一种定向高导热热界面导热材料及其应用的制作方法

1.本发明涉及石墨基复合材料领域，具体的说是一种定向高导热热界面导热材料及其应用。


背景技术：

2.热界面材料（thermal interface materials, tims）在电子芯片散热领域应用广泛，它可以填充于电子芯片与散热器之间，用以填充其中的空隙（空气），使电子芯片产生的热量能更快速地通过热界面材料传递到散热器，起到降低器件工作温度、延长其使用寿命的重要作用。随着微电子技术的不断进步，电子芯片逐渐向高集成度，以及高组装密度转变。在电子芯片运行的过程中会产生大量的热量，如果不能及时地将这些热量通过散热器散出，电子芯片的工作温度就会迅速上升，这将降低电子芯片的稳定性和可靠性，缩短其使用寿命。传统的，仅仅依靠电子芯片与散热器的直接接触，无法有效进行热量传导，这是因为热源表面和散热器之间总是存在很多微观的沟壑或空隙，其中80 %体积是空气——热不良导体（仅为 0.02 w
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），严重影响了散热效率。对于电子芯片而言，其工作温度每上升 2 ℃，电子设备的稳定性会随之降低10 %。为了延长电子芯片的使用寿命并且保证其在运行过程中具有良好的稳定性和可靠性，必须阻止电子芯片工作温度的升高。则需要填充两接触固体表面间，排出空隙间空气，增加实际接触面积，提高热流量输运能力。因此，使用高导热的热界面材料替代两固体接触面间充满空气的空间并与基底紧密粘结，增大其接触面积，在电子芯片和散热器之间建立快速导热的绿色通道就显得十分必要。
3.依据热界面材料的使用场景可知，其主要应用于电子芯片的散热领域。所以热界面材料必须具有柔韧性良好，可以填充在电子芯片和散热器之间，驱除间隙空气，减小热界面接触热阻，使得发热元器件产生的热量可以快速有效的传递到散热器，起到降低电子芯片运行温度，延长使用寿命的作用。在实际应用中，热界面材料需要考虑使用环境状况、接触温度、接触压力等。因此，热界面材料应具有形变性好，良好的抗老化性，易于与金属界面紧密接触，低热阻、高热导率，环保、无毒等特性。
4.现有的热界面材料通常是在聚合物基体中添加高导热填料的复合材料。由聚合物基体高度交联形成的弹性体，需要较大的压力才能与固体基底间接触良好。随着高导热填料填充分数的变化，其热导率在0.4~4 w
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左右变化。热界面材料的柔软性是非常重要的因素，同时由于导热颗粒较高的填充分数会增加复合材料的刚度，因此柔软性和填充率之间的矛盾严重限制了复合材料的整体性能，这也是导致现阶段热界面复合材料导热率不高的原因之一。
5.随着半导体器件的高速发展热界面复合材料已经渐渐无法满足目前的许多半导体器件的需求。而且5g时代的到来，半导体器件发热量的剧增让现阶段的热界面材料凸显出许许多多明显的不足。其中最重要的一个是，目前的非金属热界面材料热导率一般不超过15 w
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，通常小于5 w
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，然而，需求得是50 w
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或更大的有效热导率的热界面材料。所以在热界面复合材料广阔的应用场景下，研究如何提高热界面复
合材料的性能就显得很有必要了。
6.热界面材料由于其独特的应用场景导致单一材料远远无法满足应用的需要。金属类材料、碳类材料、陶瓷类材料具有优良的导热性能，但是都不满足热界面材料的机械性能要求。而硅橡胶、环氧树脂、聚乙烯等聚合物材料虽然满足热界面材料所需的机械性能要求，但其极低的导热率限制其应用。所以热界面材料必须通过复合材料来满足其在导热性能与机械性能的双重要求。
7.热界面复合材料按制备工艺可以大致分为本征型热界面复合材料和填充型热界面复合材料。本征型热界面复合材料是在聚合物合成及成型加工过程中通过改变分子和链节结构，或者通过外力的作用改变分子和分子链的排列来获得特殊物理结构，从而提高材料的导热性能，但是目前想制备这种本征型热界面复合材料比较困难且代价高昂；填充型热界面复合材料，是通过向聚合物基体中添加高导热填料的方法来制备，相对制备本征型热界面复合材料来讲，其加工工艺简单，操作过程容易掌握，加工成本低廉，经适当工艺处理可用于某些特殊领域，可进行工业化生产。因此目前国内外导热聚合物材料的研究主要集中在填充型热界面复合材料方向。


