导热膜、导热垫片及其制备方法与流程

本发明涉及导热材料领域，具体涉及一种导热垫片。

背景技术：

随着5g时代的到来，高频率的引入、硬件零部件的升级、以及互联网设备和天线数量的成倍增长，导致设备的功耗不断增大，发热量也随之快速上升，设备的体积越来越小，而环境适应性要求越来越高，热可靠性已经逐渐成为设备可靠性设计的瓶颈。散热胶和散热垫等热界面材料导热率一般都在1-5w/m·k，无法满足电子产品日益增长的散热需求，而超过5w/m·k的产品由于价格昂贵，很难被一般用户所接受。

石墨烯具有良好的热稳定性和化学稳定性，其理论导热率高达5000w/m·k，使其在热管理领域具有巨大的应用前景。目前石墨烯导热膜或石墨烯导热片在横向上的导热系数可达1500w/m·k，其效果远超一般金属的导热系数，但纵向导热系数不佳。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有技术存在问题中的一个或多个，提供一种导热膜，该导热膜横向导热系数高、耐弯折等特点，构造一种三维凹凸结构的烯导热膜。

本发明的另一目的是提供一种导热垫片，利用上述导热膜横向导热系数高、耐弯折等特点，构造一种三维凹凸结构的导热膜，在凹陷部分中填充导热填料，实现导热垫片在纵向上拥有较高的导热性能。

本发明的又一目的是提供上述导热垫片的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

一种导热膜，所述导热膜表面形成若干三维阵列排布的且相互连续的凹凸结构单元，使导热膜任一方向的截面均呈现为具有波峰和波谷的折线、波浪线或其变形的结构。这样的凹凸结构使导热膜的在任一方向的截面均呈现为具有波峰和波谷的折线、波浪线或其变形的结构，可以通过拉伸等外力作用下产生形变，从而具有伸缩功能。

根据本发明的一个方面，所述导热膜包括第一表面和第二表面，所述凹凸结构单元均包括互相匹配凸部和凹部，所述凹凸结构单元在第一表面为凸部时，在第二表面则为凹部，在第一表面为凹部时，在第二表现则为凸部。

根据本发明的一个方面，所述凹凸结构单元为翅片形、蛋托形或锥形。

根据本发明的一个方面，所述凹凸结构单元包括顶端和底端，所述顶端在导热膜的截面上呈波峰，在一个凹凸结构单元的底端与其毗邻的凹凸结构单元的底端相互连续，一个凹凸结构单元的波峰与其毗邻的凹凸结构单元的波峰相互远离。

根据本发明的一个方面，所述凹凸结构单元的底端边缘围成三角形、四边形或多边形；优选地，所述凹凸结构单元的底端边缘围成三角形。

根据本发明的一个方面，所述石墨烯导热膜的任一截面的形状均成具有波峰和波谷的折线形；

根据本发明的一个方面，每一凹凸结构单元的顶端和其毗邻的凹凸结构单元的顶端的垂直距离均为0.2-10mm。

根据本发明的一个方面，所述凹凸结构单元的底端到顶端的高度均为0.01-1mm，优选0.2mm。在使用空间的控制范围内，高度越高，凹凸结构单元之间越紧密，沿着厚度方向的纵向导热的石墨烯越多，纵向的导热系数越高。

根据本发明的一个方面，所述导热膜的厚度为0.01-1mm，优选0.2mm。高度差越大，纵向导热的石墨烯越多，纵向的导热系数越大。导热膜的厚度是指，第一表面形成的凸起和其对应的第二表面所形成的凹陷的高度差。

根据本发明的一个方面，所述导热膜为石墨烯导热膜，所述石墨烯导热膜的导热系数为100-1800w/m·k，优选1000-1500w/m·k。石墨烯导热膜的导热系数为综合导热系数，属于材料本身的属性，不会因为压成凹凸结构后产生变化。

