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石墨烯導熱(rè)矽膠在LED行業的應用
發布時間:
2020-09-02 16:35
來(lái)源:
石墨烯資訊編輯整理(lǐ)
近年(nián)來(lái),發光(guāng)二極管(LED)作(zuò)爲新一代綠色照(zhào)明光(guāng)源得(de)到了快(kuài)速發展。同時,LED發光(guāng)效率、亮度和功率等方面技術(shù)的開發應用研究也得(de)到廣泛關注。然而, 随着大(dà)功率、高亮度LED的普及,LED芯片功率的增大(dà), 傳統的小功率LED制造工(gōng)藝和封裝技術(shù)已經無法滿足市場需求,LED封裝技術(shù)将面臨新的挑戰。
石墨烯導熱(rè)矽膠作(zuò)爲一種理(lǐ)想的界面封裝材料, 具有廣闊的應用前景。本文綜述了石墨烯填充導熱(rè)矽膠的研究現狀、高導熱(rè)機(jī)理(lǐ), 以及石墨烯層數、用量、複合填料、表面處理(lǐ)、導熱(rè)矽膠制備工(gōng)藝對導熱(rè)性能的影(yǐng)響, 并對未來(lái)石墨烯導熱(rè)矽膠的應用前景及研究方向進行展望。
1、石墨烯導熱(rè)矽膠的研究現狀
封裝技術(shù)中的熱(rè)量管理(lǐ)技術(shù)是決定LED産品可(kě)靠性優劣的關鍵因素。研究表明, 大(dà)功率LED 80 %~90 %的輸入功率會轉化爲熱(rè)量,僅10%~20 %的輸入功率轉化爲光(guāng)能, 極大(dà)地降低了發光(guāng)亮度, 此外, 芯片熱(rè)量的聚集容易引起LED節點溫度的升高, 導緻LED的波峰發生(shēng)轉移, 改變照(zhào)明光(guāng)線的顔色, 同時縮短(duǎn)LED器件(jiàn)的使用壽命。散熱(rè)性能已成爲制約LED器件(jiàn)使用壽命的關鍵因素。解決LED燈具的散熱(rè)問(wèn)題, 主要從(cóng)2個方面入手,散熱(rè)結構和導熱(rè)材料, 其中發揮散熱(rè)效果最佳的是優異的導熱(rè)界面材料, 實現導熱(rè)結構體(tǐ)與導熱(rè)界面材料之間的緊密連接, 減小因界面接觸引起的熱(rè)阻。目前市場上常用的高導熱(rè)界面材料包括導熱(rè)矽脂、導熱(rè)雙面貼、相(xiàng)變材料以及導熱(rè)矽膠。導熱(rè)矽膠是矽橡膠基體(tǐ)和導熱(rè)填料複合的熱(rè)界面材料, 具有良好的導熱(rè)性、柔韌性、穩定性以及表面天然的粘接性等優點被應用于包括LED燈具在内的電子器件(jiàn)中。導熱(rè)矽膠作(zuò)爲一種導熱(rè)散熱(rè)界面材料,基體(tǐ)矽橡膠的導熱(rè)性較差, 因此導熱(rè)矽膠主要依賴于導熱(rè)填料良好的熱(rè)導率來(lái)提高自(zì)身(shēn)的導熱(rè)性能。
當前, 市場上應用較多爲銅、鋁、氧化鋁、氮化鋁、碳化矽等導熱(rè)填料,熱(rè)導率分(fēn)别爲398、247、40、320、270 W /(m·K) , 室溫下采用以上填料填充界面導熱(rè)材料, 體(tǐ)系的熱(rè)導率達到1~ 5 W /(m·K)時, 填料填充體(tǐ)積要求較大(dà)。研究表明, 導熱(rè)填料采用相(xiàng)同的體(tǐ)積分(fēn)數或質量分(fēn)數填充導熱(rè)矽膠基體(tǐ), 其熱(rè)導率越高, 複合材料的導熱(rè)性能則更優異, 因此選用熱(rè)導率較高的填料可(kě)制備較高熱(rè)導率的複合材料, 且可(kě)采用更少的填料達到同樣的導熱(rè)效果。
