高导热石墨膜与热控级聚酰亚胺工艺介绍

热管理是电子行业发展过程中面临的重要问题，散热性能的高低直接决定了电子产品运行的稳定性及可靠性，在电子设备主要的失效方式中，有55%的失效是温度过高引起。

随着5G时代的到来，信息技术、人工智能、物联网等领域快速发展，单一电子设备上集成的功能逐渐增加并且复杂化，电子产品体积缩小带来功率密度迅速提升，对散热材料的散热性能及稳定性提出了更高要求。

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导热石墨膜

传统金属材料如Cu、Ag等材料有较高的导热率，但其密度高、可塑性低、不耐高温氧化且价格昂贵。同比碳材料，如碳纤维、泡沫碳材料、石墨膜等导热率。因此，碳材料是可以运用于微小型电子散热的优良材料。

石墨膜由于具有优良的导电性、导热性、轻薄性，比传统金属材料导热高且密度低。自2011年开始被广泛地用作智能手机、平板电脑等消费电子终端，成为主流散热材料。

资料来源：公开资料

高导热石墨膜的碳原子结构具有独特的晶粒取向，可沿两个方向均匀导热，具备极其优异的平面导热性能。

理论上，石墨膜越薄，导热系数越高。早期石墨膜厚度主要介于20~50µm之间，其水平轴的导热系数介于300~1,500W/(m*K)。随着技术改善，石墨膜的加工工艺更加成熟，目前最薄可到0.01mm，其水平轴的导热效率也高达1,900W/(m*K)。

石墨晶体结构与均匀散热示意图，资料来源，公开资料

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导热石墨膜分类

导热石墨膜主要分为天然石墨膜。纳米碳散热膜和人工石墨膜。天然石墨膜完全由天然石墨制成，在真空条件下不会发生脱气现象，在400℃以上 的温度也可继续使用，最低能做到0.1mm左右，主要应用在数据中心、基站和充电站等。

人工石墨散热膜：由聚酰亚胺（PI膜）经过碳化和石墨化制成，是当前最薄的散热膜材料，最薄可做到0.01mm，广泛应用于手机、电脑等智能终端产品。人工石墨由于导热系数和厚度远远优于天然石墨，应用更为广泛。

纳米碳散热膜由纳米碳（石墨同素异构体）制成，最薄可做到0.03mm，导热系数可高达1000~6000。由于纳米碳散热膜加工工序简单，只需要开模和冲切，加工成本低。但纳米碳成本极高，产量低。

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导热石墨膜生产工艺

天然石墨膜和人工石墨膜制备工艺区别较大。天然石墨膜主要是天然石墨经过酸化、膨化、压延、碳化、石墨化等过程制成。

天然石墨膜生产工艺

资料来源：公开资料

人工石墨膜是由聚酰亚胺（PI 膜）经过碳化和石墨化制成的。从生产工艺的角度来说，主要经过 6 道工序，依次是基材处理、碳化、石墨化、压延、贴合、模切。

人工石墨膜生产流程

资料来源：公开资料

碳化是在真空或在惰性气体保护下进行 1000℃左右的碳化，此步骤是去除薄膜中大部分的氧、氮、氢等元素，得到稳定的碳膜。石墨化是碳化后的碳膜在惰性气体保护下升温至3000℃左右进行石墨化处理。此法制备的石墨膜导热率为1000-1800W/（m·K）。

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人工石墨膜产业链

人工石墨膜的产业链主要包含上游聚酰亚胺（PI）膜，中游石墨膜和下游应用。上游主要原材料为聚酰亚胺（PI）膜，辅料为胶带、保护膜等。

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热控级聚酰亚胺

在炭材料中，石墨烯为碳六元环结构。规整的大面积六元环结构对导电、导热是十分有利的，所以石墨烯的导热率最高，其导热率可达5300W/（m·K）。在众多高分子前驱体中，聚酰亚胺材料中包含有大量的苯环以及酰亚胺环等结构，与石墨烯结构相似，有助于提高石墨膜成品的导热性。所以将聚酰亚胺膜作为人工石墨导热膜的前驱体。

热控型聚酰亚胺薄膜属于高性能PI材料，具有较高的技术壁垒，目前国内瑞华泰和时代华鑫已实现大规模量产。公开数据显示，近年来，国内导热界面材料市场规模逐步扩大，从2014年的6.6亿元增长至2020年的12.7亿元。而近两年，国内市场导热石墨膜市场因下游需求低迷，略呈震荡式下滑。瑞华泰业绩预告显示，受全球电子消费市场终端收窄影响，产品结构变化以及销售价格下降导致毛利率下降。同时热控PI薄膜市场竞争激烈，特别是2023 年初以来韩国PIAM 公司大幅度降低热控PI薄膜价格。

尽管热控级聚酰亚胺膜市场近两年低迷，但是5G技术的驱动下，电子产品功耗增加，以及折叠屏手机异军突起，以热控PI膜为原料的高导热石墨膜市场需求依旧广阔。

公开数据显示，2022年全球热界面材料市场规模达17.11亿美元，2015-2022年的CAGR为12%。预计，2025年5G手机导热石墨单价为8.9元，全球手机导热石墨市场规模达到163亿元。

未来随着电子产品功耗提高、快速充电技术对散热性能要求更高的市场需求驱动，散热用石墨膜在保持散热要求情况下，高导热石墨膜逐渐由传统单层石墨膜向复合型石墨膜发展，超厚型石墨膜的应用增加。

同时，折叠屏智能终端市场渗透率不断提高，AMOLED的市场需求不断增长，带动人工石墨散热膜的需求也随之增长。由于柔性AMPLED的可折叠性，对耐弯折的导热膜提出需求。研发兼具高导热效率和高弯折性的人工石墨散热膜前驱体热控级PI膜是未来的发展方向。

审核编辑：黄飞