TWI464115B - 複合石墨薄片及其製作方法 - Google Patents

Description

複合石墨薄片及其製作方法

明係關於一種複合石墨薄片，尤指以熱裂解石墨層(heat pyrolytic graphite,HPG)與蠕虫狀石墨粉(vermicular expanded graphite,VEG)為主要構成材料的一種複合石墨薄片及其製造方法。

近年來，行動電話、智慧型手機、個人電腦、平板電腦、液晶顯示器等3C電子產品係極為普遍地被人們使用；此外，隨著人性化科技之進步，這些電子產品係趨向輕薄短小且高性能設計；然而，為了達到輕薄短小、高性能之要求，使得電子產品內部的CUP與IC等電子零件的聚集密度越來越高，因此，散熱問題便成為這些電子產品的重要課題。

由於石墨薄片可依不同產品的要求而被製成各種厚度、大小之高導熱散熱片、均溫片或導電片，因此石墨片最常被置於電子產品內部，用以將電子產品內部之CUP與IC等電子零件所產生的熱迅速地擴散。而上述之石墨片通常係為一複合石墨片。請參閱第一圖，係習用之一種複合石墨片之側面剖視圖，如第一圖所示，該複合石墨片1’係由一熱裂解石墨層(heat pyrolytic graphite,HPG)11’與一石墨層(graphite layer,GL)12’疊合而成，其中，該熱裂解石墨層11’ 與該石墨層12’在一接合介面13’處相互接合，藉此構成具高導熱性的複合石墨片1’。

熱裂解石墨層11’的原料為高分子膜，例如聚醯亞胺(polyimide,PI)、聚醯胺(polyamide,PA)、聚醯胺醯亞胺(polyamide-imide,PAI)等高耐熱性的芳香族高分子；該熱裂解石墨層11’的製程步驟如下所述：首先，將具有一定厚度的高分子薄膜置於一腔體內，並通入氬氣與氮氣至該腔體內，再以2500℃~3100℃的溫度將該高分子薄膜燒成為一熱裂解石墨片；接著，使用軋製設備以多次軋製該熱裂解石墨片，進而以45%~80%的壓縮率逐漸地減薄該熱裂解石墨片的厚度，使其成為可用以製成複合石墨片1’之該熱裂解石墨層11’。

另外，石墨層12’則以鱗片狀石墨粉(crystalline graphite)為主原料來源；該石墨層12’的製程步驟如下所述：將硫酸與硝酸的混合液添加至鱗片狀石墨粉以進行酸化處理，接著將酸化後的鱗片狀石墨粉置於氣體燃燒器內以進行高溫加熱處理，進而獲得可膨脹石墨粉(expandable graphite)；繼續地，將該可膨脹石墨粉堆積於軋製設備的輸送帶上，以利用軋製設備的軋製將該可膨脹石墨粉製成一石墨片，並可添加樹脂等微量的結合劑所製成一石墨片；最後，同樣使用軋製設備以一定的壓縮率將該石墨片軋製成為可用以製成複合石墨薄片1’的該石墨層12’。

並且，於分別完成熱裂解石墨層11’與石墨層12’後，即可予以疊合已切成特定大小的熱裂解石墨層11’與石墨層12’；接著，使用一壓合設備以30Mpa~150Mpa的壓力對該疊合後的熱裂解石墨層11’與石墨層12’進行壓合處理，進而使得熱裂解石墨層11’與石墨層12’可完美接合成如第一圖所示之該複合石墨片1’。

如此，經由上述，吾人可以了解習用之複合石墨片之製造方法；並且，經由上述，更可發現習用之複合石墨片的製造方法具有下列之缺點與不足：

(1)以壓合設備對該疊合後的熱裂解石墨層11’與石墨層12’進行壓合處理時，壓合設備的壓力必須設定至少30Mpa以上，一旦壓合設備的壓力設定小於30Mpa，將會影響熱裂解石墨層11’與石墨層12’的接合，嚴重者，將導致脫層現象。

(2)由於疊合後的熱裂解石墨層11’與石墨層12’之間的接合強度並不強，因此，以壓合設備對該疊合後的熱裂解石墨層11’與石墨層12’進行壓合處理是不可或缺的製程步驟。

