一種高導熱石墨膜的製造方法與流程
2023-05-21 02:46:56 4
本發明涉及一種用於導熱及散熱的石墨膜的生產技術，特別涉及一種高導熱石墨膜的製造方法。
背景技術：
隨著電子器件以及產品向高集成度、高運算領域的發展，耗散功率隨之倍增，散熱日益成為一個急需解決的難題。目前，各種各樣的散熱材料已經廣泛使用。不同類型的散熱材料，會具有不同的性能，比如說，金屬材料的導熱性能良好，特別是其中的一部分金屬材料，如銅、鋁、銀等，其導熱性尤其良好。利用這些金屬製成的散熱器，比如銅質的散熱器、鋁質的散熱器，得到普遍應用。由於科技的發展，上述金屬材料作為導熱體處理，已經無法滿足，電子行業高集成化的需求，因而出現了高散熱性能的人造石墨膜材料，其導熱率非常高，可達1500W/m·K，且密度輕到1g/cm3～2g/cm3左右、而且具有高導電性的特點。此外，因能夠減輕薄膜的厚度、且具有柔軟性，因而一直被期待著作為在狹窄的場所、或需要穿過縫隙做處理的場所的導熱器材料或散熱器材料。目前高導熱石墨膜的應用越來越廣泛，對於高導熱石墨膜的製造方法也越來越多，有從天然石墨加以壓合而成的方法，也有描述從石墨烯出發加工成的高導熱石墨膜的製造方法，以及有人工合成的高導熱石墨膜的製造方法等。目前採用聚醯亞胺來製備高導熱石墨膜的方法很多，例如中國專利公開號CN103011141公開的一種高導熱石墨膜的製造方法：它採用聚醯亞胺薄膜作為原材料，經過碳化與石墨化二個過程，其工藝過程如下：a.選擇聚醯亞胺薄膜作為原材料，在每一層聚醯亞胺薄膜之間夾入石墨紙；b.將間隔有石墨紙交叉層疊後的聚醯亞胺薄膜放入炭化爐中在氮氣或氬氣環境中碳化，碳化溫度1000℃-1400℃，時間控制在1小時-6小時；c.碳化後進行石墨化，石墨化也是在氮氣或氬氣環境中進行，溫度控制在2500℃到3000℃左右，控制在12小時以內。中國專利授權公告號CN103059761公開的一種高導熱係數的石墨散熱膠帶，包括一石墨層，此石墨層上表面覆有一金屬層，所述石墨層下表面塗覆有導熱膠粘層；石墨層通過以下工藝獲得：將聚醯胺酸溶液中加入乙二醇或者三乙胺；升溫到300℃獲得聚醯亞胺薄膜；將聚醯亞胺薄膜升至250℃，再升至1200℃獲得預燒制的碳化膜；採用壓延機壓延預燒制的碳化膜；再升溫至2400℃後，再升至2900℃獲得主燒制的石墨膜；然後將主燒制的石墨膜進行壓延從而獲得所述石墨層。中國專利公開號CN103787323公開的一種導熱用石墨片及其製造工藝，導熱用石墨片由聚醯亞胺薄膜、第一塗覆層和第二塗覆層組成，所述第一塗覆層、第二塗覆層分別位於聚醯亞胺薄膜上、下表面；第一塗覆層、第二塗覆層均由石墨改性劑燒結而成，石墨改性劑由以下重量份的組分組成：二苯甲酮四酸二酐20～25份，均苯四甲酸二酐14～16份，二氨基二苯甲烷22～26份，二甲基甲醯胺25～35份，乙二醇1.8～2.5份，聚二甲基矽氧烷2.5～3份。中國專利公開號CN103796493公開的一種用於膠帶的導熱石墨貼片及其製備方法，導熱石墨貼片表面塗覆有導熱膠粘層；導熱石墨貼片由聚醯亞胺薄膜、第一塗覆層和第二塗覆層組成，所述第一塗覆層、第二塗覆層分別位於聚醯亞胺薄膜上、下表面；所述第一塗覆層、第二塗覆層均由以下重量份的組分組成：二苯甲酮四酸二酐20～25份，均苯四甲酸二酐12～18份，二氨基二苯甲烷20～28份，二甲基甲醯胺20～25份，N-甲基吡咯烷酮8～10份，乙二醇1.5～2.5份，聚二甲基矽氧烷2～3份，鄰苯二甲酸二丁酯0.8～1.5份。中國專利公開號CN103763892公開的一種用於微電子器件的導熱石墨貼片，包括第一導熱膠粘層、石墨層和第二導熱膠粘層；石墨層通過以下工藝方法獲得，此工藝方法包括以下步驟：在經過步驟一的聚醯亞胺薄膜的上、下表面均塗覆一層石墨改性劑獲得處理後的聚醯亞胺薄膜；將處理後的聚醯亞胺薄膜升溫至800℃，保溫後在升溫至1200℃獲得預燒制的碳化膜；採用壓延機壓延所述步驟四的預燒制的碳化膜；升溫至2400℃，保溫後再升溫至2900℃從而獲得主燒制的石墨膜；然後步驟五所得的主燒制的石墨膜進行壓延從而獲得所述石墨層。