一种具有微型热结构图案的石墨烯薄膜的加工系统及方法

摘要

本发明涉及一种具有微型热结构图案的石墨烯薄膜的加工系统，包括过滤杯、抽滤集液瓶、真空泵、用于加持滤膜的固定夹、超声水槽和图案加工装置；所述滤杯和抽滤集液瓶上下扣合，所述滤膜设置在所述滤杯和抽滤集液瓶之间，所述真空泵与所述抽滤集液瓶连通；所述抽滤集液瓶设置在所述超声水槽内；所述图案加工装置用于在石墨烯薄膜上加工热结构图案。本发明克服了散热结构无法跟随电子制造向制造最小化的多功能器件的趋势；进一步满足了设备简单、易操作、低成本、精度高、灵活度高等需求。

权利要求

1.一种使用具有微型热结构图案的石墨烯薄膜加工系统的方法，其特征在于：所述加工系统包括过滤杯、抽滤集液瓶、真空泵、用于加持滤膜的固定夹、超声水槽和图案加工装置；所述滤杯和抽滤集液瓶上下扣合，所述滤膜设置在所述滤杯和抽滤集液瓶之间，所述真空泵与所述抽滤集液瓶连通；所述抽滤集液瓶设置在所述超声水槽内；所述图案加工装置用于在石墨烯薄膜上加工热结构图案；

所述方法包括如下步骤：

步骤一，将滤膜固定在滤杯和抽滤集液瓶之间；

步骤二，配置均匀的碳纤维悬浊液和石墨烯悬浊液；

步骤三，将碳纤维悬浊液倒入过滤杯中，打开真空泵，在滤膜的上表面沉积出碳纤维前驱体；

步骤四，将石墨烯悬浊液倒入过滤杯中，打开真空泵，在所述碳纤维前驱体中沉积石墨烯获得石墨烯薄膜；

步骤五，将滤膜粘贴于玻璃衬底上，并放入真空干燥箱烘干；

步骤六，取出滤膜并冷却，将石墨烯薄膜从滤膜上剥离；

步骤七，在所述石墨烯薄膜上加工出具有微型热结构的图案，将微型热结构图案之外的石墨烯薄膜去除；

步骤八，采用覆盖或嵌入电路板的方法，将具有微型热结构图案的石墨烯薄膜分布于需要针对性实现热管理的区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤七使用光刻法加工微型热结构的图案，包括如下步骤，

步骤S71，将获得的完整的所述石墨烯薄膜转移至PET膜上并贴附于玻璃基板上；

步骤S72，对石墨烯膜进行光刻工艺并在石墨烯表面留下具有目标图案的掩模版，此时通入O2离子体进行表面处理，通入的O2压力70kPA，温度60℃，持续时间30s，将石墨烯薄膜上没有掩模版保护的部分去除；

步骤S73：在喷淋反应药腔室去除石墨烯薄膜表面的光刻胶掩模版，获得具有微型热结构图案的石墨烯薄膜；

步骤S74：将所得微型热结构图案的石墨烯薄膜在300℃下通入Ar进行退火60min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤七使用激光刻蚀法加工微型热结构的图案，包括如下步骤，

步骤S81：将所获得的完整的所述石墨烯薄膜转移至PET膜上并固定于激光器工作台；

步骤S82：将石墨烯薄膜上目标图案以外部分去除，获得具有热操纵功能的石墨烯薄膜；

步骤S83：将PET膜的一角向着没有石墨烯的一侧弯曲，将石墨烯薄膜从PET膜上揭下。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：采用的激光的波长为355mm，激光功率10W，电流范围在50％～75％，激光照射直至刻蚀出目标图案。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二中配置碳纤维悬浊液时，将去离子水倒入装有1‑5mm长碳纤维的烧杯中，使用去离子水和碳纤维的质量比为3000～5000：

1的比例配置，并用超声处理30分钟。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤二中配置石墨烯悬浊液时，将去离子水倒入装有闪蒸石墨烯的烧杯中，使用去离子水和闪蒸石墨烯的质量比为3000～

4000：1的比例配置，并用超声处理30分钟。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤五中在55‑65℃的温度下烘烤50分钟。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三和步骤四中，进行真空抽滤过程中对所述加工系统超声波处理。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤七的图案包括实现热屏蔽、热旋转或热聚集功能的图案组合。

说明书

一种具有微型热结构图案的石墨烯薄膜的加工系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石墨烯技术领域，具体涉及一种具有微型热结构图案的石墨烯薄膜的加工系统及方法。