(3)由於該複合石墨片1’屬於兩片各已壓合後之石墨薄片，將兩片石墨薄片再高壓進行壓合一次，因此，切割該複合石墨薄片1’時，係非常容易發生脫層現象。

(4)樹脂等微量的結合劑導致石墨層12’之熱導係數降低。 因此，經由上述，吾人可以得知目前所習用的複合石墨片的製造方法仍具有明顯的缺點與不足；有鑑於此，本案之發明人係極力地研究創作，而終於研發出一種複合石墨薄片及其製作方法，以克服習用的複合石墨片的製造方法之缺陷。

本發明之第一目的，在於提供一種複合石墨薄片，該複合石墨薄片係由一柔性石墨層與一熱裂解石墨層所構成，係具有良好的導熱性與接合強度，可依不同產品的要求而被製成各種厚度、大小之高導熱散熱片、均溫片或導電片，以應用於行動電話、智慧型手機、個人電腦、平板電腦、液晶顯示器等3C電子產品之散熱工程。

因此，為了達成本發明之上述之第一目的，本案之發明人係提出一種複合石墨薄片，係包括：至少一熱裂解石墨層，係經由燒成一高分子膜而生成；以及至少一柔性石墨層，係以蠕虫狀石墨粉末為原料並藉由一壓合製程而成型於該熱裂解石墨層之上，並與該熱裂解石墨層相互接合。其中，一點狀膠層可藉由一網目而形成於該熱裂解石墨層之上，並介於該熱裂解石墨層與該柔性石墨層之間，用以增強熱裂解石墨層與柔性石墨層之接合強度。

本發明之第二目的，在於提供一種複合石墨片的製造方法，以製造出高導熱性、高接合強度、不易產生剝離現 象之複合石墨片。

因此，為了達成本發明之上述之第二目的，本案之發明人係提出一種複合石墨薄片的製造方法，該製造方法係包括以下步驟：(1)製備一蠕虫狀石墨粉末；(2)製備一熱裂解石墨層；(3)將該蠕虫狀石墨粉末疊置於該熱裂解石墨層之上；以及(4)對前述步驟(3)之產物進行一壓合製程，將其成型為具有該熱裂解石墨層與一柔性石墨層的一複合石墨薄片。

其中，該步驟(2)與步驟(3)之間更包括用以增強該熱裂解石墨層與該柔性石墨層之接合強度的下述步驟：(2a)將一層網目置於該熱裂解石墨層之上；以及(2b)將一樹脂與一溶劑的一混合溶液噴塗於該網目之上，其中樹脂可為環氧樹脂，溶劑可為丙酮，將該環氧樹脂與該丙酮的混合比例設為1：4；以及(2c)自該熱裂解石墨層之上取下該綱目，並形成一點狀膠層於熱裂解石墨層之上。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種複合石墨薄片及其製作方法，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之實施例。

請參閱第二圖，係本發明之一種複合石墨薄片的側面剖視圖，如第二圖所示，本發明之複合石墨片1主要係由一熱裂解石墨層11與一柔性石墨層12所構成，其中，該熱裂解石墨層11係經由燒成一高分子膜所生成。該柔性石墨層12則以蠕虫狀石墨(vermicular expanded graphite)粉末為原料並藉由一壓合製程而成型於該熱裂解石墨層11之上，並與該熱裂解石墨層11相互接合。並且，為了增加柔性石墨層12與熱裂解石墨層11之接合強度，如第二圖所示，一點狀膠層13係藉由一網目而形成於該熱裂解石墨層11之上，並介於該熱裂解石墨層11與該柔性石墨層12之間。特別地，於本發明之該複合石墨薄片1中，該點狀膠層13相對於該熱裂解石墨層11之重量百分比係介於1 wt%~10 wt%之間。

於本發明中，第一圖所示之複合石墨片1為雙層結構之複合石墨片。請繼續參閱第三圖，係多層結構之複合石墨片的側面剖視圖，如第三圖所示，可將熱裂解石墨片與蠕虫狀石墨粉末進行多層結構之複合石墨相互疊合，進而構成多層結構之複合石墨薄片。如此，相較於第一圖所示之雙層結構之複合石墨薄片，第三圖所示之多層結構之複合石墨薄片係具有較大的厚度以及導熱性。

