一种热沉材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种热沉材料及其制备方法，该热沉材料包括石墨基体，在该石墨基体的顶部以冶金结合方式结合有一层碳化硅层，该石墨基体为导热系数大于150w/(m·K)的石墨片材或者是以石墨为原料的石墨复合片材或石墨复合板材。由于本发明将石墨和碳化硅结合，形成石墨-碳化硅的具有冶金结合界面的热沉材料，而这种材料具有优良的绝缘性、导热性和较低的膨胀系数。而且采用石墨-碳化硅涂层法，使涂层与石墨基体形成冶金结合，提高了材料的致密度和结合度，进一步提升了材料的导热-散热性能。

权利要求

1.一种热沉材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）配料制浆：制浆原料按质量比包括碳化硅微粉30~60%、硅粉20~60%以及碳源

10~20%；其中所述碳源包括两部分，一部分来自石墨粉、碳黑、石油焦中的一种或一种以上组合，该部分加入量是8~15%，另一部分来自有机结合剂，加入量为2~5%；将上述有机结合剂按所述比例加入适量的水至饱和，50~80℃水浴加热，得到透明溶液；将按比例称好的其他原料与上述溶液混合，搅拌均匀得到混合浆料；

（2）石墨基体去污和活化处理：将石墨基体置于碱性去油液或工业酒精或丙酮中清洗，然后采用化学活化液对去油后的石墨基体活化处理5~15min后水洗，以增大涂层与基体材料的接触面积；最后，对石墨基体超声波清洗10~20min；

（3）涂覆：将步骤（1）制得的混合浆料均匀涂布在步骤（2）处理过的石墨基体表面上，在烘箱内以60~120℃保持1~10小时，得到石墨-碳化硅复合坯体；

（4）反应烧结：将上述干燥好的石墨-碳化硅复合坯体置于烧结炉中，在惰性气体或流动氢气氛保护下，以每分钟2~20℃速度升温至1300~1500℃烧结，保温1~4小时；自然降温后，开炉取出制品，得到所述的热沉材料；该热沉材料包括石墨基体，在该石墨基体的顶部以冶金结合方式结合有一层碳化硅层，该石墨基体为导热系数大于150w/(m·K)的石墨片材或者是以石墨为原料的石墨复合片材或石墨复合板材。

2.根据权利要求1所述的一种热沉材料的制备方法，其特征在于进一步包括高温处理步骤：将所述制品置于2000~2500℃的烧结炉中惰性气体保护或真空下保温1~2小时处理，降温后所得的热沉材料的碳化硅涂层更加完整致密。

3.根据权利要求1或2所述的一种热沉材料的制备方法，其特征在于进一步包括后处理步骤：将得到的石墨-碳化硅涂层热沉材料按照封装要求加工成所需的形状、厚度，并对表面进行抛光处理。

4.根据权利要求1或2所述的一种热沉材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述的有机结合剂为羟甲基纤维素、甲基纤维素、聚乙烯醇中的一种或一种以上组合。

5.根据权利要求1或2所述的一种热沉材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述的碳化硅微粉主要由粒度为0.1~10μm的粉末组成；化学成分要求为：SiC含量大于98%。

6.根据权利要求1或2所述的一种热沉材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述的硅粉采用纯度大于99%、粒度为0.1~10 μm的工业硅粉。

7.根据权利要求1或2所述的一种热沉材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述化学活化液为酸溶液。

8.根据权利要求7所述的一种热沉材料的制备方法，其特征在于：所述的化学活化液为20~30%的硝酸溶液或30~40%硫酸溶液。

说明书

一种热沉材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于LED导热-散热的热沉材料，尤指一种热沉材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着半导体技术及制造工艺的不断完善，LED的光通量和出光效率不断提高，功率型LED已广泛应用在日常生活以及工业生产中。然而对于大功率LED而言，芯片功率密度大，大的发热量无疑对其散热材料提出了更高的要求。

[0003] 传统LED芯片的散热，其结构如图1所示，在LED芯片1'的下方设置有基板3'（即热沉材料），基板3'的下方再与散热装置4'相连接，LED芯片1'的热量通过基板3'传导到散热装置4'，再由散热装置4'散发出去。

[0004] 在系统散热方面，尤其是功率型LED，选择合适的基板，对其散热性和可靠性具有重要影响。大功率LED的基板材料必须有高的电绝缘性能，高稳定性，高热导率，与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和较高的强度。

