CN115595531A - 一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种三明治结构的石墨‑铜‑石墨散热膜及其制备方法，涉及电子产品的散热膜领域。一种三明治结构的石墨‑铜‑石墨散热膜，包括铜层和位于铜层上下两面的石墨层；所述铜层和石墨层之间含有金属或非金属的过渡层。一种三明治结构的石墨‑铜‑石墨散热膜的制备方法，具体为：对石墨材料和铜箔的预处理；对石墨材料和铜箔的烘干处理；对石墨材料的表面改性；石墨和铜的层叠，在加热和加压作用下复合成三明治结构的石墨‑铜‑石墨散热膜。本发明的散热膜具有界面结合力强、界面热阻低、适合模切加工的特点，可作为电子产品的散热材料。

Description

一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及散热膜领域，涉及一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法。

背景技术

随着现代科技电子行业的快速发展，各类电子产品尤其是手机进入智能机时代，性能提升，功能越来越强大。各种硬件配置越来越高，元器件功率密度不断增加，发热量随其功耗增加而提升，散热效率直接影响元器件正常运行及使用寿命，成为当下限制电子行业尤其是手机行业发展的关键因素。

目前手机散热的主要技术有石墨膜层叠、热管或均热板散热技术，其中石墨膜层叠的性价比最高，在主流机器上大面积使用。随着手机芯片功率的不断增加，为增加散热材料的热通量，所用石墨散热膜的厚度也随之增加。当下主流手机的层叠石墨膜厚度普遍达300μm以上，而目前单层人工石墨膜的厚度最多达120μm，且价格高昂。因此，利用导热胶将数片石墨膜贴合的石墨膜层叠散热方案被广为接受。如苹果公司的Iphone系列手机目前就是通过层叠近十层石墨膜来提高散热片的热通量使之能满足手机的散热需求。在这个方案中有以下不足：首先，石墨层间的导热胶热导率小于5W/mK，造成层叠多层之后热量在层间传输效率不高，换言之，多层石墨中位于芯片远端的石墨膜散热效率很低；其次，十层石墨叠加需要贴石墨层-贴导热胶如此反复的工序近十次，无疑增加了生产上的工艺成本。

金属导热材料具有导热性能优异等优点，且一些热容比石墨高的金属层的引入可防止石墨层间形成等温体，提高纵向导热率，公开号为CN205800356U的中国实用新型申请公开了天然石墨/铜的复合材料散热片，包括以一层天然石墨层+铜箔层+天然石墨层为一单元散热层，散热片可为多个单元散热片叠加，该实用新型使散热膜达到一定厚度，增加了散热片的热容量，但散热膜间层之间均通过胶粘的方式粘合，易影响各层间热量传导性能，降低散热效率。

公开号为CN105101758A的中国发明专利申请中提到一种人工石墨/铜复合散热片及其制备方法，包括铜箔层和位于铜箔层两面的人工石墨层，铜层的表面包含有粗化层。粗化层与人工石墨层互相咬合，形成机械互锁，可以一定程度加强界面结合。但该发明所提出的表面结合没有形成化学键，仅仅是机械结合。众所周知铜的热膨胀系数为19×10^-6/K，石墨X-Y面的热膨胀系数为-1×10^-6/K，两者热膨胀系数相差巨大，在升降温过程中极易因为热膨胀系数不匹配而开裂，使得产品性能不稳定。

为解决石墨胶粘铜散热膜界面热阻大，石墨-铜界面结合力不强的问题，本发明利用石墨-铜-石墨夹心复合方式，用铜层代替中间层石墨，实现无胶复合，在增厚散热膜的同时有效提高垂直方向的热导率，简化复合工艺，保证散热效果，经济环保。

发明内容

本发明旨在提供一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法，以克服现有技术的不足。

本发明具体技术方案是：一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜，包括铜层和位于铜层上下两面的石墨层；所述铜层和石墨层之间含有金属或非金属的过渡层。

