CN103770433A - 人造石墨散热基板及其制作方法 - Google Patents

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翁明生
萧龙达
曾哲律
李宏元
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Abstract

一种人造石墨散热基板的制作方法，包括下述步骤：在惰性气体的环境下，将一片状的聚合物基材施加不高于0.1千克/平方公分的压力并以逐渐升温方式得到一缩合碳化膜；将该缩合碳化膜逐渐升温以得到一石墨膜，该石墨膜是由多层石墨烯组成；然后，将多数石墨膜沿一堆叠方向叠合，且在堆叠方向以预定压力将这些石墨膜压缩固定；本发明的制作方法相较于现有制作方法可以简化制程、降低生产成本具有易于加工的综效，且生产制造的人造石墨散热基板具有良好的导热效果。

Description

人造石墨散热基板及其制作方法
技术领域
本发明是有关于一种散热基板及其制作方法，特别是指一种以物理热压合方法制作、节省材料并具有高导热系数的人造石墨散热基板及其制作方法。
背景技术
目前人造石墨的制法有数种，有以化学气相沉积法制成，也有利用聚合物溶液及石墨粉的混合液，然后对混合液以热处理进行碳化及高温进行石墨化以得到石墨膜。
在石墨膜的应用方面，目前有利用石墨膜贴附在热源表面，但导热效率不佳。
另外，以目前已知化学气相沉积方法所生产制得的石墨烯的块材，其层与层之间是以范德华力(van der Waals′forces)结合，由于层与层之间的结合力不高，因此当厚度增加到一定程度时就需要包覆物将多层石墨烯块材结合，才能形成厚度较大的块状石墨。
依据现有技术得知，现有人造石墨的制法及制品有以下缺失：
1.化学制程需要化学材料及相关设备，制程复杂且较昂贵。
2.形成厚度较大的块状石墨需要在石墨膜加上额外的包覆物，无法节省材料。
3.石墨块材应用在散热时的导热效率不佳。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种解决上述缺失的人造石墨散热基板及其制作方法。
本发明的人造石墨散热基板的制作方法包括下述步骤：一碳化步骤，在惰性气体的环境下，将一片状的聚合物基材施加不高于0.1千克/平方公分的压力并以逐渐升温方式得到一缩合碳化膜；一石墨化步骤，在惰性气体的环境下，将该缩合碳化膜继续施加不高于0.1千克/平方公分的压力并逐渐升温以得到一石墨膜，该石墨膜是由多层石墨烯组成；及一压缩定型步骤，将多数石墨膜沿一堆叠方向叠合，且在该堆叠方向以一预定压力将这些石墨膜压缩固定，令各该石墨膜的接合强度不低于0.1MPa。
较佳的，该压缩定型步骤所施加的预定压力是介于50至100MPa之间。
较佳的，该碳化步骤及该石墨化步骤所施加的压力是介于0.01至0.1千克/平方公分之间。
较佳的，该碳化步骤是以摄氏2度/分钟逐渐加温至摄氏1000度。
较佳的，该石墨化步骤是由摄氏1000度开始，以摄氏10度/分钟逐渐加温至摄氏2400至3000度之间。
较佳的，该石墨化步骤及该压缩定型步骤之间还包括一掺杂步骤，该掺杂步骤是在各该石墨膜之间添加片状石墨烯层、粉状石墨烯层或碳粉层。
本发明的人造石墨散热基板用于对一热源导热，该人造石墨散热基板是包括沿一堆叠方向压缩固定成型而使彼此间具有预定接合强度不低于0.1MPa的多数石墨膜，各该石墨膜具有多层石墨烯，且该人造石墨散热基板是以这些石墨膜平行于该堆叠方向的一面接触该热源。
较佳的，该人造石墨散热基板还具有压缩定型在各该石墨膜之间的片状石墨烯层、粉状石墨烯层，或碳粉层。
