TW201410604A - 人造石墨散熱基板及其製作方法 - Google Patents

Abstract

一種人造石墨散熱基板的製作方法，包括下述步驟：在惰性氣體的環境下，將一片狀的聚合物基材施加不高於0.1仟克/平方公分的壓力並以逐漸升溫方式得到一縮合碳化膜；將該縮合碳化膜逐漸升溫以得到一石墨膜，該石墨膜係由多層石墨烯組成；然後，將多數石墨膜沿一層壓方向疊合，且在層壓方向以預定壓力將將該等石墨膜壓縮固定；本發明的製作方法相較於現有製作方法可以簡化製程、降低生產成本具有易於加工的綜效，且生產製造的人造石墨散熱基板具有良好的導熱效果。

Description

人造石墨散熱基板及其製作方法

本發明是有關於一種散熱基板及其製作方法，特別是指一種以物理熱壓合方法製作、節省材料並具有高導熱係數的人造石墨散熱基板及其製作方法。

目前人造石墨的製法有數種，有以化學氣相沉積法製成，也有利用聚合物溶液及石墨粉的混合液，然後對混合液以預熱進行碳化及高溫進行石墨化以得到石墨膜。

在石墨膜的應用方面，目前有利用石墨膜貼附在熱源表面，但導熱效率不佳。

另外，以目前已知化學氣相沉積方法所生產製得的石墨烯的塊材，其層與層之間是以凡得瓦力(van der Waals' forces)結合，由於層與層之間的結合力不高，因此當厚度增加到一定程度時就需要包覆物將多層石墨烯塊材結合，才能形成厚度較大的塊狀石墨。

依據現有技術得知，現有人造石墨的製法及製品有以下缺失：

1.化學製程需要化學材料及相關設備，製程複雜且較昂貴。

2.形成厚度較大的塊狀石墨需要在石墨膜加上額外的包覆物，無法節省材料。

3.石墨塊材應用在散熱時的導熱效率不佳。

本發明之目的，即在提供一種解決上述缺失的人造石墨散熱基板及其製作方法。

本發明的人造石墨散熱基板的製作方法包括下述步驟：一碳化步驟，在惰性氣體的環境下，將一片狀的聚合物基材施加不高於0.1仟克/平方公分的壓力並以逐漸升溫方式得到一縮合碳化膜；一石墨化步驟，在惰性氣體的環境下，將該縮合碳化膜繼續施加不高於0.1仟克/平方公分的壓力並逐漸升溫以得到一石墨膜，該石墨膜係由多層石墨烯組成；及一壓縮定型步驟，將多數石墨膜沿一層壓方向疊合，且在該層壓方向以一預定壓力將將該等石墨膜壓縮固定，令各該石墨膜的接合強度不低於0.1MPa。

較佳的，該壓縮定型步驟所施加的預定壓力是介於50至100MPa之間。

較佳的，該碳化步驟及該石墨化步驟所施加的壓力是介於0.01至0.1仟克/平方公分之間。

較佳的，該碳化步驟是以攝氏2度/分鐘逐漸加溫至攝氏1000度。

較佳的，該石墨化步驟是由攝氏1000度開始，以攝氏10度/分鐘逐漸加溫至攝氏2400至3000度之間。

較佳的，該石墨化步驟及該壓縮定型步驟之間還包括一摻雜步驟，該摻雜步驟是在各該石墨膜之間添加片狀石墨烯、粉狀石墨烯或碳粉。

本發明的人造石墨散熱基板用於對一熱源導熱，該人造石墨散熱基板是包括沿一層壓方向壓縮固定成型而使彼此 間具有預定接合強度不低於0.1MPa的多數石墨膜，各該石墨膜具有多層石墨烯，且該人造石墨散熱基板是以該等石墨膜平行於該層壓方向的一面接觸該熱源。