本发明所述一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜的制备方法，具体步骤如下：

步骤一：

材料预处理：对石墨材料进行超声清洗，避免石墨膜上粘附的杂质影响烧结后石墨膜与铜的结合力，并将铜箔除油；

步骤二：

烘干：对清洗过后的石墨材料和铜箔进行烘干处理，以除去石墨膜内部的残余溶液，干燥铜箔，便于后续石墨膜与铜箔层的结合；

步骤三：

石墨表面改性：采用物理气相沉积、真空蒸镀中的一种或两种组合对石墨进行表面改性，镀覆上一定厚度的金属或非金属的过渡层，以增强铜层和石墨层的结合力；

步骤四：

复合：石墨膜-铜-石墨膜顺序层叠，将层叠复合完毕后的样品置于一定温度、一定压力下，通过加热后热辊扎或真空热压烧结复合得到最终的复合材料。

作为本发明实施例进一步的方案：本发明采用的人工石墨膜，厚度为12μm到250μm，石墨通过X射线衍射测定的石墨晶体的d₀₀₂值在0.334-0.337之间，铜箔层厚度为10μm到150μm。利用铜高热容的特点，有效提高材料整体的热通量；同时促使热流纵向传导，提高垂直方向的热导率，有效解决现有多层石墨复合散热膜散热效率不高的问题。

作为本发明实施例进一步的方案：对石墨表面改性方法为物理气相沉积、真空蒸镀中的一种或两种组合，对烘干处理后的石墨片镀覆上一定厚度的金属或非金属的过渡层，厚度为5 nm到50 nm，解决石墨与铜之间不润湿的问题，增强铜层与石墨膜间的结合力，使二者结合更加紧密，所得材料在模切、剪切、开孔时层间不开裂，对于不同型号的手机具有广泛的适配性。

与现有石墨系复合散热膜相比，本发明具有以下优点：

（1）无胶复合，导热性好。本发明采用无胶复合，利用铜层代替中间石墨层，提高材料整体的热通量，使热流纵向传导，提高垂直方向的热导率，提高纵向热导率，具有良好的各向（水平、垂直）导热性，散热性强；

（2）界面结合力强，产品性能稳定。本发明采用物理气相沉积、真空蒸镀等方法在石墨铜之间引入中间层，改善了石墨和铜的界面结合力，复合膜在后续加工中不开裂，避免空气间隙引起传热能力大幅下降的问题，有效提高了各层间的热量传导率；

（3）复合工艺较简易，可操作性强。相比现有十余层石墨铜复合工艺，本发明所述制备方法工序少，质量可控，适于推广。

附图说明

图1是本发明实施例1的纵向剖面结构示意图。

其中，1、1^’-人工石墨层，2、2^’-金属过渡层，3-金属铜层。

具体实施方式

下面结合具体制备方法对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

1）选取厚度为70μm，石墨晶体的d₀₀₂值在0.336nm的人工石墨膜，选取厚度为20μm的铜箔，将石墨材料置于酒精中进行超声清洗5分钟，将铜箔除油，在60℃下干燥2h；

2）采用物理气相沉积对石墨膜进行表面改性，镀覆上厚度为10 nm的镍过渡层，随后在此基础上镀覆50nm的铜过渡层；

3）按照石墨膜-铜-石墨膜顺序进行层叠，置于真空热压烧结炉烧结，烧结温度为850℃，压力为10MPa：以150℃/h升温至300℃，再从300℃以250℃/h升温至850℃，在真空度为1.33×10^-1Pa下保温保压30min，到石墨-铜-石墨散热膜。

实施例2

1）选取厚度为80μm，石墨晶体的d₀₀₂值在0.336的人工石墨膜，选取厚度为25μm的铜箔，将石墨材料置于酒精中进行超声清洗5分钟，将铜箔除油，在60℃下干燥2h；

