CN103673739B - 一种金属与导热塑料复合微换热器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属与导热塑料复合微换热器结构，属于微型换热器技术领域。包括用于快速传递热量的基板金属层以及用来充分散热的导热塑料层，其特征在于，作为基板的金属层优选铝、镍、铜、钢及其合金等，导热塑料层为聚合物以及经过改性的聚合物基复合材料。本发明提供的金属与导热塑料复合微换热器结构具有加工难度小、加工成本低、传递热量效率快、散热效率高等特点，可广泛应用于多功能、复杂大规模集成电路中电子器件的散热，具有良好的市场前景。

Description

一种金属与导热塑料复合微换热器结构

技术领域

本发明涉及一种金属与导热塑料复合新型微换热器结构，属于微型换热器技术领域。

背景技术

随着微机电系统(MEMS)和微型化学机械系统的发展，尤其是半导体工业和微电子机械系统产业日新月异的进步，人们开发出大规模和超大规模集成电路。随着电子器件的集成度越来越高，功耗和发热量也不断提高而物理尺寸却越来越小，电子器件的热流密度大大增加。多功能、复杂系统的运行中产生热量大大增加，热环境越来越苛刻，传统的换热装置已不能满足高效、稳定换热、加工成本低的基本要求。金属微结构换热器、改性复合聚合物换热器等在一定程度上提高了传热效率，但迄今为止尚未广泛应用，究其原因是加工难度大，换热效率低、加工成本高。因此，迫切需要提出一种高性能、低成本、易加工的新型换热器结构。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提出了一种以金属基底为导热单元，以具有微结构的聚合物材料为散热单元的新型结构复合式微结构换热器结构。其设计思路是：以连续的金属材料为导热单元，以聚合物微结构为散热单元，进行高导热和高散热单元的结构复合。与现有共混复合导热材料相比，结构复合型导热材料的特点首先是具有可靠的连续导热通道，二是具有足够高的、与导热能力相匹配的微结构散热单元。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：如图1、3所示，一种金属与导热塑料复合的微换热器结构，包括用于快速传递热量的基板金属层以及用来充分散热的导热塑料层，其特征在于，所述基板金属层和所述导热塑料层复合连接，所述基板金属层具有作为导热单元的连续金属结构，所述导热塑料层具有作为散热单元的聚合物微结构。

本发明与现有技术相比，有益效果如下：本发明提供的金属与导热塑料复合微换热器结构具有加工难度小、加工成本低、传递热量效率快、散热效率高等特点，可广泛应用于多功能、复杂大规模集成电路中电子器件的散热，具有良好的市场前景。

附图说明

图1为金属与导热塑料复合微换热器结构示意图；

图2为金属与导热塑料复合微换热器微结构三维图；

图3为金属与导热塑料复合微换热器微结构平面图；

图4为金属与导热塑料复合微换热器微结构的正六边形排布方式示意图；

图5为金属与导热塑料复合微换热器微结构的正四边形排布方式示意图；

图6为金属与导热塑料复合微换热器微结构的正三角形排布方式示意图；

其中，1：微结构，2：导热塑料层，3：圆柱形的楔形槽，4：燕尾形的楔形槽，5：基板金属层。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、3所示，一种金属与导热塑料复合的微换热器结构，包括用于快速传递热量的基板金属层以及用来充分散热的导热塑料层，其特征在于，所述基板金属层和所述导热塑料层复合连接，所述基板金属层具有作为导热单元的连续金属结构，所述导热塑料层具有作为散热单元的聚合物微结构。

与现有共混复合导热材料相比，结构复合型导热材料的特点首先是具有可靠的连续导热通道，二是具有足够高的、与导热能力相匹配的微结构散热单元。

进一步的说，所述基板金属层的材料为铝、镍、铜、钢或者其合金，所述导热塑料层的材料为聚合物以及经过改性的聚合物基复合材料。

利用了金属材料导热率高，传递热量效率快，塑料以及高分子基复合材料容易成型，加工成本低，流动性好可以加工微细结构等特点，通过塑料加工的微纳米结构提高了对流传热以及辐射传热的表面积，可以大大提高散热效率。

进一步的说，所述微结构通过微压印，微注塑以及模压的方式加工在所述导热塑料层的表面，所述微结构为半球形、椭球形状或者圆锥体，并构成微结构阵列。

优选的，所述微结构的曲率半径在1μm-1cm,，所述微结构阵列的排布方式为正六边形，正四边形或者正三角形。

优选的，如图4、5、6所示，所述正六边形的排布方式是以7个微结构为一组，其中6个围绕另1个构成正六边形，然后各组拼接构成所述微结构阵列，所述正四边形的排布方式是各个所述微结构的中心处在以所述微结构直径为间隔的正方形栅格中心构成所述微结构阵列，所述正三角形的排布方式是相邻横排的微结构错位一个微结构半径排列构成所述微结构阵列。

