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石墨烯导热硅胶在LED行业的应用

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【摘要】:
近年来,发光二极管(LED)作为新一代绿色照明光源得到了快速发展。同时,LED发光效率、亮度和功率等方面技术的开发应用研究也得到广泛关注。然而, 随着大功率、高亮度LED的普及,LED芯片功率的增大, 传统的小功率LED制造工艺和封装技术已经无法满足市场需求,LED封装技术将面临新的挑战。

石墨烯导热硅胶作为一种理想的界面封装材料, 具有广阔的应用前景。本文综述了石墨烯填充导热硅胶的研究现状、高导热机理, 以及石墨烯层数、用量、复合填料、表面处理、导热硅胶制备工艺对导热性能的影响, 并对未来石墨烯导热硅胶的应用前景及研究方向进行展望。

 

1、石墨烯导热硅胶的研究现状

封装技术中的热量管理技术是决定LED产品可靠性优劣的关键因素。研究表明, 大功率LED 80 %~90 %的输入功率会转化为热量,仅10%~20 %的输入功率转化为光能, 极大地降低了发光亮度, 此外, 芯片热量的聚集容易引起LED节点温度的升高, 导致LED的波峰发生转移, 改变照明光线的颜色, 同时缩短LED器件的使用寿命。散热性能已成为制约LED器件使用寿命的关键因素。解决LED灯具的散热问题, 主要从2个方面入手,散热结构和导热材料, 其中发挥散热效果最佳的是优异的导热界面材料, 实现导热结构体与导热界面材料之间的紧密连接, 减小因界面接触引起的热阻。目前市场上常用的高导热界面材料包括导热硅脂、导热双面贴、相变材料以及导热硅胶。导热硅胶是硅橡胶基体和导热填料复合的热界面材料, 具有良好的导热性、柔韧性、稳定性以及表面天然的粘接性等优点被应用于包括LED灯具在内的电子器件中。导热硅胶作为一种导热散热界面材料,基体硅橡胶的导热性较差, 因此导热硅胶主要依赖于导热填料良好的热导率来提高自身的导热性能。

当前, 市场上应用较多为铜、铝、氧化铝、氮化铝、碳化硅等导热填料,热导率分别为398、247、40、320、270 W /(m·K) , 室温下采用以上填料填充界面导热材料, 体系的热导率达到1~ 5 W /(m·K)时, 填料填充体积要求较大。研究表明, 导热填料采用相同的体积分数或质量分数填充导热硅胶基体, 其热导率越高, 复合材料的导热性能则更优异, 因此选用热导率较高的填料可制备较高热导率的复合材料, 且可采用更少的填料达到同样的导热效果。

石墨烯作为一种新型导热填料, 实验表明单层石墨烯的热导率可高达5300 W /(m·K) , 具有超高的载流子迁移率、优异的热导率、高比表面积和高柔韧性等优点, 因此采用石墨烯填充到导热硅胶基体中, 可以制备出高导热性的石墨烯基导热材料, 导热性能远远优于采用其他传统填料所制备的界面导热材料。近年来, 石墨烯作为一种理想的导热填料, 成为了研究的热点方向。

 

2、石墨烯导热硅胶的高导热机理

热传导依靠微观粒子的相互碰撞和传递作用, 一般来说, 根据物质导热时载体的不同, 固体材料内部的导热载体分为3种:电子、光子及声子。其中无机非金属材料主要依靠晶体原子振动产生的声子导热, 因此, 在强共价键合以及有序晶体晶格材料中导热比较容易。导热硅胶的基体主要为聚氧硅烷, 是一类以硅氧键为主链, 在硅原子上直接接有机基团的高分子聚合物, 基体中没有自由电子, 分子运动困难, 因此声子导热是其主要导热方式。由于聚硅氧烷高分子链无规缠绕导致结晶度较低以及分子链对声子的散射作用较强, 导致其热导率偏低, 仅约为0.165 W /(m·K)。因此, 制备高导热硅胶通常需要将热导率较高的导热填料加入到高分子聚合物中, 通过填料之间的声子导热实现热传导。

