一种高导热复合石墨散热片及其制备方法与流程

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种高导热复合石墨散热片及其制备方法。

背景技术：

近年来，随着电子产业的发展，要解决电子设备的发热问题也日趋重要。目前，人工石墨具有卓越的导热性能，其中人工石墨膜是由聚酰亚胺薄膜(polyimide缩写为pi)经过碳化、石墨化处理制成，或者使用天然石墨制成柔性人工石墨膜。但人工石墨膜纵向导热系数较低，仅为5-10w/m·k。为了既保持石墨材料的面向导热特性，又要提高纵向导热性能，在现有的技术中，如专利cn105584122a公开的方法，将碳材料薄膜与铜箔通过双面胶粘合在一起；专利cn103476227a，公开了一种铜碳复合散热片制备方法，再铜箔的两面涂覆碳材料涂料。

上述技术在一定程度上可以提高石墨膜的纵向的导热性能，但粘结剂的使用会严重降低了碳材料层的导热系数，造成石墨膜散出的热无法及时传递到铜上，严重削弱了石墨膜的散热效果。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种高导热复合石墨散热片及其制备方法。本发明的制备方法可制备厚度为0.08-1.0mm的复合石墨散热片，产品可用范围广泛；制备的复合石墨散热片内部无胶粘剂，采用金属与石墨直接粘结的方式，制备的复合石墨散热片既能保持复合石墨片水平方向的导热优势，又能增加复合石墨片的纵向的导热性能，制备工艺简单，成本低廉。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高导热复合石墨散热片及其制备方法，其特征在于，该石墨散热片及其制备方法具有以下特征：

一种高导热复合石墨散热片，所述散热片以复合石墨层为散热单元，所述散热片由多个复合石墨层纵向叠加而成，每层复合石墨层包括金属过渡层+单层石墨膜，其中金属过渡层沉积在单层石墨膜表面，所述散热片由多个复合石墨层通过焊接压合而成。

所述单层石墨膜是由聚酰亚胺薄膜经过高温碳化、石墨化制备而成的，厚度为17-100μm。

所述金属过渡层包括ag、cu、ti中的一种或多种，厚度为0.05-5μm。

所述一金属过渡层+单层石墨膜为一复合层，最终叠加后的散热片上下面最外层为单层石墨膜。

所述金属过渡层通过真空磁控溅射、高功率磁控溅射、离子注入、多弧离子镀、真空蒸镀、电沉积、物理气相沉积或化学气相沉积中的一种或多种工艺沉积在单层石墨膜表面。

所述焊接压合通过高频焊、电阻焊、钎焊、超声焊、摩擦焊、高温高压焊中的一种焊接工艺将复合石墨层与复合石墨层焊接在一起。

所述高导热复合石墨散热片的制备方法，包括以下步骤：

(1)在厚度为17-100μm的单层石墨膜表面沉积金属过渡层，得到复合石墨层；

(2)将步骤(1)中的复合石墨层裁剪成同样大小的薄片，将薄片纵向叠加至一定的厚度，放入热压炉指定的工装进行高温高压焊接压合；

(3)焊接压合后得到厚度为0.08-1mm的复合石墨散热片。

步骤(2)中所述焊接压合工艺如下：

0-650℃，压力0-5mpa，升温速率5-10℃/min，且在650℃保温30-120min；650-850℃，压力升至1-20mpa，升温速率5-10℃/min，且在850℃保温30-120min；850-980℃，压力维持在1-20mpa，升温速率5-10℃/min，且在980℃保温30-120min。

步骤(3)中得到的复合石墨散热片水平方向的导热系数为1000w/m·k以上，纵向的导热系数为20w/m·k以上。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)可制备0.08-1.0mm不同厚度的复合石墨散热片，产品可用范围广泛；

