CN109996423B

CN109996423B - 复合多层石墨薄片结构及制造方法、散热结构与电子装置

Info

Publication number: CN109996423B
Application number: CN201711473000.3A
Authority: CN
Inventors: 张秀彬; 吴丰宇; 周曈; 张庭玮; 詹智杰; 王圣皓
Original assignee: Nitronix International Holdings Ltd
Current assignee: Xingen International Holdings Ltd.
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2020-12-08
Anticipated expiration: 2037-12-29
Also published as: CN109996423A

Abstract

本发明说明一种复合多层石墨薄片结构及其制造方法、散热结构与电子装置。散热结构包括复合多层石墨薄片结构及粘着层。复合多层石墨薄片结构包括石墨材料层、陶瓷材料层、辐射散热层。石墨材料层具有相对的第一表面及第二表面。陶瓷材料层设置在第一表面上。辐射散热层设置在陶瓷材料层上，且陶瓷材料层夹置在石墨材料层与辐射散热层之间。粘着层设置在第二表面上，且散热结构通过粘着层粘着在热源上。本发明具有均匀导热功能且可达到较佳散热效果。

Description

复合多层石墨薄片结构及制造方法、散热结构与电子装置

技术领域

本发明涉及一种具有均匀导热功能的复合多层石墨薄片结构及其制造方法、散热结构与具有该散热结构的电子装置。

背景技术

随着科技的发展，针对电子装置的设计与研发，莫不以薄型化及高效能为优先考量。在要求高速运算的情况下，电子装置的电子元件不可避免地将产生较以往更多的热量，但高温的作业环境不仅将影响电子元件的特性，过高的温度还可能造成电子元件永久性的损坏。

在现有的散热领域中，使用石墨薄片的散热结构已应用多时，然而，因石墨薄片为异方向导热材料，仅在平面方向(xy方向)具有均温的导热功能，无法真正在z方向上将热能散逸出，因此其散热效果仍有待改进。

发明内容

本发明的目的为提供一种具有均匀导热功能，可快速将热源产生的热量散逸至外界而达到较佳散热效果的复合多层石墨薄片结构及其制造方法、散热结构与具有该散热结构的电子装置。其中，来自于石墨烯材料的复合多层石墨薄片结构与散热结构除了本身具有高导热性外，还能够提供更高的可挠曲性并使整体结构更强壮，可适用于不同形状的热源外形。此外，本发明的复合多层石墨薄片结构与散热结构还具有电磁波屏蔽效果。

为达上述目的，依据本发明的一种复合多层石墨薄片结构，包括石墨材料层、陶瓷材料层以及辐射散热层。陶瓷材料层设置在石墨材料层上。辐射散热层设置在陶瓷材料层上，且陶瓷材料层夹置在石墨材料层与辐射散热层之间。

为达上述目的，依据本发明的一种复合多层石墨薄片结构的制造方法，包括：将石墨微片材料与石墨烯材料加入溶剂中并搅拌，以均匀混合形成浆料；将浆料涂布在物件上并干燥浆料，以形成石墨材料层；将陶瓷材料加入另一溶剂中并搅拌，以均匀混合形成另一浆料；将另一浆料涂布在石墨材料层上并干燥另一浆料，以形成陶瓷材料层在石墨材料层上；形成辐射散热层在陶瓷材料层上，使陶瓷材料层夹置在石墨材料层与辐射散热层之间；以及移除物件，以得到复合多层石墨薄片结构。

为达上述目的，依据本发明的一种散热结构，与热源配合，并包括复合多层石墨薄片结构以及粘着层。复合多层石墨薄片结构包括石墨材料层、陶瓷材料层及辐射散热层。石墨材料层具有相对的第一表面及第二表面。陶瓷材料层设置在石墨材料层的第一表面上。辐射散热层设置在陶瓷材料层上，且陶瓷材料层夹置在石墨材料层与辐射散热层之间。粘着层设置在石墨材料层的第二表面上。其中，散热结构通过粘着层粘着在热源。

