CN102651961A - 一种导热散热界面材料及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种导热散热界面材料以及制造这种导热散热界面材料的方法，应用于电子产品散热领域，包括：一导热散热层是由石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、石墨粉体、碳纳米管、碳纤维、石墨纤维、树脂、陶瓷纤维、石英纤维、金属纤维、氧化锆、氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅、氧化镁粉、偏硅酸纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维、铜、铝、银、钨、钼金属粉体的其中一种或其中多种材料组成；一表面保护材料层，表面保护材料层为高分子薄膜。依照本发明的材料和方法制成的导热散热界面材料，有效的提高散热性能，具有体积小、重量轻、厚度薄的优点，提高电子元器件的使用寿命，同时这种新型导热散热界面材料容易生产加工。

Description

一种导热散热界面材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高分子复合材料的应用，具体涉及一种采用高分子复合材料制成的导热散热界面材料以及这种导热散热界面材料的加工制造方法。

背景技术

导热散热界面材料被广泛的应用于电脑、笔记本电脑、LED照明、通信、整流器，医疗及工业设备等领域，现有技术的导热散热界面材料一般采用铝、铝合金、铜、陶瓷等材料或填料生产。但随着电子、电气设备应用范围的扩大和普及，对电子电气设备的性能和结构要求越来越苛刻，越来越复杂，包括要求具备更高的处理速度、更高的处理频率、更小的体积、更轻的重量、更高的功率和其它技术优点。例如在电子、电气元件及系统中，或者高功率的光学器件中的微处理器和集成电路中都会产生很高的热量，但是，微处理器、集成电路和其它电子元器件通常只能在有限的温度范围内有效正常的运行。如果这些电子元器件产生的热量超过允许的范围，不仅对它们自身性能造成影响，而且可能会对整个系统的性能和稳定造成不可估量的损害，从而引起系统的崩溃。

这就对电子元器件中的散热设备提出严格的要求，随着对电子元器件微型化、轻量化的要求不断提高，对微型电子元器件中的散热控制和散热设计日益严格，乃至苛刻。众所周知，电子电气设备的性能、可靠性和寿命与运行环境的温度成反比关系。例如，高功率led或液晶模块中，基板散热速度的提高可以大大提高led或液晶的光亮度、寿命和运行的稳定性。因此，为了提高电子元器件及其系统的性能和稳定性，延长其使用寿命，降低运行的环境温度或增大正常稳定运行的温度范围极其重要。

但是现有技术的导热散热界面材料一般采用铝、铝合金、铜、金属氧化物、陶瓷类材料以及以这些为填料的橡胶类等材料制成，这种导热散热界面材料的原理是通过铜、铝、铝合金或填料将热量吸收然后散发到周围环境中。这种导热散热界面材料一般还需要有散热叶片（散热器）和风扇，靠风扇对散热叶片之间散热介质如空气的强制对流来达到散热的目的。

这些现有技术主要存在以下的缺陷：

第一，重量大，因为填料密度大，例如：铜的密度是8.96g/cm3，铝的是2.7g/cm3。重量的超重会对电子元器件的设计和制造带来很大的难度，并且增加元器件的重量。

第二，占用空间大，尤其是电子元器件对空间要求苛刻时，界面材料的导热系数有限，而且不可调。

第三，界面材料的热膨胀系数与电子元器件芯片的相差太大，当温度变化大时，容易引发芯片破裂，产生瑕疵及发光效率降低，导致发光效率和寿命大打折扣，不能达到高功率、长寿命的技术要求。

第四，厚度可调范围有限，无法做到100微米以下的厚度。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种导热散热界面材料，以解决现有技术因采用有色金属而导致的重量较大、体积较大、厚度高、使用寿命短以及热导系数不可控的技术问题。

本发明的又一目的是提供一种导热散热界面材料的制造方法，以解决现有技术因采用有色金属而导致的重量较大、体积较大、厚度高、使用寿命短以及热导系数不可控的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种导热散热界面材料，应用于电子产品散热领域，包括：一导热散热层，所述导热散热层是由石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、石墨粉体、碳纳米管、碳纤维、石墨纤维、树脂、陶瓷纤维、石英纤维、金属纤维、氧化锆、氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅、氧化镁粉、偏硅酸纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维、铜、铝、银、钨、钼金属粉体的其中一种或其中多种材料组成。

