CN101795549A

CN101795549A - 一种高效散热器及其制造方法

Info

Publication number: CN101795549A
Application number: CN201010103357A
Authority: CN
Inventors: 申富强
Original assignee: Individual
Current assignee: Shanghai Qijie New Materials Co ltd
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: CN101795549B

Abstract

本发明提供一种高效散热器以及制造这种散热器的方法，应用于电子产品散热领域，其包括一基板，以及固定在该基板上的多个散热片；所述基板以及散热片是由一种高分子复合材料模塑一体成型的，所述高分子复合材料包括石墨纤维以及复合基体树脂。依照本发明的材料和方法制成的散热器，将高分子石墨纤维复合材料经过工艺和流体设计，根据复合材料的物理性能具有各向异性的特点，按照不同器件对散热器的性能要求设计导热系数和导热方向，设计出具有定向传热功能以及热导系数可以设计的散热器。

Description

一种高效散热器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高分子复合材料的应用，具体涉及一种采用高分子复合材料制成的散热器以及该种散热器的加工制造方法。

背景技术

散热器被广泛的应用于电脑、笔记本电脑、LED照明、通信、整流器，医疗及工业设备等领域，传统散热器一般采用铝、铝合金、铜、陶瓷等材料生产散热器。但随着电子、电气设备应用范围的扩大和普及，对电子电气设备的性能和结构要求越来越苛刻，越来越复杂，包括要求具备更高的处理速度、更高的处理频率、更小的体积、更轻的重量、更高的功率和其它技术优点。例如在电子、电气元件及系统中，或者高功率的光学器件中的微处理器和集成电路中都会产生很高的热量，但是，微处理器、集成电路和其它电子元器件通常只能在有限的温度范围内有效正常的运行。如果这些电子元器件产生的热量超过允许的范围，不仅对它们自身性能造成影响，而且可能会对整个系统的性能和稳定造成不可估量的损害，从而引起系统的崩溃。

这就对电子元器件中的散热设备提出严格的要求，随着对电子元器件微型化、轻量化的要求不断提高，对微型电子元器件中的散热控制和散热设计日益严格，乃至苛刻。众所周知，电子电气设备的性能、可靠性和寿命与运行环境的温度成反比关系。例如，高功率LED模块中，基板散热速度的提高可以大大提高LED的光亮度、寿命和运行的稳定性。因此，为了提高电子元器件及其系统的性能和稳定性，延长其使用寿命，降低运行的环境温度或增大正常稳定运行的温度范围极其重要。

但是现有技术的散热器一般采用铝、铝合金、铜等材料制成，这种散热器的原理是通过铜、铝、铝合金等有色金属材料将热量吸收然后散发到周围环境中。

这种散热器一般都带有散热叶片和风扇，靠风扇对散热叶片之间散热介质(例如空气)的强制对流来达到散热的目的。

但是这些现有技术主要存在以下的缺陷：

第一，由于有色金属密度较大，例如，铜的密度是8.96g/cm³，铝的是2.7g/cm³，因此制成的散热器重量较大。重量过大会对电子与器件的设计和制造带来很大的难度，例如可能会导致与散热器结合在一起的芯片破裂等，并且增加元器件自身的重量。对于便携式设备来讲，尤其需要解决对重量与散热性能的矛盾。

第二，现有技术的散热器由于单位的散热功能局限，因此占用空间大，而电子元器件对空间要求苛刻时，因为传统的散热器的导热系数有限，而且不可调。因此不能适应电子元器件体积越来越小的要求。

第三，现有技术的散热器基板由于采用有色金属，其热膨胀系数与电子元器件芯片的相差太大，当温度变化大时，容易引发芯片破裂，产生瑕疵及发光效率降低，导致发光效率和寿命大打折扣，不能达到高功率、长寿命的技术要求。

第四，现有技术的散热器多采用有色金属制造，因此存在造价成本高昂，且不易回收的问题。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种高效散热器，以解决现有技术因采用有色金属而导致的体积较大、重量较大、成本高以及热导系数不可控且热导系数最大值不能满足需求的技术问题。