[0005] 目前传统基板材料基本上采用少数能满足高热导率的金属或合金材料。但是，为了保障电绝缘性，并使芯片与基板充分接触，需要在芯片1'与基板3'之间涂覆高分子聚合物介质膜2'，但是，该高分子聚合物介质膜2'的热导率通常很低，在芯片与基板之间形成了热阻界面，而且温度升高会导致性能变差。另外，该高分子聚合物介质膜2'与基板之间为机械结合，结合不够紧密，也影响了热传导的性能。

[0006] 石墨是一种很好的散热材料，其导热系数高，可达100w／(m·K)~1000w／(m·K)。由于石墨具有六方晶系和层状分布的晶体结构，决定了石墨具有特殊的导热特性。这种导热特性是指石墨层面方向导热系数为垂直于层面方向的几十倍。虽然石墨材料具有优异的导热性，但其是电的良导体，而且机械强度不足，一些强度较高的要求难于实现。另一方面，-6
碳化硅材料具有性能优异、成本低廉、电阻大的优点，其热膨胀系数为3.7×l0 /℃，热导率为80w／(m·K)～270w／(m·K)。因此，如能将石墨和碳化硅两者结合，则可以得到具有优良的绝缘性、导热性和较低的膨胀系数的热沉材料，本案由此而产生。

发明内容

[0007] 针对传统基板散热材料的绝缘层与导热-散热层结合存在的技术不足之处，本发明所要解决的技术问题在于提供一种即绝缘又能导热-散热的热沉材料。

[0008] 本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种工艺简单、低成本的热沉材料的制备方法。

[0009] 为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

[0010] 一种热沉材料，包括石墨基体，在该石墨基体的顶部以冶金结合方式结合有一层碳化硅层，该石墨基体为导热系数大于150w/(m·K)的石墨片材或者是以石墨为原料的石墨复合片材或石墨复合板材。

[0011] 所述的热沉材料的制备方法，包括下列步骤：

[0012] （1）配料制浆：制浆原料按质量比包括碳化硅微粉30~60%、硅粉20~60%以及碳源10~20%；其中所述碳源包括两部分，一部分来自石墨粉、碳黑、石油焦中的一种或一种以上组合，该部分加入量是8~15%，另一部分来自有机结合剂，加入量为2~5%；将上述有机结合剂按所述比例加入适量的水至饱和，50~80℃水浴加热，得到透明溶液；将按比例称好的其他原料与上述溶液混合，搅拌均匀得到混合浆料；

[0013] （2）石墨基体去污和活化处理：将石墨基体置于碱性去油液或工业酒精或丙酮中清洗，然后采用化学活化液对去油后的石墨基体活化处理5~15min后水洗，以增大涂层与基体材料的接触面积；最后，对石墨基体超声波清洗10~20min；

[0014] （3）涂覆：将步骤（1）制得的混合浆料均匀涂布在步骤（2）处理过的石墨基体表面上，在烘箱内以60~120℃保持1~10小时，得到石墨-碳化硅复合坯体；

[0015] （4）反应烧结：将上述干燥好的石墨-碳化硅复合坯体置于烧结炉中，在惰性气体或流动氢气氛保护下，以每分钟2~20℃速度升温至1300~1500℃烧结，保温1~4小时；自然降温后，开炉取出制品，得到所述的热沉材料。

[0016] 进一步包括步骤（5）：将所述制品置于2000~2500℃的烧结炉中惰性气体保护或真空下保温1~2小时处理，降温后所得的热沉材料的碳化硅涂层更加完整致密。

[0017] 进一步包括步骤（6）后处理：将步骤（4）或步骤（5）所得的石墨-碳化硅涂层热沉材料按照封装要求加工成所需的形状、厚度，并对表面进行抛光处理。

[0018] 所述步骤（1）中，所述的有机结合剂为羟甲基纤维素、甲基纤维素、聚乙烯醇中的一种或一种以上组合。

[0019] 所述步骤（1）中，所述的碳化硅微粉主要由粒度为0.1~10μm的粉末组成；化学成分要求为：SiC含量大于98%。

[0020] 所述步骤（1）中，所述的硅粉采用纯度大于99%、粒度为0.1~10 μm目的工业硅粉。

[0021] 所述步骤（2）中，所述化学活化液为酸溶液；如可为20~30%的硝酸溶液或30~40%硫酸溶液。

[0022] 采用上述方案后，由于本发明将石墨和碳化硅结合，形成石墨-碳化硅的具有冶金结合界面的热沉材料，而这种材料具有优良的绝缘性、导热性和较低的膨胀系数。

[0023] 而且本发明采用石墨-碳化硅涂层法，硅融化并与碳材料（包括石墨基体）反应生成碳化硅，使涂层与石墨基体形成冶金结合。碳化硅涂层对石墨片材的导热性能影响很小、甚至不影响。最后采用高温再烧结的处理方法提高了材料的致密度和结合度，从而进一步提升了材料的导热性能。

