CN108463090A - 轻量化立体复合均温材 - Google Patents

Abstract

一种轻量化立体复合均温材，是以无机填料粉末，加入高分子胶料均匀混合，经造粒程序处理后形成一加劲复合材料；再以加粉设备送至压铸模具，经加压叠构固化成一表面具有立体散热构造的立体复合均温材。借此，以粉体压铸叠构成型的立体复合均温材，其比重等于或低于2.0，较目前的金属热散片有较低的重量，均温散热效果较佳，可应用于任何形式的散热电子产品上，且立体复合均温材可根据产品的立体结构开具相对应的模具，可与热源或芯片连结而具均温散热的功能。

Description

轻量化立体复合均温材

技术领域

本发明有关一种立体复合均温材的制备方法，尤指一种轻量化的立体复合均温材。

背景技术

随着电子类产品的不断升级汰换，高集成以及高性能电子设备的日益增长，在我们的日常生活中所使用，以移动电话、笔记型计算机或为代表的各种3C电子产品，因工作组件体积尺寸越来越小，工作的速度和效率越来越高，单位体积发热量越来越大。

由于金属材质可快速将热扩散以达到散热的功能，因此在现有技术中，3C电子产品大多是将来自电子零件的热能，经由铜或铝等热传导佳的金属，以热传导方式传递到外部散热。图1A所示即为现有一种铝或铜所制成的金属散热器110，其横向底座112上设有数个纵向的散热鳍片114。但查，金属材质的密度较高，其中铜的比重(Specific Gravity)约8.9，铝的比重约2.7。若需制作成重量较轻的散热器，则需以复杂的工艺制作成多鳍片式，导致加工成本较高。况且，制作成散热鳍片114会增加金属散热器110的纵向高度(h)，此对于手机等轻薄型3C电子产品并不适用。是以，近年来亦有使用石墨片(Graphite Sheet)来代替金属板，但其加工步骤复杂，加工成本高，故较少应用于3C产品。

图1B所示是Advanced Energy Technology Inc.所有的美国第6,758,263号专利，其揭示一种利用石墨作为散热材料的专利，其是在一平状的石墨底座(base plate)134的底面设有一孔洞138，并在该孔洞138设置一金属铜132，且该底座134上有数个互相平行的散热鳍片(Fins)136。但查，该散热装置构造130，虽可透过石墨替换金属作为底座，而减轻散热座的重量，因石墨虽具有高热传导性，但其有方向性(Anisotropic)，亦即虽然石墨的横面方向(X-Y方向)的热传导性佳，但其与横面方向垂直相交的纵方向(Z方向)的热传导率低，以至于有时无法得到充分的散热效果。所以，当底座134吸收金属铜132所传导的热时，该底座134因仅具有平行于热源方向有高热传导性，但并无高导热的通道将热传导至散热鳍片136，所以并无法将热借散热鳍片136迅速向外界扩散，而导致热会停留在底座134；况且散热鳍片136的纵向高度(h)占空间，亦不适用于手机等轻薄型3C电子产品。

此外，石墨片散热片亦存在一个问题，也就是石墨属于层状的构造，因此虽然各层的横面方向的分子，透过共有结合而紧密地结合在一起，但是，与横面方向呈垂直相交的纵方向(Z方向)，则因为分子间是靠凡得瓦力(Van der waals’ force)的结合，因此容易产生层间剥离的问题。

是以，如何利用金属及石墨材料的高导热性特点，以模铸方式一体成型轻量化且低加工成本的散热器，为本发明的主要课题。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题在于，克服现有技术存在的上述缺陷，而提供一种轻量化的立体复合均温材，该立体复合均温材可较目前的金属热散片有较低的重量及体积，均温散热效果较佳，可应用于服务器、桌上机、笔记本、平版计算机、机顶盒、手机、行车记录器、无人空拍机、网通产品或任何形式的散热电子产品；该立体复合均温材可根.据产品的立体结构开具相对应的模具，可直接利用热接口材料(Thermal InterfaceMaterial.，TIM)与芯片串连或不用加入热接口材料而具均温散热的功能；该制备的制作工序简洁，易于实现，成本低，能快速生产出均匀散热材。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种轻量化立体复合均温材的制备方法，包括下列步骤：

