CN105609476B - 一种天然石墨/金属层复合散热片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然石墨/金属层复合散热片，包括：金属层和分布在金属层上下面的天然石墨层，所述金属层上均匀分布有多个圆孔，圆孔直径为0.2～0.6mm，圆孔之间的孔距为0.4～1.0mm，所述圆孔的孔边分布有向上或向下的毛刺，所述天然石墨层通过毛刺咬合与金属层，所述圆孔内填满天然石墨，复合散热片的厚度为18微米～2000微米。通过上述方式，本发明即是很好的导热载体，导热效果好，也具有很强的电磁屏蔽功能。
Description
技术领域
本发明涉及电子产品中发热组件的散热及电磁屏蔽领域，特别是涉及一种天然石墨/金属层复合散热片及其制备方法。
背景技术
现有技术中，随着研发的手机、平板计算机、或笔记本计算机及电视的需求量及显示屏使用量增加，显示屏高亮度的需求使发光二极管使用量增加, 为提高各种电子产品的运行速度，目前各种电子产品中CPU因高速运行会散发出大量的热，也加大了设备的发热量，同时电池电量消耗增加，电池容量也跟着提高，使得显示器设备因耗能加大而发热更多，如不能有效控制发热,高温不仅使CPU运转出问题或丧失功能，也会使发热设备使用寿命缩短。同时现今显示器设备功能增多,使用零件也多样化,数量多而体积更小，显示设备的可用空间越感不足，各组件的距离更近，容易发生干扰。
当人工石墨因厚度的问题（即界面面积无法再次扩大时，因聚酰亚胺薄膜的特性）而天然石墨较厚的可折断性（大于75微米），使其丧失本来固有的X、Y轴导热性的问题。目前市场上做为散热材料的人工石墨厚度以25uM为主导，40uM有量产但导热系数不佳，70uM的可量产性不高，更多的热量需要解决，我们就要把热量从发热组件“A”点传至其它点散发，使发热组件“A”的本体温度大幅度降低。因此需要更高导热系数和更大界面的导热载体。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种天然石墨/金属层复合散热片，能够即是很好的导热载体，导热效果好，也具有很强的电磁屏蔽功能。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种天然石墨/金属层复合散热片，包括：金属层和分布在金属层上下面的天然石墨层，所述金属层上均匀分布有多个圆孔，圆孔直径为0.2～0.6mm，圆孔之间的孔距为0.4～1.0mm，所述圆孔的孔边分布有向上或向下的毛刺，所述天然石墨层通过毛刺咬合与金属层，所述圆孔内填满天然石墨，复合散热片的厚度为18微米～2000微米。
在本发明一个较佳实施例中，所述金属层为铜箔层或是铝箔层。
在本发明一个较佳实施例中，所述天然石墨层为膨化后的絮状蠕虫形石墨层，膨化后的石墨蠕虫的体积为未膨化时的60～120倍，膨化石墨为高纯度石墨,纯度在99.6%～99.9%，天然石墨层厚度在滚压叠加后为10微米～1000微米。
在本发明一个较佳实施例中，所述金属层的外形为卷状结构，所述金属层经过孔洞处理后的厚度为8微米～1000微米。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种天然石墨/金属层复合散热片制备方法，包括如下步骤：
第一步，制作金属层，将卷状的金属片双表面处理，金属层在咬合天然石墨层之前进行预处理，用碱性除油剂除油并且酸洗处理；
第二步，把清洗好的金属片在冲床上采用模具，在金属片上冲压出02～0.6mm直径的圆孔，然后再将金属片反面进行二次冲压，使金属片的圆孔边缘冲出向上或向下细密的毛刺；冲压圆孔以卷料形式作业，冲好后收卷金属片，收卷时要轻，不要太紧，以免破坏表面的毛刺；
第三步，制作天然石墨，将可膨化的石墨颗粒在加温到850--1040°C，使石墨颗粒膨化至80倍以上的石墨蠕虫，膨化后的石墨蠕虫很轻，可通过悬分式分离出较为纯净的石墨蠕虫，必须经过多次悬分，使石墨蠕虫达到99%以上的纯度，去除其中的硫、硫化物、细小石子等；