石墨烯是一种由s p 杂化单层碳原子构成的二维蜂窝状晶格结构薄膜, 在石墨烯中,碳原子在不停地振动, 振动幅度可超过其厚度, 有序的晶体结构赋予其特殊的晶格振动简正模能量量子即石墨烯进行热传导的声子载体, 同时由于其特殊的平面结构以及较大的横纵比, 降低了声子散射效应, 表现出优异的导热特性, 研究表明其热导率已超越石墨、碳纳米管等碳同素异形体的极限。导热填料在基体中能否相互搭接, 形成有效导热网络是表征复合材料导热性能的重要依据, 石墨烯优异的导热特性以及大片层结构, 能够很好地在填充基材中形成热流网络,获得整体导热性能优异的高导热体系。

 

3、石墨烯导热硅胶导热性能的影响因素

石墨烯导热硅胶体系的热导率不仅与各相组成的热导率有关, 而且还与各相的相对含量、形态、分布以及相互作用有关, 制备过程中石墨烯层数、尺寸、分布等, 填料的含量、配方、添加顺序等, 填料在基体材料中分散的温度、压强、时间等, 均可改变填料在基体中的分散性、界面作用力以及空间支撑结构, 进一步影响复合材料导热、黏度、硬度和延展性等性能。

3.1 石墨烯层数

石墨烯导热硅胶的导热性与石墨烯填料的导热性相关, 石墨烯的层数是其导热性的决定性因素之一。石墨烯的定义中, 认为只有层数在10层以下的石墨才可以看作是二维结构, 具有石墨烯的特性。随着石墨烯的层数增加, 其热导率存在明显降低的趋势, 这是由于热量传输过程中, 石墨烯片层间的范德华力会强烈限制垂直于石墨烯平面方向的 热流,引起传热声子载体的消散。

Ghosh等研究发现当石墨烯层数从2层增加到4层时, 其热导率从3000 W /(m·K)左右降低到1500 W /( m·K)。因此, 采用石墨烯作为导热填料添加到基体材料中时, 需要保证石墨烯有良好的分散状态。

3.2 石墨烯用量

采用石墨烯填充导热硅胶, 当石墨烯含量较少时, 填料被聚合物基体分散, 造成石墨烯片层之间难以接触, 无法形成导热网络结构, 因此热导率在低填充量时较小;随着石墨烯填充量的增加, 体系内逐渐形成了贯穿整个聚合物基体的导热网络, 可使复合材料的热导率大大提高;但是,当填充量增加到一定程度,由于石墨烯比表面积较大,其片层间吸附作用力也相应增大,发生不可逆团聚,石墨烯片层的搭接、叠加可在基体材料中形成空洞, 而空气的热导率仅为0.0257W /(m·K),导致体系的接触热阻的极大提升,严重阻碍了热量的传导。

此外, 导热填料填充量过大,会损害基体材料的力学性能及加工性能, 同时降低导热硅胶的流动性、稳定性及分离性。石墨烯是一种典型的零带隙半金属材料, 具有良好的导电性, 对于绝缘性要求较高的导热硅胶, 石墨烯填充量过多时, 无法保证体系的绝缘性能。

 

3.3 石墨烯导热复合填料

石墨烯作为一种二维平面结构材料,具有很高的长径比和热导率,与零维导热材料及一维导热材料作为填料复配使用,可产生协同效应,显著强化体系的热导效果( 如图1所示)。导热硅胶可以结合各种填料的优点来提高其性能, 例如, 采用石墨烯与零维球形导热材料制备复合填料, 一方面,球形填料形成紧凑堆积结构可阻碍石墨烯团聚;另一方面, 石墨烯的二维平面结构可以很大程度提高体系中声子传输的速度和效率, 降低球形填料对声子载体的散射作用。

