CN105101758A

CN105101758A - 一种天然石墨/铜复合散热片及其制备方法

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Publication number: CN105101758A
Application number: CN201510581993.0A
Authority: CN
Inventors: 刘宝兵
Original assignee: KUNSHAN QIHUA PRINTING TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: KUNSHAN QIHUA PRINTING TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2015-11-25

Abstract

一种天然石墨/铜复合散热片及其制备方法涉及电子产品的发热组件的散热及电磁屏蔽领域。一种天然石墨/铜复合散热片，包括铜箔层和位于铜箔层上下两面的石墨层；铜箔层包括铜基材和位于铜基材上下两面的粗化层；粗化层的表面均匀分布有瘤状铜颗粒结构；粗化层通过瘤状铜颗粒结构与石墨层互相咬合。一种天然石墨/铜复合散热片的制备方法，具体为：对铜箔表面进行预处理；对铜箔进行粗化处理和固化处理；将膨化蠕虫石墨均匀的堆积并平铺在铜箔上；然后阶段式压延，即得到天然石墨/铜复合散热片。本发明的散热片的导热性能优良，具有优良的电磁屏蔽效果，抗拉伸，可弯折180度，铜箔和石墨的界面热阻更小，提高了导热性能。

Description

一种天然石墨/铜复合散热片及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子产品的发热组件的散热及电磁屏蔽领域，特别是涉及一种天然石墨/铜复合散热片及其制备方法。

背景技术

目前的CPU因高速运行发热，CPU高速运行乃为提高其设备的处理速度而研发。手机，平板计算机，笔记本计算机及电视的需求量及显示屏使用量增加，显示屏高亮度的需求使发光二极管使用量增加，但因发光二极管使用越多，其耗电增加，这也加大设备的发热量，同时电池电量消耗增加，电池容量也需跟着提高，使得显示器设备因耗能大而发热多，如不能有效控制发热，不仅高温会使CPU运转因高热而当机出问题或丧失功能，也会使发热设备使用寿命缩短。同时现今显示器设备功能增多，使用零件也多样化，数量多而体积更小，手机，平板计算机等设备因越来越小型化，其可用空间不足，各零件及组件的距离更近，很容易发生相互间的电磁干扰。

目前市场上作为散热材的的人工石墨厚度以25μm为主导，40μm的人工石墨能达到量产，但导热系数不佳，70μm的人工石墨的可量产性不高，厚度限制了人工石墨的散热性能，更多的热量需要解决，为了把热量从发热组件“A”点传至其它点散发进而降低发热组件的温度，使发热组件“A”的本体温度大幅度降低。因此需要更高导热系数和更大散热能力的导热载体。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题而提供了一种天然石墨/铜复合散热片及其制备方法，是具有优良的导热效果的导热载体，也能提供电磁屏蔽的功能。

一种天然石墨/铜复合散热片，它包括铜箔层和位于铜箔层上下两面的石墨层；所述铜箔层包括铜基材和位于铜基材上下两面的粗化层；所述粗化层的表面均匀分布有瘤状铜颗粒结构；所述粗化层通过瘤状铜颗粒结构与石墨层互相咬合。

所述铜基材、粗化层和瘤状铜颗粒结构为一体化结构。

所述天然石墨/铜复合散热片的厚度为28μm～2100μm；所述铜箔层的厚度为8μm～100μm；所述瘤状铜颗粒结构的最大长度小于8μm；所述粗化层的表面积为铜基材的3～8倍；所述石墨层厚度为10μm～1000μm。

所述天然石墨/铜复合散热片以石墨层/铜箔层/石墨层为一个单位层，可形成最多10个单位层复合的结构。

所述铜箔层为卷状铜箔；所述石墨层为膨化蠕虫石墨平铺在铜箔层后压制而成。

一种天然石墨/铜复合散热片的制备方法，具体是按以下步骤进行的：

一、对铜箔表面进行预处理，除去铜箔表面的污染和氧化层；

二、对步骤一处理得到的铜箔进行粗化处理和固化处理，使在铜箔表面形成均匀分布有瘤状铜颗粒结构的粗化层；

三、将膨化蠕虫石墨均匀的堆积并平铺在经步骤二处理得到的铜箔上；然后，经阶段式压延，即得到天然石墨/铜复合散热片。

所述步骤一中的预处理的方法，具体为：对铜箔依次进行酸洗、水洗、碱洗、水洗和烘干；所述酸洗采用的是浓度为0.5％以下的稀硫酸；所述碱洗采用的是浓度为2～5％的NaOH水溶液。