石墨烯作(zuò)爲一種新型導熱(rè)填料, 實驗表明單層石墨烯的熱(rè)導率可(kě)高達5300 W /(m·K) , 具有超高的載流子遷移率、優異的熱(rè)導率、高比表面積和高柔韌性等優點, 因此采用石墨烯填充到導熱(rè)矽膠基體(tǐ)中, 可(kě)以制備出高導熱(rè)性的石墨烯基導熱(rè)材料, 導熱(rè)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優于采用其他(tā)傳統填料所制備的界面導熱(rè)材料。近年(nián)來(lái), 石墨烯作(zuò)爲一種理(lǐ)想的導熱(rè)填料, 成爲了研究的熱(rè)點方向。
2、石墨烯導熱(rè)矽膠的高導熱(rè)機(jī)理(lǐ)
熱(rè)傳導依靠微觀粒子的相(xiàng)互碰撞和傳遞作(zuò)用, 一般來(lái)說(shuō), 根據物質導熱(rè)時載體(tǐ)的不同, 固體(tǐ)材料内部的導熱(rè)載體(tǐ)分(fēn)爲3種:電子、光(guāng)子及聲子。其中無機(jī)非金屬材料主要依靠晶體(tǐ)原子振動産生(shēng)的聲子導熱(rè), 因此, 在強共價鍵合以及有序晶體(tǐ)晶格材料中導熱(rè)比較容易。導熱(rè)矽膠的基體(tǐ)主要爲聚氧矽烷, 是一類以矽氧鍵爲主鏈, 在矽原子上直接接有機(jī)基團的高分(fēn)子聚合物, 基體(tǐ)中沒有自(zì)由電子, 分(fēn)子運動困難, 因此聲子導熱(rè)是其主要導熱(rè)方式。由于聚矽氧烷高分(fēn)子鏈無規纏繞導緻結晶度較低以及分(fēn)子鏈對聲子的散射作(zuò)用較強, 導緻其熱(rè)導率偏低, 僅約爲0.165 W /(m·K)。因此, 制備高導熱(rè)矽膠通常需要将熱(rè)導率較高的導熱(rè)填料加入到高分(fēn)子聚合物中, 通過填料之間的聲子導熱(rè)實現熱(rè)傳導。
石墨烯是一種由s p 雜化單層碳原子構成的二維蜂窩狀晶格結構薄膜, 在石墨烯中,碳原子在不停地振動, 振動幅度可(kě)超過其厚度, 有序的晶體(tǐ)結構賦予其特殊的晶格振動簡正模能量量子即石墨烯進行熱(rè)傳導的聲子載體(tǐ), 同時由于其特殊的平面結構以及較大(dà)的橫縱比, 降低了聲子散射效應, 表現出優異的導熱(rè)特性, 研究表明其熱(rè)導率已超越石墨、碳納米管等碳同素異形體(tǐ)的極限。導熱(rè)填料在基體(tǐ)中能否相(xiàng)互搭接, 形成有效導熱(rè)網絡是表征複合材料導熱(rè)性能的重要依據, 石墨烯優異的導熱(rè)特性以及大(dà)片層結構, 能夠很好地在填充基材中形成熱(rè)流網絡,獲得(de)整體(tǐ)導熱(rè)性能優異的高導熱(rè)體(tǐ)系。
3、石墨烯導熱(rè)矽膠導熱(rè)性能的影(yǐng)響因素
石墨烯導熱(rè)矽膠體(tǐ)系的熱(rè)導率不僅與各相(xiàng)組成的熱(rè)導率有關, 而且還(hái)與各相(xiàng)的相(xiàng)對含量、形态、分(fēn)布以及相(xiàng)互作(zuò)用有關, 制備過程中石墨烯層數、尺寸、分(fēn)布等, 填料的含量、配方、添加順序等, 填料在基體(tǐ)材料中分(fēn)散的溫度、壓強、時間等, 均可(kě)改變填料在基體(tǐ)中的分(fēn)散性、界面作(zuò)用力以及空間支撐結構, 進一步影(yǐng)響複合材料導熱(rè)、黏度、硬度和延展性等性能。
3.1 石墨烯層數
