CN108155162A - 一种无胶贴合的三维高导热高放热片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无胶贴合的三维高导热高放热片及其制备方法，包括平面热扩散层、过渡层、焊接绑定层、三维泡沫金属层，通过在平面热扩散层上沉积过渡层，然后将平面热扩散层与三维泡沫金属层焊接绑定在一起得到，具有较强的平面热扩散能力和优良的散热性能，适用于电子行业，解决发热元器件的散热问题。

Description

一种无胶贴合的三维高导热高放热片及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子元器件的导热散热材料领域，尤其涉及一种无胶贴合的三维高导热高放热片及其制备方法。
背景技术
随着芯片及电子电路的快速发展，电子电路越来越微型化，芯片、集成电路、LED等元器件产生的热量也在迅速提高。事实上，大规模集成电路所产生的热流密度己经超过了60W/cm2，并呈现不断上升的趋势，实践证明电子电路的故障发生率是随着工作温度的提高而增长的，这对就对散热提出了更高要求。目前在电子行业得到大规模应用的方案是使用导热散热片，将发热元件的产生的热量扩散，避免热量集中损害元器件。这类导热散热片一般设置于发热元器件与外壳（散热器）之间，将发热元器件产生的热量传到到外壳（散热器）进行散热。当发热元器件与外壳（散热器）的距离过远时，则直接把导热散热片粘附在发热元器件上，通过导热散热片对其进行散热。
在材料方面，传热性能最好的是石墨和金属，电子行业大规模采用石墨片和金属箔来散热，但是这两种材料单独使用都存在着不少的问题：1.石墨片的力学性能如抗拉强度和断面伸长率普遍较差，由其本身的制备工艺所导致的结果，使用压延法会降低石墨的结晶程度和拉低微晶的取向性，使得石墨微晶片层间的摩擦力较差，从而导致机械性能的下降，因此石墨片应用在电子设备中很容易出现断裂和层间分离现象导致散热效果大大降低。2.金属材料的其热膨胀系数较高，这会引起界面晶格的不匹配，大大提高了器件失效的概率，降低了器件的使用寿命；其次，金属材料的成型密度普遍较大，导致装配成的电子设备重量较大，这不符合便携式电子产品的发展要求；再者金属的导电性能太好，可能会使电子元器件发生短路。
使用复合材料可以把各种散热材料的优点综合起来，并且最大限度的避免它们各自的缺点，电子行业也开始大量应用这种复合散热片，但是目前的市场上的大部分复合散热片都是几种导热材料的简单层叠加工，层与层之间通过树脂或双面胶粘接的方式具有较高的界面热阻，从而降低了材料的导热散热能力。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种超薄高散热片及其制备方法，本发明具有工艺简单、使用方便的特点，该导热扩散片具有优异的导热性能和散热功能，可以快速地将热量从发热体扩散，可以在手机、平板电脑、显示屏、笔记本电脑等电子设备中应用。
本发明的技术方案为：
一种无胶贴合的三维高导热高放热片，包括平面热扩散层、过渡层、焊接绑定层、三维泡沫金属层，其特征在于：
平面热扩散层的一面覆盖有过渡层，过渡层通过焊接绑定层与三维泡沫金属层焊接绑定在一起，组合成一种无胶贴合的三维高导热高放热片，其中：
所述的平面热扩散层是由聚酰亚胺薄膜(Polyimide缩写为PI)经高温碳化、石墨化处理制成的人工合成石墨片，或者是由膨胀石墨制成的柔性石墨纸，或者是导热硅胶片，或者是石墨烯、石墨、膨胀石墨、碳纳米管、氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅、硅中的一种或多种组合与树脂混合的复合片材，其厚度为0.008mm～2mm；
所述的过渡层可以是部分嵌渗在平面热扩散层表面内，另一部分在平面热扩散层表面以外，也可以是直接连接在平面热扩散层表面；
所述三维泡沫金属层是由Ni、Cu、Fe、Al、Ag、Zn、Sn、Cr中的任意一类金属形成的单金属材料，或是上述金属种类中任意两类或两类以上形成的多层金属或者合金，其厚度为0.1mm～200mm，平均孔直径为0.05mm～8mm；
所述的平面方向热扩散层的平面方向导热系数为2W/m•K～2000W/m•K。
所述的平面方向热扩散层是由聚酰亚胺薄膜(Polyimide缩写为PI)经高温碳化、石墨化处理制成的人工合成石墨片，其厚度为0.01mm～0.1mm；或者是由膨胀石墨制成的柔性石墨纸，其厚度为0.02mm～1mm；或者是导热硅胶片，其厚度为0.1mm～2mm；或者是石墨烯与树脂混合的复合片材，其厚度为0.1mm～1mm。
