CN101825412B - 复合结构石墨散热器及其制备方法 - Google Patents

复合结构石墨散热器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种复合结构石墨散热器，涉及一种电子产品散热器件领域，多片采用膨胀石墨复合材料的长鳍片与多片采用柔性石墨材料的短鳍片在夹持装置内交错排列；长鳍片和短鳍片的一端对齐，对齐的端面上设有导热层。所述的导热层是柔性石墨材料或金属材料。所述的导热层厚度为0.15-0.2mm。本发明充分利用了柔性石墨板材料平面方向热导率高的优点，与膨胀石墨复合材料高热容性能配合优化了热量传导结构，形成良好的三维散热效果，重量轻、热阻小、接触好、温度可控、生产周期短、生产成本低。

Description

复合结构石墨散热器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电子产品散热器件领域，特别是一种适用于集成电路芯片热量散播的复合结构石墨散热器及其制备方法。
背景技术
目前集成电路技术的快速发展，导致各种电子器件和产品的体积越来越小，集成器件周围的热流密度越来越大，以计算机CPU为例，其运行过程中产生的热流密度已经达到60-100W/cm2，半导体激光器中甚至达到103 W/cm2数量级。另一方面，电子器件工作的可靠性对温度却十分敏感，器件温度在70-80℃水平上每增加1℃，可靠性就会下降5%。较高的温度水平已日益成为制约电子器件性能的瓶颈，而高效电子器件的温度控制目前已经成为一个研究热点。
目前常用的散热器多采用金属材料，金属材料具有良好的热传导能力，但金属材料的热容较小，碳、石墨材料也具有良好的热传导特性，同样存在热容较小的缺陷。普通风冷散热器选择的散热器材质一般是铝和铜，铜的热导率高，可以迅速将发热器件的热量传导出来，但铜的热容很小，如果风冷效率不足，铜材的温度将会升高较快，形成的温差较小，热传导速度将下降，从而达不到CPU超频的目的，而且铜的密度较大，比较笨重和贵重；铝材的热导率低于铜，但密度较小，热容比铜稍大，但纯铝性软，需加工成铝合金，散热性能将大打折扣。金属材料表面一般是硬质表面，而且粗糙，与散热表面接触不良，也会造成热量传递的不可控因素。
目前也有采用石墨材料作为散热器的改进方案，中国专利200510054362.x公开了一种“以石墨为基底的散热座及其石墨的制造方法”，以石墨为基底的散热座，另一面设有金属面，金属表面连接鳍片组，可以迅速地吸收电子元件所发出的热源，可提高电子元件整体的稳定性及延长使用寿命。但是并未解决鳍片材料热容量小的问题，散热效率并未达到最优。而且虽然通过破碎、浸渍和石墨化的方法使散热座导热从二维变为三维，但是不可避免的是方向导热率有所下降，另外在制备的最后步骤中利用加热使其石墨化需要的时间约为1个月，增加了生产成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种复合结构石墨散热器及其制备方法，可以充分利用石墨平面方向导热率高的特性，而且重量轻、热阻小、接触好，生产成本低。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种复合结构石墨散热器，多片采用膨胀石墨复合材料的长鳍片与多片采用柔性石墨材料的短鳍片在夹持装置内交错排列；
长鳍片和短鳍片的一端对齐，对齐的端面上设有导热层。
所述的导热层是柔性石墨材料或金属材料。
所述的导热层厚度为0.15-0.2mm。
所述的导热层上还设有带孔的保护层。
除对齐的端面外长鳍片和短鳍片其他端面上贴有PET单面胶膜封边。
一种复合结构石墨散热器的制备方法，包括以下步骤：
1）将可膨胀石墨在真空浸渍箱内浸渍石蜡，石蜡浸入量为成品总重量的60-90%压实后制成多片长鳍片；
2）采用密度为1.1-1.7g/cm3的柔性石墨板制成导热层和多片短鳍片；
3）多片长鳍片和多片短鳍片交错排列，一端对齐，采用夹持装置安装牢固，除对齐的端面外，其余三个端面采用PET单面胶膜进行封边处理；
4）抛光对齐的端面，在该端面上安装导热层。