较佳的，该石墨膜的平面方向的导热系数为不低于1600瓦特/公尺·绝对温度。该石墨膜的密度为不低于2.26克/立方公分。
本发明的人造石墨散热基板及其制作方法的有益效果在于，全程利用热压合制作，可减少化学制程所需的设备成本，且无需以包覆物固定石墨膜而可减少材料成本，借此生产出导热效率极佳的人造石墨散热基板，在降低整体生产成本的前提下，有利于加工及大量生产制造。
附图说明
图1是说明本发明的人造石墨散热基板的制作方法的第一较佳实施例的流程图；
图2是说明本发明的石墨膜的层状结构及人造石墨散热基板的块状结构的示意图；
图3是说明本发明的人造石墨散热基板以平行于堆叠方向的一面接触热源的示意图；
图4是说明本发明的人造石墨散热基板的制作方法的第二较佳实施例的流程图；
图5及图6是说明本发明的石墨膜是由多片非多孔的石墨烯组成的不同倍率的显微照相图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
参阅图1及图2，本发明的第一实施例中，人造石墨散热基板100的制作方法主要包括一碳化步骤101、一石墨化(form of a film)步骤102以及一压缩定型步骤103，各步骤分别说明如下。
碳化步骤101：在惰性气体的环境下，将一片状的聚合物基材施加不高于0.1千克/平方公分的压力并以逐渐升温方式得到一缩合碳化膜。
在本实施例中，是将一片状的聚酰亚胺（polyimide）膜，在氮气环境中以热处理方式进行，以每分钟增温摄氏2度的方式，将聚酰亚胺膜由室温加温至摄氏1000度，并且施加一介于0.01至0.1千克/平方公分之间的压力以得到一碳化膜；需注意的是，在此过程中，聚酰亚胺膜会因为高温而热缩而得到面积变小的碳化膜，且表面为非多孔状，与一般化学沉积法(CVD)或以碳纤维或碳粉为基材所制作的碳化膜的多孔状表面不同。
石墨化步骤102：在惰性气体的环境下，将该缩合的碳化膜继续施加不高于0.1千克/平方公分的压力并逐渐升温以得到一石墨膜11。在本实施例中，是在氩气环境中，将碳化膜由摄氏1000度开始，以摄氏10度/分钟逐渐加温至摄氏2400至3000度之间，借此得到该石墨膜11，该石墨膜11是由多层石墨烯110组成，且一片石墨膜11的厚度I约为0.01mm至0.04mm之间。
压缩定型步骤103：将多数石墨膜11沿一堆叠方向叠合，且在该堆叠方向以一预定压力将这些石墨膜11压缩固定100，令各该石墨膜11的接合强度不低于0.1MPa。
在本实施例中，是将多片的石墨膜11沿着堆叠方向(Z轴)叠合，并施予介于50MPa至100MPa之间的压力将这些石墨膜11压合为该人造石墨散热基板100，经压合后得到的人造石墨散热基板100的厚度II可达到50mm。值得注意的是，各石墨膜11之间是热压结合(非范德华力)，因此接合强度较强，因此无需再以包覆物另外固定，在制作上也可节省生产时间及材料成本。
参阅图3，本实施例的人造石墨散热基板100在应用于对一热源50导热时，人造石墨散热基板100的各该石墨膜11是以平行于堆叠方向的一面直接接触该热源50，然后借由这些石墨膜11的平面方向(X轴-Y轴平面)的高导热系数而可将热源50产生的热能沿着该平面方向传导而达到极佳的散热效果。
以常用的铜材质的散热器为例，其导热系数为400瓦特/公尺·绝对温度左右，本实施例的石墨膜11的平面方向的导热系数为1627瓦特/公尺·绝对温度左右，高于铜材质的导热系数的数倍，证明借由石墨膜11的平面方向的高导热系数，确实可达到较佳的散热效果。
