CN101951751A

CN101951751A - 一种高导热石墨散热片的制备方法

Info

Publication number: CN101951751A
Application number: CN 201010240207
Authority: CN
Inventors: 余凤斌; 朱焰焰
Original assignee: SHANDONG TIANNUO PHOTOVOLTAIC MATERIAL CO Ltd
Current assignee: SHANDONG TIANNUO PHOTOVOLTAIC MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2011-01-19

Abstract

本发明提供一种高导热石墨散热片的制备方法，a.采用石墨粉为原料，将石墨粉放入由硫酸和双氧水混合而成的酸处理液中，在温度为20-100℃条件下，浸泡处理20-120分钟；或将石墨粉用高温提纯法处理；或放入由氟化物和强酸混合而成的混合液中，浸泡处理20-150分钟；b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH＝5-6.5；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中，在8001000℃条件下高温膨胀3-20小时，然后缓慢冷却至室温；d.按照石墨粉∶复配粒子＝2-8∶1的质量份配比，通过石墨卷材生产设备制成厚度为0.05-5mm的石墨散热片。

Description

一种高导热石墨散热片的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种高导热石墨散热片，更具体地说涉及一种用于电子产品导热散热的新型导热材料。

背景技术：

随着微电子集成技术和高密度印制板组装技术的迅速发展，组装密度迅速提高，电子元件、逻辑电路体积成千上万倍地缩小，电子仪器及设备日益朝轻、薄、短、小方向发展。在高频工作频率下，半导体工作热环境向高温方向迅速移动，此时，电子元器件产生的热量迅速积累、增加，在使用环境温度下，要使电子元器件仍能高可靠性地正常工作，及时散热能力成为影响其使用寿命的关键限制因素。为保障元器件运行可靠性，需使用高可靠性、高导热性能等综合性能优异的材料，迅速、及时地将发热元件积聚的热量传递给散热设备，保障电子设备正常运行。

目前所用的散热材料基本都是铝合金，但铝的导热系数并不是很高(237W/mK)，金和银的导热性能较好，但是价格太高，铜的导热系数次之(398W/mK)，但铜重量大，易氧化。而石墨材料具有耐高温、重量轻(仅为传统金属导热材料的1/2-1/5)、热导率高、化学稳定性强、热膨胀系数小，取代传统的金属导热材料，不仅有利于电子器件的小型化微型化和高功率化，而且可以有效减轻器件的重量，增加有效载荷。但石墨硬度和机械强度远不如金属，这给后续加工带来了困难。

传统的石墨化学处理中，普遍采用的是强氧化剂酸(浓硫酸和浓硝酸的混合液)，处理温度为常温到100℃，处理时间5分钟以上，以便使石墨颗粒受到充分侵蚀，然后再经过水洗，除去多余的酸，最后进行高温膨胀处理。但该法会使部分石墨颗粒被溶解掉，且制得的产品杂质较多，只能用于常规的散热产品。

发明专利(200810157861.5)公开了名称为一种具有各向异性的石墨导热散热片的制备方法的发明专利，该发明专利针对传统的石墨处理存在杂质较多的问题，选用硫酸溶液与过硫酸胺溶液对石墨进行化学处理，不仅使石墨粉在化学处理中具有可膨胀性，而且利用过硫酸胺强氧化剂氧化石墨粒子层间的多种微量元素杂质，产生新的化合物，使微量元素杂质逐渐离开石墨粒子层间。水洗过程中加入氢氟酸，与杂质进行化学反应，达到提纯目的。

上述方法存在一定缺陷，其一使用氢氟酸提纯石墨存在以下不足之处：一是对材料本身的危害。因为氢氟酸酸性太强，会破坏石墨结构。二是含氟的废水危害太大。高氟地区多发生的地方病如佝偻病，主要是骨骼受损。因为人体内氟高了以后，氟就会和体内的钙反应，影响身体钙的吸收。其二，所制得的石墨散热片机械强度不高，使用寿命短，易脱落等，而且不利于后续加工。

发明内容：

本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种对石墨材质无不良影响，无环境污染，所制得的石墨散热片机械强度高，使用寿命长，不脱落，有利于后续加工的高导热石墨散热片的制备方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：

a.采用粒径为70-800μm、碳元素含量为95-99.99％的石墨粉为原料，将石墨粉放入由强酸∶双氧水＝1∶3-20重量份配比混合而成的酸处理液中，在温度为20-100℃条件下，浸泡处理20-120分钟；或将石墨粉用高温提纯法处理；或放入由氟化物：浓度为5-35％的强酸＝1.5-10∶1重量份配比混合而成的混合液中，浸泡处理20-150分钟；

b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH＝5-6.5；

c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中，在800-1000℃条件下高温膨胀3-20小时，然后缓慢冷却至室温；

d.取粒径为0.5μm-200μm的炭黑、氮化硼或铜粉为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉∶复配粒子＝2-8∶1的质量份配比，通过石墨卷材生产设备制成密度为0.5-1.5g/cm³、厚度为0.05-5mm的石墨散热片。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