本发明的又一目的是提供一种采用石墨短纤维制造散热器的方法，以解决现有技术因采用有色金属而导致的体积较大、重量较大、成本高以及热导系数不可控且热导系数最大值不能满足需求的技术问题。

本发明的再一目的是提供一种采用石墨长纤维制造散热器的方法，以解决现有技术因采用有色金属而导致的体积较大、重量较大、成本高以及热导系数不可控且热导系数最大值不能满足需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种高效散热器，应用于电子产品散热领域，其包括一基板，以及固定在该基板上的多个散热片；所述基板以及散热片是由一种高分子复合材料模塑一体成型的，所述高分子复合材料包括石墨纤维以及复合基体树脂。

依照本发明较佳实施例所述的高效散热器，所述石墨纤维是经过刀具或气体破碎机破碎处理的短纤维。

依照本发明较佳实施例所述的高效散热器，所述复合基体树脂为热固性材料、热塑性材料或者橡胶类材料其中之一。

依照本发明较佳实施例所述的高效散热器，所述石墨纤维是经石墨长纤维编织成的编织物。

一种使用短石墨纤维制作高效散热器的方法，包括：步骤1.1：将喷丝制成的石墨纤维，进行切割处理成石墨短纤维；步骤1.2：将处理后的石墨短纤维与复合基体树脂均匀混合；步骤1.3：将混合后的复合材料热处理，按照模具设计方向模塑成型。

依照本发明较佳实施例所述的使用短石墨纤维制作高效散热器的方法，还包括步骤1.1.1：将处理过的石墨短纤维放入研磨机进行研磨。

一种使用石墨长纤维制作高效散热器的方法，包括：步骤2.1：将石墨纤维处理成石墨长纤维织物，使得石墨纤维分子按照预先设计方向排布；步骤2.2：用预浸渍或浇注与复合基体树脂混合；步骤2.3：将混合后的材料按照模具设计形态进行固化处理。

依照本发明较佳实施例的所述的使用石墨长纤维制作高效散热器的方法，还包括：对混合后的基体树脂和石墨长纤维进行超声波纤维导向处理，以调节复合材料内的纤维方向。

依照本发明较佳实施例的所述的使用石墨长纤维制作高效散热器的方法，所述复合基体树脂为环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、聚酯树脂、硅橡胶或其他不饱和树脂其中之一。

依照本发明较佳实施例的所述的使用石墨长纤维制作高效散热器的方法，所述复合材料中石墨长纤维的长度介于0.1mm～6mm之间，其含量大于等于2％。

由于采用了以上的技术使得本发明相比现有技术，具有以下的优点和积极效果：

综上所述，依照本发明的材料和方法制成的散热器，将高分子石墨纤维复合材料经过工艺和流体设计，根据复合材料的物理性能具有各向异性的特点，按照不同器件对散热器的性能要求设计导热系数和导热方向，设计出具有定向传热功能以及热导系数可以设计的散热器。

附图说明

图1为本发明的一种散热器的结构立体图；

图2为本发明的一种采用石墨短纤维制造散热器的流程图；

图3为本发明的一种采用石墨长纤维制造散热器的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

本发明的核心思想在于，将新型高分子复合材料石墨纤维结合复合基体树脂直接代替或辅助原有的有色金属来制造散热器，通过提高热传导系数并且可以设计导热的方向，同时增加表面积来增大与传热介质的接触面积，提高与周围介质如空气的热传导效率，从而加快散热速度，降低电子元器件的运行温度，从而加速电子元器件产生的热量的散发，并且降低生产成本。

首先，请参考图，本发明一种高效散热器，应用于电子产品散热领域，例如，LED的热工设计，柔性LCD、LED、PDP显示器等热场空间小且要求重量轻的电子元器件等特殊应用领域，其，包括一基板1，以及固定在该基板1上的多个散热片2；所述基板1以及散热片2是由一种高分子复合材料模塑一体成型的，所述高分子复合材料包括石墨纤维以及复合基体树脂。

