CN105016707B - 具有高热导率的散热片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有高热导率的散热片及其制造方法。一种具有2.0g/cm3以上的密度和580W/mK以上的面内热导率的散热片，其包含均匀地分散在细石墨粒子之间的炭黑，细石墨粒子与炭黑的质量比是75/25至95/5，并且由槽黑和科琴黑和/或乙炔黑组成的炭黑是通过下列方式制造的：将在有机溶剂中的细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂的分散体涂覆至模的表面，并且将其干燥；烧制得到的含树脂复合材料片以移除有机粘结剂；以及之后按压得到的细石墨粒子和炭黑的复合材料片以使其致密化。

Description

具有高热导率的散热片及其制造方法
发明领域
本发明涉及具有高热导率的散热片，及其制造方法，所述散热片用于有效地使由小型电子设备如笔记本型个人计算机、智能电话、移动电话等中的电子部件等产生的热量散逸。
发明背景
在已经具有越来越高的性能和越来越多的功能的小型电子设备如笔记本型个人计算机、智能电话、移动电话等中，应该密集地安装电子器件如微处理器、成像芯片、存储器等。因此，为了防止因由它们产生的热量而引起的故障，由此类电子器件产生的热量的散逸已经变得越来越重要。
作为用于电子器件的散热片，JP 2006-306068 A公开了一种导热片，其至少包含石墨膜和粘结剂树脂组合物，即反应可固化乙烯基聚合物。石墨膜是(a)通过膨胀法形成的膨胀石墨，或者(b)通过在2400℃以上的温度下热处理聚酰亚胺膜等获得的。膨胀石墨膜是通过下列方式获得的：将石墨浸渍在酸如硫酸等中以形成石墨夹层化合物，热处理石墨夹层化合物以使其发泡，从而将石墨层分离，洗涤得到的石墨粉末以移除酸，并且辊轧得到的薄膜石墨粉末。然而，膨胀石墨膜强度不足。此外，尽管热量散逸高，不利地，通过聚酰亚胺膜等的热处理获得的石墨膜昂贵。
JP 2012-211259 A公开了一种包含石墨块的导热片，其包含多个通过将热分解的石墨片薄切获得的第一石墨块，以及小于第一石墨块的宽度的第二石墨块，至少第一石墨块连接导热片的两个表面。这种导热片是通过下列方式获得的：例如，使第一和第二石墨块与丙烯酸类聚合物和溶剂的混合物共混，并且将得到的共混物挤出。然而，因为树脂的高体积分数，被挤出的导热片不具有足够的热量散逸。
JP 2006-86271 A公开了一种厚达50-150μm的散热片，所述散热片包含通过具有-50℃至+50℃的玻璃化转变温度的有机粘结剂如非晶形共聚酯粘结的石墨，石墨/粘结剂树脂的质量比是66.7/33.3至95/5。这种散热片是通过下列方式制造的：将在有机溶剂中的石墨和有机粘结剂的浆液涂覆至涂有脱模剂的膜的脱模层侧，通过热空气将浆液干燥以移除有机溶剂，并且之后以例如30kg/cm2对其按压。JP 2006-86271 A描述了石墨/有机粘结剂片的按压改善了其热导率。然而，因为这种散热片含有有机粘结剂，其未充分地表现出石墨中固有的高热导率。
JP 11-1621 A公开了包含高度取向的石墨薄片和在压力下聚合的粘结剂聚合物的用于散热器的高热导率、固体复合材料。这种固体复合材料是通过下列方式制造的：将石墨薄片与热固性单体如环氧树脂混合以制备包含至少40体积％的石墨的组合物，并且在足够的压力下压缩组合物的同时使单体聚合以使石墨基本平行地排列。然而，因为这种固体复合材料包含环氧树脂，其不具有足够高的热导率。
JP 2012-136575 A公开了一种传导性散热片，其包含由聚酰胺、丙烯酸类树脂等制成的并且具有约0.1-100μm的平均粒径的有机粒子，具有约10nm至约10μm的平均粒径的传导性无机填料，以及固化树脂如环氧树脂等，有机粒子/无机填料是1000/1至10/1，并且基于总量，无机填料的百分率是5-30重量％。JP 2012-136575 A阐明了作为无机填料的石墨、焦炭、炭黑等，但是在实施例中仅使用了炭黑。此外，这种传导性散热片不具有足够的热量散逸，因为其含有固化树脂。
如上所述，含有石墨或炭黑的常规散热片不具有足够的热量散逸，因为它们还含有粘结剂树脂。尽管提高了热导率，石墨或炭黑的百分率的增加导致较低的片强度，尤其是引起石墨或炭黑容易从散热片脱离的问题。因此，需要具有均匀、高热量散逸以及处理所需的机械性能的廉价散热片。
发明目的
因此，本发明的目的是提供具有高热量散逸以及处理所需的机械性能的廉价散热片，及其制造方法。
发明内容
作为鉴于以上目的进行深入研究的结果，本发明的发明人已经发现：(a)包含均匀地分散在细石墨粒子之间的少量炭黑的散热片具有高热导率，以及足够的用于处理的机械性能，而基本上没有细石墨粒子和炭黑的脱离；(b)这种散热片是通过下列方式获得的：形成包含分散在少量的有机粘结剂中的细石墨粒子和炭黑的片，烧制所述片以移除有机粘结剂；以及按压得到的石墨和炭黑的复合材料片以将其致密化；以及(c)当将槽黑和科琴黑和/或乙炔黑的混合物用作炭黑时，所得到的散热片具有提高的热导率和机械性能。已经基于此类发现完成了本发明。
