一种薄型低界面热阻的高导散热复合材料的制作方法

本发明涉及一种低界面热阻的高导散热复合材料技术领域，尤其涉及一种薄型低界面热阻的高导散热复合材料。

背景技术：

随着当代电子技术迅速的发展，在当今3c装置强调轻薄短小、易于携带的设计概念下，无论是平板电脑、轻薄笔记本、智能手机与微投影机等装置，无一不是在极有限的空间内，融入更多的规格与运算效能的结构。而在电子元件的集成程度和组装密度不断提高以提供强大功能的同时，也导致了其工作功耗和发热量的急剧增大。已知高温将会对电子元件的稳定性、可靠性和寿命产生有害的影响。当电子元件的平均工作温度升高10℃时，其元件寿命就会减少50％。因此，如何在功能无限、空间/成本有限的情况下，提供极有效率且不会造成额外功耗的散热设计，以确保电子元件所产生的热量能够及时的排出，使其具长时间操作的稳定性并延长产品寿命，成为现今3c产业领域极需克服的问题。

散热方法主要有三大方向：传导、辐射和对流，设计者可依照所需要的散热密集度、空间局限度与成本考量下，选择不同的散热解决方案。然而，在面对3c产品超轻薄的设计概念中，其仅有0.1mm厚度的空间可作为散热装置之加载，因此铜导板、热导管、散热鳍片、空冷、水冷、散热风扇等将皆无法使用。为此，对于薄型化高导热的散热材料需求若渴。薄型化高导散热材料除了需具备高热传导率之条件外，低密度及低膨胀系数亦为需要考量之需求。因此，在符合上述三个条件的材料系统中，现有已商业化的薄型化导散热材料以石墨片最为广泛使用。主要因理想石墨晶体之平面热传导系数可高达1600-2000w/mk，远高于铜401w/mk及铝237w/mk。此外，石墨之密度仅为2.09g/cm³，亦远低于铜的8.96g/cm³及铝的2.70g/cm³；石墨之平面热膨胀系数仅为6.5×10^-6/k，亦远低于铜的16.5×10^-6/k及铝的23.2×10^-6/k。另外，如在考虑到热辐射系数而言，理想石墨之热辐射系数高达0.98，铜及铝仅只有0.023-0.052及0.04-0.09。应用于薄型导散热之石墨产品中，可进一步分为天然石墨片及人工石墨片。一般而言，依制程条件及纯度，市售天然石墨片产品的热传导率约为100-600w/mk。人工石墨片则利用高分子为前驱物(如聚醯亚胺)进行高温热裂解及石墨化而成。由于其石墨晶体结构较完整，且碳含量纯度较高，因此目前市售人工石墨片之热传导率可＞1000w/mk。虽然石墨片具有高热传导率、低密度、低热膨胀系数及高热辐射系数等条件，使其可作为薄型化高导散热材料，但是其制程温度动辄2000℃以上，制程时间冗长，且需使用到化学清洗过程，造成其能源耗损极大、生产速度缓慢，且空气污染、环保问题更是难以克服。此外，石墨片的石墨粉尘有脱落的危机，其将可能导致电线短路。更重要的是，石墨之热传导异向性极大，其高热传导率仅侷限于xy平面(亦即结晶碳层方向)，z轴之热传导系数则＜10w/mk，加上石墨片之可挠程度有限，难以完整贴附发热源，造成电子元件产生之热难以确实传导到石墨片来进行导散热功能。另一方面，石墨烯为一种完美的单层石墨晶体结构，其水平热传导系数更胜过石墨，高达5300w/mk。

基于上述问题，本发明采用结合铜金属具热传导等向性，及石墨材料具有极高水平热传导率及高热辐射之特性，以低温高密度电浆溅镀的薄膜化技术，将石墨烯镀膜磊晶生长于金属铜箔表面，以形成新型的薄型化导散热材料。由于此为石墨烯层磊晶于金属铜箔上的复合结构，因而可使其介面热阻极低。当此复合结构接触到热源时，金属铜箔会将热传递到石墨烯层，石墨烯层将会使热快速平面性晕开并辐射至大气，实现高导热及高散热。克服了现有技术的不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种薄型低界面热阻的高导散热复合材料，合理有效地解决了现有技术的导散热材料厚度和体积较大、界面热阻高、导散热功能差的问题。

技术原理

当所述低界面热阻的高导散热复合材料设有的铜箔基板-磊晶石墨烯层复合结构的所述铜箔基板的金属铜箔接触到热源时，金属铜箔会将热量等向传递到石墨烯层，石墨烯层将热量快速平面性晕开并辐射或传递至所述磊晶石墨烯层的散热机构介质或散热空间的空气中，实现高导热及高散热的功能。

本发明采用如下技术方案：

一种薄型低界面热阻的高导散热复合材料，包括铜箔基板、磊晶石墨烯层，其特征在于:

