CN106847767A - 一种石墨铜箔复合散热片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于散热片技术领域，尤其涉及一种石墨铜箔复合散热片，包括网状铜箔，以及通过压延成型技术复合在网状铜箔的至少一面上的石墨膜，所述网状铜箔的孔隙率为40～80％，孔径大小为0.002～2mm。相比于现有技术，本发明采用压延技术将石墨膜复合在网状铜箔上，由于无需使用粘接剂，因此大大降低了界面热阻，同时有效避免复合散热片产生层间脱胶现象，从而使复合散热片具有优异的机械性能和导热散热性能，并大大提高了复合散热片的使用寿命；此外，若本发明的孔隙率过高会影响铜箔的机械强度，孔隙率过低则影响铜箔与石墨膜之间的结合强度；而网孔过大会使石墨膜无法与铜箔紧密结合，网孔过小会导致石墨膜与铜箔的结合力不足。
Description
技术领域
本发明属于散热片技术领域，尤其涉及一种石墨铜箔复合散热片。
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。
目前市场部分产品通过金属类材料进行导热散热，尤其是铜和铝，虽然铜的导热系数为398W/mK，但是重量大，易氧化等限制了其应用，而铝的导热系数为237W/mK，很难满足现有产品对导热散热的需求。
而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。如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；且石墨烯高度稳定，而作为热导体，石墨烯的热导率约为4000W/mK，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，如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/mK。
因此，为了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，现有技术中，通常的做法是，将碳材料通过双面胶与铜箔复合形成铜箔-双面胶-石墨的复合散热片；如中国专利CN 205685874 U公开了一种纳米铜碳石墨片，该石墨片由覆盖膜、亚克力胶水层、纳米碳涂层、铜箔、纳米碳涂层、亚克力胶水层以及离型膜组成。此外，还有中国专利CN 103476227 A公开了一种铜碳复合散热片及其制备方法，具体通过粘接剂在铜箔的两面涂覆碳导热层。
上述铜碳复合散热片虽然具有一定的拉伸强度和良好的导热散热性能，然而却存在以下缺陷：第一、该铜碳复合散热片均通过胶粘层将铜箔和石墨粘合在一起，而由于胶粘剂的导热性能较差，会阻碍热量的散发，这样大大降低了复合散热片的散热效果；第二、铜箔-双面胶-石墨结构的复合散热片目前一般仅适用于小功率产品的散热，如手机、微型元器件等；无法应用在大功率产品(如电动汽车)的散热；第三、使用胶粘剂进行粘合时，其层与层之间的粘结力过低，很容易导致层间脱胶，从而影响复合散热片的散热性能和使用寿命。
有鉴于此，确有必要对现有的复合散热片作进一步的改进，使其具有优异的导热散热性能的同时，还能有效的拓宽复合散热片的适用范围和使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种石墨铜箔复合散热片，以解决现有复合散热片散热效率低，适用范围窄，易发生层间脱胶，使用寿命短的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种石墨铜箔复合散热片，包括网状铜箔，以及通过压延成型技术复合在网状铜箔的至少一面上的石墨膜，所述网状铜箔的孔隙率为40～80％，所述网状铜箔的孔径大小为0.002～2mm。其中，本发明中网状铜箔的孔隙率和孔径大小至关重要，若孔隙率过高会影响铜箔的机械强度；孔隙率过低则影响铜箔与石墨膜之间的结合强度；此外，若网孔过大会使石墨膜无法与铜箔紧密结合；网孔过小会导致石墨膜与铜箔的结合力不足。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，所述网状铜箔的孔隙率为50～70％。