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手机芯片散热神器:碳纤维导热垫片 复材云集复合材料

发布时间:2022-08-14 12:24:28 人气:1 来源:千亿客户端app下载 作者:千亿手机客户端

  “发热”问题一直是手机的痛点,手机品牌不吝于对散热方案的创新和开发。要说手机散热方案,近期发布的新机——号称努比亚史上最强Z系列旗舰的努比亚Z40 Pro,它的散热方案极其华丽,超大面积VC液冷均热板、石墨烯、纳米碳纤维导热片、高功率凝胶、石墨层等散热材料组成了独有的九层环抱冷封散热系统。其中不得不说的是碳纤维导热片,是高速运行芯片极佳的散热材料,可谓是“凉芯”散热。

  碳纤维导热垫片是一种导热垫片。导热垫片是以树脂为载体,添加导热填料制备而成的导热弹性垫片,主要用于弥补半导体器件与散热器之间的较大间隙,起到弥补公差及散热的作用,尤其适用于多个芯片共用同一个散热器的场景。

  随着电子零部件的发展趋于高性能化、小型化,芯片工作频率不断升高,产生的热量及热密度也随之提高,对导热散热系统也提出了更严苛的要求。传统的导热垫片通常为大量氧化铝等球形填料填充的复合材料,其热导率通常低于10W/mK,已无法满足高功率、多功能化的电子产品发热需求。因此,以高导热碳纤维作为填料的高导热垫片应运而生。

  碳纤维导热垫片是一种以导热碳纤维为主要原材料的导热垫片。目前树脂基体一般多为硅橡胶,而碳纤维一般采用高导热的中间相沥青基碳纤维(导热系数能达到800w/m·K以上)。

  硅橡胶具有良好的柔软性、高温性能和阻燃性,可在发热元件和散热器之间紧密贴合。而碳纤维是一种高导热材料,在纤维方向上的导热系数可以超过铜,同时具有良好的机械性能和优异的导热及辐射散热能力。高导热碳纤维垫片就是将碳纤维和硅橡胶的性质组合起来,进行优化设计和制造。

  值得注意的是,当碳纤维端面伸出导热垫表面,虽然材料的热导率得到了很大的提升,但表面露出的碳纤维会引起电子元器件短路,进而影响电子设备正常运转。因此高导热绝缘的碳纤维导热垫片成为研究重点,如对碳纤维基材表面形成的绝缘涂层包覆等。

  碳纤维是一种含碳量在95%以上的新型纤维材料,它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料,因此在纤维轴向方向具有非常好的热传导性能,导热系数达到600~1300W/mK。

  碳纤维具有超高的轴向热导率,在硅胶基体里定向排列后,添充较小的含量就能够极大提升复合材料的热导率,而且可以使得导热垫片具有各项异性的热传导效果。而如何实现碳纤维在导热垫片中的定向排布成为难点。

  随着导热垫片的厚度增加,其热传导路程加长会导致导热系数稍微有所下降,而导热垫片在受到挤压变形后会对其微观排列结构有所影响,导致导热系数有所下降,因此在应用中应该选择合适厚度的导热垫片。

  导热垫片的碳纤维的取向程度偏低会形成碳纤维填充而导热率无法上升的缺陷。为了提高导热垫片的导热率,现在通常是利用电场取向、磁场取向,或者挤出取向的方式对碳纤维进行定向排序。

  通过对碳纤维施加外电场,使碳纤维沿竖直方向取向。这种方法需要较强的电场强度且工艺较为复杂。

  利用碳纤维的反磁性性质,在磁场作用下,碳纤维发生转向,使碳纤维在硅橡胶垫片的厚度方向上定向排列。此方法制备工艺较为复杂,制造成本较高。目前导热系数为20~30W/mK的导热垫片基本采用这种方法。

  利用挤出剪切力使碳纤维在流速方向上取向,保持挤出的碳纤维预备料在挤出过程中流速均匀,增加碳纤维在挤出流道后获得更好的取向。事实上,挤出流速较难保持一致,一般会呈现中间流速快,贴壁的部分流速较慢,影响碳纤维的取向。

  总的来看制备碳纤维导热垫片的难点包括碳纤维粉体长度精准控制、纤维取向控制、结构优化以及低成本化等。目前,开发的碳纤维导热垫片导热系数可达到15~70W/mK,若优化制造工艺有望达到80~100W/mK,在5G手机、笔记本电脑、VR/AR、通信设备、汽车电子以及其他对于散热要求极高的电子设备发热元器件等领域将得到广泛应用。(来源:艾邦高分子)

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