技术实现要素：

8.本发明为克服现有技术的不足，提供一种热界面导热材料及其应用，用石墨纸作为基体材料，这种材料无需高温石墨化处理、制备工艺相对简单、制备成本较低，因此不仅可以作为高温密封材料，还可以作为电子器件与热沉间的热界面散热垫片。此外，较薄的石墨片具有一定的柔韧性，可以弯曲收卷存放，使其低成本工业化生产得到加速。
9.为实现上述目的，设计一种定向高导热热界面导热材料，包括石墨纸、硅橡胶，其特征在于：具体制备方法如下：s1：选用石墨纸作为基体导热材料；s2：选用硅橡胶作为界面层；s3：将所述基体进行表面处理；s4：放置一层铺展的由上述步骤s3得到的石墨纸；s5：用喷涂机在石墨纸上表面喷涂一层厚度均匀的硅橡胶；s6：在步骤s5的基础上，放置一层铺展的由上述步骤s3得到的石墨纸；s7：重复步骤s5、s6的操作到一定的高度；s8：施加持续的2
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105 pa的压力，温度为150℃，一定时间后复合材料固化；s9：沿垂直于复合材料铺展方向进行剪切一定的厚度，得到成型的石墨
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硅橡胶定向高导热热界面导热材料。
10.所述的基体的表面处理的工艺如下：s31：将基体放置于55℃的碱性除油水中超声震荡，完成之后使用蒸馏水进行清洗；s32：使用无水乙醇或者丙酮作为溶剂配置质量分数为5%浓度的kh
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550溶液；s33：将清洗后的基体放入步骤s32中的配好的溶液中浸泡，然后取出干燥。
11.所述的导热材料可以是石墨纸、石墨膜、碳纤维膜、石墨烯膜中的一种或者多种组合。
12.所述的所述石墨纸的纯度大于99.9%。
13.所述的硅橡胶为甲基乙烯基硅橡胶。
14.所述的硅橡胶为tpu膜、tpu/pes膜、eaa膜、pes膜或者任一热熔胶膜中的一种或多种组合。
15.所述的石墨纸的厚度为0.01~2.0mm。
16.所述的碱性除油水的浓度为20%
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50%。
17.所述的浸泡时间大于30分钟。
18.所述的喷涂厚度小于100um。
19.所述的固化时间为1~12小时。
20.一种高导热石墨基热界面复合材料结构，包括热界面导热材料、散热材料、发热电子元器件，其特征在于：在散热材料及发热电子元器件之间的缝隙中嵌设有热界面导热材料，所述的热界面导热材料中的石墨层的两端分别与散热材料及发热电子元器件连接。
21.所述的热界面导热材料的厚度与散热材料及发热电子元器件之间的间隙厚度相匹配。
22.所述的热界面导热材料通过挤压于散热材料及发热电子元器件之间的缝隙中。
23.本发明同现有技术相比，提供一种热界面导热材料及其应用，用石墨纸作为基体材料，这种材料无需高温石墨化处理、制备工艺相对简单、制备成本较低，因此不仅可以作为高温密封材料，还可以作为电子器件与热沉间的热界面散热垫片。此外，较薄的石墨片具有一定的柔韧性，可以弯曲收卷存放，使其低成本工业化生产得到加速。
24.本发明的石墨基热界面导热材料为层叠式结构，每个石墨纸层间由均有一层热熔胶膜作为粘合层，石墨纸紧密的排列在一起，提高复合材料的机械性能，此结构中复合材料yz面为工作面分别与发热电子元器件的顶面和散热材料的底面相接触，明显提升了热导率。
附图说明
25.图1为本发明石墨基热界面导热材料的制备工艺流程。
26.图2为本发明复合结构材料的sem表面图。
27.图3为本发明复合结构材料的sem截面图。
28.图4为本发明石墨基热界面导热材料与散热材料及发热电子元器件的连接结构示意图。
29.图5为图4中a的放大示意图。
30.参见图4，图5，1为散热材料，2为发热电子元器件，3为热界面导热材料。
具体实施方式
31.下面根据附图对本发明做进一步的说明。
32.如图1至图5所示，一种定向高导热热界面导热材料，包括石墨纸、硅橡胶，包括如下步骤：a、选用纯度大于99.99%、厚度0.5mm的石墨纸作为基材；b、选用甲基乙烯基硅橡胶作为界面层和粘连层；
c、将所述基材进行表面处理；d、将基材放置于55℃的碱性除油水中超声震荡30分钟，完成之后使用蒸馏水进行冲洗清洁多遍；e、使用无水乙醇作为溶剂配置质量分数为5%浓度的kh
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550溶液进行基材的表面改性；f、将冲洗干净后的石墨纸放入步骤e中的配好的溶液中浸泡60分钟，然后取出，放入热风箱80℃干燥60分钟；g、放置一层铺展平整的由上述步骤f得到的石墨纸；h、用喷涂机在上表面喷涂一层厚度均匀的硅橡胶；i、在步骤h的基础上，放置一层铺展的由上述步骤f得到的石墨纸；j、重复步骤h
