具有高熱導(dǎo)率的散熱片及其制造方法
【專利說明】具有高熱導(dǎo)率的散熱片及其制造方法發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及具有高熱導(dǎo)率的散熱片，及其制造方法，所述散熱片用于有效地使由小型電子設(shè)備如筆記本型個(gè)人計(jì)算機(jī)、智能電話、移動(dòng)電話等中的電子部件等產(chǎn)生的熱量散逸。
[0002]發(fā)明背景
[0003]在已經(jīng)具有越來越高的性能和越來越多的功能的小型電子設(shè)備如筆記本型個(gè)人計(jì)算機(jī)、智能電話、移動(dòng)電話等中，應(yīng)該密集地安裝電子器件如微處理器、成像芯片、存儲(chǔ)器等。因此，為了防止因由它們產(chǎn)生的熱量而引起的故障，由此類電子器件產(chǎn)生的熱量的散逸已經(jīng)變得越來越重要。
[0004]作為用于電子器件的散熱片，JP 2006-306068 A公開了一種導(dǎo)熱片，其至少包含石墨膜和粘結(jié)劑樹脂組合物，即反應(yīng)可固化乙烯基聚合物。石墨膜是(a)通過膨脹法形成的膨脹石墨，或者(b)通過在2400°C以上的溫度下熱處理聚酰亞胺膜等獲得的。膨脹石墨膜是通過下列方式獲得的:將石墨浸漬在酸如硫酸等中以形成石墨夾層化合物，熱處理石墨夾層化合物以使其發(fā)泡，從而將石墨層分離，洗滌得到的石墨粉末以移除酸，并且輥軋得到的薄膜石墨粉末。然而，膨脹石墨膜強(qiáng)度不足。此外，盡管熱量散逸高，不利地，通過聚酰亞胺膜等的熱處理獲得的石墨膜昂貴。
[0005]JP 2012-211259 A公開了一種包含石墨塊的導(dǎo)熱片，其包含多個(gè)通過將熱分解的石墨片薄切獲得的第一石墨塊，以及小于第一石墨塊的寬度的第二石墨塊，至少第一石墨塊連接導(dǎo)熱片的兩個(gè)表面。這種導(dǎo)熱片是通過下列方式獲得的:例如，使第一和第二石墨塊與丙烯酸類聚合物和溶劑的混合物共混，并且將得到的共混物擠出。然而，因?yàn)闃渲母唧w積分?jǐn)?shù)，被擠出的導(dǎo)熱片不具有足夠的熱量散逸。
[0006]JP 2006-86271 A公開了一種厚達(dá)50-150 μm的散熱片，所述散熱片包含通過具有-50°C至+50°C的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的有機(jī)粘結(jié)劑如非晶形共聚酯粘結(jié)的石墨，石墨/有機(jī)粘結(jié)劑的質(zhì)量比是66.7/33.3至95/5。這種散熱片是通過下列方式制造的:將在有機(jī)溶劑中的石墨和有機(jī)粘結(jié)劑的漿液涂覆至涂有脫模劑的膜的脫模層側(cè)，通過熱空氣將漿液干燥以移除有機(jī)溶劑，并且之后以例如30kg/cm2對其按壓。JP 2006-86271 A描述了石墨/有機(jī)粘結(jié)劑片的按壓改善了其熱導(dǎo)率。在JP 2006-86271 A中，通過一次操作涂覆石墨和有機(jī)粘結(jié)劑在有機(jī)溶劑中的漿液。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過一次操作涂覆全部漿液使得石墨非均勻分布。此外，因?yàn)樵趯?shí)施例中石墨與有機(jī)粘結(jié)劑的質(zhì)量比不是如此高(在實(shí)施例1中為80/20，并且在實(shí)施例2中為89/11)，未表現(xiàn)出石墨中固有的足夠高的熱導(dǎo)率。