大片层石墨烯填充导热硅胶达到最佳改善效果时,存在较多空隙,并且适当调配不同粒径的导热材料,体系的黏度小于单一导热填料体系,Elliott等研究发现使用3种以上不同粒径的导热填料,则体系的导热填料掺量超过90 %。因此,通过采用不同粒径大小或不同形貌的填料组合使用,能够很好地填充剩下的空隙且保证体系的流动性, 与石墨烯形成宽泛的导热网络,缩短传热距离。



3.4 表面处理

单层石墨烯是由苯六元环组成的纯相晶体,表面呈惰性状态, 且石墨烯片层间较强的范德华力, 容易发生团聚, 与其他介质( 如水、部分有机溶剂等) 混合时, 两相间作用力较弱, 容易发生不相容的现象。采用石墨烯填充导热硅胶, 填料与基体界面之间存在一定的空隙, 内部热量传输过程中,界面作用会引起界面热阻, 直接影响体系的热导率。因此,通过对石墨烯表面进行改性处理, 提高石墨烯与基体间的相容性, 不仅能够改善石墨烯在基体中的分散效果, 提高最大填充量及热导率, 同时能够改善导热体系的物理力学性能。

H u n g等研究发现, 石墨烯片层与聚合物之间存在较强的热界面阻力, 严重影响纳米复合物之间的热量传输;通过采用硝酸对石墨烯表面进行预处理, 提高两相界面的粘接作用力,可改善复合材料的导热性能。

 

4、制备工艺

不同的制备工艺使得石墨烯片层在基体中的分散程度不同, 导致热流方向上填料的密度不一致, 从而影响复合材料的热导率。按照石墨烯与高分子高聚物复合时的状态,可将共混方法分为:溶液共混法、粉末共混法、熔融共混法。

(1)溶液共混法:利用溶剂溶解高聚物后, 将导热填料均匀分散于混合溶液中, 蒸发溶剂后, 将混合物熔融浇铸或模压成型或挤出成型。溶液共混法只能应用于可溶解的高聚物, 同时耗费大量的有机溶剂, 难以实现工业化生产。

(2)粉末共混法:采用高速搅拌法,将高聚物粉末与导热填料粉末按比例混合均匀, 熔融浇铸成型。粉末共混法能够很好地实现基体对填料的包裹, 且该方法受复合材料的加工性能影响较小, 可制备填料含量较高的复合材料, 与其他共混方法相比, 该方法得到的材料体系热导率最高。

(3)熔融共混法:将导热填料粉末直接加入到熔融态高聚物中, 借助混炼设备的剪切力混合均匀, 然后加工成型。熔融共混法成本较低, 可进行大规模生产, 但是对材料及设备的加工性能要求较高, 与其他共混方法相比, 该方法得到的材料体系热导率最低。

 

5、展望

随着半导体材料的集成化、微型化和大功率化的高速发展,现代电子设备和L E D等半导体设施对导热材料提出了更高的要求。石墨烯高导热硅胶凭借其良好的热导率以及优异的热稳定性,在L E D半导体领域拥有广阔的应用前景。目前, 针对石墨烯导热硅胶的研究还在起步阶段, 在今后的工作中, 还可以对以下方面进行进一步研究:

(1)进一步考查石墨烯填充高导热硅胶导热性能的影响因素, 对影响因素形成体系研究, 以便在制备过程中规避不良因素, 制备出具有优异性能的导热硅胶。

(2)对石墨烯导热复合填料各组成部分之间的协同作用机制进行深入探究, 实现复合导热填料体系的可控调配。

(3)探究石墨烯最佳的可控表面功能化处理方法, 解决石墨烯材料在聚合物基体中的分散性。

(4)实现高品质石墨烯的批量化生产,解决石墨烯导热硅胶的成本问题, 扩大石墨烯导热硅胶市场化应用范围。

 

