CN107936777A - 一种三维网络多孔导热散热器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三维网络多孔导热散热器件及其制备方法，包括泡沫金属、高导热高热辐射材料、相变传热材料，通过填充于泡沫金属骨架丝网的内部孔道填充的相变传热材料来增强传热性能，通过涂覆于泡沫金属骨架表面的高导热高热辐射材料来增强散热性能，适用于电子行业，解决发热元器件的散热问题。

Description

一种三维网络多孔导热散热器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子元器件的散热材料领域，尤其涉及一种三维网络多孔导热散热器件及其制备方法。
背景技术
近年电子散热技术逐步受到瞩目，主要是与日新月异的电子产品飞速发展有相当大的关联，不断更新的个人电脑、笔记本电脑、智能手机、柔性显示屏、数码投影机等进入便携式和微型化年代，人们在期望获得高效的处理速度外，还希望产品具有更轻薄的的外形和更高的计算速度，以满足高速，便携，移动工作的要求。电子器件因此不断地往高频、高速以及集成电路的密集和小型化的方向发展，使得单位容积电子器件的发热量快速增大，局部热流密度非常大，热量容易在局部发生聚集，导致局部温度过高，热流密度分布不均匀。研究和实际应用表明，电子元件的故障发生率是随工作温度的提高而呈指数关系增长的，单个半导体元件的温度每升高 10℃，系统的可靠性将降低 50%。这是因为高温会对电子元器件的性能产生非常有害的影响，例如高温会危及到半导体的结点、损伤电路的连接界面，增加导体的阻值和形成机械应力的损伤，研究表明，超过 55%的电子设备的失效形式是由温度过高引起的。因此，电子器件的冷却技术已经成为微电子技术发展的关键，利用设计精良的散热器组件中的高导热系数的材料和结构把热量从电子元器件传到散热器上，再通过大的表面积和高的热交换系数传到大气中，使电子器件冷却下来，是当前传热散热领域研究的重点。
由于泡沫金属中具有表面积大、流通性好的特点,而且单位体积的热容较小,因此当流体从泡沫金属中通过时,金属基体能迅速的将热量传递给流体,使得热量能被迅速带出,尤其是在强迫对流条件下,流体会在材料内产生的复杂的紊流,促进了金属基体与流体的热量交换,使得材料的散热效果明显加强。在所有的金属材料中,铜的导热系数仅次于银,这使得泡沫铜在散热领域具有其他材料无法比拟的优势,泡沫铜具有导热性好,散热面积大,质量轻等优点,可以用来制备高性能的CPU和GPU以及LED等高热流密度元器件的散热器或者导热管。目前应用泡沫金属比较多的是热管，即把泡沫金属作为吸液芯填充在圆柱形热管或者平板型热管内部的空腔中，再注入相变传热材料，相变材料填充在泡沫金属内部的空隙中，通过相变材料的融化或蒸发来提高传热的速度。但是这种传统的热管存在散热面积小、重量较大、厚度较厚的缺点，很难满足未来集成电路轻薄化的要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种三维网络多孔导热散热器件及其制备方法，本发明具有工艺简单、使用方便的特点，该导热散热器件具有优异的导热性能和散热功能，可以快速地将热量从发热体扩散，可以在手机、平板电脑、显示屏、笔记本电脑等电子设备中应用。
本发明的技术方案为：
一种三维网络多孔导热散热器件，包括泡沫金属、高导热高热辐射材料、相变传热材料，其特征在于：
以泡沫金属为基体，在泡沫金属的表面覆盖有高导热高热辐射材料，在构成泡沫金属骨架的丝网的内部孔道填充有相变传热材料，
所述的泡沫金属的厚度为0.5mm～100mm，平均孔直径为0.05mm～20mm，构成泡沫金属的丝网的内部孔道平均截面积为0.2mm2～50mm2；
所述高导热高热辐射材料的平均厚度为0.5μm～2000μm；
所述高导热高热辐射材料按照质量分数计算包括：主体树脂10%～50%，填料1%～40%，稀释剂20%～60%，助剂1%～10%；
所述主体树脂包括以下物质的一种或多种：丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、环氧树脂；
所述的填料由单独的导热填料、热辐射填料或者两者的混合物组成；