根据本发明的一个方面，所述石墨烯导热膜的密度为0.1-2.5g/cm³，优选1.5-2.2g/cm³。

一种导热垫片，包括上述导热膜和导热填料；所述导热填料将导热膜包覆其中。

根据本发明的一个方面，所述导热填料采用在载体中分散无机氧化物的混合材料。

根据本发明的一个方面，所述无机氧化物还包括氧化铝、氧化镁、氮化硼和氮化铝中的一种或两种以上的混合。

根据本发明的一个方面，所述载体为硅胶和/或硅脂。

根据本发明的一个方面，无机氧化物占填料的质量百分比为10-95％，优选35-50％。

根据本发明的一个方面，所述石墨烯导热垫片还包括封装层，所述石墨烯导热膜和导热填料封装于封装层内。封装层可以防止导热填料溢出，同时方便使用。

根据本发明的一个方面，所述封装层的厚度为0.001-0.1mm。

根据本发明的一个方面，所述封装层的材料为pet或pi。

根据本发明的一个方面，所述石墨烯导热垫片在其厚度方向的纵向导热系数为10-35w/m·k，优选25-30w/m·k。

根据本发明的一个方面，所述石墨烯导热垫片的横向导热系数为200-1500w/m·k。

根据本发明的一个方面，所述石墨烯导热垫片的厚度为0.1-20mm，优选2-3mm。

一种导热垫片的制备方法，包括以下步骤：

用模具对平整的导热膜施压，形成两个表面均有若干凸起和凹陷的三维结构；

在导热膜表面包覆导热填料，和

再在导热填料表面复合封装层。

根据本发明的一个方面，所述在导热填料表面复合封装层的方法包括包覆、涂覆或浸渍中的一种或两种以上。

根据本发明的一个方面，所述平整的导热膜的厚度为0.01-1mm，优选0.2mm。

根据本发明的一个方面，采用自动或手动压痕机对导热膜施压；优选地，施压的压力为25-40mpa，优选30mpa。

根据本发明的一个方面，所述在石墨烯导热膜表面包覆导热填料的方法包括：在导热膜的表面灌注液体导热填料，加热，使液体导热填料固化成型。灌注时，将导热膜平铺在模具中，然后表面灌注液体导热填料，使导热膜的凹凸结构单元中填充导热填料。

根据本发明的一个方面，灌注液体导热填料在真空条件下进行；

优选地，加热温度为80-120℃，优选100℃；

优选地，加热时间为30-60min，优选40min

经研究发现，一张平整的石墨烯导热膜沿着导热膜表面的横向导热系数非常高，但是沿着导热膜厚度的纵向导热系数很低。电子器件表面的界面导热材料都在追求能够同时在横向和纵向方向都拥有良好的导热性能。本发明的导热膜在第一表面和第二表面均有若干个凸起和凹陷，沿着石墨烯导热膜表面传输的热量总体的大方向是向横向扩散，而从细节来看，因为有了若干个凸起和凹陷，热量从沿着石墨烯导热膜表面传输的同时，也向纵向方向进行扩散，从而达到了提升纵向导热系数的效果。又由于石墨烯导热膜表面为凹凸结构，凹陷部分存在间隙，填充导热材料能够防止空气进入凹陷部分，降低石墨烯导热垫片的热阻，提高导热系数。

本发明所述的横向导热系数指的是沿着石墨烯导热膜表面传输方向的导热系数，纵向导热系数指的是沿着石墨烯导热膜厚度方向的导热系数。石墨烯导热膜的纵向的结构和导热填料共同作用决定了导热垫片的纵向导热性能。导热填料的导热系数虽然比空气高，但是相对于导热膜的导热系数要低很多。因此，包覆在石墨烯导热膜表面的导热填料越厚，石墨烯导热膜垫片的纵向导热系数越低。根据不同的纵向散热的需求，可以调节导热填料的厚度。

本发明采用导热膜和导热填料作为导热界面材料，可在平面各个方向进行折叠。

本发明导热膜的凹陷和凸起让热量沿着导热膜表面的横向和纵向传输，在保证横向导热性能基本不变的情况下，使纵向的导热性能提升，有利于石墨烯导热垫片的整体散热效果的提升。

本发明可以调节导热膜的凸起和凹陷的数量、以及导热填料的材料和厚度来相应不同的纵向散热的需求。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的实施例1的导热膜的三维结构示意图；

