CN112770592A - 一种提高散热片垂直方向传热性能的方法及散热片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的高散热片垂直方向传热性能的方法通过将含碳散热膜进行加工使得z轴方向上形成孔径为10～1000μm，孔洞密度为25～10000个/cm2的通孔或盲孔，然后将孔洞填满、半填满或者孔壁覆盖具有导热性能的材料，压力定型提高散热片的密度，大大提高散热片z轴方向的热传导系数，当散热片接收热源之后能够从x、y、z三个方向同时传热，从而提高散热片整体的散热效果。本发明提供的散热片的制备方法得到的散热片通过提升垂直方向的热传导系数以及散热片的密度，整体提升散热片的散热性能，提升降温效率高于同等厚度同等膜材料的散热片的30％以上。

Description

一种提高散热片垂直方向传热性能的方法及散热片
技术领域
本发明属于散热材料技术领域，具体涉及一种提高散热片垂直方向传热性能的方法及得到的垂直方向高效传热的散热片。
背景技术
随着通讯和新能源行业的盛行，人们对电子仪器及设备的要求也越来越高。电子仪器和设备朝着轻、薄、短、小、复合式等方面发展，在高频工作条件下，电子元件产生的热量迅速积累、增加，直接影响产品的稳定度。
现有技术的散热材料中以石墨、石墨烯及其复合材料居多。石墨、石墨烯及其复合材料散热片具有许多非常优异的散热特性，例如人造石墨膜，其xy方向热传导率高达1600W/mK，密度约为1.6～1.9g/cm3，同时具柔软性、可挠折以及电磁波遮蔽(EMI)效果，可满足薄型化及高功能化行动智慧装置之散热需求。但其除了有优异的x、y方向热传导率可快速将热往x与y方向散去优点之外，其最大缺点是z方向之热传导率只有3～13W/mK，严重偏低，因此优化z轴导热值是非常重要课题之一，尤其目前散热片不断往高厚度技术发展若能解决z方向热传效率，同时兼具优异的x、y方向热传效率与提升每单位面积热容量即为最高品质。于是现有技术透过将非常多层石墨片贴合堆叠在一起后，再将角度转90度后裁成片材，此制造技术成本非常昂贵。
发明内容
为了解决以上的技术问题，本发明提供一种低成本、易于量产、z轴导热值高的散热片及其制备方法。
本发明的目的是提供一种提高散热片垂直方向传热性能的方法。
本发明的另一目的是提供上述方法得到的散热片的。
本发明提供的提高散热片垂直方向传热性能的方法，包括以下步骤：
(1)取含碳散热膜材，通过加工使膜材的z轴方向形成通孔或盲孔，所述通孔或盲孔的孔径为10～1000μm，孔洞密度为25～10000个/cm2，得到具有孔道的散热膜材；
(2)将导热材料填充至步骤(1)得到的具有孔道的散热膜材中，然后干燥，得到改性散热膜材；
(3)将步骤(2)中得到的改性散热膜材进行压延定型，得到所述垂直方向高效传热的散热片。
本发明所述的孔洞密度是单位面积上孔洞的数量。例如，当孔洞的直径为0.01mm(10μm)，孔洞边距(边缘与孔洞间隙)为0.089mm，间距(孔洞与孔洞间隙)为0.089mm时，孔洞的密度为100×100＝10000个/cm2。当孔洞的直径为1mm(1000μm)，孔洞边距(边缘与孔洞间隙)为0.83mm，间距(孔洞与孔洞间隙)为0.83mm时，孔洞的密度为5×5＝25个/cm2。本发明所述的z轴方向是指垂直于含碳散热膜材平面的垂直方向。
本发明提供的垂直方向高效传热的散热片的制备方法通过将含碳散热膜进行加工使得z轴方向上形成孔径为10～1000μm，孔洞密度为25～10000个/cm2的通孔或盲孔，然后将孔洞填满、半填满或者孔壁覆盖具有导热性能的材料，压力定型提高散热片的密度，大大提高散热片z轴方向的热传导系数，从而提高散热片整体的散热效果。
优选地，步骤(1)中，所述含碳散热膜材包括高碳膜、天然石墨膜、人造石墨膜、石墨烯膜、单壁纳米碳管膜、多壁纳米碳管膜、碳纤维膜中的一种；或包含高碳膜、天然石墨膜、人造石墨膜、石墨烯膜、单壁纳米碳管膜、多壁纳米碳管膜、碳纤维膜中的一种以及导热塑胶片的复合膜，所述导热塑胶片包括聚对苯二甲酸乙酯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯树脂中的一种或多种。本发明提供的含碳散热膜在x与y方向具有良好的散热效果。
本发明提供的含碳膜材中，高碳膜是碳含量高于97％的膜材。
