CN107606982B - 一种石墨散热器及其整体成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石墨散热器及其整体成型方法，石墨散热器散热基板、热柱、散热翅片和连接肋片；其中热柱放置在散热基板中心处，散热翅片以热柱为中心呈放射状分布，散热翅片上开有小孔以提高对流换热系数，散热翅片设计成曲面形以增加散热面积，沿石墨散热器圆周方向的不同半径处，设计有连接肋片。上述石墨散热器采取整体方式成型，它包括混合粉末制备、整体式3D打印成型、预制体制备、炭化和埋碳高温烧结等工艺环节，该方法工艺简单、实用、生产成本低，能够制造复杂石墨散热器；所述石墨散热器散热具有表面积大、对流换热系数高、导热系数高、强度高、刚性好、散热效果佳等特点，在散热领域拥有广阔的应用前景。

Description

一种石墨散热器及其整体成型方法

技术领域

本发明属于电子器件散热技术领域，尤其涉及一种石墨散热器及其整体成型方法。

背景技术

通常，电子器件在工作时会产生很多的热量，如散热不好将会产生较高的温度，影响电子器件的正常工作状态，从而导致系统性能不稳定，甚至引起损坏。相关资料显示，对于电子设备，目前的失效问题50%都是由于电子器件过热引起的。此外，随着科学技术的不断创新，大规模集成电路的集成密度不断提高，微处理器的运行速度越来越快，在单块芯片中集成的功能也越来越多，芯片需要消耗的能量将更多。这意味着电子芯片将越来越热，散热问题已经成为制约芯片性能提升的瓶颈。

目前，电子器件所使用散热器大部分使用翅片状散热器，材料一般为铜、铝及其合金。铝及其合金散热器相对较轻，但是导热性能较差；铜及其合金散热器导热系数是铝及其合金的导热系数1.8倍，但是铜及其合金散热器密度太大，相同体积下，铜及其合金散热器比铝及其合金散热器重3.3倍，而如果将这么巨大的重量压在电子产品的芯片上，很容易就会将芯片压坏。研究指出，石墨微晶材料沿 (002) 面方向的导热率超过2000W/m·K，具有比铜、铝及其合金更高的导热系数，同时石墨材料本身较低的密度，十分符合当前电子器件轻量化、高导热的发展趋势。

石墨材料在散热领域已经开始越来越被关注。然而，由于石墨材料存在脆性，在成型上存在一定困难。为了改善鳞片石墨粉末的成型工艺性，通常需要将各种粘接剂（如酚醛树脂、环氧树脂、聚苯硫醚、丙烯酸树脂、乙烯基酯树脂、聚偏氟乙烯等）与之混合，再通过模压成型或挤压成型方式获得石墨散热器。上述石墨散热器成型过程中离不开金属模具，因此成本相对较高、准备周期相对较长，此外石墨散热器结构受限于金属模具本身，因此结构相对简单，大多采用平面型散热翅片，且散热翅片上不开设散热小孔。

发明内容

本发明给出一种石墨散热器及其整体成型方法，以期解决现在石墨散热器结构相对简单，散热面积偏小，对流换热系数小，散热效果不佳、整体成型困难等问题。其发明思想如下：将平面型散热翅片设计为曲面形散热翅片，以提高换热面积；通过在散热翅片上开多个小孔以方便流体的流动从而提高换热系数；在多孔曲面形散热翅片间加上连接肋片，在增加散热面积的同时、提高散热器整体刚度；利用选择性激光烧结技术（SLS）实现石墨散热器的整体成型，再经一系列后处理获得高导热系数、高强度的石墨散热器。

本发明提供了一种石墨散热器，包括散热基板1、热柱2、散热翅片3和连接肋片4；热柱2设置在散热基板1的中心处，以热柱2为中心放射状分布有多个散热翅片3，为提高对流换热系数，每个散热翅片3上开有多个小孔5以提高流体的流动，从而提高对流换热系数，为了增加散热面积，散热翅片3设计成曲面形，沿散热翅片3的圆周方向的不同半径处，设计有多个连接肋片4，以提高其刚度、增大散热面积。

所述的散热翅片3个数在15~25之间；所述的连接肋片4有1~6个；所述的散热翅片3上的小孔5直径在φ4~φ10之间，每个散热翅片3上小孔个数为1~3个。曲面形散热翅片3为正弦曲面，且该曲面对应正弦函数的周期不低于4π。

本发明提供了一种石墨散热器的整体成型方法，具体包括如下步骤：

（1）混合粉末制备：将鳞片石墨粉末、有机粘接剂粉末与硅粉按一定比例分批加入球磨机中混合均匀，获得混合粉末；所述混合粉末中鳞片石墨粉末所占质量分数为40%~60%，粘接剂粉末所占质量分数为30~45%，硅粉所占质量分数为10%~25%。所述的有机粘接剂粉末是指酚醛树脂、呋喃树脂中一种；所述的硅粉指纯度为99.9%金属硅粉；上述三种粉末粒度在200~500目之间；

