CN109346448B - 一种石墨烯复合冷板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种石墨烯复合冷板及其制备方法，包括复合冷板本体和石墨烯复合膜；所述的复合冷板本体的顶部设置有内凹的散热腔体，散热腔体对应热源位置处设置有竖直布置的针状阵列导热柱；所述的石墨烯复合膜粘贴铺设在散热腔体内，且穿过针状阵列导热柱与针状阵列导热柱的纵向圆柱面导热结合。在石墨复合冷板基础上通过将高分子石墨烯复合膜安装在布置有针状阵列导热柱的铝合金散热腔体内，可实现复合冷板在纵向方向的快速传导，有效解决平面高导热石墨复合冷板的纵向传热差和导热能力不足的问题，提升其纵向导热能力，使复合冷板的散热能力得到极大的提升，从而提升复合冷板的整体散热性能。

Description

一种石墨烯复合冷板及其制备方法
技术领域
本发明涉及高功耗环境下的加固印制板卡领域，具体为一种石墨烯复合冷板及其制备方法。
背景技术
随着电子技术的快速发展，电子元器件体积不断缩小，大功率电子元器件会产生大量的热，若不采取有效的热管理措施，将热量传递出去，器件会受到损伤甚至损坏。石墨是一种很好的导热材料，具有层状结构、各向异性，其平面热导率可达150-1800W/(m·K)。同时石墨的密度较低，理论密度只有 2.2g/cm3，是一种具有广阔应用前景的轻质导热材料。
常用石墨膜或者石墨片包括如下几大类：1)第一类，由膨胀石墨辊压而成的膨胀石墨膜，又称膨胀石墨纸、柔性石墨纸，是以石墨为原料制备膨胀石墨，然后将膨胀石墨辊压(又名压延)而成的石墨膜，如发明专利 CN1926060B(膨胀石墨薄片)所代表的膨胀石墨膜；2)第二类，由高分子薄膜碳化、石墨化并辊压而成的石墨膜，也称热解石墨膜，是指以高分子薄膜为原料，如聚酰亚胺、聚酰胺，经碳化、石墨化并辊压而成的石墨膜，如发明专利CN102838107 B(一种高导热石墨膜的制造方法及系统)和发明专利CN103193221 B(石墨膜及其制造方法)所代表的石墨膜；3)第三类，由氧化石墨烯经成膜、还原而成的石墨膜，又称rGO石墨膜(rGO， reduced graphene oxide)，是指以天然鳞片石墨为原料，将其制备成氧化石墨烯，然后将氧化石墨烯成膜，再经化学还原或者热还原而成的石墨膜，也称石墨烯膜，如文章Ultrathin Flexible Graphene Film:An Excellent Thermal ConductingMaterial with Efficient EMI Shielding(Advanced Functional Materials,24(2014),4542–4548)和文章Thermally reduced graphene oxide films as flexible lateralheat spreaders(J.Mater.Chem.A,2(2014),16563-16568) 所报道的石墨膜；4)第四类，其他以石墨为主体的导热石墨膜，是指上述三类石墨膜以外的以石墨为主体的导热石墨膜，如发明专利CN102874795 B(一种基于纳米石墨薄片的碳纳米薄膜及其制备方法)所报道的石墨膜。所有这些石墨膜的平面热导率超过50W/(m·K)，石墨膜的厚度为1000-2000 μm。
但石墨膜也有一定的缺点限制了其广泛应用。首先，石墨膜的拉伸强度不高，一般在3-30MPa，虽有一定柔性，但易断、易碎；其次，目前各种石墨膜的厚度有限，一般在几十微米左右，膨胀石墨膜可达毫米级别，导致其热流通量较小，限制了其应用范围。因此，制备一种具有一定强度、低密度的高导热石墨复合体能有效解决相关传导散热难题。