优选地，步骤(1)中，所述含碳散热膜的厚度为30～500μm。含碳散热膜的厚度也是影响散热效果的关键因素，本发明采用的含碳散热膜在上述的厚度，能够保证x与y方向上具有良好的散热效果。
优选地，步骤(1)中，通过雷射加工、机械加工、化学蚀刻的加工方式使膜材的z轴方向形成通孔或盲孔。本发明通过雷射加工、机械加工或者化学蚀刻的方式，能够使得膜材的z轴方向上形成均匀的通孔或盲孔。
优选地，步骤(2)中，所述导热材料的粒径为1～5000nm。本发明提供采用的导热材料中微粒的粒径在1～5000nm，纤维的最大长度小于5000nm。
优选地，步骤(2)中，所述导热材料包括镍、铜、铝、铬、锌、金、锡、银或其合金；天然石墨、人造石墨、中间相碳、中间相沥青、中间相碳微球、单壁纳米碳管、多壁纳米碳管、碳纤维、石墨烯、活性碳、碳黑、碳化硅、钻石粉、银钯合金、铂、镍、金、铝、铜、银、氮化铝、氮化硼、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化铍、导热油墨中的一种或多种。本发明采用具有良好的导热性能的材料作为填充料，填充至通孔或者盲孔中，提高散热片的z轴方向导热性能。本发明采用的石墨烯可以是10～30层的多层石墨烯也可以是3～10层的少层石墨烯。
优选地，步骤(2)中，所述填充的方法包括化学电镀、丝网印刷、超音波喷涂、蒸镀和溅镀中的一种或多种。
本发明采用化学电镀的方式能够在通孔或者盲孔中电镀金属材料以提升散热片的z向热传导能力，当采用化学电镀的方式时电镀材料包括镍、铜、铝、铬、锌、金、锡、银或其合金；当采用丝网印刷的方法时，能够导热填充料填充于油墨中，形成以导热油墨，然后通过丝网印刷手段将导热油墨填充至通孔或盲孔中，然后干燥使得溶剂挥发，提升散热片z向上的热传导能力。当采用丝网印刷的方式时，填充材料包括天然石墨、人造石墨、中间相碳、中间相沥青、中间相碳微球、单壁纳米碳管、多壁纳米碳管、碳纤维、石墨烯、活性碳、碳黑、碳化硅、钻石粉、银钯合金、铂、镍、金、铝、铜、银、氮化铝、氮化硼、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化铍中的一种；本发明也能够采用超音波喷涂的方法，采用超音波喷涂时通过将导热填料加入到分散液中形成导热分散液，然后喷涂于孔中，提升散热片z向上的热传导能力。当采用超音波喷涂的方法时，其填充料与丝网印刷的填充料相同。
优选地，步骤(2)中，所述干燥的温度为50～200℃，时间为0.5～2h。本发明在上述的干燥条件下，依据孔洞的大小以及膜材的厚度进行干燥，使孔洞内导热材料完全干燥。
优选地，步骤(3)中，将所述改性散热膜材压延至含碳散热膜材厚度的30～99％。
本发明提供上述的制备方法得到的垂直方向高效传热的散热片。本发明提供的垂直方向高效传热的散热片，在靠近热源时，由于其克服了材料本身垂直方向热传导性能差的缺点，散热方向，可以是x、y、z三个方向同时传热，从而有效提高散热效率。而传统的散热材料由于垂直方向的热传导系数低，导热效果差，因此散热片整体的散热效果偏差。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的高散热片垂直方向传热性能的方法通过将含碳散热膜进行加工使得z轴方向上形成孔径为10～1000μm，孔洞密度为25～10000个/cm2的通孔或盲孔，然后将孔洞填满、半填满或者孔壁覆盖具有导热性能的材料，压力定型提高散热片的密度，大大提高散热片z轴方向的热传导系数，当散热片接收热源之后能够从x、y、z三个方向同时传热，从而提高散热片整体的散热效果。本发明提供的方法成本低，易于量产。
2.本发明提供的散热片的制备方法得到的散热片通过提升垂直方向的热传导系数以及散热片的密度，整体提升散热片的散热性能，提升降温效率高于同等厚度同等膜材料的散热片的30％以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例4步骤(1)得到的具有孔道的人造石墨膜的示意图；
图2是实施例4的具有孔道的人造石墨膜的局部单孔结构示意图；
图3a是通孔半填满状态示意图；
图3b是通孔填满状态示意图；
图3c是通孔孔壁覆盖状态示意图；
图4是现有技术的散热片的散热途径示意图；
图5是本发明提供的散热片的散热途径示意图；
图6是不同散热材料的散热效率和z向热传导系数图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
