CN114828536A - 导热结构与电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导热结构及电子装置。导热结构包括导热金属层、第一碳纳米管层、第一导热粘合层以及陶瓷保护层。导热金属层具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。第一碳纳米管层设置于导热金属层的第一表面，并包括多个第一碳纳米管。第一导热粘合层设置于第一碳纳米管层，第一导热粘合层的材料填充在多个第一碳纳米管的间隙。陶瓷保护层设置于第一碳纳米管层远离导热金属层的一侧。本发明可将热源所产生的热能快速地传导至外界，提升电子装置的散热效能。

Description

导热结构与电子装置

技术领域

本发明涉及一种导热结构，特别涉及一种可提升散热效能的导热结构与电子装置。

背景技术

随着科技的发展，针对电子装置的设计与研发，无不以薄型化和高效能为优先考虑。在要求高速运算和薄型化的情况下，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，因此，“散热”已经是这些元件或装置不可或缺的需求功能。特别是对高功率元件来说，由于工作时产生的热能大幅增加，使得电子产品的温度会急速上升，当电子产品受到过高的温度时，可能会造成元件的永久性损坏，或是使寿命大幅地降低。

公知技术大多是利用设置在元件或装置上的散热鳍片、风扇，或是散热件(例如热管)将运作时所产生的废热导引出。其中，散热鳍片或散热片一般具有一定的厚度，而且是利用具有高导热性质的金属材料制成，或是利用掺杂具有高导热性质的无机材料制成。然而，金属材料的导热效果虽然很好，但是密度大，会增加散热鳍片或散热片整体的重量和厚度。而掺杂了无机材料的高分子复合材料的结构强度并不好，可能不适合应用在某些产品上。

因此，如何发展出更适用于高功率元件或装置需求的导热结构，可适用于不同的产品领域以顺应薄型化的需求，已经是相关厂持续追求的目标之一。

发明内容

本发明的目的为提供一种导热结构和应用该导热结构的电子装置。本发明的导热结构可将电子装置的热源所产生的热能快速地传导至外界，提升散热效能。

本发明的导热结构可应用于不同的产品领域而达到薄型化的需求。

本发明提出了一种导热结构，其包括导热金属层、第一碳纳米管层、第一导热粘合层以及陶瓷保护层。导热金属层具有第一表面和与第一表面相对的第二表面；第一碳纳米管层设置于导热金属层的第一表面，第一碳纳米管层包括多个第一碳纳米管；第一导热粘合层设置于第一碳纳米管层，第一导热粘合层的材料填充在多个第一碳纳米管的间隙；陶瓷保护层设置于第一碳纳米管层远离导热金属层的一侧。

在一个实施例中，导热金属层包括铜、铝、铜合金、或铝合金。

在一个实施例中，第一导热粘合层填满多个第一碳纳米管的间隙。

在一个实施例中，第一导热粘合层填满多个第一碳纳米管的管内孔隙。

在一个实施例中，陶瓷保护层的材料包括氮化硼、氧化铝、氮化铝、或碳化硅、或其组合。

在一个实施例中，陶瓷保护层的材料还包括石墨烯。

在一个实施例中，导热结构还包括第二碳纳米管层和第二导热粘合层。第二碳纳米管层设置于导热金属层的第二表面，第二碳纳米管层包括多个第二碳纳米管；第二导热粘合层设置于第二碳纳米管层，第二导热粘合层的材料填充在多个第二碳纳米管的间隙。