在一实施例中，石墨材料层包括石墨烯材料与石墨微片材料，石墨烯材料的含量为石墨微片材料的1％至80％之间。

在一实施例中，石墨材料层的厚度介于15微米至100微米之间。

在一实施例中，陶瓷材料层的材质是选自于下列所构成的组：氧化铝、氧化锆、氧化锌、氧化硅、氮化铝、氮化硼、及其组合。

在一实施例中，陶瓷材料层的厚度介于5微米至100微米之间。

在一实施例中，辐射散热层的材料包括石墨颗粒。

在一实施例中，辐射散热层的厚度介于0.1微米至30微米之间。

在一实施例中，粘着层的材料是选自于下列所构成的组：压克力胶、环氧胶、热熔胶、双面胶带、及其组合。

在一实施例中，散热结构为可挠性结构。

为达上述目的，依据本发明的一种电子装置，包括热源以及散热结构。散热结构设置在热源，并包括复合多层石墨薄片结构以及粘着层。复合多层石墨薄片结构包括石墨材料层、陶瓷材料层及辐射散热层。石墨材料层具有相对的第一表面及第二表面。陶瓷材料层设置在石墨材料层的第一表面上。辐射散热层设置在陶瓷材料层上，使陶瓷材料层夹置在石墨材料层与辐射散热层之间。粘着层设置在石墨材料层的第二表面上。其中，散热结构通过粘着层粘着在热源。

承上所述，在本发明的复合多层石墨薄片结构及其制造方法、散热结构与具有该散热结构的电子装置中，散热结构包括复合多层石墨薄片结构以及粘着层，其中，复合多层石墨薄片结构的辐射散热层设置在陶瓷材料层上，而陶瓷材料层夹置在石墨材料层与辐射散热层之间，且散热结构通过粘着层粘着在热源上，由于石墨材料层具有良好的xy平面的导热性，再通过陶瓷材料层在z方向上从石墨材料层将热能导引出后，搭配辐射散热层将热量辐射至空间中，借此可达到均匀导热特性而快速将热源产生的热量散逸至外界，提高电子装置的散热效果。另外，本发明的复合多层石墨薄片结构与散热结构能够提供薄型化与更高可挠曲性并使电子装置的整体结构更强壮，可适应不同外观形状的电子元件(热源)的高散热需求。此外，本发明的复合多层石墨薄片结构与散热结构还具有电磁波屏蔽效果。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种散热结构的示意图。

图2A至图2G分别为本发明的散热结构的制造过程示意图。

图3为本发明一实施例的电子装置的示意图。

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明依本发明较佳实施例的复合多层石墨薄片结构及其制造方法、散热结构与具有该散热装置的电子装置，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。

图1为本发明一实施例的一种散热结构1的示意图。如图1所示，本实施例的散热结构1可与热源配合应用，散热结构1可包括复合多层石墨薄片结构11以及粘着层12。其中，复合多层石墨薄片结构11包括石墨材料层111、陶瓷材料层112及辐射散热层113。

石墨材料层111具有相对的第一表面S1及第二表面S2。于此，第一表面S1可为上表面，而第二表面S2可为下表面。陶瓷材料层112设置在石墨材料层111的第一表面S1上，而辐射散热层113设置在陶瓷材料层112上，且陶瓷材料层112夹置在石墨材料层111与辐射散热层113之间。

粘着层12设置在石墨材料层111的第二表面S2上。于此，粘着层12设置在石墨材料层111远离陶瓷材料层112的表面(第二表面S2)上。因此，本实施例的散热结构1的复合多层石墨薄片结构11是一种三明治结构，底下的一层为石墨材料层111，中间为陶瓷材料层112，而最上面的是辐射散热层113，且是通过粘着层12使复合多层石墨薄片结构11可粘着在热源，以将热源所产生的热量带走并散逸至外界。