所述的过渡层是由Ti或其氧化物、Si或其氧化物、Ag、Cu、Sn、Cr、Ni、Zn、Bi、In、Sb、Nd中的一种或多种组成。
所述的过渡层嵌渗在平面热扩散层表面内的厚度为1nm～100nm。
所述的焊接绑定层是由Sn、Bi、In、Zn 、Ag、Cu、Sb、Nd中的一种或多种组成。
所述的三维泡沫金属层是由Cu、Al、Ni、Ag中的任意一类金属形成的单金属材料，或是Cu合金、Al合金、Ni合金、Ag合金材料，或者是以前述材料为基体进行表面修饰的多层复合材料，厚度为0.5mm～50mm。
所述的三维泡沫金属层的骨架表面覆盖有高放热材料，所述高放热材料包括以下物质的一种或多种：云母、石墨、石墨烯、碳纳米管、镍锡合金、碳化硅、二氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化铁、氧化铜、氧化钴、三氧化二铬、二氧化钛、二氧化锆、二氧化锰、氧化镁、氧化镧。
所述的高放热材料的平均粒径为0.1μm～500μm。
所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片的制备方法，其特征在于通过以下方法制备：
方法一：通过真空磁控溅射、高功率磁控溅射、离子注入、多弧离子镀、真空蒸镀中的其中一种工艺，在平面热扩散层上沉积过渡层，然后通过高频焊、电阻焊、钎焊、超声焊、摩擦焊中的其中一种焊接工艺将平面热扩散层与泡沫金属层焊接绑定在一起；
方法二：通过真空磁控溅射、高功率磁控溅射、离子注入、多弧离子镀、真空蒸镀中的其中一种工艺，在平面热扩散层上沉积过渡层，再通过电沉积的方式，在过渡层上沉积由Ag、Cu、Sn、Bi、In、Cr、Ni、Zn中的任意一类金属形成的单金属材料或是上述金属种类中任意两类或两类以上形成的多层金属或者合金，最后通过高频焊、电阻焊、钎焊、超声焊、摩擦焊中的其中一种焊接工艺将平面热扩散层与泡沫金属层焊接绑定在一起。
所述的真空磁控溅射沉积的过渡层为Ti或其氧化物、Si或其氧化物、Cu、Sn、Cr、Ni，阴极靶与镀件的距离为70～250mm，真空腔室内本体真空度为0.0001Pa～0.07Pa，镀膜时真空腔室内真空度为0.01Pa～0.1Pa，靶功率3瓦/平方厘米～25瓦/平方厘米。
所述的钎焊工艺所使用的焊料是由Sn、Bi、In、Zn 、Ag、Cu、Sb、Nd中的一种或多种组成的粉末焊料、焊膏或者箔片，其熔点为130℃～500℃。
本发明在导热性优良的金属制备的三维泡沫金属片材上通过焊接加工的方式可以使平面热扩散层和三维泡沫金属层连接到一起，使用焊接工艺替代传统的导热胶粘剂，充分利用了金属导热性能优良的优点，有效地降低了平面热扩散层和三维泡沫金属层之间的热阻，同时由于在泡沫金属中，金属骨架具有高的导热系数，孔洞相互连通，具有良好的渗透能力和大的比表面积，使得流体从泡沫金属中通过时有极大的换热面积，而且泡沫金属高的导热系数也使得温度能更均匀地分布，流体在强迫对流条件下在泡沫金属内产生复杂的湍流现象都促进了热量的交换，泡沫金属内部孔隙结构是复杂的三维立体结构，气体在其中流动的过程将产生湍流效果，使热量交换更加强烈，因而可以适用于发热量更大的电子元器件的散热。
本发明中所使用的平面热扩散层在平面方向具有较高的导热系数，热量在平面方向可以很快扩散，可以快速地把点热源产生的热量向四周扩散，然后把热量传递到泡沫金属层，利用泡沫金属层进一步散热。平面热扩散层的表面内嵌渗一层过渡层，可以增强平面热扩散层与三维泡沫金属层之间的结合力，提高使用可靠性。
附图说明
图1实施例一、二、三中的一种无胶贴合的三维高导热高放热片的示意图；
图2实施例四中的一种无胶贴合的三维高导热高放热片的示意图；
图3 本发明的一种无胶贴合的三维高导热高放热片的制备方法一流程图；
图4 本发明的一种无胶贴合的三维高导热高放热片的制备方法二流程图 。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步说明本发明所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片及其制备方法。
实施例一：