背景技术

[0002] 热能在生活中非常常见，它在给人类社会带来许多便利的同时许多难攻克的问题也随之而来。电子设备在运行过程中会产生热量，而电子元件通常对温度敏感，一些电子元
件具有在操作过程中随温度变化而快速变化的热特性，如芯片封装密封模块的热性能随着
温度的变化而变化。电子元件的寿命和可靠性随着工作温度的升高而降低，提高电子元件
寿命及可靠性的关键是解决散热问题，有效的散热对于电子元件的更高的可靠性和更长的
寿命有着密切关系，因此有效处理热效应问题对于电子元件的进一步研究和开发至关重
要。热管理日益成为电子封装中不可忽视的重要组成部分。

[0003] 近年来，随着电子技术的飞速发展，电子设备不仅应用于飞机、卫星、航天飞机和舰艇潜艇等军事领域，还广泛应用于工业生产、通信系统和个人计算机等民用领域。随着社
会的发展，电子设备发展中的矛盾日益尖锐，一方面，电子设备体积小，它具有很多功能，便
携性强，对环境的适应性和发展需要广泛，而设备本身由于受热约束，热控制问题变得越来
越困难。电子元件当前的趋势是以最小尺寸制造功能强大的器件，这给电子器件封装的散
热要求带来了很大的压力，器件的性能和生命周期至关重要。因此，控制这些元器件的温度
是提高电子产品寿命的最好方法。因此电子设备的高效散热非常重要，其散热性能直接决
定了设备本身的寿命。

[0004] 目前常见的电子元件散热方式有自然冷却、能量疏导等方式。例如电脑的散热方法一般是利用加上散热器，整机加上风扇。而散热器一般是由铝和铜等具有高热容的材料
制成的，目的是在较低的温度升幅下吸收更多的热量。采用金属散热的方式，在设计线路板
时，会特意加大散热铜箔厚度或用大面积电源、地铜箔或使用更多的导热孔。

[0005] 然而，目前常见的这些散热方法并没有针对性的局部散热，且这种散热方式的散热效率随设备所占用空间的增大而升高。电子制造的前沿趋势是将制造出尺寸最小化的多
功能的器件，而目前的散热方式无法满足。因此，亟需研发出一种尺寸更小、质量更轻、针对
性更高的新方法，来有效地引导和屏蔽电子元件上的热量，实现热保护的同时满足电子元
件向小、轻、便携的方向发展。

[0006] 石墨烯具有非常好的热传导性能，也是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，有望被用在电子元件的热保护中。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于针对现有技术中的不足之处，提供一种实现热保护的同时满足电子元件小、轻、便携需求的一种具有微型热结构图案的石墨烯薄膜的加工系统及方法。

[0008] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：

[0009] 一种具有微型热结构图案的石墨烯薄膜的加工系统，包括过滤杯、抽滤集液瓶、真空泵、用于加持滤膜的固定夹、超声水槽和图案加工装置；所述滤杯和抽滤集液瓶上下扣
合，所述滤膜设置在所述滤杯和抽滤集液瓶之间，所述真空泵与所述抽滤集液瓶连通；所述
抽滤集液瓶设置在所述超声水槽内；所述图案加工装置用于在石墨烯薄膜上加工热结构图
案。

[0010] 使用一种具有微型热结构图案的石墨烯薄膜的加工系统的方法，包括如下步骤：

[0011] 步骤一，将滤膜固定在滤杯和抽滤集液瓶之间；

[0012] 步骤二，配置均匀的碳纤维悬浊液和石墨烯悬浊液；

[0013] 步骤三，将碳纤维悬浊液倒入过滤杯中，打开真空泵，在滤膜的上表面沉积出碳纤维前驱体；

[0014] 步骤四，将石墨烯悬浊液倒入过滤杯中，打开真空泵，在所述碳纤维前驱体中沉积石墨烯获得石墨烯薄膜；

[0015] 步骤五，将滤膜粘贴于玻璃衬底上，并放入真空干燥箱烘干；

[0016] 步骤六，取出滤膜并冷却，将石墨烯薄膜从滤膜上剥离；

[0017] 步骤七，在所述石墨烯薄膜上加工出具有微型热结构的图案，将微型热结构图案之外的石墨烯薄膜去除；

[0018] 步骤八，采用覆盖或嵌入电路板的方法，将具有微型热结构图案的石墨烯薄膜分布于需要针对性实现热管理的区域。

[0019] 更进一步的说明，所述步骤七使用光刻法加工微型热结构的图案，包括如下步骤，

[0020] 步骤S71，将获得的完整的所述石墨烯薄膜转移至PET膜上并贴附于玻璃基板上；

[0021] 步骤S72，对石墨烯膜进行光刻工艺并在石墨烯表面留下具有目标图案的掩模版，此时通入O2离子体进行表面处理，通入的O2压力70kPA，温度60℃，持续时间30s，将石墨烯
薄膜上没有掩模版保护的部分去除；

