具有高热导率的散热片及其制造方法
【专利说明】具有高热导率的散热片及其制造方法发明领域
[0001]本发明涉及具有高热导率的散热片，及其制造方法，所述散热片用于有效地使由小型电子设备如笔记本型个人计算机、智能电话、移动电话等中的电子部件等产生的热量散逸。
[0002]发明背景
[0003]在已经具有越来越高的性能和越来越多的功能的小型电子设备如笔记本型个人计算机、智能电话、移动电话等中，应该密集地安装电子器件如微处理器、成像芯片、存储器等。因此，为了防止因由它们产生的热量而引起的故障，由此类电子器件产生的热量的散逸已经变得越来越重要。
[0004]作为用于电子器件的散热片，JP 2006-306068 A公开了一种导热片，其至少包含石墨膜和粘结剂树脂组合物，即反应可固化乙烯基聚合物。石墨膜是(a)通过膨胀法形成的膨胀石墨，或者(b)通过在2400°C以上的温度下热处理聚酰亚胺膜等获得的。膨胀石墨膜是通过下列方式获得的:将石墨浸渍在酸如硫酸等中以形成石墨夹层化合物，热处理石墨夹层化合物以使其发泡，从而将石墨层分离，洗涤得到的石墨粉末以移除酸，并且辊轧得到的薄膜石墨粉末。然而，膨胀石墨膜强度不足。此外，尽管热量散逸高，不利地，通过聚酰亚胺膜等的热处理获得的石墨膜昂贵。
[0005]JP 2012-211259 A公开了一种包含石墨块的导热片，其包含多个通过将热分解的石墨片薄切获得的第一石墨块，以及小于第一石墨块的宽度的第二石墨块，至少第一石墨块连接导热片的两个表面。这种导热片是通过下列方式获得的:例如，使第一和第二石墨块与丙烯酸类聚合物和溶剂的混合物共混，并且将得到的共混物挤出。然而，因为树脂的高体积分数，被挤出的导热片不具有足够的热量散逸。
[0006]JP 2006-86271 A公开了一种厚达50-150 μm的散热片，所述散热片包含通过具有-50°C至+50°C的玻璃化转变温度的有机粘结剂如非晶形共聚酯粘结的石墨，石墨/有机粘结剂的质量比是66.7/33.3至95/5。这种散热片是通过下列方式制造的:将在有机溶剂中的石墨和有机粘结剂的浆液涂覆至涂有脱模剂的膜的脱模层侧，通过热空气将浆液干燥以移除有机溶剂，并且之后以例如30kg/cm2对其按压。JP 2006-86271 A描述了石墨/有机粘结剂片的按压改善了其热导率。在JP 2006-86271 A中，通过一次操作涂覆石墨和有机粘结剂在有机溶剂中的浆液。然而，已经发现，通过一次操作涂覆全部浆液使得石墨非均匀分布。此外，因为在实施例中石墨与有机粘结剂的质量比不是如此高(在实施例1中为80/20，并且在实施例2中为89/11)，未表现出石墨中固有的足够高的热导率。
[0007]JP 11-1621 A公开了包含高度取向的石墨薄片和在压力下聚合的粘结剂聚合物的用于散热器的高热导率、固体复合材料。这种固体复合材料是通过下列方式制造的:将石墨薄片与热固性单体如环氧树脂混合以制备包含至少40体积％的石墨的组合物，并且在足够的压力下压缩组合物的同时使单体聚合以使石墨基本平行地排列。JP 11-1621 A描述了复合材料中石墨的体积分数优选为55-85%，尽管其可以为40%至95%。然而，在以95%的高浓度含有石墨薄片的环氧树脂中，石墨薄片的分布是非均匀的。因此，JP 11-1621A仅描述了在60%的石墨薄片体积分数的实验结果。
[0008]JP 2012-136575 A公开了一种传导性散热片，其包含由聚酰胺、丙烯酸类树脂等制成的并且具有约0.1-100 μ m的平均粒径的有机粒子，具有约1nm至约10 μ m的平均粒径的传导性无机填料，以及固化树脂如环氧树脂等，有机粒子/无机填料是1000/1至10/1，并且基于总量，无机填料的百分率是5-30重量％。JP 2012-136575 A阐明了作为无机填料的石墨、焦炭、炭黑等，但是在实施例中仅使用了炭黑。然而，因为传导性炭黑的百分率低至
5-30重量％，JP 2012-136575 A的传导性散热片不具有足够的热量散逸。
[0009]如上所述，尽管石墨或炭黑均匀分布，含有低百分率的石墨或炭黑的常规散热片不具有足够的热量散逸。尽管提高了热导率，石墨或炭黑的百分率的增加导致较低的片强度，尤其是引起石墨或炭黑容易从散热片脱离的问题。
[0010]此外，已经发现，高百分率的石墨尤其引起非均匀分布。因为通常将工业制造的散热片切割为预定的形状和尺寸，并且之后安置在小型电子设备中，石墨的非均匀分布使得被切割的散热片具有在性能方面的不均匀性。
[0011]因此，需要具有均匀、高热量散逸以及处理所需的机械性能的廉价散热片。
[0012]发明目的
[0013]因此，本发明的目的是提供具有均匀的高热量散逸以及处理所需的机械性能的廉价散热片，及其制造方法。
【发明内容】