因此，本发明的散热片具有在其中炭黑均匀地分散在细石墨粒子之间的结构，
细石墨粒子与炭黑的质量比是75/25至95/5；
炭黑由槽黑和科琴黑和/或乙炔黑组成；并且
散热片具有2.0g/cm3以上的密度和580W/mK以上的面内热导率。
槽黑相对于科琴黑和/或乙炔黑的质量比优选为4/1至1/3。
散热片优选具有25-150μm的厚度。
细石墨粒子优选具有3-150μm的平均直径和200nm以上的平均厚度。
炭黑优选具有20-200nm的平均初级粒径。
散热片优选涂布有绝缘树脂层或绝缘塑料膜。
本发明的用于制造以上散热片的方法包括下列步骤：(1)制备细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂在有机溶剂中的分散体，细石墨粒子与炭黑的质量比是75/25至95/5，并且炭黑由槽黑和科琴黑和/或乙炔黑组成；(2)将分散体流延至下模板的腔中，并且之后将其干燥以形成包含细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂的含树脂复合材料片；(3)烧制含树脂复合材料片以移除有机粘结剂，从而形成细石墨粒子和炭黑的复合材料片；以及(4)按压与上模板组合的下模板以使细石墨粒子和炭黑的复合材料片致密。
分散体优选包含总计5-25质量％的细石墨粒子和炭黑，以及0.5-2.5质量％的有机粘结剂。
有机粘结剂相对于细石墨粒子和炭黑的总量的质量比优选为0.01-0.5。
有机粘结剂优选为丙烯酸类树脂、聚苯乙烯树脂或聚乙烯醇。
有机溶剂优选是选自由酮、芳族烃和醇组成的组的至少一种。
优选在550-700℃的温度下进行烧制步骤。
优选在烧制之后逐渐进行1小时以上的冷却直至室温。
优选在将细石墨粒子和炭黑的复合材料片冷却至等于或低于水的凝固点的温度之后，进行按压步骤。
优选在20MPa以上的压力下进行按压步骤。
优选将在下模板腔中形成的含树脂复合材料片在不从下模板剥离的情况下烧制，并且之后用与上模板组合的下模板按压。
优选在室温至200℃的范围内的温度下进行按压步骤。
附图说明
图1是显示由细石墨粒子和炭黑组成的散热片的结构的示意性横截面图。
图2是显示用于确定细石墨粒子的粒径的方法的横截面图。
图3是显示用于由细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂在有机溶剂中的分散体形成含树脂复合材料片并且将其烧制的平面模装置的实例的透视图。
图4是示意性地显示流延至图3中所示的下模板的腔中的分散体的透视图。
图5(a)是显示用于由细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂在有机溶剂中的分散体形成含树脂复合材料片并且将其烧制的平面模装置中的下模板的另一个实例的分解透视图。
图5(b)是显示图5(a)的下模板与上模板的组合的实例的分解透视图。
图6示意性地显示流延在图5(b)的下模板中的分散体的透视图。
图7(a)是显示本发明中可用的平面模装置的另外的实例的分解平面图。
图7(b)是沿着图7(a)的线A-A截取的横截面图。
图7(c)是沿着图7(a)的线B-B截取的横截面图。
图7(d)是沿着图7(a)的线C-C截取的横截面图。
图7(e)是显示构成图7(a)的平面模装置的上模板、中间模板和下模板的组合的分解横截面图。
图7(f)是显示通过在图7(a)的平面模装置中组合下模板和中间模板得到的腔的横截面图。
图8显示流延至图7(f)的腔中并且通过借助刮刀法移除过量的分散体来使厚度均匀的分散体的横截面图。
图9是显示通过将流延至图4的下模板的腔中的细石墨粒子和炭黑在有机溶剂中的分散体干燥获得的含树脂复合材料片以及通过烧制含树脂复合材料片获得的细石墨粒子和炭黑的复合材料片的透视图。
图10是显示在其腔中具有细石墨粒子和炭黑的复合材料片的下模板与上模板的组合的透视图。
图11是显示在平面模装置的腔中的细石墨粒子和炭黑的复合材料片的辊压的部分横截面侧视图。
图12是显示通过从下模板按压获得的散热片的剥离的透视图。
图13是显示散热片的热量散逸测试装置的示意性横截面图。
图14是图13的分解图。
图15是显示设置在热量散逸测试装置中的散热片试样上的温度测量点的平面图。
图16是显示实施例10的散热片中炭黑中槽黑的比率与面内热导率之间的关系的图表。
优选实施方案描述
以下将会参照附图详细解释本发明的实施方案。每个实施方案的解释适用于其他实施方案，除非另外提及。以下解释不是限制性的，而是可以在本发明的范围内做出多种修改。
[1]散热片
