TWI548590B - Artificial graphite sheet manufacturing method and its products - Google Patents

Description

人工石墨片之製造方法及其產品

本發明係有關於製造石墨片的方法，特別是指一種人工石墨片的製造方法及其應用。

電子產品中所採用的電路基板，為了適時地散除運作時所產生的熱能，保持良好的運行效能，通常係以導熱性良好的材料所製成，以滿足電子產品的需求。

而伴隨科技提升，各種高功率、高效能的3C電子產品也相應而生，而在提升效能的同時，各種硬體配件在散熱的要求也愈來愈高；以高功率的LED來說，因其在運作時高瓦特數會產生更高的熱度，習見的散熱基板已無法有效滿足熱擴散與熱傳導的問題，不僅影響使用上的效能、品質，也使高功率LED的壽命極為有限，難以長久且正常的使用。

有鑑於此，散熱基板的效能一直是電子產品最為重視的課題，而石墨片作為散熱基板最主要的素材，本案發明人致力於以此研究改進之道，經不斷嘗試與實驗之下，終有本發明產生。

本發明之主要目的在於提供一種人工石墨片之製造方法，利用天然石墨塵紙與素材PI(Polyimide，聚醯亞胺)膜交互堆疊，可增加潤滑及其硬性、加速熱傳導使PI膜均衡升溫，並提升其平整性。

為達成上述功效，本發明之人工石墨片製造方法，其係以PI(Polyimide，聚醯亞胺)膜為素材製成人工石墨片，包括一堆疊步驟、一第一升溫步驟及一第二升溫步驟；其中，該堆疊步驟係將PI膜與天然石墨 塵紙交互堆疊，使每一PI膜係介於二天然石墨塵紙之間；該第一升溫步驟係將堆疊後的PI膜階段性升溫至1000~1200℃，使PI膜碳化為半成品；該第二升溫步驟係將碳化後之半成品維持堆疊狀態，並階段性升溫至2500~3000℃，使半成品石墨化為人工石墨片。

其中，本發明所採用之素材PI膜厚度係以介於10~200um之間者為佳，而經石墨化完成後之人工石墨片之厚度亦以10~200um之間為較佳。

較佳者，該堆疊步驟前可進一步包含一貫孔步驟，其係於PI膜上開設有複數孔徑介於0.1~1mm穿孔。

較佳者，該第二升溫步驟後可進一步包含一貫孔步驟，其係於人工石墨片上開設有複數孔徑介於0.1~1mm穿孔。

較佳者，該些穿孔係呈陣列或斜交的方式分布，且該各穿孔彼此間之間距係介於0.1~5mm之間。

藉此，透過貫孔步驟在PI膜(10~200um)或人工石墨片(10~200um)上開設穿孔所構成的孔狀結構，可增加人工石墨片的熱擴散面積及透氣性，使熱擴散、熱傳導之功能優於習見之石墨片；且可利用穿孔形成可提供膨脹或壓縮的空間，無論是在升溫的過程或後續壓合成散熱基板的過程，均可提高生產良率及平整性。

再者，利用附有孔狀結構的人工石墨片，可妥善地適用於熱電分離的電子產品，且在應用的過程中，可透過穿孔增加所貼附樹脂層的附著性，及減少後續加工時石墨薄片容易碎裂的問題。

較佳者，該堆疊步驟進一步利用石墨盒與石墨板容納並固定交互堆疊之PI膜與天然石墨塵紙，並於其中留有可供膨脹的預設空間；藉由石墨良好的導熱性質，有助於在升溫過程中讓溫度散播的更平均，且可透過石墨板的重量壓力來增加成品的平整度。

較佳者，該第一升溫步驟及該第二升溫步驟係可採電阻式或感應式的升溫爐進行階段性升溫。

依上述之製造方法，本發明另提供了一種人工石墨片，其係以含有貫孔步驟所製成具有孔狀結構的人工石墨片，其所開設之穿孔之孔 徑係介於0.1~1mm之間，以陣列或斜交的方式分布，且各穿孔彼此間之間距係介於0.1~5mm之間。

