CN105985757A - 多孔性导热基材及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种多孔性导热基材及其制作方法，该多孔性导热基材包含一个具有多个孔洞的多孔性本体及多个导热纤维。所述导热纤维分布于该本体且部分经由所述孔洞与外界接触，所述导热纤维的导热系数介于380至2000W/m·K，且该多孔性导热基材沿其排列方向的导热系数不小于300W/m·K。该多孔性导热基材的制作方法利用将导热纤维与发泡基质掺混形成一预混物，再将该预混物进行发泡，让该发泡基质形成一具有多个孔洞的多孔性本体，所述导热纤维是分布于该多孔性本体且部分自所述孔洞裸露，因此，该多孔性导热基材具有极佳的导热、散热性，及质轻的优点。

Description

多孔性导热基材及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种导热基材其制作方法，特别是涉及一种具有多孔性的多孔性导热基材及其制作方法。

背景技术

随着半导体制程技术发展愈来愈成熟，半导体组件的集成化程度愈来愈高，因此，“散热”已成为半导体组件重要的技术之一。特别是对高功率组件而言，由于组件作动时产生的热能大幅增加，使得电子产品的温度会急速上升。而电子组件的平均工作温度每升高10℃时，组件寿命就会减少50％。因此，如何发展出更适用于高功率组件需求的散热方法，成了相关厂商要解决的问题。

一般组件的散热大都是在组件上设置一散热结构(例如散热鳍片、散热片)，再利用该散热结构将功率组件产生的废热导出。前述该散热结构的构成材料一般是利用具有高导热性的金属，或是利用掺有高导热性无机材料，例如氮化硼、氮化铝等的高分子复合材料，或是，直接以具有高导热性的碳纤维或石墨片所制成。然而，金属的导热性虽佳，但是比重较重，因此会增加组件整体的重量，而一般用于掺混的高导热性无机材料，因为导热性的限制(氮化硼:250至300W/m·K、氮化铝140至180W/m·K)，若要达成预定的高导热效果(导热率>300)，高导热性材料的掺混比例须极高(>50wt％)，然而，过高比例的高导热性无机材料，又会导致高分子复合材料整体的物性下降的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轻质且具有高导热性的多孔性导热基材的制作方法。

本发明多孔性导热基材的制作方法，包含一个混合步骤及一个发泡步骤，该混合步骤是将多个导热纤维与一个发泡组成物进行掺混，形成一个预混物，该发泡步骤是将该预混物进行发泡，让该发泡组成物形成一个具有多个孔洞的多孔性本体，所述导热纤维是分布于该多孔性本体且部分自所述孔洞裸露。

本发明所述的多孔性导热基材的制作方法，还包含一个移除步骤，该移除步骤是移除该多孔性本体的至少一部分，让所述导热纤维裸露于外界环境。

本发明所述的多孔性导热基材的制作方法，该发泡组成物包括发泡基质及发泡剂，且该发泡基质可选自高分子、金属，或合金金属。

本发明所述的多孔性导热基材的制作方法，该高分子选自下列群组之一：环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂，及聚胺酯树脂。

本发明所述的多孔性导热基材的制作方法，该金属选自下列群组之一：铝、铜、镍；该合金金属选自下列群组之一：镍铬铁合金、锌铜合金、镍铜合金、镍铬钨合金，及镍铁合金。

本发明所述的多孔性导热基材的制作方法，所述导热纤维是呈交错编织方式分布于该多孔性本体。

本发明所述的多孔性导热基材的制作方法，所述导热纤维是沿一个方向排列分布于该多孔性本体。

本发明所述的多孔性导热基材的制作方法，所述导热纤维选自导热系数介于380至2000W/m·K的纤维。

本发明所述的多孔性导热基材的制作方法，所述导热纤维选自金属纤维、高导热碳纤维，或石墨化气相沉积碳纤维。

本发明的另一目的在于提供一种具有高导热性的多孔性导热基材。

本发明的多孔性导热基材包含一个具有多个孔洞的多孔性本体及多个导热纤维，所述导热纤维分布于该多孔性本体且部分经由所述孔洞与外界接触，所述导热纤维的导热系数介于380至2000W/m·K，且该多孔性导热基材沿其排列方向的导热系数不小于300W/m·K。