(a).提供一加劲复合材料，其是以无机塡料粉末，加入高分子胶料均匀混合，以进行造粒程序处理，该无机塡料粉选自：石墨、碳类材料、石墨烯或高导热无机材料，该无机塡料粉末中加入长度为10nm～10mm的碳类纤维或高分子纤维，作为该无机塡料粉的加劲材料，且经造粒处理后形成粒径300um～3.5mm的加劲复合材料；(b).提供一加粉设备，并将前述的加劲复合材料置入该加粉设备；(c).提供一压铸模具，其包括一上模具及一下模具，该加劲复合材料被送至该压铸模具内之后，以该上、下模具经N次加压该加劲复合材料，其中该N≥1，使其叠构固化成一表面具有立体散热构造的立体复合均温材；以及(d).脱模程序，经成型脱模的立体复合均温材，其比重等于或低于2.0，以形成一具有立体构造且轻量化的立体复合均温材。

依据上揭制备方法，还可包括一步骤(e).提供一高导热金属颗粒，其是以导热值大于95W/mK的高导热金属粉末，经筛选尺寸大小范围为纳米至1mm所构成；以及一步骤(f).将该高导热金属颗粒与该加劲复合材料混合置入该加粉设备。

依据上揭制备方法，于步骤(d).压铸成型的该立体复合均温材，还可包括以浸涂(Dipping)，包射(Mold)或喷涂(Spray)方式将该高分子胶料均匀分散在其表面，形成一层保护膜。

依据上揭制备方法，该立体复合均温材包括为一预定尺寸的薄型片状体，或是依预定散热产品形状所成型的立体构造。

依据上揭特征，该薄型片状体的周围还可包括设有一保护框体，该保护框体具备一上框架及一可卡制在该上框架底内缘的一环框，用以将该立体复合均温材的四周围予以包覆。

借助上揭技术特征，本发明的立体复合均温材，是以加劲复合材料压铸叠构成型，不仅具有足够的强度且比重等于或低于2.0，相较于金属热散片中铜的比重8.9，铝的比重2.7，有较轻的重量，可应用于任何形式的散热电子产品上，且加劲复合材料中的石墨材或层状无机材，平面方向(X轴-Y轴平面)的高导热性能，可将热源产生的热能沿着该平面方向传导而达到极佳的散热及均温效果，而加入高导热金属颗粒与加劲复合材料混合，还提升了厚度方向(Z轴方向)的导热，再者，压铸叠构成型的立体复合均温材，具有模块化并能快速生产的功效。

本发明的有益效果是，该立体复合均温材可较目前的金属热散片有较低的重量及体积，均温散热效果较佳，可应用于服务器、桌上机、笔记本、平版计算机、机顶盒、手机、行车记录器、无人空拍机、网通产品或任何形式的散热电子产品；该立体复合均温材可根据产品的立体结构开具相对应的模具，可直接利用热接口材料(Thermal InterfaceMaterial.，TIM)与芯片串连或不用加入热接口材料而具均温散热的功能；该制备的制作工序简洁，易于实现，成本低，能快速生产出均匀散热材。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1A是现有金属散热器的结构示意图。

图1B是现有美国第6,758,263号专利的散热器示意图。

图2是本发明轻量化立体复合均温材制备流程图。

图3是本发明立体复合均温材的外观立体图。

图4是发明立体复合均温材的剖视图。

图4A是图4中4A所指的放大剖视图。

图5是本发明结合外框的分解立体图。

图6是本发明结合外框的组合立体图。

图7是本发明结合外框的的剖视图。

图8A至图8F是本发明立体复合均温材压铸过程示意图。

图9是本发明另一种立体复合均温材的压铸示意图。

图10是显示本发明立体复合均温材实际测试例的感测点位置。

图中标号说明：.