如在图1中所示，本发明的散热片1基本上仅由细石墨粒子2和均匀地分散在细石墨粒子2之间的炭黑3组成。术语“基本上仅由……组成”意指通过烧制和按压细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂的复合材料片获得的本发明的散热片1不含有除细石墨粒子和炭黑外的其他组分(除了烧制的残留物之外)。尽管在图1中为了清楚夸大了细石墨粒子2和炭黑3之间的空隙，细石墨粒子2和炭黑3实际上基本无空隙地紧密结合。
(1)细石墨粒子
细石墨粒子具有在其中苯环二维地连接的薄片状或板状的多层结构。因为细石墨粒子具有六边形晶格结构，每个碳原子与三个碳原子结合，用于化学键合的四个外周电子中的一个处于游离状态(自由电子)。因为自由电子可以沿着晶格移动，细石墨粒子具有高热导率。
因为细石墨粒子具有薄片状或板状的形状，其尺寸由其平面的直径表示。因为薄片状的细石墨粒子2具有如在图2中所示的不规则形状的平面等高线，每个细石墨粒子2的尺寸(直径)被定义为具有相同面积S的圆的直径d。因为每个细石墨粒子2的尺寸由直径d和厚度t表示，所使用的细石墨粒子2的平均直径由(Σd)/n表示，其中n表示所测量的细石墨粒子2的数量，并且细石墨粒子2的平均厚度由(Σt)/n表示。可以通过细石墨粒子2的显微照片的图像处理来确定细石墨粒子2的直径d和厚度t。
在本发明中所使用的细石墨粒子2的平均直径优选在3-150μm的范围内。当细石墨粒子2的平均直径小于3μm时，结合的碳原子不足够长，提供具有过小的热导率的散热片1。另一方面，具有大于150μm的平均直径的细石墨粒子2将会使喷涂变得困难。细石墨粒子2的平均直径更优选为5-100μm，进一步优选5-50μm，最优选10-30μm。细石墨粒子2的平均厚度优选为200nm以上，更优选200nm至5μm，最优选200nm至1μm。
(2)炭黑
在本发明中所使用的炭黑3由槽黑和科琴黑和/或乙炔黑构成。槽黑相对于科琴黑和/或乙炔黑的质量比优选为4/1至1/3。在这种质量比范围内，散热片1具有高热导率和良好的机械性能(拉伸强度、可弯曲性和可切割性)。槽黑与科琴黑和/或乙炔黑的更优选的质量比是3/1至1/2。顺便提及，科琴黑与乙炔黑的质量比可以是0％至100％。
炭黑3优选具有20-200nm的平均初级粒径。在炭黑3具有小于20nm的平均初级粒径的情况下，可能出现聚集，使炭黑3均匀分散在细石墨粒子2之间变得困难。具有大于200nm的平均初级粒径的炭黑3太大，以至于不能均匀地分散在细石墨粒子2之间。炭黑3的平均初级粒径更优选为30-100nm，最优选30-80nm。
(3)质量比
细石墨粒子与炭黑的质量比是75/25至95/5。在细石墨粒子与炭黑的以上质量比范围内，可以获得具有高达580W/mK以上的面内热导率和用于处理的足够的机械性能(拉伸强度、可弯曲性和可切割性)的散热片。当细石墨粒子大于95质量％(炭黑小于5质量％)时，其总量是100质量％，不能获得加入炭黑的足够效果。另一方面，当细石墨粒子小于75质量％(炭黑大于25质量％)时，不能获得具有580W/mK以上的面内热导率的散热片。细石墨粒子与炭黑的质量比优选为80/20至95/5，更优选82.5/17.5至90/10。
(4)厚度
为了确保足够的冷却能力(power)，散热片优选厚达25-150μm。当其比25μm薄时，尽管热导率高，散热片具有不足的冷却能力。即使散热片比150μm厚，也不会预期冷却能力的进一步提高。对于实用目的来说，散热片的优选的厚度是40-100μm。
(5)密度
本发明的散热片具有2.0g/cm3以上的密度。因为细石墨粒子具有2.25±0.05g/cm3的密度，本发明的散热片具有十分接近细石墨粒子的密度的密度，从而具有接近石墨的固有热导率的热导率。本发明的散热片的密度优选为2.1-2.25g/cm3。
(6)热导率
如上所述，因为本发明的散热片具有在其中由槽黑和科琴黑和/或乙炔黑组成的炭黑均匀地分散在细石墨粒子之间的结构，并且具有2.0g/cm3以上的密度，其在面内方向上具有580W/mK以上的热导率。在面内方向上的热导率可以被简称为“面内热导率”。“面内方向”是与散热片的表面(XY平面)平行的XY方向，并且“厚度方向”是与XY平面垂直的Z方向。本发明的散热片优选在面内方向上具有620W/mK以上的热导率，并且在厚度方向上具有约10W/mK以上的热导率。
[2]散热片的制造方法
(1)分散体的制备
首先制备细石墨粒子、由槽黑和科琴黑和/或乙炔黑组成的炭黑、和有机粘结剂在有机溶剂中的分散体。因为细石墨粒子容易聚集，优选将细石墨粒子在有机溶剂中的分散体与炭黑在有机溶剂中的分散体和有机粘结剂在有机溶剂中的溶液混合。在以整个分散体为100质量％的情况下，细石墨粒子和炭黑的总量优选为5-25质量％。当细石墨粒子和炭黑的总量小于5质量％时，通过一次操作获得过薄的含树脂复合材料片。另一方面，当细石墨粒子和炭黑的总量大于25质量％时，分散体中细石墨粒子和炭黑的浓度过高，可能引起聚集。细石墨粒子和炭黑的更优选的总量是8-20质量％，只要细石墨粒子与炭黑的质量比在如上所述的75/25至95/5的范围内即可。