第四步，平铺膨化后的石墨蠕虫，将悬分后的高纯度石墨蠕虫堆积到预定的厚度，同时控制好堆积层密度，再用高速滚筒切削工具整平，消除堆积厚度不均匀，得到初密度较均匀和絮状石墨蠕虫相对厚度一致的石墨蠕虫层，为下一步分阶段压延提供了基础；
第五步，采取阶段压延的模式，将金属层与天然石墨层复合叠加，
第一次压延，石墨蠕虫和石墨层等密度进入金属片的圆孔缝隙内，此时压力不大，只是在做挤压的动作，起填充挤压的作用；
第二次压延，把天然石墨密度提高到0.5左右，此时仍为粗压，对精度无特殊的要求；
第三次压延，使天然石墨层密度增加到0.8--1左右，此时石墨蠕虫要进入低温度的石墨膜的状态；
第四次压延，天然石墨层密度增加到1.2--1.4左右，此时的石墨蠕虫已完全成膜，形成天然石墨层，并具有导热性，导热系数大幅提高，并且石墨的物性也有所体现，热扩散系数初步体现；
第五次压延，使天然石墨层的密度达到1.6--1.8，密度持续增高，两面的天然石墨层已有金属的光泽，导热系数达到顶峰，热扩散系数也已十分稳定，此时对压延有着极高的要求，厚度的公差是1微米，压延的滚筒是钢材质镀铬，压力是50吨，天然石墨层的密度可达到1.8左右。
在本发明一个较佳实施例中，所述清洗所用的碱性除油剂为如NaOH和0.5%以下的稀硫酸。
在本发明一个较佳实施例中，步骤二中，将金属片置于模具的冲针与底模中，将冲针下压，对金属片进行冲压；冲压后在金属片上形成 0.2～0.6mm直径的圆孔及圆孔边的毛刺，将金属片翻面，再将金属片未冲压圆孔部分进行冲压；冲压另一面，另一面冲压完成，取出金属片，其两面皆形成孔洞及方向不一的毛刺，控制冲压模具的冲针比冲压圆孔小。
在本发明一个较佳实施例中，步骤四中，将已冲出圆孔且带有圆孔边毛刺的金属片先进行一面的天然石墨平铺，并轻压，使天然石墨附着在金属片上，将已平铺一层天然石墨的金属片覆卷后，再平铺另一面金属片，平铺好两面的天然石墨，在经双面精压滚压机，把天然石墨与金属片压实。
本发明的有益效果是：本发明除了有散热功能，更有极佳的电磁屏避功能，对元器件间的互扰问题能利用本发明的散热材得到好的控制，本发明除可控制发热组件的温度，并可使易受干扰的元器见受到电磁屏避保护，让3C电子产品能有更稳定的运行特性及更长的寿命，电磁屏蔽效果好，抗拉伸，可弯折，具有容易成形的特性。
附图说明
图1是本发明天然石墨/金属层复合散热片的断面结构示意图；
图2是本发明天然石墨/金属层复合散热片中金属片的主视图；
图3是本发明天然石墨/金属层复合散热片中金属片的断面侧视图；
图4是本发明天然石墨/金属层复合散热片制备方法中步骤一的流程图；
图5是本发明天然石墨/金属层复合散热片制备方法中步骤二金属片一面冲孔的流程图；
图6是本发明天然石墨/金属层复合散热片制备方法中步骤二金属片另一面冲孔的流程图；
图7是本发明天然石墨/金属层复合散热片制备方法中步骤四金属片一面平铺天然石墨层的工艺流程图；
图8是本发明天然石墨/金属层复合散热片制备方法中步骤四金属片另一面平铺天然石墨层的工艺流程图；
图9是本发明天然石墨/金属层复合散热片制备方法中步骤五压延的工艺流程图。
附图中各部件的标记如下：1、金属层；2、天然石墨层；10、圆孔；100、毛刺。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1至图3，本发明实施例包括：
一种天然石墨/金属层复合散热片，包括：金属层1和分布在金属层1上下面的天然石墨层2，所述金属层1上均匀分布有多个圆孔10，圆孔10直径为0.2～0.6mm，圆孔10之间的孔距为0.4～1.0mm，所述圆孔10的孔边分布有向上或向下的毛刺100，所述天然石墨层2通过毛刺100咬合与金属层1，所述圆孔10内填满天然石墨，复合散热片的厚度为18微米～2000微米。
