CN103242755B - 一种导热扩散片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导热扩散片，其包括：依次层叠的导热压敏胶层（1）、金属热扩散层（2）、导热扩散层（3）、发泡隔热层（4）和聚合物绝热层（5）。本发明还公开了导热扩散片的制备方法。由于导热压敏胶层可以直接粘贴于发热体上，使得本发明和发热体之间的接触热阻值减小，发热体至金属热扩散层和导热扩散层的热传导加速。又由于采用了发泡隔热层，使得本发明的的热扩散性得到增强。本发明结构简单，制备便捷，导热扩散效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及电子元器件的散热材料领域，尤其涉及一种代替传统石墨片的新型高导热系数导热扩散片及其制备方法。该热扩散复合材料可用于，诸如，中央处理器(CPU)或者集成电路(IC)或者LED等发热部件产生的热量的扩散，避免热量集中而造成损害。
背景技术
现有的导热扩散片是用于将热量从电子元器件，诸如中央处理器(CPU)或者集成电路(IC)或者LED等发热体产生的热量扩散的，避免热量集中而造成损害。这类导热扩散片一般设于散热器之间或者电子元器件与外壳之间，使得发热元器件产生的热量传导于散热器或者外壳，以便散热。当发热电子元器件距离外壳或者散热器有一定的距离时，可将导热扩散片被直接粘接在发热电子元器件上，则发热元器件产生的热量通过导热扩散片直接进行扩散。
目前，市场上大部分是用石墨片来进行热扩散的，导热石墨片的导热系数在与表面平行的方向，即在平面内的方向，约为100W/m·K～1800W/m·K，在石墨片的厚度方向的导热系数，大约在5W/m·K～80W/m·K。然而，石墨片这种材料本身强度较低，容易脆断，层间强度较差容易层间分离。因此在电子设备中的石墨片容易破碎或者层间分开，从而达不到导热或者热扩散的目的，而损害电子设备。同时，由于石墨制造技术门槛比较高，生产成本比较高，所以价格也比较高。
也有部分使用者用纯的金属膜类材料，比如铜箔，铝箔或者镀金属膜类材料来进行热扩散。但是纯的金属材料来热扩散，可能有如下问题，金属的导电性能太好，可能会使电子元器件发生短路。同时金属材料的导热性能属于各项同性，在平面内的方向和厚度方向，通常约为100W/m·K至400W/m·K，导热性能不错，平面内散热功能不佳。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种制作简单、使用方便、成本低廉，能够直接粘贴在发热元器件上能够替代传统石墨片的导热扩散片及其制备方法。该导热扩散片具有优异的导热性能和散热功能，制造方法简单，成本低廉，更适于在将热量从发热体扩散，避免热量集中的应用中使用。
本发明的提供的一种导热扩散片，其包括：依次层叠的导热压敏胶层、金属热扩散层、导热扩散层、发泡隔热层和聚合物绝热层。
其中，所述的导热压敏胶层可以由有机聚合物与导热填料组成；导热压敏胶层的厚度为3um～100um。
所述的金属热扩散层可以由铜材、铝材、镁材、铁材、不锈钢或合金材料的一种制作；金属热扩散层的厚度为6um～100um；所述的导热扩散层的厚度为2um～30um。
所述的发泡隔热层由聚丙烯酸酯、天然橡胶、聚氨酯、硅氧烷橡胶的一种制作；所述的发泡隔热层的厚度为10um～40um。
所述的聚合物绝热层由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺的一种制作；绝缘隔热层的厚度为3um～100um。
较优的，所述的发泡隔热层和聚合物绝热层的外轮廓大于金属热扩散层和导热扩散层的外轮廓。
本发明提供的一种的导热扩散片的制备方法，步骤如下：
步骤1：在金属片的一表面涂布一含有层状石墨粉的导热扩散层，放入热烘箱，经130～140℃的温度干燥五分钟后，取出；
步骤2：在所述金属片的另一表面与带有压敏胶的离型纸或离型膜贴合；
步骤3：将发泡隔热层和聚合物绝热层的复合结构贴合在所述的导热扩散层表面。
其中，所述的导热扩散层由以下重量份数比的物料，均匀搅拌配制而成：