所述导热填料包括以下物质的一种或多种：氮化硅、氮化铝、氮化硼、氧化锌、氧化铍、银、铜、铝、石墨、金刚石、炭黑、碳纳米管、石墨烯；
所述热辐射填料包括以下物质的一种或多种：云母、石墨、碳化硅、二氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化铁、氧化铜、氧化钴、三氧化二铬、二氧化钛、二氧化锆、二氧化锰、氧化镁、氧化镧；
所述导热填料的平均粒径为0.1～1000μm，其导热系数为20W/m•K～600W/ m•K；
所述热辐射填料的平均粒径为0.2～1000μm，其热辐射系数为0.80～0.97；
所述稀释剂包括以下物质的一种或多种：水、乙醇、丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二甲苯、丁酮、丙酮、苯甲醇、环己酮、醚醇；
所述助剂包括以下物质的一种或多种：分散剂、偶联剂、消泡剂、流平剂、增稠剂、固化剂。
所述的相变传热材料包括以下物质的一种或多种：水、高级脂肪烃类、脂肪酸或其脂或其盐类、醇类、芳香烃类、脂肪酮类、芳香酮类、酰胺类、氟利昂类、多羟基碳酸类、低熔点液态金属。
所述的相变传热材料占泡沫金属的丝网的内部孔道的体积分数为30%～90%。
所述的泡沫金属是由Ni、Cu、Fe、Al、Ag中的任意一类金属形成的单金属材料，或是上述金属种类中任意两类或两类以上形成的多层金属或者合金。
一种三维网络多孔导热散热器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤一: 将导热填料和散热填料分散于所述主体树脂中搅拌均匀，加入助剂和稀释剂后将混合物放入分散机中使用锆珠进行研磨分散，分散机转速500～3000转，分散时间0.5～5小时，最后把经过研磨分散的混合物用筛网过滤，得到高导热高热辐射材料；
步骤二：将一块泡沫金属的任意五个面分别浸入树脂或者步骤一制备的高导热高热辐射材料中，使泡沫金属表面上的丝网的开口被树脂封闭，然后使树脂或者高导热高热辐射材料固化；
步骤三：通过步骤二中未进行封闭的泡沫金属的表面上金属丝网的开口，往金属丝网的内部孔道中注入相变传热材料，完成后用树脂或者步骤一制备的高导热高热辐射材料将剩余未封闭表面上的丝网开口封闭，最后使树脂或者高导热高热辐射材料固化；
步骤四：将步骤一制备的高导热高热辐射材料使用稀释剂进行稀释后，通过喷涂法、刷涂法、浸涂法、淋涂法的其中一种方法涂覆于经过步骤二处理的泡沫金属基体上；
所述锆珠为氧化锆，锆珠粒径为0.1～5mm，锆珠加入量为球磨罐容积的50%～85%。
泡沫金属的制备过程是以具有三维多孔结构的聚氨酯海绵为模板，先在海绵表面用化学镀或者真空镀的方法先沉积一层导电薄层，然后通过电沉积的方法继续沉积所需金属，再通过热解的方式除掉海绵，还原退火后，即可得到泡沫金属材料。因此，泡沫金属除了内部布满互相连通的空隙之外，其支撑起整个结构的金属丝网内部也是中空的，这是因为在未进行热解除去海绵以前，丝网的金属层包裹着芯部的海绵丝网，在热解工序之后海绵与氧气反应气化，就得到了泡沫金属丝网内部的孔道。
由于泡沫金属结构内部充满孔隙，金属丝网内部也是中空结构，因此它的导热系数会比同样厚度的铜板差很多。如果在内部空隙中填充导热良好的材料，虽然可以提高泡沫金属的导热系数，这会使得泡沫金属的比表面积大大降低。而本发明通过在泡沫金属丝网的内部孔道中灌注相变传热材料，来提高泡沫金属的导热能力，并且不影响其比表面积。而在泡沫金属丝网的表面涂覆一层高导热高热辐射材料，可以显著提高泡沫金属的散热能力。与平板金属相比，本发明的一种三维网络多孔导热散热器件具有表面积大，散热速度快的优点，并且其内部的空隙可以是连通的，在空气对流的情况下可以快速地与外界进行热交换而降温，因而可以适用于发热量更大的电子元器件的散热。
附图说明
图1 本发明的一种三维网络多孔导热散热器件结构及其丝网截面的示意图。
图2 本发明的一种三维网络多孔导热散热器件。
图3 本发明的一种三维网络多孔导热散热器件的制备方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步说明本发明所述的一种三维网络多孔导热散热器件及其制备方法。