(2)复合石墨片内部无胶粘剂，利用金属层进行粘结，既能保持复合石墨片水平方向的导热优势，又能增加复合石墨片的纵向z轴的导热性能；

(3)制备工艺简单，成本低廉。

附图说明

图1是本发明复合石墨散热片性能测试装置的结构示意图。

图中，tim为热界面材料的缩写，在这里是导热凝胶，是用于热源与测试样品之间的，便于热量更好的传递到测试样品上，以达到测试的准确性。

具体实施方式

实施例1

采用34μm厚的单层石墨膜制备复合石墨散热片，该石墨膜是由聚酰亚胺薄膜经过高温碳化、石墨化制备而成的，然后在石墨膜正反两面同时依次真空磁控溅射ti(200nm)和cu(1800nm)的溅射层，然后将溅射后的复合石墨膜裁切成200*200mm方形薄片，纵向叠至9层，叠加后的散热片上下面最外层为单层石墨膜，叠加后的复合石墨膜放入热压炉指定的工装进行高温高压焊接压合。

焊接压合的工艺如下：

0-650℃，压力0mpa，升温速率5℃/min，且在650℃保温60min；650-850℃，压力升至20mpa，升温速率10℃/min，且在850℃保温60min；850-980℃，压力维持在20mpa，升温速率10℃/min，且在980℃保温90min。

最终得到厚度为0.35mm的复合石墨散热片，测得复合石墨散热片水平方向的导热系数为1340w/m·k，纵向的导热系数为25w/m·k。

实施例2

采用34μm厚的单层石墨膜制备复合石墨散热片，该石墨膜是由聚酰亚胺薄膜经过高温碳化、石墨化制备而成的，然后在石墨膜正反两面同时依次真空磁控溅射ti(200nm)和cu(1800nm)的溅射层，然后将溅射后的复合石墨膜裁切成200*200mm方形薄片，纵向叠至6层，叠加后的散热片上下面最外层为单层石墨膜，叠加后的复合石墨膜放入热压炉指定的工装进行高温高压焊接压合。

焊接压合的工艺如下：

0-650℃，压力0mpa，升温速率10℃/min，且在650℃保温120min；650-850℃，压力升至10mpa，升温速率10℃/min，且在850℃保温120min；850-980℃，压力维持在20mpa，升温速率10℃/min，且在980℃保温30min。

最终得到厚度为0.25mm的复合石墨散热片，测得复合石墨散热片水平方向的导热系数为1410w/m·k，纵向的导热系数为27w/m·k。

实施例3

采用34μm厚的单层石墨膜制备复合石墨散热片，该石墨膜是由聚酰亚胺薄膜经过高温碳化、石墨化制备而成的，然后在石墨膜正反两面同时依次真空磁控溅射ti(200nm)和cu(1800nm)的溅射层，然后将溅射后的复合石墨膜裁切成200*200mm方形薄片，纵向叠至4层，叠加后的散热片上下面最外层为单层石墨膜，叠加后的复合石墨膜放入热压炉指定的工装进行高温高压焊接压合。

焊接压合的工艺如下：

0-650℃，压力0mpa，升温速率7.5℃/min，且在650℃保温30min；650-850℃，压力0mpa，升温速率10℃/min，且在850℃保温30min；850-980℃，压力维持在20mpa，升温速率10℃/min，且在980℃保温120min。

最终得到厚度为0.15mm的复合石墨散热片，测得复合石墨散热片水平方向的导热系数为1430w/m·k，纵向的导热系数为29w/m·k。

对比例1

34μm的压延石墨，经过金属镀层处理(单面厚度为2μm)，叠加成9层焊合成一体，与用传统双面胶(厚度5μm)粘结成对应9层石墨片的结构做应用案例对比测试。

对比例2

34μm的压延石墨，经过金属镀层处理(单面厚度为2μm)，叠加成6层焊合成一体，与用传统双面胶(厚度5μm)粘结成对应6层石墨片的结构做应用案例对比测试。

将对比例1和2中制得的复合石墨散热片与实施例1和2中的复合石墨散热片分别进行性能的对比测试，测试示意图如附图1，测试结果如下表1。

表1实施例1～2和对比例1～2制备的复合石墨散热片的导热性能测试结果

注：△t1＝tj1-t1，△t2＝t1-t2；psa-传统5μm厚度的双面胶。

从上述表1可以看出，有金属粘结层的产品纵向温度△t1明显小于用双面胶粘结成一体的石墨片，说明用金属粘结层可明显改善产品的纵向导热性，两种产品△t2在同一水平，整体来讲金属粘结层复合石墨散热片的导热性能优于粘接胶层复合石墨散热片的导热性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。