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高導熱石墨膜與熱控級聚酰亞胺工藝介紹

深圳市賽姆烯金科技有限公司 ? 來源:深圳市賽姆烯金科技有限 ? 2024-02-29 13:50 ? 次閱讀

熱管理是電子行業發展過程中面臨的重要問題,散熱性能的高低直接決定了電子產品運行的穩定性及可靠性,在電子設備主要的失效方式中,有55%的失效是溫度過高引起。

隨著5G時代的到來,信息技術、人工智能物聯網等領域快速發展,單一電子設備上集成的功能逐漸增加并且復雜化,電子產品體積縮小帶來功率密度迅速提升,對散熱材料的散熱性能及穩定性提出了更高要求。

01

導熱石墨膜

傳統金屬材料如Cu、Ag等材料有較高的導熱率,但其密度高、可塑性低、不耐高溫氧化且價格昂貴。同比碳材料,如碳纖維、泡沫碳材料、石墨膜等導熱率。因此,碳材料是可以運用于微小型電子散熱的優良材料。

石墨膜由于具有優良的導電性、導熱性、輕薄性,比傳統金屬材料導熱高且密度低。自2011年開始被廣泛地用作智能手機、平板電腦消費電子終端,成為主流散熱材料。

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資料來源:公開資料

高導熱石墨膜的碳原子結構具有獨特的晶粒取向,可沿兩個方向均勻導熱,具備極其優異的平面導熱性能。

理論上,石墨膜越薄,導熱系數越高。早期石墨膜厚度主要介于20~50μm之間,其水平軸的導熱系數介于300~1,500W/(m*K)。隨著技術改善,石墨膜的加工工藝更加成熟,目前最薄可到0.01mm,其水平軸的導熱效率也高達1,900W/(m*K)。

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石墨晶體結構與均勻散熱示意圖,資料來源,公開資料

02

導熱石墨膜分類

導熱石墨膜主要分為天然石墨膜。納米碳散熱膜和人工石墨膜。天然石墨膜完全由天然石墨制成,在真空條件下不會發生脫氣現象,在400℃以上 的溫度也可繼續使用,最低能做到0.1mm左右,主要應用在數據中心、基站和充電站等。

人工石墨散熱膜:由聚酰亞胺(PI膜)經過碳化和石墨化制成,是當前最薄的散熱膜材料,最薄可做到0.01mm,廣泛應用于手機、電腦等智能終端產品。人工石墨由于導熱系數和厚度遠遠優于天然石墨,應用更為廣泛。

納米碳散熱膜由納米碳(石墨同素異構體)制成,最薄可做到0.03mm,導熱系數可高達1000~6000。由于納米碳散熱膜加工工序簡單,只需要開模和沖切,加工成本低。但納米碳成本極高,產量低。

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03

導熱石墨膜生產工藝

天然石墨膜和人工石墨膜制備工藝區別較大。天然石墨膜主要是天然石墨經過酸化、膨化、壓延、碳化、石墨化等過程制成。

天然石墨膜生產工藝

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資料來源:公開資料

人工石墨膜是由聚酰亞胺(PI 膜)經過碳化和石墨化制成的。從生產工藝的角度來說,主要經過 6 道工序,依次是基材處理、碳化、石墨化、壓延、貼合、模切。

人工石墨膜生產流程

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資料來源:公開資料

碳化是在真空或在惰性氣體保護下進行 1000℃左右的碳化,此步驟是去除薄膜中大部分的氧、氮、氫等元素,得到穩定的碳膜。石墨化是碳化后的碳膜在惰性氣體保護下升溫至3000℃左右進行石墨化處理。此法制備的石墨膜導熱率為1000-1800W/(m·K)。

04

人工石墨膜產業鏈

人工石墨膜的產業鏈主要包含上游聚酰亞胺(PI)膜,中游石墨膜和下游應用。上游主要原材料為聚酰亞胺(PI)膜,輔料為膠帶、保護膜等。

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05

熱控級聚酰亞胺

在炭材料中,石墨烯為碳六元環結構。規整的大面積六元環結構對導電、導熱是十分有利的,所以石墨烯的導熱率最高,其導熱率可達5300W/(m·K)。在眾多高分子前驅體中,聚酰亞胺材料中包含有大量的苯環以及酰亞胺環等結構,與石墨烯結構相似,有助于提高石墨膜成品的導熱性。所以將聚酰亞胺膜作為人工石墨導熱膜的前驅體。

熱控型聚酰亞胺薄膜屬于高性能PI材料,具有較高的技術壁壘,目前國內瑞華泰和時代華鑫已實現大規模量產。公開數據顯示,近年來,國內導熱界面材料市場規模逐步擴大,從2014年的6.6億元增長至2020年的12.7億元。而近兩年,國內市場導熱石墨膜市場因下游需求低迷,略呈震蕩式下滑。瑞華泰業績預告顯示,受全球電子消費市場終端收窄影響,產品結構變化以及銷售價格下降導致毛利率下降。同時熱控PI薄膜市場競爭激烈,特別是2023 年初以來韓國PIAM 公司大幅度降低熱控PI薄膜價格。

盡管熱控級聚酰亞胺膜市場近兩年低迷,但是5G技術的驅動下,電子產品功耗增加,以及折疊屏手機異軍突起,以熱控PI膜為原料的高導熱石墨膜市場需求依舊廣闊。

公開數據顯示,2022年全球熱界面材料市場規模達17.11億美元,2015-2022年的CAGR為12%。預計,2025年5G手機導熱石墨單價為8.9元,全球手機導熱石墨市場規模達到163億元。

未來隨著電子產品功耗提高、快速充電技術對散熱性能要求更高的市場需求驅動,散熱用石墨膜在保持散熱要求情況下,高導熱石墨膜逐漸由傳統單層石墨膜向復合型石墨膜發展,超厚型石墨膜的應用增加。

同時,折疊屏智能終端市場滲透率不斷提高,AMOLED的市場需求不斷增長,帶動人工石墨散熱膜的需求也隨之增長。由于柔性AMPLED的可折疊性,對耐彎折的導熱膜提出需求。研發兼具高導熱效率和高彎折性的人工石墨散熱膜前驅體熱控級PI膜是未來的發展方向。

審核編輯:黃飛

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原文標題:高導熱石墨膜與熱控級聚酰亞胺

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