进一步说，所述金属层1为铜箔层或是铝箔层；所述天然石墨层2为膨化后的絮状蠕虫形石墨层，膨化后的石墨蠕虫的体积为未膨化时的60～120倍，膨化石墨为高纯度石墨，纯度在99.6%～99.9%，天然石墨层2厚度在滚压叠加后为10微米～1000微米；所述金属层1的外形为卷状结构，所述金属层1经过冲压圆孔10处理后的厚度为8微米～1000微米。
本发明其散热效果佳，因铜(或铝)片的加入，对于电磁屏蔽比单一石墨材更优，防高屏干扰能力为 60～80db(分贝)(10MHz～1GHz),也因铜(或铝)材的加入，使石墨片易弯折断裂及抗拉力不佳得到改善。且铜(或铝)基材加入结构，也改善了单一石墨片材无可塑性的缺点。其导热系数高达250 W/M · K～1200 W/M · K；因复合散热片中铜(或铝)材的加入，可在装备组装中以金属螺栓固定且与地线端相连，并因铜(或铝)的导电特性构成接地回路，且散热材覆盖住装备的芯片上，直接盖住最易被干扰的芯片，构成最佳的电磁屏敝效果；因铜(或铝)基材的加入，其X-Y方向(水平方向)的拉伸断裂值为100Kg f/m㎡～200Kgf/m㎡ ，是目前同等厚度石墨片的100倍，是目前同等厚度人工石墨片的10倍。不论复合片厚度为多少，其可弯折角度为180度，可弯折次数为100次，而不会使天然石墨+铜(或铝)复合片断裂使散热效能降低，这是单一石墨散热片无法承受大于90度弯曲及无法承受多次弯曲所无法比拟的；不论复合片厚度为多少，其防高屏干扰能力为 60～80db(分贝)(10MHz～1GHz)；因复合片散热片中铜(或铝)材的加入，因铜(或铝)基材的优良导电特性及复合片的优良导热及散热特性，可以在装备组装中因空间局限无法同时构筑接地线，散热片及电磁屏避片时，以单一石墨+铜(或铝)散热片替代，进而使装备小型化，并节约成本及便于组装。
请参阅图4至图9，本发明还提供一种天然石墨/金属层复合散热片制备方法，包括如下步骤：
第一步，制作金属层1，将卷状的金属片双表面处理，金属层1在咬合天然石墨层2之前进行预处理，用碱性除油剂除油并且酸洗处理；
第二步，把清洗好的金属片在冲床上采用模具，在金属片上冲压出02～0.6mm直径的圆孔10，然后再将金属片反面进行二次冲压，使金属片的圆孔10边缘冲出向上或向下细密的毛刺100；冲压圆孔10以卷料形式作业，冲好后收卷金属片,收卷时要轻，不要太紧，以免破坏表面的毛刺。
第三步，制作天然石墨，将可膨化的石墨颗粒在加温到850--1040°C，使石墨颗粒膨化至80倍以上的石墨蠕虫，膨化后的石墨蠕虫很轻，可通过悬分式分离出较为纯净的石墨蠕虫，必须经过多次悬分，使石墨蠕虫达到99%以上的纯度，去除其中的硫、硫化物、细小石子等；
第四步，平铺膨化后的石墨蠕虫，将悬分后的高纯度的石墨蠕虫堆积到预定的厚度，同时控制好堆积层密度，再用高速滚筒切削工具整平，来达到消除堆积厚度不均匀的问题，当得到初密度较均匀和絮状石墨蠕虫相对厚度一致的石墨蠕虫层，为下一步的分阶段压延提供了基础；
第五步，采取阶段压延的模式，将金属层1与天然石墨复合叠加，第一次压延时，石墨蠕虫和石墨层等密度进入金属片的圆孔10缝隙内，此时压力不大，只是在做挤压的动作，起填充挤压的作用；第二次压延，把密度提高到0.5左右，此时仍为粗压，对精度无特殊的要求；第三次压延，使密度增加到0.8--1左右，此时石墨蠕虫要进入低温度的石墨膜的状态；第四次压延密度增加到1.2--1.4左右，此时的石墨蠕虫已完全成膜，并具有导热性，导热系数大幅提高，并且石墨的物性也有所体现，热扩散系数初步体现；第五次压延，使天然石墨层的密度达到1.6--1.8，密度持续增高，两面的石墨已有金属的光质（泽），导热系数达到顶峰，热扩散系数也已十分稳定，此时对压延有着极高的要求，厚度的公差是1微米，压延的滚筒是钢材质镀铬，压力是50吨，天然石墨层的密度可达到1.8左右。
进一步说，所述清洗所用的碱性除油剂为如NaOH和0.5%以下的稀硫酸；步骤二中，将金属片置于模具的冲针与底模中，将冲针下压，对金属片进行冲压；冲压后在金属片上形成 0.2～0.6mm直径的圆孔及圆孔边的毛刺，将金属片翻面，再将金属片未冲压圆孔部分进行冲压；冲压另一面，另一面冲压完成，取出金属片，其两面皆形成孔洞及方向不一的毛刺；步骤四中，将已冲出圆孔且带有圆孔边毛刺的金属片先进行一面的天然石墨平铺，并轻压，使天然石墨附着在金属片上，将已平铺一层天然石墨的金属片覆卷后，再平铺另一面金属片，平铺好两面的天然石墨，在经双面精压滚压机，把天然石墨与金属片压实，。
