CN101864203A

CN101864203A - 水性散热涂膜材料

Info

Publication number: CN101864203A
Application number: CN 201010185620
Authority: CN
Inventors: 陈益钢; 陈银儿; 史肖蕾
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2010-10-20

Abstract

本发明提供一种水性散热涂膜材料。要解决的技术问题是在不使用有机溶剂的前提下，获得合成工艺简单、散热效果大的水性散热涂膜材料。本发明采用的技术手段是以硅酸钠或硅酸钾等碱金属盐作为散热涂膜的主要成分。散热涂膜中添加适量的二氧化硅、氧化铝之后，涂膜的散热能力可以得到增强。而且，在涂膜中添加适量的氧化锡，涂膜的散热效果可以进一步获得提高。散热涂膜中还可以添加氧化锆、氧化钛等金属氧化物、碳化硅等碳化物以及氮化铝等氮化物。本发明中的涂膜散热材料具有突出的散热效果。本发明适用于各种机器设备和器件的散热应用。

Description

水性散热涂膜材料

技术领域

本发明涉及一种适用于各种机器设备和器件使用的水性散热涂膜材料，它具有优异的散热性能。

背景技术

各种半导体设备、电动机的驱动装置、各种集成电路、变换器、各种电子设备在使用中会产生热。近年来，人们追求设备的小型化和高性能化，如何高效去除设备和器件中产生的热量已经成为器件工艺和材料研究的一个重要的课题。

散热机制可以分为主动式和被动式两类。主动式是利用气体或液体介质循环散热。常见主动式散热机制是风扇气冷或者泵水冷等，如热管散热系统，然而主动式散热组件的使用对一些需低音量或小体积的设备来说并非恰当，因为风扇的置入会导致声响的产生，而且还需要额外的空间来设置散热组件，内部空间的缩小会造成气体对流受阻。此外，加装风扇等额外的散热组件不仅增加了加工技术的复杂程度，也大大增加了成本。从总体上来说，额外的散热组件的使用不符合设备小型化的发展趋势。被动式散热是通过使用一些导热性和散热性好的材料，把组件运作过程中产生的热量传导至外部介质中。被动式散热不如主动式散热效果好，但在一些特殊的工作环境或者对使用有特殊要求的场合还是显得极为重要，需要大力发展该项技术。目前常见的被动式散热机制是用由导热性和散热性佳的材料构成的散热组件与高温表面接触，通过外观形态设计成大面积，使热量由高温表面传导至散热组件后能快速传导至外部介质中，例如一些铝制或铜制散热鳍片。主动式和被动式散热机制可结合并用，如中央处理器或绘图芯片上搭配带有风扇的散热鳍片来达到散热降温，以维持其温度在正常工作温度范围内。

为了进一步提高被动式散热机制的效果，可以在散热装置(例如：散热用金属块、片材、鳍片、液晶显示器背光模块的金属背板、金属或塑料外壳)上涂覆一层散热涂膜。散热涂膜具有高热导率和高热辐射系数的特点，可以解决由于散热装置的材料热辐射系数低而导致无法将热量快速散播到空气当中的问题。此外，散热涂膜可以在不改变散热装置结构的情况下大大增加散热装置的散热面积。散热装置的面积越大其散热效果就会越好，但是一般高热导率的材料表面平滑而非呈凹凸状，因此散热面积受限，使得其散热效果亦受到限制。然而通过改变散热装置结构以增大散热面积的方法十分复杂，不仅需要改变整体的设计，而且增加了制造的成本。因此，在不改变散热装置结构的情况下，需要提供一种可涂覆到散热装置上的散热涂膜，使散热装置的表面形成不规则的凹凸面，以增加散热装置表面的散热面积，从而进一步提升其散热效果。

目前已经出现的散热涂膜主要以含有有机溶剂的涂膜材料为主，这类涂膜虽然能够达到散热的效果，但是由于含有可挥发性的有机物质，有机溶剂的涂膜具有刺鼻的气味，不符合当今绿色环保的需求。因此，散热涂膜正向着无机水性的方向发展。