固含量为40％的溶剂型的液态热固性丙烯酸酯树脂∶固化剂∶层状石墨粉体＝10∶1∶50。
所述的带有压敏胶的离型纸或离型膜的制备，步骤如下：
a、所述的压敏胶由以下重量份数比的物料，均匀搅拌配制而成：
固含量为45％的溶剂型的液态热固性丙烯酸酯树脂∶固化剂∶导热填料＝100∶1∶45；
b、将上述压敏胶的混合物涂布于离型纸或者离型膜的一表面上，再放入热烘箱，经110～120℃的温度干燥五分钟，取出；
c、将离型纸或者离型膜上带有压敏胶的一面与所述的金属片贴合。
所述的发泡隔热层和聚合物绝热层的复合结构的制备，步骤如下：
a、所述的发泡隔热层的涂料由以下重量份数比的物料，均匀搅拌配制而成：
固含量为45％的溶剂型的液态热固性丙烯酸酯树脂∶固化剂∶发泡粉＝100∶1∶3.5；
b、将上述涂料涂布在聚合物绝热层的一表面形成发泡隔热层，再放入热烘箱，经130～140℃的温度干燥五分钟后，取出；
c、再将带有发泡隔热层的一面与所述的导热扩散层表面贴合。
本发明由导热压敏胶层、金属热扩散层、导热扩散层、发泡隔热层和聚合物绝热层依次层叠构成。由于导热压敏胶层可以直接粘贴于发热体上，使得本发明和发热体之间的接触热阻值减小，发热体至金属热扩散层和导热扩散层的热传导加速。又由于采用了发泡隔热层，使得金属热扩散层和导热扩散层的热扩散性在平面方向上增强。因而，使得本发明的的热扩散性得到增强。此外，发泡隔热层和聚合物绝热层由具有电绝缘性的材料构成，并且覆盖在导热扩散层的表面上，再将发泡隔热层和聚合物绝热层的外轮廓设置成大于金属热扩散层和导热扩散层的外轮廓，使得本发明具有较高的电绝缘性。本发明结构简单，制备便捷，导热扩散效果明显。
附图说明
图1为本发明实施例的截面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例、图和表对本发明进一步的进行说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种导热扩散片，其包括：优先而上依次层叠的导热压敏胶层1、金属热扩散层2、导热扩散层3、发泡隔热层4和聚合物绝热层5。
导热压敏胶层1的厚度选为3um～100um。如果导热压敏胶层1过厚，有可能其热阻值会变得比较高；如果过低，可能导致导热压敏胶层1与发热电子元器件粘接时不够紧密接触，中间存在空气层，会使接触热阻值大大升高。
导热压敏胶层1是由有机聚合物与导热填料组成，其聚合物可以是橡胶材料复配而成，具有良好的初粘性能，也可以是由有机硅氧烷树脂复配而成的压敏性材料，还可以是丙烯酸树脂复配而成的压敏性材料，也可以是聚氨酯类具有初粘性的复合材料。金属颗粒，金属氧化物，金属氮化物，金属碳化物与金属氢氧化物都可作为这里的导热填料。优选采用氧化铝，氮化硼，碳化硅与氢氧化铝，氢氧化镁。导热填料的形式没有特定的限定，可以是粉末状，颗粒状或者纤维状。
将导热压敏胶层1直接粘接在发热电子元器件上，由于导热压敏胶层1具有优良的初粘性和粘接强度，能够紧密地与发热电子元器件接触，避免存在空气层，从而降低接触热阻值。
金属热扩散层2可以采用金属材料或合金材料，其具有高的热扩散性能。金属热扩散层2可以由铜材、铝材、镁材、铁材、不锈钢或合金材料，如铜合金，铝合金，镁合金以及铁合金的任一种材料制作成薄片。金属热扩散层2的厚度为6um～100um，优选大于35um。因为，当金属热扩散层2的厚度小于6微米时，若发热体的发热量很大，金属热扩散层2的热容可能会有发生饱和的危险。即使当金属热扩散层2的厚度超过100微米时，该金属热扩散层2的热扩散程度也不可能再提高。
由于金属热扩散层2的金属材料的特性，金属热扩散层2的导热具有各向同性，在平面方向导热性能与垂直方向没有差别。为了达到平面内整体散热均匀，需要在金属热扩散层2表面涂上一层在平面方向的导热性能优于垂直方向的导热扩散层3。导热扩散层3的厚度为2um～30um，最好选用厚度大于5um。因为，当导热扩散层3的厚度小于2微米时，若发热体的发热量很大，导热扩散层3的散热功能可能不佳。即使当导热扩散层3的厚度超过30微米时，其热阻比较高，导热扩散层3的热扩散程度也不可能再提高。导热扩散层3可以选取三种厚度：2um、16um、30um用作实施例。