本发明所述的多孔性导热基材，该多孔性本体具有一个基面，所述导热纤维为沿一个与该基面垂直的方向排列。

本发明所述的多孔性导热基材，所述导热纤维为交错分布该多孔性本体。

本发明所述的多孔性导热基材，所述导热纤维自该多孔性本体的至少部分表面向外凸伸。

本发明所述的多孔性导热基材，该多孔性本体的材料包含高分子材料，且所述导热纤维的至少部分借由该高分子材料彼此黏接。

本发明所述的多孔性导热基材，所述导热纤维选自金属纤维、高导热碳纤维，或石墨化气相沉积碳纤维。

本发明的有益的效果在于：利用将导热纤维分散于一具有多个孔洞的多孔性本体中，由于所述导热纤维的部分可经由所述孔洞而与外界接触，因此，多孔性导热基材具有极佳的导热及散热性，且该多孔性本体由于具有孔洞，因此，多孔性导热基材还具有质轻的优点。

附图说明

图1是一示意图，说明本发明该多孔性导热基材的第一实施例。

图2是一示意图，辅助说明图1。

图3是一文字流程图，说明该第一实施例的制备方法。

图4是一示意图，说明本发明该多孔性导热基材的第二实施例。

图5是一文字流程图，说明该第二实施例的制备方法。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。

参阅图1、2，本发明的多孔性导热基材2可用于与一会产生热能的功率组件100，例如，一般可携式电子组件(手机、平板计算机等)内部的中央处理器(CPU)、内存(Memory)、控制器(I/O component)、硬盘(HDD)等接触，而将该功率组件100作动时的热能导出。

该多孔性导热基材2的一第一实施例，包含:一多孔性本体21，及多个导热纤维22。

该多孔性本体21具有多个孔洞211、一与该功率组件100接触的底面212，及一反向于该底面212的顶面213。详细的说，该多孔性本体21可选自热固性或热塑性等可适用于发泡成型的高分子材料，或是可用于发泡的金属或合金金属，该高分子材料选自环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、聚胺酯树脂等，而考虑发泡成形后的该多孔性本体21整体的散热性，较佳地，该多孔性本体21的发泡基质可选自散热性佳的环氧树脂高分子材料；而金属的发泡基质可选自铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)；该合金金属的发泡基质可选自镍铬铁(NiCrFe)合金、锌铜(ZnCu)合金、镍铜(NiCu)合金、镍铬钨(NiCrW)合金，及镍铁(NiFe)合金。

所述导热纤维22是分布于该多孔性本体21，且部分自所述孔洞211裸露而可与外界接触。其中，所述导热纤维22能够是以交错叠置方式分布于该多孔性本体21，或是沿一特定方向排列而分布于该多孔性本体21。

以所述导热纤维22为与该功率组件100的接触面平行，而交错排列的方式而言，其与该功率组件100会有最大接触面积，且所述导热纤维22于X-Y平面方向会具有最佳的导热效果，因此，所述导热纤维22可迅速的将该功率组件100产生的热导向该多孔性导热基材2；而当所述导热纤维22的排列方式，是沿一与该功率组件100实质垂直的方向排列时，由于所述导热纤维22沿长度方向(Z轴方向)会具有最佳的导热性，因此，借由控制所述导热纤维22以垂直方向的排列方式，可将该功率组件100产生的热能快速地导向远离该功率组件100的位置。

具体的说，所述导热纤维22的导热系数介于380至2000W/m·K，适用于本实施例的导热纤维22可选自金属纤维(metal fiber)、高导热碳纤维(high thermal conductivity carbon fiber)，及石墨化气相沉积碳纤维(Graphitized VGCF)，且该多孔性导热基材2沿所述导热纤维22的排列方向的导热系数不小于300W/m·K。本实施例中，图1所示的该多孔性导热基材2是以具有如图2所示，彼此交错分布的导热纤维22为例做说明。更佳地，因孔洞211而裸露的所述导热纤22的至少一部分。当该多孔性本体21的发泡基质为高分子材料时，所述导热纤维22的至少部分(如裸露于孔洞211的部分导热纤维22)会借由该高分子材料彼此黏接。

