【摘要】：隨著電子器件不斷向小型化、輕量化和高性能方向發(fā)展,單位體積的發(fā)熱量也越來越大,隨之而來的溫度升高以及封裝材料與芯片之間熱應(yīng)力的增大將嚴(yán)重影響器件的性能、可靠性和使用壽命。電子器件的散熱問題已成為制約高功率器件發(fā)展與應(yīng)用的瓶頸。為了有效地散熱,這就要求熱管理材料應(yīng)具有盡可能高的熱導(dǎo)率,同時應(yīng)具有與半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE),以避免因CTE差異引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致器件失效。傳統(tǒng)的熱管理材料由于熱導(dǎo)率不足以及不能同時滿足上述性能要求,已經(jīng)不能滿足高功率器件的散熱要求。鋁基復(fù)合材料以其較高的熱導(dǎo)率和可設(shè)計的CTE,以及較低的密度、優(yōu)良的可加工性,為設(shè)計高性能熱管理材料提供了可能。然而以下問題制約了其發(fā)展:難以同時實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱與低膨脹,而且還需兼顧可加工性、力學(xué)性能、低密度和低成本的要求。本論文以提高鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和調(diào)控CTE為重點(diǎn),通過優(yōu)化材料的復(fù)合構(gòu)型以及調(diào)控界面結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高導(dǎo)熱與低膨脹性能,同時兼顧可加工性與力學(xué)性能等方面的要求,最終獲得高導(dǎo)熱、低膨脹石墨-鋁復(fù)合材料。論文首先在理論上分析實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料高導(dǎo)熱性能的必要條件,基于有效介質(zhì)理論推導(dǎo)預(yù)測復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的理論模型,建立復(fù)合材料導(dǎo)熱性能與顯微結(jié)構(gòu)要素(包括復(fù)合構(gòu)型和界面結(jié)構(gòu))之間的定量關(guān)系,從而為石墨-鋁復(fù)合材料的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。然后,對石墨-鋁復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,制備了具有面內(nèi)隨機(jī)分布的短切纖維、定向石墨片陣列以及互穿結(jié)構(gòu)等不同復(fù)合構(gòu)型的復(fù)合材料,并與常規(guī)的彌散分布的石墨顆粒-鋁復(fù)合材料進(jìn)行對比。通過比較不同復(fù)合構(gòu)型的熱增強(qiáng)能力,確定最優(yōu)的復(fù)合構(gòu)型;與此同時,通過抑制有害界面反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了低熱阻的界面結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高導(dǎo)熱性能。在此基礎(chǔ)上,對石墨填料、基體材料和界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)一步提高石墨-鋁復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。最后,對復(fù)合材料的熱膨脹性能和力學(xué)性能展開研究。最終獲得了高導(dǎo)熱、低膨脹的石墨-鋁復(fù)合材料。不同復(fù)合構(gòu)型的熱增強(qiáng)能力研究表明,定向石墨片陣列結(jié)構(gòu)具有最高的熱增強(qiáng)能力。本文基于有效介質(zhì)理論推導(dǎo)了相應(yīng)的預(yù)測復(fù)合材料熱導(dǎo)率的理論模型,實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值一致,證明了預(yù)測模型的有效性。本文研究了石墨片尺寸對定向石墨片陣列結(jié)構(gòu)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨石墨片直徑的增加而增加,但當(dāng)直徑增加到一定程度時復(fù)合材料熱導(dǎo)率的增加趨于平緩;復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨石墨片縱橫比倒數(shù)的增加而增加。定向石墨片陣列在不同基體中的熱增強(qiáng)行為存在明顯的差異,本文推導(dǎo)的理論模型很好地解釋了該現(xiàn)象。這主要?dú)w因于有效相襯(定義為填料的有效熱導(dǎo)率與基體的熱導(dǎo)率之比)的影響。隨著有效相襯的增加,定向石墨片陣列的熱增強(qiáng)行為從線性逐漸過渡到非線性。界面的表征結(jié)果顯示在石墨片與鋁基體之間存在非晶界面層。在石墨片的側(cè)面,界面層為反應(yīng)性al-si-o-c非晶層,厚度約40-50nm。在石墨片端面的界面層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物,快速傅里葉變換的結(jié)果表明該界面層為非晶碳層,其厚度約5-8nm。復(fù)合材料熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)值與零厚度界面對應(yīng)的理論熱導(dǎo)率(即只考慮kapitza熱阻)非常接近,這表明納米尺度的非晶碳層并不會對界面熱傳導(dǎo)產(chǎn)生明顯的不良影響。通過逆運(yùn)算求解得到含非晶界面層的界面熱導(dǎo)率為1.3×107w/m2k,這與零厚度界面對應(yīng)的界面熱導(dǎo)率(4.5×107w/m2k)在一個數(shù)量級。研究還發(fā)現(xiàn)熱處理能顯著降低復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,這主要?dú)w因于氧原子在界面處富集增加了對聲子的散射作用,以及形成有害界面反應(yīng)產(chǎn)物降低了界面熱導(dǎo)率。在石墨片與鋁基體之間構(gòu)造適合的中間層并將中間層的厚度控制在臨界厚度以下可以實(shí)現(xiàn)更高的界面熱導(dǎo)率。理論計算表明:高導(dǎo)熱的金剛石、銀和銅不適合作為石墨/鋁界面的中間層,硅是最適合的材料。石墨片-硅-鋁復(fù)合材料的熱膨脹行為研究表明,隨著石墨片的體積分?jǐn)?shù)從13.7%增加到71.1%,復(fù)合材料xy方向上的熱膨脹系數(shù)從11.4ppm/k降低到7.7ppm/k,這與kerner模型的預(yù)測結(jié)果一致。但在z方向上復(fù)合材料存在反常熱膨脹行為:z方向上的熱膨脹系數(shù)反而比xy方向上的熱膨脹系數(shù)更低,且隨著石墨片體積分?jǐn)?shù)的增加而降低。通過優(yōu)化復(fù)合構(gòu)型和調(diào)控界面結(jié)構(gòu),最終獲得了高導(dǎo)熱、低膨脹的石墨片-硅-鋁復(fù)合材料,其性能指標(biāo)達(dá)到:xy方向上的熱導(dǎo)率達(dá)到526W/m K,比基體提高了400%;熱膨脹系數(shù)為7.7ppm/K,與半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)相匹配;密度為2.32g/cm3;力學(xué)性能滿足半導(dǎo)體行業(yè)散熱組件的使用要求。采用金剛石取代硅顆粒,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到630W/m K。
【圖文】：

圖 1-1 纖維復(fù)合構(gòu)型：(a)單向排列(沿 z 軸)、(b)三維隨機(jī)取向、(c)面內(nèi)隨機(jī)分布(沿 xy 平面)[6Fig.1-1 Fiber filled composite configurations: (a) unidirectional alignment (along the z-axis), (b)three-dimensional random orientation, (c) in-plane random distribution (along the xy-plane)[65]對于圖 1-2 所示的層狀復(fù)合材料具有 2-2 型疊層復(fù)合構(gòu)型，其復(fù)合材料的導(dǎo)熱

圖 1-2 疊層復(fù)合構(gòu)型的示意圖Fig.1-2 Schematic illustration of laminated configuration短切纖維還是片狀填料，在復(fù)合構(gòu)型中都是非連續(xù)相比較敏感。而互穿網(wǎng)絡(luò)復(fù)合構(gòu)型中填料和基體都是連
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB33

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本文編號：2552086