一表面保护材料层，所述表面保护材料层为高分子薄膜。

依照本发明较佳实施例所述的导热散热界面材料，其特征在于，所述石墨纤维为沥青基、PAN基、粘胶基、酚醛基的其中一种，所述石墨纤维是长石墨纤维、经过刀具或气体破碎机破碎处理的短石墨纤维、或两者的混合；树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、亚克力树脂、橡胶、四氟乙烯树脂、PP、PE、PET、硅油等油脂类材料的其中一种；石墨粉体为膨胀石墨、等静压石墨、高纯石墨的其中一种。

依照本发明较佳实施例所述的导热散热界面材料，其特征在于，所述导热散热层的厚度是3纳米到2毫米。

依照本发明较佳实施例所述的导热散热界面材料，其特征在于，还包括：

一离型材料层，所述离型材料层为高分子薄膜。

依照本发明较佳实施例所述的导热散热界面材料，其特征在于，还包括：

一胶粘材料层，所述胶粘材料层为亚克力、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、亚克力树脂、橡胶、四氟乙烯树脂等胶粘剂的其中一种。

依照本发明较佳实施例所述的导热散热界面材料，其特征在于，还包括：

一基体材料层，用于提高绝缘强度，所述基体材料层为PE、PI、PET、PEEK、PPS、PTFE、PP、PC、PVC、PS等的高分子薄膜的其中一种、或碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等的无纺布或编织布的其中一种、或金属薄膜、金属纤维等的无纺布或编织物的其中一种，所述基体材料层的厚度为1微米到1毫米。

一种导热散热界面材料的制造方法，包括：

步骤A: 制作导热散热材料；

步骤B：得到制作好的导热散热材料；

步骤C：加表面保护材料层；

步骤D：上模切设备按照需要裁剪成符合要求的导热散热界面材料。

依照本发明较佳实施例所述的导热散热界面材料的制造方法，其特征在于，步骤A包括：步骤A1：在基体材料层上预先涂覆胶粘材料层；

步骤A2：把导热散热层设置在带有胶粘材料层的基体材料层上；

步骤A3：在覆盖导热散热层的那面再覆盖离型材料层；

步骤A4：把制作好的多层结构的片材上模压机模压。

依照本发明较佳实施例所述的导热散热界面材料的制造方法，其特征在于，步骤A包括：步骤A5：对基体材料层进行预处理；

步骤A6：把基体材料层置于气相沉积炉内；

步骤A7：开启气相沉积设备，导热散热层会镀在基体材料层表面；

步骤A8：收卷。

由于采用了以上的技术使得本发明相比现有技术，具有以下的优点和积极效果：

综上所述，依照本发明的材料和方法制成的导热散热界面材料，有效的提高散热性能，具有体积小、重量轻、厚度薄的优点，提高电子元器件的使用寿命，同时这种导热散热界面材料容易生产加工，根据材料的物理性能具有各向异性的特点，按照不同器件对散热性能要求设计导热系数和导热方向，设计出具有定向传热功能以及热导系数可以设计的导热散热界面材料。

附图说明

图1为石墨晶体结构示意图；

图2为石墨烯、鳞片石墨单层结构示意图；

图3为本发明的一种基体材料是PET薄膜，采用石墨烯制造导热散热界面材料的流程图；

图4为本发明的一种基体材料是PET薄膜，采用石墨纤维制造导热散热界面材料的流程图；

图5为本发明的一种基体材料是PET薄膜，采用铝粉制造导热散热界面材料的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

本发明的核心思想在于，这种界面材料具有导热散热的各向异性，在垂直于界面方向上的导热系数较高，而在平行于界面方向上具有极高的导热系数（最高达到3000W/m▪K），并且导热系数是可以调节和设计的；电子元器件的热量传导到导热散热界面材料上，界面材料再把热量散发到散热器上或气流通道中的空气中，最后通过空气的热对流或热辐射把热量散发到周围环境中，从而达到散热的目的，以提升其散热效率，避免电子元器件因散热不充分而导致的性能降低或不稳定及使用寿命缩短等问题。

首先，本发明的导热散热界面材料应用于电子产品散热领域，例如电脑、笔记本电脑、LED照明、通信、整流器，医疗及工业设备等热场空间小且要求重量轻的电子元器件等特殊应用领域，本发明的导热散热界面材料是一种由石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、石墨粉体、碳纳米管、碳纤维、石墨纤维、树脂、陶瓷纤维、石英纤维、金属纤维、或者氧化锆、氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅、氧化镁粉以及天然矿物纤维如偏硅酸纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维， 或者铜、铝、银、钨、钼金属粉体等其中一种或多种原材料制作的复合产品，热导系数很高，最高可以达到3000W/m▪K，同时这种材料的传热性能是各向异性的，具有较高的热辐射效率，而且热导系数和传热方向是可以调节和设计的。另外，这种材料具有更小的密度，具有比传统的散热材料如铜、铝或铝合金更多的优越性，更适合作为导热散热界面材料的材料。