中國專利公開號CN103770415公開的一種導熱石墨片及其製造方法，導熱石墨片由聚醯亞胺薄膜、第一塗覆層和第二塗覆層組成，所述第一塗覆層、第二塗覆層分別位於聚醯亞胺薄膜上、下表面；第一塗覆層、第二塗覆層均由石墨改性劑燒結而成，石墨改性劑由以下重量份的組分組成：二苯甲酮四酸二酐20～25份，均苯四甲酸二酐14～16份，二氨基二苯甲烷22～26份，二甲基甲醯胺20～25份，N-甲基吡咯烷酮8～10份，乙二醇1.8～2.5份，聚二甲基矽氧烷2.5～3份。但是現有上述專利製備的高導熱石墨膜也有不足之處，例如密度依然較輕，熱擴散率較低。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決上述現有技術的不足而提供一種密度更高、熱擴散率更高、厚度調節範圍更大(0.005mm-0.1mm)的高導熱石墨膜的製造方法。為了實現上述目的，本發明提供的一種高導熱石墨膜的製造方法，其特徵是：採用聚醯亞胺薄膜作為原材料，經過預備燒制和高溫燒制二個過程，來達到所需的高導熱石墨膜，其工藝過程如下：a.預備燒制將10～100μm的聚醯亞胺薄膜放置在真空爐中，抽真空至10Pa在真空環境下由常溫升溫至1500℃，保溫2小時後降溫至200℃然後出爐，其中由常溫升溫至1500℃的時間為20小時；在預備燒制過程中，聚醯亞胺薄膜在600℃左右開始分解，形成聚醯亞胺的氮原子、氧原子、氫原子氣化，從聚醯亞胺薄膜中分離出來。b.高溫燒制將步驟a預備燒制的聚醯亞胺薄膜放置到高溫爐中，充入惰性氣體，在惰性氣體氣霧包圍下由常溫升溫至2950℃，保溫2小時後降溫至200℃出爐，出爐後用碾壓輥碾壓高溫燒製成的薄膜，製成比重2.0g/cm3以上、熱擴散率10cm2/s、導熱率1600W/(M·k)以上石墨片，其中碾壓條件如下：通過石墨片在兩個金屬制高硬度鍍鉻輥軸之間，通過高達5Mpa的油缸壓力，輥軸速度高達4M/min，迅速讓石墨片厚度變小，從而提高其密度。厚度最小可達0.005mm，密度最高可達2.2g/cm3。通過高溫燒制，氣體分離後的薄膜在超過2850℃高溫燒制後，剩下的碳原子此時吸收熱量發生共有結合，促進結晶化的同時，這種結晶化構造變成層狀。在本發明的一個優選實施例中，所述惰性氣體為氬氣。本發明提供的高導熱石墨膜的製造方法，製備工藝簡單，既能保證石墨膜的高散熱性，增強其熱擴散率，更好、更快地將電子產品的熱量散發出去。本發明提供的高導熱石墨膜能廣泛應用於電子晶片、功率放大器、絕緣體、半導體元件等有發熱部件需要散熱的電子產品中。具體實施方式下面通過實施例對本發明作進一步說明。實施例1：採用聚醯亞胺薄膜作為原材料，經過預備燒制和高溫燒制二個過程，來達到所需的高導熱石墨膜，其工藝過程如下：a.預備燒制將50μm的聚醯亞胺薄膜放置在真空爐中，抽真空至10Pa以下在真空環境下由常溫升溫至1500℃，保溫2小時後降溫至200℃然後出爐，其中由常溫升溫至1500℃的時間為20小時；在預備燒制過程中，聚醯亞胺薄膜在600℃左右開始分解，形成聚醯亞胺的氮原子、氧原子、氫原子氣化，從聚醯亞胺薄膜中分離出來。在預備燒制過程中，聚醯亞胺薄膜在600℃左右開始分解，形成聚醯亞胺的氮原子、氧原子、氫原子氣化，從聚醯亞胺薄膜中分離出來。b.高溫燒制將步驟a預備燒制的聚醯亞胺薄膜放置到高溫爐中，充入惰性氣體，在惰性氣體氣霧包圍下由常溫升溫至2950℃，保溫2小時後降溫至200℃出爐，出爐後用碾壓輥碾壓高溫燒製成的薄膜，其中碾壓條件如下：通過石墨片在兩個金屬制高硬度鍍鉻輥軸之間，通過高達5Mpa的油缸壓力，輥軸速度高達4M/min，迅速讓石墨片厚度變小，從而提高其密度。