有机粘结剂相对于细石墨粒子和炭黑的总量的质量比优选为0.01-0.5。当有机粘结剂/(细石墨粒子+炭黑)的质量比小于0.01时，得到的含树脂复合材料片不是足够完整，使其处理变得困难。当以上质量比大于0.5时，在随后的烧制步骤中将有机粘结剂烧尽花费过多的时间，并且细石墨粒子未充分地取向。有机粘结剂/(细石墨粒子+炭黑)的质量比更优选为0.02-0.3，最优选0.03-0.2。
对在本发明中所使用的有机粘结剂没有特别限制，只要其能够溶解于有机溶剂中以将细石墨粒子和炭黑均匀地分散并且容易通过烧制移除即可。此类有机粘结剂包括，例如，丙烯酸类树脂如聚丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、ABS树脂等。其中，聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯是优选的。
在分散体中使用的有机溶剂优选为能够将细石墨粒子和炭黑充分分散并溶解有机粘结剂并且挥发足以缩短干燥时间的有机溶剂。此类有机溶剂的实例包括酮如甲基乙基酮、脂族烃如己烷、芳族烃如二甲苯、醇如异丙醇等。它们可以单独使用或组合使用。
(2)分散体的流延
(a)第一实例
图3示出了用于流延分散体的平面模装置的第一实例。这种平面模装置10包括具有在相对的侧面之间延伸的扁平腔11a的下模板11，以及具有带有与腔11a的互补形状的突起12a的上模板12。因为在本发明中所使用的分散体D比较粘，可以如在图4中所示用具有两个开口端的腔11a将其流延为基本上矩形的形状。可以通过刮刀法使流延的分散体D的厚度均匀。
(b)第二实例
图5(a)和5(b)示出了平面模装置的第二实例。这种平面模装置20中的下模板21包括具有矩形、扁平凹槽23的下模板主体22，以及在一侧置于凹槽23中的板构件24。板构件24具有与凹槽23的深度相同的厚度，并且在凹槽23的侧表面的一侧上设置有缺口24a。如在图5(b)中所示，将板构件24置于下模板主体22的凹槽23中以形成腔25。如在图5(b)中所示，上模板26具有与腔25互补的突起26a。在将分散体D流延至下模板21的腔25中之后，通过刮刀法移除过量的分散体以具有如在图6中所示的均匀厚度。因为板构件24具有缺口24a，可以使用工具容易地将其从凹槽23中取出。因此，可以通过移除板构件24容易地将最终获得的细石墨粒子和炭黑的复合材料片C从腔25中取出。
(c)第三实例
图7(a)-7(f)示出了平面模装置的第三实例。这种平面模装置30包括在一个表面上具有多个扁平矩形突起31a的上模板31，扁平下模板32，和置于下模板32上的中间模板33。中间模板33具有多个矩形开口33a，其各自具有与上模板31的矩形突起31a的形状互补的形状。下模板32在四个角处具有定位针32a，并且上模板31和中间模板33具有用于接收在四个拐角处的定位针32a的孔31b、33b。如在图7(e)和7(f)中所示，将扁平下模板32的针32a插入至中间模板33的孔33b中，并且当将中间模板33置于下模板32的上表面时，中间模板33的每个开口33a构成腔。图8示出了流延至由下模板32和中间模板33形成的每个腔中的分散体D，通过借助刮刀法移除过量的分散体使其厚度变得均匀。第三实例是高效的，因为由一个模板同时形成多个散热片。在每个腔与散热片的最终形状相对应的情况下，可以高效地制造散热片。
(3)分散体的干燥
在下模板的腔中的分散体D可以自发地或通过加热干燥，以缩短干燥时间。可以根据所使用的有机溶剂的沸点确定加热温度。例如，当使用二甲苯和异丙醇的混合溶剂或者甲基乙基酮时，加热温度优选为30-100℃，更优选40-80℃。如在图9中所示，分散体D的干燥提供了附着至下模板11的腔11a的含树脂复合材料片R。
(4)烧制
为了移除有机粘结剂，优选在炉(未示出)中烧制含树脂复合材料片R，而不将其从下模板11的腔11a中移除。炉可以是电炉、煤气炉、或在其中在带式传送机上运送下模板11中的含树脂复合材料片R的连续式炉。在连续式炉的情况下，优选将渐冷炉放置在连续式炉的末端，以确保稍后描述的逐渐冷却。
烧制温度优选为550-750℃。当烧制温度低于550℃时，有机粘结剂的移除花费过多的时间，并且得到的散热片不能具有足够高的热导率。另一方面，当烧制温度高于750℃时，炭黑可以被至少部分地烧尽，得到具有不足的热导率的散热片。优选的烧制温度是600-700℃。
含树脂复合材料片R优选在足够含有氧的气氛中，例如，在空气中烧制。在含氧气氛(空气)中，有机粘结剂迅速被烧尽而未留下碳化的粘结剂。然而，在惰性气体如氮气中烧制易于使有机粘结剂碳化，使得散热片具有低热导率。气氛中的氧含量优选为10％以上，更优选15％以上。