由于石墨膜为片状，呈现出非常明显的各向异性，平面热导率超过 150-1800W/(m·K)，而垂直于平面方向的热导率则小于10W/(m·K)。为克服上述问题，常采用石墨膜与金属、无机物或者高分子材料复合的方法。发明专利CN103258802A(专利文献1，石墨结构体及使用该石墨结构体的电子器件)的方法是在多层石墨膜上打孔，再生长一层金属层，来制备石墨膜金属结构体。发明专利CN103663407A(碳纸叠层复合隔热内衬)在石墨膜上涂覆高分子粘结剂和耐高温涂料，经固化、碳化、成型、提纯，制备碳纸叠层复合体。发明专利CN104691036A(专利文献2，一种高导热石墨复合块及其制备方法)通过高分子粘结层将一端弯曲的石墨膜在压力作用下制成高导热石墨复合块，但工艺较为复杂，需要将石墨膜与粘结剂一层层交替堆叠，工作量较大，而且制备的石墨膜复合块的层间结合力不高。申请专利 CN104669702 A(专利文献3，受理，一种石墨导热膜复合块及其制作方法) 将石墨膜打孔后与粘结膜叠层，粘结膜除连接石墨膜外，还会通过贯穿孔渗出，与热源相连，起到降低石墨膜与热源之间的接触热阻的作用，但制备的石墨膜导热复合块的厚度过小，只有5-100μm，传热时热通量太小，而且石墨膜很脆不易打孔；
从而导致现有技术中无法将石墨应用到复合冷板上，现有的石墨膜用来导热的不仅其在纵向的导热极差，而且厚度小，整体的导热通量小，无法满足使用需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种石墨烯复合冷板及其制备方法，在石墨复合冷板基础上通过将高分子石墨烯复合膜安装在布置有针状阵列导热柱的铝合金散热腔体内，可实现复合冷板在纵向方向的快速传导，有效解决平面高导热石墨复合冷板的纵向传热差和导热能力不足的问题，提升其纵向导热能力，使复合冷板的散热能力得到极大的提升，从而提升复合冷板的整体散热性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种石墨烯复合冷板，包括复合冷板本体和石墨烯复合膜；所述的复合冷板本体的顶部设置有内凹的散热腔体，散热腔体对应热源位置处设置有竖直布置的针状阵列导热柱；所述的石墨烯复合膜粘贴铺设在散热腔体内，且穿过针状阵列导热柱与针状阵列导热柱的纵向圆柱面导热结合。
优选的，所述的针状阵列导热柱包括若干个呈阵列排列的纵向导热圆柱，每个纵向导热圆柱与复合冷板本体呈一体结构。
优选的，所述的石墨烯复合膜采用石墨烯薄膜与高分子粘结剂层叠复合制成。
优选的，所述的散热腔体上设置有盖板，盖板与复合冷板本体四周固定将石墨烯复合膜压合固定在散热腔体中。
优选的，所述复合冷板本体对应热源位置处的底部呈凸起设置，通过导热膜与作为热源的芯片器件导热连接。
优选的，所述的复合冷板本体、散热腔体和针状阵列导热柱均采用铝合金制成。
一种如上述任意一项所述的石墨烯复合冷板制备方法，包括步骤如下：
a.制作石墨烯复合膜：将石墨烯薄膜与高分子粘结剂叠层形成石墨烯复合膜；
b.石墨烯复合膜和针状阵列导热柱贴合：通过热压机，将石墨烯复合膜挤压穿过在散热腔体对应热源位置处加工的一组针状阵列导热柱，使针状阵列导热柱纵向圆柱面与石墨烯复合膜导热结合。
进一步，所述的高分子粘结剂采用环氧树脂。
再进一步，所述的石墨烯薄膜与高分子粘结剂呈均匀间隔叠层设置。