本发明希望提供一种低成本并具有明显散热效果的无机水性散热涂膜材料，以用于各种机器设备的散热应用。发明者通过用某些无机涂膜材料在散热体表面形成涂膜，综合试验后找到了提高散热效果的途径，从而完成了本发明。本发明中所说的散热是指把各种机器设备在运转过程中积累的热向大气中发散，从而抑制该设备的温度上升。通常，各种机器设备积累的热量由散热体放出，增强远红外线的发射量是提高散热体释放热量能力的有效手段。本发明提供的涂膜是能够增加远红外线的发射量，从而使散热体中积累的热散失的一种散热材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种水性散热涂膜材料。

本发明所指的散热体含有硅酸钠或硅酸钾的涂膜材料。除了硅酸钠、硅酸钾以外，也可以使用其它的碱金属硅酸盐，例如硅酸锂。而且，该涂膜还含有金属氧化物，其中，氧化硅、氧化铝的效果比较合适。另外，该涂膜中还能含有氧化锡。氧化锡可以在硅酸钠系或硅酸钾系涂膜材料中添加，也可以在添加有金属氧化物的硅酸钠系或硅酸钾系涂膜材料中再添加氧化锡，后者方法效果更好。本发明的涂膜材料所含有的金属氧化物可以是硅酸铝(高岭土)、硅酸镁(滑石)、氧化硅、氧化铝、氧化锡，以及氧化钛、氧化锆、氧化锑、氧化锗、氧化硼酸、氧化钙、氧化钡、氧化锶、氧化铋等。另外，涂膜中还能含有金属氮化物，如氮化硼、氮化锆、氮化锡、氮化锶、氮化钛、氮化钡等。本发明的涂膜中使用的金属氧化物、金属氮化物等最好使用它们的微细粉末。上述材料的微细粉末可以在球磨机、碾磨机等粉碎设备中制得。

本发明的涂膜材料的基本成分是硅酸钠或硅酸钾。硅酸钠和硅酸钾可以溶解于水得到它们的水溶液。硅酸钠的水溶液是水玻璃。硅酸钠或者硅酸钾的水溶液可以在散热体表面喷涂，然后在大气中干燥形成涂膜。涂膜的厚度大约是10～200微米，最好在20～100微米范围内。涂覆这样涂膜的散热体显示出优秀的散热特征。比较涂覆与未涂覆这种散热涂膜材料的散热鳍片表面的散热情况，前者的表面温度比后者降低2～10℃，极大地提高了散热体的散热能力，从而大幅降低了机器设备的表面温度，保证了设备及器件的正常工作。

硅酸钠或硅酸钾的水溶液中还可以添加氧化硅或氧化铝的微粒子。这种情况下，涂膜溶液就变成了悬浊液。用同样的方法把该悬浊液在散热体表面喷涂形成涂膜亦显示显著的散热效果。而且，还可以进一步添加氧化锡的微细粉末。添加了氧化锡的涂膜材料显示更加优异的散热特性。喷涂时，涂膜溶液需要保持适当得粘度，因此，最好根据添加物的种类以及添加量的不同添加适量的水来调节溶液的粘度。

各种机器设备中使用的散热体形态有板材、球状突起、多褶子的鳍片，尤其是鳍片被广泛地使用。用本发明的喷涂液在鳍片散热体表面形成涂膜后，该散热体的散热性能得到了巨大地提高。散热涂膜的制备可以用喷涂、刷涂或滚涂等方法把涂膜液直接涂覆到散热体的表面形成散热涂膜。本散热涂膜材料可以在已经定形的散热体表面涂覆，也可以先在板材表面涂覆，等涂膜风干后再把板材加工成所需要形状的散热体。