请参照图2A至图2G所示，以说明散热结构的制造过程及其技术特征。其中，图2A至图2G分别为本发明的散热结构的制造过程示意图。

首先，先将石墨微片材料1111与石墨烯材料1112加入溶剂S中并搅拌，以均匀混合形成浆料。在实施上，如图2A所示，可先将石墨微片材料1111加入溶剂S中并搅拌，以均匀混合形成溶液。其中，石墨微片材料1111的重量百分比可为0.1％至10％之间。优选地，石墨微片材料1111的重量百分比可介于0.2％至10％之间。本实施例的石墨微片材料1111为粉末状，并包含多个石墨微片(或称奈米石墨片，graphite nanoplatelet)，石墨微片可为天然石墨或人工石墨。其中，石墨微片的尺寸可介于5微米至200微米之间，其厚度可介于0.1微米至0.5微米之间。另外，溶剂S可例如为水、二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、酮类、醇类、醋酸乙脂、或甲苯。本实施例的溶剂S是以水为例。在不同的实施例中，当溶剂S为酮类时，其可为N-甲基吡咯烷酮(NMP)、或丙酮；当溶剂S为醇类时，其可为乙醇(Ethanol)、或乙二醇(Ethylene glycol)。此外，溶剂S亦可为上述溶剂(水、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、酮类、或醇类)的任意混合，并不限定。此外，在不同的实施例中，溶剂S中亦可含有树脂接合剂。树脂接合剂可为聚脂(polyester)、压克力树脂、水相压克力树脂、聚胺脂、水相聚胺脂、或聚偏氟乙烯等，但不限于上述，也可为任意极性及非极性接着剂.其添加量为整体溶剂S的5％以内。

之后，如图2B所示，再将石墨烯材料1112加入该溶液中并搅拌，以均匀混合形成浆料。其中，石墨烯材料1112的含量为石墨微片材料1111的含量的1％至80％之间。于此，搅拌时间可为5分钟至30分钟之间，只要可以使石墨微片材料1111、石墨烯材料1112与溶剂S可以均匀混合而形成浆料即可。石墨烯材料1112是以石墨烯为基底的材料，并可为天然石墨或人工石墨。石墨烯材料1112包含多个石墨烯粒子，而石墨烯粒子的尺寸介于1微米至50微米之间，其厚度可介于0.002微米至0.02微米之间。在不同的实施例中，亦可先将石墨烯材料1112加入溶剂S中搅拌均匀，再加入石墨微片材料1111后搅拌均匀；或者，将石墨微片材料1111与石墨烯材料1112同时加入溶剂S中搅拌均匀，本发明并不限制。

因此，完成后的浆料中包含溶剂S、石墨微片材料1111及石墨烯材料1112，且均匀混合而呈粘稠状(如果冻)。在此浆料中，石墨微片材料1111的重量百分比可介于0.1％至10％之间，优选地，石墨微片材料1111的重量百分比可为0.2％至10％之间，且石墨烯材料1112的含量可为石墨微片材料1111含量的1％至80％之间。

接着，如图2C所示，再将浆料涂布在物件O上并干燥浆料，以形成石墨材料层111。在此步骤中，物件O例如高分子材料、金属、陶瓷、纸类、或布类，但不限于为基板，而涂布方式可为涂布、或印刷。其中，涂布方式可为喷射涂布(spray coating)、或旋转涂布(spincoating)，而印刷可为喷墨列印(inkjet printing)、或网版印刷(screen printing)，均不限定；于此，涂布或印刷的厚度可例如约为10微米至500微米之间。另外，在干燥过程中，例如可将具有浆料的物件O置放于烤箱内烘烤，以去除浆料内的溶剂S(例如水分)后形成石墨材料层111。其中，干燥温度需低于摄氏500度且高于室温，而干燥时间可介于1分钟至24小时之间。因此，如图2D所示，在干燥制程之后，干燥后的石墨材料层111的厚度d1将介于15微米至100微米之间(15μm≦d1≦100μm)。在一些实施例中，可再进行压实石墨材料层111的制程。其中，可例如以滚轮碾压干燥后的石墨材料层111。

在不同的实施例中，若物件O为非平面物件时，例如其表面为圆弧状时，如图2G所示，则一样可将浆料涂布在圆弧状的物件O1的外侧表面上并干燥，以形成石墨材料层111a，再利用符合石墨材料层111a形状的治具压实干燥后的石墨材料层111a。因此，可适应不同的热源外观形状，或者可提供较大面积贴附热源，以形成符合热源外观形状的结构，以适应不同形状的电子元件的高散热需求。

