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石墨+铝>2 让导热难题迎“墨”而解
【日期:2016-06-17】

在大功率集成电路和高功率密度电子工业等领域

随着电子元器件不断小型化、集成化

单位面积产生的热量越来越多

散热问题日益成为制约其持续发展的关键因素

对与之相配套的热管理材料提成了更高的要求

在这种情况下,超高导热材料的研发显得至关重要。

本期《天天好技术》将为大家介绍由中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队精心研发出的一种导热复合材料——石墨-铝。

1.  项目背景

随着电子元件的物理尺寸不断缩小,电子元件本身运行更为高速高功率化,超过55%的电子元件故障是由运行时温度上升所致,使得热工管理变得越来越重要。现今可用的封装材料很难在成本和性能方面找到平衡,因此不能有效解决电子产品目前面临的严峻的散热问题。

虽然其中的一些材料如(金刚石片)拥有良好的热学性能,但其成本太高,加工难度大,无法进行大批量消费。另一方面,低成本的材料无法达到所需的材料性能。因此迫切需要新型低成本的工程材料,以充分控制现今和将来电子产品所面临的热负荷。同时,新型热工管理材料也能够使以前无法实现的技术应用在未来得以成为现实。光伏聚光器和工业/家庭用高功率发光二极管(LED)照明等新兴市场将急需新型、低成本,而且高性能的热工管理材料。新兴市场会创造对先进热工管理材料的更大需求,并且在未来维持这种需求。

石墨-金属复合材料利用天然石墨的优良导热性,制备导热性与铜相当或更高,而密度只有铜1/4的高端导热材料,且成本非常适合大规模消费级电子产品的应用。计划取代目前通用的铝、铜、AlSiC、Cu/W等材料,用于CPU、发光二极管灯具以及大功率电子元器件的散热器和散热基板等热工管理系统,实现在电子行业的大量应用。

另外,总体来说,热工管理复合材料的生产市场目前较为分散,有很多年收入从几百万美元到2000万美元左右不等的生产厂家,这些厂家可以制造Al-SiC复合材料以及Cu/W复合材料等特殊的合金。这些材料只是在某一材料性能上占有优势(例如热膨胀系数),而在另外一些领域则缺乏竞争力。因此它们只能做有限性应用,而难于在诸如发光二极管照明(LED)和大功率电子元器件等较大的市场实现广泛的资本化。而石墨-铝高导热复合材料在热工管理材料所有重要指标方面都具有优势,这使得它在材料的整体性能方面成为最佳的选择。

2.  技术优势

制备的石墨-铝高导热复合材料的热扩散系数(散热速度)是铝的3倍多;其导热系数(总传热能力)可达铝的2倍;而热膨胀系数(CTE)与常用半导体材料相匹配。重量较铝轻,而成本和现今使用的材料相当。

目前已形成石墨粉体表面批量处理能力,石墨-铝复合材料批量生产能力,与金属铝、铜和Cu-W合金、Al-SiC复合材料相比,热导率、热膨胀系数、易加工、成本低等方面存在巨大优势

3.  知识产权及获奖情况

1.专利号:CN201310676378.9,石墨复合体及其制备方法。

2.专利号:CN201410215665.4,石墨-金属导热复合材料及其制备方法。

2009年,美国,“百大科技研发奖”(R&D 100 Award)。

4.  应用市场

石墨-铝高导热复合材料最直接的应用将是:

①CPU集成散热器(市场复合年均增长率为6.51%,2015年达8.75亿美元);

②高功率发光二极管(LED)基板和散热器(市场复合年均增长率为10.12%,2015年达42亿美元);

③绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及场效应管(FET)等大功率半导体设备(市场复合年均增长率为1.6%, 2015年达30亿美元);

④光伏聚光器(市场复合年均增长率为28.64%, 2015年达3.82亿美元)。

5.  合作方式

技术开发、技术转让、专利(实施)许可等多种合作方式。

 


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