电子封装中热管理材料的制备及其性能研究

随着电子元器件小型化、高集成度和高的功率密度,其发热量急剧增大,电子器件的热管理显得尤为重要。高性能的热管理材料能有效地帮助电子元器件散热,是电子器件热管理的基础。热管理材料分为被动热管理材料(热界面材料、散热器、热沉、基板等)和主动热管理材料(热电材料)。导热硅脂因其具有优异的导热性和填充性,可以作为热界面材料,是电子器件热管理的重要材料之一,已在业界广泛使用。此外,热电材料方面,碲化银纳米线(Ag2Te NWs)因其优异的热电性能,是制备柔性热电材料最具潜力原材料。虽然目前导热硅脂和柔性热电材料的研究有一定的进展,但仍不足以满足电子设备的散热需求。本论文以含氢硅油和二甲基硅油为基体,氧化铝(Al2O3)、银(Ag)、铝(Al)和氧化锌(ZnO)为填料制备了导热硅脂;用Ag2Te NWs制备了室温下焊接的柔性热电薄膜,具体研究内容和结论如下:(1)使用A12O3、ZnO、Ag和Al为填料、癸基三甲氧基硅氧烷为表面改性剂、含氢硅油和二甲基硅油为基体,制备了导热硅脂,并对填料和制备的导热硅脂进行了表面形貌及改性情况的分析和导热性能、粘度和耐压性能的表征。研究发现:大颗粒Ag较小颗粒Ag能更好地分散于导热硅脂之中,从而更好地形成导热通路;由于Ag具有高的热导率,Ag的添加量每增加1.5%其导热硅脂的热导率能提高3%以上;Ag良好的导电性会使导热硅脂较易被电击穿,其击穿强度为2.547 kV/cm;癸基三甲氧基硅氧烷因能与Al表面的羟基反应从而使其能够更好地在硅油中分散;球形Al能进一步提高导热硅脂的热导率,在填料含量相当的情况下,其热导率能提升63.6%(从3.3 W/mK到5.4 W/mK),并且大颗粒的Al球的引入能显著降低导热硅脂的粘度,这有利于我们进一步提高样品的热导率。(2)采用简单的真空抽滤加滴涂的方法制备了室温下焊接的Ag2Te NWs柔性热电薄膜并分析了其相关性能。研究发现:由于纳米线的焊接,室温下热电薄膜的电导率可达15335.05 S/m,功率因子为151.76 μWm-1K-2;薄膜的热电性能420 K时达到最高,为359.76 μWm-1K-2;由于纳米线的焊接和薄膜致密的网络结构的存在,薄膜电阻经1000次循环弯曲后仅变为初始电阻的1.3倍;在手指触摸测试中,薄膜在手指触摸时可以稳定地输出约0.52mV的电压,并且具有较快的响应速度;在热电模块输出电流-电压曲线测试中,由于薄膜的高塞贝克系数和电导率,模块在40 K的温差下能输出电压将近4 mV的电压,表明制备的温下焊接的Ag2Te NWs柔性热电薄膜具有良好的热电性能,说明其具有巨大的潜力以应用于热电致冷领域。