尽管可根据烧制温度变化，含树脂复合材料片R在含氧气氛中在以上温度范围内的烧制时间通常为5-30分钟。烧制时间是在其中将含树脂复合材料片R维持在烧制温度下的时间段，而不包括温度升高时间和冷却时间。当烧制时间小于5分钟时，有机粘结剂未被完全烧尽。当烧制时间大于30分钟时，炭黑过度暴露于高温，从而炭黑可以被至少部分地烧尽，得到具有不足的热导率的散热片。优选的烧制时间是7-15分钟。温度升高时间优选为10-30分钟。
(5)冷却
优选将通过烧制形成的细石墨粒子和炭黑的复合材料片C在炉中逐渐冷却。已经发现，当将细石墨粒子和炭黑的复合材料片C在炉外静置冷却时，得到的散热片倾向于具有低热导率。优选将细石墨粒子和炭黑的复合材料片C在炉中逐渐冷却1小时以上。冷却速度优选为15℃/分钟以下，更优选10℃/分钟以下。因此，冷却时间优选为1小时以上。
已经发现，当在按压前将细石墨粒子和炭黑的复合材料片C冷却至等于或低于水的凝固点的温度时，散热片在宽的炭黑含量范围内表现出高热导率。冷却温度可以为0℃以下，并且优选为-5℃以下。当冷却至等于或低于水的凝固点的温度时，空气中的水分可能会在复合材料片C上冻结。因此，优选在干燥气氛中进行冷却。对冷却时间没有特别限制，但是可以为10分钟以上。
(6)按压
如在图10中所示，通过使下模板11与上模板12组合来按压通过烧制附着至下模板11的腔11a的含树脂复合材料片R获得的细石墨粒子和炭黑的复合材料片C，使得将上模板12的突起12a按压至下模板11的腔11a中的复合材料片C上。可以通过按压装置，或者如在图11中所示通过一对辊40、40在复合材料片C被下模板11和上模板12夹在中间的情况下，按压下模板11和上模板12。向下模板11和上模板12施加的压力优选为20MPa以上。按压不限于一次，而是可以进行多次。可以在室温下或者在至多200℃的高温下进行按压以增加按压效率。
在按压期间，优选通过辊40使下模板11和上模板12振动。即使在相同的压力下，振动也促进细石墨粒子和炭黑的复合材料片C的致密化。振动频率可以为约100-500Hz。可以通过振动电动机加入振动。
如在图12中所示，将通过按压细石墨粒子和炭黑的复合材料片C获得的散热片1从下模板11剥离。因为炭黑3在细石墨粒子2之间的均匀分散和由按压引起的致密化，当从下模板11剥离时，散热片1既不损坏也不破裂。因此获得的散热片1具有足够的可弯曲性，从而即使当以2cm的曲率半径弯曲至例如90°时，其也不损坏或断裂。
(7)散热片的切割
当通过以上处理形成大型散热片1时，应该将其切割为适当的尺寸，从而可以将其连接至小型电子设备。另一方面，当形成具有使用尺寸的散热片1时，仅需要修整其外周部分。因为炭黑3在细石墨粒子2之间的均匀分散，通过常规切割器切割的本发明的散热片1具有锋利的切割表面，而不是粗糙的。
(8)散热片的表面涂布
包含细石墨粒子和炭黑的本发明的散热片1优选涂布有绝缘树脂或塑料膜，以防止细石墨粒子和炭黑的脱离并且实现表面绝缘。绝缘树脂优选为可溶于有机溶剂的热塑性树脂，例如，丙烯酸类树脂如聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚氨酯等。绝缘塑料膜可以由下列各项制成：聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯、聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺如尼龙、聚酰亚胺等。绝缘塑料膜优选具有热密封层。只要表现出防止细石墨粒子和炭黑的脱离以及增加绝缘的功能，绝缘树脂涂层和绝缘塑料膜的厚度可以为数微米至约20μm。可以优选在将散热片1切割为所需尺寸之后进行表面涂布，以确保防止细石墨粒子和炭黑从散热片1的切割表面脱离。
[3]热量散逸测试
可以通过图13和14中所示的装置50进行本发明的散热片的热量散逸测试。这种热量散逸测试装置50包括具有环形凹槽52的热绝缘、电绝缘平台51，收纳在环形凹槽52中的环形板加热器53，与加热器53的下表面连接的温度测量热电偶54，与加热器53和温度测量热电偶54连接的温度控制器55，以及覆盖置于平台51上的散热片1的50mm x 100mm的试样56的1mm厚的丙烯酸类板(100mm x 100mm)57，位置是使得加热器53位于丙烯酸类板57的中心处。试样56在图15中所示的位置具有九个温度测量点t0-t8，在点t0处测量的温度是最高温度(Tmax)，在点t1-t4处测量的温度的平均值是中间温度(Tm)，在点t5-t8处测量的温度的平均值是最低温度(Tmin)，并且Tm和Tmin的平均值是平均温度(Tav)。
以下将会利用实施例更详细地解释本发明，而并非意在将本发明限制于此。
实施例1