石墨烯導熱(rè)矽膠的導熱(rè)性與石墨烯填料的導熱(rè)性相(xiàng)關, 石墨烯的層數是其導熱(rè)性的決定性因素之一。石墨烯的定義中, 認爲隻有層數在10層以下的石墨才可(kě)以看(kàn)作(zuò)是二維結構, 具有石墨烯的特性。随着石墨烯的層數增加, 其熱(rè)導率存在明顯降低的趨勢, 這是由于熱(rè)量傳輸過程中, 石墨烯片層間的範德華力會強烈限制垂直于石墨烯平面方向的 熱(rè)流,引起傳熱(rè)聲子載體(tǐ)的消散。
Ghosh等研究發現當石墨烯層數從(cóng)2層增加到4層時, 其熱(rè)導率從(cóng)3000 W /(m·K)左右降低到1500 W /( m·K)。因此, 采用石墨烯作(zuò)爲導熱(rè)填料添加到基體(tǐ)材料中時, 需要保證石墨烯有良好的分(fēn)散狀态。
3.2 石墨烯用量
采用石墨烯填充導熱(rè)矽膠, 當石墨烯含量較少時, 填料被聚合物基體(tǐ)分(fēn)散, 造成石墨烯片層之間難以接觸, 無法形成導熱(rè)網絡結構, 因此熱(rè)導率在低填充量時較小;随着石墨烯填充量的增加, 體(tǐ)系内逐漸形成了貫穿整個聚合物基體(tǐ)的導熱(rè)網絡, 可(kě)使複合材料的熱(rè)導率大(dà)大(dà)提高;但(dàn)是,當填充量增加到一定程度,由于石墨烯比表面積較大(dà),其片層間吸附作(zuò)用力也相(xiàng)應增大(dà),發生(shēng)不可(kě)逆團聚,石墨烯片層的搭接、疊加可(kě)在基體(tǐ)材料中形成空洞, 而空氣的熱(rè)導率僅爲0.0257W /(m·K),導緻體(tǐ)系的接觸熱(rè)阻的極大(dà)提升,嚴重阻礙了熱(rè)量的傳導。
此外, 導熱(rè)填料填充量過大(dà),會損害基體(tǐ)材料的力學性能及加工(gōng)性能, 同時降低導熱(rè)矽膠的流動性、穩定性及分(fēn)離(lí)性。石墨烯是一種典型的零帶隙半金屬材料, 具有良好的導電性, 對于絕緣性要求較高的導熱(rè)矽膠, 石墨烯填充量過多時, 無法保證體(tǐ)系的絕緣性能。
3.3 石墨烯導熱(rè)複合填料
石墨烯作(zuò)爲一種二維平面結構材料,具有很高的長徑比和熱(rè)導率,與零維導熱(rè)材料及一維導熱(rè)材料作(zuò)爲填料複配使用,可(kě)産生(shēng)協同效應,顯著強化體(tǐ)系的熱(rè)導效果( 如(rú)圖1所示)。導熱(rè)矽膠可(kě)以結合各種填料的優點來(lái)提高其性能, 例如(rú), 采用石墨烯與零維球形導熱(rè)材料制備複合填料, 一方面,球形填料形成緊湊堆積結構可(kě)阻礙石墨烯團聚;另一方面, 石墨烯的二維平面結構可(kě)以很大(dà)程度提高體(tǐ)系中聲子傳輸的速度和效率, 降低球形填料對聲子載體(tǐ)的散射作(zuò)用。
大(dà)片層石墨烯填充導熱(rè)矽膠達到最佳改善效果時,存在較多空隙,并且适當調配不同粒徑的導熱(rè)材料,體(tǐ)系的黏度小于單一導熱(rè)填料體(tǐ)系,Elliott等研究發現使用3種以上不同粒徑的導熱(rè)填料,則體(tǐ)系的導熱(rè)填料摻量超過90 %。因此,通過采用不同粒徑大(dà)小或不同形貌的填料組合使用,能夠很好地填充剩下的空隙且保證體(tǐ)系的流動性, 與石墨烯形成寬泛的導熱(rè)網絡,縮短(duǎn)傳熱(rè)距離(lí)。
3.4 表面處理(lǐ)
單層石墨烯是由苯六元環組成的純相(xiàng)晶體(tǐ),表面呈惰性狀态, 且石墨烯片層間較強的範德華力, 容易發生(shēng)團聚, 與其他(tā)介質( 如(rú)水、部分(fēn)有機(jī)溶劑等) 混合時, 兩相(xiàng)間作(zuò)用力較弱, 容易發生(shēng)不相(xiàng)容的現象。采用石墨烯填充導熱(rè)矽膠, 填料與基體(tǐ)界面之間存在一定的空隙, 内部熱(rè)量傳輸過程中,界面作(zuò)用會引起界面熱(rè)阻, 直接影(yǐng)響體(tǐ)系的熱(rè)導率。因此,通過對石墨烯表面進行改性處理(lǐ), 提高石墨烯與基體(tǐ)間的相(xiàng)容性, 不僅能夠改善石墨烯在基體(tǐ)中的分(fēn)散效果, 提高最大(dà)填充量及熱(rè)導率, 同時能夠改善導熱(rè)體(tǐ)系的物理(lǐ)力學性能。