厚度最小可達0.02mm，密度最高可達2.2g/cm3。通過高溫燒制，氣體分離後的薄膜在超過2800℃高溫燒制後，剩下的碳原子此時吸收熱量發生共有結合，促進結晶化的同時，這種結晶化構造變成層狀。通過厚度規測試該實施例的高導熱石墨膜，測得厚度為0.021mm，通過比重測試儀測試該實施例的高導熱石墨膜，測得密度為2.15g/cm3，通過耐馳雷射導熱儀(型號LFA467)檢測該實施例的高導熱石墨膜，熱擴散率10.2cm2/s、導熱率1864W/(M·k)。實施例2：採用聚醯亞胺薄膜作為原材料，經過預備燒制和高溫燒制二個過程，來達到所需的高導熱石墨膜，其工藝過程如下：a.預備燒制將25μm的聚醯亞胺薄膜放置在真空爐中，抽真空至10Pa以下在真空環境下由常溫升溫至1500℃，保溫1小時後降溫至200℃然後出爐，其中由常溫升溫至1500℃的時間為18小時；在預備燒制過程中，聚醯亞胺薄膜在600℃左右開始分解，形成聚醯亞胺的氮原子、氧原子、氫原子氣化，從聚醯亞胺薄膜中分離出來。在預備燒制過程中，聚醯亞胺薄膜在600℃左右開始分解，形成聚醯亞胺的氮原子、氧原子、氫原子氣化，從聚醯亞胺薄膜中分離出來。b.高溫燒制將步驟a預備燒制的聚醯亞胺薄膜放置到高溫爐中，充入惰性氣體，在惰性氣體氣霧包圍下由常溫升溫至2950℃，保溫1.5小時後降溫至200℃出爐，出爐後用碾壓輥碾壓高溫燒製成的薄膜，其中碾壓條件如下：通過石墨片在兩個金屬制高硬度鍍鉻輥軸之間，通過高達5Mpa的油缸壓力，輥軸速度高達4M/min，迅速讓石墨片厚度變小，從而提高其密度。厚度最小可達0.009mm，密度最高可達2.2g/cm3。通過高溫燒制，氣體分離後的薄膜在超過2850℃高溫燒制後，剩下的碳原子此時吸收熱量發生共有結合，促進結晶化的同時，這種結晶化構造變成層狀。通過厚度規測試該實施例的高導熱石墨膜，測得厚度為0.009mm，通過比重測試儀測試該實施例的高導熱石墨膜，測得密度為2.18g/cm3，通過耐馳雷射導熱儀(型號LFA467)檢測該實施例的高導熱石墨膜，熱擴散率11.2cm2/s、導熱率2075W/(M·k)。實施例3：採用聚醯亞胺薄膜作為原材料，經過預備燒制和高溫燒制二個過程，來達到所需的高導熱石墨膜，其工藝過程如下：a.預備燒制將75μm的聚醯亞胺薄膜放置在真空爐中，抽真空至10Pa以下在真空環境下由常溫升溫至1500℃，保溫2.5小時後降溫至200℃然後出爐，其中由常溫升溫至1500℃的時間為25小時；在預備燒制過程中，聚醯亞胺薄膜在600℃左右開始分解，形成聚醯亞胺的氮原子、氧原子、氫原子氣化，從聚醯亞胺薄膜中分離出來。在預備燒制過程中，聚醯亞胺薄膜在600℃左右開始分解，形成聚醯亞胺的氮原子、氧原子、氫原子氣化，從聚醯亞胺薄膜中分離出來。b.高溫燒制將步驟a預備燒制的聚醯亞胺薄膜放置到高溫爐中，充入惰性氣體，在惰性氣體氣霧包圍下由常溫升溫至2950℃，保溫1.5小時後降溫至200℃出爐，出爐後用碾壓輥碾壓高溫燒製成的薄膜，其中碾壓條件如下：通過石墨片在兩個金屬制高硬度鍍鉻輥軸之間，通過高達5Mpa的油缸壓力，輥軸速度高達4M/min，迅速讓石墨片厚度變小，從而提高其密度。厚度最小可達0.03mm，密度最高可達2.2g/cm3。通過高溫燒制，氣體分離後的薄膜在超過2850℃高溫燒制後，剩下的碳原子此時吸收熱量發生共有結合，促進結晶化的同時，這種結晶化構造變成層狀。通過厚度規測試該實施例的高導熱石墨膜，測得厚度為0.032mm，通過比重測試儀測試該實施例的高導熱石墨膜，測得密度為2.10g/cm3，通過耐馳雷射導熱儀(型號LFA467)檢測該實施例的高導熱石墨膜，熱擴散率10.1cm2/s、導熱率1802W/(M·k)。