上述已經清楚說明本發明之複合石墨片的組成與架構；接著將繼續說明該複合石墨片的製造方法。請參閱第 四圖，係複合石墨薄片之製造方法的方法流程圖，如第四圖所示，複合石墨薄片之製造方法係包括以下步驟：首先，該方法係執行步驟(S01)與步驟(S02)以製備一蠕虫狀石墨粉末與一熱裂解石墨片；接著，執行步驟(S03)以將該蠕虫狀石墨粉末疊置於該熱裂解石墨片之上；最後，於步驟(S04)，係進行一壓合製程，以將該熱裂解石墨薄片與該柔性石墨層的壓合成型為一複合石墨薄片，其中，成型後的複合石墨薄片即如第一圖所示。該壓合製程可為常壓滾壓製程、真空滾壓製程、常壓模壓製程、與真空模壓製程，且壓合製程所使用之成型壓力係小於30Mpa。

請再參閱第五圖，係步驟(S01)的詳細步驟流程圖。如第五圖所示，上述該複合石墨薄片的製作方法之步驟(S01)係包括步驟(S011)~步驟(S014)等詳細步驟；其中，步驟(S011)係製備一鱗片狀石墨粉(crystalline graphite)；且，於步驟(S012)，係對該鱗片狀石墨粉進行酸化處理；接著，係執行步驟(S013)以適當地水洗並烘乾經酸化處理之鱗片狀石墨粉，使其成為一可膨脹石墨粉(expandable graphite)；最後，於步驟(S014)，係以700℃~1000℃之特定溫度對該可膨脹石墨粉置瞬間加熱；如此，經過上述步驟(S011)~步驟(S014)製程步驟，即可將鱗片狀石墨粉製成蠕虫狀石墨粉末。

另，該熱裂解石墨片的製備方式係如下述：首先，製備具有一定厚度的一高分子薄膜，並以2500℃~3100℃的 燒成溫度將該高分子薄膜燒成為一熱裂解石墨片；接著，使用軋製設備以多次軋製該熱裂解石墨片，進而以45%~80%的壓縮率逐漸地減薄該熱裂解石墨片的厚度，使其成為可用以製成如第二圖所示之複合石墨片1的該熱裂解石墨層11。

於此，必須補充說明的是，為了增加柔性石墨層與熱裂解石墨層之接合強度，則必須將一點狀膠層加入於柔性石墨層與熱裂解石墨層之間。請先參閱第六圖，係熱裂解石墨層與綱目之立體圖，並且請同時參閱第七圖，係熱裂解石墨層與點狀膠層之立體圖。如第六圖所示，欲將點狀膠層疊置於該熱裂解石墨層11之上，必須先將一層綱目14置於熱裂解石墨層11之上；接著，將一環氧樹脂(epoxy)與一丙酮(acetone)的一混合溶液噴塗於該網目14之上，其中該環氧樹脂與該丙酮的混合比例為1：4；之後，如第七圖所示，自該熱裂解石墨層11之上取下該綱目14，即形成點狀膠層13於該熱裂解石墨層11之上，其中，該點狀膠層13相對於該熱裂解石墨層11之重量百分比係介於1 wt%~10 wt%之間。如此，只要熱裂解石墨層11佈有該點狀膠層13，當柔性石墨層12被疊置於熱裂解石墨層11之後，柔性石墨層12與熱裂解石墨層11之間具有一定的接合強度，係可不必擔心柔性石墨層12會自熱裂解石墨層11上剝落。

為了證明由上述之製成方法所製得之複合石墨片係確實具有優良的接合強度，以下將以JIS Z 0237所規定之持粘性試驗方法進行多組試驗；其中，各試驗組所使用之複合石墨片及其相關試驗結果係整理如下表一：

由上述表一，吾人可以清楚得知，對於由HPG與VEG所構成的複合石墨薄片而言(組別1、2、3、4)，HPG沒有經過後續的壓合製程，對於其HPG與VEG的接合強度較佳，在HPG與VEG壓合時採用真空製程，對於其HPG與VEG的接合強度及品質也較佳，尤其在多層複合石墨薄片壓合製程。然而，加入點狀膠層於HPG與VEG之間以後(組別5、6)，則大為提升HPG與VEG之間的接合強度及強度均一性。因此，表一的結果係證明了由上述本發明之製成方法所製得的複合石墨片係確實具有優良的接合強度。

如此，藉由上述之說明，本發明之複合石墨薄片及其製作方法皆已經完整且清楚地被揭露；並且，經由上述，吾人可得知本發明係具有下列之優點：

1.如第二圖所示，由於本發明之複合石墨片1係由一熱裂解石墨層11、一柔性石墨層12與一點狀膠層13所構成，因此用以滾壓或模壓複合石墨片的壓合設備的成型壓力可設定小於30Mpa，因此，在成型壓力小於30Mpa的情況下，係易於製作大面積的複合石墨片。