采用厚度为0.017mm，平面方向导热系数为1600W/m·K的人工合成石墨片作为平面热扩散层，该石墨片是由聚酰亚胺薄膜(Polyimide缩写为PI)经高温碳化、石墨化处理制成的，通过高真空磁控溅射的工艺在人工合成石墨片的其中一个表面上溅射一层Sn膜作为过渡层，Sn膜的一部分嵌渗在人工合成石墨片的表面内，另一部分在人工合成石墨片的表面外，嵌渗到人工合成石墨片的表面内的厚度为10nm。高真空磁控溅射镀膜时阴极靶与人工合成石墨片的距离为70mm，真空腔室内本体真空度为0.0001Pa，镀膜时真空腔室内真空度为0.1Pa，靶功率25瓦/平方厘米。
采用厚度为3mm、平均孔直径为0.15mm的泡沫铜，通过高频焊工艺将泡沫铜和溅射有过渡层的人工合成石墨片焊接绑定在一起，最后得到一种无胶贴合的三维高导热高放热片，制备方法流程如图3所示，产品示意图如图1所示，图中11是作为平面热扩散层的人工合成石墨片，12和13是作为过渡层和焊接层的Sn膜，14是泡沫铜。
实施例二：
采用厚度为0.5mm，平面方向导热系数为4W/m·K的导热硅胶片作为平面热扩散层，通过离子束辅助真空蒸镀的工艺在导热硅胶片的其中一个表面上溅射一层Cu-Ag合金膜作为过渡层。
采用厚度为8mm、平均孔直径为0.6mm的泡沫铜镍合金，并且其表面覆盖有一层云母作为高放热层，通过钎焊的工艺将泡沫铜镍合金与经过上述步骤制备的导热硅胶片焊接绑定在一起，钎焊使用熔点为150℃的Sn-Bi合金焊料，最后得到一种无胶贴合的三维高导热高放热片，制备方法流程如图3所示，产品示意图如图1所示，图中11是作为平面热扩散层的人工合成石墨片，12是作为过渡层的Cu-Ag合金， 13是作为焊接层的Sn-Bi合金，14是表面覆盖有云母的泡沫铜镍合金。
实施例三：
采用厚度为0.2mm，平面方向导热系数为400W/m·K的由膨胀石墨制成的柔性石墨纸作为平面热扩散层，通过多弧离子镀的工艺在柔性石墨纸的其中一个表面上溅射一层Ni膜作为过渡层, Ni膜的一部分嵌渗在人工合成石墨片的表面内，另一部分在人工合成石墨片的表面外，嵌渗到人工合成石墨片的表面内的厚度为30nm。然后在过渡层上通过电沉积的方式沉积一层Sn-Zn合金。
采用厚度为13mm，平均孔直径为2mm的泡沫铝，泡沫铝表面有铜沉积层，通过电阻焊工艺将泡沫铝与经过上述步骤制备的柔性石墨纸焊接绑定在一起，最后得到一种无胶贴合的三维高导热高放热片，制备方法流程如图4所示，产品示意图如图1所示，图中11是作为平面热扩散层的由膨胀石墨制成的柔性石墨纸，12是作为过渡层的Ni膜，13是作为焊接层的Sn-Zn合金，14是表面有铜沉积层的泡沫铝。
实施例四：
采用厚度为0.1mm，平面方向导热系数为8W/m·K的石墨烯与树脂混合的复合片材作为平面热扩散层，通过离子注入的工艺在复合片材的其中一个表面上溅射一层Cu-Ni合金膜作为过渡层，然后在过渡层上通过电沉积的方式沉积一层Cu膜。
所选用的泡沫铜厚度为0.02mm，平均孔直径为0.2mm，并且其表面覆盖有一层二氧化锆、二氧化硅、氧化铝的复合材料作为高放热层，通过钎焊的工艺将泡沫铜与经过上述步骤制备的复合片材焊接绑定在一起，钎焊使用熔点为130℃的Sn-In焊膏，最后得到一种无胶贴合的三维高导热高放热片，制备方法流程如图4所示,产品示意图如图2所示，图中21是作为平面热扩散层的石墨烯与树脂混合的复合片材，22是作为过渡层的Cu-Ni合金膜，23是通过电沉积的方式沉积的Cu膜，24是作为焊接层的Sn-In合金，25是泡沫铜。

Claims (11)

1.一种无胶贴合的三维高导热高放热片，包括平面热扩散层、过渡层、焊接绑定层、三维泡沫金属层，其特征在于：
平面热扩散层的一面覆盖有过渡层，过渡层通过焊接绑定层与三维泡沫金属层焊接绑定在一起，组合成一种无胶贴合的三维高导热高放热片，其中：
所述的平面热扩散层是由聚酰亚胺薄膜(Polyimide缩写为PI)经高温碳化、石墨化处理制成的人工合成石墨片，或者是由膨胀石墨制成的柔性石墨纸，或者是导热硅胶片，或者是石墨烯、石墨、膨胀石墨、碳纳米管、氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅、硅中的一种或多种组合与树脂混合的复合片材，其厚度为0.008mm～2mm；
所述的过渡层可以是部分嵌渗在平面热扩散层表面内，另一部分在平面热扩散层表面以外，也可以是直接连接在平面热扩散层表面；
所述三维泡沫金属层是由Ni、Cu、Fe、Al、Ag、Zn、Sn、Cr中的任意一类金属形成的单金属材料，或是上述金属种类中任意两类或两类以上形成的多层金属或者合金，其厚度为0.1mm～200mm，平均孔直径为0.05mm～8mm；
