膜。

采用真空抽滤与化学还原结合的方法制备得到的石墨烯薄膜的尺寸参数：长为10-100mm，宽为10-100mm，厚度为20-200μm；采用化学气相沉积法制备得到的石墨烯薄膜的参数：长为10-100mm，宽为10-100mm，厚度为20-200μm；

所述热沉基板的材料为wcu、mocu、cu-mo(cu)-cu、金刚石-cu、铁镍钴合金或不锈钢；所述热沉基板的参数：长为10-100mm，宽为10-100mm，厚度为200-2000μm；

所述第一金属层和所述第二金属层的厚度不小于0.03mm。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的用于热管理的复合材料，包括间隔设置的两金属层和设置于所述两金属层的第一传热层和第二传热层，且所述第一传热层和所述第二传热层的传热界面相互垂直；该复合材料为水平方向和垂直方向融合为一体的热管理材料，是一种垂直位于热源与热沉之间的高效热管理结构，该复合材料具有较好的导热性和与集成电路芯片热膨胀系数匹配性。

2.本发明提供的用于热管理的复合材料，该复合材料第一传热层为石墨烯薄膜，实现了水平方向的传热，第二传热层为若干石墨烯薄膜，且若干石墨烯薄膜与两金属层垂直设置，实现了垂直方向的传热，使复合材料具有面内垂直传热与平面结构面内水平传热相结合的石墨烯，是一种垂直位于热源与热沉之间的高效热管理结构。

该复合材料能够充分发挥石墨烯的高面内导热率和金属的高导电率性，可根据与集成电路芯片膨胀系数匹配性的实际需求，选择不同的金属层，并调整石墨烯薄膜卷的高度，实现调节复合材料的热膨胀系数，能够适用不同热膨胀系数要求的集成电路芯片。

3.本发明提供的用于热管理的复合材料，第一金属层和第二金属层材料的限定具有材料高电导率的特性同时适于熔覆法制备材料对材料低熔点的需要；热沉基板材质的选择可以满足对热膨胀系数热导率的要求。

4.本发明提供的用于热管理的复合材料的制备方法，该方法通过熔覆的方式，使第一金属层和第二金属层熔化，第一传热层通过第一金属层与热沉基板无缝隙连接，使第一传热层和第二传热层完全被金属层包覆，实现复合材料的水平传热，第二传热层阵列分布在第一传热层上，实现复合材料的垂直传热，石墨烯分别以阵列螺旋结构和平面结构嵌入热沉基板中，使热沉基板、第一金属层、第一传热层、第二传热层和第二金属层融合为一体热管理材料，实现多维度的热管理，使用于热管理的复合材料形成具有面内垂直传热与平面结构面内水平传热相结合的石墨烯，是一种垂直位于热源与热沉之间的高效热管理结构。

本发明提供的制备方法能够充分发挥石墨烯的高面内导热率和金属层的高导电率性，且热沉基板可根据与集成电路芯片热膨胀系数匹配性的实际需求，选择不同热膨胀系数的热沉基板材料，调整石墨烯薄膜卷的高度，实现调节石墨烯/金属基复合材料的整体热膨胀系数，能够适用不同热膨胀系数要求的集成电路芯片；石墨烯/金属基复合材料稳定位于热源与热沉基板之间，极大的提高了散热效率，在电子封装领域具有极大的应用价值。

5.本发明提供的用于热管理的复合材料的制备方法，该方法通过控制熔覆的气氛和真空度，可以防止金属材料及石墨烯在熔覆过程中发生氧化，影响材料的结合界面和结合强度；控制熔覆温度和时间可以保证金属层能充分熔融，与其他材料界面完全粘合，实现材料的一体化；在熔覆过程中通过控制温度的升温速率和降温速率，可以防止材料制备过程中因内应力过大造成材料失效。

6.本发明提供的用于热管理的复合材料的制备方法，该方法中的石墨烯薄膜通过氧化石墨烯真空抽滤与化学还原结合的方法或化学气相沉积的方法制备得到，其中，真空抽滤法可以制备得到分布均匀、高质量、厚度精确、导热性好的单层或多层石墨烯；化学气相沉积可以制备得到质量高、面积大、连续性好的单层或多层石墨烯。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中用于热管理的复合材料的叠放结构示意图；

图2是本发明实施例1中用于热管理的复合材料的正视图；

图3是本发明实施例1中熔覆时复合材料在熔覆装置中放置的示意图；

图4是本发明实施例1熔覆后复合材料的结构示意图；

图5是本发明实施例1熔覆后复合材料第二金属透视后第二传热层的结构示意图；

附图标记：

1-热沉基板；2-第一金属层；3-第一传热层；4-第二传热层；5-第二金属层；6-模具；7-加热装置。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1