所述步骤二的处理方法具体为：粗化处理：步骤一得到的铜箔在电镀液中电镀双面，表面形成一层瘤状铜颗粒结构，然后多次进行上步骤，使瘤状铜颗粒结构的最大长度小于8μm，得到粗化层，然后再进行固化处理，在粗化层的表面镀一层厚度为0.1～0.5μm的薄铜；瘤状铜颗粒结构的间隙中沉积一层致密的金属铜，以提高粗化层和铜箔基体的粘结强度；固化后，进行清洗和烘干处理，然后，对铜箔进行收卷。

所述步骤三的膨化蠕虫石墨的制备方法：将可膨化的石墨颗粒加温到850～1040℃后，膨化为蠕虫石墨，然后经2～7次悬浮分离后，得到纯度为99％以上的膨化蠕虫石墨；其中，蠕虫石墨的体积为石墨颗粒的体积的60～100倍。

所述步骤三具体操作方法为：将膨化蠕虫石墨堆积在经步骤二处理得到的铜箔上，然后整平，得到初始密度均匀的厚度一致的膨化蠕虫石墨层，然后，进行第一次压延，压力为500～2000kg，使膨化蠕虫石墨填充并挤压到瘤状铜颗粒结构的间隙中；进行第二次压延，压力为3000～6000kg，使膨化蠕虫石墨层的密度提高到0.4～0.5g/cm³；第三次压延，压力为8000～20000kg，使膨化蠕虫石墨层的密度提高到0.8～1g/cm³；第四次压延，压力为40000～70000kg，使膨化蠕虫石墨层的密度提高到1.2～1.4g/cm³，此时膨化蠕虫石墨层已经转变成膜的状态；第五次压延，压力为90000～200000kg，使膨化蠕虫石墨层的密度提高到1.6～1.8g/cm³，此时石墨有金属光泽。

所述压延方式具体为滚压。

本发明的优点：一、本发明的一种天然石墨/铜复合散热片采用石墨层和铜箔层通过瘤状铜颗粒结构相互咬合的方式，使得Z轴方向的导热性大大提高，使得散热片的导热性能优良，导热系数高达1200W/m·K，热扩散系数高达900mm²/s；由于铜基材的加入，也具有优良的电磁屏蔽效果，使得小型设备中各组件可以有效的防止电磁干扰；二、本发明的一种天然石墨/铜复合散热片，抗拉伸，可弯折180度，有很高的力学性能；三、本发明的一种天然石墨/铜复合散热片的制备方法，通过阶段式压延的方式，使得散热片中石墨和铜箔可以更好的咬合在一起，并且不会损坏铜箔层上的瘤状铜颗粒结构，使得铜箔和石墨的附着力大大增加，使铜箔和石墨的界面热阻更小，提高了导热性能。

附图说明

图1为实施例的一种天然石墨/铜复合散热片的结构示意图；

图2为实施例的一种天然石墨/铜复合散热片的铜箔层的放大示意图；

其中，1-铜箔层，11-铜基材，12-粗化层，13-瘤状铜颗粒结构，2-石墨层。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

实施例

一种天然石墨/铜复合散热片的制备方法，具体是按以下步骤进行的：1、铜箔双表面处理，铜箔在粗化处理之前必须进行预处理，由于铜箔在运输的储存过程、搬运过程中和空气、手及其它搬运工具接触，容易受到油脂及盐化物等污染，而且铜的表面活性大，容易在表面形成氧化层，所以要用碱性除油剂(如NaOH等)除油并且酸洗(0.5％以下的稀硫酸)处理；2、处理好的铜箔在电镀液中电镀双面，使表面成一层瘤状铜颗粒，同时进行多次电镀粗化处理，使瘤状铜颗粒的长度小于8μm，粗化处理好，再进行固化处理，也就是在粗化层的瘤状颗粒间隙中沉积一层致密的金属铜，以防瘤状铜颗粒和铜箔基体分离，即提高了粗化层和铜箔基体的粘结强度。粗化和固化后的铜箔要进行洗净溶液和烘干处理，使其在一段时间保持稳定性，此时收卷铜箔时要轻，不要太紧，以免破坏表面的粗化层。处理好的铜箔基本可以上特殊设备(即高旋切削蠕虫石墨设备)等待双面平铺一定厚度的蠕虫石墨；3、可膨化的石墨颗粒在加温到850～1040℃，使石墨颗粒膨化至60～100倍以上的蠕虫石墨，膨化后的蠕虫石墨很轻，可通过悬分式分离出较为纯净的蠕虫石墨，如要得到高纯度的蠕虫石墨，必须经过2～3次悬浮分离，甚至多次悬浮分离，以使蠕虫石墨达到99％以上的纯度(去除其中的硫、硫化物、细小石子等)；4、将高纯度的蠕虫石墨堆积到需要的厚度，同时控制好堆积层密度，再用高速滚筒切削工具整平，来达到消除堆积厚度不均匀的问题，进而得到初密度较均匀和絮状蠕虫石墨相对厚度一致的蠕虫石墨层，为阶段式压延提供了基础；5、为了提高膨化的蠕虫石墨和粗化、固化后的铜箔粘合强度，同时让蠕虫石墨进入粗化后的铜颗粒缝隙中，并且填实，从而采取阶段式压延的模式。第一次压延时蠕虫石墨和石墨层等密度进入铜颗粒缝隙，此时压力不大，只是在做挤压的动作，起填充挤压的作用；第二次压延把密度提高到0.4～0.5g/cm³左右，此时仍为粗压，对精度无特殊的要求；第三次压延使密度增加到0.8～1g/cm³左右，此时蠕虫石墨要进入低温度的石墨膜的状态；第四次压延密度增加到1.2～1.4g/cm³左右，此时的蠕虫石墨已完全成膜，并具有导热性，导热系数大幅提高，并且石墨的物性也有所体现，热扩散系数初步体现；第五次压延，使复合材的石墨层的密度达到1.6～1.8g/cm³，甚至更高，两面的石墨已有金属的光质(泽)，导热系数达到顶峰，热扩散系数也已十分稳定。此时对压延有着极高的要求，厚度的公差是1μm，压延的滚筒是不绣钢材质，压力是200000kg。因厚度的有效控制使粗化的铜颗粒无影响，而石墨的密度可达到1.8g/cm³左右。