之后，再将陶瓷材料加入另一溶剂中并搅拌，以均匀混合形成另一浆料(图未绘示)，并将该另一浆料涂布在石墨材料层111上并干燥该另一浆料，以形成陶瓷材料层112在石墨材料层111上，如图2D所示。于此，同样地，可将陶瓷材料与溶剂混合后形成膏状物，再涂布在石墨材料层111的上表面上经干燥后形成陶瓷材料层112。其中，陶瓷材料层112的材质可例如选自于下列所构成的组：氧化铝、氧化锆、氧化锌、氧化硅、氮化铝、氮化硼、及其组合，但不限于上述材质。另外，陶瓷材料层112的厚度d2可介于5微米至100微米之间(5μm≦d2≦100μm)。

接着，如图2E所示，再形成辐射散热层113在陶瓷材料层112上，使陶瓷材料层112夹置在石墨材料层111与辐射散热层113之间，以形成复合多层石墨薄片结构11。其中，辐射散热层113的材料可包括粉状的石墨颗粒，该石墨颗粒可为天然石墨或人工石墨。于此，可将石墨颗粒与溶剂混合后形成膏状物，再涂布在陶瓷材料层112上经干燥后形成辐射散热层113。其中，辐射散热层113的厚度d3可介于0.1微米至30微米之间(0.1μm≦d2≦30μm)。

之后，如图2F所示，移除物件O。于此，可利用例如刀件插入石墨材料层111与物件O之间，以破除石墨材料层111与物件O之间的真空状态而与物件O分离，以得到石墨材料层111、陶瓷材料层112与辐射散热层113堆叠的三层结构：复合多层石墨薄片结构11。

在一些实施例中，可按上述过程在物件O上制作出石墨材料层111后，再将氧化铝颗粒与树脂加入溶剂中分散、搅拌均匀，其中，氧化铝与树脂的比例可例如为5：1，氧化铝与树脂的总固含量为20wt％，并以间隙涂布的方式涂布在石墨材料层111上，加热使其干燥后形成陶瓷材料层112。于此，陶瓷材料层112的厚度例如为5微米。之后，再将石墨颗粒与树脂分散于溶剂中，石墨颗粒与树脂的比例可例如为1：1，石墨颗粒与树脂的总固含量为5wt％，再以喷涂方式涂布在陶瓷材料层112上，干燥后形成辐射散热层113，以得到复合多层石墨薄片结构11。于此，辐射散热层113的厚度例如为1微米。完成石墨材料层111、陶瓷材料层112与辐射散热层113的薄膜后，再将薄膜从物件O上取下。

在另一些实施例中，可按上述过程在物件O上制作出石墨材料层111后，再将氧化铝颗粒与硅胶均匀搅拌，其中，氧化铝与硅胶的比例可例如为7：3，并以网版印刷的方式涂布在石墨材料层111上，加热使其固化后形成陶瓷材料层112。于此，陶瓷材料层112的厚度例如为10微米。之后，再将石墨颗粒与树脂分散在溶剂中，石墨颗粒与树脂的比例可例如为2：1，石墨颗粒与树脂的总固含量为20wt％，再以间隙涂布的方式涂布在陶瓷材料层112上，干燥后形成辐射散热层113，以得到复合多层石墨薄片结构11。于此，辐射散热层113的厚度例如为10微米。完成石墨材料层111、陶瓷材料层112与辐射散热层113的薄膜后，再将薄膜从物件O上取下。

在另一些实施例中，可按上述过程在物件O上制作出石墨材料层111后，再将氧化铝颗粒与树脂加入溶剂中分散、搅拌均匀，其中，氧化铝与树脂的比例可例如为5：1，氧化铝与树脂的总固含量为20wt％，并以间隙涂布的方式涂布在石墨材料层111上，加热使其干燥后形成陶瓷材料层112。于此，陶瓷材料层112的厚度例如为5微米。之后，再将石墨颗粒与树脂分散于溶剂中，石墨颗粒与树脂的比例可例如为1：1，石墨颗粒与树脂的总固含量为10wt％，再以凹版印刷方式涂布在陶瓷材料层112上，干燥后形成辐射散热层113，以得到复合多层石墨薄片结构11。于此，辐射散热层113的厚度例如为5微米。完成石墨材料层111、陶瓷材料层112与辐射散热层113的薄膜后，再将薄膜从物件O上取下。

