热传导-TC 5G手机石墨烯散热材料的热传导效能评估【更新日期: 2023/12/20】

非常普遍的石墨烯材料(Graphene), 热传导系数更高, 但因为石墨烯定义是在单层时才叫石墨烯, 但一般在多层薄片也常被称石墨烯或应该成为类石墨烯, 不管是石墨片或是石墨烯, 当使用在散热用途时, 测试得到的热传导系数才是重要的产品特性, 石墨热传导只有在片状连续结构或是薄片接触很好时才会表现应有的高热传导系数(Thermal Conductivity)及高热扩散系数(Thermal Diffusivity), 所以一样外观一样材料, 加工方式不同会影响产品的热传导系数数倍, 数十倍, 甚至数百倍差异, 石墨片加工条件好也能得到非常高的热传导系数, 石墨烯加工不良很容易比石墨片热传导系数还差。
 

目前常见到的石墨片或石墨烯复合片热传导书面规格都在200~2000 W/m.k, 但几乎所有用这种数据建立的模流分析结果都跟实际测试差异非常大, 问题来自于这些基础材料的热传导都是根据理论值, 所以都假设石墨烯或PI裂解石墨片都是加工完美都是热传导是2000W/m.k, 实际上石墨片会因为致密性, 空隙度, 烧结产生不同结构…使热传导系数低下, 石墨烯片也因为加工方式, 热传导都远低于预估值, 真实值必须被直接测量而不是用理论预估。

 

  如何分析高热传导的石墨片及石墨烯复合散热片?

5G时代仍属于主流产品的石墨烯复合材料为(石墨烯+铜箔+胶 或石墨烯+黏着层)多层结构, 散热大比例都是透过X-Y轴而不是Z轴散热, 要测试热传导系数无法使用传统的Hot plate 或是Laser Flash. 原因是 ASTM 5470 Hot plate法主要做绝缘高分子低热传材料(Electric Insulation Material), 需要有足够的热阻也就是材料热传导系数不能太高, 另外ASTM 5470只能测试Z轴单一方向热传导, 这两原因导致石墨散热材料不能用ASTM 5470的方法。
 

Laser Flash ASTM E1461假设热传递的方向是Z轴, 也只能测试Z轴单一方向热传导的热传导系数, 而且需要加工镀金属在表面而且需要裁切成圆形, 而石墨烯片, 金属散热片, 石墨烯金属复合材主要是以X-Y平面高热传导系数为主, Z轴方向因为贴合或镀层间隙或是胶的关系明显比X-Y轴低, 而薄片裁切裂痕影响材料本身热传导, 无法使用在石墨烯产业。
 

Hot Disk是目前5G材料热传导系数的的主流方法, 薄层石墨烯片材, 石墨烯复合材料(石墨烯+铜箔+胶 或 石墨烯+铝箔+胶 或 石墨喷涂金属复合材… )多层结构的测试方法。
 

目前科迈斯实验室利用Hot Disk 设备Slab模式(Hot Disk专利且目前也经ISO认证标准方法ISO-22007-2) 量测过数百个的石墨片或石墨烯样品, 而经过大量测试的各种石墨烯散热片热传导99%都是远远地于各家书面规格值, 大约有1%少数石墨烯产品的确也能得到接近1800W/m.k的高热传, 并非是石墨烯就会到达高热传1800 W/m.k, 不管是设计散热模块, 模流分析者或是手机设计者确保产品质量唯一方法就是测试真实散热材料的热传导系数值。利用Hot Disk测试是目前唯一且适合测得真实热传导系数的标准方法。
 

使用设备	Hot Disk
国际标准方法	ISO-22007-2
使用模式	Slab Method
样品测试时间	1 sec
传感器	C7577
功率	600 mW
五大参数自动纪录	50 sec

确保测试者可以知道自己的样品大小是否适合, 测试一秒后确认这些五大重要参数, 确保数据可以信任。一样式石墨烯产品热传导从542 W/m.k~1703 W/m.k都有。