10、10A 立体复合均温材

101 底面

102 表面

103 保护膜

11 无机塡料粉末

12 高分子胶料

13 碳类纤维

14 加劲复合材料

15 高导热金属颗粒

16 保护框体

161 上框架

162 环框

20 加粉设备

30 压铸模具

40 上模具

41 上模座

411 上模穴

412 入料通道

42 上模仁

421 凹凸结构

50 下模具

51 下模座

511 下模穴

52 下模仁

53 顶杆

H 热源

SENSOR 1、2、3、4感测点1、2、3、4

具体实施方式

首先，请参阅图2所示，本发明轻量化立体复合均温材的制备方法，包括下列步骤：

(a).提供一加劲复合材料14，其是以无机塡料粉末11，加入高分子胶料12均匀混合，以进行造粒程序处理，该无机塡料粉末11选自：石墨、石墨烯、碳类材料或高导热无机填料，例如任何形态的石墨(如天然石墨，人工石墨等)，任何形态的石墨烯(如氧化石墨烯，还原石墨烯)，纳米碳管，碳六十，竹碳，任何形态的碳黑，任何类形的碳类纤维(碳纤维，石墨纤维，石墨烯纤维等)，高分子纤维(如聚酯纤维，耐龙纤维，克夫拉纤维，聚丙烯腈纤维)。高导热无机材包含二氧化硅、氮化硼、氮化铝、碳化硅、钻石或云母等所构成的层状无机材。

虽然前述石墨及碳类材料具有高热传导性，为散热的好材料，但该等材料本身的结构强度不足。为此，在该无机塡料粉末11中加入长度为10nm～10mm的碳类纤维或高分子纤维13，作为该无机塡料粉末11的加劲材料，且经造粒处理后形成粒径300um～3.5mm的加劲复合材料14。亦即加劲复合材料14中的碳类纤维或高分子纤维13，就犹如水泥中的钢筋一样，具有增进结构强度的功效。

本实施例中，造粒处理方式包括以溶剂将高分子胶料12溶解再将无机塡料粉末11配比加入干燥而成，或将高分子胶料12及无机塡料粉末11，经由复合加热方式(塑料造料)二种方式，以获得所要的加劲复合材料14。该无机塡料粉末11与该高分子胶料12的重量百分比为80～95％∶5～20％。一较佳实施例的重量百分比为85％∶15％。

前述该高分子胶料包含热塑型或热固型两种，如沥青(Asphalt)、聚乙烯醇树脂(PolyVinylAlcohol.，PVA)、聚醋酸乙烯醇树脂(PolyVinylAcetate.，PVAc)、聚酰亚胺树脂(Polyimide resin.，PI)、聚氨酯(PolyUrethane.，PU)、聚乙二醇(Poly EthyleneGlycol.，PEG)、聚乙烯(PolyEthylene.，PE)、聚氯乙烯(PolyVinylChloride.，PVC)、酚醛树脂(Phenolic Resin)、环氧树脂(Epoxy)、聚甲基丙烯酸甲酯(PolyMethylMethAcrylate.，PMMA)、或任何可溶化或熔化的高分子材料，其高分子胶料可为水溶性或溶剂型。

(b).提供一加粉设备20，并将前述的加劲复合材料11置入该加粉设备20；该加粉设备20用以将该加劲复合材料11送至一压铸模具30，

(c).提供一压铸模具30，其包括一上模具40及一下模具50，该加劲复合材料14被送至该压铸模具30内之后，以该上、下模具40、50经N次加压该加劲复合材料14，其中该N≥1，而施加压力时先经由初级加压后再二次加压，且保持等压模式至少3秒以上，使其叠构固化为一表面具有立体构造的立体复合均温材10；本实施例中，该加粉设备20以单批式或连续式添加粉料于该压铸模具30内，该粉料压铸模具30，再以30MPa至300MPa之间的压力，施加于上模具40，经由初级加压或二次加压及保持等压模式至少3秒以上，再予以脱模成型。