所述的强酸是盐酸、硫酸或硝酸；所述的高温提纯法的温度是2800-3300℃；所述的氟化物是氟化钠或氟化铵；在所述的石墨散热片表面进行连续化学镀、电镀或真空镀金属层；所述的金属层为铜层、镍层、铝层或其金属化合物层；所述的石墨散热片密度为0.5-1.5g/cm³；所述的石墨散热片厚度为0.05-5mm。

现有技术的石墨散热片加工方法仅仅采用单一的石墨粉，而本发明采用石墨与复配粒子，其优点在于，从形成导热网链的观点看，一种粒径的粒子进行某种形式的堆砌后，再在其间隙中嵌入粒径更小的颗粒，可使填料与填料之间形成紧密堆砌，因此复合填充更有利于形成有效的导热网链。同时采用炭黑、氮化硼、铜粉等复配粒子与石墨粒子复配不仅有利于形成有效的导热网链，而且还可以提高石墨散热片的机械性能。

现有技术的膨胀石墨生产工艺中一般采用浓硝酸、高锰酸钾、重铬酸钾、高氯酸、三氯醋酸、乙酸酐及其化合物作为氧化剂，在反应过程中产生对人体有害的二氧化氮、二氧化硫等气体，造成操作不便以及环境污染。本发明选用双氧水为氧化剂不仅能剔除石墨粒子原来固有的各种有害物质，而且不会产生新的有害物质，具有环保高效等特点。

在上述技术方案中，所述的杂质处理可以采用高温提纯法，主要过程如下：将石墨粉温度加到3000℃左右，(由于石墨的熔点很高，在3700℃以上)在3000℃左右其他物质都变成气体挥发掉了，就剩石墨。该法可以使石墨达到很高的纯度，99.9％、99.99％，甚至99.999％，而且污染也少，那些杂质气体遇冷马上凝固成粉状，而且都是纳米级的超细粉。这些粉都可以回收，因为不同成分的粉凝结温度不一样。

所述的杂质处理还可以采用如下方法：将石墨粉放在氟化铵与稀盐酸、硫酸或硝酸混合溶液中(也可以为其他氟化物)浸泡20-150分钟。其中氟化铵(氟化物)与稀盐酸、稀硫酸或稀硝酸重量份配比为1∶5-10∶1。

经过上述处理，石墨杂质含量不大于0.01％重量份。

在上述技术方案中，所述水洗过程主要是指石墨经过上述处理后进行水洗，水洗温度为常温，水洗目的是除去多余的酸及杂质。

本发明为提高石墨散热片的力学性能，在成型过程中可以使膨胀石墨粒子定向排列，不仅可以显著提高横截面方向的导热性能，还可以有效提高纵向的力学性能。作为换热器材料，这将是一种很好的增强途径。

本发明石墨散热片由于直接暴露在电器原件环境中，在长时间的工作下容易使石墨粉尘脱落，造成短路危险，为了克服上述缺点，本发明还提供了一种具体改进方案，可以在石墨散热片表面采用连续化学镀或电镀、真空镀等工艺形成一层很薄的金属层，所述金属层可以为铜层、镍层、铝层等金属或其化合物。

本发明制备的石墨散热片，克服了传统制备工艺中存在的杂质多、环境污染大、力学性能低、使用寿命短，易脱落等缺陷。经过上述处理获得的石墨散热片，对石墨材质无不良影响，生产过程无环境污染，其机械强度及纯度大大提高，使用寿命长，不脱落，便于后续加工使用。

具体实施方式：

图1是本发明高导热石墨散热片的实施例的示意图。

以下实施例只是用于具体说明本发明，本领域的技术人员完全可以根据本发明的思路和选料配比筛选出的配方均为本发明的保护范围。

实施例1：

a.采用粒径为70μm、碳元素含量为99.99％的石墨粉为原料，将石墨粉放入由盐酸∶双氧水＝1∶3重量份配比混合而成的酸处理液中，在温度为100℃条件下，浸泡处理20分钟；

b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至pH＝6.5；

c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在800℃条件下高温膨胀20小时，然后缓慢冷却至室温；

d.取粒径为0.5μm-的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉∶炭黑＝8∶1的质量份配比混匀后，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为0.5g/cm³、厚度为5mm的石墨散热片。