按照传热对流以及辐射的计算公式，表面积的大小对于散热效果起着重要的促进作用，通过添加微结构阵列，可以有效地增加塑料层的表面积，因而可以提高对流以及辐射传热，实现强化传热。另外，微结构阵列的排布方式以及排列紧密程度直接影响着表面积以及散热的效果，本发明提出了包括正六边形，正四边形以及正三角形等排布方式的微结构阵列，理论上与平板相比，可以提高到原来的1.5-1.8倍。

进一步的说，所述导热塑料层的材料的导热系数为0.1-50W/m·k,所述导热塑料层的材料的厚度为1μm-1cm。

按照两层薄壁结构导热以及传热的热流密度计算公式，为了提高热流密度的大小，可以通过增加塑料层的导热系数以及减少塑料层厚度的办法来实现。因此通过聚合物改性（包括添加有机、无机等组分）或者开发研究高导热的新材料，在保证高导热率的同时还要考虑其流动性，以保证微细结构的成型。或者开发新设备以及新工艺不断地降低塑料层的厚度，研究其成型方法和手段。考虑这两个因素均可以起到提高热流密度的效果，最终实现强化传热，增加散热器的散热效率。理论上降低塑料层的厚度更具有可行性以及发展前途。

进一步的说，所述复合连接为所述基板金属层上的槽与所述导热塑料层的榫的配合连接。

优选的，如图1所示，所述槽为圆柱形的楔形槽或燕尾形的楔形槽，所述榫为圆柱形凸块或燕尾形凸块。这种结构防止在使用过程之中特别是在恶劣环境之中的金属层与塑料层的分离而导致的散热器的失效。

下面给出了3种具体实施方式。

具体实施方式1：

将本发明应用于LED贴片灯的散热应用中，其中，设计的长X宽为121mmX35mm,金属层材料采用Al，导热系数为237W/m·k,其中厚度定为1mm。而塑料层的厚度采用PPS，导热系数定为20W/m·k，塑料层的厚度定为0.2mm，其中金属层与塑料层之间采用圆柱体方式连接，通过将塑料层直接注入到金属层的方式成型，塑料层的微结构为半球体，如图4所示，半球体的排布方式为正六边形结构，半球体的半径为100μm。

具体实施方式2：

将本发明应用于大规模集成电路的散热应用中，金属层材料采用Al，导热系数为237W/m·k,其中厚度定为0.2mm。而塑料层的厚度采用PPS，导热系数定为20W/m·k，塑料层的厚度定为0.2mm，其中金属层与塑料层之间采用燕尾槽方式连接，通过微压印的方法将塑料层与金属层复合，塑料层的微结构为半球体，如图5所示，半球体的排布方式为正四边形结构，半球体的半径为100μm。

具体实施方式3：

将本发明应用于热取暖设备方面，将具有微结构的塑料通过模压的方法复合到取暖设备的表面。其中塑料层的厚度定为0.2mm，如图6所示，微结构采用正三角形排布的椭球形的微结构，特征尺寸为100μm,材料选用高导热的某改性过的高分子基复合材料，导热系数在30-50W/m·k之间。

以上所述实施方式仅表达了本发明的三种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种金属与导热塑料复合的微换热器结构，包括用于快速传递热量的基板金属层以及用来充分散热的导热塑料层，其特征在于，所述基板金属层和所述导热塑料层复合连接，所述复合连接为所述基板金属层上的槽与所述导热塑料层的榫的配合连接，所述槽为圆柱形的楔形槽或燕尾形的楔形槽，所述榫为圆柱形凸块或燕尾形凸块，所述基板金属层具有作为导热单元的连续金属结构，所述导热塑料层具有作为散热单元的聚合物微结构，所述基板金属层的材料为铝、镍、铜或其合金或者钢，所述导热塑料层的材料为聚合物以及经过改性的聚合物基复合材料，所述微结构通过微压印，微注塑或者模压的方式加工在所述导热塑料层的表面，所述微结构为半球形、椭球形状、圆锥体、圆柱体或立方体，所述微结构的曲率半径在10μm-1cm，微结构阵列的排布方式为正六边形的排布方式是以7个微结构为一组，其中6个围绕另1个构成正六边形，然后各组拼接构成微结构阵列，或者为正四边形的排布方式是以各个所述微结构的中心处在以所述微结构直径为间隔的正方形栅格中心构成微结构阵列，或者为正三角形的排布方式是以相邻横排的微结构错位一个微结构半径排列构成微结构阵列，所述导热塑料层的材料的导热系数为0.1-50W/(m·K),所述导热塑料层的材料的厚度为10μm-1cm。