此外，要说明的是，所述孔洞211是发泡后形成，其目的是让分布于该多孔性本体21内的所述导热纤维22可借由孔洞211而与外界接触，并减轻该多孔性本体21单位体积的重量，然而，虽然孔洞211愈多，所述导热纤维22与外界接触的面积愈多而可增加散热性且单位体积的重量愈轻，但是，过多的孔洞211也会影响该多孔性本体21的机械强度表现，因此，在散热、重量及物性整体的考虑下，较佳地，该多孔性本体21的密度介于0.2至0.9g/cm³。

当要利用前述该多孔性导热基材2作为该功率组件100的散热件时，则可如图1所示，将该多孔性本体21的底面212与该功率组件100直接接触，因此，该功率组件100产生的热能可迅速的传递至与其接触的该多孔性导热基材2，并借由该多孔性导热基材2与外界连通的所述孔洞211让热能可以快速逸散至外界，而可具有更佳的导热及散热效果。

较佳地，所述导热纤维22可选自长度不小于0.1mm，且导热系数不低于1800W/m·K的石墨化气相沉积碳纤维，利用气相沉积纤维的高导热性(导热系数>1800W/m·K)，因此，可更有效的将热能从该功率组件100导出，而利用具有较大长度的纤维，则可保持导热路径的连续性，而让热能可更容易借由所述导热纤维22对外导出。

将前述该多孔性导热基材2的该第一实施例的制备方法说明如下。

参阅图3，并一并回顾图1、2，本发明该第一实施例的制备方法包含：一混合步骤31，及一发泡步骤32。

该混合步骤31是将多个导热纤维22与一发泡组成物进行掺混，形成一预混物。

该发泡组成物包括发泡基质，及发泡剂，且该发泡基质为高分子、金属，或合金金属。也就是说，本发明能够利用高分子基质(即发泡基质为高分子)或金属基质(即发泡基质为金属)进行发泡，而得到由金属或高分子材料构成的该多孔性本体21。

该高分子可选自热固性或热塑性等适用于发泡成型的高分子材料，例如环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、聚胺酯树脂等，而考虑发泡成形后的该多孔性本体21整体的散热性，较佳地，该高分子可选自散热性佳的环氧树脂高分子材料；而该金属可选自下列群组之一：铝、铜及镍；该合金金属则可选自下列群组之一：镍铬铁合金、锌铜合金、镍铜合金、镍铬钨合金，及镍铁合金。

该发泡组成物可在一预定制程条件下产生气体，以让该发泡基质于发泡过程中形成所述孔洞211，并可在形成所述孔洞211的同时让该发泡基质固化成形，而具有预定的机械性质。

要说明的是，前述该发泡组成物的目的是要在后续该发泡步骤32中，于预定制程条件下产生气体，以形成所述孔洞211，而该发泡步骤32，则依该发泡基质的材料选择，而能够以高分子发泡或是金属发泡制程进行。而高分子发泡则能够是利用物理发泡，或是化学发泡方式进行，然而，以制程的操作性及设备考虑，以化学发泡为较佳选择。由于高分子发泡或金属发泡的相关组成、制程参数及控制方式为本技术领域者所周知，因此，不再多加说明。

详细的说，该混合步骤31是先将所述导热纤维22以所要的排列方式进行预排列后，再与该发泡组成物掺混。也就是说，当后续要得到所述导热纤维22是以交错编织排列时，须先将交错编织的导热纤维22层叠平铺于一模具内；而当后续要得到沿一固定方向排列的导热纤维22时，则先将所述导热纤维22以一固定方向平铺排列于一模具内；而当后续要得到所述导热纤维22为同时具有交错编织及沿一预定方向排列的结构，则可先将交错编织的导热纤维22与成固定方向排列的导热纤维22交错铺设，并与该发泡组成物混合，就可以得到该预混物，且该预混物内的所述导热纤维22就成为预定排列结构。

