CN100556264C - 一种石墨-金属复合散热基材的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种石墨一金属复合散热基材的制备方法。将金属薄片冲压到预成型模具中，制备具有特定结构的金属层的壳体和对应的封盖板，金属层的壳体底部有垂直向上的金属柱，封盖板上有和金属柱相对应的孔洞；将石墨原料压制成与金属层的壳体相匹配的孔洞和一定厚度的石墨材料层；将压制好的石墨材料层，放入到金属层的壳体中，并盖上金属封盖，压制成型，通过金属柱对封盖板的铆接实现金属层对石墨材料层的封装。本发明生产过程中不需要热处理，显著降低生产成本。由于使用了金属薄层外壳，使材料的成型工艺简单，可以制备所需各种形状的散热基材。贯穿石墨层的金属柱，一方面对散热基材的结构起到了加固的作用，另一方面有利于热量的传输。

Description

一种石墨-金属复合散热基材的制备方法
(一)技术领域
本发明涉及的是一种石墨-金属复合材料，具体地说是一种作为散热器件的石墨金属复合基材的结构及其制备方法。
(二)背景技术
近年来，LSI、数字相机、移动电话、笔记本电脑、LED等电子产品不断朝着高密度封装与多功能化方向发展，使得半导体芯片散热问题日渐突出，尤其是新一代的半导体材料温度升高之后，工作性能急剧退化(温度每升高10℃，元件平均寿命降低1/3左右)，严重时甚至会造成机器内部的散热暴增而造成电子产品不稳定等后果。
目前，传统芯片的封装材料是高热导率的金属及合金材料等，但会随着电子器件所产生的热量增加，增加散热板的体积，从而增加其重量，尤其在电子产品朝着轻、薄、短、小、迷你化发展，电子产品的内部可提供作为散热的空间明显不足，而散热板的重量增加会使压靠在其下的电子器件被压坏。另外，国际有色金属是战略资源、其价格昂贵。
石墨具有轻质、耐高温、耐腐蚀、抗热振性好和优良的热传导性能等，是其他材料所不可比拟的。在理想的石墨晶体中层平面内的热导率和垂直该平面方向的热导率完全不同(垂直于碳网平面的热导率仅为平行方向的1/400)，由接近完整结晶的石墨在层平面内的热导率可达2400W/m·K，是高导热金属材料铝、铜、银的5～8倍多，而其质量仅为金属材料的1/6～1/2，同时热膨胀系数也比金属材料低得多。由此可见，石墨材料作为散热器取代金属及合金具有巨大的优势。目前采用的石墨大多为天然石墨或膨胀石墨经沥青粘结剂成型。美国专利4,963,414提出“三明治”结构散热器，即中间部分为天然石墨和沥青的薄片，上下为金属薄片，通过环氧树脂将上述三个薄片粘接而成。美国专利5,650,592提出在孔状的石墨材料浸渍金属或合金制备散热板。从以上的两个专利可以看出，制备石墨基散热板工艺复杂，周期长，投资大。前者在石墨与金属之间夹有环氧树脂层，其导热性能受到影响。后者不仅其生产工艺复杂，而且产品的强度难以保证。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好的散热性能，较高的机械强度的石墨金属复合散热基材结构。本发明的目的还在于提供一种过程简单、容易实现、且能保证产品质量的石墨金属复合散热基材的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
石墨-金属复合散热基材的组成包括致密的石墨材料层和包覆周围的金属层，金属层包括上下表面和侧面，在石墨材料层中有贯穿石墨层的金属柱。
本发明的石墨-金属复合散热基材还可以包括：
1、金属层的上、下表面的内表面凸凹不平，即带有刺状或者柱状的微突起。
2、所述的金属柱是实心柱或空心管。
3、所述的石墨材料层为天然石墨、膨胀石墨或其制品。
4、所述的金属为铝、铜、银、镁、锡或合金材料中的一种。
本发明的石墨-金属复合散热基材的制备工艺为：
1、将金属薄片冲压到预成型模具中，制备厚度为0.5mm、长40mm、宽40mm、高10mm的金属层的壳体和对应的厚度为0.5mm的封盖板，金属层的壳体底部有垂直向上的实心金属柱或者空心金属管，封盖板上有和金属柱或者金属管相对应的孔洞；
