CN104972708A - 一种吸波散热双功能复合装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明要求保护一种吸波散热双功能复合装置及其制造方法，该装置包括：具有电磁波吸收功能的磁性颗粒填充聚合物的柔性吸波膜、具有散热和电磁波反射功能的石墨膜、金属过渡层、具有储热和散热功能的金属导热层。该制造方法包括以下步骤：准备石墨膜材料，将其附着在带粘性的PET、PP或PE塑料膜上；在石墨膜的另一面通过气相法制备金属过渡薄层；在金属过渡层表面通过电镀或喷涂的方法获得金属导热层；准备磁性颗粒、聚合物粘结剂和溶剂组成的浆料，通过采用压膜、旋涂、带涂、印刷、喷涂或滚涂方式在上述石墨膜的另一表面制成磁性颗粒填充聚合物的吸波膜，其表面电阻为106~108Ω/□。

Description

一种吸波散热双功能复合装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及电磁领域，尤其是涉及一种吸波散热双功能复合装置及其制造方法。

背景技术

随着信息技术的发展，智能电子设备极大的丰富了人们的生活需求，带来了各种各样的便利，但与此同时，也不可避免的带来了一些问题，尤其是电磁兼容问题。电磁干扰的存在往往使电子电气设备或系统不能正常工作，性能降低，甚至受到损坏。以智能手机为例，目前市场上的智能机往往同时集成有GSM移动通讯、蓝牙、Wi-Fi、摄像头、MP4多媒体等功能，这使得手机的工作频率越来越高，系统内部各个子模块之间的互相干扰变得很突出。同时也有研究表明无线通讯终端的电磁辐射会对人体健康造成不利的影响。此外，由于多功能化、集成化和高频化的影响，目前智能电子终端的发热量很大，而且热量通常是集中在某个小范围内，导致局部温升过快，从而影响机器的故障率。

基于以上情况，如何有效地解决电子产品的电磁兼容问题和散热问题成为电子产品设计工程师必须给与重视的问题。而由于消费类电子产品的便携化、小巧化、多通信系统融合和智能化的趋势，使得在设计电子产品时，一些传统的方法无法应用，比如：使用全封闭的金属外壳，各系统模块之间保持足够远的距离，产品内使用屏蔽罩，使用有厚重的金属箔，使用大面积的石墨散热膜等。磁性颗粒填充聚合物吸波膜由于其“轻”和“薄”的特点，使其成为设计者解决电磁干扰的必然选择。然而，由于空间的限制，不可能使用厚度较大的吸波膜，但如果厚度达不到要求，又无法对电磁波产生有效的吸收，这就形成了矛盾。此外磁性吸波膜吸收电磁波能量以后将其转化成热能，新热量的增加对本身就需要散热的电子器件来说无疑是负面的影响。为了降低温度，有设计者提出吸波膜和石墨膜贴合在一起的技术方案，然而石墨膜虽然具有高的热导率，能解决x-y平面内的热量分布不均匀的问题，但其厚度和密度都不大，无法存储和传输更多的热量而实现明显的降温。另外，吸波膜和石墨膜之间的一般采用双面胶贴合的方式，因为双面胶有较高的热阻，也影响了石墨膜和吸波膜之间热量的传输。因此，为智能电子产品寻找一种技术方案能够同时有效解决电磁波干扰和工作环境温度偏高的问题显得尤为重要。

发明内容

本发明提供了一种吸波散热双功能复合装置，该装置包括：具有电磁波吸收功能的磁性颗粒填充聚合物的柔性吸波膜、具有散热和电磁波反射功能的石墨膜、金属过渡层、具有储热和散热功能的金属导热层。

进一步，按照电磁波入射方向四层膜的排序依次是：吸波膜、石墨膜、金属过渡层、金属导热层。

进一步，各层之间的连接无任何介质。

进一步，吸波膜是其由磁性颗粒填充聚合物复合而成，单分散的磁性颗粒通过聚合物粘结在一起，其表面电阻在106 Ω/□以上。

进一步，石墨膜为天然石墨膜或人工合成石墨膜，其表面电阻在200 mΩ/□以内，电导率在104 S/m以上，可对入射其表面的电磁波形成有效的反射，引发磁性颗粒的二次磁损耗。