实施例1
一种提高散热片垂直方向传热性能的方法，包括以下步骤：
(1)取厚度为500μm的人造石墨膜，通过雷射加工使膜材的z轴方向形成通孔或盲孔，所述通孔或盲孔的孔径为10～100μm，孔洞密度为100～10000个/cm2，得到具有孔道的人造石墨膜；
(2)将铜和多层石墨烯(10～30层)采用化学电镀和超音波喷涂的方式填充至步骤(1)得到的具有孔道的人造石墨膜中，所述铜和多层石墨烯的粒径为1～100nm，然后在100℃干燥2h，得到改性散热膜材；
(3)将步骤(2)中得到的改性散热膜材进行压延至人造石墨膜厚度的80％定型，得到垂直方向高效传热的散热片。
实施例2
一种提高散热片垂直方向传热性能的方法，包括以下步骤：
(1)取厚度为300μm的石墨烯膜，通过机械加工使膜材的z轴方向形成通孔或盲孔，所述通孔或盲孔的孔径为800～1000μm，孔洞密度为25～100个/cm2，得到具有孔道的石墨烯膜；
(2)将中间相碳采用超音波喷涂的方式填充至步骤(1)得到的具有孔道的石墨烯膜中，所述中间相碳的粒径为1～300nm，然后在50℃干燥0.5h，得到改性散热膜材；
(3)将步骤(2)中得到的改性散热膜材进行压延至石墨烯膜厚度的30％定型，得到垂直方向高效传热的散热片。
实施例3
一种提高散热片垂直方向传热性能的方法，包括以下步骤：
(1)取厚度为30μm的高碳膜，通过化学蚀刻加工使膜材的z轴方向形成通孔或盲孔，所述通孔或盲孔的孔径为10～20μm，孔洞密度为400～2500个/cm2，得到具有孔道的高碳膜；
(2)将铝采用丝网印刷的方式填充至步骤(1)得到的具有孔道的高碳膜中，所述铝的粒径为3000～5000nm，然后在200℃干燥1h，得到改性散热膜材；
(3)将步骤(2)中得到的改性散热膜材进行压延至高碳膜膜厚度的99％定型，得到垂直方向高效传热的散热片。
实施例4
一种提高散热片垂直方向传热性能的方法，包括以下步骤：
(1)取厚度为90μm的人造石墨膜，通过机械加工使膜材的z轴方向形成通孔或盲孔，所述通孔或盲孔的孔径为10～100μm，孔洞密度为100～10000个/cm2，得到具有孔道的人造石墨膜；
(2)将铜、银和人造石墨采用化学电镀和超音波喷涂的方式填充至步骤(1)得到的具有孔道的人造石墨膜中，所述铜、银和人造石墨的粒径为1～100nm，然后在150℃干燥1h，得到改性散热膜材；
(3)将步骤(2)中得到的改性散热膜材进行压延至人造石墨膜厚度的90％定型，得到垂直方向高效传热的散热片。
试验例
1.本发明实施例4的方法步骤(1)得到的具有孔道的人造石墨膜的宏观图和局部示意图如图1-3c所示。
从图中可以看出，本发明提供的方法能够在现有的导热膜材上加工出大小不等的孔，然后在孔中填充导热性能良好的导热材料，从而有效提高散热材料z轴方向的散热性能，保证散热材料在接收热量之后，能够从x、y、z方向同时高效传热。
2.本发明实施例4得到的散热片与现有技术的人造石墨散热片在靠近热源之后的散热路径如图4-5所示；其中现有技术的人造石墨散热片为Panasonic株式会社，PGS-70。
从图4-5中可以看出，现有技术中的散热材料在接收热量之后，仅能在平面上进行传热，而本发明提供的散热片在接收热量之后，能够从x、y、z方向同时高效传热。在靠近同一热源(温度120℃)，经过相同时间10s之后现有技术中的散热片上方的温度为65℃，而本发明的散热片的上方的温度为85℃，由于现有技术的人造石墨片的z轴热传导系数3～13W/mk，热模拟结果下，现有技术的人造石墨片的温度差为55℃，相较于本发明的散热片高出20℃。这说明本发明提供的散热片有效提升z轴方向的热传导能力。
3.取实施例4得到的散热片、现有技术的人造石墨片、现有技术的导热塑胶、现有技术的中阶散热膏、现有技术的高阶散热膏、铝箔，它们的厚度均为70±10μm。然后将它们分别贴附于同一热源，在提供热源6min后，以热成像仪拍摄热成像图，观察不同组与热源的温差，计算散热效率，并统计z向热传导系数，结果见图6所示。其中PGS-70为现有技术的人造石墨片，Z-70为本发明实施例4得到的散热片，TP-M为现有技术中阶散热膏，TP-P为现有技术高阶散热膏。
其中：现有技术的人造石墨片为Panasonic株式会社，PGS-70；
现有技术的导热塑胶为东丽株式会社，H310EB；
现有技术的中阶散热膏为信越化学工业株式会社，7921；
现有技术的高阶散热膏为利民科技，TF8。
