专利名称：一种高导热石墨散热片的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高导热石墨散热片，更具体地说涉及一种用于电子产品导热散热 的新型导热材料。
背景技术：
随着微电子集成技术和高密度印制板组装技术的迅速发展，组装密度迅速提高， 电子元件、逻辑电路体积成千上万倍地缩小，电子仪器及设备日益朝轻、薄、短、小方向发 展。在高频工作频率下，半导体工作热环境向高温方向迅速移动，此时，电子元器件产生的 热量迅速积累、增加，在使用环境温度下，要使电子元器件仍能高可靠性地正常工作，及时 散热能力成为影响其使用寿命的关键限制因素。为保障元器件运行可靠性，需使用高可靠 性、高导热性能等综合性能优异的材料，迅速、及时地将发热元件积聚的热量传递给散热设 备，保障电子设备正常运行。目前所用的散热材料基本都是铝合金，但铝的导热系数并不是很高(237W/mK)，金 和银的导热性能较好，但是价格太高，铜的导热系数次之(398W/mK)，但铜重量大，易氧化。 而石墨材料具有耐高温、重量轻(仅为传统金属导热材料的1/2-1/5)、热导率高、化学稳定 性强、热膨胀系数小，取代传统的金属导热材料，不仅有利于电子器件的小型化微型化和高 功率化，而且可以有效减轻器件的重量，增加有效载荷。但石墨硬度和机械强度远不如金 属，这给后续加工带来了困难。传统的石墨化学处理中，普遍采用的是强氧化剂酸(浓硫酸和浓硝酸的混合液)， 处理温度为常温到100°C，处理时间5分钟以上，以便使石墨颗粒受到充分侵蚀，然后再经 过水洗，除去多余的酸，最后进行高温膨胀处理。但该法会使部分石墨颗粒被溶解掉，且制 得的产品杂质较多，只能用于常规的散热产品。发明专利(200810157861. 5)公开了名称为一种具有各向异性的石墨导热散热片 的制备方法的发明专利，该发明专利针对传统的石墨处理存在杂质较多的问题，选用硫酸 溶液与过硫酸胺溶液对石墨进行化学处理，不仅使石墨粉在化学处理中具有可膨胀性，而 且利用过硫酸胺强氧化剂氧化石墨粒子层间的多种微量元素杂质，产生新的化合物，使微 量元素杂质逐渐离开石墨粒子层间。水洗过程中加入氢氟酸，与杂质进行化学反应，达到提 纯目的。上述方法存在一定缺陷，其一使用氢氟酸提纯石墨存在以下不足之处一是对材 料本身的危害。因为氢氟酸酸性太强，会破坏石墨结构。二是含氟的废水危害太大。高氟 地区多发生的地方病如佝偻病，主要是骨骼受损。因为人体内氟高了以后，氟就会和体内的 钙反应，影响身体钙的吸收。其二，所制得的石墨散热片机械强度不高，使用寿命短，易脱落 等，而且不利于后续加工。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术的不足，提供一种对石墨材质无不良影响，无环境污染，所制得的石墨散热片机械强度高，使用寿命长，不脱落，有利于后续加工的高导热 石墨散热片的制备方法。本发明的目的可通过如下技术措施来实现a.采用粒径为70-800 μ m、碳元素含量为95-99. 99 %的石墨粉为原料，将石墨粉 放入由强酸双氧水=1 3-20重量份配比混合而成的酸处理液中，在温度为20-100°C 条件下，浸泡处理20-120分钟；或将石墨粉用高温提纯法处理；或放入由氟化物浓度为 5-35%的强酸=1. 5-10 1重量份配比混合而成的混合液中，浸泡处理20-150分钟；b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH = 5-6. 5 ；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中，在800-1000°C条件下高温膨胀3-20小 时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为0. 5 μ m-200 μ m的炭黑、氮化硼或铜粉为石墨粉的复配粒子，按照石 墨粉复配粒子=2-8 1的质量份配比，通过石墨卷材生产设备制成密度为0. 5-1. 5g/ cm3、厚度为0. 05-5mm的石墨散热片。本发明的目的还可通过如下技术措施来实现所述的强酸是盐酸、硫酸或硝酸；所述的高温提纯法的温度是2800-3300°C ；所 述的氟化物是氟化钠或氟化铵；在所述的石墨散热片表面进行连续化学镀、电镀或真空镀 金属层；所述的金属层为铜层、镍层、铝层或其金属化合物层；所述的石墨散热片密度为 0. 5-1. 5g/cm3 ；所述的石墨散热片厚度为0. 05-5mm。现有技术的石墨散热片加工方法仅仅采用单一的石墨粉，而本发明采用石墨与复 配粒子，其优点在于，从形成导热网链的观点看，一种粒径的粒子进行某种形式的堆砌后， 再在其间隙中嵌入粒径更小的颗粒，可使填料与填料之间形成紧密堆砌，因此复合填充更 有利于形成有效的导热网链。同时采用炭黑、氮化硼、铜粉等复配粒子与石墨粒子复配不仅 有利于形成有效的导热网链，而且还可以提高石墨散热片的机械性能。现有技术的膨胀石墨生产工艺中一般采用浓硝酸、高锰酸钾、重铬酸钾、高氯酸、 三氯醋酸、乙酸酐及其化合物作为氧化剂，在反应过程中产生对人体有害的二氧化氮、二氧 化硫等气体，造成操作不便以及环境污染。本发明选用双氧水为氧化剂不仅能剔除石墨粒 子原来固有的各种有害物质，而且不会产生新的有害物质，具有环保高效等特点。在上述技术方案中，所述的杂质处理可以采用高温提纯法，主要过程如下将石墨 粉温度加到3000°C左右，(由于石墨的熔点很高，在3700°C以上)在3000°C左右其他物质 都变成气体挥发掉了，就剩石墨。该法可以使石墨达到很高的纯度，99. 9 %、99. 99%，甚至 99. 999%，而且污染也少，那些杂质气体遇冷马上凝固成粉状，而且都是纳米级的超细粉。 这些粉都可以回收，因为不同成分的粉凝结温度不一样。所述的杂质处理还可以采用如下方法将石墨粉放在氟化铵与稀盐酸、硫酸或硝 酸混合溶液中(也可以为其他氟化物)浸泡20-150分钟。其中氟化铵(氟化物)与稀盐 酸、稀硫酸或稀硝酸重量份配比为1 5-10 1。经过上述处理，石墨杂质含量不大于0. 01%重量份。在上述技术方案中，所述水洗过程主要是指石墨经过上述处理后进行水洗，水洗 温度为常温，水洗目的是除去多余的酸及杂质。本发明为提高石墨散热片的力学性能，在成型过程中可以使膨胀石墨粒子定向排列，不仅可以显著提高横截面方向的导热性能，还可以有效提高纵向的力学性能。作为换热 器材料，这将是一种很好的增强途径。本发明石墨散热片由于直接暴露在电器原件环境中，在长时间的工作下容易使石 墨粉尘脱落，造成短路危险，为了克服上述缺点，本发明还提供了一种具体改进方案，可以 在石墨散热片表面采用连续化学镀或电镀、真空镀等工艺形成一层很薄的金属层，所述金 属层可以为铜层、镍层、铝层等金属或其化合物。本发明制备的石墨散热片，克服了传统制备工艺中存在的杂质多、环境污染大、力 学性能低、使用寿命短，易脱落等缺陷。经过上述处理获得的石墨散热片，对石墨材质无不 良影响，生产过程无环境污染，其机械强度及纯度大大提高，使用寿命长，不脱落，便于后续 加工使用。