图2是实施例1的导热膜沿a-a方向的截面示意图；

图3是本发明的实施例2的导热膜的三维结构示意图；

图4是实施例2的石墨烯导热膜沿b-b方向的截面示意图；

图5是采用实施例1的导热膜制成的导热垫片沿向上的凹凸结构的顶端的截面示意图；

图6是采用实施例1的导热膜制成的导热垫片沿向下的凹凸结构的顶端的截面示意图；

图7是采用实施例3的导热膜制成的导热垫片沿向上的凹凸结构的顶端的截面示意图；

图8是采用实施例3的导热膜制成的导热垫片沿向下的凹凸结构的顶端的截面示意图；

其中，1—导热膜，2—导热填料，3—封装层，10--凹凸结构单元，11—第一表面，12—第二表面，101--凹凸结构单元的顶端，102--凹凸结构单元的底端。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1-2所示，示出了一种导热膜1，通过模具压制石墨烯薄膜而成，图1示出了导热膜1的三维结构。导热膜1表面形成若干三维阵列排布的且相互连续的凹凸结构单元10，类似宏观的“蛋托”。图2示出的导热膜1在a-a方向上的截面图，导热膜1包括第一表面11和第二表面12，所述凹凸结构单元10在第一表面11呈现为凸起，则在第二表面对应位置呈现为凹陷。导热膜1的截面为具有波峰和波谷的波浪状。当受到外力拉伸的力时，该导热膜在拉伸力的方向的波浪被拉平或趋向拉平，拉伸力消失时，在该方向上可恢复到原来的波浪状。如果拉伸力在多个方向展开，则导热膜可实现在多个方向的拉伸和回缩。

实施例2：

如图3-4所示，示出了另一种导热膜1，用石墨烯薄膜压制而成。

图3示出了导热膜1的三维结构，导热膜1表面形成若干三维阵列排布的且相互连续的10，如四面锥形。图2示出的导热膜1在b-b方向上的截面图，呈现为具有波峰和波谷的折线形。导热膜1包括第一表面11和第二表面12，所述凹凸结构单元10在第一表面11呈现为凸起，则在第二表面对应位置呈现为凹陷。导热膜1在任一方向的截面都呈现为具有波峰和波谷的折线形。因此，在受到拉伸力时，同实施例1一样，导热膜可在各方向实现拉伸和回缩。

除此以外，通过对模具的外形控制，可实现凹凸结构单元10的形状，如翅片形，三角锥形等，等等。本领域技术人员在实施例1、2的基础上，可以对凹凸结构单元实现多种变形。

如图1、3所示，凹凸结构单元10包括顶端101和底端102，导热膜1上的凹凸结构单元10向上和向下方向都具有顶端。所述顶端101在导热膜的截面上呈波峰，在一个凹凸结构单元10a的底端与其毗邻的凹凸结构单元10b的底端相互连续，一个凹凸结构单元10a的顶端与其毗邻的凹凸结构单元10b的顶端相互远离。通过对模具的控制，可以使凹凸结构单元的底端边缘围成三角形、四边形或多边形。如图1，这种“蛋托”结构的凹凸结构单元底端边缘可围成圆形。如图3所示，这种四面锥形的凹凸结构单元底端边缘可围成正方形、长方形或菱形。这样的凹凸结构使导热膜的在任一方向的截面均呈现为具有波峰和波谷的折线、波浪线或其变形的结构，可以通过拉伸等外力作用下产生形变，从而具有伸缩功能。无论凹凸结构单元是何种形状，每一凹凸结构单元的顶端和其毗邻的凹凸结构单元的顶端的垂直距离h1均为0.2-10mm。凹凸结构单元的底端到顶端的高度h2均为0.01-1mm，优选0.2mm。导热膜的厚度h3为0.01-1mm，优选0.2mm。高度差越大，纵向导热的石墨烯越多，纵向的导热系数越大。导热膜的厚度是指，第一表面形成的凸起和其对应的第二表面所形成的凹陷的高度差。

上述实施例均是上石墨烯导热膜压制而成，该石墨烯导热膜的导热系数为100-1800w/m·k，优选1000-1500w/m·k。石墨烯导热膜的导热系数为综合导热系数，属于材料本身的属性，不会因为压成凹凸结构后产生变化。所述石墨烯导热膜的密度为0.1-2.5g/cm³，优选1.5-2.2g/cm³。

实施例3：

一种导热垫片，如图5、6所示，均为导热垫片沿导热膜的顶端位置的截面图，图5是采用图1所示导热膜的导热垫片沿向上凹凸结构单元的顶端位置的截面图，图6是采用图1所示导热膜的导热垫片沿向下凹凸结构单元的顶端位置的截面图。图7为采用图3所示导热膜的导热垫片沿向上凹凸结构单元的顶端位置的截面图，图8为采用图3所示导热膜的导热垫片沿向下凹凸结构单元的顶端位置的截面图，导热垫片包括具有凹凸结构的石墨烯导热膜1、导热填料2和上、下封装层3构成。凹凸结构向凸突起和向下凸起的顶端分别与上、下封装层最为接近，也可以与上、下封装层内表面接触。导热填料将导热膜包覆其中，石墨烯导热膜和导热填料封装于封装层内。导热填料采用导热硅胶和/或导热硅脂；进一步优选地，所述导热填料还包括氧化铝、氧化镁、氮化硼和氮化铝中的一种或两种以上的混合。装层可以防止导热填料溢出，同时方便使用。封装层的厚度为0.001-0.1mm。封装层的材料为pet或pi。导热垫片的厚度为0.1-20mm，优选2-3mm。该石墨烯导热垫片在其厚度方向的纵向导热系数为10-35w/m·k，优选25-30w/m·k。所述石墨烯导热垫片的横向导热系数为200-1500w/m·k。