实施例2：

a.采用粒径为800μm、碳元素含量为95％的石墨粉为原料，将石墨粉放入由盐酸∶双氧水＝1∶20重量份配比混合而成的酸处理液中，在温度为20℃条件下，浸泡处理120分钟；

b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至pH＝5；

c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在1000℃条件下高温膨胀3小时，然后缓慢冷却至室温；

d.取粒径为200μm的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉∶炭黑＝2∶1的质量份配比混匀后，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为1.5g/cm³、厚度为0.05mm 的石墨散热片。

实施例3：

a.采用粒径为400μm、碳元素含量为97.5％的石墨粉为原料，将石墨粉放入由盐酸∶双氧水＝1∶10重量份配比混合而成的酸处理液中，在温度为60℃条件下，浸泡处理60分钟；

b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至pH＝6.0；

c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在900℃条件下高温膨胀10小时，然后缓慢冷却至室温；

d.取粒径为100μm的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉∶炭黑＝5∶1的质量份配比混匀后定向排列，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为1.2g/cm³、厚度为3.0mm的石墨散热片。

实施例4：

a.将石墨粉温度加到2800℃进行高温提纯，使其它物质变成气体挥发掉；

b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH＝6.5；

实施例5：

a.将石墨粉温度加到3300℃进行高温提纯，使其它物质变成气体挥发掉；

b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH＝5；

d.取粒径为200μm的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉∶炭黑＝2∶1的质量份配比混匀后，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为1.5g/cm³、厚度为0.05mm的石墨散热片。

实施例6：

a.将石墨粉温度加到3000℃进行高温提纯，使其它物质变成气体挥发掉；

b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH＝6.0；

实施例7：

a.放入由氟化铵∶浓度为20％的盐酸＝1.5∶1重量份配比混合而成的混合液中，浸泡处理150分钟；

b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至pH＝6.5；

实施例8：

a.放入由氟化铵∶浓度为35％的盐酸＝10∶1重量份配比混合而成的混合液中，浸泡处理20分钟；

b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至pH＝5；

实施例9：

a.放入由氟化铵∶浓度为15％的盐酸＝5∶1重量份配比混合而成的混合液中，浸泡处理80分钟；

b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至pH＝6.0；

实施例10：

不同的是用氟化钠代替氟化铵，其余分别同实施例1-9。

实施例11：

不同的是用氮化硼代替炭黑，其余分别同实施例1-10。

实施例12：

不同的是用铜粉代替炭黑，其余分别同实施例1-10。

实施例13：

不同的是对d步骤的石墨散热片表面采用连续化学镀一层薄金属镍层，其余分别同实施例1-12。

实施例14：

不同的是用电镀代替连续化学镀，其余同实施例13。

实施例15：

不同的是用真空镀代替连续化学镀，其余同实施例13。

实施例16：

不同的是用薄金属铜层代替薄金属镍层，其余同实施例13。

实施例17

不同的是用薄金属铝层代替薄金属镍层，其余同实施例13。

实施例18：

不同的是用薄金属化合物层代替薄金属镍层，其余同实施例13。

实施例19：

不同的是用硫酸代替盐酸，其余分别同实施例1、2、3、7-18。

实施例20：

不同的是用硝酸代替盐酸，其余分别同实施例1、2、3、7-18。

Claims

1.一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于：

a.采用粒径为70-800μm、碳元素含量为95-99.99％的石墨粉为原料，将石墨粉放入由强酸∶双氧水＝1∶3-20重量份配比混合而成的酸处理液中，在温度为20-100℃条件下，浸泡处理20-120分钟；或

将石墨粉用高温提纯法处理；或

放入由氟化物∶浓度为5-35％的强酸＝1.5-10∶1重量份配比混合而成的混合液中，浸泡处理20-150分钟；

b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH＝5-6.5；

d.取粒径为0.5μm-200μm的炭黑、氮化硼或铜粉为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉∶复配粒子＝2-8∶1的质量份配比，通过石墨卷材生产设备制成石墨散热片。

2.根据权利要求1所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的强酸是盐酸、硫酸或硝酸。

3.根据权利要求1所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的高温提纯法的温度是2800-3300℃。

4.根据权利要求1所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的氟化物是氟化钠或氟化铵。

5.根据权利要求1所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于在所述的石墨散热片表面进行连续化学镀、电镀或真空镀金属层。

6.根据权利要求6所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的金属层为铜层、镍层、铝层或其金属化合物层。

7.根据权利要求1所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的石墨散热片密度为0.5-1.5g/cm³。

8.根据权利要求1或7所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的石墨散热片厚度为0.05-5mm。