高导热石墨膜（石墨散热片）生产工艺详解

高导热石墨膜（石墨散热片）生产工艺详解

AIOT大数据

简介

散热问题一直是消费电子行业高度关注的热点和难点。过去消费电子产品的散热，主要利用铜质和铝制材料直接散热，或者配合硅胶、风扇及流液形成散热系统。

在消费电子向超薄化、智能化和多功能化的发展趋势下，产品内部空间越来越狭小，仅靠利用铜质、铝制材料配合硅胶等设计出的散热通道已经很难满足需求。

消费电子产品发展的核心问题之一，是如何降低电子元件的峰值温度，从电子元件到印刷电路板乃至外壳，根据各部分的热特性来设计散热路径，使热量从每个电子元件“毫无保留地散发出去”。

研究发现石墨晶体具有六角平面网状结构，具有耐高温、热膨胀系数小、良好的导热导电性、化学性能稳定、可塑性大的特点。

石墨独特的晶体结构，使其热量传输主要集中在两个方向：X-Y轴和Z轴。其X-Y轴的导热系数为300~1,900W/(m·K)，而铜和铝在X-Y方向的导热系数仅为200~400W/(m·K)之间，因此石墨具有更好的热传导效率，可以更快将热量传递出去。

与此同时，石墨在Z轴的热传导系数仅为5~20W/(m·K)，几乎起到了隔热的效果。因此石墨具有良好的均热效果，可以有效防止电子产品局部过热。

从比热容的角度看，石墨的比热容与铝相当，约为铜的2倍，这意味着吸收同样的热量后，石墨温度升高仅为铜的一半。因石墨在导热方面的突出特性，可以替代传统的铝质或者铜质散热器，成为散热解决方案的优秀材料。

高导热石墨膜是近年利用石墨的优异导热性能开发的新型散热材料。该产品是在特殊烧结条件下对基于碳材料的高分子薄膜反复进行热处理加工而制成的导热率极高的片状材料，具有厚度薄、散热效率高、重量轻等特点。

在消费电子产品面临局部过热、需快速导热、空间限制等问题时，高导热石墨膜提供了很好的散热解决方案。因此近年来高导热石墨膜在智能手机、超薄笔记本电脑、平板电脑和LED电视等消费电子产品领域均有应用。

从散热性能的技术角度分析，目前尚未发现导热性能优于石墨且其他特性又能满足手机商业化运用要求的散热材料。手机厂商目前推出的新的手机散热解决方案，比如金属背板散热、导热凝胶散热，均系在石墨膜的基础上，通过与金属导热板或者导热凝胶的结合，进一步提升散热效果。目前，石墨膜已经成为手机散热的基础材料。

高导热石墨膜是近年来面世的新型材料，目前主 要用于消费电子产品的散热，系消费电子组件。高导热石墨膜自 2009 年开始批量应用于消费电子产品，2011 年开始大规模 应用于智能手机，属于新兴行业。

高导热石墨膜生产商包括日本松下、美 国 Graftech 和日本 Kaneka，碳元科技，北京中石伟业、嘉兴中易碳素、镇江博昊科技、深圳新纶科技和深圳垒石热管理等企业。

高导热石墨膜最薄可以做到 10μm，导热系数最高 1,900W/(m·K)以上。高导热石墨膜具有良好的再加工性，可根据用 途与 PET 等其他薄膜类材料复合或涂胶，可裁切冲压成任意形状，可多次弯折。

高导热石墨膜适用于将点热源转换为面热源的快速热传导，可应用于智能手机，液晶面板、平 板电脑、笔记本电脑等产品的散热，亦可用于智能建筑环境管理系统等新领域。

根据导热石墨膜的性能差异，高导热石墨膜主要可分为单层高导热膜、复合型高导热膜和多层高导热膜三类产品。该三类产品均可用于消费电子散 热，其中，单层高导热膜应用范围最广，复合型高导热膜和多层高导热膜系在单 层高导热膜基础上为满足客户更多的设计功能和需要与铜箔或者多片石墨膜复 合而成。