[0024] 本发明采用的原料及配比，科学合理，制得的热沉材料的整体热导率在150w/(m·K)以上，SiC层致密度达95~99%，同时材料本身密度低，能够满足LED热沉材料轻质量、高热导的要求。而且碳化硅涂层具有高绝缘性，能够直接将LED芯片贴合在碳化硅涂层上，简化封装结构，降低成本。

附图说明

[0025] 图1是传统LED芯片散热结构的示意图；

[0026] 图2是本发明所述热沉材料的结构示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

[0028] 本发明所揭示的是一种热沉材料，如图1所示，该热沉材料包括石墨基体1，在该石墨基体1的顶部以冶金结合方式结合有一层碳化硅层2，该石墨基体1为的导热系数大于150w/(m·K)的石墨片材或者是以石墨为原料的石墨复合片材或石墨复合板材。由于碳化硅层2具有高绝缘性，因此能够直接将LED芯片3贴合在方队碳化硅层2上，简化了封装结构，降低了成本。

[0029] 本发明还揭示了一种上述热沉材料的制备方法，具体实施例如下。

[0030] 实施例一

[0031] 1.配料制浆：将碳化硅粉末、硅粉、石墨粉和甲基纤维素按照质量比37:44:14:5的比例取粉，其中粒径为3μm碳化硅粉末和10μm碳化硅粉末质量之比为2:1。取出甲基纤维素加入一定量的水至饱和，水浴加热60℃，搅拌均匀得到透明溶液。然后将碳化硅粉末、硅粉、石墨粉混合加入溶液中放到搅拌机进行搅拌1小时后，取出浆料。

[0032] 2.石墨基体去污和活化处理：采用丙酮在常温下对石墨基体进行去油处理，水洗。然后采用HNO3（20%）对去油后的石墨基体活化10min，之后水洗，以增大涂层与基体材料的接触面积。最后对石墨基体超声波清洗15min。

[0033] 3.涂覆：将制得的混合浆料均匀涂布在处理过的石墨基体表面上，厚度由工艺需要自行控制，如果是各向异性的石墨单晶，选择的面必须是在垂直于石墨层面方向。在烘箱内80℃保持3小时烘干。

[0034] 4.反应烧结：将上述干燥好的石墨-碳化硅坯体置于普通烧结炉中，在氩气保护下以每分钟10℃速度升温至1000℃，再接着以每分钟5℃速度升温至1350℃烧结，保温3小时。自然降温到120℃以下，开炉取出制品。

[0035] 5.高温处理：可以将上述所制得到的石墨-碳化硅复合体即热沉材料再进行高温处理，这样性能更好。具体做法为：将上述制品置于氩气保护烧结炉中2200℃保温1.5小时，这样碳化硅涂层更加致密。

[0036] 6.后处理：步骤（4）或者步骤（5）所得的石墨-碳化硅复合体（热沉材料）还可按照封装要求加工成所需的形状、厚度，并对表面进行抛光处理，这样可使LED芯片与其结合得更紧密。

[0037] 本方法得到的样品，SiC层致密度达98%，整体热导率为225w/(m·K)。

[0038] 实施例二

[0039] 1.配料制浆：将碳化硅粉末、硅粉、碳黑和聚乙烯醇按照质量比50:33:13:4的比例取粉，其中碳化硅粉末粒径为0.5μm。取出聚乙烯醇加入一定量的水至饱和，水浴加热80℃，搅拌均匀得到透明溶液。然后将碳化硅粉末、硅粉、碳黑混合加入溶液中放到搅拌机进行搅拌0.5小时后，取出浆料。

[0040] 2.石墨基体去污和活化处理：采用酒精在常温下对石墨基体进行去油处理，水洗。然后采用硫酸（30%）对去油后的石墨基体活化10min，水洗，以增大涂层与基体材料的接触面积。最后，对石墨基体超声波清洗10min。

[0041] 3.涂覆：将制得的混合浆料均匀涂布在处理过的石墨基体表面上，厚度由工艺需要自行控制。在烘箱内120℃保持1小时烘干。

[0042] 4.反应烧结：将上述干燥好的石墨-碳化硅坯体置于普通烧结炉中，在氩气保护下以每分钟10℃速度升温至1000℃，再接着以每分钟5℃速度升温至1490℃烧结，保温3小时。自然降温到120℃以下，开炉取出制品。

