一种高度取向、高厚度的散热片的连续生产方法及散热片

摘要

本发明提供一种高度取向、高厚度的散热片的连续生产方法，所述生产方法通过在卷状导热基材上压力施涂胶料的方式，迫使胶料中的具有低热阻的填充料在基材上进行有序排列，在保证粘合性能的前提下，保证胶层的热传导效率；然后对胶层进行干燥，放置导热贴合层材料，干燥、压延，提高散热片的密度，使得到的散热片具有较高的厚度、较高的密度和高度取向性，大大提高同等厚度的散热片的散热效率。本发明提供的高度取向、高厚度的散热片的连续生产方法操作简单，能够批量化生产，生产效率高；得到的散热片厚度在40～500μm时能够保证散热片的胶层中填充料能够高度取向，保证散热片具有优越的热传导系数、导电率、电磁波屏蔽和化学稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种高度取向、高厚度、高散热的散热片的连续生产方法及得到的散热片。

背景技术

新世纪5G通讯的盛行已经成为大趋势。除了手机外，云端与资料中心建置、自动驾驶、电动车等新时代产业日益盛行。随着技术的不断发展，电子产品功率不断增加，产品越做越薄，电子仪器及设备朝轻、薄、短、小、复合式等发面发展。在高频工作频率下，电子元件产生的热量迅速积累、增加，日益显现出热量无法及时发散的技术问题。石墨、石墨烯及其复合材料散热片具有许多非常优异的散热特性，例如人造石墨膜，其热传导率高达1600W/mK，密度约为1.6～1.9g/cm

目前主流的散热片材料为人造石墨膜，其原材料是聚酰亚胺薄膜(PI)，受聚酰亚胺原料的厚度限制，多数人造石墨膜只能做到厚度为40μm，无法满足5G通讯散热需求。于是许多现有技术通过丙烯系双面胶将基材PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)一层一层叠加相黏起来。因双面胶热阻高，其热传导系数仅介于700±100W/mK，且考虑成品率及人工等费用，多层叠加的厚规人造石墨膜成本高昂，散热效果大打折扣。因此，目前业界极欲开发一种低成本、高品质且易于量产的厚规格具有良好导热性的散热材。

发明内容

为了解决以上的技术问题，本发明提供一种厚度介于40～500μm之间，高度取向、高散热的散热片的量产的方法。本发明提供的方法得到的散热片具有优越的传导系数、导电率、电磁屏蔽性能和化学稳定性能。

本发明的目的是提供一种高度取向、高厚度的散热片的连续生产方法。

本发明的另一目的是提供上述生产方法得到的高度取向、高厚度的散热片。

本发明提供一种高度取向、高厚度的散热片的连续生产方法，包括以下步骤：

(1)取卷状导热材料作为基材层，然后在基材层上压力施涂胶料得到胶层；所述胶料包括黏合剂和填充料，所述填充料包括天然石墨、人造石墨、中间相碳、中间相沥青、中间相碳微球、单壁纳米碳管、多壁纳米碳管、碳纤维、多层石墨烯、单层石墨烯、活性碳、碳黑、碳化硅、钻石粉、银钯合金、铂、镍、金、铝、铜、银、氮化铝、氮化硼、氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化铍中的一种或多种；所述填充料的粒径小于100μm；

(2)对步骤(1)中的胶层进行干燥至胶料中的溶剂完全挥发，然后放置卷状导热材料作为贴合层，对贴合层施加2～6kg/cm

(3)将步骤(2)中得到的预制散热片进行干燥，修边，压延至预制散热片厚度的80～99％，得到所述散热片。

本发明中提供的填料中微球的粒径小于100μm，纤维的最大长度小于100μm，多层石墨烯的层数为10～30层；

本发明中提供的中间相碳微球是粒径小于100μm的微球。本发明基材层和贴合层中材料中的高碳膜中的碳含量高于97％。

本发明提供的散热片的连续生产方法，通过在卷状导热基材上压力施涂胶料的方式，使得含有低热阻的填充料的胶料在基材上进行有序排列，从而保证胶料的高度取向，经干燥之后放置导热贴合卷材之后，具有向列性的胶料有助于降低基材层和贴合层之间的热阻，同时维持散热片基材层材料和贴合层的材料的高热传导系数，并且在贴合之后经过干燥和压延的预制散热片的密度得到提高，保证得到的散热片具有较大的厚度的同时具有热容量高的特点。