[0007]JP 11-1621 A公開了包含高度取向的石墨薄片和在壓力下聚合的粘結(jié)劑聚合物的用于散熱器的高熱導(dǎo)率、固體復(fù)合材料。這種固體復(fù)合材料是通過下列方式制造的:將石墨薄片與熱固性單體如環(huán)氧樹脂混合以制備包含至少40體積％的石墨的組合物，并且在足夠的壓力下壓縮組合物的同時(shí)使單體聚合以使石墨基本平行地排列。JP 11-1621 A描述了復(fù)合材料中石墨的體積分?jǐn)?shù)優(yōu)選為55-85%，盡管其可以為40%至95%。然而，在以95%的高濃度含有石墨薄片的環(huán)氧樹脂中，石墨薄片的分布是非均勻的。因此，JP 11-1621A僅描述了在60%的石墨薄片體積分?jǐn)?shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0008]JP 2012-136575 A公開了一種傳導(dǎo)性散熱片，其包含由聚酰胺、丙烯酸類樹脂等制成的并且具有約0.1-100 μ m的平均粒徑的有機(jī)粒子，具有約1nm至約10 μ m的平均粒徑的傳導(dǎo)性無機(jī)填料，以及固化樹脂如環(huán)氧樹脂等，有機(jī)粒子/無機(jī)填料是1000/1至10/1，并且基于總量，無機(jī)填料的百分率是5-30重量％。JP 2012-136575 A闡明了作為無機(jī)填料的石墨、焦炭、炭黑等，但是在實(shí)施例中僅使用了炭黑。然而，因?yàn)閭鲗?dǎo)性炭黑的百分率低至
5-30重量％，JP 2012-136575 A的傳導(dǎo)性散熱片不具有足夠的熱量散逸。
[0009]如上所述，盡管石墨或炭黑均勻分布，含有低百分率的石墨或炭黑的常規(guī)散熱片不具有足夠的熱量散逸。盡管提高了熱導(dǎo)率，石墨或炭黑的百分率的增加導(dǎo)致較低的片強(qiáng)度，尤其是引起石墨或炭黑容易從散熱片脫離的問題。
[0010]此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，高百分率的石墨尤其引起非均勻分布。因?yàn)橥ǔ⒐I(yè)制造的散熱片切割為預(yù)定的形狀和尺寸，并且之后安置在小型電子設(shè)備中，石墨的非均勻分布使得被切割的散熱片具有在性能方面的不均勻性。
[0011]因此，需要具有均勻、高熱量散逸以及處理所需的機(jī)械性能的廉價(jià)散熱片。
[0012]發(fā)明目的
[0013]因此，本發(fā)明的目的是提供具有均勻的高熱量散逸以及處理所需的機(jī)械性能的廉價(jià)散熱片，及其制造方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]作為鑒于以上目的進(jìn)行深入研宄的結(jié)果，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn):(a)包含均勻地分散在細(xì)石墨粒子之間的少量炭黑的散熱片具有高熱導(dǎo)率，以及足夠的用于處理的機(jī)械性能，而基本上沒有細(xì)石墨粒子和炭黑的脫離；以及(b)這種散熱片是通過下列方式獲得的:形成包含分散在少量的有機(jī)粘結(jié)劑中的細(xì)石墨粒子和炭黑的片，燒制所述片以移除有機(jī)粘結(jié)劑；以及按壓得到的石墨和炭黑的復(fù)合材料片以將其致密化。已經(jīng)基于此類發(fā)現(xiàn)完成了本發(fā)明。
[0015]因此，本發(fā)明的散熱片具有在其中炭黑均勻地分散在細(xì)石墨粒子之間的結(jié)構(gòu)，細(xì)石墨粒子與炭黑的質(zhì)量比是75/25至95/5 ;并且散熱片通過燒制并且按壓細(xì)石墨粒子、炭黑和有機(jī)粘結(jié)劑的復(fù)合材料片獲得，從而其具有1.9g/cm3以上的密度和570W/mK以上的面內(nèi)熱導(dǎo)率。
[0016]散熱片優(yōu)選具有25-150 μm的厚度。
[0017]細(xì)石墨粒子優(yōu)選具有3-150 μm的平均直徑和200nm以上的平均厚度。
[0018]炭黑優(yōu)選具有20-200nm的平均初級粒徑。
[0019]散熱片優(yōu)選涂布有絕緣樹脂層或絕緣塑料膜。
[0020]本發(fā)明的用于制造以上散熱片的方法包括下列步驟:(I)制備在有機(jī)溶劑中包含總計(jì)5-25質(zhì)量％的細(xì)石墨粒子和炭黑以及0.05-2.5質(zhì)量％的有機(jī)粘結(jié)劑的分散體，細(xì)石墨粒子與炭黑的質(zhì)量比是75/25至95/5 ; (2)多次重復(fù)將分散體涂覆至支撐板的表面并且之后將其干燥的循環(huán)，從而形成包含細(xì)石墨粒子、炭黑和有機(jī)粘結(jié)劑的含樹脂復(fù)合材料片；