（2）整体3D打印成型：将上述混合粉末加入选择性激光烧结成型机中，快速制备石墨散热器坯体；

（3）预制体制备：将石墨散热器坯体二次固化、真空压力浸渍、干燥，获得石墨散热器预制体；所述的二次固化是将石墨散热器放入烘箱内加热至有机粘接剂粉末的固化温度，并保温30~60min；所述的真空压力浸渍是指在真空度小于200Pa环境下，将石墨散热器放入质量浓度为30~40wt%环氧树脂或酚醛树脂浸渍液中，浸渍30~60min，所述的干燥是指将真空压力浸渍完成后石墨散热器放入50~60℃烘箱中完全烘干；

（4）炭化、埋碳高温烧结：在惰性气体保护下，用50~80目高纯（质量分数为99.5%）石墨粉末将石墨散热器预制体包埋，随后炭化、高温烧结，获得石墨散热器。所述炭化、埋碳高温烧结工艺为：在氮气或氩气保护下，以30~60℃/h的速度升温至200℃，以10~30℃/h升温至600℃，以60~120℃/h升温至800℃，保温30~60min后，继续升温至1350~1500℃，保温1-3h。

与传统的石墨散热器相比，本发明所提供的石墨散热器具有表面积大、对流换热系数高、导热系数高、强度高、刚性好、散热效果佳等特点，其导热系数不低于100W/m·K，抗弯强度不低于30MPa。本发明提供整体成型方法工艺简单、实用、生产成本低，能够实现任意复杂结构石墨散热器的整体成型。

研究表明，本发明的平面翅片散热面积明显小于波浪形翅片的散热面积，在散热翅片上开设小孔有利于空气流通，提高对流换热系数，获得更好的散热效果，然而，采取传统的模压成型或挤压成型方法难以制备上述多孔、波浪形散热翅片。因此，寻求一种具有较大散热面积、较佳散热效果的石墨散热器及其制备方法具有工程实际应用价值。

附图说明

图1为本发明所提供的石墨散热器的俯视图。图中1为散热基板，2为热柱，3为散热翅片，4为连接肋片，5为小孔。

图2为本发明所提供的石墨散热器的等轴测图。图中1为散热基板，2为热柱，3为散热翅片，4为连接肋片，5为小孔。

具体实施方法

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚详细地描述。

实施例1：

如图所示，本实施例提供的一种石墨散热器，包括散热基板1、热柱2、20个散热翅片3和2个连接肋片4；热柱2设置在散热基板中心1处，以热柱2为中心20个散热翅片3呈放射状分布，为提高对流换热系数，上述散热翅片3上开有小孔5，为了增加散热面积，散热翅片3设计成曲面形，沿石墨散热器圆周方向的不同半径处，设计有连接肋片4，它们将散热翅片3连接在一起，以提高整体刚度。本实施例具体尺寸如下：基板直径40mm，厚度2mm；热柱直径为10mm，高35mm；翅片厚度0.8mm，翅片对应正弦函数的周期是4π；小孔直径4mm，肋片高2mm，厚度0.8mm。该结构与一般的平直翅片结构相比，散热面积增加了5%。

本实施例提供一种石墨散热器的整体成型方法，具体步骤如下：

（1）混合粉末制备：选定鳞片石墨粉末、酚醛树脂粉末、硅粉三种材料所占质量分数分别为45%、40%、15%。将200目酚醛树脂粉末与200目硅粉按比例加入球磨机中混合2h均匀，随后加入鳞片石墨粉末混合2h，得到所需的混合粉末。其中鳞片石墨粉末颗粒大小有50%在150 ~270目之间，另外50%在270目以下；

（2）整体3D打印成型：将上述混合粉末加入选择性激光烧结成型机中，快速制备石墨散热器坯体；

（3）预制体制备：首先将石墨散热器坯体二次固化，根据酚醛树脂的TG曲线，二次固化的温度选择为180℃，时间为45min；然后在100Pa真空环境下进行压力浸渍，时间为30min，浸渍液选用液态酚醛树脂；浸渍完成后将坯体放入鼓风干燥箱中进行对流干燥，为避免温度过高产生气孔，选择干燥温度为60℃，以多次称重后不减重为烘干标准，得到石墨散热器预制体；

（4）炭化、埋碳高温烧结：在惰性气体保护下，用80目高纯（质量分数为99.5%）石墨粉末将石墨散热器预制体包埋，随后炭化、高温烧结，获得石墨散热器。炭化、埋碳高温烧结工艺为：在氮气保护下，以60℃/h的速度升温至200℃，以30℃/h升温至600℃，以60℃/h升温至800℃，保温60min后，继续以60℃/h升温至1550℃，保温3h。

