无机导热材料导热率与温度关系的性能对比研究开题报告

 2021-08-14 18:34:15

1. 研究目的与意义(文献综述包含参考文献)

毕业设计(论文)开题报告

学生姓名: 陈富军 学号: 11051102305

所在学院: 材料科学与工程学院

专 业: 复合材料与工程

设计(论文)题目:无机导热材料导热率与温度关系的性能对比研究

指导教师: 李晓云 教授

2015 年 1 月 17 日

开题报告填写要求

1.开题报告(含文献综述)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成,经指导教师签署意见及所在专业审查后生效;

2.开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印,禁止打印在其它纸上后剪贴,完成后应及时交给指导教师签署意见;

3.文献综述应按论文的格式成文,并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内,学生写文献综述的参考文献应不少于15篇(不包括辞典、手册);

4.有关年月日等日期的填写,应当按照国标GB/T 740894《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求,一律用阿拉伯数字书写。如2004年4月26日或2004-04-26。


毕 业 设 计(论 文)开 题 报 告

1.结合毕业设计(论文)课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写

2000字左右的文献综述:

文献综述

1 前言

近些年来,随着微电子技术尤其是混合集成电路(HIC)和多芯片组件(MCM)的飞速发展,集成技术朝着高集成度、高速度、大功率输出的方向发展,导致集成块单位体积内所产生的热量大幅度增加,因此对基片和封装材料的散热提出了越来越高的要求。 为此,本课题计划研究各种无机导热材料(AlN、BeO、BN、Cu、Al2O3)的导热性能,并对其进行综合对比。

2无机导热材料的导热率

2.1 导热机理

热导率:单位温度梯度下,单位时间通过单位截面积的热量[1]

热量的传导有三种基本方式分别为:热传导、热辐射、热对流。

(1)热传导:物质内部或相互之间接触的物质之间的传热方式,物质并不

做相对运动,只是热运动能量借助格波或电子从高温区传向低温区。热传导是固体传热的主要方式。

(2)热对流:是流体的主要传热方式。物体之间或流体内部,通过流体的相对运动,把能量从高温区带到低温区。

(3)热辐射:任何具有一定温度的物体都不停地向外辐射电磁波,借助电磁波将能量从一个物体传送到另一个物体,这种传热方式称为热辐射。在高温或真空下,物体不相互接触时,热辐射是主要传热方式。

在气体中,导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。气体温度越高,其分子运动动能越大,不同能量水平的分子相互碰撞的结果使热量从高温处传到低处。 在导电固体中,相当多的自由电子在晶格之间像气体分子那样,通过相互碰撞传递能量。在不导电的固体中,热量的传递是通过晶格结构的振动,即原子、分子在平衡位置附近的振动来实现的。而对于液体的导热机理目前尚未获得统一的认识。一种观点认为液体的导热原因类似于气体分子的相互碰撞,只是液体分子之间的距离较小,分子间的作用力影响大于在气体分子间的作用力对碰撞过程的影响。另一种观点认为液体的导热原因类似于非导电固体,主要依靠弹性波的作用。

固体内部的导热载体分别为电子、声子(点阵 波) 、光子(电磁辐射)3 种。对聚合物而言, 通常为饱和体系, 无自由电子, 导热 载体为声子, 热传导主要依靠晶格振动。聚合物相对分子质量很大, 具有多分散性, 分子链则以无规则缠结方式存在, 难以完全结晶, 再加上分子链的振动对声子有散射作用, 使聚合物材料的热导率很小。

金属的热导率主要是传导电子扩散所致的热导率。在高温下,由于晶格振动散射,使得电子的平均自由时间随着温度的升高而线性地减短,则导致热导率与温度无关;在低温下,由于电子的平均自由时间和平均自由程很大、而与温度无关,则热导率决定于比热,并且随着温度的下降而很快减小。