发泡隔热层4由具有电绝缘特性的材料构成，其中含有热绝缘性能良好的发泡微球材料，如，聚丙烯酸酯，天然橡胶，聚氨酯，硅氧烷橡胶，这些聚合物材料均可作为发泡隔热层4中的主体材料。即发泡材料是由聚合物材料作为壁，其间充有不导热的气体，如，甲烷气体，丙烷，丁烷，庚烷，氮气，二氧化碳等一种气体或者几种气体的组合，发泡隔热层4的导热系数越小越好。而且，发泡隔热层4组合后具有良好的初粘性和良好的抗剥离性能，能够粘接贴合于导热扩散层3和聚合物绝热层5之间。优选地，发泡隔热层4的主体材料以压敏胶的形式存在。发泡隔热层4的厚度为20um～100um。
由于金属热扩散层2和导热扩散层3的良好导热性能，发热体发出的热量很热容易传到导热扩散层3的表面。特别是发热量比较大的时候，导热扩散层3表面的温度会比较高。如果没有发泡隔热层4覆盖于导热扩散层3表层，则附近的电子元器件也会被加热，导致温度升高，从而影响其正常工作。因此，发泡隔热层4和聚合物绝热层5覆盖于导热扩散层3上，则遍及导热扩散层3的厚度方向上的热传导被发泡隔热层4挡阻，从而使得金属热扩散层2和导热扩散层3在平面方向上的导热性增强。由于金属材料的特性使得金属热扩散层2和导热扩散层3具有导电性，而当发泡隔热层4和聚合物绝热层5覆盖于导热扩散层3后，可将金属热扩散层2和导热扩散层3与周边的电子设备内的部件电性隔离，即发泡隔热层4和聚合物绝热层5具有绝缘作用。
聚合物绝热层5由具有电绝缘特性的材料构成。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚苯硫醚(PPS)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PC)、聚丙烯(PP)、聚酰亚胺(PI)，PEN导热系数为0.12W/m.k或更低。PET和PI的导热系数约为0.15W/m.k，PP的导热系数为0.12W/m.k，PC的导热系数约为0.19W/m.k，PE的导热系数约为0.50W/m.k，以及PPS的导热系数约为0.19W/m.k。优选地，聚合物绝热层5的导热系数越小越好。因此，建议将PET、PP、PI和PC作为优选的。
聚合物绝热层5的厚度为3um至100um。因为，在聚合物绝热层5的厚度小于3微米的情形中，导热扩散层3的导热性在厚度方向不能被充分地挡阻，则导热扩散层3的导热性在平面方向内不能充分增强。在聚合物绝热层5的厚度超过100微米的情形中，热量在导热扩散层3和发泡隔热层4之间积聚，则会出现热量可能不从导热扩散片表面扩散的危险。
另外，为提高电绝缘性能，可以将发泡隔热层4和聚合物绝热层5的外轮廓做成大于金属热扩散层2和导热扩散层3的外轮廓。
本发明提供的制备方法，请参阅图1，步骤如下：
步骤1：在金属热扩散层2的一表面涂布一含有层状石墨粉的导热扩散层3，放入热烘箱，经130～140℃的温度干燥五分钟，让溶剂挥发完全并完全固化后，取出。
其中：金属热扩散层2可以采用金属材料或合金材料做成薄片，可选取三种厚度：6um、53um、100um用作实施例。
导热扩散层3由以下重量份数比的物料，均匀搅拌配制而成：
固含量为40％的溶剂型的液态热固性丙烯酸酯树脂∶固化剂∶层状石墨粉体＝10∶1∶50。
导热扩散层3可以选取三种厚度：2um、16um、30um用作实施例。
步骤2：在金属热扩散层2的另一表面与带有压敏胶的离型纸或离型膜贴合6。而带有压敏胶的离型纸或离型膜的制备，步骤如下：
a、压敏胶由以下重量份数比的物料，均匀搅拌配制而成：
固含量为45％的溶剂型的液态热固性丙烯酸酯树脂∶固化剂∶导热填料＝100∶1∶45。
导热压敏胶层1为有机聚合物与导热填料的混合物，可以选取三种厚度：3um、52um、100um用作实施例。
b、将压敏胶的混合物涂布于离型纸或者离型膜6的一表面上，再放入热烘箱，经110～120℃的温度干燥五分钟，让溶剂挥发完全并固化后，取出。
c、将离型纸或者离型膜6上带有压敏胶的一面与金属热扩散层2贴合，以便形成导热扩散片的离型纸或者离型膜6、导热压敏胶层1、金属热扩散层2和导热扩散层3的复合结构。