将总计100质量份的85质量％的细石墨粒子(可从Nippon Graphite IndustriesLtd.获得的UP-35N，灰分：小于1.0％，平均尺寸：25μm)、10质量％的槽黑(平均初级粒径：42nm)和5质量％的科琴黑(EC600JD，平均初级粒径：34nm，孔隙率：80％)与10质量份的作为有机粘结剂的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和600质量份的作为有机溶剂的二甲苯/异丙醇(质量比：6/4)的混合溶剂混合，以制备细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂在有机溶剂中的分散体(粘度：1200cP)。分散体的组合物包含12.0质量％的细石墨粒子、1.4质量％的槽黑、0.7质量％的科琴黑、1.4质量％的有机粘结剂、和84.5质量％的有机溶剂。
将这种分散体流延至图3中所示的SUS制成的平面模装置10中下模板11的1mm深的腔11a中，并且通过刮刀法使其具有与腔11a的深度相同的厚度。分散体D自发干燥30分钟以形成含树脂复合材料片R。
将保持在下模板11中的含树脂复合材料片R引入至电炉中，并且在650℃下在空气气氛中烧制10分钟以移除有机粘结剂。将得到的细石墨粒子和炭黑的复合材料片C在电炉中在约3小时的时间内逐渐冷却。
在腔11a中含有细石墨粒子和炭黑的复合材料片C的下模板11与具有与下模板11互补的形状的上模板12组合，从而如在图10中所示，上模板12的突起12a与细石墨粒子和炭黑的复合材料片C接触，并且如在图11中所示，使其通过以30cm/分钟的圆周速度旋转的一对辊40、40之间的间隙4次，从而每次以20MPa以上的线压力按压细石墨粒子和炭黑的复合材料片C。
在按压之后，可以在没有损坏的情况下从下模板11的腔11a中取出散热片1。因此获得的散热片1具有70μm的厚度和2.17g/cm3的密度。从这种散热片1切下50mm x 100mm的试样，并且设置在图13-15中所示的装置中以在室温下(26.1℃)进行热量散逸测试。在72℃(热点)下通过2.48W的陶瓷加热器53(50mm x 50mm)加热试样。在达到平衡状态之后，在散热片试样的每个点的温度如下：
t0：48.8℃，
t1：44.7℃，
t2：44.3℃，
t3：44.6℃，
t4：43.8℃，
t5：42.5℃，
t6：42.2℃，
t7：39.8℃，以及
t8：39.9℃。
因此，最高温度Tmax是48.8℃(热点)，中间温度Tm是(44.7℃+44.3℃+44.6℃+43.8℃)/4＝44.4℃，最低温度Tmin是(42.5℃+42.2℃+39.8℃+39.9℃)/4＝41.1℃，并且平均温度Tav是(Tm+Tmin)/2＝42.8℃。
散热片1的热导率(W/mK)作为通过激光闪光法测量的热扩散系数(m2/s)与热容量的积(密度x比热)计算。比热被认为是750。作为结果，散热片1在面内方向上的热导率是660W/mK，并且在厚度方向上是10W/mK。
当将这种散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，没有损坏出现。通过剪子切割的散热片1具有无细石墨粒子和炭黑脱离的清晰的切割表面。
实施例2
除了使用具有85nm的平均初级粒径的槽黑和具有40nm的平均初级粒径和60％的孔隙率的科琴黑(EC300J)作为炭黑之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有600W/mK的面内热导率。当将这种散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，没有损坏出现。通过剪子切割的散热片1具有无细石墨粒子和炭黑脱离的清晰的切割表面。
实施例3
除了使用具有85nm的平均初级粒径的槽黑代替具有42nm的平均初级粒径的槽黑之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有610W/mK的面内热导率。当将这种散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，没有损坏出现。通过剪子切割的散热片1具有无细石墨粒子和炭黑脱离的清晰的切割表面。
实施例4
除了将科琴黑的量改变为3质量％之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有640W/mK的面内热导率。当将这种散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，没有损坏出现。通过剪子切割的散热片1具有基本上无细石墨粒子和炭黑脱离的接近清晰的切割表面，其比实施例1的表面差。
实施例5