最后，形成粘着层12在石墨材料层111远离陶瓷材料层112的表面上，以得到散热结构1，如图1所示。于此，粘着层12是形成在石墨材料层111的第二表面S2上，且其材料可选自于下列所构成的组：压克力胶、环氧胶、热熔胶、双面胶带、及其组合，而其厚度d4可介于0.5微米至50微米之间(0.5μm≦d4≦50μm)。因此，散热结构1的整体厚度相当薄，例如可介于20微米至250微米之间。

另外，请参照图3所示，其为本发明一实施例的电子装置2的示意图。电子装置2包括热源H以及散热结构3。散热结构3设置在热源H上。散热结构3包括复合多层石墨薄片结构31以及粘着层32。复合多层石墨薄片结构31包括石墨材料层311、陶瓷材料层312及辐射散热层313。石墨材料层311具有相对的第一表面S1及第二表面S2。陶瓷材料层312设置在石墨材料层311的第一表面S1上。辐射散热层313设置在陶瓷材料层312上，使陶瓷材料层312夹置在石墨材料层311与辐射散热层313之间。粘着层32设置在石墨材料层311的第二表面S2上。其中，散热结构3通过粘着层32粘着在热源H上。散热结构3的其他技术特征可参见散热结构1的相同元件，在此不再赘述。

承上，本实施例的散热结构1、3为可挠性结构而具有挠曲性，并可分别通过粘着层12、32粘着在热源H并可适用于不同形状的发热元件，使电子装置2具有较佳散热效果。由于复合多层石墨薄片结构11、31的石墨材料层111、311内含的石墨微片材料与石墨烯材料具有良好的xy平面(即方向D1、D2所构成的平面)的导热性，可快速地将热能通过粘着层12、32由热源H导引出；另外，为了使热能可散逸至外界，还在石墨材料层111、311上设置一层陶瓷材料层112、312，通过陶瓷材料层112、312在z方向(D3方向)上从石墨材料层111、311快速将热能由热源H中导引出后，再通过辐射散热层113、313将热量辐射至空间中，以达到将热能从热源H中带出而散逸至外界的目的，借此达到均匀导热特性而提高电子装置2的散热效果。另外，本实施例的散热结构1、3的整体厚度相当薄，并具有较佳散热效果及薄型化特点，可符合现今电子产品轻薄化散热装置的要求。

在现有技术中，单以石墨微片制成的石墨薄片的xy平面的热传导系数约为200瓦特/公尺-K左右，但在本发明的一实施例中，在石墨微片材料(石墨微片)中添加10％的石墨烯材料(石墨烯)后形成的散热结构中，石墨材料层的导热系数可达500瓦特/公尺-K，而陶瓷材料层在垂直方向(D3方向)的导热系数可大于等于20瓦特/公尺-K，且辐射散热层可协助将热量辐射至外界空间中。因此，当本发明的散热结构应用在电子装置例如CPU、存储器或其他热源的导热及散热时，可快速地将热能导引出且散逸至外界，或者可再配合散热装置(例如散热鳍片、散热风扇或热管、或其组合)的使用即可达到快速地降低电子元件的温度。另外，本发明还可适应不同的电子装置的热源外观形状，提供较大面积贴附热源，以形成符合热源外观形状的散热结构，以适应不同形状的电子元件的高散热需求。另外，来自于石墨烯材料除了使散热结构本身具有高导热性外，还能够提供更高的可挠曲性并使整体结构更强壮，可适用于不同形状的热源外形。此外，在电磁波屏蔽的性能上，在一实施例中，复合多层石墨薄片结构与散热结构可具37dB～45dB的电磁波屏蔽效果。

综上所述，在本发明的复合多层石墨薄片结构及其制造方法、散热结构与具有该散热结构的电子装置中，散热结构包括复合多层石墨薄片结构以及粘着层，其中，复合多层石墨薄片结构的辐射散热层设置在陶瓷材料层上，而陶瓷材料层夹置在石墨材料层与辐射散热层之间，且散热结构通过粘着层粘着在热源上，由于石墨材料层具有良好的xy平面的导热性，再通过陶瓷材料层在z方向上从石墨材料层将热能导引出后，搭配辐射散热层将热量辐射至空间中，借此可达到均匀导热特性而快速将热源产生的热量散逸至外界，提高电子装置的散热效果。另外，本发明的复合多层石墨薄片结构与散热结构能够提供薄型化与更高可挠曲性并使电子装置的整体结构更强壮，可适应不同外观形状的电子元件(热源)的高散热需求。此外，本发明的复合多层石墨薄片结构与散热结构更具有电磁波屏蔽效果。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，并对其进行的等效修改或变更，均应包含在后附的权利要求书中。