平铺在金属基材表面，经过几次的滚压,慢慢的絮状石墨颗粒被压进圆孔间，圆孔间空隙的天然石墨因挤压变的非常致密。
更近一步说，步骤二中，控制冲压模具的冲针比冲压圆孔小，使冲压出的圆孔及孔边有细小毛刺，以增大金属层与天然石墨层的黏着力或咬合力，从微观上看，金属片经冲孔及毛刺化处理后，其表面凹凸不平，表面积较大，如下图3所示。毛刺构成抓力，这样彻底解决了金属层与天然石墨层之间的附着力问题。
本发明的热效率高，因铜(或铝)的导热是各向同性，复合片材因铜(或铝)基材加入，提高了Z轴的导热特性。石墨的六角排列，X、Y方向因高压延压使排列更优化，压延的充分介入，使石墨与铜(或铝)基材能充份接触，界面热阻更小。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种天然石墨/金属层复合散热片制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，制作金属层，将卷状的金属片双表面处理，金属层在咬合天然石墨层之前进行预处理，用碱性除油剂除油并且酸洗处理；
第二步，把清洗好的金属片在冲床上采用模具，在金属片上冲压出0.2~0.6mm直径的圆孔，然后再将金属片反面进行二次冲压，使金属片的圆孔边缘冲出向上或向下细密的毛刺；冲压圆孔以卷料形式作业，冲好后收卷金属片，收卷时要避免破坏表面的毛刺；
第三步，制作天然石墨，将可膨化的石墨颗粒在加温到850~1040℃，使石墨颗粒膨化至80倍以上的石墨蠕虫，膨化后的石墨蠕虫很轻，可通过悬分式分离出较为纯净的石墨蠕虫，经过多次悬分，使石墨蠕虫达到99%以上的纯度，去除其中的硫、硫化物、细小石子；
第四步，平铺膨化后的石墨蠕虫，将悬分后的高纯度石墨蠕虫堆积到预定的厚度，同时控制好堆积层密度，再用高速滚筒切削工具整平，消除堆积厚度不均匀，得到初密度较均匀和絮状石墨蠕虫相对厚度一致的石墨蠕虫层，为下一步分阶段压延提供了基础；
第五步，采取阶段压延的模式，将金属层与天然石墨层复合叠加，
第一次压延，石墨蠕虫和石墨层等密度进入金属片的圆孔缝隙内，此时压力不大，只是在做挤压的动作，起填充挤压的作用；
第二次压延，把天然石墨密度提高到0.5 g/cm3，此时仍为粗压，对精度无特殊的要求；
第三次压延，使天然石墨层密度增加到0.8~1 g/cm3，此时石墨蠕虫要进入低温度的石墨膜的状态；
第四次压延，天然石墨层密度增加到1.2~1.4 g/cm3，此时的石墨蠕虫已完全成膜，形成天然石墨层；
第五次压延，使天然石墨层的密度达到1.6~1.8 g/cm3，密度持续增高，两面的天然石墨层已有金属的光泽，压延的厚度的公差是1微米，压延的滚筒是钢材质镀铬，压力是50吨。
2.根据权利要求1所述的天然石墨/金属层复合散热片制备方法，其特征在于：所述清洗所用的碱性除油剂为NaOH。
3.根据权利要求1所述的天然石墨/金属层复合散热片制备方法，其特征在于：步骤二中，将金属片置于模具的冲针与底模中，将冲针下压，对金属片进行冲压；冲压后在金属片上形成0.2~0.6mm直径的圆孔及圆孔边的毛刺，将金属片翻面，再将金属片未冲压圆孔部分进行冲压；冲压另一面，另一面冲压完成，取出金属片，其两面皆形成孔洞及方向不一的毛刺。
4.根据权利要求1所述的天然石墨/金属层复合散热片制备方法，其特征在于：步骤四中，将已冲出圆孔且带有圆孔边毛刺的金属片先进行一面的天然石墨平铺，并轻压，使天然石墨附着在金属片上，将已平铺一层天然石墨的金属片覆卷后，再平铺另一面金属片，平铺好两面的天然石墨，在经双面精压滚压机，把天然石墨与金属片压实。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |