CN102655128A

CN102655128A - 多孔性石墨散热器及多孔性石墨的制备方法

Info

Publication number: CN102655128A
Application number: CN2011100568317A
Authority: CN
Inventors: 胡旭添; 萧俊旭
Original assignee: Shuoen Tech Co Ltd
Current assignee: Shuoen Tech Co Ltd
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-09-05

Abstract

本发明是一种多孔性石墨散热器及多孔性石墨的制备方法，该多孔性石墨散热器的主体是由石墨颗粒所堆叠成型的多孔性石墨所制成。多孔性石墨散热器可具有良好的导热效能并改良发泡石墨的易碎性的缺点。此外本发明还提供一种多孔性石墨的制备方法。

Description

多孔性石墨散热器及多孔性石墨的制备方法

技术领域

本发明是关于一种多孔性石墨的应用及其制造方法，尤其是关于一种多孔性石墨散热器以及一种多孔性石墨的制备方法。

背景技术

近年来电子产品已趋向小型化，其中芯片工艺已达纳米级，使得操作时所产生的热量及发热密度持续增加。因此发展高性能散热材料以解决电子产品因高功率密度所衍生的散热问题，成为刻不容缓的课题。

发泡石墨(Carbon Foam)具有低密度、耐火、低热膨胀系数及耐化学腐蚀等优异性能，依碳结晶排列与发泡结构的不同，可作为导热或绝热等不同用途。发泡石墨具有良好的热传导率以及具有互相连通且开放性的孔，具有极高的比表面积作为热传导散热之用。因此发泡石墨已被视为具有潜力解决现代电子产品散热问题的前瞻新型散热材料之一。

目前发泡石墨的制作方法主要采用沥青通气方法，亦即于液态沥青中通入气体，使其产生气泡，以便于凝固沥青后形成发泡石墨。为使发泡石墨中的孔相通，其孔率通常大于80％(如图5所示)，因此其物理强度不足。当应力较大时，容易造成发泡石墨断裂；因此，发泡石墨使用上较受限制。此外，利用沥青通气的发泡石墨制法在工艺操作及制作成本方面仍有改善空间。

综合上述，发展一种新的石墨块材，其同时具有良好的导热效能并提升物理强度，是目前极需努力的目标。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种多孔性石墨散热器，其具有良好的导热效能并提升多孔性石墨的物理强度。

依据本发明一方面提供一种多孔性石墨散热器，其主体是由石墨颗粒所堆叠成型的多孔性石墨所制成。

依据本发明另一方面提供一种多孔性石墨的制备方法，包括：一造粒步骤，将一石墨粉结合一黏着剂进行造粒，以获得多个较大粒径的石墨颗粒；一成型步骤，将这些石墨颗粒成型为一生坯；以及一热处理步骤，加热该生坯至一设定温度后进行冷却，以获得该多孔性石墨。

本发明的有益效果是：本发明的多孔性石墨，其由石墨颗粒所堆叠成型并同时具有良好的导热效能及较佳的物理强度，并可运用作为散热效率较佳的散热器。

本发明上述及其它态样、特性及优点可由附图及实施例的说明而可更加了解。

附图说明

图1为显示本发明一实施例的多孔性石墨的制备方法的流程图。

图2为显示本发明一实施例的造粒步骤的流程图。

图3为显示本发明一实施例的散热器的示意图。

图4为显示本发明一实施例的发光二极管灯组的示意图。

图5为习知技术发泡石墨的电子显微镜照片。

图6-图9为显示本发明一实施例的多孔性石墨的制备各步骤所得成品的照片：其中图6是显示石墨粉，图7是石墨颗粒，图8是用于LED散热的多孔性石墨生坯灯杯；图9是多孔性石墨成品的截面。

具体实施方式

本发明为提供一种由石墨颗粒所堆叠而成的多孔性石墨，其可做为散热器的中的导热元件。

图1为一流程图显示本发明一实施例的多孔性石墨的制备方法，其中一种多孔性石墨的制备方法包括一造粒步骤S1、一成型步骤S2、一热处理步骤S3以及二次加工步骤S4。

在造粒步骤S1中，将一石墨粉结合一黏着剂进行造粒，以获得多个较大粒径的石墨颗粒。石墨粉的来源可为天然石墨、人造石墨或两者的组合。造粒的目的为将小粒径、不规则形状的粉末形成粒径较大且形状较为均匀的颗粒。造粒后的石墨颗粒的粒径可由300μm～1000μm，其可由使用的工艺及/或成分加以控制。

造粒工艺一般包含滚球造粒法或喷雾造粒法。其中滚球造粒法是利用石墨粉与黏着剂混合、滚动以形成粒径较大的石墨颗粒；或是以造粒切刀将石墨粉与黏着剂的混合体切削成粒径相近的石墨颗粒。喷雾造粒法则是通过将石墨粉以气流喷出使悬浮于腔体中，再由另一喷嘴喷出胶状或液状黏着剂，使黏着剂包覆于石墨粉外层而成为石墨颗粒。或者，将石墨粉与黏稠度较低的黏着剂混合进行喷雾干燥以形成粒径较大的石墨颗粒。

上述的黏着剂包含但不限于沥青、树脂、聚碳酸脂(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、饱和多元酯(PET)或上述的组合。此外，可于造粒步骤S1中加入添加物以调整多孔性石墨的物理性质，添加物可为一金属粉末或一陶瓷粉末。金属添加物例如为铝、铁或铜；陶瓷添加物例如为高岭土、氧化硅、氧化铝、氮化铝、氮化硼、氧化钛或硅铝酸盐。

此外在一实施例中，可于造粒步骤S1中加入一发泡剂，例如为碳酸氢钠、碳酸铵、偶氮甲酰胺或偶氮二异丁腈，以调整或增加所得到的多孔性石墨的孔率。

图2为显示本发明一实施例的造粒步骤的流程图，其中图1的造粒步骤S1中，为获得良好品质的石墨颗粒，可在石墨造粒步骤S13前后进行部分步骤。

其中在一较佳实例中，可通过粉末纯化步骤S11、粉末粒径控制步骤S12以获得高品质的石墨粉。其中粉末纯化步骤S11可利用酸洗纯化、碱洗纯化或高温纯化方式，去除石墨粉中所含杂质。举例而言，粉末纯化步骤S11可利用硫酸与氢氟酸酸洗一石墨粉后再采用2600℃的高温热处理60分钟，以去除石墨粉中所含杂质，达到纯化效果。粉末粒径控制步骤S12则将纯化后的石墨粉研磨并过筛至平均粒径200微米(μm)以下，通过粒径的限制以提高石墨颗粒的品质稳定性。

在完成石墨造粒步骤S13之后，接着进行颗粒干燥步骤S14可将石墨颗粒干燥，以方便后续压铸成型或射出成型的工序。颗粒干燥步骤S14后可进行颗粒粒径控制步骤S15，将石墨颗粒过筛以获得粒径较为均一的造粒石墨颗粒。

请继续参照图1，接着进行成型步骤S2，以将石墨颗粒成型为一生坯。成型步骤S2一般可包括一冷压压结成型方式、一热压压结成型方式或一粉末射出成型方式。于一实施例中是以冷压法于100kg/cm²以上的压力下压结成型原料成为一生坯。

在一实施例中，为使生坯便于脱模，可于造粒步骤S1中加入一脱模剂，其包括但不限于硬脂酸锌、硬脂酸镁或白蜡粉。

其中，在一实施例中，成型步骤S2将石墨颗粒成型为一散热器外形，以获得本发明的多孔性石墨散热器。

在完成成型步骤S2的步骤之后，进行热处理步骤S3以加热生坯至一设定温度并持温一设定时间后进行冷却，以获得多孔性石墨。进行热处理步骤S3主要是为了使生坯中石墨粉以外的成分进行炭化，或者较佳者进行石墨化。其中炭化后的成分可具有导热能力，石墨化后的成分具有更佳的导热及散热效果。因此热处理步骤S3中的设定温度至少为600℃以达到炭化生坯的目的，较佳者为至少2300℃以达到石墨化生坯的目的。

具体说，在一实施例中，热处理步骤S3是将生坯置于一热处理炉中，且将热处理炉抽真空后通入纯度99％以上的惰性气体，并将生坯在惰性气体的保护下加热至设定温度以上且维持一设定时间后再冷却至室温，使生坯的中黏着剂、发泡剂、脱模剂及添加物等等得以与研磨后的石墨粉结合并炭化或石墨化。而其中的惰性气体可为氦、氖、氩、氪、氙、氡、氮其中之一。冷却方式可利用自然冷却或通过气体或液体强制冷却到室温。于一实施例中，是以纯度99％以上的氮气做为保护气体，并将生坯于2500℃加热持温60分钟，再自然冷却至室温，而获得一多孔性石墨。

多孔性石墨具有较大的比表面积，因此结合石墨高导热的材料特性与多孔性结构的较大比表面积特性，应用于散热结构时，可具有良好的散热效果，故可有效应用在高散热需求的电子产品的中作为散热元件。

图6-图9为本发明各步骤的照片，其分别显示石墨粉(图6)、已造粒的石墨颗粒(图7)、用于LED散热的多孔性石墨生坯灯杯(图8)以及多孔性石墨成品的截面(图9)。通过上述处理步骤所获得的多孔性石墨截面如图9所示，相较于图5沥青充气工序所得到的发泡石墨，本发明的多孔性石墨是由石墨颗粒所堆叠而成，而孔隙是形成于石墨颗粒之间，因此可明显区别。

本发明的多孔性石墨的孔率约为5～30％，因此其物理强度较佳，不易因应力而压碎或脆裂。相较于发泡石墨，本发明的多孔性石墨工艺简单、成本低廉，并可提供良好的导热效能以及物理强度。

多孔性石墨可再进行二次加工步骤S4，以利用机械的方法对多孔性石墨块材进行加工，其中的机械加工法可能是研磨、切削或钻孔等。于一实施例中，是以机械研磨与钻孔的方式加工而获得一具有多孔性石墨产品。

请参照图3为一示意图显示本发明一实施例的散热器。常见的发热源包括但不限于例如为一芯片或一发光二极管。通过石墨所具有的高热传导率及多孔性的高比表面积特性可将发热源所产生的热有效散逸。

此外多孔性石墨散热器1可有许多不同的实施方式，举例而言，导热元件具有鳍片结构11，并可包括一风扇(图中未示)，其与导热元件相结合，藉此将自热源通过多孔性石墨的孔流动的热流导出以提高散热效果。

在一实施例中，本发明的散热器可用于发光二极管的散热，图4为一示意图显示本发明一实施例的发光二极管灯组。一种发光二极管灯组具有多孔性石墨灯杯21，其与灯体22结合，并且于多孔性石墨灯杯21的表面一体形成多个散热片，以通过散热片之间所形成的凹槽来增加灯杯外缘的表面积，使灯体22所产生的热能可对外排出。灯杯的内侧表面可形成反射层(图中未示)，反射层的材质例如为银。

此外为更进一步改善导热元件的品质，可于导热元件的表面设置保护层及/或绝缘层。保护层的材质例如为铜，绝缘层的材质例如为陶瓷。

综合上述，本发明提供一种多孔性石墨，其由石墨颗粒所堆叠成型并同时具有良好的导热效能及较佳的物理强度，并可运用作为散热效率较佳的散热器。

以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以其限定本发明的专利范围，即凡是根据本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims

1.一种多孔性石墨散热器，其特征在于，其主体是由石墨颗粒所堆叠成型的多孔性石墨所制成。

2.根据权利要求1所述的多孔性石墨散热器，其特征在于，还包含一鳍片。

3.根据权利要求1所述的多孔性石墨散热器，其特征在于，其外形为一灯杯。

4.根据权利要求1所述的多孔性石墨散热器，其特征在于，还包含一保护层或一绝缘层，其设置于该散热器的表面。

5.根据权利要求1所述的多孔性石墨散热器，其特征在于，该多孔性石墨的制备包括下列步骤：

一造粒步骤，将一石墨粉结合一黏着剂进行造粒，以获得多个较大粒径的石墨颗粒；

一成型步骤，将这些石墨颗粒成型为一生坯；以及

一热处理步骤，加热该生坯至一设定温度并持温一设定时间后进行冷却，以获得该多孔性石墨散热器。

6.一种多孔性石墨的制备方法，其特征在于，包含：

一成型步骤，将这些石墨颗粒成型为一生坯；以及

一热处理步骤，加热该生坯至一设定温度并持温一设定时间后进行冷却，以获得该多孔性石墨。

7.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，该石墨粉包含天然石墨、人造石墨或两者的组合。

8.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，该造粒步骤包含滚球造粒法或喷雾造粒法。

9.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，该黏着剂包含沥青、树脂、聚碳酸脂(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、饱和多元酯(PET)或上述的组合。

10.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，该造粒步骤中还加入一金属粉末、一陶瓷粉末、一发泡剂或一脱模剂。

11.根据权利要求10所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，该发泡剂包含碳酸氢钠、碳酸铵、偶氮甲酰胺或偶氮二异丁腈。

12.根据权利要求10所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，该脱模剂包含硬脂酸锌、硬脂酸镁或白蜡粉。

13.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，该成型步骤是采用一冷压压结成型方式、一热压压结成型方式或一粉末射出成型方式。

14.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，还包含一粒径控制步骤，用以控制该石墨粉或这些石墨颗粒的粒径。

15.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，还包含一干燥步骤，用以干燥这些石墨颗粒。

16.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，该热处理步骤中的该设定温度至少为600℃。

17.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，该热处理步骤是于一惰性气体或真空的环境下进行。

18.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，还包含一二次加工步骤，其是利用一机械加工法将该具有多孔性结构的该多孔性石墨进行加工，以获得一具有多孔性结构的石墨产品。

19.根据权利要求6所述的多孔性石墨的制备方法，其特征在于，该成型步骤是将这些石墨颗粒成型为一散热器外形。