[0022] 步骤S73：在喷淋反应药腔室去除石墨烯薄膜表面的光刻胶掩模版，获得具有微型热结构图案的石墨烯薄膜；

[0023] 步骤S74：将所得微型热结构图案的石墨烯薄膜在300℃下通入Ar进行退火60min。

[0024] 更进一步的说明，所述步骤七使用激光刻蚀法加工微型热结构的图案，包括如下步骤，

[0025] 步骤S81：将所获得的完整的所述石墨烯薄膜转移至PET膜上并固定于激光器工作台；

[0026] 步骤S82：将石墨烯薄膜上目标图案以外部分去除，获得具有热操纵功能的石墨烯薄膜；

[0027] 步骤S83：将PET膜的一角向着没有石墨烯的一侧弯曲，将石墨烯薄膜从PET膜上揭下。

[0028] 更进一步的说明，采用的激光的波长为355mm，激光功率10W，电流范围在50％～75％，激光照射直至刻蚀出目标图案。

[0029] 更进一步的说明，所述步骤二中配置碳纤维悬浊液时，将去离子水倒入装有1‑5mm长碳纤维的烧杯中，使用去离子水和碳纤维的质量比为3000～5000：1的比例配置，并用超
声处理30分钟。

[0030] 更进一步的说明，所述步骤二中配置石墨烯悬浊液时，将去离子水倒入装有闪蒸石墨烯的烧杯中，使用去离子水和闪蒸石墨烯的质量比为3000～4000：1的比例配置，并用
超声处理30分钟。

[0031] 更进一步的说明，所述步骤五中在55‑65℃的温度下烘烤50分钟。

[0032] 更进一步的说明，所述步骤三和步骤四中，进行真空抽滤过程中对所述加工系统超声波处理。

[0033] 更进一步的说明，所述步骤七的图案包括实现热屏蔽、热旋转或热聚集功能的图案组合。

[0034] 本发明的有益效果：本发明在石墨烯薄膜上加工出具有热操纵功能的图案，可根据不同的使用环境或热流控制区域变化对图案进行变换并分布于需要针对性实现热管理
的区域，可实现特定区域的热屏蔽、热旋转以及热聚集，实现对热流的操控，提高了热流操
纵的针对性和热流操作的精度，以及增强了可跟随热流控制区域任意变换的灵活性；采用
石墨烯对热流实现操控，克服了散热结构无法跟随电子制造向制造最小化的多功能器件的
趋势；进一步满足了设备简单、易操作、低成本、精度高、灵活度高等需求，可应用于尺寸小、
质量轻、热敏感且需较高针对性保护的电子元件中，在实现热保护的同时满足电子元件向
小、轻、便携的方向有较大发展空间。

附图说明

[0035] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0036] 图1是本发明的一个实施例的整体结构示意图；

[0037] 图2是本发明的一个实施例的结构示意图；

[0038] 图3是本发明的一个实施例的流程图；

[0039] 图4是本发明的一个实施例的结构示意图。

[0040] 其中：过滤杯1，固定夹2，基座3，抽滤集液瓶4，滤膜5，图案加工装置7，真空泵8，抽管9，发热区域10，第一热敏感电子元件放置区11，第二热敏感电子元件放置区12和超声水
槽14。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

[0042] 如图1‑图2所示，一种具有微型热结构图案的石墨烯薄膜的加工系统，包括过滤杯1、抽滤集液瓶4、真空泵8、用于加持滤膜5的固定夹2、超声水槽14和图案加工装置7；所述滤
杯和抽滤集液瓶4上下扣合，所述滤膜5设置在所述滤杯和抽滤集液瓶4之间，所述真空泵8
与所述抽滤集液瓶4连通；所述抽滤集液瓶4设置在所述超声水槽14内；所述图案加工装置7
用于在石墨烯薄膜上加工热结构图案。