优选地，步骤(1)中，所述基材包括高碳膜、天然石墨膜、人造石墨膜、石墨烯膜、单壁纳米碳管膜、多壁纳米碳管膜、碳纤维膜、金属箔中的一种，所述金属箔包括铜箔、铝箔、银箔、金箔、铁箔、钛箔、锡箔、锌箔或其合金箔。本发明提供的散热片的基材层的材料和贴合层的材料均为具有较高热传导系数的材料，基材层和贴合层的材料的厚度均不超过250μm。

优选地，所述压力施涂胶料的方式包括逗号刮刀式涂布、喷雾式涂布或凹版式涂布；进一步优选地，包括狭缝式模头涂布、狭缝式模头珠粒涂布、开压边绕口涂布、三辊轮涂布、反转三辊轮涂布、五辊轮涂布、逗号刮刀式涂布、反转逗号刮刀式涂布、微凹版涂布、凹版涂布、反转凹版涂布、喷雾式涂布、浸占式涂布、浸入式浸占涂布、挤压式涂布、斜板式涂布、淋幂式涂布、张力调控式狭缝涂布、张力调控式辊轮涂布、封闭式刮刀涂布、新式D-bar涂布中的一种或多种。优选地，步骤(1)中，所述压力施涂胶料的压力为1～4kg/cm

优选地，步骤(1)中，所述胶料包括黏合剂和填充料，所述黏合剂为热固性黏合剂、热塑性黏合剂、橡胶黏合剂中的一种。进一步优选的，所述热固性黏合剂包括环氧树酯类、尿素甲醛树脂类、三聚氰胺甲醛树脂类、脲醛树脂、蜜醛树脂、酚醛树脂类、聚乙烯醇缩醛改性酚醛树脂、聚酰胺改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、硼改性酚醛树脂、二甲苯改性酚醛树脂、二苯醚甲醛树脂、间苯二酚甲醛树脂、聚氨酯、乙烯基酯树脂、低聚丙烯酸酯、二烯丙基邻苯二甲酸酯、DKF树脂、呋喃树脂、PAI(聚酰胺酰亚胺)树脂、聚亚苯基醚、PI树脂、PEI树脂、不饱和聚酯中的一种。

所述热塑性黏合剂包括丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、2-丙烯酸辛酯、丙烯酸异壬酯、乙酸乙烯酯、丙烯腈、丙烯酰胺、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酸羟、乙酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酸环氧丙酯等单体物质或其组合，离聚物、异丁烯马来酐共聚物、丙烯腈-丙烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-乙烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-苯乙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、丙烯腈-氯代聚乙烯-苯乙烯共聚物、甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物、乙烯-氯乙烯共聚物、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、聚乙酸乙烯酯、氯代氯乙烯、氯代聚乙、氯代聚丙烯、羧基乙烯基聚合物、酮树脂、降冰片烯树脂、丙酸乙烯酯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲基戊烯、聚丁二烯、聚苯乙烯、苯乙烯-马来酐共聚物、异丁烯、乙烯-异丁烯酸共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚氯亚乙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醚、聚乙烯丁缩醛、聚乙烯甲缩醛、纤维素系、尼龙6、尼龙6共聚物、尼龙66、尼龙610、尼龙612、尼龙11、尼龙12、共聚尼龙、尼龙MXD、尼龙46、甲氧甲基化尼龙、芳香族聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸酯、聚缩醛、聚环氧乙烷、聚亚苯基醚、改性聚亚苯基醚、聚醚醚酮、聚醚砜、聚砜、聚胺砜、聚亚苯基硫醚、聚芳酯、聚对乙烯基苯酚、聚对亚甲基苯乙烯、聚烯丙基胺、芳香族聚酯、液晶聚合物、聚四氟乙烯、四氟乙烯-乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙稀共聚物、四氟乙烯-六氟丙稀-全氟烷基乙烯醚共聚物、四氟乙烯-全氟烷基乙烯醚共聚物、聚氯三氟乙烯共聚物、乙烯-氯三氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯系、聚氟乙烯、聚萘二甲酸乙二酯、聚酯系树脂中的一种。

所述橡胶型黏合剂包括氯丁二烯橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、聚硫橡胶、羧基橡胶、有机硅橡胶、热塑性橡胶中的一种。

优选地，所述胶料的制备方法包括：取黏合剂，加入填充料，在高速剪切作用下，使得填充料和黏合剂充分混合。剪切的压力在30000psi以下，转速在100～5000rpm之间，高速剪切的时间为1～24h。本发明提供的胶层中采用黏合剂与填充料混合的材料，通过高速剪切的方式，使得填充料与黏合剂均匀混合，保证得到的胶层的成分均一稳定，热阻一致。

