高導熱石墨膜與熱控級聚酰亞胺工藝介紹

熱管理是電子行業(yè)發(fā)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(wěn)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(lián)網(wǎng)等領域快速發(fā)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(wěn)定性提出了更高要求。

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導熱石墨膜

傳統(tǒng)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(yōu)良材料。

石墨膜由于具有優(yōu)良的導電性、導熱性、輕薄性，比傳統(tǒng)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、平板電腦等消費電子終端，成為主流散熱材料。

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(yōu)異的平面導熱性能。

理論上，石墨膜越薄，導熱系數(shù)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(shù)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)。

石墨晶體結構與均勻散熱示意圖，資料來源，公開資料

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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(fā)生脫氣現(xiàn)象，在400℃以上 的溫度也可繼續(xù)使用，最低能做到0.1mm左右，主要應用在數(shù)據(jù)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(shù)和厚度遠遠優(yōu)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(shù)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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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(qū)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

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

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(wěn)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）。

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人工石墨膜產業(yè)鏈

人工石墨膜的產業(yè)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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熱控級聚酰亞胺

在炭材料中，石墨烯為碳六元環(huán)結構。規(guī)整的大面積六元環(huán)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(huán)以及酰亞胺環(huán)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(xiàn)大規(guī)模量產。公開數(shù)據(jù)顯示，近年來，國內導熱界面材料市場規(guī)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(yè)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(shù)據(jù)顯示，2022年全球熱界面材料市場規(guī)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(guī)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(tǒng)單層石墨膜向復合型石墨膜發(fā)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(fā)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(fā)展方向。

審核編輯：黃飛