CN115604975A - 一种三明治结构的石墨-铝-石墨散热膜及其制备方法 - Google Patents

一种三明治结构的石墨-铝-石墨散热膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种三明治结构的石墨‑铝‑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‑铝‑石墨散热膜，包括铝层和位于铝层上下两面的石墨层；所述铝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‑铝‑石墨散热膜的制备方法，具体为：对石墨材料和铝箔的预处理；对石墨材料和铝箔的烘干处理；对石墨材料的表面改性；石墨和铝的层叠，在加热和加压作用下复合成三明治结构的石墨‑铝‑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，是一种优良的散热材料。

Description

一种三明治结构的石墨-铝-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，涉及一种石墨膜-铝-石墨膜层叠复合散热膜及其制备方法。
背景技术
随着现代科技电子技术的日益成熟，手机行业飞速发展进入了新时代。智能手机的性能随着硬件的不断升级越来越强大，与之相对应的元器件功率密度不断增加，发热量也随其功耗的增加而显著提升。但由于目前手机市场日益追求高功率密度及轻薄化，受制于手机内部散热面积无法扩大，现有散热技术的效率不能与手机的高散热需求相适配。因此，手机散热是制约行业进一步发展的关键因素之一。
目前，石墨膜层叠散热技术以及均热板散热技术是用于手机散热最为主要的两种技术。而其中石墨膜层叠散热技术因为其性价比的优势，在主流机器上被广泛使用。随着手机芯片功率的增加，手机的发热量同样也显著提升，为了提高散热片的热通量，所用于散热的石墨膜也不断增厚。以现有的技术，单层人工石墨膜的厚度最高可达120μm，但造价十分昂贵，且很难满足主流手机所需要300μm以上的石墨散热膜的厚度。因此，将数片单层人工石墨膜利用导热胶胶粘层叠后制作成石墨层叠散热膜已经成为了主流的散热方案。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。但胶粘单层石墨膜所用的导热胶热导率小于5W/mK，这会导致将单层人工石墨膜层叠多层后，热量在层间的传输效率不高，从而使得远离芯片的石墨膜散热效率低下。
金属铝的热导率为230W/mK，远高于导热胶。将铝箔作为中间层与石墨进行无胶复合，可以降低界面热阻，从而在增厚散热膜的同时有效提高垂直方向的热导率，达到提高散热效率的目的。同时相比其他金属，铝的密度较低，可以使得手机在提高散热效率的同时更符合轻量化的发展趋势。公开号CN105415789A的中国发明专利申请中提到一种人工石墨/铝复合散热片及其制备方法，包括铝箔层和位于铝箔层两面的人工石墨层，铝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，可以一定程度加强机械结合。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。众所周知铝的热膨胀系数为23×10-6/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。
为解决石墨胶粘铝散热膜界面热阻大，石墨-铝界面结合力不强的问题，本专利通过PVD溅射技术，对石墨表面进行预镀覆处理，再将预处理后的石墨片与铝箔进行层叠烧结，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-铝-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-铝-石墨散热膜，包括铝层和位于铝层上下两面的石墨层；所述铝层和石墨层之间含有金属或非金属的过渡层。
本发明所述石墨-铝-石墨复合散热膜的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：
材料预处理：将石墨材料置于酒精或丙酮溶液中进行超声清洗，将铝箔表面砂纸打磨除去氧化层后置于酒精或丙酮溶液中进行超声清洗；
步骤二，烘干：对清洗过后的石墨材料和铝箔进行烘干处理，以除去石墨膜内部的残余溶液，干燥铝箔，便于后续石墨膜与铝箔层的结合；
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，以增强铝层和石墨层的结合力；
步骤四：
复合：石墨膜-铝-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，铝箔层厚度为10μm到150μm。利用铝价格便宜，具有较高各向同性热导率的特点，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，降低成本的同时保持材料有良好的散热效率。
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，解决石墨铝结合力不佳，避免石墨铝之间产生不稳定的Al4C3相，使石墨层和铝层二者结合更加紧密，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）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铝之间引入中间层，改善了石墨和铝的界面结合力，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；
（2）无胶复合，导热性好。本发明采用无胶复合，利用铝层代替中间石墨层，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；
（3）复合工艺较简易，可操作性强。相比现有多层石墨复合技术，本发明所述制备方法在保证散热效率的同时简化工艺步骤，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-金属铝层。
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30μm的铝箔，将石墨材料置于酒精中进行超声清洗5分钟，将铝箔表面砂纸打磨除去氧化层后置于丙酮溶液中进行超声清洗5分钟，在氩气气氛下60℃下干燥1h；
2）采用物理气相沉积对石墨膜进行表面改性，单面镀覆上厚度为10 nm的钛过渡层；
3）按照石墨膜-铝-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650℃，压力为20MPa：在真空度为1.33×10-1Pa下保温保压15min，得到石墨-铝-石墨散热膜。
实施例2
1）选取厚度为100μm，石墨晶体的d002值在0.336nm的人工石墨膜，选取厚度为80μm的铝箔，将石墨材料置于酒精中进行超声清洗5分钟，将铝箔表面用砂纸打磨除去氧化层后，置于丙酮溶液中进行超声清洗5分钟，在氩气气氛下60℃下干燥1h；
2）采用物理气相沉积对石墨膜进行表面改性，单面镀覆上厚度为20 nm的镍过渡层；
3）按照石墨膜-铝-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600℃，压力为35MPa：在真空度为1.33×10-1Pa下保温保压10min，得到石墨-铝-石墨散热膜。
实施例3
1）选取厚度为80μm，石墨晶体的d002值在0.336nm的人工石墨膜，选取厚度为50μm的铝箔，将石墨材料置于酒精中进行超声清洗10分钟，将铝箔表面砂纸打磨除去氧化层后置于酒精溶液中进行超声清洗10分钟，在氩气气氛下70℃下干燥0.5h；
2）采用真空蒸镀对石墨膜进行表面改性，单面镀覆上厚度为30 nm的钛过渡层；
3）按照石墨膜-铝-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-铝-石墨散热膜。
实施例4
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30μm的铝箔，将石墨材料置于丙酮中进行超声清洗8分钟，将铝箔表面砂纸打磨除去氧化层后置于丙酮溶液中进行超声清洗8分钟，在氩气气氛下70℃下干燥0.5h；
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的钛过渡层，随后再采用物理气相沉积20nm铜镀层；
3）按照石墨膜-铝-石墨膜顺序进行层叠，在氩气保护下加热至600℃后热辊扎，保温保压30min，得到石墨-铝-石墨散热膜。

Claims (9)

1.一种三明治结构的石墨-铝-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，包括铝层和位于铝层上下两面的石墨层；所述铝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，将铝箔表面砂纸打磨除去氧化层后置于酒精或丙酮溶液中进行超声清洗；
步骤二，烘干：对清洗过后的石墨材料和铝箔进行烘干处理；
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-铝箔-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-铝-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-铝-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，所述的铝箔层厚度为10μm到150μm。
4.根据权利要求1所述的一种三明治结构的石墨-铝-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，所述的过渡层为铝、硼、镍、硅、铬、钛、铜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-铝-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-铝-石墨散热膜及其制备方法，其特征在于，步骤三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-铝-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-铝-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450摄氏度到950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-铝-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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