石墨纤维是一种特殊的材料，请参考图1是石墨晶体结构示意图，本发明的石墨纤维可以是沥青基、PAN基、粘胶基、酚醛基的其中一种，这种材料在纤维直径方向和纤维长度方向的导热系数具有很大的差异性，长度方向的导热系数最大可以达到1000W/m▪K，而直径方向（垂直纤维方向）的导热系数最小只有2.4W/mK，在高精度显微镜下是液晶结构，具有性能的各向异性。值得注意的是，由于这种材料在性能上的特殊性，所以可以根据纤维含量来调节复合材料的热导系数，并且可以根据纤维的取向性来调整传热的方向。

石墨烯也是一种特殊的材料，请参考图2是石墨烯、鳞片石墨单层结构示意图，石墨烯是从石墨中剥离出的石墨片，是仅由一层碳原子构成的薄片，明显比传统的鳞片石墨或其他石墨材料要薄，性能也明显不同，是完全不同的两种物质。这种材料在垂直鳞片方向和平行鳞片方向的导热系数具有很大的差异性，平行鳞片方向的导热系数最大可以达到3000W/m▪K（普通石墨的导热系数一般小于1500 W/m▪K），而垂直鳞片方向的导热系数较小，在高精度显微镜下是六边形的层状鳞片结构，具有性能的各向异性。值得注意的是，由于这种材料在性能上的特殊性，所以可以根据石墨烯的含量来调节复合材料的热导系数，并且可以根据石墨烯的取向性来调整传热的方向。

根据具体的需要，应用在导热散热层中的纤维可以是短纤维，也可以是长纤维或两者的混合；如果是选择短纤维作为原材料，则在导热散热层中短纤维的分布是根据具体的成型工艺决定纤维的排布方向，一部分按照设计要求取向，一部分是杂乱无章分布的，总体是种立体网状结构，主要的传热方式是靠纤维搭接和介质传递共同实现的。可以通过调整取向纤维和杂乱纤维的比例来调整导热散热层的散热性能和散热方向。

如果是选择长纤维作为原材料，则纤维在导热散热层中的分布是可以预先设计的，这样，最终导热散热层的导热性能和散热方向在制造之前就可以设计完成。具体的导热性能和散热方向是根据纤维在整个导热散热层中的体积含量来调节的。所述长纤维可以是布、纸、编织物、毡、无纺织物、预浸制品、多维编织物、预制织物等，而且这些产品可以根据需要调整厚度和纤维方向、含量等，同时，这些产品既可以是柔性的，也可以是刚性的。

根据具体的需要，应用在导热散热界面材料中的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、亚克力树脂、橡胶、四氟乙烯树脂、PP、PE、PET、硅油等油脂类材料的其中一种；石墨粉体为膨胀石墨、等静压石墨、高纯石墨的其中一种。

除了以上在结构和形态上的不同，由于所述长纤维固有的在导热性、导电性、蠕变性等方面都具有高度的各向异性，所以所述长纤维（布、纸、编织物、毡、无纺织物、预浸制品、多维编织物、预制织物等）在导热性、导电性、蠕变性等方面也都具有高度的各向异性。

制造所述长纤维例如布、纸、编织物、毡、无纺织物、预浸制品、多维编织物、预制织物等的方法包括抄纸、编织、无纺针刺、无纺水刺、干法无纺、湿法无纺、预浸、辊压、立体编织等，以形成平面的（单向或多向）、柔性的、立体的板或块或柱或其它几何形状。

所述导热散热界面材料的导热散热层是由以上所述原材料单独制作或与树脂以及其它辅料如石墨、粘结剂、高分子薄膜、金属、金属氧化物、金刚石共同复合，经过预浸、模压、模切、气相沉积、固化、烧结、共混、挤出、注射、RTM等工艺，调整导热散热层的厚度、密度、形状。最终导热散热层的各向异性主要取决于原材料纤维如碳纤维、石墨纤维、石墨烯、鳞片石墨等的高度各向异性以及含量和取向。

与传统的导热散热界面材料相比，本发明导热散热界面材料最大的不同在于其较高的热导系数和导热方向的可调节性和可设计性，以及导热散热层厚度的宽范围控制，厚度最小可以做到3纳米，厚度要求大的可以做到2毫米，其他例如10纳米或20微米视需要而定。

