石墨烯散热片

石墨烯的革命性材料特性包括：

随着自动驾驶汽车的问世，将会使用更多的计算机算力，控制台、车载互联网、无线网络和传感器阵列，这会导致消耗更大的CPU功率，各类新应用的叠加相应会显著增加热量。而新型石墨烯薄膜在汽车方面的应用必将不断扩展。

因此，对散热的需求也相应增加了。用传统的铝散热片会扩大控制台和其他相关计算机/电子系统的尺寸，而使用新型石墨烯薄膜散热片的平面散热管理方案不仅厚度更薄，而且散热更有效。

图1：一种采用新型石墨烯薄膜散热片的散热辐射结构

石墨烯非常适用于平面散热管理和电子封装应用。它可以分散在喷涂油墨和涂料的溶液中，并与聚合物混合，从而对其热特性起到实质性的增强。了解到这一点后，研究人员利用石墨烯独特的导热能力和碳纳米颗粒，以及金刚石粉末颗粒，制成石墨烯复合薄膜，可极大地增强其热性能。此外，金刚石粉末颗粒可降低石墨烯的导电性，从而不会对PCB和电子元器件造成任何电磁干扰（EMI）问题。

现已申请专利的石墨烯复合薄膜工程方法是将石墨烯与金刚石粉末颗粒集成网状结构，允许不间断的热传导。此外，结构网格的孔内填充有碳纳米颗粒（具有0.98的热辐射散度）以增加热辐射效率。在X和Y平面上具有极高热导率的石墨烯薄膜散热片，与在Z平面上的碳纳米颗粒的红外热辐射有效转换作用相结合，可以以3D形式传递热量。石墨烯薄膜的热导率受限于X和Y平面，而新型石墨烯复合薄膜在Z平面上也具有极佳的热扩散能力。因此，石墨烯复合薄膜的平面热管理性能比石墨散热片好得多，因为它不仅可在X和Y平面上散热，也可在Z平面上散热。

这些纳米材料的高极化率使它们能够均匀地分布在薄膜表面，从而最大化热辐射冷却效果。石墨烯薄膜的纳米结构加强了它的电气绝缘特性，因而它可承受2 KV的高压。散热层通过红外辐射具有高水平的散热能力，因此即使在受限空间中也增加了热发射。可根据产品的要求，在薄膜下添加金属层加快纳米结构层的热发射，促进更大的热辐射。

石墨烯薄膜散热片的厚度为25 μm~210 μm，与传统的散热架相比非常薄。石墨烯薄膜散热片可含有一层几微米到几十微米的石墨烯，再加一层几十微米的铝或铜；或只含有一层石墨烯。这种既轻又薄的散热薄膜很适合用于智能手机、iPads、平板电脑和其它的便携式装置，以及小的元器件如ICs、LED和DDR存储器。

石墨烯薄膜通常是粘附在发热源的表面，或是PCB的顶部或底部。也可将石墨烯薄膜加到各种手机的外壳正面或背面，或是加在发热源的上面或底部。薄膜不会干扰天线性能，所以如果必要，也可加在天线区域。当然，实际的安排将取决于器件的布局和热源的位置。

图3：在现有的铝散热片上增加石墨烯薄膜可改善散热，或可直接使用石墨烯薄膜取代铝散热片

再来进一步关注PCB，因为芯片是通过其引脚和晶片顶部区域辐射热量，使用铜布线、接地平面和热通孔，再通过石墨烯薄膜来加速热传递和辐射是一个好主意。薄膜面积越大，散热效果越好，所粘附的薄膜应该靠近发热源。对现有的PCB进行测试，要在粘附薄膜之前去除防护漆（热阻非常高）。在批量生产时，石墨烯薄膜应该没有防护漆。为了达到最佳效果，要在薄膜和PCB之间抽真空，这点很重要。薄膜表面有电气绝缘涂层，因此，要小心处理，以免刮伤涂层。最后，如果可能，要在电路板的两面都粘附薄膜。如果不行，将薄膜加在有较多元器件的一面，在薄膜上做孔，露出有元器件的区域。采用这些粘附方法，可解决PCB的散热问题，显著提高封装的散热性能。

图4：在PCB的一面或两面加一层石墨烯薄膜可减小铝散热片的尺寸

过去4年，已经对石墨烯薄膜散热片应用的各种领域，如玻璃外壳和金属壳的智能手机、LED灯、平板及笔记本电脑等产品，进行了广泛测试，结果非常理想。实验证明，各种电子装置的运行温度明显下降，幅度达到了23%~52%（具体下降幅度取决于所测试的装置类别）。

Magi Scitech正在不断创新和改进其石墨烯薄膜产品，并且还能为客户按要求定制。此外，现已开发出了能够喷涂在金属表面（如不锈钢、铝及铜）的石墨烯油墨，厚度可达5 μm 到20 μm（此厚度为最有效的喷墨厚度范围），用以增加金属的导热性。

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