实施例4：

本实施例示出了一种石墨烯导热垫片的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：将厚度为100μm、密度为2.0g/cm³的石墨烯导热膜切成片材，利用自动压痕机对石墨烯导热膜施压，如图1所示，形成三维的蛋托形凹凸结构。

步骤2)：将步骤1)的石墨烯导热膜放置在3mm深的凹槽模具中，灌注含有35wt％氧化铝液体硅橡胶，抽真空排泡，并于100℃加热40分钟，使硅橡胶固化成型。

步骤3)：在固化成型的硅橡胶的表面涂覆一层厚度为10μm的pet，得到石墨烯导热垫片，如图5、6所示。

该石墨烯导热垫片的纵向导热系数为30w/m·k，横向导热系数为1000w/m·k。

实施例5：

本实施例示出了一种石墨烯导热垫片的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：将厚度为150μm、密度为2.0g/cm³的石墨烯导热膜切成片材，通过手动的方式利用滚轮对石墨烯导热膜施压，如图3所示，形成锥形的凹凸结构。

步骤2)：将步骤1)的石墨烯导热膜放置在2mm深的凹槽模具中，灌注含有50％氮化硼的液体硅油，抽真空排泡，并于100℃加热40分钟，使硅油固化成型。

步骤3)：在固化成型的硅油的表面涂覆一层厚度为10μm的pi，得到石墨烯导热垫片，如图7、8所示。

该石墨烯导热垫片的纵向导热系数为27w/m·k，横向导热系数为1020w/m·k。

实施例6：

本实施例示出了一种石墨烯导热垫片的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：将厚度为100μm、密度为2.0g/cm³的石墨烯导热膜切成片材，利用自动压痕机对石墨烯导热膜施压，如图3所示，形成三维的锥形凹凸结构。

步骤2)：将步骤1)的石墨烯导热膜放置在3mm深的凹槽模具中，灌注含有40wt％氧化镁液体硅橡胶，抽真空排泡，并于100℃加热40分钟，使硅橡胶固化成型。

步骤3)：在固化成型的硅橡胶的表面涂覆一层厚度为10μm的pet，得到石墨烯导热垫片，如图7、8所示。

该石墨烯导热垫片的纵向导热系数为30w/m·k，横向导热系数为1050w/m·k。

实施例7：

本实施例示出了一种石墨烯导热垫片的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：将厚度为200μm、密度为2.0g/cm³的石墨烯导热膜切成片材，利用自动压痕机对石墨烯导热膜施压，如图1所示，形成三维的蛋托凹凸结构。

步骤2)：将步骤1)的石墨烯导热膜放置在3mm深的凹槽模具中，灌注含有10wt％氧化镁液体硅橡胶，抽真空排泡，并于100℃加热40分钟，使硅橡胶固化成型。

步骤3)：在固化成型的硅橡胶的表面涂覆一层厚度为10μm的pet，得到石墨烯导热垫片，如图5、6所示。

该石墨烯导热垫片的纵向导热系数为45w/m·k，横向导热系数为1200w/m·k。

实施例8：

本实施例示出了一种石墨烯导热垫片的制备工艺，包括如下步骤：

步骤1)：将厚度为300μm、密度为2.0g/cm³的石墨烯导热膜切成片材，利用自动压痕机对石墨烯导热膜施压，如图3所示，形成三维的锥形凹凸结构。

步骤2)：将步骤1)的石墨烯导热膜放置在3mm深的凹槽模具中，灌注含有90wt％氮化铝的液体硅橡胶，抽真空排泡，并于100℃加热40分钟，使硅橡胶固化成型。

步骤3)：在固化成型的硅橡胶的表面涂覆一层厚度为10μm的pet，得到石墨烯导热垫片，如图7、8所示。

该石墨烯导热垫片的纵向导热系数为52w/m·k，横向导热系数为1450w/m·k。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。