在本发明的散热器中，散热片2和基板1的关系，可以垂直，也可以成一定角度，鳍片的分布可以均匀的，也可以是按照一定的矩阵排列的。散热片2的形状并不如图所示作为限定，既可以是片状，也可以是管状，也可以是针状；而其中，若为片状结构，则既可以是直片也可以是弯片；若为管状结构，则既可以是直管，也可以是弯管，并且内孔既可以是圆孔也可以是方孔也可以是其它几何形状；而若为针状，则既可以是直针也可以是弯针。

本发明所采用的高分子复合材料，主要为石墨纤维以及复合基体树脂，其中石墨纤维可以是石墨短纤维也可以是石墨短纤维，用作成型用的复合基体树脂则可以采用多种，例如热固定树脂材料、热塑性材料或者橡胶类材料。

本发明采用石墨纤维作为导热材料的优越性在于，石墨纤维是一种特殊高分子材料，这种材料在纤维直径方向和纤维长度方向的导热系数具有很大的差异性，即物理特性的各向异性，例如，长度方向的导热系数最大可以达到甚至超过1000W/mK，而直径方向的导热系数最小只有2.4W/mK，在高精度显微镜下是液晶结构，具有物理特性的各向异性。正是由于这种材料在性能上的特殊性，所以可以根据纤维含量来调节复合材料的热导系数，并且可以根据纤维的取向性来调整传热的方向。

若选择石墨短纤维作为基础材料，则在复合材料中石墨短纤维的分布是根据具体的成型工艺按照设计来决定纤维的排布方向，若散热要求不严格的情况下，则是杂乱无章分布的，但总体是是种立体网状结构，主要的传热方式是靠纤维搭接和介质传递共同实现的。可以通过调整定向纤维和杂乱纤维的之间的比例来调整制件的散热性能和散热方向。

若选择石墨长纤维作为基础材料，则石墨纤维在复合材料中的分布是可以预先设计的，这样，最终制件的导热性能和散热方向在最终成型之前就可以设计完成。具体的导热性能和散热方向是根据纤维在整个制件中的体积含量来调节的。所述长纤维编织物可以是纤维布、纤维纸、编织物、毡、无纺织物、预浸制品、多维编织物、预制织物等，而且这些产品可以根据需要调整厚度和纤维方向、含量等，同时，这些产品既可以是柔性的可随意折叠的，也可以是刚性的。

除了结构和形态上的不同，由于所述长纤维固有的在导热性、导电性、蠕变性等方面都具有高度的各向异性，所以石墨长纤维在导热性、导电性、蠕变性等方面也都具有高度的各向异性。

而制造石墨长纤维的方法包括抄纸、编织、无纺针刺、无纺水刺、干法无纺、湿法无纺、预浸、辊压、立体编织等，通过这些技术可以以形成平面的(单向或多向)、柔性的、立体的软质长石墨纤维布或硬质的石墨长纤维板、纤维柱等。

以上的原材料和复合基体树脂，经过预浸、模压、固化、烧结、共混、挤出、注射、RTM等工艺，调整制品的厚度、密度、形状。制品的密度控制在0.08～2.5g/cm³的范围内。最终制品的各向异性主要取决于原材料纤维如石墨纤维的高度各向异性以及含量和取向。与传统的散热器相比，本发明散热器最大的不同在于其较高的热导系数和导热方向的可调节性和可设计性。

以下，则结合流程图，对分别以石墨长纤维和石墨短纤维来制造高效散热器的工艺方法做出说明。

实施例一

请参考图2，为一种采用石墨短纤维作为基本原料，制造散热器的流程图，可见，主要包括以下的步骤：

S201：将喷丝制成的石墨纤维，进行切割处理成石墨短纤维；

石墨纤维是以喷丝的方式制成的，石墨短纤维则是喷丝所得石墨纤维经过特制的刀具(例如龙门铡刀)或气体破碎机，按照预先设定的长度切割或破碎而成的。当然，为与复合基体树脂更好结合，则在制备石墨短纤维之前，需要对石墨纤维根据不同的复合基体例如树脂做好表面处理，提高复合材料的性能。在必要的情况下，还需要将处理过的石墨短纤维放入研磨机进行研磨；