步骤3：将发泡隔热层4和聚合物绝热层5的复合结构贴合在上述的导热扩散层3表面。
其中，发泡隔热层4和聚合物绝热层5的复合结构的制备，步骤如下：
a、发泡隔热层的涂料由以下重量份数比的物料，均匀搅拌配制而成：
固含量为45％的溶剂型的液态热固性丙烯酸酯树脂∶固化剂∶发泡粉＝100∶1∶3.5。
b、将上述涂料涂布在聚合物绝热层5的一表面形成发泡隔热层4，再放入热烘箱，经130～140℃的温度干燥五分钟后，让溶剂挥发完全并完全固化后，取出。发泡隔热层4可以选取三种厚度：10um、55um、100um用作实施例。聚合物绝热层5可以选取三种厚度：3um、52um、100um用作实施例。
c、将带有发泡隔热层4的一面与上述的导热扩散层3表面贴合。
也可以干燥后，先用一离型保护层贴合在具有发泡隔热层4的一面保护起来，形成导热扩散片的发泡隔热层4和聚合物绝热层5的复合结构。
使用时，再将离型保护层剥去，并将带有发泡隔热层4的一面与上述的导热扩散层3表面贴合。离型保护层可以是离型纸或者离型膜。
下面，通过本发明的对比实施例和一现有产品进行测试比较：
本发明的对比实施例，由厚度为25微米的导热压敏胶层1贴合于厚度为50微米的金属热扩散层2——铜箔上。导热扩散涂层3厚度为10微米。此外，发泡隔热层4的厚度为20微米，绝缘隔热层5——PET的厚度为15微米。
采用Graftech的SS-400作为现有产品，其结构为依次层叠的离型纸或者离型膜、压敏胶、石墨热扩散层、压敏胶粘剂层和PET膜绝缘层。
采用对比实施例和现有产品的100毫米×100毫米的导热扩散片作为测试件。
利用一玻璃容器中的定恒温加热器给水加热，并保持水温在80℃，然后将上述的测试件分别盖在玻璃容器的口子上面，保持密封状态，采用热点偶来测量测试件的中心点Z和边缘点C处的温度，再计算出中心点和边缘点的温度之差Z-C。对于不同的测量时间，记录在表1中，以显示测试件的导热扩散性。
表1
| 测试时间 | 10s | 20s | 30s | 40s | 50s | 60s | 70s | 80s | 90s |
| SS-400中心点(℃) | 56.8 | 63.5 | 67.5 | 69.5 | 71.2 | 71.7 | 72.3 | 72.7 | 73.0 |
| SS-400边缘点(℃) | 26.4 | 27.9 | 30.9 | 35.5 | 36.6 | 38.1 | 40.5 | 41.9 | 45.7 |
| SS-400的Z-C(℃) | 30.4 | 35.6 | 36.6 | 34.0 | 34.6 | 33.6 | 31.8 | 30.8 | 27.3 |
| 对比实施例中心点(℃) | 56.6 | 63.0 | 66.7 | 68.7 | 69.9 | 70.9 | 71.8 | 71.8 | 72.2 |
| 对比实施例边缘点(℃) | 27.0 | 29.6 | 32.6 | 36.8 | 39.2 | 41.7 | 44.2 | 46.2 | 48.1 |
| 对比实施例的Z-C(℃ | 29.6 | 33.4 | 34.1 | 31.9 | 30.7 | 29.2 | 27.6 | 25.6 | 24.1 |
| 测试时间 | 100s | 110s | 120s | 130s | 140s | 150s | 160s | 170s | 180s |
| SS-400中心点(℃) | 73.2 | 73.2 | 73.2 | 73.3 | 73.3 | 73.3 | 73.4 | 73.4 | 73.4 |
| SS-400边缘点(℃) | 47.2 | 46.7 | 49.4 | 50.7 | 51.3 | 52.1 | 52.4 | 53.0 | 53.5 |
| SS-400Z-C(℃) | 26.0 | 26.5 | 23.8 | 22.6 | 22.0 | 21.2 | 21.0 | 20.4 | 19.9 |