所述的柔性石墨板，采用0.2-0.3g/cm3的膨胀石墨泡沫板，再将热固性酚醛树脂用无水乙醇溶解成热固性酚醛树脂：无水乙醇为20%的溶液，采用抽真空浸渍的方法，在石墨板中浸渍热固性酚醛树脂溶液，浸渍的石墨板干燥后用塑料粉碎机粉碎，再用搅拌磨粉碎成80目粉末，热压成型为1.1-1.7g/cm3密度的石墨板，经过175℃±10℃温度固化得到柔性石墨板。
所述的柔性石墨板，是将低密度的石墨板叠加在真空平板压机上抽真空后施加压力压制成密度为1.1-1.7g/cm3的柔性石墨板。
在导热层上与对齐的端面接触的另一面上还粘贴有带孔的保护层，该孔用于使电子元件的散热面与导热层接触。
所述的导热层也可以是由金属材料制成。
散热器功能是将聚集电子器件中的热量传导到更大的热导体并通过巨大的散热面积与空气进行热交换。散热器件一般分为两个部分，即散热器的底座和鳍片，散热器的底座是与电子器件接触并聚集热量的地方，而鳍片则是热量传导的终点，最终将热量散失到空气中。散热器底座需要在短时间内能尽可能多的吸收电子器件释放的热量，即瞬间吸热能力，只有具备高热传导系数的材料才能胜任。其次是散热器本体应当具备足够的储热能力，即较大的热容量，通常承担这个任务的是鳍片。因此，散热器的性能不仅与散热器的结构相关，更决定于散热器的材质选择，散热器材质是指散热器本体所使用的具体材料。
本发明提供的一种复合结构石墨散热器及其制备方法，通过采用膨胀石墨复合材料作为鳍片材料；膨胀石墨复合材料和柔性石墨材料组合作为底座材料，薄型柔性石墨板材料或金属材料，例如纯铜、纯铝作为与电子器件散热器件接触的导热层。
长鳍片采用的膨胀石墨复合材料属于多孔材料，可以吸附有机介质，比如石蜡、硬脂酸等，将相变材料与预成型的膨胀石墨体结合，制造成石墨相变复合材料，石墨相变复合材料具有较大的相变热容量，而且具有相变温度相对恒定的特点，预成型体膨胀石墨保持原来的导体结构，是热的良导体；短鳍片采用的柔性石墨材料和导热层采用的薄型柔性石墨材料是高密度纯柔性石墨材料或高强度柔性石墨复合材料，柔性石墨板材料在部件的平面方向热导率高，导热系数达到550W/mK，方便将热量传递给散热器的底座，而且柔性石墨材料随形性好，可以与电子器件发热面紧密接触，与金属材料比较具有较大的优势。长鳍片与短鳍片交错排列，并在夹持装置的作用下被压紧，压紧面的平面方向热导率高，利于热量从吸热快速的短鳍片快速传递到相变热容量高的长鳍片。本发明充分利用了柔性石墨板材料平面方向热导率高的优点，与膨胀石墨复合材料高热容性能配合优化了热量传导结构，形成良好的三维散热效果。
夹持装置采用端板与螺栓夹紧固定的方法，螺栓可以穿过散热器片，端板材质选用铝材，以增强散热器三维散热效果，螺栓也可以不穿过散热器片，直接固定在端板上夹紧散热器片，从而制造重量轻、热阻小、接触好、温度可控、生产周期短、生产成本低的风冷散热器。本发明中的产品生产周期在一个工作日以内。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的仰视图。
具体实施方式
如图1、图2中，一种复合结构石墨散热器，多片采用膨胀石墨复合材料的长鳍片1与多片采用柔性石墨材料的短鳍片2在夹持装置内交错排列；
长鳍片1和短鳍片2的一端对齐，对齐的端面上设有导热层7。
所述的导热层7是柔性石墨材料或金属材料。
所述的导热层7厚度为0.15-0.2mm。
所述的导热层7上还设有带孔的保护层4。
除对齐的端面外长鳍片1和短鳍片2其他端面上设有PET单面胶膜封边。
一种复合结构石墨散热器的制备方法，包括以下步骤：
1）将可膨胀石墨在真空浸渍箱内浸渍石蜡，石蜡浸入量为成品总重量的85%±5%，压实后制成多片长鳍片1；
2）采用密度为1.1-1.7g/cm3的柔性石墨板制成导热层7和多片短鳍片2；
3）多片长鳍片1和多片短鳍片2交错排列，一端对齐，采用夹持装置安装牢固，除对齐的端面外，其余三个端面采用PET单面胶膜进行封边处理；
4）抛光对齐的端面，在该端面上安装导热层7。
所述的柔性石墨板，采用0.2-0.3g/cm3的膨胀石墨泡沫板，再将热固性酚醛树脂用无水乙醇溶解成热固性酚醛树脂：无水乙醇为20%的溶液，采用抽真空浸渍的方法，在石墨板中浸渍热固性酚醛树脂溶液，浸渍的石墨板干燥后用塑料粉碎机粉碎，再用搅拌磨粉碎成80目粉末，热压成型为1.1-1.7g/cm3密度的石墨板，经过175℃±10℃温度固化得到柔性石墨板。