Claims

1.一种复合多层石墨薄片结构，包括：

石墨材料层，其包括石墨烯材料与石墨微片材料；

陶瓷材料层，设置在该石墨材料层上；以及

辐射散热层，设置在该陶瓷材料层上，其中该辐射散热层的材料包括石墨颗粒，且该陶瓷材料层夹置在该石墨材料层与该辐射散热层之间。

2.如权利要求1所述的复合多层石墨薄片结构，其特征在于，该石墨烯材料的含量为该石墨微片材料的1％至80％之间。

3.如权利要求1所述的复合多层石墨薄片结构，其特征在于，该石墨材料层的厚度介于15微米至100微米之间。

4.如权利要求1所述的复合多层石墨薄片结构，其特征在于，该陶瓷材料层的材质是选自于下列所构成的组：氧化铝、氧化锆、氧化锌、氧化硅、氮化铝、氮化硼、及其组合。

5.如权利要求1所述的复合多层石墨薄片结构，其特征在于，该陶瓷材料层的厚度介于5微米至100微米之间。

6.如权利要求1所述的复合多层石墨薄片结构，其特征在于，该辐射散热层的厚度介于0.1微米至30微米之间。

7.一种复合多层石墨薄片结构的制造方法，包括：

将石墨微片材料与石墨烯材料加入溶剂中并搅拌，以均匀混合形成浆料；

将该浆料涂布在物件上并干燥该浆料，以形成石墨材料层；

将陶瓷材料加入另一溶剂中并搅拌，以均匀混合形成另一浆料；

将该另一浆料涂布在该石墨材料层上并干燥该另一浆料，以形成陶瓷材料层在该石墨材料层上；

形成辐射散热层在该陶瓷材料层上，使该陶瓷材料层夹置在该石墨材料层与该辐射散热层之间，其中该辐射散热层的材料包括石墨颗粒；以及

移除该物件，以得到该复合多层石墨薄片结构。

8.一种散热结构，与热源配合，并包括：

复合多层石墨薄片结构，包括：

石墨材料层，具有相对的第一表面及第二表面，其中该石墨材料层包括石墨烯材料与石墨微片材料；

陶瓷材料层，设置在该石墨材料层的该第一表面上；以及

辐射散热层，设置在该陶瓷材料层上，其中该辐射散热层的材料包括石墨颗粒，且该陶瓷材料层夹置在该石墨材料层与该辐射散热层之间；以及

粘着层，设置在该石墨材料层的该第二表面上；

其特征在于，该散热结构通过该粘着层粘着在该热源上。

9.如权利要求8所述的散热结构，其特征在于，该石墨烯材料的含量为该石墨微片材料的1％至80％之间。

10.如权利要求8所述的散热结构，其特征在于，该石墨材料层的厚度介于15微米至100微米之间。

11.如权利要求8所述的散热结构，其特征在于，该陶瓷材料层的材质是选自于下列所构成的组：氧化铝、氧化锆、氧化锌、氧化硅、氮化铝、氮化硼、及其组合。

12.如权利要求8所述的散热结构，其特征在于，该陶瓷材料层的厚度介于5微米至100微米之间。

13.如权利要求8所述的散热结构，其特征在于，该辐射散热层的厚度介于0.1微米至30微米之间。

14.如权利要求8所述的散热结构，其特征在于，该粘着层的材料是选自于下列所构成的组：压克力胶、环氧胶、热熔胶、双面胶带、及其组合。

15.如权利要求8所述的散热结构，其为可挠性结构。

16.一种电子装置，包括：

热源；以及

散热结构，设置在该热源，该散热结构包括：

复合多层石墨薄片结构，包括：

陶瓷材料层，设置在该石墨材料层的该第一表面上；以及

粘着层，设置在该石墨材料层的该第二表面上；

其特征在于，该散热结构通过该粘着层粘着在该热源上。