单层高导热膜主要强调其优越的导热系数；多层高导热膜在具有 高导热性能的同时还有一定的储热性能；复合型高导热膜兼具导热和储热性能， 同时具有一定屏蔽辐射作用。三者均运用于消费电子的散热领域。

生产工艺流程

生产工艺主要包括了基材处理、碳化、石墨化、压延、贴合、模切等六 道工序。

1、碳化和石墨化

碳化和石墨化是上述流程中的核心工艺，该等工艺通过在发行人定制的碳化炉和石墨炉中对PI膜进行专业处理从而得到大面积石墨原膜。

碳化是石墨化的前置程序，目的在于使得PI膜中的非碳成分全部或大部分挥发，需在特定高温下进行。发行人通过在特制的碳化炉内加入氩气或者氮气等惰性气体，并控制升温速率和碳化温度，使得PI膜结构分子径向排列被打乱，羰基断裂，经化学变化最后形成芳杂环多环化合物。

石墨化工序中，发行人通过在特制的石墨化炉内加入氩气或者氮气作为介质对碳化后的PI膜进一步升温，高温下多环化合物分子重整，伴随多次周期性升温的振荡操作，经化学变化，最后形成高结晶度的大面积石墨原膜。发行人可以通过设定不同的温度以及不同的温度调控方式，生产不同参数要求的高导热原膜。

上述碳化石墨化过程中，原料的选择、碳化和石墨化炉的制造、升温速率的选取、碳化和石墨化温度的控制、石墨化中升温和降温的控制方式、参照温度和阈值的拟定以及周期性振荡的调控都影响着高导热石墨原膜的质量乃至制备的成功性，系发行人经过长时间试验调整，并且经过工业化量产实践后总结的核心生产工艺艺。

2、压延和贴合

碳化和石墨化两道工艺完成后，还需进行压延、贴合以备最后的模切环节。

石墨薄膜在制作过程中，由于泡畴的存在，密度较小，热导系数也较低，为取得高密度的石墨膜并提高其热导系数，需要进行压延处理。发行人自主研发设计了压延处理设备，将石墨原膜以受控的方式通过一系列相向旋转着的水平辊筒间隙，使物料承受挤压并得到延展，最后得到薄片状制品。这一过程中，处理设备的设计、旋转的速率以及水平辊筒间隙的选取均涉及发行人核心专有技术，并影响着压延后产品的厚度、宽度和表面光洁度，需要较高的技术水平。

薄片状制品的石墨膜仍然需要进行封闭保护方可运用于产品，所以需要对石墨膜表面进行贴合处理。在贴合工艺中，发行人需要使用特定的机器通过一系列相向旋转着的水平辊筒间隙使石墨膜与丙烯酸类胶带复合，并贴覆离型膜和保护膜。在该工艺下，发行人使用根据自有技术设计的特制设备和操控要求进行处理，从而使得涂胶层均匀且厚度尽肯能小，从而保证后续产品的质量。

3、模切

在模切工艺中，发行人使用特定的机器，根据客户需求通过精密加工和切割将压延后的高导热石墨膜原膜制备成形状大小不同的高导热石墨膜成品。随着智能手机向超薄化发展，内部预留给散热材料的空间愈发有限，从而对高导热石墨膜的形状及大小提出了更多样化的适用性要求，因此模切设备及切割工序的精细化操作在最终成品环节起着至关重要的作用。

客户类型

直接客户则主要有以下三类：第一类为采用自主生产方式的手机品牌商（含下属子公司），其采购散热材料直接用于手机生产；第二类为手机零部件供应商或整机组装厂商，其采购散热材料用于进一步加工装配，并出售给手机品牌商；第三类为手机零部件经销商，其利用长期积累的渠道及客户资源，采购散热材料并销售给手机品牌商或整机组装厂商。