[发明专利]一种铝硅合金石墨复合导热材料及其制备与应用

说明书

本发明提供了一种铝硅合金石墨复合导热材料及其制备与应用，所述铝硅合金石墨复合导热材料是将铝硅合金粉末与石墨填料混合后，再对所得混合料于真空条件下经热压烧结后制备得到的；于所述的材料中，石墨填料均匀分散于铝硅合金基体。本发明所提供的材料具有较高的导热率、较高的致密性、较高的有效强度以及较低的热膨胀系数，可将其用于制作高功率电子器件，以解决高功率电子器件所存在的导热难题。

技术领域

本发明涉及一种铝硅合金石墨复合导热材料及其制备与应用，属于热管理材料技术领域。

背景技术

随着电子器件不断向小型化、轻量化和高性能方向发展，其功率密度不断增加、单位体积的发热量越来越大。温度升高会导致封装材料与芯片之间热应力增大，过热时将严重影响电子产品的性能、可靠性以及使用寿命。因此，高功率电子器件的导热难题成为人们亟需解决的课题。

传统的导热方式如对流换热和强迫风冷已经难以满足高功率电子器件的导热要求，最好的方法是依赖热管理材料的技术变革。热管理材料应具有高的导热率，同时需要具有与芯片或半导体材料相匹配的低热膨胀系数，以避免受热过程中变形不均匀，进而引发电子器件焊点剥落，电路失效等严重后果；还应具有优良的可加工性以及满足一定的力学性能要求。

近年来，金属基复合材料因其具有可设计的导热系数与热膨胀系数的特点被应用于热管理材料领域，特别是铝基复合石墨复合材料。传统的热管理材料，例如纯铜虽然有较高的热导率(398W/m·K)，但是其热膨胀系数高达17.5x10^-6/℃，与半导体芯片材料Si(2.5x10^-6/℃)或GaAs(6.4x10^-6/℃)的热膨胀系数相差较大。纯铝密度2.7g/cm³，室温下的热导率约为238W/(m·K)，但是质软且熔点非常高，不利于作为结构件和加工处理。铝合金具有密度小，强度高，加工简单等良好的综合性能，但是根据金属的自由电子导热机制，随着铝基体合金元素的加入，组织中晶格畸变、缺陷、相组成及分布发生变化，热导率逐渐降低。因此，铝基复合石墨复合材料可以充分利用石墨片填料具有较大的热导率(1100W/m·K)和负的热膨胀系数(沿石墨片层方向为-1.5x10^-6/℃)。此外，石墨的密度(2.25g/cm³)接近铝的密度，在制备过程中可以避免密度差导致的分层现象，具有较好的可加工性。由此可见，石墨是铝基导热复合材料的理想添加物，开展高导热、低热膨胀铝基复合材料具有实际的工程应用价值和市场前景。

根据美国空军电子工业部门的统计，电子产品失效的原因，大约有55％是由于过热及热相关的问题造成的。研究还表明，半导体组件温度每升高10℃，其可靠性即降低50％，当元器件在较高温下工作时，其失效率随温度升高呈指数关系。

可见，电子系统及设备的导热问题已经成为制约高功率器件发展与应用的瓶颈，造成了严重的安全事故和经济损失。另外，据原材料市场价格反应，铝基合金材料价格大致在30000HK$/ton，本发明涉及铝基复合石墨复合材料预计价格在20000HK$/ton，具有非常好的市场竞争力。