实施例一：
以厚度为5mm，平均孔直径为1mm的泡沫铜为基体，构成泡沫金属的丝网的内部孔道平均截面积为1mm2。
高导热高热辐射材料的厚度为3μm，其组成为：主体树脂占40%，导热填料8%、热辐射填料12%，助剂8%，稀释剂32%，其中主体树脂为环氧树脂，导热填料为氮化硼，热辐射填料为云母，氮化硼的平均粒径为1μm，其导热系数为125 W/ m·K，所述热辐射填料的平均粒径为0.5μm，其热辐射系数为0.91；助剂包括分散剂、偶联剂、消泡剂、流平剂，稀释剂为甲苯。先把导热填料和热辐射填料加入环氧树脂中搅拌均匀，加入助剂后放入分散机中使用粒径1.5mm的锆珠研磨分散0.5小时，分散机转速为500转/小时，锆珠加入量为球磨罐容积的75%。分散完成后使用筛网过滤，得到高导热高热辐射材料。
将泡沫铜的任意五个面分别浸入环氧树脂中，如图2所示的21、22、23、24、25五个面，待泡沫铜表面上的丝网的开口被树脂封闭后，将树脂固化，然后通过未进行封闭的泡沫铜表面26上金属丝网的开口，往金属丝网的内部孔道中注入乙醇，完成后用环氧树脂将未封闭的泡沫铜表面26进行封闭，最后使环氧树脂固化。
将高导热高热辐射材料使用甲苯稀释后，通过浸涂法涂覆于泡沫铜表面上，待高导热高热辐射材料固化后，得到一种三维网络多孔导热散热器件，其结构如图1所示，其中11为构成泡沫金属骨架的丝网，12为泡沫金属丝网的截面，13为涂覆于泡沫金属骨架表面的高导热高热辐射材料，14为填充于丝网孔道内的乙醇。
实施例二：
以厚度为10mm，平均孔直径为8mm的泡沫铝为基体，泡沫铝表面覆盖有铜沉积层，构成泡沫金属的丝网的内部孔道平均截面积为4mm2。
高导热高热辐射材料平均厚度为10μm，其组成为：主体树脂占40%，导热填料10%、热辐射填料15%，助剂6%，稀释剂29%，其中主体树脂为聚氨酯，导热填料为平均粒径为5μm的氮化硅、平均粒径为30μm的膨胀石墨，热辐射填料为平均粒径为10μm的二氧化锆、平均粒径为0.5μm的二氧化硅、平均粒径为1μm的氧化铝。助剂包括分散剂、偶联剂、消泡剂、流平剂，稀释剂为乙酸乙酯。先把导热填料和热辐射填料加入聚氨酯中搅拌均匀，加入助剂后放入分散机中使用粒径3mm的锆珠研磨分散2小时，分散机转速为1500转/小时，锆珠加入量为球磨罐容积的60%。分散完成后使用筛网过滤，得到高导热高热辐射材料。
将泡沫铝的任意五个面分别浸入聚氨酯中，如图2所示的21、22、23、24、25五个面，待泡沫铝表面上的丝网的开口被树脂封闭后，将树脂固化，然后通过未进行封闭的泡沫铝表面26上金属丝网的开口，往金属丝网的内部孔道中注入丙酮和水的混合物，完成后用聚氨酯将未封闭的泡沫铜表面26进行封闭，最后使聚氨酯固化。
将高导热高热辐射材料使用乙酸乙酯稀释后，通过喷涂法涂覆于泡沫铜表面上，待高导热高热辐射材料固化后，得到一种三维网络多孔导热散热器件，其结构如图1所示，其中11为构成泡沫金属骨架的丝网，12为泡沫金属丝网的截面，13为涂覆于泡沫金属丝网表面的高导热高热辐射材料，14为填充于丝网孔道内的乙醇丙酮和水的混合物。
实施例三：
以厚度为45mm，平均孔直径为10mm的泡沫铜镍合金为基体，构成泡沫金属的丝网的内部孔道平均截面积为6mm2。
高导热高热辐射材料平均厚度为100μm，其组成为：主体树脂占35%，导热填料10%、热辐射填料10%，助剂12%，稀释剂33%，其中主体树脂为丙烯酸树脂，导热填料为平均粒径为0.5μm的氮化铝、平均粒径为0.01μm的石墨烯，热辐射填料为平均粒径为10μm的二氧化锰、平均粒径为5μm的氧化铁、氧化铜和氧化钴。助剂包括分散剂、偶联剂、消泡剂、流平剂，稀释剂为水。先把导热填料和热辐射填料加入丙烯酸树脂中搅拌均匀，加入助剂后放入分散机中使用粒径2.5mm的锆珠研磨分散3小时，分散机转速为800转/小时，锆珠加入量为球磨罐容积的70%。分散完成后使用筛网过滤，得到高导热高热辐射材料。
将泡沫铜镍合金的任意五个面分别浸入丙烯酸树脂中，如图2所示的21、22、23、24、25五个面，待泡沫铜镍合金表面上的丝网的开口被树脂封闭后，将树脂固化，然后通过未进行封闭的泡沫铜镍合金表面26上金属丝网的开口，往金属丝网的内部孔道中注入熔点为29.8℃的液体纯镓，完成后用丙烯酸树脂将未封闭的泡沫铜镍合金表面26进行封闭，最后使树脂固化。