所述的柔性石墨板，是将低密度的石墨板叠加在真空平板压机上抽真空后施加压力压制成密度为1.1-1.7g/cm3的柔性石墨板。
在导热层7上与对齐的端面接触的另一面上还粘贴有带孔的保护层4，该孔用于使电子元件的散热面与导热层7接触。
所述的导热层7也可以是由金属材料制成。采用金属材料例如：纯铜、纯铝或铝合金。
实施例1：
采用50目鳞片石墨，用浓硫酸、硝酸按照一定比例进行氧化插层反应，水洗干燥后得到可膨胀石墨，可膨胀石墨在850℃温度下膨胀，膨胀倍率在200倍，将膨胀石墨压制成密度为0.2g/cm3板材，板材厚度为3mm。按照浸渍箱的尺寸，板材规格设计为500x500mm。
选用石蜡作为蓄能相变材料，相变温度为58℃，相变热为190KJ/kg，将相变石蜡在容器内熔化，利用真空浸渍箱真空抽吸的方式进入到装有低密度膨胀石墨板的真空箱内，真空箱内保温65℃，在吸入石蜡之前，装有石墨板的真空箱真空度保持在-0.095MPa。
石墨板浸渍之后，表面用汽油或其他溶剂清洗，晾干后在平板压机上压制密实，厚度控制在2.5mm以下。石蜡浸入量为成品总重量的85%±5%，即石墨蓄能材料相变蓄热量为160 KJ/kg。
相变石蜡膨胀石墨复合材料板面方向导热率为153 W/mK。将膨胀石墨复合材料板采用刃口模冲压加工成带有安装孔6的长鳍片1，外观尺寸为50x100mm，采用厚度为0.03mmPET单面胶膜进行封装处理。
高密度柔性石墨板是将低密度石墨板叠加在真空平板压机上抽真空后施加压力加工的，高密度柔性石墨板厚度为2mm和0.18mm，密度为1.5g/cm3，板面方向导热率达到550W/mK。
用刃口模将高密度的柔性石墨板加工成带有安装孔6的短鳍片2，尺寸为50x50mm，零件除底边外其它三边采用0.03ｍｍPET单面胶膜进行封边处理。
铝制端板3按设计加工，端板3上边缘高出长鳍片3-5mm，在端板的上边缘加工风扇安装孔5，便于安装散热风扇。将5片2mm高密度柔性石墨板和6片2.5mm膨胀石墨复合材料板以底端对齐进行组装，对组装好的部件底部进行抛光处理，将贴有保护层4的0.18mm高密度柔性石墨板制成的导热层7组装到底部，组装的方式可以是粘合，为避免粘合剂影响热量的传导，也可以是机械方式固定，例如在导热层7和复合的底座上钻孔，然后用螺钉连接。
导热层7可以快速把热量传递给底座，将横向快速导热转换为竖向导热，导热层7可以变形以利于和电子元件紧密接触，提高导热效率。在保护层4上开有便于与电子元件进行接触的孔。保护层4可以避免导热层7接触到电路板引起短路。
采用石蜡浸渍的膨胀石墨复合材料板以及高密度或高强度柔性石墨板间隔组合组装，利用柔性石墨板高导热系数以及石蜡浸渍的石墨复合材料板相变储热特点，与电子器件发热部位接触的薄型柔性石墨板快速将热量沿平面方向热传导给散热器底座，散热器的底座结构特点是石墨板垂直排列，石墨板的平面方向垂直接触在发热面上，即热传递的方向正是石墨板热导系数高的方向，散热器热阻很小，柔性石墨板表面传热以及膨胀石墨复合材料本身传热效率都很高，这些热量一方面通过风冷对流进行散失，一方面通过相变石蜡吸收，并通过散热器结构设计，使散热器本身的温度控制在相变温度范围内，电子器件将保持稳定的工作温度。
组装的散热器底座面积为12.5cm2，鳍片高与鳍片间距比为25倍，按照同样的方式组装铝片散热器和导热率为350W/mK的普通膨胀石墨材料散热器，铝片底座采用精密磨床打磨。铝板的导热率为186W/mK。采用自制的散热效果装置测试，测试方法为：测试装置中有一面为铜质光滑放热面，其他面均为绝热面，热流采用加热的纯净水，水流压头和流量进行控制，将散热器的底座分别与装置的放热面通过装配螺栓紧密接触，定流量给装置通水，测量在规定的时间内（5分钟）装置的进出口水流温差，温差代表散热器的散热能力。测试结果如下：
Figure 2010101600828100002DEST_PATH_IMAGE002
测试结果表明，本发明散热器散热效果明显高于铝制散热器和普通的膨胀石墨材料散热器。