較佳的，該人造石墨散熱基板還具有壓縮定型在各該石墨膜之間的片狀石墨烯、粉狀石墨烯，或碳粉。

較佳的，該石墨膜的平面方向的導熱係數為不低於1600瓦特/公尺．絕對溫度。該石墨膜的密度為不低於2.26克/立方公分。

本發明的可人造石墨散熱膜及其製作方法之功效在於，全程利用熱壓合製作，可減少化學製程所需的設備成本，且無需以包覆物固定石墨膜而可減少材料成本，藉此生產出導熱效率極佳的人造石墨散熱基板，在降低整體生產成本的前提下，有利於加工及大量生產製造。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1及圖2，本發明的第一實施例中，人造石墨散熱基板100的製作方法主要包括一碳化步驟S11、一石墨化(form of a film)步驟S12以及一壓縮定型步驟S13，各步驟分別說明如下。

碳化步驟S11：在惰性氣體的環境下，將一片狀的聚合物基材施加不高於0.1仟克/平方公分的壓力並以逐漸升溫 方式得到一縮合碳化膜。

於本實施例中，是將一片狀的聚醯亞胺(polyimide)膜，於氮氣環境中以預熱(pre-heating)方式進行，以每分鐘增溫攝氏2度的方式，將聚醯亞胺膜由室溫加溫至攝氏1000度，並且施加一介於0.01至0.1仟克/平方公分之間的壓力以得到一碳化膜；需注意的是，在此過程中，聚醯亞胺膜會因為高溫而熱縮而得到面積變小的碳化膜，且表面為非多孔狀，與一般化學沉積法(CVD)或以碳纖維或碳粉為基材所製作的碳化膜的多孔狀表面不同。

石墨化步驟S12：在惰性氣體的環境下，將該縮合的碳化膜繼續施加不高於0.1仟克/平方公分的壓力並逐漸升溫以得到一石墨膜11。於本實施例中，是在氬氣環境中，將碳化膜由攝氏1000度開始，以攝氏10度/分鐘逐漸加溫至攝氏2400至3000度之間，藉此得到該石墨膜11，該石墨膜11係由多層石墨烯110組成，且一片石墨膜11的厚度d1約為0.01mm至0.04mm之間。

壓縮定型步驟S13：將多數石墨膜11沿一層壓方向疊合，且在該層壓方向以一預定壓力將將該等石墨膜11壓縮固定100，令各該石墨膜11的接合強度不低於0.1MPa。

於本實施例中，是將多片的石墨膜11沿著層壓方向(Z軸)疊合，並施予介於50MPa至100MPa之間的壓力將該等石墨膜11壓合為該人造石墨散熱基板100，經壓合後得到的人造石墨散熱基板100的厚度d2可達到50mm。值得注意的是，各石墨膜11之間是熱壓結合(非凡得瓦力)，因此 接合強度較強，因此無需再以包覆物另外固定，在製作上也可節省生產時間及材料成本。

參閱圖3及圖4，顯示如圖2的石墨膜11的多層石墨烯110的層狀結構的局部以及局部放大的掃描電子顯微照片，值得注意的是，其中的人造石墨的層狀結構是非多孔狀，相較於一般多孔狀的層狀結構具有較佳的定向導熱效果。

本實施例的石墨膜11經量測後，其平面方向的熱擴散率(thermal diffusivity)為8.75平方公分/秒，密度為2.26克/立方公分及熱容值(heat capacity)為0.823焦耳/克．絕對溫度，將前述三個參數相乘得到石墨膜11的平面方向的導熱係數為1627瓦特/公尺．絕對溫度左右，而石墨膜11的層壓方向的導熱係數則為5瓦特/公尺．絕對溫度左右。因此，本方法製作的石墨膜11的平面方向的導熱係數為不低於1600瓦特/公尺．絕對溫度，且密度不低於2.26克/立方公分。

參閱圖5，本實施例的人造石墨散熱基板100在應用於對一熱源50導熱時，人造石墨散熱基板100的各該石墨膜11是以平行於層壓方向的一面直接接觸該熱源50，然後藉由該等石墨膜11的平面方向(X軸-Y軸平面)的高導熱係數而可將熱源50產生的熱能沿著該平面方向傳導而達到極佳的散熱效果。

以常用的銅材質的散熱器為例，其導熱係數為400瓦特/公尺．絕對溫度左右，本實施例的石墨膜11的平面方向的 導熱係數為1627瓦特/公尺．絕對溫度左右，高於銅材質的導熱係數的數倍，證明藉由石墨膜11的平面方向的高導熱係數，確實可達到較佳的散熱效果。