研磨石墨纤维是通过短切得到的石墨纤维进一步加工所得，一般是把短切好的石墨短纤维放入研磨机中研磨一定的时间，然后根据研磨时间和风洞分级得到一定目数的研磨纤维。

S202：将处理后的石墨短纤维与复合基体树脂均匀混合；

如果基体树脂是热塑性材料，则把以上研磨石墨短纤维和基体树脂按照设定比例添加到螺杆挤出机中，经过挤出造粒得到共混好的复合材料。

如果基体树脂是热固性材料，则把以上研磨好的石墨短纤维和基体树脂例如环氧树脂、丙烯酸树脂、脲醛树脂、酚醛树脂、硅橡胶或聚酯树脂等按照设定比例混合均匀，然后再根据需要，现场加固化剂，得到所需要的复合材料。

S203：将混合后的复合材料热处理，按照模具设计方向模塑成型。

若复合基体树脂为热塑性复合材料，则在成型之前，要先根据不同电子元器件的热工要求和复合材料的流体力学设计出图纸，然后开模。把模具安装到注射机上后，给注射机加料，即向注射剂添加已经将淹没石墨短纤维与复合基体树脂均匀混合后的符合热工设计要求的复合材料，开动注射机注射成型。得到注射成型的散热器胚体后，经过修边加工得到基本符合要求的散热器。

若复合基体树脂为热固性复合材料，则，先根据不同电子元器件的热工要求和复合材料的流体力学设计出图纸，然后开模或做好预制体。在加工好的模具或制作好的预制体上浇注或浸渍调配好的热固性复合材料，加热或常温固化，加热温度一般超过120℃，范围控制在120℃～240℃之间。必要时，进行真空热或热压处理。在固化之前，必要时，进行超声导向或其它电化学和物理方法进行纤维的导向处理。纤维含量超过2％。

在制作热固性复合材料散热器时，根据具体要求，可以添加一些辅料，例如陶瓷纤维、石英纤维，纤维长度在0.10～6mm范围内，或者氧化锆、氮化硼、碳化硅、氧化镁粉以及天然矿物纤维如偏硅酸纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝辖内等，这些辅料也可以是铜、铝、银、钨、钼等金属粉体，进而可以调整散热器的热导系数。

实施例二

请参开图3，为一种采用石墨长纤维来制备高效散热器的工艺方法的流程图，由图可见，该实施例的方法，包括：

S301：将石墨纤维处理成石墨长纤维织物，使得石墨纤维分子按照预先设计方向排布；

制造石墨长纤维例如布、纸、编织物、毡、无纺织物、预浸制品、多维编织物、预制织物等的方法包括抄纸、编织、无纺针刺、无纺水刺、干法无纺、湿法无纺、预浸、辊压、立体编织等，经过特定的纺织加工工艺，可以将石墨纤维在纺织物中，按照特定的形式，规则和方向进行排列，从而形成平面的(或多向)、柔性的、立体的板或块或柱或其它几何形状。

S302：用预浸渍或浇注与复合基体树脂混合；

S303：将混合后的材料按照模具设计形态进行固化处理。

若将石墨长纤维纺织呈布类长纤维，那么从编织形态上，可以分为双向编织布、多向编织布、单向布以及多维编织布，这些布类在使用之前可以制成预浸料，也可以是干布。以预浸布为例，在制备散热器时，把按照设计的要求，选择合适的预浸布裁成设计的形状，然后放入预先制作的模具中，在严格的温度曲线控制下的，合模，加热加压一定时间，最后开模，去边即得所需制品。

若为干布，那么需要预先浸渍或在合模后注入复合基体树脂，复合基体树脂可以选择环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、聚酯树脂、硅橡胶或其它不饱和树脂。