根据具体的需要，导热散热界面材料，还可以包括：一离型材料层，所述离型材料层是一种高分子薄膜。一胶粘材料层，所述胶粘材料层为亚克力、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、亚克力树脂、橡胶、四氟乙烯树脂等胶粘剂的其中一种。

根据具体的需要，导热散热界面材料，还可以包括：一基体材料层，用于提高绝缘强度，所述基体材料层为PE、PI、PET、PEEK、PPS、PTFE、PP、PC、PVC、PS等的高分子薄膜的其中一种、或碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等的无纺布或编织布的其中一种、或金属薄膜、金属纤维等的无纺布或编织物的其中一种，所述基体材料层的厚度最小可以为1微米，厚度大的可以到1毫米，其他例如10微米或20微米视需要而定。

而制造导热散热界面材料的方法包括研磨、模压、模切、涂覆、刮涂、气相沉积、压延、流延、喷涂、RTM、热压、挤出、辊压、硫化、固化、打磨、微波等工艺，可选其中一种或多种复合，但不局限于此。通过这些技术可以形成体积小、重量轻、厚度薄、散热性能高的导热散热界面材料。这种导热散热界面材料的各向异性主要取决于原材料纤维如石墨纤维的高度各向异性以及含量和取向。与传统的导热散热界面材料相比，本发明导热散热界面材料最大的不同在于其较高的热导系数和导热方向的可调节性和可设计性。

以下，则结合流程图，对导热散热界面材料制造的工艺方法做出说明。

实施例一

请参考图3，为一种基体材料是PET薄膜，采用石墨烯制造导热散热界面材料的流程图，可见，主要包括以下的步骤：

S101: 在PET薄膜上预先涂覆胶粘剂;

S102: 在PET薄膜涂有胶粘剂那面均匀地覆盖石墨烯;

S103: 在覆盖石墨烯的那面再覆盖高分子薄膜；

S104: 把制作好的多层结构的片材上模压机模压；

S105: 得到制作好的导热散热材料；

S106：加高分子薄膜保护材料层；

S107: 上模切设备按照需要裁剪成符合要求的导热散热界面材料。

请参考图3，步骤A: 制作导热散热材料包括步骤S101到步骤S104.

石墨烯具有非同寻常的导电性能、最高的导热性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性。

以上方法仅仅是一种制作方法，但根据需要可以设计复合导热散热界面材料的结构，比如：高分子薄膜可以是双面涂覆胶粘剂的，也可以是单面涂覆的；覆盖在石墨烯表面的薄膜可以是带胶的也可以不带胶；所需的高分子薄膜的厚度可以根据耐压等级而选择；另外，石墨烯导热层也可以根据需要来调整厚度，而且，导热散热界面材料也可以根据需要采取封边设计，以防粉尘污染。

实施例二

请参考图4，为一种基体材料是PET薄膜，采用石墨纤维制造高导热散热界面材料的流程图，可见，主要包括以下的步骤：

S201: 在PET薄膜上预先涂覆胶粘剂;

S202: 把石墨纤维单向布铺在带有胶粘剂的PET薄膜上;

S203: 在覆盖石墨纤维的那面再覆盖高分子薄膜；

S204: 把制作好的多层结构的片材上模压机模压；

S205: 得到制作好的导热散热材料；

S206：加高分子薄膜保护材料层或背胶；

S207: 上模切设备按照需要裁剪成符合要求的导热散热界面材料。

请参考图4，步骤A: 制作导热散热材料包括步骤S201到步骤S204.

以上方法仅仅是一种制作方法，但根据需要可以设计复合导热散热界面材料的结构，比如：不使用基体材料时，步骤S201到步骤S203可以改为把石墨纤维单向布铺在成型模具中。

实施例三

请参考图5，为一种基体材料是PET薄膜，采用铝粉制造高导热散热界面材料的流程图，可见，主要包括以下的步骤：

S301: 对PET薄膜进行预处理;

S302: 把PET薄膜置于镀铝的气相沉积炉内;

S303: 开启气相沉积设备，铝会镀在薄膜表面；

S304: 收卷；

S305: 得到制作好的导热散热材料；

S306: 加高分子薄膜保护材料层；

S307: 上模切设备按照需要裁剪成符合要求的导热散热界面材料。

请参考图5，步骤A: 制作导热散热材料包括步骤S301到步骤S304.