本发明的涂膜材料含有硅酸钠和硅酸钾，硅酸钠和硅酸钾可以单独使用，不过硅酸钠和硅酸钾两者的混合使用效果比较理想。两者混合使用的情况下，硅酸钠与硅酸钾的使用比例在0.5～7∶1(固体含量，质量比)时效果最好。在涂膜中，碱金属硅酸盐的含量在3～30％(质量比)时效果最好。另外，金属氧化物在涂膜固体中的含量在12～92％(质量比)时效果最好。氧化锡在涂膜固体中的含量在6～45％(质量比)时效果最好。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不仅仅限定于实施例(以下说明中的溶液浓度都用质量百分比浓度表示)。

实施例1

取浓度为54.5％的硅酸钠的水溶液140克和浓度为30.0％的硅酸钾的水溶液140克混合，再添加200克水稀释。在板状散热片上形成该溶液的涂膜，风干后涂膜的厚度是40微米。把该板状散热片安装到半导体制造设备上，测定该设备运转时散热板上的平均温度。测定散热板上六个不同部位的温度，所得到的平均值是57.5℃。作为对比，把另一块相同型号的未涂覆散热涂膜的散热板也安装到同一台半导体制造设备上，设备运转时测定与前述完全相同的六个部位的温度，所得到的平均值是61.5℃。测量两块散热板的温度时，半导体制造设备的运转参数设定完全相同。实验对比表明，所用的散热涂膜有良好的散热效果。另外，上述浓度的硅酸钠与硅酸钾没有用水稀释的情况下，所获得的散热涂膜在受热时容易起泡，这表明涂覆液的粘度需要进行适当的调整。

实施例2

取浓度为54.5％的硅酸钠的水溶液140克和浓度为30.0％的硅酸钾的水溶液140克混合，再添加200克水稀释。在稀释后的水溶液中，添加二氧化硅微粉240克、氧化铝微粉160克和氧化锡微粉140克，充分混合搅拌后得到悬浊液。在板状散热片上形成该悬浊液的涂膜，风干后涂膜的厚度是45微米。把该板状散热片安装到半导体制造设备上，测定该设备运转时散热板上的平均温度。测定散热板上六个不同部位的温度，所得到的平均值是57℃。作为对比，把另一块相同型号的未涂覆散热涂膜的散热板也安装到同一台半导体制造设备上，设备运转时测定与前述完全相同的六个部位的温度，所得到的平均值是62.4℃。测量两块散热板的温度时，半导体制造设备的运转参数设定完全相同。实验对比表明，所用的散热涂膜有良好的散热效果。

本发明提供的是含有硅酸钠或硅酸钾的散热涂膜材料，适用于增强各种设备散热体的散热能力。该涂膜材料中除了含有硅酸钠或硅酸钾以外，还可以含有氧化硅、氧化铝、氧化锡、氧化锆、氧化钛以及其他金属氧化物。使用本发明提供的涂膜材料的散热体，散热性能获得了明显地改善。本发明的散热效果对设备的小型化和低成本化都具有重要的意义。而且，本发明提供的涂膜只要在散热体表面涂覆就可以，工艺非常简单。另外，涂膜的颜色也可以根据需要任意调整和选择。该涂膜与散热体的结合强度非常高，因此，涂膜既可以在散热体成型后涂覆，也可以在散热件成型加工前涂覆，在加工过程中，涂膜不会脱落。

Claims

1.一种水性散热涂膜材料，主要含有硅酸钠和硅酸钾。

2.按权利要求1所述的水性散热涂膜材料，其特征在于：硅酸钠与硅酸钾的使用比例是0.5～7∶1(质量比)。

3.按权利要求1所述的水性散热涂膜材料中含有金属氧化物。

4.按权利要求3所述的水性散热涂膜材料中含有的金属氧化物是二氧化硅和氧化铝。

5.按权利要求3所述的水性散热涂膜材料，其特征在于：金属氧化物的含量是12～92％(质量比)。

6.按权利要求1、或3所述的水性散热涂膜材料含有氧化锡。

7.按权利要求6所述的水性散热涂膜材料，其特征在于：氧化锡的含量是6～45％(质量比)。

8.按权利要求1所述的水性散热涂膜材料中含有碳化物。

9.按权利要求1、或3、或6、或8所述的水性散热涂膜材料含有氮化物。