[0014]作为鉴于以上目的进行深入研宄的结果，本发明的发明人已经发现:(a)包含均匀地分散在细石墨粒子之间的少量炭黑的散热片具有高热导率，以及足够的用于处理的机械性能，而基本上没有细石墨粒子和炭黑的脱离；以及(b)这种散热片是通过下列方式获得的:形成包含分散在少量的有机粘结剂中的细石墨粒子和炭黑的片，烧制所述片以移除有机粘结剂；以及按压得到的石墨和炭黑的复合材料片以将其致密化。已经基于此类发现完成了本发明。
[0015]因此，本发明的散热片具有在其中炭黑均匀地分散在细石墨粒子之间的结构，细石墨粒子与炭黑的质量比是75/25至95/5 ;并且散热片通过烧制并且按压细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂的复合材料片获得，从而其具有1.9g/cm3以上的密度和570W/mK以上的面内热导率。
[0016]散热片优选具有25-150 μm的厚度。
[0017]细石墨粒子优选具有3-150 μm的平均直径和200nm以上的平均厚度。
[0018]炭黑优选具有20-200nm的平均初级粒径。
[0019]散热片优选涂布有绝缘树脂层或绝缘塑料膜。
[0020]本发明的用于制造以上散热片的方法包括下列步骤:(I)制备在有机溶剂中包含总计5-25质量％的细石墨粒子和炭黑以及0.05-2.5质量％的有机粘结剂的分散体，细石墨粒子与炭黑的质量比是75/25至95/5 ; (2)多次重复将分散体涂覆至支撑板的表面并且之后将其干燥的循环，从而形成包含细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂的含树脂复合材料片；
(3)烧制含树脂复合材料片以移除有机粘结剂；以及(4)按压得到的细石墨粒子和炭黑的复合材料片以使其致密化。
[0021]有机粘结剂相对于细石墨粒子和炭黑的总量的质量比优选为0.01-0.5。
[0022]通过一次操作涂覆的分散体的量优选为5_15g/m2(由每Im2的细石墨粒子和炭黑的总重量表示)。
[0023]有机粘结剂优选为丙烯酸类树脂、聚苯乙烯树脂或聚乙烯醇。
[0024]有机溶剂优选是选自由酮、芳族烃和醇组成的组的至少一种。
[0025]优选通过喷涂法进行分散体的涂覆。
[0026]优选在550_700°C的温度下进行烧制步骤。
[0027]优选在20MPa以上的压力下进行按压步骤。
[0028]优选将所述含树脂复合材料片在被一对平面模板夹在中间的状态下按压。
[0029]模板装置优选包括下模板和上模板。使用下模板作为支撑板，在所述下模板的腔中形成所述含树脂复合材料片，在不从所述下模板剥离的情况下烧制所述含树脂复合材料片，并且之后用与所述上模板组合的所述下模板按压所述含树脂复合材料片。
[0030]优选在烧制之后逐渐进行I小时以上的冷却直至室温。
[0031]优选将细石墨粒子和炭黑的复合材料片冷却至等于或低于水的凝固点的温度，并且之后按压。
[0032]优选在室温至200°C的温度下进行按压步骤。
【附图说明】
[0033]图1是显示由细石墨粒子和炭黑组成的散热片的结构的示意性横截面图。
[0034]图2是显示用于确定细石墨粒子的粒径的方法的横截面图。
[0035]图3是显示模板装置的透视图，所述模板装置能够进行细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂的分散体的涂覆，含树脂复合材料片的烧制，以及细石墨粒子和炭黑的复合材料片的按压。
[0036]图4是示意性地显示在支撑体(下模板)上的细石墨粒子、炭黑和有机粘结剂的分散体的厚涂层的横截面图，其中细石墨粒子是聚集的。
[0037]图5是示意性地显示在支撑体(下模板)上的该分散体的薄涂层的横截面图，其中细石墨粒子和炭黑是均匀分散的。
[0038]图6是示意性地显示在支撑体(下模板)上的干燥分散体上形成的分散体的薄涂层的横截面图。
[0039]图7是显示分散体向平面模装置中下模板的腔涂覆的透视图。
[0040]图8是显示细石墨粒子和炭黑的复合材料片以被平面模装置夹在中间的状态按压的透视图。
[0041]图9是显示细石墨粒子和炭黑的复合材料片以被平面模装置夹在中间的状态辊压的部分横截面侧视图。
[0042]图10是显示通过从下模板按压获得的散热片的剥离的透视图。
[0043]图11是显示散热片的热量散逸测试装置的示意性横截面图。
[0044]图12是图11的分解图。
[0045]图13是显示设置在热量散逸测试装置中的散热片试样上的温度测量点的平面图。
[0046]图14是显示实施例1、2、6、7、11和12的散热片中炭黑的浓度与面内热导率之间的关系的图表。
[0047]图15是显示实施例1和3-5以及比较例2的散热片中炭黑的浓度与面内热导率之间的关系的图表。
[0048]图16是显示