具体实施例方式
图1是本发明高导热石墨散热片的实施例的示意图。
以下实施例只是用于具体说明本发明，本领域的技术人员完全可以根据本发明的思路 和选料配比筛选出的配方均为本发明的保护范围。
实施例1 a.采用粒径为70 μ m、碳元素含量为99. 99%的石墨粉为原料，将石墨粉放入由盐 酸双氧水=1 3重量份配比混合而成的酸处理液中，在温度为100°C条件下，浸泡处理 20分钟；b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至pH = 6. 5 ；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在 800°C条件下高温膨胀20小时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为0. 5μπι-的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉炭黑=8 1的 质量份配比混勻后，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为0. 5g/cm3、厚度为5mm的石墨散 热片。实施例2 a.采用粒径为800μπκ碳元素含量为95%的石墨粉为原料，将石墨粉放入由盐 酸双氧水=1 20重量份配比混合而成的酸处理液中，在温度为20°C条件下，浸泡处理 120分钟；b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至PH = 5 ；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在 1000°C条件下高温膨胀3小时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为200 μ m的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉炭黑=2 1的质 量份配比混勻后，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为1. 5g/cm3、厚度为0. 05mm的石墨 散热片。实施例3 a.采用粒径为400 μ m、碳元素含量为97. 5%的石墨粉为原料，将石墨粉放入由盐 酸双氧水=1 10重量份配比混合而成的酸处理液中，在温度为60°C条件下，浸泡处理 60分钟；
b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至pH = 6. 0 ；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在 900°C条件下高温膨胀10小时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为100 μ m的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉炭黑=5 1的质 量份配比混勻后定向排列，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为1. 2g/cm3、厚度为3. Omm 的石墨散热片。实施例4 a.将石墨粉温度加到2800°C进行高温提纯，使其它物质变成气体挥发掉；b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH = 6. 5 ；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在 800°C条件下高温膨胀20小时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为0. 5μπι-的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉炭黑=8 1的 质量份配比混勻后，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为0. 5g/cm3、厚度为5mm的石墨散 热片。实施例5 a.将石墨粉温度加到3300°C进行高温提纯，使其它物质变成气体挥发掉；b.然后将经处理的石墨粉水洗至PH = 5 ；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在 1000°C条件下高温膨胀3小时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为200 μ m的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉炭黑=2 1的质 量份配比混勻后，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为1. 5g/cm3、厚度为0. 05mm的石墨 散热片。实施例6 a.将石墨粉温度加到3000°C进行高温提纯，使其它物质变成气体挥发掉；b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH = 6. 0 ；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在 900°C条件下高温膨胀10小时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为100 μ m的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉炭黑=5 1的质 量份配比混勻后定向排列，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为1. 2g/cm3、厚度为3. Omm 的石墨散热片。实施例7 a.放入由氟化铵浓度为20%的盐酸=1. 5 1重量份配比混合而成的混合液 中，浸泡处理150分钟；b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至pH = 6. 5 ；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在 800°C条件下高温膨胀20小时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为0. 5μπι-的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉炭黑=8 1的 质量份配比混勻后，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为0. 5g/cm3、厚度为5mm的石墨散 热片。