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i的操作到一定高度；k、施加持续的2
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5 pa的压力，温度为150℃，一定时间后甲基乙烯基硅橡胶材料固化。
33.通过本发明提供的方法，能在各操作步骤下控制下，将复合材料制备出任意厚度，经裁剪后得到任意长宽高尺寸的石墨基热界面导热材料。如图2所示，石墨纸表面起伏不平方便硅橡胶与石墨纸的粘接。图3中可以看出复合材料层与层间距相同，粘接性能良好。
34.如图4，图5所示，根据散热材料1及发热电子元器件2之间的缝隙的大小，来裁剪出石墨基热界面导热材料的厚度，并将石墨基热界面导热材料挤压进入散热材料1及发热电子元器件2之间的缝隙中，由于石墨基热界面导热材料具有一定的柔韧性，因此，在挤压的过程中，可以很好的将散热材料1及发热电子元器件2之间的缝隙尽可能的填满，达到更好的导热效果。
35.本发明以石墨纸叠层粘接的方式制备多层石墨块体，再将块体沿石墨膜z方向切割成薄片，作为热界面复合材料。经实验，研究了石墨基热界面复合材料的制备工艺、组织结构、导热性能及力学性能，并得出了以下结论：(1) 随着石墨纸的体积分数从50%增加到91.1%，x方向热导率由334w
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增加至579 w
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；随着石墨纸面内热导率从600 w
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增加到2000 w
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，x方向热导率从524 w
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增加到1631 w
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；对不同方向的热导率计算表明，x方向热导率为z方向的600倍左右。
36.(2) 用eaa膜作为粘合层，当复合材料中石墨纸的体积分数由80.3 %增加到92.2 %，x方向的热导率由292 w
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增加至357 w
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，但其热导率均与模拟值相差较大；相比于c
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tpu、c
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pes、c
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eaa三种复合材料，c
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tpu/pes复合材料热导率更高，达到了550.85 w
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，这可能是由于tpu/pes膜与石墨纸结合更好导致的。
37.(3) c
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tpu、c
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pes、c
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eaa和c
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tpu/pes复合材料xz面和yz面邵氏硬度均小于30hd；随着c
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eaa复合材料中石墨纸厚度由127μm增加至367μm，xz面和yz面邵氏硬度由38hd降低至21hd。四种复合材料压缩强度相近，约为5mpa。
38.上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明石墨
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硅橡胶复合材料制备方法及应用的技术原理和发明构思，都属于
本发明的保护范围。