CN114055864A - 一种复合结构导热板及其制备方法和应用 - Google Patents

一种复合结构导热板及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合结构导热板及其制备方法和应用。其中复合结构导热板包括m个金属层和n个石墨层；m个所述金属层和n个所述石墨层交替排列，并采用真空扩散连接工艺进行组装。上述复合结构导热板采用韧性金属箔与柔性高导热石墨膜多层复合结构，借助金属箔和石墨膜的特性，可以柔性地实现各种复杂异形结构，并综合来解决纯高导热石墨类材料的各类问题。

Description

一种复合结构导热板及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及材料热能控制技术领域，特别是涉及一种复合结构导热板及其制备方法和应用。
背景技术
伴随着电子芯片行业的发展，芯片的功率密度持续增加，功耗越来越大，产热量越来越高，已经严重影响芯片的工作稳定性，进而对散热技术的要求越来越高。
散热技术中涉及原材料，基础设计，制造工艺等。在目前已知的结构材料中，铜(～380W/(m.K))和铝(150～200W/(m.K))的热导率高，常作为散热结构材料，甚至某些特殊场合，例如高温抗腐蚀要求高的场合，钢(30～50W/(m.K))和钛(～15W/(m.K))热导率非常低的材料，也被用作散热结构材料；需要材料具备低膨胀的场合，金刚石/铜(400～700W/(m.K))、钼铜(150～200W/(m.K))、碳化硅/铝(160～210W/(m.K))等复合材料，也被用作散热结构材料。
近年来，固态高导热石墨类材料受到更多关注，特别是退火态热解石墨，该材料的热导率具备方向性，平面方向热导率达到1200-1800W/(m.K)，厚度方向热导率仅为8-15W/(m.K)，借助于该材料平面方向的高热导，可以快速的实现热量的扩散和传导，是一种把点热源快速向四周分散的良好解决途径。但是，退火态热解石墨制备需要通过高温气相沉积和超高温石墨化，工艺非常复杂，具有周期长，大尺寸制备难度大等特点。另外该材料的原材料尺寸不规则，本身强度低，加工困难，易折断，价格昂贵等特点，限制了该材料的推广应用。此外，退火态热解石墨也难以满足三维形状设计需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中退火态热解石墨制备工艺复杂价格昂贵且无法满足三维设计需求的技术缺陷，而提供一种复合结构导热板，采用韧性金属箔与柔性高导热石墨膜多层复合结构，借助金属箔和石墨膜的特性，可以柔性地实现各种复杂异形结构，并综合来解决纯高导热石墨类材料的各类问题。
本发明的另一方面，是提供上述复合结构导热板的制备方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种复合结构导热板，包括m个金属层和n个石墨层；
m个所述金属层和n个所述石墨层交替排列，并采用真空扩散连接工艺进行组装。真空扩散连接工艺可以有效填充材料之间的空隙，提高金属层与石墨层之间的连接强度，降低金属层与石墨层之间的接触热阻。采用真空扩散连接工艺组装后，金属层与石墨层之间的连接强度可以达到17MPa，满足一般使用要求。
在上述技术方案中，所述金属层的厚度为0.005-0.1mm；
所述石墨层的厚度为0.01-0.15mm。石墨膜的平面热导率跟石墨膜的厚度存在一定关系，一般来讲石墨膜越厚，其热导率越低。
在上述技术方案中，所述石墨层为天然合成的石墨膜、高分子有机物膜制备石墨膜或石墨烯组装石墨膜。
其中，天然合成的石墨膜热导率偏低，平面热导率一般不高于800W/(m.K)；高分子有机物膜制备石墨膜热导率适中，平面热导率1200～1700W/(m.K)；石墨烯组装石墨膜平面热导率最高可达1900W/(m.K)以上。
在上述技术方案中，所述金属层为金属箔；所述金属箔为铜箔、金箔或钛合金箔；
所述铜箔优选为无氧铜。
在上述技术方案中，m＝n+1，此时外层为金属箔，石墨膜完全被金属箔封闭，保证结构的高可靠性。
或者，n＝m+1，此时外层为石墨膜；
或者，m＝n，此时外层一侧为金属箔，另一侧为石墨膜。
在上述技术方案中，其制备方法包括以下步骤：
步骤1：将m片金属箔进行机械打磨或双面激光清洗；确保金属表面干净，同时粗糙化处理(采用不锈钢刷子，在表面进行打磨)，有助于提高界面的结合强度；
将石墨膜进行真空热烘来排除吸收的潮气等；
步骤2：把清洗好的m片金属箔和n片石墨膜交替组装叠加得到预制件；
步骤3：将所得预制件采用真空扩散连接工艺进行组装得复合结构导热板。
在上述技术方案中，所述金属层为金属镀膜；所述石墨层为石墨基膜；m＝n；
所述金属镀膜为铜合金镀膜、金合金镀膜或钛合金镀膜。