除了将槽黑的量改变为15质量％之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有590W/mK的面内热导率。当将这种散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，没有损坏出现。通过剪子切割的散热片1具有无细石墨粒子和炭黑脱离的清晰的切割表面。
实施例6
除了将科琴黑的量改变为10质量％之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有580W/mK的面内热导率。当将这种散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，没有损坏出现。通过剪子切割的散热片1具有无细石墨粒子和炭黑脱离的清晰的切割表面。
实施例7
除了将槽黑的量改变为5质量％并且将科琴黑的量改变为10质量％之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有630W/mK的面内热导率。当将这种散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，没有损坏出现。通过剪子切割的散热片1具有无细石墨粒子和炭黑脱离的清晰的切割表面。
实施例8
除了将槽黑的量改变为5质量％并且将科琴黑的量改变为3质量％之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有650W/mK的面内热导率。当将这种散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，没有损坏出现。通过剪子切割的散热片1具有基本上无细石墨粒子和炭黑脱离的接近清晰的切割表面，其比实施例1的表面差。
实施例9
除了使用具有48nm的平均初级粒径的乙炔黑代替科琴黑之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有630W/mK的面内热导率。当将这种散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，没有损坏出现。通过剪子切割的散热片1具有基本上无细石墨粒子和炭黑脱离的接近清晰的切割表面，其比实施例1的表面差。
比较例1
除了仅使用15质量％的具有42nm的平均初级粒径的槽黑作为炭黑之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有640W/mK的面内热导率。然而，当将这种散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，损坏有时出现。
比较例2
除了仅使用15质量％的具有34nm的平均初级粒径的科琴黑作为炭黑之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有610W/mK的面内热导率。散热片1不具有处理所需的强度，尽管当将其以2cm的曲率半径弯曲至90°时没有损坏出现。
比较例3
除了将槽黑的量改变为20质量％并且将科琴黑的量改变为10质量％之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。散热片1具有低至550W/mK的面内热导率。
关于实施例1-9和比较例1-3的散热片，在表1中示出了组成和热导率。
表1
注释：(1)槽黑。
(2)科琴黑。
(3)乙炔黑。
常规实施例1
在厚达70μm的石墨片PGS(可从Panasonic Corporation获得)上进行与在实施例1中相同的热量散逸测试。作为结果，在散热片的试样的每个点的温度如下：
t0：48.4℃，
t1：44.3℃，
t2：43.9℃，
t3：44.2℃，
t4：43.4℃，
t5：40.1℃，
t6：38.0℃，
t7：38.7℃，以及
t8：36.8℃。
因此，最高温度Tmax是48.4℃(热点)，中间温度Tm是(44.3℃+43.9℃+44.2℃+43.4℃)/4＝44.0℃，最低温度Tmin是(40.1℃+38.0℃+38.7℃+36.8℃)/4＝38.4℃，并且平均温度Tav是(Tm+Tmin)/2＝41.2℃。与实施例1的比较显示，在最高温度Tmax、最低温度Tmin和平均温度Tav中的任一个，常规实施例1的石墨片比实施例1的石墨片差。
实施例10
除了改变炭黑中槽黑的比率(质量％)之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。图16示出了热导率和散热片1中槽黑的比率之间的关系。从图16清楚的是，较高的槽黑比率提供较高的热导率。然而，当炭黑仅由槽黑组成时，当以2cm的曲率半径弯曲至90°时散热片1损坏。这表示炭黑应该不仅由槽黑组成而且还由科琴黑(和/或乙炔黑)组成。
实施例11