參閱圖6，本發明的第二實施例中，人造石墨散熱基板100的製作方法類似第一實施例，也包括一碳化步驟S21、一石墨化步驟S22以及一壓縮定型步驟S24，不同的是，該石墨化步驟S21及該壓縮定型步驟S24之間還包括一摻雜步驟S23，該摻雜步驟S23是在如圖2的各石墨膜11之間添加片狀石墨烯、粉狀石墨烯或碳粉(圖未示)，或其他類似的同質物來做為各石墨膜11之間的熱壓合介質；亦即，人造石墨散熱基板100還具有壓縮定型在各該石墨膜11之間的片狀石墨烯、粉狀石墨烯，或碳粉。

綜上所述，本發明的人造石墨散熱基板100及其製作方法，相較於現有製作方法可以簡化製程、降低生產成本具有易於加工的綜效，且生產製造的人造石墨散熱基板100可有效提高導熱效果，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧人造石墨散熱基板

11‧‧‧石墨膜

110‧‧‧石墨烯

50‧‧‧熱源

S11-S13‧‧‧步驟

S21-S24‧‧‧步驟

圖1是一流程圖，說明本發明的人造石墨散熱基板的製作方法之第一較佳實施例；圖2是一示意圖，說明本發明的石墨膜的層狀結構及人 造石墨散熱基板的塊狀結構；圖3及圖4是不同倍率的顯微照相圖，說明本發明的石墨膜是由多片石墨烯組成；圖5是一示意圖，說明本發明的人造石墨散熱基板以平行於層壓方向的一面接觸熱源；及圖6是一流程圖，說明本發明的人造石墨散熱基板的製作方法之第二較佳實施例。

100‧‧‧人造石墨散熱基板

11‧‧‧石墨膜

110‧‧‧石墨烯

Claims (9)

1. 一種人造石墨散熱基板的製作方法，包括下述步驟：一碳化步驟，在惰性氣體的環境下，將一片狀的聚合物基材施加不高於0.1仟克/平方公分的壓力並以逐漸升溫方式得到一縮合碳化膜；一石墨化步驟，在惰性氣體的環境下，將該縮合碳化膜繼續施加不高於0.1仟克/平方公分的壓力並逐漸升溫以得到一石墨膜，該石墨膜係由多層石墨烯組成；及一壓縮定型步驟，將多數石墨膜沿一層壓方向疊合，且在該層壓方向以一預定壓力將將該等石墨膜壓縮固定，令各該石墨膜的接合強度不低於0.1MPa。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之人造石墨散熱基板的製作方法，其中，該壓縮定型步驟所施加的預定壓力是介於50至100MPa之間。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之人造石墨散熱基板的製作方法，其中，該碳化步驟及該石墨化步驟所施加的壓力是介於0.01至0.1仟克/平方公分之間。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之人造石墨散熱基板的製作方法，其中，該碳化步驟是以攝氏2度/分鐘逐漸加溫至攝氏1000度。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之人造石墨散熱基板的製作方法，其中，該石墨化步驟是由攝氏1000度開始，以攝氏10度/分鐘逐漸加溫至攝氏2400至3000度之間。
6. 一種人造石墨散熱基板，用於對一熱源導熱，該人造石墨散 熱基板是包括沿一層壓方向壓縮固定成型而使彼此間具有預定接合強度不低於0.1MPa的多數石墨膜，各該石墨膜具有多層石墨烯，且該人造石墨散熱基板是以該等石墨膜平行於該層壓方向的一面接觸該熱源。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之人造石墨散熱基板，還具有壓縮定型在各該石墨膜之間的片狀石墨烯、粉狀石墨烯，或碳粉。
8. 依據申請專利範圍第6項所述之人造石墨散熱基板，其中，該石墨膜的平面方向的導熱係數為不低於1600瓦特/公尺．絕對溫度。
9. 依據申請專利範圍第6項所述之人造石墨散熱基板，其中，該石墨膜的密度為不低於2.26克/立方公分。