(3)燒制含樹脂復(fù)合材料片以移除有機(jī)粘結(jié)劑；以及(4)按壓得到的細(xì)石墨粒子和炭黑的復(fù)合材料片以使其致密化。
[0021]有機(jī)粘結(jié)劑相對于細(xì)石墨粒子和炭黑的總量的質(zhì)量比優(yōu)選為0.01-0.5。
[0022]通過一次操作涂覆的分散體的量優(yōu)選為5_15g/m2(由每Im2的細(xì)石墨粒子和炭黑的總重量表示)。
[0023]有機(jī)粘結(jié)劑優(yōu)選為丙烯酸類樹脂、聚苯乙烯樹脂或聚乙烯醇。
[0024]有機(jī)溶劑優(yōu)選是選自由酮、芳族烴和醇組成的組的至少一種。
[0025]優(yōu)選通過噴涂法進(jìn)行分散體的涂覆。
[0026]優(yōu)選在550_700°C的溫度下進(jìn)行燒制步驟。
[0027]優(yōu)選在20MPa以上的壓力下進(jìn)行按壓步驟。
[0028]優(yōu)選將所述含樹脂復(fù)合材料片在被一對平面模板夾在中間的狀態(tài)下按壓。
[0029]模板裝置優(yōu)選包括下模板和上模板。使用下模板作為支撐板，在所述下模板的腔中形成所述含樹脂復(fù)合材料片，在不從所述下模板剝離的情況下燒制所述含樹脂復(fù)合材料片，并且之后用與所述上模板組合的所述下模板按壓所述含樹脂復(fù)合材料片。
[0030]優(yōu)選在燒制之后逐漸進(jìn)行I小時(shí)以上的冷卻直至室溫。
[0031]優(yōu)選將細(xì)石墨粒子和炭黑的復(fù)合材料片冷卻至等于或低于水的凝固點(diǎn)的溫度，并且之后按壓。
[0032]優(yōu)選在室溫至200°C的溫度下進(jìn)行按壓步驟。
【附圖說明】
[0033]圖1是顯示由細(xì)石墨粒子和炭黑組成的散熱片的結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖。
[0034]圖2是顯示用于確定細(xì)石墨粒子的粒徑的方法的橫截面圖。
[0035]圖3是顯示模板裝置的透視圖，所述模板裝置能夠進(jìn)行細(xì)石墨粒子、炭黑和有機(jī)粘結(jié)劑的分散體的涂覆，含樹脂復(fù)合材料片的燒制，以及細(xì)石墨粒子和炭黑的復(fù)合材料片的按壓。
[0036]圖4是示意性地顯示在支撐體(下模板)上的細(xì)石墨粒子、炭黑和有機(jī)粘結(jié)劑的分散體的厚涂層的橫截面圖，其中細(xì)石墨粒子是聚集的。
[0037]圖5是示意性地顯示在支撐體(下模板)上的該分散體的薄涂層的橫截面圖，其中細(xì)石墨粒子和炭黑是均勻分散的。
[0038]圖6是示意性地顯示在支撐體(下模板)上的干燥分散體上形成的分散體的薄涂層的橫截面圖。
[0039]圖7是顯示分散體向平面模裝置中下模板的腔涂覆的透視圖。
[0040]圖8是顯示細(xì)石墨粒子和炭黑的復(fù)合材料片以被平面模裝置夾在中間的狀態(tài)按壓的透視圖。
[0041]圖9是顯示細(xì)石墨粒子和炭黑的復(fù)合材料片以被平面模裝置夾在中間的狀態(tài)輥壓的部分橫截面?zhèn)纫晥D。
[0042]圖10是顯示通過從下模板按壓獲得的散熱片的剝離的透視圖。
[0043]圖11是顯示散熱片的熱量散逸測試裝置的示意性橫截面圖。
[0044]圖12是圖11的分解圖。
[0045]圖13是顯示設(shè)置在熱量散逸測試裝置中的散熱片試樣上的溫度測量點(diǎn)的平面圖。
[0046]圖14是顯示實(shí)施例1、2、6、7、11和12的散熱片中炭黑的濃度與面內(nèi)熱導(dǎo)率之間的關(guān)系的圖表。
[0047]圖15是顯示實(shí)施例1和3-5以及比較例2的散熱片中炭黑的濃度與面內(nèi)熱導(dǎo)率之間的關(guān)系的圖表。
[0048]圖16是顯示