经过以上过程得到的是导热散热界面材料的粗制品，还要对其进行优选测试，找出符合实际热工设计要求的导热散热界面材料制作时的配方、工艺等，最终固定下来，制作符合要求的导热散热界面材料。

综上所述，依照本发明的材料和方法制成的导热散热界面材料，有效的提高和超越了传统导热散热界面材料的散热性能，同时提供一种制作超薄导热散热界面材料的方法，这种导热散热界面材料可以根据实际的热工设计要求调节其热导系数和传热方向，而且在同样体积下，具有更小的重量，为开发体积小，重量轻，性能高的电子元器件提供了有利的工作环境，同时这种新型导热散热界面材料易生产加工，而且导热散热界面材料的形态可以是固态、液态或凝胶状。

依照本发明的材料和方法制成的导热散热界面材料，采用的材料具有传热各向异性的特点，所以导热散热界面材料具有定向传热功能，而且热导系数可以根据需要来设计；导热散热层厚度可以最小达到3纳米，是传统导热材料所不可能达到的厚度。

而且，依照本发明的材料和方法制成的导热散热界面材料的散热性能，相比传统铝质或铜质导热散热界面材料，同时具有比传统铝或铜质导热散热界面材料更小的密度，密度一般比铝轻28%,比铜轻78%；在常温有氧环境中是惰性的，在最常见的环境中不会被氧化或腐蚀，使用寿命更长；减少有色金属的使用，可以降低成本，且材料都可以重复利用。

此外，成型容易，外形可以任意设计，而且工艺简单。石墨纤维复合材料的热膨胀系数和芯片材料接近，耐高低温热冲击能力强，减少了电子元器件内应力造成的损害，提高了电子元器件的可靠性和稳定性，电子元器件使用时间更长。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种导热散热界面材料，应用于电子产品散热领域，其特征在于，包括：

一导热散热层，所述导热散热层是由石墨、纳米石墨、鳞片石墨、石墨烯、热解碳、热解石墨、石墨粉体、碳纳米管、碳纤维、石墨纤维、树脂、陶瓷纤维、石英纤维、金属纤维、氧化锆、氮化硼、氮化硅、碳化硼、碳化硅、氧化镁粉、偏硅酸纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维、铜、铝、银、钨、钼金属粉体的其中一种或其中多种材料组成；

一表面保护材料层，所述表面保护材料层为高分子薄膜。

2.如权利要求1所述的导热散热界面材料，其特征在于，所述石墨纤维为沥青基、PAN基、粘胶基、酚醛基的其中一种，所述石墨纤维是长石墨纤维、经过刀具或气体破碎机破碎处理的短石墨纤维、或两者的混合；树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、亚克力树脂、橡胶、四氟乙烯树脂、PP、PE、PET、硅油的其中一种；石墨粉体为膨胀石墨、等静压石墨、高纯石墨的其中一种。

3.如权利要求2所述的导热散热界面材料，其特征在于，所述导热散热层的厚度是3纳米到2毫米。

4.如权利要求3所述的导热散热界面材料，其特征在于，还包括：

一离型材料层，所述离型材料层为高分子薄膜。

5.如权利要求4所述的导热散热界面材料，其特征在于，还包括：

一胶粘材料层，所述胶粘材料层为亚克力、环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、有机硅树脂、亚克力树脂、橡胶、四氟乙烯树脂的其中一种胶粘剂。

6.如权利要求1或5所述的导热散热界面材料，其特征在于，还包括：

一基体材料层，用于提高绝缘强度，所述基体材料层为PE、PI、PET、PEEK、PPS、PTFE、PP、PC、PVC、PS的其中一种的高分子薄膜、或碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维的其中一种的无纺布或编织布、或金属薄膜、金属纤维的其中一种的无纺布或编织物。

7.一种导热散热界面材料的制造方法，其特征在于，包括：

步骤A: 制作导热散热材料；

步骤B：得到制作好的导热散热材料；

步骤C：加表面保护材料层；

步骤D：上模切设备按照需要裁剪成符合要求的导热散热界面材料。

8.如权利要求7所述的导热散热界面材料的制造方法，其特征在于，步骤A包括：步骤A1：在基体材料层上预先涂覆胶粘材料层；

步骤A2：把导热散热层设置在带有胶粘材料层的基体材料层上；

步骤A3：在覆盖导热散热层的那面再覆盖离型材料层；

步骤A4：把制作好的多层结构的片材上模压机模压。

9.如权利要求7所述的导热散热界面材料的制造方法，其特征在于，步骤A包括：步骤A5：对基体材料层进行预处理；

步骤A6：把基体材料层置于气相沉积炉内；

步骤A7：开启气相沉积设备，导热散热层会镀在基体材料层表面；

步骤A8：收卷。

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