2、将石墨原料压制成具有与金属层的壳体底部的垂直向上的实心金属柱或者空心金属管相匹配的孔洞、且厚度为10mm的石墨材料层；
3、将压制好的石墨材料层，放入到金属层的壳体中，并盖上金属封盖板，压制成型，通过金属柱或者金属管对封盖板的铆接实现金属层对石墨材料层的封装。
所述的压制成型的压制压力为20～200MPa，优选为70～100MPa。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、金属层和石墨层形成“三明治”结构不需要粘结剂粘结。
2、操作简单、方便、快捷和生产周期短。
3、材料生产过程中不需要热处理，显著降低生产成本。
4、由于使用了金属外壳，即可以增强材料的各向同性传热性能，又加强材料的结构强度，同时也使成型更加方便。
5、由于使用了金属外壳，使材料的成型工艺简单，可以制备所需的各种形状的散热基材。
6、由于使用了实心金属柱或者金属管贯穿石墨层，一方面对散热基材的结构起到了加固的作用，另一方面有利于热量的传输。
7、金属层的内表面凸凹不平，具有刺状或者柱状的微突起，增加了金属和石墨的接触表面，促进界面之间的热传导。
8、由于使用金属将石墨层完全包覆，并通过机械力铆合，在使用过程中不会发生石墨的脱层现象。
(四)附图说明
图1是本发明的石墨-金属复合散热基材的第一种断面结构示意图；
图2是本发明的石墨-金属复合散热基材的第二种断面结构示意图；
图3是本发明的石墨-金属复合散热基材组装压制前的第一种断面结构示意图；
图4是本发明的石墨-金属复合散热基材组装压制前的第二种断面结构示意图；
图5是本发明的金属层的壳体的结构示意图；
图6是本发明的封盖板的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步描述：
将金属薄片冲压到预成型模具中，制成厚度为0.5mm、长40mm、宽40mm、高10mm的金属壳体2，壳体的底部均匀分布有8个垂直向上直径为3mm、高为15mm的实心金属柱3或者空心金属管4。封盖板5的厚度也为0.5mm，且有和金属壳体底部均匀分布的8个垂直向上的实心金属柱3或者空心金属管4对应的孔洞6。将石墨原料压制成与金属层的壳体底部均匀分布的8个垂直向上的实心金属柱3或者空心金属管4相匹配的孔洞且厚度为10mm的石墨材料层1。将压制好的石墨材料层1放入到金属层的壳体2中，并盖上金属封盖5，在一定的压力下压制成型，通过实心金属柱3或者空心金属管4对封盖板5的铆接实现金属层对石墨材料层的封装。表1是按上述制备过程选取不同材料制备的四种规格型号的散热基材的样品参数，散热基材的密度均小于2.1g/cm3，热导率均大于250W/mK。材料成分、工艺参数及性能如表1所示。
表1实施例原料以及样品参数
  序号   金属壳体   石墨材料   金属柱的结构  压制压力(MPa)   制品密度(g/cm<sup>3</sup>)   热导率(W/mK)
  1   铝   天然石墨   实心柱  70   1.7   250
  2   铜   天然石墨   实心柱  80   1.9   300
  3   镁   柔性石墨板   空心管  90   1.6   340
  4   铝合金   柔性石墨板   空心管  100   1.8   400

Claims (1)

1、一种石墨一金属复合散热基材的制备方法，其特征是：
(1)将金属薄片冲压到预成型模具中，制备厚度为0.5mm、长40mm、宽40mm、高10mm的金属层的壳体和对应的厚度为0.5mm的封盖板，金属层的壳体底部有垂直向上的实心金属柱或者空心金属管，封盖板上有和金属柱或者金属管相对应的孔洞；
(2)将石墨原料压制成具有与金属层的壳体底部的垂直向上的实心金属柱或者空心金属管相匹配的孔洞、且厚度为10mm的石墨材料层；
(3)将压制好的石墨材料层，放入到金属层的壳体中，并盖上金属封盖板，压制成型，通过金属柱或者金属管对封盖板的铆接实现金属层对石墨材料层的封装。
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