高熱傳複合材料之發展與應用

刊登日期:2012/3/13
  • 字級

一般而言,傳統鋁、銅金屬是最常被用來當作高導熱的材料,純金屬或合金的熱傳導率雖高(K, Al = 200; Cu = 400W/m•K),但重量重,熱膨脹係數也非常高(CTE, Al = 23; Cu = 17ppm/K),與半導體材料(CTE: 4~6 ppm/K)差異甚大,影響電子元件的長期可靠度,為了維持金屬材料高導熱的特性、改善其熱膨脹係數太大所造成可靠度不足的問題,以及提高材料之比剛性/ 比強度,因此金屬基複合材料就從這個基礎上被發展起來,其主要是由一種或多種強化材(Reinforcement Agent)及一金屬基地(Metal Matrix)所組成。

以石墨而言,包括人工合成石墨、天然石墨、電極石墨、球狀石墨等,熱傳導率通常在200~600 W/m•K 之間。碳纖維則有長纖維、短纖維、粉末碳纖維及氣相生成碳纖維等種類,其熱傳導率通常在500~1,100 W/m•K 之間;氣相生成碳纖維(VGCF)、奈米碳管(CNT)及石墨烯(Grapheme)甚至可達1,600~2,000 W/m•K以上。

石墨強化鋁基複材之發展及應用
石墨的種類和型態繁多,如圖三所示,有天然的及人工合成的;有片狀、鱗狀、球狀及粉末狀,同時還包含不同前驅物、製程所造成的石墨產品性質上的差異。運用這些不同石墨做為強化材,可以製作具有各種特性組合的石墨強化金屬基複合材料。其做法包括熱壓法、電流輔助燒結法、真空液相滲透法及液相壓力滲透法等。工研院材化所採用的製程技術為液相壓力滲透法,或稱擠壓鑄造法,此製程是將石墨強化材與耐溫型黏結劑均勻分散,以熱壓方式先做成塊狀具有高溫強度的石墨預形體,接著將預形體在氣氛預熱爐內加熱至一定溫度後取出置入成形模具內,再將鋁液高壓滲透至石墨預形體內而成石墨強化鋁基複合材料。


圖五、石墨強化金屬基複材(a) Top View;(b) Side View

AlSiC 鋁基複合材料之發展及應用
由於AlSiC 複材經由碳化矽的添加量可以調整複材的熱膨脹係數,其CTE 值可隨添加的SiC(CTE = 4 ppm/°C)體積分率而任意控制至與接觸材料之CTE 值相當,例如用在Si (CTE= 4.2 ppm/°C)、GaAs(CTE = 6.5 ppm/°C)和陶瓷基板,其CTE 可控制在7~9 ppm/°C (30°C~250°C);若用在印刷電路板(CTE = 12~15ppm/°C),CTE可控制在10~12 ppm/°C。 另外, AlSiC 具有不錯的熱傳導率( 介於180~220 W/m•K 之間),與CuMo 及CuW材料相當, 但材料密度卻只有其1/3 和1/5 ,因此比熱傳導率(K/ρ)較CuMo 及CuW更高,所以AlSiC 是電子元件和微處理器組裝上相當理想的構裝與散熱材料,頗適合於低價、高性能的熱管理解決方案。

除微波構裝(Microwave Packaging)外,微處理器構裝亦需要同樣材料特性的熱管理材料,圖十二為一系列由AlSiC 金屬基複材所製造的零件,包括剎車盤、玩具槍外蓋、前叉、高爾夫球頭、散熱應用產品等,其中顯示AlSiC 應用在微處理器的外蓋上,其設計的主要考量是藉由Lids與晶片間CTE 的相匹配,而減少因熱應力引起的間隙變化,進而降低界面熱阻抗。另外,亦藉由Lids 的高熱傳導性扮演Heat Spreader 的角色,快速將晶片之熱量擴散開來,避免在晶片或電子元件上形成熱集中。

工研院材化所同樣以AlSiC 金屬基複材開發IGBT 及LED 用的散熱基板,圖十三為材化所利用碳化矽顆粒製作的碳化矽強化鋁基複材金相剖面光學顯微結構圖,其熱傳導率在180 W/m•K 之間,熱膨脹係數約8~10 ppm/K 之間,密度在2.8~3.0 g/cm3 ,撓曲強度達到375 MPa 左右(表二),屬於高導熱、高強度,低熱膨脹係數與輕量的高功能性材料,適合應用在各式電子元件、LED 散熱基板上。圖十四為AlSiC 複材用在IGBT 散熱基板的示意圖,其中顯示基板孔位和對位點均可以清楚準確地完成。材化所也將這種高導熱鋁碳化矽複材用於LED 的散熱基板上……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文


圖十五、材化所開發之鋁碳化矽複材LED 基板

作者:張志忠 、黃振東 / 工研院材化所 
★本文節錄自「工業材料雜誌303期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=10109


分享
為此篇文章評分

延伸閱讀