优选地，步骤(1)中，所述填充料的添加量为黏合剂的重量的0.01～10wt％。进一步优选地，步骤(1)中，所述填充料的添加量为黏合剂的重量的1～3wt％。本发明提供的胶料中填充料以上述的重量百分比分布在黏合剂中，从而保证散热片的热传导效率。当填充料含量过低，得到的散热片的热传导效率低，填充量的含量在0～3wt％，随着填充料含量的增加，热传导效率也因填充料发挥增加密度、Z轴热传导系数的特性而上升。当填充料添加量大于3wt％，胶料层中的填充料开始无固定向性排列，进而影响热传导效率；到填充料的含量在10wt％以上，胶层中的填充料无固定向性，热传导效率大大降低。

优选地，步骤(1)中，所述胶料的固含量为1～99wt％。

优选地，步骤(1)中，所述胶料的施涂厚度为1～200μm。胶料的厚度是影响散热片的散热性能的重要因素之一，本发明的胶料的施涂厚度在1～200μm，保证胶料层中填充料能够定向排列，保证散热片的热传导效率。

优选地，步骤(2)中，所述贴合层的材料包括高碳膜、天然石墨膜、人造石墨膜、石墨烯膜、单壁纳米碳管膜、多壁纳米碳管膜、碳纤维膜、金属箔中的一种，所述金属箔包括铜箔、铝箔、银箔、金箔、铁箔、钛箔、锡箔、锌箔或其合金箔。

优选地，步骤(2)中，对贴合层的材料进行施压之后，还包括一次以上以下步骤：压力施涂胶料，得到胶层，干燥，然后放置卷状导热材料作为贴合层，对贴合层进行施压，得到预制散热片。本发明提供的生产方法，能够通过多次重复压力施胶-干燥-放置卷状导热材料作为贴合层-施压-压力施胶-干燥-放置卷状导热材料作为贴合层-施压的方式，得到多层贴合的散热片，从而得到厚度在40～500μm不等的散热片，同时能够保证散热片的热传导效率。

优选地，步骤(3)中，所述干燥的温度为25～150℃，干燥时间为1～168h。本发明步骤(3)中，在上述的条件下干燥，能够促进胶料的干燥和熟成，促进胶料发挥粘接性能的同时，保证热传导效率。

优选地，步骤(2)和步骤(3)中，所述干燥的方式为红外线照射、紫外线照射或热风干燥。

本发明提供上述的生产方法得到的散热片。优选地，上述散热片的厚度为40～500μm。本发明提供的散热片厚度以人造石墨为基材层和贴合层材料时，在超过90μm时，依然可以展现出大于1500±100W/mK的热传导系数，以及超过2.0g/cm

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的高度取向、高厚度的散热片的连续生产方法，通过在卷状导热基材上压力施涂胶料的方式，迫使胶料中的具有低热阻的填充料在基材上进行有序排列，在保证粘合性能的前提下，保证胶层的热传导效率；然后对胶层进行干燥，放置导热贴合层材料，干燥、压延，提高散热片的密度，使得到的散热片具有较高的厚度、较高的密度和高度取向性，大大提高同等厚度的散热片的散热效率。

2.本发明提供的高度取向、高厚度的散热片的连续生产方法操作简单，能够批量化生产，生产效率高；得到的散热片厚度在40～500μm时能够保证散热片的胶层中填充料能够高度取向，保证散热片具有优越的热传导系数、导电率、电磁波屏蔽和化学稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例4得到散热片的结构示意图；

图2a是本发明实施例4的涂布上胶方式示意图；

图2b是本发明实施例4的涂布上胶时填充料的状态变化示意图；

图2c是本发明实施例4的步骤(1)之后得到的基材层和胶层的状态示意图；

图3是不同含量的填充料在胶层中的状态的偏光显微镜示意图；

图4是涂布不同含量的填充料的胶料得到的散热片的热传导系数和散热效果的示意图；

图5是现有技术不同散热片与本发明不同厚度的散热片的热传导系数对比图；

图6是现有技术不同散热片与本发明不同厚度的散热片的散热效率的对比图。

图中1、逗号刮刀；2、基材；3、填充料；4、具向列性排列的填充料。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明实施例中使用的胶料采用以下的方法制备得到：取黏合剂，加入填充料，剪切的压力在30000psi以下，转速在100～5000rpm之间，高速剪切的时间为1～24h，使得填充料和黏合剂充分混合得到。