再进一步，所述的石墨烯薄膜厚度为20-30um。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在复合冷板本体的散热腔体对应热源位置处加工一组针状阵列导热柱，通过热压机将石墨烯复合膜挤压穿过针状阵列导热柱，保证针状导热柱纵向圆柱面与石墨烯复合膜有效结合；通过该结构，热源的热量传递到针状导热柱的纵向圆柱面上，再由针状导热柱的纵向圆柱面传递到复合冷板本体上，使复合冷板本体的散热能力得到极大的提升；本发明应用于高功耗加固印制板卡的散热冷板，可明显提升复合冷板的整体散热能力，实现低密度的高效散热冷板，对于整体结构减重以及功耗器件的安全、可靠、高效运行都具有重要价值。
进一步的，采用的针状阵列导热柱包括若干个呈阵列排列的纵向导热圆柱，且每个纵向导热圆柱与复合冷板本体呈一体结构，能有效提高纵向传导效率和导热能力。
进一步的，通过将石墨烯薄膜与高分子粘结剂叠层形成石墨烯复合膜，其平面热导率很高，超过800W/(m·K)，可实现低密度高散热性能的复合冷板，应用于高功耗加固板卡的元器件散热，安全可靠，效率较高。
进一步的，采用在散热腔体上设置盖板，并且使盖板与复合冷板本体四周固定，可以有效的将石墨烯复合膜压合固定在散热腔体中，安全可靠，从而提高整体导热性能。
进一步的，过复合冷板本体对应热源位置处的底部呈凸起设置，并通过导热膜与作为热源的芯片器件导热连接，能有效提高导热能力，保证复合冷板的散热能力得到极大的提升。
进一步的，采用铝合金制成复合冷板本体、散热腔体和针状阵列导热柱，安全质轻且明显提高了机械性能，保证了整体结构减重以及功耗器件的安全可靠的运行。
本发明所述的方法通过将厚度为20-30um的石墨烯薄膜与环氧树脂高分子粘结剂呈均匀间隔叠层形成石墨烯复合膜，有效提高了热导率，并将石墨烯复合膜挤压穿过在散热腔体对应热源位置处加工的一组针状阵列导热柱，使针状阵列导热柱纵向圆柱面与石墨烯复合膜导热结合，从而使热源的热量传递到针状导热柱的纵向圆柱面上，再由针状导热柱的纵向圆柱面传递到复合冷板本体上，使复合冷板本体的散热能力得到极大的提升，高效可靠，安全性和散热性能较高，导热能力强。
附图说明
图1为本发明中石墨烯复合膜结构示意图。
图2为本发明中针状阵列导热柱结构示意图。
图3为本发明的中复合冷板本体的截面结构示意图。
图中：复合冷板本体1，散热腔体2，针状阵列导热柱3，石墨烯复合膜4，盖板5，导热膜6，芯片器件7，印制板卡8，石墨烯薄膜11，高分子粘结剂12。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
本发明一种石墨烯复合冷板，包括复合冷板本体1、散热腔体2、针状阵列导热柱3、石墨烯复合膜4、盖板5和导热膜6；所述的复合冷板本体 1的顶部设置有内凹的散热腔体2，散热腔体2对应热源位置处设置有竖直布置的针状阵列导热柱3；所述的复合冷板本体1对应热源位置处的底部呈凸起设置，通过导热膜6与作为热源的芯片器件7导热连接；所述的散热腔体2上设置有盖板5，盖板5与复合冷板本体1四周固定将石墨烯复合膜4 压合固定在散热腔体2中；所述的针状阵列导热柱3包括若干个呈阵列排列的纵向导热圆柱，每个纵向导热圆柱与复合冷板本体1呈一体结构；所述的石墨烯复合膜4采用石墨烯薄膜11与高分子粘结剂12层叠复合制成，其粘贴铺设在散热腔体2内，且穿过针状阵列导热柱3与针状阵列导热柱3的纵向圆柱面导热结合；
其中，复合冷板本体1、散热腔体2和针状阵列导热柱3均采用铝合金制成。