参阅图4，本发明的第二实施例中，人造石墨散热基板100的制作方法类似第一实施例，也包括一碳化步骤201、一石墨化步骤202以及一压缩定型步骤204，不同的是，该石墨化步骤202及该压缩定型步骤204之间还包括一掺杂步骤203，该掺杂步骤203是在如图2的各石墨膜11之间添加片状石墨烯、粉状石墨烯或碳粉(图未示)，或其他类似的同质物来做为各石墨膜11之间的热压合介质；也就是，人造石墨散热基板100还具有压缩定型在各该石墨膜11之间的片状石墨烯层、粉状石墨烯层，或碳粉层。
参阅图5及图6，显示如图2的石墨膜11的多层石墨烯110的层状结构的局部以及局部放大的扫描电子显微照片，值得注意的是，其中的人造石墨的层状结构是非多孔状，相较于一般多孔状的层状结构具有较佳的定向导热效果。
本实施例的石墨膜11经量测后，其平面方向的热扩散率(thermaldiffusivity)为8.75平方公分/秒，密度为2.26克/立方公分及热容值(heatcapacity)为0.823焦耳/克·绝对温度，将前述三个参数相乘得到石墨膜11的平面方向的导热系数为1627瓦特/公尺·绝对温度左右，而石墨膜11的堆叠方向的导热系数则为5瓦特/公尺·绝对温度左右。因此，本方法制作的石墨膜11的平面方向的导热系数为不低于1600瓦特/公尺·绝对温度，且密度不低于2.26克/立方公分。
综上所述，本发明的人造石墨散热基板100及其制作方法，相较于现有制作方法可以简化制程、降低生产成本具有易于加工的综效，且生产制造的人造石墨散热基板100可有效提高导热效果，故确实能达成本发明的目的。
惟以上所述的内容，仅为本发明的较佳实施例而已，应当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种人造石墨散热基板的制作方法，其特征在于：所述人造石墨散热基板的制作方法包括下述步骤：
一碳化步骤，在惰性气体的环境下，将一片状的聚合物基材施加不高于0.1千克/平方公分的压力并以逐渐升温方式得到一缩合碳化膜；
一石墨化步骤，在惰性气体的环境下，将该缩合碳化膜继续施加不高于0.1千克/平方公分的压力并逐渐升温以得到一石墨膜，该石墨膜是由多层石墨烯组成；及
一压缩定型步骤，将多数石墨膜沿一堆叠方向叠合，且在该堆叠方向以一预定压力将所述石墨膜压缩固定，令各该石墨膜的接合强度不低于0.1MPa。
2.根据权利要求1所述的人造石墨散热基板的制作方法，其特征在于：该压缩定型步骤所施加的预定压力是介于50至100MPa之间。
3.根据权利要求2所述的人造石墨散热基板的制作方法，其特征在于：该碳化步骤及该石墨化步骤所施加的压力是介于0.01至0.1千克/平方公分之间。
4.根据权利要求3所述的人造石墨散热基板的制作方法，其特征在于：该碳化步骤是以摄氏2度/分钟逐渐加温至摄氏1000度。
5.根据权利要求4所述的人造石墨散热基板的制作方法，其特征在于：该石墨化步骤是由摄氏1000度开始，以摄氏10度/分钟逐渐加温至摄氏2400至3000度之间。
6.一种人造石墨散热基板，用于对一热源导热，其特征在于：该人造石墨散热基板包括沿一堆叠方向压缩固定成型而使彼此间具有预定接合强度不低于0.1MPa的多数石墨膜，各该石墨膜具有多层石墨烯，且该人造石墨散热基板是以所述石墨膜平行于该堆叠方向的一面接触该热源。
7.根据权利要求6所述的人造石墨散热基板，其特征在于：人造石墨散热基板还具有压缩定型在各该石墨膜之间的片状石墨烯层、粉状石墨烯层，或碳粉层。
8.根据权利要求6所述的人造石墨散热基板，其特征在于：该石墨膜的平面方向的导热系数为不低于1600瓦特/公尺·绝对温度。
9.根据权利要求6所述的人造石墨散热基板，其特征在于：该石墨膜的密度为不低于2.26克/立方公分。
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