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，所述网状铜箔的孔径大小为0.01～1mm。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，所述散热片的水平方向导热系数为1500～2500W/m·K，垂直方向导热系数为500～1000W/m·K。通过网状铜箔和石墨膜的压延复合后，使得散热片水平方向和垂直方向的导热散热性能均得到有效的提高。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，所述网状铜箔的厚度为0.01～2mm。若铜箔的厚度过薄，会大大降低复合散热片的抗拉伸强度；若铜箔的厚度过厚，则会大大降低复合散热片的柔韧性，并增大材料成本。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，所述石墨膜的厚度为0.01～1mm。若石墨膜的厚度过薄，会大大降低复合散热片的导热系数；若石墨膜的厚度过厚，则会大大降低石墨膜与铜箔的结合力，并影响复合散热片的使用寿命。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，所述网状铜箔的网孔形状为圆形、椭圆形或者多边形。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，所述石墨膜为人工石墨膜或天然石墨膜；优选为人工石墨膜，因为人工石墨膜的导热率是天然石墨膜的3～5倍，同时其易于模切加工，并具有由点到面的水平快速散热的突出特性。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，其制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择高分子薄膜材料做为原料，放置于碳化炉中升温至碳化温度，进行碳化，然后将碳化完的材料移至石墨化炉中进行石墨化，取出后进行压延制得石墨膜；
步骤二、先对铜箔进行表面清洗处理，接着进行冲孔处理，得到网状铜箔；
步骤三、将步骤一制得的石墨膜均匀的平铺在经步骤二处理得到的网状铜箔上，然后经阶段式压延，即得到所述的石墨铜箔复合散热片。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，步骤三中进行压延的压力为20～60kg/cm3，轧辊转速为0.5～2.5m/min。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，步骤一中碳化温度为800～1400℃，碳化时间为5～10h；石墨化温度为2200～2800℃，石墨化时间为5～10h。
作为本发明石墨铜箔复合散热片的一种改进，所述高分子薄膜材料为聚酰亚胺、聚酰胺、聚苯并噁唑、聚苯并双噁唑和聚噻唑中的至少一种，优选为聚酰亚胺。
本发明的有益效果在于：本发明一种石墨铜箔复合散热片，包括网状铜箔，以及通过压延成型技术复合在网状铜箔的至少一面上的石墨膜，所述网状铜箔的孔隙率为40～80％，孔径大小为0.002～2mm。相比于现有技术，本发明采用压延技术将石墨膜复合在网状铜箔上，由于无需使用粘接剂，因此大大降低了界面热阻，同时有效避免复合散热片产生层间脱胶现象，从而使得复合散热片具有优异的机械性能和导热散热性能；而且，网状铜箔的孔隙率和孔径大小至关重要，若采用致密无网孔的铜箔，铜箔与石墨膜之间的结合力差；而采用网状铜箔则可以使铜箔通过网孔与石墨膜紧密结合在一起；若孔隙率过高会影响铜箔的机械强度；孔隙率过低则影响铜箔与石墨膜之间的结合强度；此外，若网孔过大会使石墨膜无法与铜箔紧密结合；网孔过小会导致石墨膜与铜箔的结合力不足。
附图说明
图1为本发明的结构示意图之一。
图2为本发明的结构示意图之二。
图中：1-网状铜箔；2-石墨膜。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种石墨铜箔复合散热片，包括网状铜箔1，以及通过压延成型技术复合在网状铜箔1的石墨膜2，其中，网状铜箔1的厚度为0.5mm，石墨膜2的厚度为0.05mm；网状铜箔1的孔隙率为60％，孔径大小为0.01mm；该复合散热片的水平方向导热系数为2000W/m·K，垂直方向导热系数为800W/m·K。