如图1和图2所示，本实施例的一种天然石墨/铜复合散热片的制备方法制备得到的天然石墨/铜复合散热片，它包括铜箔层1和位于铜箔层1上下两面的石墨层2；所述铜箔层1包括铜基材11和位于铜基材上下两面的粗化层12；所述粗化层12的表面均匀分布有瘤状铜颗粒结构13；所述粗化层12通过瘤状铜颗粒结构13与石墨层2互相咬合；所述天然石墨/铜复合散热片的厚度为28μm～2100μm；所述铜箔层1的厚度为8μm～100μm；所述瘤状铜颗粒结构13的最大长度小于8μm；所述粗化层12的表面积为铜基材11的3～8倍；所述石墨层2厚度为10μm～1000μm。

本实施例的铜箔层上的瘤状铜颗粒结构，不仅能增加表面积，还能使铜与石墨与铜的附着更加紧密，为了防止瘤状铜颗粒与铜基材分离，在粗化后的铜表面还要做固化处理，铜基材经粗化及固化处理后，其表面凹凸不平，表面积极大，而且颗粒分布散乱，瘤状物形状各不相同这样处理除了表面紧固更能增加接触面的抗拉力，可因瘤状物的抓力使石墨不脱落且抗刮及抗弯折

本实施例所述的石墨层为膨化蠕虫石墨平铺在铜箔层后压制而成；膨化后的絮状蠕虫形石墨，平铺在铜基材表面，经过几次的滚压，慢慢的絮状石墨颗粒被压进铜表面的瘤状物间，压进瘤状物间空隙的石墨因挤压变的非常致密，直至与铜的咬合力大于石墨层与石墨层之间的咬合力，从而增加了石墨层与铜基材之间的附着力。

本实施例所述的阶段式压延的模式是根据石墨层从石墨蠕虫状态下转变成高密度状态，因各种不同的密度要求及厚度要求，来施加以不同的滚压压力，压缩比及滚压次数。

本实施例所述的天然石墨/铜复合散热片在不同需求可任意调整厚度，在工艺许可范围内任意调整，以达不同的应用方面的要求；以石墨层/铜箔层/石墨层为一个单位层数在不同需求可任意调整厚度，在工艺许可范围内调整为最多10层，以达不同的应用方面的要求。

本实施例中在铜箔层上分布的瘤状铜颗粒结构在Z轴方向进入石墨层内，利用铜的各向导热系数相同的特性，在铜瘤状物进入了石墨层后，不仅加强石墨与铜的附着力不易脱落，更因铜的加入，靠铜的Z向导热特性弥补了石墨层Z向导热特性不佳的缺点，使整个复合散热片的Z向导热因铜的加入而提高。