在实际应用中，如图1所示，将石墨烯薄膜11与高分子粘结剂12叠层形成层叠结构的石墨烯复合膜4；如图2所示，在铝合金散热腔体2对应热源位置处加工一组针状阵列导热柱3；如图3所示，通过热压机将石墨烯复合膜4挤压穿过针状阵列导热柱3，保证针状阵列导热柱3纵向圆柱面与石墨烯复合膜4有效结合，且散热腔体2内的针状阵列导热柱3的范围覆盖复合冷板本体1底部的凸起范围；通过该结构，印制板卡8上的芯片器件7的热量通过导热膜6传递到纵向针状阵列导热柱3上，再由纵向针状阵列导热柱3传递到挤压石墨烯复合膜4的复合冷板本体1，快速传导至冷端，具体的复合冷板本体1内部结构如图3所示。
实施例2
本发明一种石墨烯复合冷板及其制备方法，其步骤如下：
a.制作石墨烯复合膜4：将石墨烯薄膜11与高分子粘结剂12叠层形成石墨烯复合膜4；
b.石墨烯复合膜4和针状阵列导热柱3贴合：通过热压机，将石墨烯复合膜4挤压穿过在散热腔体2对应热源位置处加工的一组针状阵列导热柱3，使针状阵列导热柱3纵向圆柱面与石墨烯复合膜4导热结合。
其中，高分子粘结剂12采用环氧树脂；
其中，石墨烯薄膜11与高分子粘结剂12呈均匀间隔叠层设置，并通过底层的高分子粘结剂12将其粘接在散热腔体2内；
其中，石墨烯薄膜11厚度为20-30um。

Claims (7)

1.一种石墨烯复合冷板，其特征在于：包括复合冷板本体(1)和石墨烯复合膜(4)；所述的复合冷板本体(1)的顶部设置有内凹的散热腔体(2)，散热腔体(2)对应热源位置处设置有竖直布置的针状阵列导热柱(3)；所述的石墨烯复合膜(4)粘贴铺设在散热腔体(2)内，且穿过针状阵列导热柱(3)与针状阵列导热柱(3)的纵向圆柱面导热结合；
所述的针状阵列导热柱(3)包括若干个呈阵列排列的纵向导热圆柱，每个纵向导热圆柱与复合冷板本体(1)呈一体结构；
所述的石墨烯复合膜(4)采用石墨烯薄膜(11)与高分子粘结剂(12)层叠复合制成；
所述的散热腔体(2)上设置有盖板(5)，盖板(5)与复合冷板本体(1)四周固定将石墨烯复合膜(4)压合固定在散热腔体(2)中。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合冷板，其特征在于：所述复合冷板本体(1)对应热源位置处的底部呈凸起设置，通过导热膜(6)与作为热源的芯片器件(7)导热连接。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合冷板，其特征在于：所述的复合冷板本体(1)、散热腔体(2)和针状阵列导热柱(3)均采用铝合金制成。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述的石墨烯复合冷板制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
a.制作石墨烯复合膜(4)：将石墨烯薄膜(11)与高分子粘结剂(12)叠层形成石墨烯复合膜(4)；
b.石墨烯复合膜(4)和针状阵列导热柱(3)贴合：通过热压机，将石墨烯复合膜(4)挤压穿过在散热腔体(2)对应热源位置处加工的一组针状阵列导热柱(3)，使针状阵列导热柱(3)纵向圆柱面与石墨烯复合膜(4)导热结合。
5.根据权利要求4所述的一种石墨烯复合冷板制备方法，其特征在于，所述的高分子粘结剂(12)采用环氧树脂。
6.根据权利要求4所述的一种石墨烯复合冷板制备方法，其特征在于，所述的石墨烯薄膜(11)与高分子粘结剂(12)呈均匀间隔叠层设置。
7.根据权利要求4或6所述的一种石墨烯复合冷板制备方法，其特征在于，所述的石墨烯薄膜(11)厚度为20-30um。
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