CN103476227A - 一种铜碳复合散热片及其制备方法 - Google Patents

一种铜碳复合散热片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜碳复合散热片及其制备方法，该散热片由铜箔导热层两面涂布碳导热层构成，具有高导热性和高抗拉强度；该铜碳复合导热片在XYZ三个方向上均有极高的导热系数，快速把集中于一点上的热传导到复合导热片上，热在三维方向上传导，快速使电子装置中的热源温度降低，同时具有良好的柔韧性、可加工性、EMI屏蔽和吸收特性；并且制备工艺简易、成本低，适于工业化生产。

Description

一种铜碳复合散热片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种散热材料及其制备方法，具体涉及一种铜碳复合散热片及其制备方法。
背景技术
随着大规模集成电路和封装技术的发展，电子元器件和电子设备向薄、轻、小方向发展，电子产品的集成度越来越高，单位面积内的电子元件的数量呈几何级数量增长，散热成为一个很突出的问题，如果热量来不及散除将导致元器件工作温度升高，严重时还会使电子元器件失效，直接影响到使用它们的各种高精密度设备的寿命和可靠性。因此，热量的如何散发问题已经成为电子产品小型化、集成化的瓶颈。 
在可用于散热的材料中，碳材料具有优异的导热性能而成为研究重点。碳纳米管是一种新型纳米材料，具有优异的力学、电学、化学性能，其结构是一种由碳分子组成的中空管型结构。碳纳米管具有非常大的长径比，沿着长度方向的热交换性能很高，导热率是金属银的10倍以上，可以在添加份数较少的情况下获得较高的导热性能；石墨烯材料，是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，而作为热导体，石墨烯的热导率约为4000W/m·K，是铜的5倍。随着研究的不断深入，碳材料在导热领域将成为较为理想的材料，用于计算机技术、通讯、电子等领域，是近年来最具发展前景的一类散热材料。
   但是现有碳材料也有不足之处，在于石墨烯材料的耐折性差，材料的强度弱，可以轻易撕裂或者因所粘附部位发生位移而产生破损以及表层物质脱落，同时因为材料本身的结构特性，碳纳米管以及石墨烯纵向Z的导热系数较低，一般5~30W/m·K。
因此如何有效地保持碳材料原有的高散热性，同时又能使其具有优异的力学性能以及高的纵向导热性能，是目前需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜碳复合散热片及其制备方法，所述散热片具有高导热性和热辐射效率以及优异的拉伸强度，适合于电子装置的应用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种铜碳复合散热片，其由铜箔两面涂布碳导热层构成；其中：
所述铜箔的厚度为0.02～0.25mm；
所述碳导热层的厚度为0.015～0.03mm；
所述铜碳复合散热片的厚度为0.08～0.3mm；
所述碳导热层由如下组分按质量份计组成：
  石墨烯或者单壁碳纳米管              100份
   粘接剂                                  1～50份
所述石墨烯的比表面积为500～1000m2/g；
所述单壁碳纳米管的粒径为5nm：
所述粘接剂为聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、 聚乙二醇、 聚乙烯醇中的一种或其一种以上组合物。
上述技术方案中，所述石墨烯的层数为1～10层。
上述技术方案中，所述单壁碳纳米管的长度为5～20μm。
上述技术方案中，所述单壁碳纳米管的比表面积为200～400m2/g。
上述技术方案中，所述铜碳复合散热片的水平方向导热系数为300～1500W/m·k；垂直方向导热系数为200～350W/m·K。
上述铜碳复合散热片的制造方法，包括如下步骤：
(1) 将粘结剂溶于有机溶剂，得到粘结剂的有机溶液； 
(2) 将石墨烯或碳纳米管与粘接剂的有机溶液混合，得到混合物； 
(3) 将混合物超声分散0.5～1小时，在1500～3000rpm的转速下搅拌分散1～5小时，得到混合均匀的混合物；
(4) 将混合均匀的混合物双面涂布在铜箔上，在惰性气体保护下固化得到所述铜碳复合铜箔散热片，其中固化温度为50～200℃，固化时间为10～100min。
上述技术方案中，所述步骤(1)中的有机溶剂为乙醇、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或其一种以上组合物；粘接剂溶液的质量浓度为5%～30%。
优选的技术方案中，惰性气体为氩气。
由于上述技术方案的采用，与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1．本发明的铜碳复合散热片综合了铜和碳材料的散热性能，水平和垂直方向上均具有高导热性；
2．本发明的铜碳复合散热片具有高的抗伸强度；
3．本发明的制备方法简单易行，成本较低，适于推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
按重量计，将聚偏氟乙烯10份添加到190份N，N-二甲基甲酰胺中溶解成溶液，然后再将100份石墨烯添加到有机溶液中，超声分散30分钟后2500rpm搅拌1小时，得到混合均匀的混合物浆料，将此浆料双面涂覆在0.02mm的铜箔上，放入烘箱中。在氩气保护下固化，固化温度为100℃，固化时间为80min，得到含有石墨烯层的铜碳复合散热片，单面石墨烯层厚度为0.03mm，得到的铜碳复合散热片的性能如下：
测试项目 测试方法 单位 测试值
拉伸强度 ASTM F-152 MPa 3.5
体积电阻 ASTM D257 Ω/CM 1.0x1012
导热系数(垂直方向)      ASTM D5470 W/m·k 260
导热系数(水平方向)      ASTM D5470 W/m·k 1500
实施例二：
按重量计，将聚乙烯吡咯烷酮20份添加到100份N，N-二甲基甲酰胺和100份N-甲基吡咯烷酮中溶解成溶液，然后再将100份石墨烯添加到有机溶液中，超声分散30分钟后2000rpm搅拌3小时，得到混合均匀的混合物浆料，将此浆料双面涂覆在0.10mm的铜箔上，放入烘箱中。在氩气保护下固化固化温度为200℃，固化时间为20min，得到含有石墨烯层的铜碳复合散热片，单面石墨烯层厚度为0.02mm，得到的铜碳复合散热片的性能如下：
测试项目 测试方法 单位 测试值
拉伸强度 ASTM F-152 MPa 3.6
体积电阻 ASTM D257 Ω/CM 1.1x1012
导热系数(垂直方向)      ASTM D5470 W/m·k 240
导热系数(水平方向)      ASTM D5470 W/m·k 1000
实施例三：
按重量计，将聚偏氟乙烯20份、聚乙烯醇10份添加到200份N-甲基吡咯烷酮溶剂中溶解成溶液，然后再将100份单壁碳纳米管添加到有机溶液中，超声分散30分钟后2000rpm搅拌5小时，得到混合均匀的混合物浆料，将此浆料双面涂覆在0.25mm的铜箔上，放入烘箱中。在氩气保护下固化固化温度为60℃，固化时间为100min，得到含有碳纳米管层的铜碳复合散热片，单面碳纳米管层厚度为0.015mm，得到的铜碳复合散热片的性能如下：
测试项目 测试方法 单位 测试值
拉伸强度 ASTM F-152 MPa 3.7
体积电阻 ASTM D257 Ω/CM 1.5x1012
导热系数(垂直方向)      ASTM D5470 W/m·k 270
导热系数(水平方向)      ASTM D5470 W/m·k 500

