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石墨片知識

一、石墨的理化特性

1.石墨的結構

石墨晶體具有六角平面網(wǎng)狀結構,可分為天然石墨和人造石墨兩種。前者多呈鱗狀,由石墨礦中提煉出來。

特性:①潤滑性②熱膨脹性小③良好的導熱、導電性④廣泛溫區(qū)內(nèi)的可使用性⑤化學性能穩(wěn)定且無毒性⑥其他特性:具有可涂敷性、質(zhì)輕、可塑性大、易加工成形等特點。


石墨的分子結構圖


石墨的晶體結構圖

2、石墨的作用

石墨散熱片表面可以與金屬、塑膠、不干膠等其它材料組合以滿足更多的設計功能和需要。

①高導熱:平面內(nèi)熱傳導率最大可以達到1500W/mK;

②低熱阻:熱阻比鋁低40%,比銅低20%;

③非常輕:比同樣尺寸的鋁要輕30%,比銅要輕80%;

④易加工:可以模切制作成不同大小、形狀及厚度,厚度可以從0.075至1.5mm;

⑤靈活性:很容易與金屬、絕緣層或者雙面膠制成層板,增加設計靈活性,可以在背后有粘合劑;

⑥耐溫性:使用溫度最高可達400℃,最低可低于 - 40℃;

⑦易用性:石墨散熱片能平滑貼附在任何平面和彎曲的表面。



3、天然石墨、

天然石墨一般都是石墨片巖、石墨片麻巖、含石墨的片巖及變質(zhì)頁巖等礦石中出現(xiàn)。


天然石墨的大致成分(%)

品種    

固定碳

灰分

揮發(fā)份

水分

鱗片石墨    

85-95

0.1-0.7

5-15

1-2

-

微晶石墨    

60-80

0.1-0.2

20-40

1-2

0.5

4、人工石墨

人工石墨是將炭原料(如石油焦、瀝青焦、無煙煤、冶金焦、炭黑等)經(jīng)過煅燒、破碎與篩分、與粘接劑(主要用煤瀝青)混捏后,再經(jīng)壓型和焙燒、高溫石墨化,最后加工成所需規(guī)格尺寸。                              

                            

   5、石墨的微觀結構


二、石墨散熱片的散熱原理

項目

天然石墨片  

人工厚度

厚度

很難做到≤0.1mm

最薄可以做到0.003mm

導熱系數(shù)(水平方向)

≤400w/mk

≤1500w/mk

導熱系數(shù)(垂直方向)  

10~20w/mk

10~240w/mk

1.熱傳遞

熱傳遞,是熱從溫度高的物體傳到溫度低的物體,或者從物體的高溫部分傳到低溫部分的過程。

2.導熱系數(shù)公式

導熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下,1m厚的材料,兩側表面的溫差為1度(K,°C),在1秒內(nèi),通過1平方米面積傳遞的熱量,用λ表示,單位為瓦/(米·度),w/(m·k)(w/m·k,此處的k可用℃代替)。

λ=ρ* a*Cp;λ—材料導熱系數(shù);

ρ-材料密度;

a-熱擴散系數(shù);

Cp-比熱容。

材料

導熱系數(shù)w/mk

比熱熔j/kg·k

密度g/cm3

200

880

2.7

380

385

8.96

石墨

水平100-500垂直5-40

710

0.7-2.1


上圖為常用材料的導熱系數(shù)比較圖,石墨較常規(guī)的材料有著比較高的

導熱系數(shù),這是石墨作為新型導熱材料的基礎。

石墨獨特的晶體結構,致使其熱量傳輸主要集中在兩個方向:XY軸和Z軸。

X-Y軸的導熱系數(shù)為300---1500W/mk

Z軸的導熱系數(shù)約為10W/mk


三、石墨加工

為了更好地適應電子器件及電路模塊起伏的表面,需要對石墨導熱片進行一定的加工處理,主要的加工方法為:

1、背膠加工;

2、背膜加工。

背膠加工

以更好地粘附IC及電路板為目的,在導熱石墨片的表面進行背膠加工。

背膜加工

在某些需要絕緣或隔熱的電路設計中,為了更好地實現(xiàn)功能最優(yōu)化,石墨片的表面進行背膜處理。

四、石墨片的廣泛應用

在消費類電子向超薄化、智能化和多功能化方向發(fā)展的今天,功率的日益增加和產(chǎn)品的越做越薄日益凸現(xiàn)出熱量發(fā)散的問題。

因其在導熱方面的突出特性,石墨導熱片受到了越來越多的關注,在智能手機、超薄的PC和LED電視等方面有著廣泛的應用。

GTS在智能手機上的應用

智能手機所采用的CPU速度不斷增大,內(nèi)存容量擴大,操作系統(tǒng)性能提高,超薄的機身,對散熱的要求逐漸增大。

目前國內(nèi)市場上銷售的智能手機越來越多的采用石墨片作為導熱材料,例如蘋果、三星、HTC、小米等等。

GTS在iphone上的應用


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