进一步，金属过渡层为Cu、Al、Ni、Zn、Au、Ag、Fe或Ti金属或其合金，其厚度小于100 nm，且与石墨膜相互附着。

进一步，金属导热层为Cu、Al、Ni、Zn、Au、Ag、Fe或Ti金属或其合金，其厚度大于15 μm。

本发明还提供了一种吸波散热双功能复合装置的制造方法，其包括以下步骤：

（1）准备石墨膜材料，将其附着在带粘性的PET、PP或PE塑料膜上；

（2）在石墨膜的另一面通过气相法制备金属过渡薄层；

（3）在金属过渡层表面通过电镀或喷涂的方法获得金属导热层；

（4）准备磁性颗粒、聚合物粘结剂和溶剂组成的浆料，通过采用压膜、旋涂、带涂、印刷、喷涂或滚涂方式在上述石墨膜的另一表面制成磁性颗粒填充聚合物的吸波膜，其表面电阻为106 ~ 108 Ω/□。

 

本发明的一个目的是构筑一种由四层结构组成的电磁波吸收体，使其在较薄的情况下对电磁波形成有效的吸收。

本发明的另一个目的是构筑的复合体兼具散热的功能，对改善电子元器件的工作环境温度提供有利的帮助，这对超薄化和高频化的智能终端电子消费品来说十分重要。

本发明的又一个目的是提供一种获得四层结构吸波散热双功能复合体的方法。

 

附图说明

图1是根据本发明的双功能复合装置的实施例1的截面图。

图2 是实施例1所示装置的电磁波吸收图谱。

图3是比较例1中采用胶带贴合的吸波膜-石墨膜-金属导热层复合装置的截面图。

图4是比较例2中采用胶带贴合的吸波膜-石墨膜复合装置的截面图。

图5 是实施例1、比较例1和比较例2中多层复合装置在商业手机中应用后评估散热效果的温度分布图。

图6 是根据发明的双功能复合装置的实施例2的电磁波吸收图谱。

图7 是实施例2中所示装置的在商业手机中应用后评估散热效果的温度分布图。

图8 是比较例3无金属过渡层且无胶带的吸波膜-石墨膜-金属导热层三层结构复合装置的截面图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

本发明所涉及的复合装置包括具有电磁波吸收功能的柔性磁性颗粒填充聚合物的吸波膜、具有散热和电磁波反射功能的石墨膜、为改善机械强度而设计的金属过渡层、具有储热和散热功能的金属导热层。

根据入射面方向的顺序，本发明所述的第一层为磁性颗粒填充聚合物的柔性吸波膜。此类吸波膜通过磁损耗的方式来吸收电磁波，依据磁性颗粒组成种类的不同对不同频率范围的电磁波产生吸收，且吸收的效果随着薄膜的厚度和填充比而变化。在薄型化设计的趋势下，厚度小且吸收效果好的材料无疑是受到青睐的，但材料通常对电磁波的吸收是有极限的，此时如何增加电磁波在吸收体内的有效传输距离是解决问题的一种办法。本发明提出增加一层石墨膜（第二层）在吸波膜入射面的另一侧，一是利用其良好的导电性能（导电率可高达104 S/cm），可对进入其自身的电磁波产生明显的电阻损耗；二是由于其表面电阻在10 ~ 200 mΩ/□之间，可形成对电磁波的有效反射，引发磁性颗粒填充聚合物膜的二次磁损耗吸收，也就是等同增加了电磁波的传输距离；三是石墨膜本身的x-y平面内的热导率良好（人工合成石墨膜热导率可接近2000 W/mK），可以将产生的热量快速扩散传输到外部元件。然而，石墨材料的密度（1.9 ~ 2.3 g/cm3）和厚度（通常小于70 μm，对于人工石墨膜而言，厚度越大相应地密度越小）决定了其只能起均热功能，而无法大量储热后传输到外部形成有效降温。将石墨膜与金属膜贴合在一起似乎可以解决上述问题，因为金属具有大的比重，大的比热容和热导率。然而传统的双面胶贴合的方式会因双面胶热阻的影响散热效果。为了解决这个问题，本发明在石墨膜的一侧通过气相沉积法获得厚度很薄（小于100 nm）的金属过渡层（第三层），通过物理气相沉积或化学气相沉积，尤其是真空高温高能粒子的轰击下，惰性的石墨表面可以附着上牢固的金属层。考虑到生产经济效益的问题，该薄层不宜太厚，只能作为过渡层使用，而起到热传输功能的金属导热层（第四层）可以采用其它低成本的办法在金属过渡层表面获得。如通过电镀的方法，可以获得厚度在25 μm以上的镀层。