Claims (9)

1.一种铜碳复合散热片，其由铜箔两面涂布碳导热层构成；其特征在于：
所述铜箔的厚度为0.02～0.25mm；
所述碳导热层的厚度为0.015～0.03mm；
所述铜碳复合散热片的厚度为0.08～0.3mm；
所述碳导热层由如下组分按质量份计组成：
   石墨烯或者单壁碳纳米管               100份
    粘接剂                                   1～50份
所述石墨烯的比表面积为500～1000m2/g；
所述单壁碳纳米管的粒径为5nm：
所述粘接剂为聚偏氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、 聚乙二醇、 聚乙烯醇中的一种或其一种以上组合物。
2.根据权利要求1所述的铜碳复合散热片，其特征在于：所述石墨烯的层数为1～10层。
3.根据权利要求1所述的铜碳复合散热片，其特征在于：所述单壁碳纳米管的长度为5～20μm。
4.根据权利要求1所述的铜碳复合散热片，其特征在于：所述单壁碳纳米管的比表面积为200～400m2/g。
5.根据权利要求1所述的铜碳复合散热片，其特征在于：所述铜碳复合散热片的水平方向导热系数为300～1500W/m·k；垂直方向导热系数为200～350W/m·K。
6.一种制备如权利要求1所述的铜碳复合散热片的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 将粘结剂溶于有机溶剂，得到粘结剂的有机溶液；
(2) 将石墨烯或碳纳米管与粘接剂的有机溶液混合，得到混合物； 
(3) 将混合物超声分散0.5～1小时，在1500～3000rpm的转速下搅拌分散1～5小时，得到混合均匀的混合物；
(4) 将混合均匀的混合物双面涂布在铜箔上，在惰性气体保护下固化得到所述铜碳复合铜箔散热片，其中固化温度为50～200℃，固化时间为10～100min。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的有机溶剂为乙醇、丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或其一种以上组合物。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中粘接剂溶液的质量浓度为5%～30%。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中惰性气体为氩气。
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