再者，本發明又提供了一種石墨基板之堆疊結構，其基本架構包括一人工石墨片、一基層、一導電層及一絕緣層；其中，該人工石墨片係經由前述之製造方法所製成之成品；該基層係位於該人工石墨片下方，且可由金屬、樹脂或木材纖維所構成；該導電層，其係位於該人工石墨片上方，且係由導電材料所構成；該絕緣層係對應於該導電層，係貼附於該導電層下方，並由絕緣複合材料所構成。

較佳者，該基層與該人工石墨片之間可進一步設有一附加絕緣層。

較佳者，該導電層係為可導電之金屬材料，該絕緣層可為熱硬化性樹脂材料或高分子樹脂材料。

較佳者，該人工石墨片之厚度係介於10~200um之間；該基層可為厚度介於10~3000um之間的金屬鋁、厚度介於10~175um之間的金屬銅、厚度介於10-3000um之間的樹脂材料或厚度介於10~200um之間的木材纖維；該導電層可為厚度介於10~175um之間的金屬銅，該絕緣層可為厚度介於10~130um之間的PP(prepreg)材。

綜上所述，藉由本發明人工石墨片所組成之石墨基板，不僅可適用於熱電分離之電子產品，並具有下述特點：1.擁有高導熱係數，且水平導熱係數高，熱均性佳，助於高基板整體的散熱性；2.熱膨脹係數低，生產製程穩定，良率高；3.熱傳導效能優於鋁或銅基板，且熱阻低於鋁或銅基板；4.藉由效能提升縮小產品體積，有效降低硬體設計與組裝的成本；5.透過高效率的導熱與散熱，提高產品的壽命與使用的穩定性。

以下，為使 貴審查委員對本發明進一步地了解，特以一實施例，並配合圖式、符號詳細說明如下：

S1‧‧‧堆疊步驟

S2‧‧‧第一升溫步驟

S2‧‧‧第二升溫步驟

S4‧‧‧滾壓、成型

S0、S5‧‧‧貫孔步驟

P‧‧‧PI(Polyimide，聚醯亞胺)膜

10‧‧‧石墨盒

11‧‧‧石墨板

12‧‧‧天然石墨塵紙

13‧‧‧預設空間

20‧‧‧人工石墨片

21‧‧‧穿孔

d‧‧‧間距

3‧‧‧石墨基板

30‧‧‧基層

31‧‧‧絕緣層

32‧‧‧導電層

33‧‧‧附加絕緣層

34‧‧‧灌注孔

35‧‧‧灌注材

第1圖為本發明實施例之流程方塊圖。

第2圖與第3圖為其他可行實施例之流程方塊圖。

第4圖為本發明實施例堆疊狀態示意圖。

第5圖為本發明實施例人工石墨片外觀及局部放大示意圖。

第6圖為本發明實施例人工石墨片局部結構俯視示意圖。

第6a及6b圖分別為其他可行實施例人工石墨片局部結構示意圖。

第7圖至第10圖為本發明各實施例之石墨基板堆疊結構示意圖。

請參閱第1圖，可知本發明實施例人工石墨片製造方法之主要流程包括有堆疊步驟S1、第一升溫步驟S2、第二升溫步驟S3及滾壓、成型S4等過程；當然，在堆疊前，會先選取預定地素材PI(Polyimide，聚醯亞胺)膜，經裁切成為預設之尺寸規格，始進入堆疊步驟S1。