 

近年来,发光二极管(LED)作为新一代绿色照明光源得到了快速发展。同时,LED发光效率、亮度和功率等方面技术的开发应用研究也得到广泛关注。然而, 随着大功率、高亮度LED的普及,LED芯片功率的增大, 传统的小功率LED制造工艺和封装技术已经无法满足市场需求,LED封装技术将面临新的挑战。

石墨烯导热硅胶作为一种理想的界面封装材料, 具有广阔的应用前景。本文综述了石墨烯填充导热硅胶的研究现状、高导热机理, 以及石墨烯层数、用量、复合填料、表面处理、导热硅胶制备工艺对导热性能的影响, 并对未来石墨烯导热硅胶的应用前景及研究方向进行展望。

 

1、石墨烯导热硅胶的研究现状

封装技术中的热量管理技术是决定LED产品可靠性优劣的关键因素。研究表明, 大功率LED 80 %~90 %的输入功率会转化为热量,仅10%~20 %的输入功率转化为光能, 极大地降低了发光亮度, 此外, 芯片热量的聚集容易引起LED节点温度的升高, 导致LED的波峰发生转移, 改变照明光线的颜色, 同时缩短LED器件的使用寿命。散热性能已成为制约LED器件使用寿命的关键因素。解决LED灯具的散热问题, 主要从2个方面入手,散热结构和导热材料, 其中发挥散热效果最佳的是优异的导热界面材料, 实现导热结构体与导热界面材料之间的紧密连接, 减小因界面接触引起的热阻。目前市场上常用的高导热界面材料包括导热硅脂、导热双面贴、相变材料以及导热硅胶。导热硅胶是硅橡胶基体和导热填料复合的热界面材料, 具有良好的导热性、柔韧性、稳定性以及表面天然的粘接性等优点被应用于包括LED灯具在内的电子器件中。导热硅胶作为一种导热散热界面材料,基体硅橡胶的导热性较差, 因此导热硅胶主要依赖于导热填料良好的热导率来提高自身的导热性能。

当前, 市场上应用较多为铜、铝、氧化铝、氮化铝、碳化硅等导热填料,热导率分别为398、247、40、320、270 W /(m·K) , 室温下采用以上填料填充界面导热材料, 体系的热导率达到1~ 5 W /(m·K)时, 填料填充体积要求较大。研究表明, 导热填料采用相同的体积分数或质量分数填充导热硅胶基体, 其热导率越高, 复合材料的导热性能则更优异, 因此选用热导率较高的填料可制备较高热导率的复合材料, 且可采用更少的填料达到同样的导热效果。

石墨烯作为一种新型导热填料, 实验表明单层石墨烯的热导率可高达5300 W /(m·K) , 具有超高的载流子迁移率、优异的热导率、高比表面积和高柔韧性等优点, 因此采用石墨烯填充到导热硅胶基体中, 可以制备出高导热性的石墨烯基导热材料, 导热性能远远优于采用其他传统填料所制备的界面导热材料。近年来, 石墨烯作为一种理想的导热填料, 成为了研究的热点方向。

 

2、石墨烯导热硅胶的高导热机理

热传导依靠微观粒子的相互碰撞和传递作用, 一般来说, 根据物质导热时载体的不同, 固体材料内部的导热载体分为3种:电子、光子及声子。其中无机非金属材料主要依靠晶体原子振动产生的声子导热, 因此, 在强共价键合以及有序晶体晶格材料中导热比较容易。导热硅胶的基体主要为聚氧硅烷, 是一类以硅氧键为主链, 在硅原子上直接接有机基团的高分子聚合物, 基体中没有自由电子, 分子运动困难, 因此声子导热是其主要导热方式。由于聚硅氧烷高分子链无规缠绕导致结晶度较低以及分子链对声子的散射作用较强, 导致其热导率偏低, 仅约为0.165 W /(m·K)。因此, 制备高导热硅胶通常需要将热导率较高的导热填料加入到高分子聚合物中, 通过填料之间的声子导热实现热传导。