| 对比实施例中心点(℃) | 72.2 | 72.2 | 72.3 | 72.3 | 72.4 | 72.4 | 72.5 | 72.5 | 72.6 |
| 对比实施例边缘点(℃) | 49.6 | 50.7 | 51.8 | 53.5 | 54.0 | 54.2 | 54.8 | 55.1 | 55.1 |
| 对比实施例的Z-C(℃ | 22.6 | 21.5 | 20.5 | 18.8 | 18.4 | 18.2 | 17.7 | 17.4 | 17.5 |
如表1所示，可以看出，在各个时间点，本发明对比实施例的中心点温度的温度都要略低于现有产品--SS-400的对应温度；对比实施例的边缘点温度都要高于现有产品--SS-400的对应温度；而且对比实施例1的中心点与边缘点的温度差都要高于现有产品--SS-400的对应温度差。因此，不难发现对比实施例相比于现有产品--SS-400，可将来自容器中的热量更加能够有效地扩散。也就是说，对比实施例的散热性能要好于现有产品--SS-400的散热性能。基于以上可作出判断，本发明对比实施例更适用于将发热体的热量进行扩散。
上述实施例仅用于说明本发明的具体实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和变化，这些变形和变化都应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种导热扩散片的制备方法，其特征在于，
所述导热扩散片包括依次层叠的导热压敏胶层（1）、金属热扩散层（2）、导热扩散层（3）、发泡隔热层（4）和聚合物绝热层（5）；
所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：在金属片的一表面涂布一含有层状石墨粉的导热扩散层（3），放入热烘箱，经130-140℃的温度干燥五分钟后，取出；
步骤2：在所述金属片的另一表面与带有压敏胶的离型纸或离型膜贴合；
步骤3：将发泡隔热层和聚合物绝热层的复合结构贴合在所述导热扩散层表面；
所述导热扩散层（3）由以下重量份数比的物料，均匀搅拌配制而成：
固含量为40%的溶剂型的液态热固性丙烯酸酯树脂：固化剂：层状石墨粉体=10：1：50；
所述导热扩散层（3）的厚度为2μm～30μm，所述导热扩散层（3）在平面方向的导热性能优于垂直方向的导热性能；
所述导热压敏胶层（1）由有机聚合物与导热填料组成，导热压敏胶层（1）的厚度为3μm～100μm；
所述金属热扩散层（2）由铜材、铝材、镁材、铁材或合金材料中的一种制作；金属热扩散层（2）的厚度为6μm～100μm；
所述发泡隔热层（4）由聚丙烯酸酯、天然橡胶、聚氨酯、硅氧烷橡胶中的一种制作；所述发泡隔热层（4）的厚度为10μm～40μm；
所述聚合物绝热层（5）由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺中的一种制作；绝缘隔热层（5）的厚度为3μm～100μm。
2.如权利要求1所述导热扩散片的制备方法，其特征在于，所述带有压敏胶的离型纸或离型膜的制备，包括如下步骤：
a、所述压敏胶由以下重量份数比的物料，均匀搅拌配制而成：
固含量为45%的溶剂型的液态热固性丙烯酸酯树脂：固化剂：导热填料=100：1：45；
b、将上述压敏胶的混合物涂布于离型纸或者离型膜的一表面上，再放入热烘箱，经110-120℃的温度干燥五分钟，取出；
c、将离型纸或者离型膜上带有压敏胶的一面与所述金属片贴合。
3.如权利要求1所述导热扩散片的制备方法，其特征在于，所述发泡隔热层和聚合物绝热层的复合结构的制备，包括如下步骤：
a、所述发泡隔热层的涂料由以下重量份数比的物料，均匀搅拌配制而成：
固含量为45%的溶剂型的液态热固性丙烯酸酯树脂：固化剂：发泡粉=100：1：3.5；
b、将上述涂料涂布在聚合物绝热层的一表面形成发泡隔热层，再放入热烘箱，经130-140℃的温度干燥五分钟后，取出；
c、将带有发泡隔热层的一面与所述导热扩散层表面贴合。
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