堆疊步驟S1，其主要係將PI膜與天然石墨塵紙交互堆疊，使每一PI膜係介於二天然石墨塵紙之間；對於堆疊的態樣，可一併參閱第4圖，其係將PI膜20’與天然石墨塵紙12交互堆疊至一預設的層數或高度，以至少二石墨板11加以分隔並壓合於其上、下方，一併置於石墨盒10中形成固定，且堆疊的高度係略低於石墨盒10的縱深，讓石墨盒10中預留有可供後續升溫加工時產生膨脹的預設空間13。

堆疊步驟S1完成後，先執行第一升溫步驟S2，其係將堆疊完成的石墨盒10送入低溫升溫爐中，經過1000~1200℃階段性升溫進行碳化作業，使PI膜20’產生碳化反應成為半成品；第一升溫步驟S2完成後，執行第二升溫步驟，其係取出半成品再送入高溫升溫爐中，經過2500~3000℃階段性升溫進行石墨化作業，使半成品產生石墨化反應成為人工石墨片20，完成後取出，將堆疊結構分解，再經滾壓、成型等過程，即為完成品人工石墨片20。

在一可行的實施例中，升溫爐可為電阻式或感應式的升溫爐，碳化反應所採用之升溫爐為低溫碳化爐，而石墨化反映所採用的升溫 爐為高溫石墨化爐。

請一併參閱第2圖、第3圖及第5圖，於本實施例之製程中，可進一步增加一貫孔步驟S0、S5，其係於PI膜20’或人工石墨片20上開設有複數孔徑介於0.1~1mm穿孔21。如第2圖所示，其貫孔步驟S0係於堆疊步驟S1前先行貫孔作業，其所開設之穿孔21可提供燒結時膨脹所需的空間，提高生產良率及升溫反應後之人工石墨片20的平整性，因此升溫反應後之穿孔21，將具有5~15%的收縮比，例如PI膜之貫孔為1mm，於升溫反應成人工石墨片20後穿孔21孔徑將收縮為0.85~0.95mm；而如第3圖所示，則是於第二升溫步驟S2完成後在執行貫孔作業，則可準確控制穿孔21的尺寸，保持相對穩定的熱擴散及透氣性。

藉此，透過貫孔步驟S0、S5在PI膜20’或人工石墨片20上開設穿孔21所構成的孔狀結構，可增加人工石墨片20的熱擴散面積及透氣性，使熱擴散、熱傳導之功能優於習見之石墨片；且可利用穿孔20形成可提供膨脹或壓縮的空間，無論是在升溫的過程或後續壓合成散熱基板的過程，均可提高生產良率及平整性。

在一可行的實施例中，貫孔步驟S0、S5所開設之穿孔21(或人工石墨片20所開設之穿孔21)，可呈陣列(如第6圖所示)或斜交(如第6a圖所示)的方式分布，且該各穿孔21彼此間之間距d係介於0.1~5mm之間。再者，該些穿孔21除圓形外，亦可採用直徑介於0.1~1mm之圓內(外)切的多角形穿孔21，如第6b圖所示，該可行實施例之人工石墨片20之穿孔21係為園內切之六角形穿孔21。

再請參閱第7圖，其係利用前述人工石墨片20進一步加工製成石墨基板3之堆疊結構示意圖，其包括有一人工石墨片20、一基層30、至少一導電層31及至少一絕緣層32；其中，基層30係位於人工石墨片20下方，且可由金屬、樹脂或木材纖維所構成；導電層31係位於人工石墨片20上方，且係由導電材料所構成；絕緣層32係對應於該導電層31，貼附於導電層31的下方，且係由絕緣複合材料所構成。

如第7圖所示石墨基板3之堆疊結構，係為單層石墨基板3的態樣，當然，如第8圖所示，依需求可進一步於基層30與人工石墨片20 之間可增設有一附加絕緣層33形成單層石墨基板3的另一實施態樣，該附加絕緣層33之材質同於絕緣層31，係可由絕緣複合材料所構成。