石墨烯是一种由s p 杂化单层碳原子构成的二维蜂窝状晶格结构薄膜, 在石墨烯中,碳原子在不停地振动, 振动幅度可超过其厚度, 有序的晶体结构赋予其特殊的晶格振动简正模能量量子即石墨烯进行热传导的声子载体, 同时由于其特殊的平面结构以及较大的横纵比, 降低了声子散射效应, 表现出优异的导热特性, 研究表明其热导率已超越石墨、碳纳米管等碳同素异形体的极限。导热填料在基体中能否相互搭接, 形成有效导热网络是表征复合材料导热性能的重要依据, 石墨烯优异的导热特性以及大片层结构, 能够很好地在填充基材中形成热流网络,获得整体导热性能优异的高导热体系。

 

3、石墨烯导热硅胶导热性能的影响因素

石墨烯导热硅胶体系的热导率不仅与各相组成的热导率有关, 而且还与各相的相对含量、形态、分布以及相互作用有关, 制备过程中石墨烯层数、尺寸、分布等, 填料的含量、配方、添加顺序等, 填料在基体材料中分散的温度、压强、时间等, 均可改变填料在基体中的分散性、界面作用力以及空间支撑结构, 进一步影响复合材料导热、黏度、硬度和延展性等性能。

3.1 石墨烯层数

石墨烯导热硅胶的导热性与石墨烯填料的导热性相关, 石墨烯的层数是其导热性的决定性因素之一。石墨烯的定义中, 认为只有层数在10层以下的石墨才可以看作是二维结构, 具有石墨烯的特性。随着石墨烯的层数增加, 其热导率存在明显降低的趋势, 这是由于热量传输过程中, 石墨烯片层间的范德华力会强烈限制垂直于石墨烯平面方向的 热流,引起传热声子载体的消散。

Ghosh等研究发现当石墨烯层数从2层增加到4层时, 其热导率从3000 W /(m·K)左右降低到1500 W /( m·K)。因此, 采用石墨烯作为导热填料添加到基体材料中时, 需要保证石墨烯有良好的分散状态。

3.2 石墨烯用量

采用石墨烯填充导热硅胶, 当石墨烯含量较少时, 填料被聚合物基体分散, 造成石墨烯片层之间难以接触, 无法形成导热网络结构, 因此热导率在低填充量时较小;随着石墨烯填充量的增加, 体系内逐渐形成了贯穿整个聚合物基体的导热网络, 可使复合材料的热导率大大提高;但是,当填充量增加到一定程度,由于石墨烯比表面积较大,其片层间吸附作用力也相应增大,发生不可逆团聚,石墨烯片层的搭接、叠加可在基体材料中形成空洞, 而空气的热导率仅为0.0257W /(m·K),导致体系的接触热阻的极大提升,严重阻碍了热量的传导。

此外, 导热填料填充量过大,会损害基体材料的力学性能及加工性能, 同时降低导热硅胶的流动性、稳定性及分离性。石墨烯是一种典型的零带隙半金属材料, 具有良好的导电性, 对于绝缘性要求较高的导热硅胶, 石墨烯填充量过多时, 无法保证体系的绝缘性能。

 

3.3 石墨烯导热复合填料

石墨烯作为一种二维平面结构材料,具有很高的长径比和热导率,与零维导热材料及一维导热材料作为填料复配使用,可产生协同效应,显著强化体系的热导效果( 如图1所示)。导热硅胶可以结合各种填料的优点来提高其性能, 例如, 采用石墨烯与零维球形导热材料制备复合填料, 一方面,球形填料形成紧凑堆积结构可阻碍石墨烯团聚;另一方面, 石墨烯的二维平面结构可以很大程度提高体系中声子传输的速度和效率, 降低球形填料对声子载体的散射作用。