H u n g等研究發現, 石墨烯片層與聚合物之間存在較強的熱(rè)界面阻力, 嚴重影(yǐng)響納米複合物之間的熱(rè)量傳輸;通過采用硝酸對石墨烯表面進行預處理(lǐ), 提高兩相(xiàng)界面的粘接作(zuò)用力,可(kě)改善複合材料的導熱(rè)性能。
4、制備工(gōng)藝
不同的制備工(gōng)藝使得(de)石墨烯片層在基體(tǐ)中的分(fēn)散程度不同, 導緻熱(rè)流方向上填料的密度不一緻, 從(cóng)而影(yǐng)響複合材料的熱(rè)導率。按照(zhào)石墨烯與高分(fēn)子高聚物複合時的狀态,可(kě)将共混方法分(fēn)爲:溶液共混法、粉末共混法、熔融共混法。
(1)溶液共混法:利用溶劑溶解高聚物後, 将導熱(rè)填料均勻分(fēn)散于混合溶液中, 蒸發溶劑後, 将混合物熔融澆鑄或模壓成型或擠出成型。溶液共混法隻能應用于可(kě)溶解的高聚物, 同時耗費大(dà)量的有機(jī)溶劑, 難以實現工(gōng)業化生(shēng)産。
(2)粉末共混法:采用高速攪拌法,将高聚物粉末與導熱(rè)填料粉末按比例混合均勻, 熔融澆鑄成型。粉末共混法能夠很好地實現基體(tǐ)對填料的包裹, 且該方法受複合材料的加工(gōng)性能影(yǐng)響較小, 可(kě)制備填料含量較高的複合材料, 與其他(tā)共混方法相(xiàng)比, 該方法得(de)到的材料體(tǐ)系熱(rè)導率最高。
(3)熔融共混法:将導熱(rè)填料粉末直接加入到熔融态高聚物中, 借助混煉設備的剪切力混合均勻, 然後加工(gōng)成型。熔融共混法成本較低, 可(kě)進行大(dà)規模生(shēng)産, 但(dàn)是對材料及設備的加工(gōng)性能要求較高, 與其他(tā)共混方法相(xiàng)比, 該方法得(de)到的材料體(tǐ)系熱(rè)導率最低。
5、展望
随着半導體(tǐ)材料的集成化、微型化和大(dà)功率化的高速發展,現代電子設備和L E D等半導體(tǐ)設施對導熱(rè)材料提出了更高的要求。石墨烯高導熱(rè)矽膠憑借其良好的熱(rè)導率以及優異的熱(rè)穩定性,在L E D半導體(tǐ)領域擁有廣闊的應用前景。目前, 針對石墨烯導熱(rè)矽膠的研究還(hái)在起步階段, 在今後的工(gōng)作(zuò)中, 還(hái)可(kě)以對以下方面進行進一步研究:
(1)進一步考查石墨烯填充高導熱(rè)矽膠導熱(rè)性能的影(yǐng)響因素, 對影(yǐng)響因素形成體(tǐ)系研究, 以便在制備過程中規避不良因素, 制備出具有優異性能的導熱(rè)矽膠。
(2)對石墨烯導熱(rè)複合填料各組成部分(fēn)之間的協同作(zuò)用機(jī)制進行深入探究, 實現複合導熱(rè)填料體(tǐ)系的可(kě)控調配。
(3)探究石墨烯最佳的可(kě)控表面功能化處理(lǐ)方法, 解決石墨烯材料在聚合物基體(tǐ)中的分(fēn)散性。
(4)實現高品質石墨烯的批量化生(shēng)産,解決石墨烯導熱(rè)矽膠的成本問(wèn)題, 擴大(dà)石墨烯導熱(rè)矽膠市場化應用範圍。
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