2.2热导率的影响因素

(1)温度

1、晶体

图2.1氧化铝单晶的热导率随温度变化的关系

2、非晶体

图2.2为非晶体的导热率与温度的关系

中低温,主要是声子导热,此时温度升高,热容也升高,故导热系数升高。

中温到较高温度,热容渐变为常数,故导热系数也接近常数。

高温,声子导热变化仍不大,但光子的平均自由程增大,导热系数缓慢升高。晶体与非晶体导热系数曲线的比较。

图2.3为晶体与非晶体导热率与温度的关系

(2)晶体结构

晶体结构越复杂,导热系数越低。多晶体的导热率较低,随温度升高其与单晶的差异变大。气孔率越大导热系数越小。

(3)化学成分和杂质

形成固溶体时,由于晶格畸变,缺陷增多,使声子的散射几率增加,平均自由程减小,导热率减小。溶质元素的质量、大小与溶剂元素相差越大,以及固溶后结合力改变越大,则对热导率的影响越大。

(4)分子量、密度和弹性模量

密度越小,导热系数越大。分子量越小,导热系数越大。杨氏模量越大,导热系数越大。

2.3热导率的测量

1、稳态法

稳态法:在稳定的热导状态测定试样热导率的方法。

特点:测量时间长,热损失较大,如何控制热流密度难度较大。

2、非稳态法

非稳态法:在非稳定的热导状态测定试样热导率的方法。

特点:测量速度快,热损失较小。

3、LFA447激光热导仪

假设图2.4中某待测片状试样已处于某平衡温度T(见图2.5)。在t时 ,用一脉冲激光束照射试样正面,使正面极薄一层处产生瞬时温升,同时用热偶或红外元件探测试样背面的、侧常温度变化,可得到如图2所示的温度随时间变化的曲线。分析这温升的快慢和高度 ,即可得出材料的热扩散率和比热[2]

图2.4 测量原理

1激光束 2试样 3加热炉 4热偶或红外元件

图2.5 试样背面温度变化

1 无热量损失 2 有能力损失

3 AlN、BeO、BN、Cu、Al2O3等的导热性能

(1)AlN

AlN具有优异的导热性能(理论热导率为320 W /mK ,实际值可达260 W/mK , 为氧化铝陶瓷的10~15 倍)、低的介电常数(≈8.8( 1M H z) )[3]、可靠的电绝缘性(电阻率1016Ωm )、耐高温、耐腐蚀、无毒、良好的力学性能以及与Si相匹配的热膨胀系数(20~500℃ ,4.610-6K -1)等一系列优良性能, 但该 材料较难烧结 ,通常要采用热压烧结法 ,烧结温度较高(1800℃) ,制约AlN 基 板的推广应用[4]

在氧化铝瓷中引入AlN后 ,测得不同AlN含量复合材料的温度-时间曲线如图3.1 所示[5]。由图3.1可见,随时间增加,试样上表面温度增高;相同时间时,添加氮化铝的试样的上表面温度均比未添加的高 ,且配方Ⅳ的上表面温度最高。上表面温度越高,则传热速率越快,该试样的导热性能也越好[6]

图3.1 各样品的上表面温度与时间的关系

(2)BeO

氧化铍( BeO)陶瓷因其具有高导热率、高熔点、高强度、高绝缘、高的化学和热稳定性、低介电常数、低介质损耗及良好的工艺适应性等特点[7] ,在真空电子技术、核技术 、微电子与光电子技术领域得到广泛应用。尤其在大功率半。

导体器件 、集成电路、微波电真空器件及核反应堆中,BeO陶瓷一直是制备高导热元部件的主流陶瓷材料 ,它的质量水平直接影响到电真空器件、大功率微波电子装备乃至系统的性能和可靠性。BeO 陶瓷的热导率、介电常数急介质损耗等关键参数与其纯度 、密度紧密相关。纯度为99 %的BeO 陶瓷较纯度为95 %的陶瓷材料具有更高的热导系数 、更低的介质损耗。BeO陶瓷纯度越高 ,其热导率越高 ,介电常数及介质损耗越小[8]