在上述技术方案中，其制备方法包括以下步骤：
步骤1：对石墨基膜进行真空镀膜，在石墨基膜的一侧平面上镀金属镀膜，得到镀膜石墨膜；
步骤2：将所得镀膜石墨膜按照相同方向进行组装叠加得到预制件；
步骤3：将所得预制件采用真空扩散连接工艺进行组装得复合结构导热板。
在上述技术方案中，所述真空扩散连接工艺参数为，将所得预制件放置于真空热压炉，抽取真空至1.0×10-1～5.0×10-3Pa，开启加热，按照1～5℃/min的升温速率，加热至880～1000℃，保温1～3h，施加20～40吨压力，继续保温1～3h，停止加压，随炉冷却至室温，开炉取出工件。
本发明的另一方面，上述复合结构导热板在三维导热材料和柔性导热材料中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的复合结构导热板，尺寸设计灵活，厚度依靠叠加层数和箔膜的厚度确定，基本满足大多数尺寸要求。
2.本发明提供的复合结构导热板，热导率具备方向性，厚度方向等效热导率(10～20W/(m.K))高于退火态热解石墨或高热导率石墨烯板(8～15W/(m.K))，平面方向等效热导率(950-1300)相比较于退火态热解石墨或石墨烯板(1100～1700W/(m.K))损失较小。对于非单一平面或三维方向需要导热的结构来说，具备突出的优势。
3.本发明提供的复合结构导热板，热导率和拉伸强度具备一定程度的可设计性。通过调整金属箔与石墨膜的厚度比例、金属箔的材质、石墨膜自身的厚度种类等获，设计获得不同需求的复合结构导热板。
4.本发明提供的复合结构导热板的制备方法，使用真空热压进行复合连接，可以进行有效填充材料之间的空隙，提高连接强度，降低不同材质之间的接触热阻。同时该制备方法制备周期短，加工成型性能好，不用开模具，成本低。
附图说明
图1所示为复合结构导热板的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
设计目标：一种复合结构导热板，厚度为2mm，大小尺寸为190×100mm。厚度方向的等效热导率>12W/(m.K)，平面方向的等效热导率为>950W/(m.K)。
设计方案1：一种复合结构导热板，包括26片金属箔和25片石墨膜(东莞市兴瑞新能源有限公司，型号GST070)；所述金属箔厚度为0.01mm，尺寸为200mm×110mm。所述石墨膜厚度为0.07mm，尺寸为196mm×102mm；所述石墨膜厚度方向的热导率为15W/(m.K)，平面方向的热导率为1400W/(m.K)。
上述复合结构导热板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将金属箔进行双面激光清洗(激光清洗设备总功率200瓦)；
步骤2：把清洗好的金属箔和石墨膜按照尺寸进行裁剪，按照金属箔-石墨膜-金属箔-石墨膜-金属箔···金属箔-石墨膜-金属箔的方式进行组装叠加得到预制件，如图1所示；
步骤3：将所得预制件采用真空扩散连接工艺进行组装得复合结构导热板。
其中，真空扩散连接工艺参数为，将所得预制件放置于真空热压炉，抽取真空至5.0×10-3Pa，开启加热，按照5℃/min的升温速率，加热至880℃，保温1h，施加22吨压力，继续保温1.5h，停止加压，随炉冷却至室温，开炉取出工件。
采用机械加工的办法去除四周余量，得到尺寸190×100mm，厚度为2mm的复合结构导热板。
在上述设计方案中，金属箔可以选用铜箔、金箔或钛合金箔；所述铜箔为无氧铜。其制备所得的复合结构导热板的性能参数如下表所示：
Figure BDA0003341130310000041
从上表可以看出，本实施例中设计的三种复合结构导热板，其厚度方向的等效热导率和平面方向的等效热导率均满足设计预期要求。
依据本实施例中的制备方法，根据设计要求改变金属箔和石墨膜的片数，或者改变最外侧设置，例如最外层均为石墨膜，或者一侧为金属箔一侧为石墨膜，均能制备复合结构导热板，且表现出良好的导热性能。
实施例2
设计目标：一种复合结构导热板，厚度为～3mm，尺寸为250mm×150mm，厚度方向的等效热导率>30W/(m.K)，平面方向的等效热导率为>900W/(m.K)。
设计方案：一种复合结构导热板，包括26片铜箔和25片石墨膜；其中所述铜箔选用厚度为0.05mm，尺寸为270mm×170mm的无氧铜，所述铜箔的热导率为390W/(m.K)。所述石墨膜厚度为0.07mm，尺寸为270mm×170mm；所述石墨膜厚度方向的热导率为15W/(m.K)，平面方向的热导率为1400W/(m.K)。
上述复合结构导热板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将铜箔进行双面激光清洗；