实施例1

一种高度取向、高厚度的散热片，所述散热片的连续生产方法，包括以下步骤：

(1)取卷状石墨烯膜作为基材层，然后在基材层上采用逗号刮刀式涂布的方式以1kg/cm

所述胶层的厚度为40μm，

所述胶料的固含量为50wt％，

所述胶料包括黏合剂和填充料，所述黏合剂为热塑性黏合剂中的聚乙烯，

所述填充料为氧化铝，所述氧化铝的粒径小于100μm；

所述填充料的添加量为黏合剂的重量的10wt％；

(2)采用红外线照射的方式对步骤(1)中的胶层进行干燥，以0.5kw功率红外线灯管照射2min至胶料中溶剂完全挥发，然后放置卷状石墨烯膜作为贴合层，对贴合层施加2kg/cm

(3)将步骤(2)中得到的预制散热片进行干燥，所述干燥的温度为150℃，干燥的时间为168h，修边，压延至预制散热片厚度的90％，得到所述散热片。

实施例2

一种高度取向、高厚度的散热片，所述散热片的连续生产方法，包括以下步骤：

(1)取卷状铜箔作为基材层，然后在基材层上采用反转三辊轮涂布的方式以4kg/cm

所述胶层的厚度为1μm，

所述胶料的固含量为99wt％，

所述胶料包括黏合剂和填充料，所述黏合剂为热塑性黏合剂中的丙烯酸，

所述填充料为中间相碳微球，所述中间相碳微球的粒径小于100μm；

所述填充料的添加量为黏合剂的重量的0.01wt％；

(2)采用红外线照射的方式对步骤(1)中的胶层进行干燥，以0.5kw功率红外线灯管照射10s至胶料中溶剂完全挥发，然后放置卷状铜箔作为贴合层，对贴合层施加6kg/cm

(3)将步骤(2)中得到的预制散热片进行干燥，所述干燥的温度为25℃，干燥的时间为1h，修边，压延至预制散热片厚度的99％，得到所述散热片。

实施例3

一种高度取向、高厚度的散热片，所述散热片的连续生产方法，包括以下步骤：

(1)取卷状石墨烯膜作为基材层，然后在基材层上采用开压边绕口涂布的方式以2kg/cm

所述胶层的厚度为200μm，

所述胶料的固含量为1wt％，

所述胶料包括黏合剂和填充料，所述黏合剂为热塑性黏合剂中的聚氨酯，

所述填充料为单壁纳米碳管，所述单壁纳米碳管的直径在1～3nm，长度在5～30μm；

所述填充料的添加量为黏合剂的重量的3wt％；

(2)采用红外线照射的方式对步骤(1)中的胶层进行干燥，以0.5kw功率红外线灯管照射5min至胶料中溶剂完全挥发，然后放置卷状石墨烯膜作为贴合层，对贴合层施加4kg/cm

(3)将步骤(2)中得到的预制散热片进行干燥，所述干燥的温度为50℃，干燥的时间为96h，修边，压延至预制散热片厚度的80％，得到所述散热片。

实施例4

一种高度取向、高厚度的散热片，所述散热片的连续生产方法，包括以下步骤：

(1)取卷状人造石墨膜作为基材层，然后在基材层上采用逗号刮刀式涂布的方式以2kg/cm

所述胶层的厚度为15μm，

所述胶料的固含量为55wt％，

所述胶料包括黏合剂和填充料，所述黏合剂为热塑性黏合剂中的丙烯酸，

所述填充料为多层石墨烯，所述多层石墨烯的层数为10～30层，厚度为3～10nm，最大长度1～20μm；

所述填充料的添加量为黏合剂的重量的1wt％；

(2)采用红外线照射的方式对步骤(1)中的第一胶层进行干燥，以0.5kw功率红外线灯管照射30s至胶料中溶剂完全挥发，然后放置卷状人造石墨膜作为第一贴合层，对第一贴合层施加3kg/cm