按本实施例的整体成型方法制备的石墨散热器经经过测试，其导热系数为125W/m·K，抗弯强度为35MPa。

实施例2：

如图所示，本发明提供了一种石墨散热器，包括散热基板1、热柱2、15个散热翅片3和2连接肋片4；热柱2设置在散热基板中心1处，以热柱2为中心15个散热翅片3呈放射状分布，为提高对流换热系数，上述散热翅片3上开有小孔5，为了增加散热面积，散热翅片3设计成曲面形，沿石墨散热器圆周方向的不同半径处，设计有连接肋片4，它们将散热翅片3连接在一起，以提高整体刚度。本实施例具体尺寸如下：基板直径40mm，厚度2mm；热柱直径为10mm，高35mm；翅片厚度0.8mm，翅片对应正弦函数的周期是4π；小孔直径4mm；肋片高2mm，厚度0.8mm。该结构与一般的平直翅片结构相比，散热面积增加了6.4%。

本实施例提供一种石墨散热器的整体成型方法，具体步骤如下：

（1）混合粉末制备：选定鳞片石墨粉末、酚醛树脂粉末、硅粉三种材料所占质量分数分别为40%、45%、15%。将200目酚醛树脂粉末与200目硅粉加入球磨机中混合2h均匀，随后加入鳞片石墨粉末再混合2h，得到所需的混合粉末。其中鳞片石墨粉末颗粒大小有50%在150 ~270目之间，另有50%在270目以下；

（2）整体3D打印成型：将上述混合粉末加入选择性激光烧结成型机中，快速制备石墨散热器坯体；

（3）预制体制备：首先将石墨散热器坯体二次固化，根据酚醛树脂的TG曲线，二次固化的温度选择为180℃，时间为45min；然后在200Pa真空环境下进行压力浸渍，时间为45min，浸渍液选用液态酚醛树脂；浸渍完成后将坯体放入鼓风干燥箱中进行对流干燥，为避免温度过高产生气孔，选择干燥温度为60℃，以多次称重后不减重为烘干标准，得到石墨散热器预制体；

（4）炭化、埋碳高温烧结：在惰性气体保护下，用50目高纯（质量分数为99.5%）石墨粉末将石墨散热器预制体包埋，随后炭化、高温烧结，获得石墨散热器。炭化、埋碳高温烧结工艺为：在氮气保护下，以60℃/h的速度升温至200℃，以30℃/h升温至600℃，以60℃/h升温至800℃，保温60min后，继续升温至1450℃，保温3h。

按本实施例的整体成型方法制备的石墨散热器经经过测试，其导热系数为105W/m·K，抗弯强度为42MPa。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种石墨散热器的整体成型方法，其特征在于：该石墨散热器的结构包括散热基板(1)、热柱(2)、散热翅片(3)和连接肋片(4)；热柱(2)设置在散热基板(1)的中心处，以热柱(2)为中心放射状分布有多个散热翅片(3)，每个散热翅片(3)上开有多个小孔(5)，散热翅片(3)设计成曲面形，沿散热翅片(3)的圆周方向的不同半径处，设计有多个连接肋片(4)，该石墨散热器的成型方法，包括如下步骤：

（1）混合粉末制备：将鳞片石墨粉末、有机粘接剂粉末与硅粉混合后分批加入球磨机中混合均匀，获得混合粉末；

（2）整体3D打印成型：将上述混合粉末加入选择性激光烧结成型机中，快速制备石墨散热器坯体；

（3）预制体制备：将石墨散热器坯体二次固化、真空压力浸渍、干燥，获得石墨散热器预制体，所述的真空压力浸渍是指在真空度100-200Pa环境下，将石墨散热器放入质量浓度为30~40wt%环氧树脂或酚醛树脂浸渍液中，浸渍30~60min，所述的干燥是指将真空压力浸渍完成后石墨散热器放入50~60℃烘箱中完全烘干；

（4）炭化、埋碳高温烧结：在氮气或氩气保护下，用50~80目质量分数为99.5%及以上的石墨粉末将石墨散热器预制体包埋，以30~60℃/h的速度升温至200℃，然后以10~30℃/h升温至600℃，最后以60~120℃/h升温至800℃，保温30~60min后，以60~120℃/h升温至1350~1500℃，保温1-3h，获得石墨散热器。

2.根据权利要求1所述的石墨散热器的整体成型方法，其特征在于：所述的散热翅片(3)个数在15~25之间；所述的连接肋片(4)有1~6个；所述的散热翅片(3)上的小孔（5）直径在4 mm ~10 mm之间，每个散热翅片(3)上小孔个数为1~3个。

3.根据权利要求1所述的石墨散热器的整体成型方法，其特征在于：曲面形散热翅片(3)为正弦曲面，且该曲面对应正弦函数的周期不低于4π。

4.根据权利要求1所述的石墨散热器的整体成型方法，其特征在于：所述混合粉末中鳞片石墨粉末所占质量分数为40%~60%，有机粘接剂粉末所占质量分数为30~45%，硅粉所占质量分数为10%~25%，所述的硅粉指纯度为99.9%金属硅粉；上述三种粉末粒度在200~500目之间。

5.根据权利要求1所述的石墨散热器的整体成型方法，其特征在于：所述的有机粘接剂粉末是指酚醛树脂、呋喃树脂中一种。

6.根据权利要求1所述的石墨散热器的整体成型方法，其特征在于：所述的二次固化是将石墨散热器放入烘箱内加热至有机粘接剂粉末的固化温度，并保温30~60min。