所述的平面方向热扩散层的平面方向导热系数为2W/m·K～2000W/m·K。
2.根据权利要求1所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片，其特征在于所述的平面方向热扩散层是由聚酰亚胺薄膜(Polyimide缩写为PI)经高温碳化、石墨化处理制成的人工合成石墨片，其厚度为0.01mm～0.1mm；或者是由膨胀石墨制成的柔性石墨纸，其厚度为0.02mm～1mm；或者是导热硅胶片，其厚度为0.1mm～2mm；或者是石墨烯与树脂混合的复合片材，其厚度为0.1mm～1mm。
3.根据权利要求1所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片，其特征在于所述的所述的过渡层是由Ti或其氧化物、Si或其氧化物、Ag、Cu、Sn、Cr、Ni、Zn、Bi、In、Sb、Nd中的一种或多种组成。
4.根据权利要求1所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片，其特征在于所述的过渡层嵌渗在平面热扩散层表面内的厚度为1nm～100nm。
5.根据权利要求1所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片，其特征在于所述的焊接绑定层是由Sn、Bi、In、Zn 、Ag、Cu、Sb、Nd中的一种或多种组成。
6.根据权利要求1所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片，其特征在于所述的三维泡沫金属层是由Cu、Al、Ni、Ag中的任意一类金属形成的单金属材料，或是Cu合金、Al合金、Ni合金、Ag合金材料，或者是以前述材料为基体进行表面修饰的多层复合材料，厚度为0.5mm～50mm。
7.据权利要求1所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片，其特征在于所述的三维泡沫金属层的骨架表面覆盖有高放热材料，所述高放热材料包括以下物质的一种或多种：云母、石墨、石墨烯、碳纳米管、镍锡合金、碳化硅、二氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化铁、氧化铜、氧化钴、三氧化二铬、二氧化钛、二氧化锆、二氧化锰、氧化镁、氧化镧。
8.根据权利要求7所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片，其特征在于所述的高放热材料的平均粒径为0.1μm～500μm。
9.根据权利要求1所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片的制备方法，其特征在于通过以下方法制备：
方法一：通过真空磁控溅射、高功率磁控溅射、离子注入、多弧离子镀、真空蒸镀中的其中一种工艺，在平面热扩散层上沉积过渡层，然后通过高频焊、电阻焊、钎焊、超声焊、摩擦焊中的其中一种焊接工艺将平面热扩散层与泡沫金属层焊接绑定在一起；
方法二：通过真空磁控溅射、高功率磁控溅射、离子注入、多弧离子镀、真空蒸镀中的其中一种工艺，在平面热扩散层上沉积过渡层，再通过电沉积的方式，在过渡层上沉积由Ag、Cu、Sn、Bi、In、Cr、Ni、Zn中的任意一类金属形成的单金属材料或是上述金属种类中任意两类或两类以上形成的多层金属或者合金，最后通过高频焊、电阻焊、钎焊、超声焊、摩擦焊中的其中一种焊接工艺将平面热扩散层与泡沫金属层焊接绑定在一起。
10.根据权利要求9所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片的制备方法，其特征在于所述的真空磁控溅射沉积的过渡层为Ti或其氧化物、Si或其氧化物、
Cu、Sn、Cr、Ni，阴极靶与镀件的距离为70～250mm，真空腔室内本体真空度为0.0001Pa～0.07Pa，镀膜时真空腔室内真空度为0.01Pa～0.1Pa，靶功率3瓦/平方厘米～25瓦/平方厘米。
11.根据权利要求9所述的一种无胶贴合的三维高导热高放热片的制备方法，其特征在于所述的钎焊工艺所使用的焊料是由Sn、Bi、In、Zn 、Ag、Cu、Sb、Nd中的一种或多种组成的粉末焊料、焊膏或者箔片，其熔点为130℃～500℃。
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