(d).脱模程序，经压铸成型的立体复合均温材10，其比重低于2.0，以形成一具有立体构造且轻量化的立体复合均温材10，如图3所示。

图4是本发明的剖视图，图4A是主要构造放大示意图，经压铸叠构的立体复合均温材10，其厚度(Z轴方向)可达到0.5mm以上，该立体复合均温材10的底面101可为平面，以便贴合在芯片等热源上进行散热，当然底面101亦可配合热源形状，设成非平面，至于表面102可设成鳍片状或波浪状结构，帮助立体复合均温材10在厚度方向(Z轴方向)的散热。值得注意的是，该加劲复合材料11之间的结合，并非传统石墨片是以凡得瓦力(van der waals’force)予以结合，而是以压铸该加劲复合材料11所制备成型，又因该加劲复合材料11中混合有碳类纤维或高分子纤维13，所以材料结合强度佳，没有传统石墨片易产生层间剥离的问题。简言之，本发明克服了以传统石墨片易产生层间剥离的缺失，但是保有石墨及碳类材料面方向(X-Y轴平面)高导热特性的优点，加上是使用压铸成型，所以Z轴方向可通过开设模具，即可成型为鳍片状或波浪状，而传统石墨片无法成型为鳍片状或波浪状，而金属散热器虽可设有鳍片，但加工繁琐，且占空间。此外，立体复合均温材10因含有石墨及碳类材料，因此表面呈现粉状，虽然不影响其均温散热功能，但为避免出现掉粉，本实施例中，压铸成型的该立体复合均温材10，还可包括以浸涂(Dipping)，包射(Mold)或喷涂(Spray)方式将该高分子胶料均匀分散在其表面，形成一层保护膜103。借此可避免出现掉粉、断裂，影响外观和使用现象发生，提高立体复合均温材10的稳定性及可靠性。

本实施例中，该立体复合均温材10包括为一预定尺寸的薄型片状体，或是依预定电子散热产品形状所成型的立体构造。值得一提的是，该立体复合均温材10虽然不是金属制成，但是已顺利通过120cm以上的落摔试验，确实具有可供产业利用性。

进一步，如图5、图6所示，该薄型片状体的周围还设有一保护框体16，该保护框体16具备一上框架161及一可卡制在该上框架161底内缘的一环框162，用以将该立体复合均温材10的四周围予以包覆。如此一来，该立体复合均温材10其整体结构更加结实稳固；该保护框体16可为金属框所构成。再者亦可以金属箔包覆住其边框或全部，以保护其抗落摔。

请再配合图2及图4A所示。在一较佳实施例中，本发明还包括一步骤(e).亦即可提供一高导热金属颗粒15，其是以导热值大于90W/MK的高导热金属粉末，筛选尺寸大小范围为纳米至1mm所构成；以及一步骤(f).将该高导热金属颗粒15与该加劲复合材料14混合置入该加粉设备20。本实施例中，该高导热金属颗粒14选自金，银，铜，铁，铝，钛，或以上二者或二者以上的颗粒合金。该高导热金属颗粒15与该加劲复合材料14的重量百分比为10％～25％∶75～90％。借助高导热金属颗粒15提升了该立体复合均温材10于厚度方向(Z轴高度)的导热，二者相辅相成，达到快速扩散、均匀散热的目的。

在上述步骤(c).中所述的压铸模具30，包括以直立式压铸或回转式压铸来实现，以下实施例将以直立式压铸方式来说明，其一可行实施例及成型过程如图8A至图8F所示，该上模具40是对应压合在该下模具50的上方，该下模具50包括一下模座51、一安装在该下模座51内的下模仁52，及一可在该下模仁52内位移的顶杆53，且该下模座51具有一下模穴511；该上模40包括一上模座41，及一可在该上模座41内位移的上模仁42；该上模座41具有一由其底面中央往上延伸且对应于前述下模穴511的上模穴411，以及二对称连通于该上模穴411中间高度处并往斜上延伸贯穿的入料通道412，其中该上模仁42可上下位移容置在该上模穴411内，且其底面是依该立体复合均温材10表面预定的立体形状设有凹凸结构421。