将高导热高热辐射材料使用水稀释后，通过刷涂法涂覆于泡沫铜镍合金表面上，待高导热高热辐射材料固化后，得到一种三维网络多孔导热散热器件，其结构如图1所示，其中11为构成泡沫金属骨架的丝网，12为泡沫金属丝网的截面，13为涂覆于泡沫金属丝网表面的高导热高热辐射材料，14为填充于丝网孔道内的纯镓。

Claims (4)

1.一种三维网络多孔导热散热器件，包括泡沫金属、高导热高热辐射材料、相变传热材料，其特征在于：
以泡沫金属为基体，在泡沫金属的表面覆盖有高导热高热辐射材料，在构成泡沫金属骨架的丝网的内部孔道填充有相变传热材料，
所述的泡沫金属的厚度为0.5mm～100mm，平均孔直径为0.05mm～20mm，构成泡沫金属的丝网的内部孔道平均截面积为0.2mm2～50mm2；
所述高导热高热辐射材料的平均厚度为0.5μm～2000μm；
所述高导热高热辐射材料按照质量分数计算包括：主体树脂10%～50%，填料1%～40%，稀释剂20%～60%，助剂1%～10%；
所述主体树脂包括以下物质的一种或多种：丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、醇酸树脂、环氧树脂；
所述的填料由单独的导热填料、热辐射填料或者两者的混合物组成；
所述导热填料包括以下物质的一种或多种：氮化硅、氮化铝、氮化硼、氧化锌、氧化铍、银、铜、铝、石墨、金刚石、炭黑、碳纳米管、石墨烯；
所述热辐射填料包括以下物质的一种或多种：云母、石墨、碳化硅、二氧化硅、氧化铝、氧化铈、氧化铁、氧化铜、氧化钴、三氧化二铬、二氧化钛、二氧化锆、二氧化锰、氧化镁、氧化镧；
所述导热填料的平均粒径为0.1～1000μm，其导热系数为20W/m·K～600W/ m·K；
所述热辐射填料的平均粒径为0.2～1000μm，其热辐射系数为0.80～0.97；
所述稀释剂包括以下物质的一种或多种：水、乙醇、丁醇、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、甲苯、二甲苯、丁酮、丙酮、苯甲醇、环己酮、醚醇；
所述助剂包括以下物质的一种或多种：分散剂、偶联剂、消泡剂、流平剂、增稠剂、固化剂；
所述的相变传热材料包括以下物质的一种或多种：水、高级脂肪烃类、脂肪酸或其脂或其盐类、醇类、芳香烃类、脂肪酮类、芳香酮类、酰胺类、氟利昂类、多羟基碳酸类、低熔点液态金属；
所述的相变传热材料占泡沫金属的丝网的内部孔道的体积分数为30%～90%。
2.根据权利要求1所述的一种三维网络多孔导热散热器件及其制备方法，其特征在于所述的泡沫金属是由Ni、Cu、Fe、Al、Ag中的任意一类金属形成的单金属材料，或是上述金属种类中任意两类或两类以上形成的多层金属或者合金。
3.根据权利要求1所述的一种三维网络多孔导热散热器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤:
步骤一: 将导热填料和散热填料分散于所述主体树脂中搅拌均匀，加入助剂和稀释剂后将混合物放入分散机中使用锆珠进行研磨分散，分散机转速500～3000转，分散时间0.5～5小时，最后把经过研磨分散的混合物用筛网过滤，得到高导热高热辐射材料；
步骤二：将一块泡沫金属的任意五个面分别浸入树脂或者步骤一制备的高导热高热辐射材料中，使泡沫金属表面上的丝网的开口被树脂封闭，然后使树脂或者高导热高热辐射材料固化；
步骤三：通过步骤二中未进行封闭的泡沫金属的表面上金属丝网的开口，往金属丝网的内部孔道中注入相变传热材料，完成后用树脂或者步骤一制备的高导热高热辐射材料将剩余未封闭表面上的丝网开口封闭，最后使树脂或者高导热高热辐射材料固化；
步骤四：将步骤一制备的高导热高热辐射材料使用稀释剂进行稀释后，通过喷涂法、刷涂法、浸涂法、淋涂法的其中一种方法涂覆于经过步骤二处理的泡沫金属基体上。
4.根据权利要求3所述的一种三维网络多孔导热散热器件及其制备方法，其特征在于所述锆珠为氧化锆，锆珠粒径为0.1～5mm，锆珠加入量为球磨罐容积的50%～85%。
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