[0043] 5.高温处理：将上述制品置于氩气保护烧结炉中2400℃保温1小时，碳化硅涂层更加致密。

[0044] 6.后处理：将步骤（4）或者步骤（5）得到的石墨碳化硅涂层材料按照封装要求加工成所需的形状、厚度及表面抛光处理。

[0045] 本方法得到的样品，SiC层致密度达98.5%，整体热导率为232w/(m·K)。

[0046] 实施例三

[0047] 1.配料制浆：将碳化硅粉末、硅粉、碳黑、甲基纤维素和聚乙烯醇按照质量比60:24:12:2:2的比例取粉，其中碳化硅粉末粒径为5μm。取出甲基纤维素和聚乙烯醇加入一定量的水至饱和，水浴加热80℃，搅拌均匀得到透明溶液。然后将碳化硅粉末、硅粉、碳黑混合加入溶液中放到搅拌机进行搅拌0.5小时后，取出浆料。

[0048] 2.石墨基体去污和活化处理：采用酒精在常温下对石墨基体进行去油处理，水洗。然后采用硝酸（30%）对去油后的石墨基体活化10min，水洗，以增大涂层与基体材料的接触面积。最后，对石墨基体超声波清洗10min。

[0049] 3.涂覆：将制得的混合浆料均匀涂布在处理过的石墨基体表面上，厚度由工艺需要自行控制。在烘箱内120℃保持1小时烘干。

[0050] 4.反应烧结：将上述干燥好的石墨-碳化硅坯体置于普通烧结炉中，在氩气保护下以每分钟10℃速度升温至1000℃，再接着以每分钟5℃速度升温至1490℃烧结，保温3小时。自然降温到120℃以下，开炉取出制品。

[0051] 5.高温处理：将制品置于氩气保护烧结炉中2400℃保温1小时，碳化硅涂层更加致密。

[0052] 6.后处理：将步骤（4）或者步骤（5）将得到的石墨碳化硅涂层材料按照封装要求加工成所需的形状、厚度及表面抛光处理。

[0053] 本方法得到的样品，SiC层致密度达99%，整体热导率为238w/(m·K)。

[0054] 实施例四

[0055] 1.配料制浆：将碳化硅粉末、硅粉、石墨粉和甲基纤维素按照质量比50:34:12:4的比例取粉，其中粒径为3μm碳化硅粉末和10μm碳化硅粉末质量之比为2:1。取出甲基纤维素加入一定量的水至饱和，水浴加热60℃，搅拌均匀得到透明溶液。然后将碳化硅粉末、硅粉、石墨粉混合加入溶液中放到搅拌机进行搅拌1小时后，取出浆料。

[0056] 2.石墨基体去污和活化处理：采用丙酮在常温下对石墨基体进行去油处理，水洗。然后采用HNO3（30%）对去油后的石墨基体活化10min，水洗，以增大涂层与基体材料的接触面积。最后，对石墨基体超声波清洗15min。

[0057] 3.涂覆：将制得的混合浆料均匀涂布在处理过的石墨基体表面上，厚度由工艺需要自行控制。在烘箱内80℃保持3小时烘干。

[0058] 4.反应烧结：将上述干燥好的石墨-碳化硅坯体置于普通烧结炉中，在氩气保护下以每分钟10℃速度升温至1000℃，再接着以每分钟5℃速度升温至1480℃烧结，保温2小时。自然降温到120℃，开炉取出制品。

[0059] 5.高温处理：将上述制品置于2200℃的烧结炉中，在真空下或保护气氛下保温1.5小时，碳化硅涂层更加致密。

[0060] 6.后处理：将步骤（4）或者步骤（5）得到的石墨碳化硅涂层材料按照封装要求加工成所需的形状、厚度及表面抛光处理。

[0061] 本方法得到的样品，SiC层致密度达98%，整体热导率为225w/(m·K)。

[0062] 实施例五

[0063] 1.配料制浆：将碳化硅微粉（粒度为5μm与粒度为10μm之比为2：1）、硅粉、石墨和甲基纤维素按照质量比41:42:12:5比例取粉，并按实施例四所述方法制取料浆。

[0064] 2~5步骤与上述实施例四相同。

[0065] 本方法生产的样品，SiC层致密度为97%，整体导热率为210w/(m·K)，热膨胀系数为4.6×10-6/℃。

[0066] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。