图8A显示该上、下模具40、50打开的状态。图8B显示将上模座41压合在下模座51顶面，并利用该加粉设备20来填入该加劲复合材料14，本实施例中，显示该加劲复合材料14由上模座41的入料通道412填入，但不限于此，例如在回转式压铸过程中，该加劲复合材料14可直接填入下模穴511内，而无须经由上模座41的入料通道412填入，在此并与说明。图8C显示该上模仁42下移，借由上、下模仁42、52相互压合，使下模穴511内的加劲复合材料14被压实，如前所述，该上模座41保持等压模式至少10秒以上。图8D显示该上模座41升起，入料通道412再一次填入加劲复合材料14。图8E显示上模座41及上模仁42再一次下移，使后来填入的加劲复合材料14叠构在先前的加劲复合材料14上方，该加劲复合材料14经N次加压叠构至所预定的厚度，使其成为一表面具有立体构造的立体复合均温材10；其中该N≥1，亦即如果立体复合均温材10的厚度(Z轴方向)在4.0mm以下，可加压叠构1次或1次以上即可。最后图8F显示该上模座41升起，下模仁52的顶杆53将立体复合均温材10顶升出下模穴511，完成脱模程序。

由于该加劲复合材料14的物理性质与金属不同，其本身具有弹性，因此该上模仁42施加压力时，可先经由初级加压数秒后再二次加压，且须保持等压模式至少3秒以上，再予以脱模成型。否则上模仁42一上移后，该加劲复合材料14会膨胀，并无法使该加劲复合材料14压实成为固态的立体复合均温材10，因此保持一段时间的等压模式，就本发明而言为必要的技术手段。

请参阅图9所示，本发明可根据散热产品的形体结构来开具相对应的模具，即将该上模仁42的凹凸结构421根据产品体结构的形状所设成，进而压铸成型一预定形状的立体复合均温材10A，容不赘述。

基于上揭技术手段，本发明立体复合均温材10或10A等，均可较目前的金属热散片有较低的重量及体积，均温散热效果较佳，可应用于服务器、桌上机、笔记本、平版计算机、机顶盒、手机、行车记录器、无人空拍机、网通产品或任何形式的散热电子产品。

《实际测试例》

下表是本发明的散热特性实际测试例，其测试方法是选用一片没有添加高导热金属颗粒15的立体复合均温材10，及一片有添加高导热金属颗粒15的立体复合均温材10，其长宽尺寸为长(58mm)x宽(29mm)x厚(2.4mm)作为基材，与传统铝制及铜制波浪散热块作比较，其尺寸相同，图10显示本发明立体复合均温材10的感测点位置。其中感测点1(Sensor1)位于热源(H)上，感测点2(Sensor2)位于立体复合均温材10表面相对于感测点1(Sensor1)上方，感测点3、4(Sensor3、4)分别距离感测点2(Sensor2)为14.5mm及29mm，传统铝制及铜制波浪散热块的感测点亦相同，测试数据如下：

由上表的测试数据显示，本发明的立体复合均温材10，相较于传统铝制波浪散热块，其热源温度(感测点1)及表面温度(感测点2)分别降低16.1℃(由64.4℃降至48.5℃)及8.9℃(由40.4℃降至31.5℃)，而添加金属颗粒的立体复合均温材其对于热源有加分的降温效果(由64.4℃降至48.1℃)，但其表面温度稍高，代表其热有效带出；至于，感测点3及4，也呈现对应的降温趋势。再者，本发明立体复合均温材10，与传统铜制波浪散热块相比较，热源温度(感测点1)及表面温度(感测点2)分别降低14.3℃(由62.8℃降至48.5℃)及8.7℃(由40.2℃降至31.5℃)，亦呈现显著的降温效果。

是以，本发明的立体复合均温材10，是以加劲复合材料14压铸叠构成型，不仅具有足够的强度且比重等于或低于2.0，相较于金属热散块中，铜的比重8.9，铝的比重2.7，本发明的立体复合均温材10有较轻的重量，可应用于任何形式的散热电子产品上，且加劲复合材料14中的石墨材或层状无机材，具有平面方向(X-Y轴平面)的高导热性能，可将电子产品热源产生的热能沿着该平面方向(X-Y轴平面)传导而达到极佳的均温效果。进一步，加入高导热金属颗粒15与加劲复合材料14混合，提升了该立体复合均温材10于厚度方向(Z轴高度)的导热，二者相辅相成，达到快速扩散、均匀散热的目的，在保证快速散热的基础上，改进电子类产品的性能；再者，压铸叠构成型的立体复合均温材10，具有模块化并能快速生产的功效。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