[0043] 过滤杯1用于承装碳纤维悬浊液和石墨烯悬浊液，抽滤集液瓶4和真空泵8用于抽滤碳纤维悬浊液和石墨烯悬浊液，其中真空泵8通过抽管9与抽滤集液瓶4相连。滤膜5用于
沉积碳纤维前驱体以及石墨烯，抽滤集液瓶4设置在所述超声水槽14内，超声水槽14就可以
在抽滤的过程中保持抽滤集液瓶4的震动，使滤碳纤维悬浊液和石墨烯悬浊液均匀的沉积。
制备出完整的石墨烯薄膜后，使用图案加工装置7加工出需要的热结构图案，整个系统简单
方便，容易操作。超声水槽14在抽滤的过程中施加超声波，使悬浊液更加均匀，沉积出厚度
一致的石墨烯薄膜。为了稳定滤膜5在操作过程的稳定，固定夹2加持滤膜5，更优的，在抽滤
集液瓶4和过滤杯1之间设置基座3，用于放置滤膜5。

[0044] 如图3所示，使用一种具有微型热结构图案的石墨烯薄膜的加工系统的方法，包括如下步骤：

[0045] 步骤一，将滤膜5固定在滤杯和抽滤集液瓶4之间；

[0046] 步骤二，配置均匀的碳纤维悬浊液和石墨烯悬浊液；

[0047] 步骤三，将碳纤维悬浊液倒入过滤杯1中，打开真空泵8，在滤膜5的上表面沉积出碳纤维前驱体；

[0048] 步骤四，将石墨烯悬浊液倒入过滤杯1中，打开真空泵8，在所述碳纤维前驱体中沉积石墨烯获得石墨烯薄膜；

[0049] 步骤五，将滤膜5粘贴于玻璃衬底上，并放入真空干燥箱烘干；

[0050] 步骤六，取出滤膜5并冷却，将石墨烯薄膜从滤膜5上剥离；

[0051] 步骤七，在所述石墨烯薄膜上加工出具有微型热结构的图案，将微型热结构图案之外的石墨烯薄膜去除；

[0052] 步骤八，采用覆盖或嵌入电路板的方法，将具有微型热结构图案的石墨烯薄膜分布于需要针对性实现热管理的区域。

[0053] 所用滤膜5上有一层PDMS，与石墨烯之间没有粘附性，真空抽滤后石墨烯膜和滤膜5粘在一起是因为还有水分，真空干燥等待冷却之后，石墨烯薄膜与滤膜5之间不会粘连在
一起，直接就是分离的状态；如果有小区域有粘接的情况就拿着玻璃片轻磕一下侧面，石墨
烯膜会滑落下来。随后再在石墨烯膜上加工出热操作图案，由此方法就可以制作具有微型
热结构图案的石墨烯薄膜。

[0054] 热结构图案由三种基本微型热结构图案组合而成，有热旋转、热聚集以及热屏蔽图案，根据电子元件的需要设置相应的图案，在热敏感电子元件周围设置热屏蔽图案，在发
热元件周围放置热旋转图案，其余部分由向外扩散的传导曲线构成。图案可根据各种电子
元件的相对位置不同而做出相应的改变，可准确的对每种不同分布类型的电子元件实现保
护，灵活性高。

[0055] 如图4所示，加工出的石墨烯薄膜具有预设的发热区域10，第一热敏感电子元件放置区11和第二热敏感电子元件放置区12以及三个区域之间的纹路，因为不同热导系数材料
交替实现能量疏导，使得发热区域10中的元件散发的热量更不易影响第一热敏感电子元件
放置区11和第二热敏感电子元件放置区12或者使得发热区域10中的元件散发的热量更容
易影响第一热敏感电子元件放置区11和第二热敏感电子元件放置区12。

[0056] 从二维角度看，图案化石墨烯片与空气之间相互交替，也就是两种热导系数差异较大的材料相互交替，这种形式构成的热学器件因而具有热操纵功能。

[0057] 覆盖是直接将图案化的石墨烯片粘接在电子元件基板表面，例如电路板表面；嵌入是将基板切割成两块，然后将图案化石墨烯片夹在其间。

[0058] 更进一步的说明，所述步骤七使用光刻法加工微型热结构的图案，包括如下步骤，

[0059] 步骤S71，将获得的完整的所述石墨烯薄膜转移至PET膜上并贴附于玻璃基板上；

[0060] 步骤S72，对石墨烯膜进行光刻工艺并在石墨烯表面留下具有目标图案的掩模版，此时通入O2离子体进行表面处理，通入的O2压力70kPA，温度60℃，持续时间30s，将石墨烯薄
膜上没有掩模版保护的部分去除；