实施例8 a.放入由氟化铵浓度为35%的盐酸=10 1重量份配比混合而成的混合液 中，浸泡处理20分钟；b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至PH = 5 ；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在 1000°C条件下高温膨胀3小时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为200 μ m的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉炭黑=2 1的质 量份配比混勻后，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为1. 5g/cm3、厚度为0. 05mm的石墨 散热片。实施例9 a.放入由氟化铵浓度为15%的盐酸=5 1重量份配比混合而成的混合液中， 浸泡处理80分钟；b.然后将经处理的石墨粉常温下水洗至pH = 6. 0 ；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中进行高温膨胀，石墨膨胀炉的温度在 900°C条件下高温膨胀10小时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为100 μ m的炭黑为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉炭黑=5 1的质 量份配比混勻后定向排列，通过柔性石墨卷材生产设备制成密度为1. 2g/cm3、厚度为3. Omm 的石墨散热片。实施例10 不同的是用氟化钠代替氟化铵，其余分别同实施例1-9。实施例11 不同的是用氮化硼代替炭黑，其余分别同实施例1-10。实施例12 不同的是用铜粉代替炭黑，其余分别同实施例1-10。实施例13 不同的是对d步骤的石墨散热片表面采用连续化学镀一层薄金属镍层，其余分别 同实施例1-12。实施例14 不同的是用电镀代替连续化学镀，其余同实施例13。实施例15 不同的是用真空镀代替连续化学镀，其余同实施例13。实施例16 不同的是用薄金属铜层代替薄金属镍层，其余同实施例13。实施例17不同的是用薄金属铝层代替薄金属镍层，其余同实施例13。实施例18 不同的是用薄金属化合物层代替薄金属镍层，其余同实施例13。实施例19 不同的是用硫酸代替盐酸，其余分别同实施例1、2、3、7_18。
实施例20 不同的是用硝酸代替盐酸，其余分别同实施例1、2、3、7_18。
权利要求
一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于a.采用粒径为70 800μm、碳元素含量为95 99.99％的石墨粉为原料，将石墨粉放入由强酸∶双氧水＝1∶3 20重量份配比混合而成的酸处理液中，在温度为20 100℃条件下，浸泡处理20 120分钟；或将石墨粉用高温提纯法处理；或放入由氟化物∶浓度为5 35％的强酸＝1.5 10∶1重量份配比混合而成的混合液中，浸泡处理20 150分钟；b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH＝5 6.5；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中，在800 1000℃条件下高温膨胀3 20小时，然后缓慢冷却至室温；d.取粒径为0.5μm 200μm的炭黑、氮化硼或铜粉为石墨粉的复配粒子，按照石墨粉∶复配粒子＝2 8∶1的质量份配比，通过石墨卷材生产设备制成石墨散热片。
2.根据权利要求1所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的强酸 是盐酸、硫酸或硝酸。
3.根据权利要求1所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的高温 提纯法的温度是2800-3300°C。
4.根据权利要求1所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的氟化 物是氟化钠或氟化铵。
5.根据权利要求1所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于在所述的石 墨散热片表面进行连续化学镀、电镀或真空镀金属层。
6.根据权利要求6所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的金属 层为铜层、镍层、铝层或其金属化合物层。
7.根据权利要求1所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的石墨 散热片密度为0. 5-1. 5g/cm3。
8.根据权利要求1或7所述的一种高导热石墨散热片的制备方法，其特征在于所述的 石墨散热片厚度为0. 05-5mm。
全文摘要
本发明提供一种高导热石墨散热片的制备方法，a.采用石墨粉为原料，将石墨粉放入由硫酸和双氧水混合而成的酸处理液中，在温度为20-100℃条件下，浸泡处理20-120分钟；或将石墨粉用高温提纯法处理；或放入由氟化物和强酸混合而成的混合液中，浸泡处理20-150分钟；b.然后将经处理的石墨粉水洗至pH＝5-6.5；c.将经水洗的石墨粉放入石墨膨胀炉中，在8001000℃条件下高温膨胀3-20小时，然后缓慢冷却至室温；d.按照石墨粉∶复配粒子＝2-8∶1的质量份配比，通过石墨卷材生产设备制成厚度为0.05-5mm的石墨散热片。
文档编号H05K7/20GK101951751SQ20101024020
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者余凤斌, 朱焰焰 申请人:山东天诺光电材料有限公司