2）采用真空蒸镀对石墨膜进行表面改性，镀覆上厚度为15 nm的铬过渡层；

3）按照石墨膜-铜-石墨膜顺序进行层叠，置于真空热压烧结炉烧结，加热温度为900℃，压力为10MPa：以150℃/h升温至300℃，再从300℃以250℃/h升温至600℃，再从600℃以350℃/h升温至900℃，在真空度为1.33×10^-1Pa下保温保压30min，得到石墨-铜-石墨散热膜。

实施例3

1）选取厚度为100μm，石墨晶体的d₀₀₂值在0.334-0.337之间的人工石墨膜，选取厚度为50μm的铜箔，将石墨材料置于丙酮溶液中进行超声清洗8分钟，将铜箔除油，在70℃下干燥2h；

2）采用物理气相沉积与真空蒸镀组合方法对石墨膜进行表面改性，镀覆上20 nm厚度的铬过渡层；

3）按照石墨膜-铜-石墨膜顺序进行层叠，在氩气保护下加热至550℃后热辊扎，保温保压30min，得到石墨-铜-石墨散热膜。

实施例4

1）选取厚度为100μm，石墨晶体的d₀₀₂值在0.334-0.337之间的人工石墨膜，选取厚度为50μm的铜箔，将石墨材料置于丙酮溶液中进行超声清洗8分钟，将铜箔除油，在70℃下干燥2h；

2）采用真空蒸镀对石墨膜进行表面改性，镀覆上厚度为20 nm的硼过渡层；

3）按照石墨膜-铜-石墨膜顺序进行层叠，加热至650℃在氮气保护下，热辊扎，得到石墨-铜-石墨散热膜。

试验例1

测试实施例1中的石墨-铜-石墨散热膜导热情况，对比同等厚度的多层石墨复合膜，模拟手机芯片的散热环境，功率3W条件下进行15min升温测试，测得15min后三层石墨复合膜（56*66mm)发热源温度为63.14℃，石墨铜层叠散热膜（56*66mm)发热源温度为62.98℃，温度上升差值较小。

Claims (9)

1.一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，包括铜层和位于铜层上下两面的石墨层；所述铜层和石墨层之间含有金属或非金属的过渡层，所述制备方法包括如下步骤：

步骤一，预处理：将石墨材料置于酒精或丙酮溶液中进行超声清洗，并将铜箔除油；

步骤二，烘干：对清洗过后的石墨材料和铜箔进行烘干处理；

步骤三，石墨表面改性：对烘干处理后的石墨片进行表面改性，镀覆上一定厚度的金属或非金属的过渡层；

步骤四，复合：石墨层-铜箔-石墨层顺序层叠，在一定温度、一定压力下复合得到最终的复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，所述的石墨层为人工石墨膜，厚度为12μm到250μm，石墨通过X射线衍射测定的石墨晶体的d₀₀₂值在0.353-0.338nm之间。

3.根据权利要求1所述的一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，所述的过渡层厚度为5 nm到50 nm，所述的铜箔层厚度为10μm到150μm。

4.根据权利要求1所述的一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，所述的过渡层为铜、硼、镍、硅、铬、钛、锆中的一种或两种组合。

5.根据权利要求1所述的一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，步骤一中所述的超声时间为2到10分钟，步骤二中所述的烘干温度为60-80摄氏度，时间为1到12小时。

6.根据权利要求1所述的一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，步骤二中所述的表面改性方法为物理气相沉积、真空蒸镀中的一种或两种组合。

7.根据权利要求1所述的一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，步骤四中所述的复合通过加热后热辊扎或真空热压烧结实现。

8.根据权利要求1所述的一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，步骤四中所述的加热温度在550摄氏度到1050摄氏度之间，压力在0.5MPa到45MPa。

9.根据权利要求1所述的一种三明治结构的石墨-铜-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，步骤四在氩气或氮气保护下进行或在真空度为1.33×10-1Pa到10Pa之间进行。

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