(3)将步骤(2)中得到的预制散热片进行干燥，所述干燥的温度为45℃，干燥的时间为48h，修边，压延至预制散热片厚度的85％，得到所述散热片。

本实施例得到散热片的结构如图1所示。

本实施例的涂布上胶方式如图2a所示。

本实施例的涂布上胶时填充料的状态变化如图2b所示。

本实施例步骤(1)之后得到的基材层和胶层的状态如图2c所示。

实施例5

一种高度取向、高厚度的散热片，所述散热片的连续生产方法与实施例4相同，不同的是步骤(1)中，所述填充料的添加量为黏合剂的重量的2wt％。

实施例6

一种高度取向、高厚度的散热片，所述散热片的连续生产方法与实施例4相同，不同的是步骤(1)中，所述填充料的添加量为黏合剂的重量的3wt％。

实施例7

一种高度取向、高厚度的散热片，所述散热片的连续生产方法与实施例4相同，不同的是步骤(1)中，所述填充料的添加量为黏合剂的重量的4wt％。

实施例8

一种高度取向、高厚度的散热片，所述散热片的连续生产方法与实施例4相同，不同的是步骤(1)中，所述填充料的添加量为黏合剂的重量的5wt％。

实验例

1.填充料的含量对热传导效率的影响

1.1分别将含有1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％的填充料多层石墨烯(多层石墨烯的层数为10～30层，厚度为3～10nm，最大长度1～20μm)的胶料，采用逗号刮刀式的方式以2kg/cm

从图3的结果可以看出，填充料在胶料中的含量在3wt％以下时，随着填充料含量的增加，填充料的分子取向性越高，当填充料的含量超过3wt％之后，分子排列开始无固定向性排列，分子的取向性变差。

1.2分别将实施例4～8得到的散热片进行热传导系数测试，分别将散热片贴附于同一热源，在提供热源6min后，以热成像仪拍摄热成像图，计算散热片与热源的温差，计算散热效率。热传导系数测试和散热效率的结果如图4所示。

从图4的结果可以看出，本发明提供的散热片中，填充料的加入大大提升了散热片的热传导系数和散热效率。当填充料的添加量在0～3wt％时，随着填充料比例增加，热传导效率也因填充料发挥增加密度、Z轴热传导系数之特性而上升。然而，在填充料添加量超过3wt％时，分子排列开始无固定向列性排列，进而影响热传导效率。

2.对本发明实施例6得到散热片与现有技术中的人造石墨膜散热片的性能进行测试，现有技术中的人造石墨膜散热片为Panasonic株式会社制造，商品名PGS～100，结果见表1。

表1实施例6和现有技术得到的散热片的性能对比

从表1的结果可以看出，本发明以人造石墨膜为基材层和贴合层，以包含导热填充料和黏合剂的胶料进行压力粘合，得到的散热片的厚度在90μm左右，其密度比现有技术中的相同厚度的人造石墨膜散热片密度高，热扩散值提升一倍左右，热传导系数从原来的700±100W/mk提升至1500±100W/mk，热传导系数得到大幅提高；导电率也得到有效的提高。

3.不同散热膜材的热传导效率对比

3.1取厚度为90μm的铜箔、厚度为90μm的铝箔、厚度为200μm的氮化硅膜材、现有技术中采用丙烯酸系双面胶将基材一层一层粘结起来得到的厚度为90μm的人造石墨膜散热片以及采用本申请的实施例4的方法得到不同厚度的人造石墨膜散热片，对它们进行热传导系数测试，结果如图5所示。其中PGS-90为现有技术得到的厚度为90μm的散热片，X-40为采用本发明实施例4的方法通过调整贴合层的层数得到的厚度为40μm的散热片，X-70为采用本发明实施例4的方法通过调整贴合层的层数得到的厚度为70μm的散热片，X-90为采用本发明实施例4的方法通过调整贴合层的层数得到的厚度为90μm的散热片。

从图5的结果可以看出，本发明提供的散热片与现有技术中的方法得到的同等厚度的散热片相比，其热传导系数得到大大提高；本发明提供的散热片的热传导系数明显优于金属散热片，本发明提供的散热片随着厚度的增加，其热传导系数下降程度并不是很明显。

3.2取现有技术中的不同的散热片与采用本发明实施例的方法得到散热片分别贴附于同一热源，在提供热源6min后，采用热成像仪拍摄热成像图，观察不同产品与热源的温差，计算散热效率，结果见图6。并且取空白组作为对照，空白组无散热片；铜箔的厚度为90μm；其中PGS-90为采用丙烯酸系双面胶将基材一层一层粘结起来这样的现有技术得到的厚度为90μm的人造石墨膜散热片，X-40为采用本发明实施例4的方法通过调整贴合层的层数得到的厚度为40μm的散热片，X-70为采用本发明实施例4的方法通过调整贴合层的层数得到的厚度为70μm的散热片，X-90为采用本发明实施例4的方法通过调整贴合层的层数得到的厚度为90μm的散热片。

从图6的结果可以看出，本发明得到的散热片的散热效率明显优于铜箔；本发明提供的人造石墨膜散热片与同等厚度的采用现有技术得到的人造石墨膜散热片相比，其散热效率也明显较高；本发明提供的散热片，随着厚度的增加，散热的效率增大。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。