从图6的结果可以看出，现有技术中的导热塑胶、人造石墨片以及中阶导热膏、高阶导热膏的z向热传导系数均较低，其中导热塑胶的z向热传导系数在0.1～3W/mk，现有技术的人造石墨片的z向热传导系数在13W/mk左右，现有技术中的中阶导热膏的z向热传导系数在2～6W/mk，现有技术中的高阶导热膏的z向热传导系数在10～20W/mk，而本发明提供的方法得到的散热片在同等厚度的情况下，其z向热传导系数在20W/mk以上。现有技术中具有散热效果最好的铝箔的散热效率也远远低于本发明提供的同等厚度的散热片。这说明本发明提供的散热片具有无比优异的散热效果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种提高散热片垂直方向传热性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取含碳散热膜材，通过加工使膜材的z轴方向形成通孔或盲孔，所述通孔或盲孔的孔径为10～1000μm，孔洞密度为25～10000个/cm2，得到具有孔道的散热膜材；
(2)将导热材料填充至步骤(1)得到的具有孔道的散热膜材中，然后干燥，得到改性散热膜材；
(3)将步骤(2)中得到的改性散热膜材进行压延定型，得到垂直方向高效传热的散热片。
2.根据权利要求1所述的提高散热片垂直方向传热性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述含碳散热膜材包括高碳膜、天然石墨膜、人造石墨膜、石墨烯膜、单壁纳米碳管膜、多壁纳米碳管膜、碳纤维膜中的一种；或包含高碳膜、天然石墨膜、人造石墨膜、石墨烯膜、单壁纳米碳管膜、多壁纳米碳管膜、碳纤维膜中的一种以及导热塑胶片的复合膜，所述导热塑胶片包括聚对苯二甲酸乙酯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯树脂中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的提高散热片垂直方向传热性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述含碳散热膜的厚度为30～500μm。
4.根据权利要求1所述的提高散热片垂直方向传热性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，通过雷射加工、机械加工、化学蚀刻的加工方式使膜材的z轴方向形成通孔或盲孔。
5.根据权利要求1所述的提高散热片垂直方向传热性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述导热材料的粒径为1～5000nm。
6.根据权利要求1所述的提高散热片垂直方向传热性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述导热材料包括镍、铜、铝、铬、锌、金、锡、银或其合金；天然石墨、人造石墨、中间相碳、中间相沥青、中间相碳微球、单壁纳米碳管、多壁纳米碳管、碳纤维、石墨烯、活性碳、碳黑、碳化硅、钻石粉、银钯合金、铂、镍、金、铝、铜、银、氮化铝、氮化硼、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化铍、导热导热油墨中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的提高散热片垂直方向传热性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述填充的方法包括化学电镀、丝网印刷、超音波喷涂、蒸镀和溅镀中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的提高散热片垂直方向传热性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述干燥的温度为50～200℃，时间为0.5～2h。
9.根据权利要求1所述的提高散热片垂直方向传热性能的方法，其特征在于，步骤(3)中，将所述改性散热膜材压延至含碳散热膜材厚度的30～99％。
10.权利要求1～9任一所述的方法得到的垂直方向高效传热的散热片。
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