该复合散热片的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择聚酰亚胺做为原料，放置于碳化炉中进行碳化，碳化温度为1000℃，碳化时间为8h；然后将碳化完的材料移至石墨化炉中进行石墨化，石墨化温度为2500℃，石墨化时间为8h，取出后进行压延制得石墨膜2；
步骤二、先对铜箔进行表面清洗处理，接着进行冲孔处理，得到网状铜箔1；
步骤三、将步骤一制得的石墨膜2均匀的平铺在经步骤二处理得到的网状铜箔1上，然后经阶段式压延，压延的压力为40kg/cm3，轧辊转速为1.0m/min，即得到石墨铜箔复合散热片。
对比例1
与实施例1不同的是，本对比例中的复合散热片采用粘结剂使石墨膜复合在铜箔的表面，形成铜箔-粘接层-石墨膜的三明治状结构的复合散热片。
实施例2
如图2所示，一种石墨铜箔复合散热片，包括网状铜箔1，以及通过压延成型技术复合在网状铜箔1的两面上的石墨膜2，其中，网状铜箔1的厚度为0.01mm，单层石墨膜2的厚度为0.01mm；网状铜箔1的孔隙率为40％，孔径大小为0.002mm；该复合散热片的水平方向导热系数为1500W/m·K，垂直方向导热系数为500W/m·K。
该复合散热片的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择聚苯并噁唑做为原料，放置于碳化炉中进行碳化，碳化温度为800℃，碳化时间为5h；然后将碳化完的材料移至石墨化炉中进行石墨化，石墨化温度为2200℃，石墨化时间为5h，取出后进行压延制得石墨膜2；
步骤二、先对铜箔进行表面清洗处理，接着进行冲孔处理，得到网状铜箔1；
步骤三、将步骤一制得的石墨膜2均匀的平铺在经步骤二处理得到的网状铜箔1上，然后经阶段式压延，压延的压力为20kg/cm3，轧辊转速为0.5m/min，即得到石墨铜箔复合散热片。
对比例2
与实施例2不同的是，本对比例中的复合散热片采用粘结剂使石墨膜复合在铜箔的两个表面，形成石墨膜-粘接层-铜箔-粘接层-石墨膜结构的复合散热片。
实施例3
如图2所示，一种石墨铜箔复合散热片，包括网状铜箔1，以及通过压延成型技术复合在网状铜箔1的两面上的石墨膜2，其中，网状铜箔1的厚度为2mm，单层石墨膜2的厚度为1mm；网状铜箔1的孔隙率为80％，孔径大小为2mm；该复合散热片的水平方向导热系数为2500W/m·K，垂直方向导热系数为1000W/m·K。
该复合散热片的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择聚酰亚胺做为原料，放置于碳化炉中进行碳化，碳化温度为1400℃，碳化时间为10h；然后将碳化完的材料移至石墨化炉中进行石墨化，石墨化温度为2800℃，石墨化时间为10h，取出后进行压延制得石墨膜2；
步骤二、先对铜箔进行表面清洗处理，接着进行冲孔处理，得到网状铜箔1；
步骤三、将步骤一制得的石墨膜2均匀的平铺在经步骤二处理得到的网状铜箔1上，然后经阶段式压延，压延的压力为60kg/cm3，轧辊转速为2.5m/min，即得到石墨铜箔复合散热片。
对比例3
与实施例3不同的是，本对比例中的复合散热片采用粘结剂使石墨膜复合在铜箔的两个表面，形成石墨膜-粘接层-铜箔-粘接层-石墨膜结构的复合散热片。
实施例4
如图2所示，一种石墨铜箔复合散热片，包括网状铜箔1，以及通过压延成型技术复合在网状铜箔1的两面上的石墨膜2，其中，网状铜箔1的厚度为0.1mm，单层石墨膜2的厚度为0.02mm；网状铜箔1的孔隙率为50％，孔径大小为0.5mm；该复合散热片的水平方向导热系数为1800W/m·K，垂直方向导热系数为700W/m·K。
该复合散热片的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择聚酰亚胺做为原料，放置于碳化炉中进行碳化，碳化温度为1200℃，碳化时间为7h；然后将碳化完的材料移至石墨化炉中进行石墨化，石墨化温度为2400℃，石墨化时间为9h，取出后进行压延制得石墨膜2；
步骤二、先对铜箔进行表面清洗处理，接着进行冲孔处理，得到网状铜箔1；