依据每层材料的特性不同和其制备工艺的特点，本发明中四层结构波吸散热双功能复合体的制造方法包括：（1）准备石墨膜材料，由于石墨膜与生俱来的柔软性的特点，需要将其附着在带粘性的PET、PP或PE等塑料膜上以增加其机械强度。（2）在石墨膜的另一面通过气相法制备金属过渡薄层。（3）在金属过渡层表面通过电镀或喷涂的方法获得金属导热层。（4）准备磁性颗粒、聚合物粘结剂和溶剂组成的浆料。通过采用压膜、旋涂、带涂、印刷、喷涂或滚涂等方式在上述石墨膜的另一表面制成磁性颗粒填充聚合物的吸波膜，其表面电阻为106 ~ 108 Ω/□。其中步骤3和4顺序可互换。

本发明所述的磁性颗粒包括但不限于球形、方形、片形、针状、纤维状或其它不规则形状。所述磁性材料包括但不限于（1）软磁合金，如铁、钴、镍、铌、铬等金属及其合金；（2）铁氧体，如锰锌系，镍锌系；（3）碳化硅；（4）导电纤维；（5）石墨颗粒等。所述磁性颗粒粒径大小D50为[1, 300]微米，最好为[20, 80]微米，较好为[1, 20]微米或[80, 300]微米。D50的测试方法为激光粒度法，其范围区间用[a, b]表示，其中a为D50下限值，b为D50上限值，

本发明所述的吸波膜内的聚合物粘结剂为热塑性聚合物，包括但不限于：聚酯类树脂、聚乙烯树脂、聚氯乙烯树脂、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、尼龙、环氧树脂、聚丙烯酸类树脂、聚氨酯树脂、聚乙烯醇缩丁醛树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、纤维类树脂、腈基丁二烯类橡胶、苯乙烯丁二烯类橡胶、丁基橡胶、氯化聚乙烯橡胶、乙烯丙烯橡胶、丁腈橡胶、聚硫化物、硅橡胶、天然橡胶等。然而，最适合的材料要依据复合薄膜的具体用途和制造装置的不同来选择确定。

本发明所述的溶剂可以是水、甲苯、环己酮、环己烷、乙酸乙酯、二甲苯等或其至少两种的组合。

本发明所述的石墨膜，可以是天然石墨膜或人工合成石墨膜，二者区别在于人工合成的石墨膜较天然石墨膜具有4倍高的热导率，且具有更好的抗弯折性。石墨膜的厚度在10 μm到200 μm之间。就人工合成石墨膜而言，厚度越薄热导率和电导率也越大。

本发明所述的金属过渡层与石墨膜有良好的附着力，其组成包括但不限于Cu、Al、Ni、Zn、Au、Ag、Fe、Ti等及其合金，厚度小于100 nm。其制备方法优选真空高温高能粒子轰击环境下的镀膜方法，如磁控溅射镀膜、离子镀膜、脉冲激光沉积。

本发明所述的金属导热层的组成包括但不限于Cu、Al、Ni、Zn、Au、Ag、Fe、Ti等及其合金，厚度要求在15 μm以上。其制备方法优选液相镀膜方法，如电镀等。

以下将通过具体实施例和附图进一步阐明本发明所述由四层结构组成的波吸散热双功能复合体。

实施例1

依石墨膜、金属过渡层、金属导热层、磁性颗粒填充聚合物吸波膜的制备顺序获得四层结构的复合装置，其截面如图1所示。其中表面层为吸波膜11，往下依次是石墨膜12、金属过渡层13和金属导热层14。具体制备过程如下：选取100 mm x 100 mm大小、厚度为25 μm的人工石墨膜，其表面电阻为0.032 Ω/□，为了增加其机械强度，事先附在带弱粘性的PET胶膜上。采用真空直流磁控溅射的方法，以Cu靶材为原材料制备厚度为20 nm的Cu过渡层。用电镀的方法，以CuSO4为原材料在Cu过渡层表面制备Cu导热层，厚度为52 μm。除去PET胶膜，在石墨膜的另一侧用滚涂的方法获得磁性颗粒填充聚合物吸波膜11。该吸波膜由钼坡莫合金Fe-Ni-Mo和聚乙烯醇缩丁醛粘结剂组成，厚度为0.061 mm。本实施例1复合装置整体厚度为0.138 mm。采用网络矢量分析仪评估获得样品的吸波效果（图2），结果显示该复合体具有良好的电磁波吸收作用。

比较例1

采用粘结胶带（图3中32和34）的办法将吸波膜31、石墨膜33、金属Cu箔35贴合在一起，结果如图3所示。吸波膜31的组成与实施例1中吸波膜的成分相同，厚度为0.061 mm。石墨膜33选用厚度为25 μm表面电阻为0.032 Ω/□的人工合成石墨膜。35层采用厚度为0.050 mm的铜箔。双面胶带采用丙烯酸系列成分，厚度为0.010 mm。比较例1总共厚度为0.156 mm。