(3)BN

氮化硼(BN)是经化学反应合成的白色粉末,其结晶结构与石墨相似,属于六方晶 系片状结构[9]。粉末经热压烧结成象牙白色 ,理论密度为2.27克/厘米 ,莫氏硬 度为2,2.97℃升华,无毒。它具有许多优良的性能:耐高温抗热震、 高温高导热、 高 温高绝缘、透微波透红外线、润滑性能好、耐各种熔融玻璃 、金属腐蚀、可机械加工。氮化硼表现出更高的热导率(约300 W /(mK) ) ,且具有较低的热膨胀系数和电阻系数,良好的化学稳定性等优点。因此,氮化硼不仅可有效提高聚合物基体的导热性,同时还能保持材料的电绝缘性,所以是制备填充型高导热、绝缘复合材料的首选 。

(4)Cu

银的热导率λ= 4.3 W/cmK是金属中室温热导率最高的;铜则为4.0W/cmK 。以往认为 ,作为传热载流子,电子具有最有效的传递功能。因此 ,热的良导体几乎全部为金属所占有[10]

Mo/Cu是由立方体心结构的钼和面心结构的铜组成的一种假合金材料,俩组元互不混溶,各自在组分上保持相对的独立。与复合材料相似,钼铜既保持了钼的高强度,低热膨胀系数的特点,又综合了铜的高导电导热性,变现出优异的性能。钼铜材料的导热率高,热膨胀系数小,能与电子旗舰中的硅基片,砷化镓等材料良好的匹配封接,是一种优异的电子封装材料[11]

(5)Al2O3

导热氧化铝是高温条件下生成的白色粉末结晶,氧化铝的结晶粉末众多,但用于导热的氧化铝有球形氧化铝(ZF-KQ系)类球形氧化铝(ZF-KK系)复合型氧化铝ZF-KQMKCM系)等。导热氧化铝必须具有粒径分布窄,粒径尺寸稳定性好,导热系数K值高,改性后填充份数高,针对不同产品可广泛应用于各种硅胶,灌封胶,环氧树脂,塑料、橡胶导热、导热塑料、硅脂、散热陶瓷等。氧化铝(Al2O3 )是一种重要的介孔复合材料基材(简称 AAO 模板),在防止纳米填充材料结晶化,增强材料的化学稳定性和耐久性方面与二氧化硅基材发挥着同等重要的作用[12].

Al2O3主要有α- Al2O3,β- Al2O3,γ- Al2O3三种形态[13]。γ- Al2O3是低温形态的 呈鳞状的立方晶形结构,它在1000℃以上开始转化为高温型的α- Al2O3。β- Al2O3实际上并不是Al2O3的一种变体,而是一种含碱金属或碱土金属的铝酸盐,晶形为六方结构,晶体形态呈聚片双晶发达的薄片状或板状。α- Al2O3是各种Al2O3变体中最稳定的结晶形态,晶形为六方结构,晶体形态呈柱状、粒状或板状。 一般所指Al2O3的性质主要是指α- Al2O3的性质。与其他填料相比, Al2O3的导热率不高,但是其价格较低,来源较广,填充量较大 ,常用作绝缘导热聚合物的填 料。Al2O3通常单独使用或与其他填料混合使用[14]

(6)BP

图3.2展示的是BP单晶的K 与T关系的曲线。在80K下该样品具有最大的K值为14W/ cmK。从50到300K的结果表明,在这个温度范围内BP的K是非常接近的BeO的。

图3.2 BP单晶的K 与T关系的曲线

(7)金刚石

氮是影响金刚石热导率的主要杂质[15],表1列出了100~300温度范围内金刚石的本征热导率的值。高纯度的合成金刚石的K值比迄今为止的研究最好天然金刚石稍大。金刚石的K值对氮含量敏感,并在300K下纯金刚石因为最重掺杂晶体从20W / cmK至约5.5W/ cmK变化。声子散射可能是由应变场周围氮杂质引起的。

表1 金刚石的本征热导率

4.结束语

通过学习LFA447激光热导仪的测试方法,了解无机材料在不同温度下的热导率和无机材料的导热机理与其影响因素。通过对比不同材料的导热性能,找到合适的无机材料即具有高热导率的无机材料运用于集成电路中。

参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1.本实验所要研究的问题:

(1). 了解各种无机导热材料的基本物理和化学性质;

(2). 了解各种无机导热材料的导热机理及其影响因素;

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