本实施例的天然石墨/铜复合散热片，导热系数为500W/m·K～1200W/m·K，热扩散系数为230mm²/s～900mm²/s；因复合散热片中铜材的加入，可在设备组装中以金属螺栓固定且与地线端相连，并因铜的导电特性构成接地回路，且散热片覆盖住设备的芯片上，直接盖住最易被干扰的芯片，构成最佳的电磁屏敝效果防高频干扰能力为60～80db(10MHz～1GHz)；因铜基材的加入，其X-Y方向(水平方向)的拉伸断裂值为100Kgf/mm²～200Kgf/mm²，是目前同等厚度石墨片的100倍，是目前同等厚度人工石墨片的10倍；不论复合片厚度为多少，其可弯折角度为180度，可弯折次数为100次，而不会使天然石墨/铜复合散热片断裂而导致散热效能降低，这是单一石墨散热片无法承受大于90度弯曲及无法承受多次弯曲所无法比拟的。

上述实施例不应以任何方式限制本发明，凡采用等同替换或等效转换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种天然石墨/铜复合散热片，其特征在于：它包括铜箔层和位于铜箔层上下两面的石墨层；所述铜箔层包括铜基材和位于铜基材上下两面的粗化层；所述粗化层的表面均匀分布有瘤状铜颗粒结构；所述粗化层通过瘤状铜颗粒结构与石墨层互相咬合。

2.根据权利要求1所述的一种天然石墨/铜复合散热片，其特征在于：所述铜基材、粗化层和瘤状铜颗粒结构为一体化结构。

3.根据权利要求1所述的一种天然石墨/铜复合散热片，其特征在于：所述天然石墨/铜复合散热片的厚度为28μm～2100μm；所述铜箔层的厚度为8μm～100μm；所述瘤状铜颗粒结构的最大长度小于8μm；所述粗化层的表面积为铜基材的3～8倍；所述石墨层厚度为10μm～1000μm。

4.根据权利要求1所述的一种天然石墨/铜复合散热片，其特征在于：所述天然石墨/铜复合散热片以石墨层/铜箔层/石墨层为一个单位层，可形成最多10个单位层复合的结构。

5.根据权利要求1所述的一种天然石墨/铜复合散热片，其特征在于：所述铜箔层为卷状铜箔；所述石墨层为膨化蠕虫石墨平铺在铜箔层后压制而成。

6.如权利要求1所述的一种天然石墨/铜复合散热片的制备方法，其特征在于：制备方法具体是按以下步骤进行的：

7.根据权利要求6所述的一种天然石墨/铜复合散热片的制备方法，其特征在于：所述步骤一中的预处理的方法，具体为：对铜箔依次进行酸洗、水洗、碱洗、水洗和烘干；所述酸洗采用的是浓度为0.5％以下的稀硫酸；所述碱洗采用的是浓度为2～5％的NaOH水溶液。

8.根据权利要求6所述的一种天然石墨/铜复合散热片的制备方法，其特征在于：所述步骤二的处理方法具体为：粗化处理：步骤一得到的铜箔在电镀液中电镀双面，表面形成一层瘤状铜颗粒结构，然后多次进行上步骤，使瘤状铜颗粒结构的最大长度小于8μm，得到粗化层，然后再进行固化处理，在粗化层的表面镀一层厚度为0.1～0.5μm的薄铜；瘤状铜颗粒结构的间隙中沉积一层致密的金属铜，以提高粗化层和铜箔基体的粘结强度；固化后，进行清洗和烘干处理，然后，对铜箔进行收卷。

9.根据权利要求6所述的一种天然石墨/铜复合散热片的制备方法，其特征在于：所述步骤三的膨化蠕虫石墨的制备方法：将可膨化的石墨颗粒加温到850～1040℃后，膨化为蠕虫石墨，然后经2～7次悬浮分离后，得到纯度为99％以上的膨化蠕虫石墨；其中，蠕虫石墨的体积为石墨颗粒的体积的60～100倍。

10.根据权利要求6所述的一种天然石墨/铜复合散热片的制备方法，其特征在于：所述步骤三具体操作方法为：将膨化蠕虫石墨堆积在经步骤二处理得到的铜箔上，然后整平，得到初始密度均匀的厚度一致的膨化蠕虫石墨层，然后，进行第一次压延，压力为500～2000kg，使膨化蠕虫石墨填充并挤压到瘤状铜颗粒结构的间隙中；进行第二次压延，压力为3000～6000kg，使膨化蠕虫石墨层的密度提高到0.4～0.5g/cm³；第三次压延，压力为8000～20000kg，使膨化蠕虫石墨层的密度提高到0.8～1g/cm³；第四次压延，压力为40000～70000kg，使膨化蠕虫石墨层的密度提高到1.2～1.4g/cm³，此时膨化蠕虫石墨层已经转变成膜的状态；第五次压延，压力为90000～200000kg，使膨化蠕虫石墨层的密度提高到1.6～1.8g/cm³，此时石墨有金属光泽。