2.承上述第1點，此外，點狀膠層13不僅可大幅提升熱裂解石墨層11(即，HPG層)與柔性石墨層12(即，VEG層)之間的接合強度，亦不會對複合石墨片1的熱傳導係數造成明顯的影響。

3.承上述第1點，由於柔性石墨層12係以蠕虫狀石墨粉末為原料並藉由一壓合製程而成型於該熱裂解石墨層11之上，進而與該熱裂解石墨層11相互接合；因此蠕虫狀石墨粉末可修補熱裂解石墨層11(即，HPG層)表面之缺陷。

4.本發明所提出之複合石墨薄片，可依不同產品的要求而被製成各種厚度、大小之高導熱散熱片、均溫片或導電片，以應用於行動電話、智慧型手機、個人電腦、平板電腦、液晶顯示器等3C電子產品之散熱工程。

必須強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1’‧‧‧複合石墨薄片

11’‧‧‧熱裂解石墨層

12’‧‧‧石墨層

13’‧‧‧接合介面

1‧‧‧複合石墨薄片

11‧‧‧熱裂解石墨層

12‧‧‧柔性石墨層

13‧‧‧點狀膠層

14‧‧‧綱目

S01~S04‧‧‧方法步驟

S011~S014‧‧‧方法步驟

第一圖係習用之一種複合石墨薄片之側面剖視圖；第二圖係本發明之一種複合石墨薄片的側面剖視圖；第三圖係多層結構之複合石墨薄片的側面剖視圖；第四圖係本發明之一種複合石墨薄片之製造方法的方法流程圖；第五圖係步驟(S01)的詳細步驟流程圖；第六圖係熱裂解石墨層與綱目之立體圖；以及第七圖係熱裂解石墨層與點狀膠層之立體圖。

1‧‧‧複合石墨薄片

11‧‧‧熱裂解石墨層

12‧‧‧柔性石墨層

13‧‧‧點狀膠層

Claims (3)

1. 一種複合石墨薄片，係包括：至少一熱裂解石墨層，係經由燒成一高分子膜而生成；至少一柔性石墨層，係以蠕虫狀石墨粉末為原料並藉由一壓合製程而成型於該熱裂解石墨層之上，並與該熱裂解石墨層相互接合；一點狀膠層，係藉由一網目而形成於該熱裂解石墨層之上，並介於該熱裂解石墨層與該柔性石墨層之間，用以增強熱裂解石墨層與柔性石墨層之接合強度；其中，該點狀膠層相對於該熱裂解石墨層之重量百分比係介於1wt%~10wt%之間。
2. 一種複合石墨薄片的製作方法，係包括以下步驟：(11)提供一鱗片狀石墨粉(crystalline graphite)；(12)對該鱗片狀石墨粉進行酸化處理；(13)適當地水洗並烘乾經酸化處理之鱗片狀石墨粉，使其成為一可膨脹石墨粉(expandable graphite)；(14)以一特定溫度對該可膨脹石墨粉置瞬間加熱，其中，該特定溫度係介於700℃~1000℃之間；(2)製備一熱裂解石墨層； (2a)將一層網目置於該熱裂解石墨層之上；(2b)將一樹脂與一溶劑的一混合溶液噴塗於該網目之上，其中樹脂可為環氧樹脂，溶劑可為丙酮，及該環氧樹脂與該丙酮的混合比例為1：4；(2c)自該熱裂解石墨層之上取下該綱目，並形成一點狀膠層於熱裂解石墨層之上，其中，該點狀膠層相對於該熱裂解石墨層之重量百分比係介於1wt%~10wt%之間；(3)將該蠕虫狀石墨粉末疊置於該熱裂解石墨層之上；以及(4)對前述步驟(3)之產物進行一壓合製程，將其成型為具有該熱裂解石墨層與一柔性石墨層的一複合石墨薄片，其中，該壓合製程之一成型壓力係小於30Mpa。
3. 如申請專利範圍第2項所述之複合石墨薄片的製作方法，其中，步驟(4)所述之該壓合製程可為下列任一種：常壓滾壓製程、真空滾壓製程、常壓模壓製程、與真空模壓製程。