[0061] 步骤S73：在喷淋反应药腔室去除石墨烯薄膜表面的光刻胶掩模版，获得具有微型热结构图案的石墨烯薄膜；

[0062] 步骤S74：将所得微型热结构图案的石墨烯薄膜在300℃下通入Ar进行退火60min。

[0063] 将石墨烯薄膜转移到PET膜上并贴附于玻璃基板上便于进行光刻工艺，进行光刻工艺时，在石墨烯表面旋涂一层正光刻胶，然后对其进行紫外线曝光，通过掩模版将热结构
图案暴露，其余部分遮盖，紫外线照射部分为热操作图案部分；在曝光结束后加入显影液，
未曝光区域的光刻胶溶解于显影液中，石墨烯膜表面留下一层由光刻胶形成的具有热操作
图案的掩模版。然后通入O2离子体，刻蚀出图案，将剩余的光刻胶掩模版去除后，并进行退
火工艺，就得到了具有微型热结构图案的石墨烯薄膜。

[0064] 更进一步的说明，所述步骤七使用激光刻蚀法加工微型热结构的图案，包括如下步骤，

[0065] 步骤S81：将所获得的完整的所述石墨烯薄膜转移至PET膜上并固定于激光器工作台；

[0066] 步骤S82：将石墨烯薄膜上目标图案以外部分去除，获得具有热操纵功能的石墨烯薄膜；

[0067] 步骤S83：将PET膜的一角向着没有石墨烯的一侧弯曲，将石墨烯薄膜从PET膜上揭下。

[0068] 更进一步的说明，采用的激光的波长为355mm，激光功率10W，电流范围在50％～75％，激光照射直至刻蚀出目标图案。

[0069] 波长是固定的355nm，功率为10W，通过调节电流调节激光的能量大小，电流范围在50％～75％，重复次数在两次及两次以上只要达到了刻蚀的目的就不需要继续重复。

[0070] 电流在50％以下时无法快速有效的刻蚀掉不需要的部分，一直重复加工费时费力效率低；电流增加到75％以上时，其热影响和光束质量等方面的影响也随之增大，无法满足
超细线宽的要求，也容易对剩余石墨烯造成损伤。

[0071] 更进一步的说明，所述步骤二中配置碳纤维悬浊液时，将去离子水倒入装有1‑5mm长碳纤维的烧杯中，使用去离子水和碳纤维的质量比为3000～5000：1的比例配置，并用超
声处理30分钟。

[0072] 碳纤维用1mm‑5mm，在这个范围内越长越好，越长的碳纤维搭建的网络韧性越好，但是越长的碳纤维越不容易均匀分散在水中，沉积出来的碳纤维层不均匀，导致石墨烯膜
各个位置的性能不均匀。

[0073] 更进一步的说明，所述步骤二中配置石墨烯悬浊液时，将去离子水倒入装有闪蒸石墨烯的烧杯中，使用去离子水和闪蒸石墨烯的质量比为3000～4000：1的比例配置，并用
超声处理30分钟。

[0074] 选用焦耳热闪蒸石墨烯是因为的优点有可大批量加工且成本很低。

[0075] 更进一步的说明，所述步骤五中在55‑65℃的温度下烘烤50分钟。

[0076] 60℃是实验得出的最优的一个温度。石墨烯片内部孔洞越多导热越好，蒸干的时候石墨烯片内部的水以水蒸气的方式大量逸出时会在石墨烯片内留下孔洞，温度较低时水
蒸气逸出产生的孔洞没有温度高的多，而如果温度太高时石墨烯膜表面会出现裂痕等缺
陷。烘烤到石墨烯膜内存在的水分不足以让石墨烯膜冷却后继续粘附在滤膜5上。

[0077] 更进一步的说明，所述步骤三和步骤四中，进行真空抽滤过程中对所述加工系统超声波处理。

[0078] 抽滤过程中石墨烯悬浊液的浓度突然升高，混合溶液里容易出现团聚的石墨烯，采用超声将其分散均匀。超声处理在石墨烯膜成型时停止。

[0079] 更进一步的说明，所述步骤七的图案包括实现热屏蔽、热旋转或热聚集功能的图案组合。

[0080] 这里描述的图案是一种组合图案，是以热屏蔽、热旋转和热聚集这些图案为基本图案，根据电子元件相对位置或者电子元件所需要的热操纵灵活的设计图案，比如热敏元
件需要热保护，则周围设置热屏蔽图案；发热元件需要散热则在靠近热敏元件的一侧设置
热屏蔽，另一侧设置热聚集图案。

[0081] 以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明
的限制。