在一个实施例中，多个第一碳纳米管或多个第二碳纳米管的轴向方向与导热金属层的夹角大于0度、小于等于90度。

在一个实施例中，第二导热粘合层填满多个第二碳纳米管的间隙。

在一个实施例中，第二导热粘合层填满多个第二碳纳米管的管内孔隙。

在一个实施例中，第一导热粘合层或第二导热粘合层包括胶材和导热材料，导热材料包括石墨烯、还原氧化石墨烯、或陶瓷材料。

在一个实施例中，陶瓷保护层远离导热金属层的表面具有多个微结构，多个微结构的形状为柱状、球状、角锥状、梯形状、或不规则形状、或其组合。

在一个实施例中，陶瓷保护层还包括填充材料和/或多个孔洞。

在一个实施例中，填充材料为氧化铝、氮化铝、或碳化硅、氮化硼、或其组合。

在一个实施例中，填充材料的形状为颗粒状、片状、球状、条状、纳米管状、或不规则状、或其组合。

在一个实施例中，导热结构还包括双面胶层，其设置于导热金属层的第二表面远离陶瓷保护层的一侧。

在一个实施例中，双面胶层为导热双面胶。

本发明还提出了一种电子装置，其包括热源以及前述实施例的导热结构，导热结构与热源连接。

在一个实施例中，电子装置还包括散热结构，其设置于导热结构远离热源的一侧。

承上所述，在本发明的导热结构中，通过第一碳纳米管层设置于导热金属层，第一导热粘合层的材料填充在第一碳纳米管层的多个第一碳纳米管的间隙，且陶瓷保护层设置于第一碳纳米管层远离导热金属层的一侧的结构设计，当导热结构与电子装置的热源连接时，可将热源所产生的热能快速且有效地传导至外界，由此可提升电子装置的散热效能。另外，相较于传统的保护层来说，本发明的陶瓷保护层除了可提供保护与绝缘的效果外，还可提升导热效果。此外，本发明的导热结构可应用于不同的产品领域而使电子装置可以达到薄型化的需求。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的导热结构的示意图。

图2A至图2F分别为本发明的不同实施例的导热结构的示意图。

图3和图4分别为本发明的不同实施例的电子装置的示意图。

具体实施方式

以下将参照相关附图，说明根据本发明的一些实施例的导热结构与电子装置，其中相同的元件将以相同的参考符号加以说明。以下实施例中出现的各元件只是用以说明其相对关系，并不代表真实元件的比例或尺寸。

本发明的导热结构应用于电子装置时，可提升电子装置的散热效能。电子装置的热源可为电子装置的电池、控制芯片(例如中央控制单元(CPU))、记忆体(例如但不限于固态硬盘(SSD))、主板、显卡、显示面板、或平面光源，或其他会产生热量的元件、单元、或模组，并不限制。此外，本发明的导热结构可应用于不同的产品领域而可达到薄型化的需求。

图1为本发明的一个实施例的导热结构的示意图。如图1所示，本实施例的导热结构1可包括导热金属层11、第一碳纳米管层12、第一导热粘合层13以及陶瓷保护层14。

导热金属层11具有第一表面111和与第一表面111相对的第二表面112。其中，导热金属层11包括高导热系数的金属片、金属箔、或金属膜，其材料可例如但不限于包括铜、铝、铜合金(铜和其他金属的合金)、或铝合金(铝和其他金属的合金)、或其组合。本实施例的导热金属层11是以铝箔为例。

第一碳纳米管层12设置于导热金属层11的第一表面111。第一碳纳米管层12包括多个第一碳纳米管(CNT)121，其中，多个第一碳纳米管121的轴向方向与导热金属层11的夹角可大于0度、小于等于90度，由此增加导热金属层11在垂直方向的导热效果。本实施例的第一碳纳米管121的轴向方向是以垂直导热金属层11的第一表面111为例。在一些实施例中，第一碳纳米管121的轴向方向可垂直或类似于垂直导热金属层11的第一表面111；或者，第一碳纳米管121的轴向方向与导热金属层11的第一表面111间的夹角可在0度与90度之间，本发明不限制。