采用长春恒越电子科技有限公司生产的HYDP-4导热率测试仪测试，本实施例的产品测得的热阻为：0.05cm2. ℃/W，普通膨胀石墨材料散热器测得的热阻为：0.08cm2·℃/W，铝制的散热器测的热阻为0.08cm2·℃/W。
实施例2：
膨胀石墨石蜡复合板制造方法同实施例1。
按照实施例1制造0.2g/cm3的膨胀石墨泡沫板，再将热固性酚醛树脂用无水乙醇溶解成浓度为20%的溶液，采用抽真空浸渍的方法，在石墨板中浸渍热固性酚醛树脂，浸渍的石墨板干燥后用塑料粉碎机粉碎，再用搅拌磨粉碎成80目粉末，热压成型为1.7g/cm3密度厚度为2mm和0.18mm石墨板，用刃口模将高强度柔性石墨板加工成带有安装孔的零件，零件尺寸为50x50mm。石墨板经过175℃温度固化得到高强度柔性石墨板。高强度柔性石墨板板面方向导热率达到500W/mK。平面方向导热率略有降低换来材料强度的提升。
铝制端板3按设计加工，将5片2mm厚度高强度柔性石墨板和6片2.5mm厚度相变石蜡石墨板进行组装，对组装好的部件底部进行抛光处理，将贴有保护膜的0.18mm高强度柔性石墨板组装到底部。
按照实施例１方法同样测试，本发明散热器散热效果优于铝制散热器和普通的膨胀石墨材料散热器，测试结果如下：
Figure 2010101600828100002DEST_PATH_IMAGE004
本实施例的产品测得的热阻为：0.07cm2·℃/W。

Claims (10)

1.一种复合结构石墨散热器，其特征在于：多片采用膨胀石墨复合材料的长鳍片（1）与多片采用柔性石墨材料的短鳍片（2）在夹持装置内交错排列；
长鳍片（1）和短鳍片（2）的一端对齐，对齐的端面上设有导热层（7）。
2.根据权利要求1所述的一种复合结构石墨散热器，其特征在于：所述的导热层（7）是柔性石墨材料或金属材料。
3.根据权利要求1或2所述的一种复合结构石墨散热器，其特征在于：所述的导热层（7）厚度为0.15-0.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种复合结构石墨散热器，其特征在于：所述的导热层（7）上还设有带孔的保护层（4）。
5.根据权利要求1所述的一种复合结构石墨散热器，其特征在于：除对齐的端面外长鳍片（1）和短鳍片（2）其他端面上贴有PET单面胶膜封边。
6.一种复合结构石墨散热器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将可膨胀石墨在真空浸渍箱内浸渍石蜡，石蜡浸入量为成品总重量的60～90%，压实后制成多片长鳍片（1）；
2）采用密度为1.1-1.7g/cm3的柔性石墨板制成导热层（7）和多片短鳍片（2）；
3）多片长鳍片（1）和多片短鳍片（2）交错排列，一端对齐，采用夹持装置安装牢固，除对齐的端面外，其余三个端面采用PET单面胶膜进行封边处理；
4）抛光对齐的端面，在该端面上安装导热层（7）。
7.根据权利要求6所述的一种复合结构石墨散热器的制备方法，其特征在于：所述的柔性石墨板，采用0.2-0.3g/cm3的膨胀石墨泡沫板，再将热固性酚醛树脂用无水乙醇溶解成热固性酚醛树脂：无水乙醇为20%的溶液，采用抽真空浸渍的方法，在石墨板中浸渍热固性酚醛树脂溶液，浸渍的石墨板干燥后用塑料粉碎机粉碎，再用搅拌磨粉碎成80目粉末，热压成型为1.1-1.7g/cm3密度的石墨板，经过175℃±10℃温度固化得到柔性石墨板。
8.根据权利要求6所述的一种复合结构石墨散热器的制备方法，其特征在于：所述的柔性石墨板，是将低密度的石墨板叠加在真空平板压机上抽真空后施加压力压制成密度为1.1-1.7g/cm3的柔性石墨板。
9.根据权利要求6所述的一种复合结构石墨散热器的制备方法，其特征在于：在导热层（7）上与对齐的端面接触的另一面上还粘贴有带孔的保护层（4），该孔用于使电子元件的散热面与导热层（7）接触。
10.根据权利要求6所述的一种复合结构石墨散热器的制备方法，其特征在于：所述的导热层（7）也可以是由金属材料制成。
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