步骤三、将步骤一制得的石墨膜2均匀的平铺在经步骤二处理得到的网状铜箔1上，然后经阶段式压延，压延的压力为50kg/cm3，轧辊转速为2.0m/min，即得到石墨铜箔复合散热片。
对比例4
与实施例4不同的是，本对比例中的复合散热片采用粘结剂使石墨膜复合在铜箔的两个表面，形成石墨膜-粘接层-铜箔-粘接层-石墨膜结构的复合散热片。
实施例5
如图2所示，一种石墨铜箔复合散热片，包括网状铜箔1，以及通过压延成型技术复合在网状铜箔1的两面上的石墨膜2，其中，网状铜箔1的厚度为1mm，单层石墨膜2的厚度为0.5mm；网状铜箔1的孔隙率为70％，孔径大小为0.1mm；该复合散热片的水平方向导热系数为2200W/m·K，垂直方向导热系数为900W/m·K。
该复合散热片的制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择聚酰亚胺做为原料，放置于碳化炉中进行碳化，碳化温度为900℃，碳化时间为6h；然后将碳化完的材料移至石墨化炉中进行石墨化，石墨化温度为2300℃，石墨化时间为7h，取出后进行压延制得石墨膜2；
步骤二、先对铜箔进行表面清洗处理，接着进行冲孔处理，得到网状铜箔1；
步骤三、将步骤一制得的石墨膜2均匀的平铺在经步骤二处理得到的网状铜箔1上，然后经阶段式压延，压延的压力为30kg/cm3，轧辊转速为1.5m/min，即得到石墨铜箔复合散热片。
对比例5
与实施例5不同的是，本对比例中的复合散热片采用粘结剂使石墨膜复合在铜箔的两个表面，形成石墨膜-粘接层-铜箔-粘接层-石墨膜结构的复合散热片。
分别对实施例1～5和对比例1～5的复合散热片进行导热性能和力学性能测试，测试结果见表1。
表1实施例和对比例的复合散热片的导热性能和力学性能测试结果
由表1的测试结果可知，相比于对比例1～5中采用粘接剂使铜箔和石墨膜粘合形成的复合散热片，本发明的石墨铜箔复合散热片具有更加优异的导热性能和力学性能。其原因是，本发明采用了压延成型技术使石墨膜2紧密复合在网状铜箔1上，由于无需采用粘接剂，因此大大降低了界面热阻，同时有效避免复合散热片产生层间脱胶现象，从而使得复合散热片具有优异的机械力学性能和导热散热性能。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种石墨铜箔复合散热片，其特征在于：包括网状铜箔，以及通过压延成型技术复合在网状铜箔的至少一面上的石墨膜，所述网状铜箔的孔隙率为40～80％，所述网状铜箔的孔径大小为0.002～2mm。
2.根据权利要求1所述的石墨铜箔复合散热片，其特征在于：所述网状铜箔的孔隙率为50～70％。
3.根据权利要求1所述的石墨铜箔复合散热片，其特征在于：所述网状铜箔的孔径大小为0.01～1mm。
4.根据权利要求1所述的石墨铜箔复合散热片，其特征在于：所述散热片的水平方向导热系数为1500～2500W/m·K，垂直方向导热系数为500～1000W/m·K。
5.根据权利要求1所述的石墨铜箔复合散热片，其特征在于：所述网状铜箔的厚度为0.01～2mm。
6.根据权利要求1所述的石墨铜箔复合散热片，其特征在于：所述石墨膜的厚度为0.01～1mm。
7.根据权利要求1所述的石墨铜箔复合散热片，其特征在于：所述网状铜箔的网孔形状为圆形、椭圆形或者多边形。
8.根据权利要求1所述的石墨铜箔复合散热片，其特征在于：所述石墨膜为人工石墨膜或天然石墨膜。
9.根据权利要求1所述的石墨铜箔复合散热片，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
步骤一、选择高分子薄膜材料做为原料，放置于碳化炉中升温至碳化温度，进行碳化，然后将碳化完的材料移至石墨化炉中进行石墨化，取出后进行压延制得石墨膜；
步骤二、先对铜箔进行表面清洗处理，接着进行冲孔处理，得到网状铜箔；
步骤三、将步骤一制得的石墨膜均匀的平铺在经步骤二处理得到的网状铜箔上，然后经阶段式压延，即得到所述的石墨铜箔复合散热片。
10.根据权利要求9所述的石墨铜箔复合散热片，其特征在于：步骤三中进行压延的压力为20～60kg/cm3，轧辊转速为0.5～2.5m/min。
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