大片层石墨烯填充导热硅胶达到最佳改善效果时,存在较多空隙,并且适当调配不同粒径的导热材料,体系的黏度小于单一导热填料体系,Elliott等研究发现使用3种以上不同粒径的导热填料,则体系的导热填料掺量超过90 %。因此,通过采用不同粒径大小或不同形貌的填料组合使用,能够很好地填充剩下的空隙且保证体系的流动性, 与石墨烯形成宽泛的导热网络,缩短传热距离。

3.4 表面处理

单层石墨烯是由苯六元环组成的纯相晶体,表面呈惰性状态, 且石墨烯片层间较强的范德华力, 容易发生团聚, 与其他介质( 如水、部分有机溶剂等) 混合时, 两相间作用力较弱, 容易发生不相容的现象。采用石墨烯填充导热硅胶, 填料与基体界面之间存在一定的空隙, 内部热量传输过程中,界面作用会引起界面热阻, 直接影响体系的热导率。因此,通过对石墨烯表面进行改性处理, 提高石墨烯与基体间的相容性, 不仅能够改善石墨烯在基体中的分散效果, 提高最大填充量及热导率, 同时能够改善导热体系的物理力学性能。

H u n g等研究发现, 石墨烯片层与聚合物之间存在较强的热界面阻力, 严重影响纳米复合物之间的热量传输;通过采用硝酸对石墨烯表面进行预处理, 提高两相界面的粘接作用力,可改善复合材料的导热性能。

 

4、制备工艺

不同的制备工艺使得石墨烯片层在基体中的分散程度不同, 导致热流方向上填料的密度不一致, 从而影响复合材料的热导率。按照石墨烯与高分子高聚物复合时的状态,可将共混方法分为:溶液共混法、粉末共混法、熔融共混法。

(1)溶液共混法:利用溶剂溶解高聚物后, 将导热填料均匀分散于混合溶液中, 蒸发溶剂后, 将混合物熔融浇铸或模压成型或挤出成型。溶液共混法只能应用于可溶解的高聚物, 同时耗费大量的有机溶剂, 难以实现工业化生产。

(2)粉末共混法:采用高速搅拌法,将高聚物粉末与导热填料粉末按比例混合均匀, 熔融浇铸成型。粉末共混法能够很好地实现基体对填料的包裹, 且该方法受复合材料的加工性能影响较小, 可制备填料含量较高的复合材料, 与其他共混方法相比, 该方法得到的材料体系热导率最高。

(3)熔融共混法:将导热填料粉末直接加入到熔融态高聚物中, 借助混炼设备的剪切力混合均匀, 然后加工成型。熔融共混法成本较低, 可进行大规模生产, 但是对材料及设备的加工性能要求较高, 与其他共混方法相比, 该方法得到的材料体系热导率最低。

 

5、展望

随着半导体材料的集成化、微型化和大功率化的高速发展,现代电子设备和L E D等半导体设施对导热材料提出了更高的要求。石墨烯高导热硅胶凭借其良好的热导率以及优异的热稳定性,在L E D半导体领域拥有广阔的应用前景。目前, 针对石墨烯导热硅胶的研究还在起步阶段, 在今后的工作中, 还可以对以下方面进行进一步研究:

(1)进一步考查石墨烯填充高导热硅胶导热性能的影响因素, 对影响因素形成体系研究, 以便在制备过程中规避不良因素, 制备出具有优异性能的导热硅胶。

(2)对石墨烯导热复合填料各组成部分之间的协同作用机制进行深入探究, 实现复合导热填料体系的可控调配。

(3)探究石墨烯最佳的可控表面功能化处理方法, 解决石墨烯材料在聚合物基体中的分散性。

(4)实现高品质石墨烯的批量化生产,解决石墨烯导热硅胶的成本问题, 扩大石墨烯导热硅胶市场化应用范围。

 

 

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