综上所述，本发明在结构设计、使用实用性及成本效益上，完全符合产业发展所需，且所揭示的结构亦是具有前所未有的创新构造，具有新颖性、创造性、实用性，符合有关发明专利要件的规定，故依法提起申请。

Claims (8)

1.一种轻量化立体复合均温材的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

(a).提供一加劲复合材料，其是以无机填料粉末，加入高分子胶料均匀混合，以进行造粒程序处理，该无机填料粉选自：石墨、石墨烯、碳类材料或高导热无机材料，该无机填料粉末中加入长度为10nm～10um的碳类纤维或高分子纤维，作为该无机填料粉的加劲材料，且经造粒处理后形成粒径300um～3.5mm的加劲复合材料；

(b).提供一加粉设备，并将前述的加劲复合材料置入该加粉设备；

(c).提供一压铸模具，包括一上模具及一下模具，该加劲复合材料被送至该压铸模具内之后，以该上、下模具经N次加压该加劲复合材料，其中该N≥1，而施加压力时先经由初级加压后再二次加压，且保持等压模式至少3秒以上，使其叠构固化成一表面具有立体散热构造的立体复合均温材；以及

(d).脱模程序，经成型脱模的立体复合均温材，其比重等于或低于2.0，以形成一具有立体构造且轻量化的立体复合均温材。

2.根据权利要求1所述的轻量化立体复合均温材的制备方法，其特征在于，还包括一步骤(e).提供一高导热金属颗粒，其是以导热值大于90W/M.K的高导热金属粉末，经筛选尺寸大小范围为纳米至1mm所构成；以及一步骤(f).将该高导热金属颗粒与该加劲复合材料混合置入该加粉设备。

3.根据权利要求1所述的轻量化立体复合均温材的制备方法，其特征在于，所述无机填料粉末与该高分子胶料的重量百分比为80～95％：5～20％。

4.根据权利要求2所述的轻量化立体复合均温材的制备方法，其特征在于，所述高导热金属颗粒与该加劲复合材料的重量百分比为10％～25％：75～90％。

5.根据权利要求1所述的轻量化立体复合均温材的制备方法，其特征在于，步骤(a).所述高分子胶料包含沥青(Asphalt)、聚乙烯醇树脂(PolyVinylAlcohol.，PVA)、聚醋酸乙烯醇树脂(PolyVinylAcetate.，PVAc)、聚酰亚胺树脂(Polyimide resin.，PI)、聚氨酯(PolyUrethane.，PU)、聚乙二醇(Poly Ethylene Glycol.，PEG)、聚乙烯(PolyEthylene.，PE)、聚氯乙烯(PolyVinylChloride.，PVC)、酚醛树脂(Phenolic Resin)、环氧树脂(Epoxy)、聚甲基丙烯酸甲酯(PolyMethylMethAcrylate.，PMMA)及可熔化的高分子材料；高导热无机材包含二氧化硅、氮化硼，、氮化铝、碳化硅、钻石或云母所构成的层状无机材。

6.根据权利要求1所述的轻量化立体复合均温材的制备方法，其特征在于，步骤(d)所述压铸成型的该立体复合均温材还包括：以浸涂(Dipping)，包射(Mold)或喷涂(Spray)方式将该高分子胶料均匀分散在其表面，形成一层保护膜。

7.根据权利要求1所述的轻量化立体复合均温材的制备方法，其特征在于，所述立体复合均温材包括为一预定尺寸的薄型片状体，或是依预定电子散热产品形状所成型的立体构造。

8.根据权利要求7所述的轻量化立体复合均温材的制备方法，其特征在于，所述薄型片状体的周围还设有一保护框体，该保护框体具备一上框架及一可卡制在该上框架底内缘的一环框，用以将该立体复合均温材的四周围予以包覆。