此外，依需求亦可於人工石墨片20上方設有複數導電層32，形成多層的石墨基板3結構；如第9圖所示，其係於人工石墨片20上方疊設有二導電層32，每一導電層32下方均有與其相對應的絕緣層31，藉此構成雙層的石摸基板3堆疊結構。

再者，如第10圖所示，石墨基板3可進一步於最上方的導電層32及與其對應之絕緣層31處開設有至少一灌注孔24，並於其中注有灌注材25，藉以配合電子設備電路之架構，並可增強石墨基板3縱向的熱傳導能力；其中，灌注材25可為銅漿、銀漿、樹脂或電鍍銅。

於本發明各可行實施例中，絕緣層31之材質可為熱硬化性樹脂或高分子樹脂，導電層31之材質可為導電的金屬材料(如：銅箔)。此外，基層30、絕緣層31及導電層32可依實際需求選用適當的材料，並配置適宜的厚度，其中，根據材料成本與導熱性能相比，較佳的基層30配置可為厚度介於10~3000um之間的金屬鋁、厚度介於10~175um之間的金屬銅、厚度介於10-3000um之間的樹脂或厚度介於10~200um之間的木材纖維，較佳的絕緣層31可為厚度介於10~130um之間的PP(prepreg)材，較佳的導電層32可為厚度介於10~175um之間的金屬銅。

綜上所述，其係為本發明之實施態樣詳細說明而已，並非用以限定本發明。本發明之專利範圍應以後述之申請專利範圍為準，舉凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與簡單修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

S1‧‧‧堆疊步驟

S2‧‧‧第一升溫步驟

S2‧‧‧第二升溫步驟

S4‧‧‧滾壓、成型

S0‧‧‧貫孔步驟

Claims (7)

1. 一種人工石墨片之製造方法，其係以PI(Polyimide，聚醯亞胺)膜為素材製成人工石墨片，包括下列步驟：一堆疊步驟，其係將PI膜與天然石墨塵紙交互堆疊，使每一PI膜係介於二天然石墨塵紙之間，且利用石墨盒與石墨板容納並固定交互堆疊之PI膜與天然石墨塵紙，並於其中留有可供膨脹的預設空間；一第一升溫步驟，其係將堆疊後的PI膜階段性升溫至1000~1200℃，使PI膜碳化為半成品；一第二升溫步驟，其係將碳化後之半成品維持堆疊狀態，並階段性升溫至2500~3000℃，使半成品石墨化為人工石墨片。
2. 如請求項1所述之人工石墨片之製造方法，其中該堆疊步驟前可進一步包含一貫孔步驟，其係於PI膜上開設有複數孔徑介於0.1~1mm穿孔。
3. 如請求項1所述之人工石墨片之製造方法，其中該第二升溫步驟後可進一步包含一貫孔步驟，其係於人工石墨片上開設有複數孔徑介於0.1~1mm穿孔。
4. 如請求項2或3所述之人工石墨片之製造方法，其中該些穿孔係呈陣列或斜交的方式分布，且該各穿孔彼此間之間距係介於0.1~5mm之間。
5. 如請求項4任一項所述之人工石墨片之製造方法，其中該第一升溫步驟及該第二升溫步驟係可採電阻式或感應式的升溫爐進行階段性升溫。
6. 一種石墨基板之堆疊結構，其包括：一人工石墨片，其係經由請求項1至3任一項所述之製造方 法所製成；一基層，其係位於該人工石墨片下方，且可由金屬、樹脂或木材纖維所構成；一附加絕緣層，其係設於該基層與該人工石墨片之間，且可由絕緣複合材料所構成；至少一導電層，其係位於該人工石墨片上方，且係由導電材料所構成；及至少一絕緣層對應該導電層，該絕緣層係貼附於該導電層下方，並由絕緣複合材料所構成。
7. 如請求項6所述之石墨基板之堆疊結構，其中該導電層係為可導電之金屬材料，該絕緣層可為熱硬化性樹脂材料或高分子樹脂材料。