所述低界面热阻的高导散热复合材料采用铜箔基板和石墨靶材经由低温高密度电浆溅镀工艺在所述铜箔基板表面制备磊晶石墨烯层，所述低温高密度电浆溅镀工艺的温度参数小于1000℃，并通过等离子电源频率、等离子电源脉冲时长、等离子电源功率、基材负偏压、镀制时间控制所述磊晶石墨烯层的磊晶生长层数、厚度及磊晶生长方向，所述铜箔基板具有热传导等向性，所述磊晶石墨烯层具有平面热传导率高和热辐射性高的性能，因此，所述铜箔基板和磊晶石墨烯层的复合结构的界面热阻低、导散热性能高，构成所述一种薄型低界面热阻的高导散热复合材料。

进一步地，所述磊晶石墨烯层为磊晶生长在所述铜箔基板表面。

进一步地，所述磊晶石墨烯层的磊晶生长层数为1-100层，厚度为0.3nm-30nm。

进一步地，所述磊晶石墨烯层的磊晶生长方向为水平于、或垂直于、或水平和垂直组合于所述铜箔基板表面。

进一步地，所述磊晶石墨烯层在拉曼光谱仪中具有dband、gband及2dband的特征峰。

进一步地，所述磊晶石墨烯层在穿透式电子显微镜图中为层状结构，且层间距为0.30nm-0.36nm。

进一步地，所述铜箔基板的纯度无特别限制，较佳的纯度为＞99％，厚度也无特别限制，较佳的厚度为10-100μm，表面粗糙度也无特别限制，较佳之平均表面粗糙度为＜1nm。

进一步地，所述铜箔基板的金属铜箔侧用于贴合电子产品的发热源。本发明的有益技术效果是：

本发明公开了一种薄型低界面热阻的高导散热复合材料，合理有效地解决了现有技术的导散热材料厚度和体积较大、界面热阻高、导散热功能差的问题。

本发明采用铜金属具热传导等向性，及石墨材料具有极高水平热传导率及高热辐射特性的结合，以低温高密度电浆溅镀的薄膜化技术，将石墨烯镀膜磊晶生长于金属铜箔表面，以形成新型的薄型化导散热材料。由于此为石墨烯层磊晶于金属铜箔上的复合结构，因而可使其介面热阻极低。当此复合结构接触到热源时，金属铜箔会将热传递到石墨烯层，石墨烯层将会使热快速平面性晕开并辐射至大气，实现高导热及高散热。克服了现有技术的不足。

附图说明

图1是本发明复合材料的构图。

图2是本发明实施例所得磊晶石墨烯层拉曼光谱图。

图3是本发明实施例所得10层结构磊晶石墨烯层穿透式电子显微镜下结构示意图。

图中所示：1-铜箔基板、2-磊晶石墨烯层、3-层间隙、4-0.358nm层间隙。

具体实施方式

通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

实施例

如图1所示一种薄型低界面热阻的高导散热复合材料，包括铜箔基板1、磊晶石墨烯层2。

本实施例以铜箔基板1为基板及石墨靶材经由低温高密度电浆溅镀工艺在所述铜箔基板1表面制备磊晶石墨烯层2，构成所述铜箔基板1和磊晶石墨烯层2复合结构。所述铜箔基板1的纯度为99.8％，厚度为25μm。

步骤一、将所述铜箔基板1浸泡于醋酸水溶液，将其氧化层去除，再以去离子水及酒精分别冲洗，并以无尘纸擦拭残馀酒精，以完成所述铜箔基板1的清洗。

步骤二、将所述铜箔基板1进行电化学抛光，以提升所述铜箔基板1之表面平整性。电解液为使用磷酸、甘油及醋酸之混合溶液，以所述铜箔基板1为阳极，另一铜片为阴极，施加电压。其后，分别以去离子水及酒精分别冲洗，并以无尘纸擦拭残馀酒精，以完成所述铜箔基板1的电化学抛光。

步骤三、将完成电化学抛光工艺的所述铜箔基板1置于低温高密度电浆溅镀腔体内，抽气至真空环境后，将所述铜箔基板1进行升温至600℃，接着通入氩气，以石墨为靶材，脉冲电源供应器为电源，施予基材负偏压条件下，进行石墨烯低温高密度电浆溅镀，制得所述磊晶石墨烯层2于所述铜箔基板1的表面。低温高密度电浆溅镀过程中，调控电源频率、电源脉冲时间、电源功率、基材负偏压、镀制时间等，实现所述磊晶石墨烯层2的石墨烯层的磊晶生长层数、厚度及磊晶生长方向的控制。

进一步地，所述铜箔基板1表面磊晶生长的所述磊晶石墨烯层2的拉曼光谱图具有石墨烯的特征峰：dband、gband及2dband讯号，故可证实此低温电浆製程已成功于所述铜箔基板1上磊晶出石墨烯层。

进一步地，所述铜箔基板1表面磊晶生长的所述磊晶石墨烯层2在穿透式电子显微镜下显示石墨烯层的层状结构，其层与层之间距为0.358nm，且所述磊晶石墨烯层2的层数为10层。完成一种薄型低界面热阻的高导散热复合材料的实施。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。