比较例2

在比较例1所示结构中，去除金属Cu箔，得到本比较例2，如图4所示。该比较例仅由吸波膜41和石墨膜43通过粘结剂42贴合在一起。其中，吸波膜41的组成与实施例1中吸波膜的成分相同，厚度为0.061 mm。石墨膜43选用厚度为25 μm，表面电阻为0.032 Ω/□的人工合成石墨膜。双面胶带采用丙烯酸系列成分，厚度为0.010 mm。比较例2整体厚度为0.096 mm。

把实施例1、比较例1和比较例2获得的贴片应用于某四核商业智能手机的显示屏幕背部，并在同时充电和播放影音文件的条件下于1小时之后观察屏幕发热情况（环境温度为25摄氏度），由Fluke Ti30热成像仪得到温度分布图，从图中4.7英寸的方形手机上均匀地取9个温度点（a1，a2，a3，b1，b2，b3，c1，c2，c3），分别计算出高温区、中温区和低温区的平均温度a，b和c，然后绘成曲线图，结果如图5所示。从图中可以看出，实施例1对应高温区平均温度是45.3度，而比较例1和比较例2的高温区平均温度分别为46.2度和48.1度，且就整个手机平面而言，实施例1对应的温度分布范围与比较例1和比较例2相比显得更窄，即实施例1对应的温度分布在较宽范围内更均匀，减轻了大量的集中发热的问题。

实施例2

依石墨膜、金属过渡层、金属导热层、吸波膜的制备顺序获得四层结构的复合装置，过程与实施例1相同。其中磁性颗粒填充吸波膜厚度为25 μm，人工石墨膜厚度为10 μm，Cu过渡层厚度为10 nm，Cu导热层厚度15 μm，整体厚度为50 μm。对获得的复合装置进行吸波效果和散热效果评估，结果如图6和图7所示。通过与图2和图5对比分析表明：本发明所述的复合装置在整体厚度仅为0.050 mm时仍同时具有良好的吸波和散热功能。

比较例3

与实施例2相比，比较例3是由三层结构组成的复合体，如图8所示结构为：25 μm厚的吸波膜81，10 μm厚人工石墨膜82和15 μm厚的导热金属层83。导热金属层用电镀的方法直接在石墨膜表面沉积，即比较例3对应的样品无金属过渡层。

采用IPC-TM-650行业标准里2.4.1描述的方法测试实施例2和比较例3导热层金属与石墨膜间的附着力，胶带选择3M的600号压敏胶带。结果表明：有过渡层金属的样品并不被胶带所剥离，而比较例3无过渡金属层，容易被胶带大面积地剥离，即过渡金属层厚度虽然很薄，但却是增强石墨和金属贴合的有效方法，且不增加两者之间的热阻。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种吸波散热双功能复合装置，其特征在于该装置包括：具有电磁波吸收功能的磁性颗粒填充聚合物的柔性吸波膜、具有散热和电磁波反射功能的石墨膜、金属过渡层、具有储热和散热功能的金属导热层。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：：按照电磁波入射方向四层膜的排序依次是：吸波膜、石墨膜、金属过渡层、金属导热层。

3.根据权利要求1或2所述装置，其特征在于：各层之间的连接无任何介质。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：吸波膜是其由磁性颗粒填充聚合物复合而成，单分散的磁性颗粒通过聚合物粘结在一起，其表面电阻在106 Ω/□以上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：石墨膜为天然石墨膜或人工合成石墨膜，其表面电阻在200 mΩ/□以内，电导率在104 S/m以上，可对入射其表面的电磁波形成有效的反射，引发磁性颗粒的二次磁损耗。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：金属过渡层为Cu、Al、Ni、Zn、Au、Ag、Fe或Ti金属或其合金，其厚度小于100 nm，且与石墨膜相互附着。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：金属导热层为Cu、Al、Ni、Zn、Au、Ag、Fe或Ti金属或其合金，其厚度大于15 μm。

8.一种吸波散热双功能复合装置的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）准备石墨膜材料，将其附着在带粘性的PET、PP或PE塑料膜上；

（2）在石墨膜的另一面通过气相法制备金属过渡薄层；

（3）在金属过渡层表面通过电镀或喷涂的方法获得金属导热层；

（4）准备磁性颗粒、聚合物粘结剂和溶剂组成的浆料，通过采用压膜、旋涂、带涂、印刷、喷涂或滚涂方式在上述石墨膜的另一表面制成磁性颗粒填充聚合物的吸波膜，其表面电阻为106 ~ 108 Ω/□。