除了在烧制含树脂复合材料片R之后在-5℃下进行冷冻30分钟之外，以与在实施例1中相同的方式制造散热片1。得到的散热片1具有比实施例1的面内热导率高的面内热导率。当将实施例11的散热片1以2cm的曲率半径弯曲至90°时，与在实施例1一样，没有损坏出现。与在实施例1中一样，通过剪子切割的散热片1具有无细石墨粒子和炭黑脱离的清晰的切割表面。
发明效果
因为本发明的散热片具有在其中炭黑均匀地分散在细石墨粒子之间的结构，细石墨粒子与炭黑的质量比是75/25至95/5，并且炭黑由槽黑和科琴黑和/或乙炔黑组成，其具有2.0g/cm3以上的密度和580W/mK以上的面内热导率。此外，因为由细槽黑和细科琴黑和/或乙炔黑组成的炭黑均匀地分散在细石墨粒子之间，本发明的散热片具有均匀的热导率以及足够的用于处理的机械性能。这种均匀的、高密度散热片是通过下列方式获得的：由包含细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂的分散体形成包含均匀分散的细石墨粒子和炭黑的含树脂复合材料片，烧制含树脂复合材料片以移除有机粘结剂，并且之后对其按压以使其致密化。
因为本发明的散热片是通过涂覆、烧制和按压包含细石墨粒子和炭黑的相对廉价的材料的低成本工艺制造的，有利地，其是廉价的，具有高达580W/mK以上的面内热导率和足够的用于处理的机械性能。具有这种特征的本发明的散热片适用于小型电子设备如笔记本型个人计算机、智能电话、移动电话等。

Claims (16)

1.一种散热片，所述散热片是通过烧制包含细石墨粒子、炭黑以及有机粘结剂的复合材料片后按压得到的细石墨粒子和炭黑的复合材料片以将其致密化而获得的，其特征在于，
除了烧制的残留物之外，所述散热片仅含有细石墨粒子和均匀地分散在细石墨粒子之间的炭黑，
细石墨粒子与炭黑的质量比是75/25至95/5；
所述炭黑由槽黑以及科琴黑和乙炔黑中的至少一种组成；
所述细石墨粒子具有3-150μm的平均粒径以及200nm以上的平均厚度，并且
所述散热片具有2.0g/cm3以上的密度和580W/mK以上的面内热导率。
2.根据权利要求1所述的散热片，其中槽黑相对于科琴黑和/或乙炔黑的质量比是4/1至1/3。
3.根据权利要求1所述的散热片，所述散热片具有25-150μm的厚度。
4.根据权利要求1所述的散热片，其中所述炭黑具有20-200nm的平均初级粒径。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的散热片，所述散热片涂布有绝缘树脂层或绝缘塑料膜。
6.一种用于制造根据权利要求1至5中任一项所述的散热片的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：(1)制备一种有机溶剂分散体，所述有机溶剂分散体含有细石墨粒子、炭黑以及有机粘结剂，并且所述细石墨粒子与所述炭黑的质量比是75/25至95/5，所述炭黑由槽黑以及科琴黑和乙炔黑中的至少一种组成，并且所述细石墨粒子具有3-150μm的平均粒径以及200nm以上的平均厚度；(2)将所述分散体流延至下模板的腔中，并且之后将其干燥以形成包含所述细石墨粒子、所述炭黑和所述有机粘结剂的含树脂复合材料片；(3)烧制所述含树脂复合材料片以移除所述有机粘结剂，从而形成细石墨粒子和炭黑的复合材料片；以及(4)按压与上模板组合的所述下模板以使所述细石墨粒子和炭黑的复合材料片致密化。
7.根据权利要求6所述的用于制造散热片的方法，其中所述分散体包含总计5-25质量％的细石墨粒子和炭黑，以及0.5-2.5质量％的有机粘结剂。
8.根据权利要求6所述的用于制造散热片的方法，其中所述有机粘结剂相对于所述细石墨粒子和所述炭黑的总量的质量比是0.01-0.5。
9.根据权利要求6所述的用于制造散热片的方法，其中所述有机粘结剂是丙烯酸类树脂、聚苯乙烯树脂或聚乙烯醇。
10.根据权利要求6所述的用于制造散热片的方法，其中所述有机溶剂是选自由酮、芳族烃和醇组成的组中的至少一种。
11.根据权利要求6所述的用于制造散热片的方法，其中在550-700℃的温度下进行所述烧制步骤。
12.根据权利要求6所述的用于制造散热片的方法，其中在烧制之后逐渐进行1小时以上的冷却直至室温。
13.根据权利要求6所述的用于制造散热片的方法，其中在将所述细石墨粒子和炭黑的复合材料片冷却至等于或低于水的凝固点的温度之后，进行所述按压步骤。
14.根据权利要求6所述的用于制造散热片的方法，其中在20MPa以上的压力下进行所述按压步骤。
15.根据权利要求6所述的用于制造散热片的方法，其中将在所述下模板腔中形成的所述含树脂复合材料片在不从所述下模板剥离的情况下烧制，并且之后用与所述上模板组合的所述下模板按压。
16.根据权利要求6-15中任一项所述的用于制造散热片的方法，其中在室温至200℃的范围内的温度下进行所述按压步骤。
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