当后续欲利用高分子化学发泡得到由高分子材料构成的该多孔性本体21时，是先于该模具中铺设呈预定排列的所述导热纤维22，之后再将含有高分子的该发泡基质的发泡组成物注入该模具中，使其浸润并包覆所述导热纤维22，就可以得到该预混物。

而当要利用金属发泡，以制得由金属材料构成的该多孔性本体21时，则是先于该模具中放置呈预定排列的所述导热纤维22，并与含有金属粉末及发泡剂的发泡组成物混合后，得到该预混物。

本实施例中是以高分子化学发泡为例做说明，因此，该发泡组成物会包含：高分子发泡基质、可用于产生气体的发泡剂，以及用于让发泡后的高分子材料交联及改质的硬化剂，及改质促进剂。

更具体的说，以环氧树脂为发泡基质为例说明，该发泡剂可选自氢硅氧烷、偶氮二甲酰胺(AC发泡剂)、偶氮二异丁腈(AZDN)、偶氮氨基苯、苯磺酰肼(BSH)及对-(对-磺酰肼)二苯醚(OBSH)等；该硬化剂选自脂肪族胺类、芳族胺类、酰胺基胺类、潜伏固化胺类等，该改质促进剂则可选自液态橡胶、阻燃剂(无机阻燃剂、无卤阻燃剂)、表面活性剂(聚氧乙烯山梨糖醇酐月桂酸酯，聚二甲基硅烷聚氧化烯烃共聚物，环氧乙烷-环氧丙烷嵌段共聚物)、填料(滑石粉、石英粉、空心微球)等。由于该发泡组成物的成分种类及相关搭配选择为一般利用高分子材料进行化学发泡时所现有，因此，不再多加赘述。于本实施例中，该发泡基质是以环氧树脂为例，该发泡组成物是以具有氢硅氧烷、液态橡胶及胺类硬化剂为例做说明。

该发泡步骤32是将该预混物进行发泡，让该发泡组成物形成该具有多个孔洞211的多孔性本体21。

具体的说，该发泡步骤32是将位于该模具中的该预混物加热到50至180℃，利用热压成型方式，让该发泡组成物于预定温度下发泡，并同时让该发泡组成物的硬化剂、改质促进剂与高分子进行交联反应后固化，就可以得到如图1所示的该多孔性导热基材2。

较佳地，该预混物的发泡倍率为2至6倍，且经发泡而得的该多孔性本体21的密度为0.4至0.9g/cm³。

要说明的是，当该发泡基质为金属或合金金属时，则发泡而得的该多孔性本体21的比重可视发泡程度，约可达到母体金属或合金金属比重的2至60％，例如，以铝金属(2.7g/cm³)为发泡基质进行发泡，可得到比重约为0.2至0.4g/cm³(体积约为母体金属13倍)的多孔性本体21。

参阅图4，本发明该多孔性导热基材4的一第二实施例，与该第一实施例大致相同，不同处在于该多孔性导热基材4的该多孔性本体41具有一个底面(指基面)，所述导热纤维42是沿一个与该底面垂直的方向排列且会自该多孔性本体41远离该功率组件100的顶面413的至少部分表面向外凸伸，而直接暴露于环境中。因此，可更有效的将该功率组件100的热能对外导出。

要说明的是，所述导热纤维42也能够是以交错方式分布于该多孔性本体41，本实施例是以所述导热纤维42为沿一预定方向排列为例做说明，但并不特别限制其排列方向。

参阅图5，并一并回顾图4，该第二实施例的制作方法与该第一实施例的制作方法大致相同，不同在于该第二实施例还包含一移除步骤33。

该步骤33是将经过该发泡步骤32制得的该多孔性本体41的至少一部分移除，让分布于该多孔性本体41的导热纤维42自该被移除的表面向外凸伸，使其可与外界直接接触，而更进一步提升该多孔性本体41的散热性。例如可自该多孔性本体41预定远离该功率组件100的表面向下移除，让分布于该多孔性本体41的导热纤维42自该被移除的表面(就是该顶面413)向外凸伸，就可以得到如图4所示的该多孔性导热基材4。因此，当利用该多孔性导热基材4作为该功率组件100的散热件时，还可进一步借由凸伸于该多孔性导热基材4外的导热纤维42，将该多孔性导热基材4吸收的热能对外散出。