若将石墨长纤维制成毡类的材料，又可以分为无纺毡和针刺毡两种形态，在制备散热器时，把按照设计的要求，将选择好的毡裁成设计的形状，预先浸渍或在合模后注入复合基体树脂，然后放入预先制作的模具中，在严格的温度曲线控制合模，加热加压一定时间，最后开模，去边即得所需制品。

加热温度一般超过120℃，范围控制在120℃～240℃之间。制成的散热器，石墨长纤维含量超过2％，纤维长度在0.10～6mm范围内。

在制作热固性复合材料散热器时，根据具体要求，可以添加一些辅料，例如陶瓷纤维、石英纤维，或者氧化锆、氮化硼、碳化硅、氧化镁粉以及天然矿物纤维如偏硅酸纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝辖内等，这些辅料也可以是铜、铝、银、钨、钼等金属粉体，目的是调整散热器的热导系数。

经过加热或常温固化后得到的是散热器的粗制品，还要对其进行优选测试，找出符合实际热工设计要求的散热器制作时的配方、工艺等，最终固定下来，制作符合要求的散热器。

依照本发明的材料和方法制成的散热器的散热性能，相比传统铝质或铜质散热器，同时具有比传统铝或铜质散热器更小的密度，密度一般比铝轻28％，比铜轻78％；在常温有氧环境中是惰性的，在最常见的环境中不会被氧化或腐蚀；减少有色金属的使用，可以降低成本，且材料都可以重复利用。

此外，成型容易，外形可以任意设计，而且工艺简单。石墨纤维复合材料的热膨胀系数和芯片材料接近，耐高低温热冲击能力强，减少了电子元器件内应力造成的损害，提高了电子元器件的可靠性和稳定性。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种高效散热器，应用于电子产品散热领域，其特征在于，包括一基板，以及固定在该基板上的多个散热片；

所述基板以及散热片是由一种高分子复合材料模塑一体成型的，所述高分子复合材料包括石墨纤维以及复合基体树脂。

2.如权利要求1所述的高效散热器，其特征在于，所述石墨纤维是经过刀具或气体破碎机破碎处理的短纤维。

3.如权利要求1所述的高效散热器，其特征在于，所述复合基体树脂为热固性材料、热塑性材料或者橡胶类材料其中之一。

4.如权利要求1所述的高效散热器，其特征在于，所述石墨纤维是经石墨长纤维编织成的编织物。

5.一种使用短石墨纤维制作高效散热器的方法，其特征在于，包括：

步骤1.1：将喷丝制成的石墨纤维，进行切割处理成石墨短纤维；

步骤1.2：将处理后的石墨短纤维与复合基体树脂均匀混合；

步骤1.3：将混合后的复合材料热处理，按照模具设计方向模塑成型。

6.如权利要求6所述的使用短石墨纤维制作高效散热器的方法，其特征在于，包括步骤1.1.1：将处理过的石墨短纤维放入研磨机进行研磨。

7.一种使用石墨长纤维制作高效散热器的方法，其特征在于，包括：

步骤2.1：将石墨纤维处理成石墨长纤维织物，使得石墨纤维分子按照预先设计方向排布；

步骤2.2：用预浸渍或浇注与复合基体树脂混合；

步骤2.3：将混合后的材料按照模具设计形态进行固化处理。

8.如权利要求7所述的使用石墨长纤维制作高效散热器的方法，其特征在于，还包括：

对混合后的基体树脂和石墨长纤维进行超声波纤维导向处理，以调节复合材料内的纤维方向。

9.如权利要求7所述的使用石墨长纤维制作高效散热器的方法，其特征在于，所述复合基体树脂为环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、聚酯树脂、硅橡胶或其他不饱和树脂其中之一。

10.如权利要求7所述的使用石墨长纤维制作高效散热器的方法，其特征在于，所述复合材料中石墨长纤维的长度介于0.1mm～6mm之间，其含量大于等于2％。