步骤2：把清洗好的铜箔和石墨膜按照尺寸进行裁剪，按照铜箔-石墨膜-铜箔-石墨膜-铜箔···铜箔-石墨膜-铜箔的方式进行组装叠加得到预制件，如图1所示；
步骤3：将所得预制件采用真空扩散连接工艺进行组装得复合结构导热板。
其中，真空扩散连接工艺参数为，将所得预制件放置于真空热压炉，抽取真空至5.0×10-3Pa，开启加热，按照5℃/min的升温速率，加热至980℃，保温1h，施加22吨压力，继续保温1.5h，停止加压，随炉冷却至室温，开炉取出工件。
采用机械加工的办法去除四周余量，得到尺寸250×150mm，厚度～3mm的复合结构导热板。
经测试，该复合结构导热板厚度方向的等效热导率为37W/(m.K)，平面方向的等效热导率为940W/(m.K)，并且平面方向的拉伸强度为210MPa左右，明显高于石墨本身，满足设计预期要求。
实施例3
设计目标：一种复合结构导热板，厚度为～2mm，尺寸为100mm×100mm；厚度方向的等效热导率>20W/(m.K)，平面方向的等效热导率为>1000W/(m.K)。
设计方案：一种复合结构导热板，包括23片镀膜石墨膜；每一片所述镀膜石墨膜包括石墨基膜和镀在所述石墨基膜一侧的铜合金镀膜；所述石墨基膜的厚度为0.07mm，尺寸为110mm×110mm；厚度方向的热导率为15W/(m.K)，平面方向的热导率为1400W/(m.K)；所述铜合金镀膜的厚度为0.02mm。
上述复合结构导热板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：对石墨基膜进行真空镀膜，在石墨基膜的一侧平面上镀0.02mm的铜合金镀膜，得到镀膜石墨膜；
步骤2：将所得镀膜石墨膜按照相同方向进行组装叠加得到预制件；
步骤3：将所得预制件采用真空扩散连接工艺进行组装得复合结构导热板。
其中，真空扩散连接工艺参数为，将所得预制件放置于真空热压炉，抽取真空至5.0×10-3Pa，开启加热，按照5℃/min的升温速率，加热至980℃，保温1h，施加22吨压力，继续保温1.5h，停止加压，随炉冷却至室温，开炉取出工件。
采用机械加工的办法去除四周余量，得到尺寸为250mm×150mm，厚度为～3mm的复合结构导热板。
经测试，该复合结构导热板厚度方向的等效热导率为21W/(m.K)，平面方向的等效热导率为1085W/(m.K)，满足设计预期要求。
根据本实施例中的制备方法，改变镀层的材质为金或钛合金，均能制备复合结构导热板，且表现出良好的导热性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合结构导热板，其特征在于：包括m个金属层和n个石墨层；
m个所述金属层和n个所述石墨层交替排列，并采用真空扩散连接工艺进行组装。
2.如权利要求1所述的复合结构导热板，其特征在于：所述金属层的厚度为0.005-0.1mm；
所述石墨层的厚度为0.01-0.15mm。
3.如权利要求1所述的复合结构导热板，其特征在于：所述石墨层为天然合成的石墨膜、高分子有机物膜制备石墨膜或石墨烯组装石墨膜。
4.如权利要求1所述的复合结构导热板，其特征在于：所述金属层为金属箔；所述金属箔为铜箔、金箔或钛合金箔；
所述铜箔优选为无氧铜。
5.如权利要求4所述的复合结构导热板，其特征在于：m＝n+1；
或者，n＝m+1；
或者，m＝n。
6.如权利要求5所述的复合结构导热板，其特征在于：其制备方法包括以下步骤：
步骤1：将m片金属箔进行机械打磨或双面激光清洗；将石墨膜进行真空热烘；
步骤2：把清洗好的m片金属箔和n片石墨膜交替组装叠加得到预制件；
步骤3：将所得预制件采用真空扩散连接工艺进行组装得复合结构导热板。
7.如权利要求1所述的复合结构导热板，其特征在于：所述金属层为金属镀膜；所述石墨层为石墨基膜；m＝n；
所述金属镀膜为铜合金镀膜、金合金镀膜或钛合金镀膜。
8.如权利要求7所述的复合结构导热板，其特征在于：其制备方法包括以下步骤：
步骤1：对石墨基膜进行真空镀膜，在石墨基膜的一侧平面上镀金属镀膜，得到镀膜石墨膜；
步骤2：将所得镀膜石墨膜按照相同方向进行组装叠加得到预制件；
步骤3：将所得预制件采用真空扩散连接工艺进行组装得复合结构导热板。
9.如权利要求6或8所述的复合结构导热板，其特征在于，所述真空扩散连接工艺参数为，将所得预制件放置于真空热压炉，抽取真空至1.0×10-1～5.0×10-3Pa，开启加热，按照1～5℃/min的升温速率，加热至880～1000℃，保温1～3h，施加20～40吨压力，继续保温1～3h，停止加压，随炉冷却至室温，开炉取出工件。
10.如权利要求1-8任一项所述的复合结构导热板在三维导热材料和柔性导热材料中的应用。
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