具体的说，该移除步骤33是利用喷砂或是激光方式，将该多孔性本体41的预定部分移除，要说明的是，当该移除步骤33是利用激光方式将该多孔性本体41部分碳化移除时，不但可让所述导热纤维42的预定部分裸露出，且高分子基质碳化后残留的碳粒子还可成为所述导热纤维42的裸露部分的黏结材料，让所述导热纤维42彼此黏结成一体，让所述导热纤维42的裸露部分不易掉落。

综上所述，本发明利用将导热纤维22、42与可发泡的发泡组成物掺混，而得到一呈多孔性且具有导热纤维22、42分布的多孔性导热基材2、4。由于所述导热纤维的部分可经由所述孔洞与外界接触，因此，该多孔性导热基材具有极佳的导热及散热性，且该多孔性本体由于具有孔洞，因此，该多孔性导热基材还具有质轻的优点。

Claims (15)

1.一种多孔性导热基材的制作方法，包含一个混合步骤及一个发泡步骤，其特征在于：

该混合步骤是将多个导热纤维与一个发泡组成物进行掺混，形成一个预混物，该发泡步骤是将该预混物进行发泡，让该发泡组成物形成一个具有多个孔洞的多孔性本体，所述导热纤维是分布于该多孔性本体且部分自所述孔洞裸露。

2.根据权利要求1所述的多孔性导热基材的制作方法，其特征在于：该多孔性导热基材的制作方法还包含一个移除步骤，该移除步骤是移除该多孔性本体的至少一部分，让所述导热纤维裸露于外界环境。

3.根据权利要求1所述的多孔性导热基材的制作方法，其特征在于：该发泡组成物包括发泡基质及发泡剂，且该发泡基质可选自高分子、金属，或合金金属。

4.根据权利要求3所述的多孔性导热基材的制作方法，其特征在于：该高分子选自下列群组之一：环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂，及聚胺酯树脂。

5.根据权利要求3所述的多孔性导热基材的制作方法，其特征在于：该金属选自下列群组之一：铝、铜、镍；该合金金属选自下列群组之一：镍铬铁合金、锌铜合金、镍铜合金、镍铬钨合金，及镍铁合金。

6.根据权利要求1所述的多孔性导热基材的制作方法，其特征在于：所述导热纤维是呈交错编织方式分布于该多孔性本体。

7.根据权利要求1所述的多孔性导热基材的制作方法，其特征在于：所述导热纤维是沿一个方向排列分布于该多孔性本体。

8.根据权利要求1所述的多孔性导热基材的制作方法，其特征在于：所述导热纤维选自导热系数介于380至2000W/m·K的纤维。

9.根据权利要求7所述的多孔性导热基材的制作方法，其特征在于：所述导热纤维选自金属纤维、高导热碳纤维，或石墨化气相沉积碳纤维。

10.一种多孔性导热基材，包含一个具有多个孔洞的多孔性本体及多个导热纤维，其特征在于：

所述导热纤维分布于该多孔性本体且部分经由所述孔洞与外界接触，所述导热纤维的导热系数介于380至2000W/m·K，且该多孔性导热基材沿所述导热纤维的排列方向的导热系数不小于300W/m·K。

11.根据权利要求10所述的多孔性导热基材，其特征在于：该多孔性本体具有一个基面，所述导热纤维为沿一个与该基面垂直的方向排列。

12.根据权利要求10所述的多孔性导热基材，其特征在于：所述导热纤维为交错分布该多孔性本体。

13.根据权利要求10所述的多孔性导热基材，其特征在于：所述导热纤维自该多孔性本体的至少部分表面向外凸伸。

14.根据权利要求10所述的多孔性导热基材，其特征在于：该多孔性本体的材料包含高分子材料，且所述导热纤维的至少部分借由该高分子材料彼此黏接。

15.根据权利要求10所述的多孔性导热基材，其特征在于：所述导热纤维选自金属纤维、高导热碳纤维，或石墨化气相沉积碳纤维。