第一导热粘合层13设置于第一碳纳米管层12，且第一导热粘合层13的材料填充在第一碳纳米管层12的多个第一碳纳米管121的间隙。具体来说，可将例如胶状或膏状等具有流动性的第一导热粘合层13的材料，以例如喷涂、印刷、或其他适当的方式设置在第一碳纳米管层12，使第一导热粘合层13的材料可填入第一碳纳米管121的间隙(优选为填满所有间隙)后形成第一导热粘合层13。第一碳纳米管121具有极高的热传导率(thermalconductivity>3000W/m-K)，再利用第一导热粘合层13的材料填充在第一碳纳米管121的间隙，可再提升热传导效果。在一些实施例中，第一导热粘合层13填入第一碳纳米管121的间隙外，还可填充于(或填满)第一碳纳米管121的管内间隙。在一些实施例中，第一导热粘合层13可同时填满第一碳纳米管121的间隙及其管内间隙，由此达到更好的导热效果。在一些实施例中，第一导热粘合层13除了填满第一碳纳米管121的间隙及其管内孔隙外，还可覆盖在第一碳纳米管层12远离导热金属层11的表面(即完全覆盖第一碳纳米管层12)。当然，因工艺或其他因素，第一碳纳米管121的间隙或其管内孔隙可能无法被第一导热粘合层13的材料完全填满。

第一导热粘合层13为具有粘性的导热粘合胶，其可包括胶材131和导热材料132，导热材料132混合于胶材131中。第一导热粘合层13的胶材131除了可以提升第一碳纳米管层12的结构强度外，经由导热材料132混合在胶材131中，还可提升垂直方向的热传导效果。上述的导热材料132例如可包括石墨烯、还原氧化石墨烯、或陶瓷材料、或其组合。陶瓷材料例如但不限于为氮化硼(BN)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、或碳化硅(SiC)、…等具有高导热系数(K值)的陶瓷材料、或其组合，并不限制。

本实施例的导热材料132是以石墨烯微片为例。在一些实施例中，石墨烯微片占总体含量可大于0且小于等于15％(0<石墨烯微片含量≤15％)，例如1.5％、3.2％、5％、7.5％、11％、13％，或其他。此外，前述的胶材131可例如但不限于为压敏胶(pressuresensitive adhesive,PSA)，其材料可例如包括橡胶类、压克力类、或硅利康类，或其组合；而化学构成可为橡胶类、丙烯酸类、或有机硅类、或其组合，本发明不限定。

陶瓷保护层14设置于第一碳纳米管层12远离导热金属层11的一侧。本实施例的陶瓷保护层14设置且直接连接在第一碳纳米管层12远离第一表面111的上表面为例。在一些实施例中，可以喷涂或印刷等方式在第一碳纳米管层12和/或第一导热粘合层13上形成陶瓷保护层14。陶瓷保护层14的材料可例如但不限于包括高导热系数的陶瓷材料和胶材，陶瓷材料混合于胶材中。陶瓷材料例如可包括氮化硼、氧化铝、氮化铝、或碳化硅、或其组合，或其他具有高导热系数的陶瓷材料。在一些实施例中，陶瓷保护层14的材料除了包括上述材料外，还可包括石墨烯。在此，石墨烯与陶瓷材料的混合比例可例如为1：9、3：7、或5：5、或其他比例，并不限制。在本实施例中，陶瓷保护层14的材料是以包括氮化硼(BN)为例。值得说明的是，由于第一碳纳米管层12中的第一碳纳米管121和第一导热粘合层13中的石墨烯(导热材料132)具有导电性，因此，相较于传统材料为聚酰亚胺(PI)的保护层来说，本实施例的陶瓷保护层14除了可提供保护(耐磨)和绝缘的特性外，还可增加导热效果。在另一些实施例中，陶瓷保护层14可通过例如导热胶贴合在第一碳纳米管层12的上表面。

承上，在本实施例的导热结构1中，通过第一碳纳米管层12设置于导热金属层11，第一导热粘合层13的材料填充在第一碳纳米管层12的多个第一碳纳米管121的间隙，且陶瓷保护层14设置于第一碳纳米管层12远离导热金属层11的一侧的结构设计，当本实施例的导热结构1与电子装置的热源连接时，可将热源所产生的热能快速且有效地传导至外界，由此可提升电子装置的散热效能。另外，相较于传统的保护层来说，本实施例的陶瓷保护层14除了可提供保护(耐磨)和绝缘的效果外，还可提升导热效果。此外，本实施例的导热结构1可应用于不同的产品领域而使电子装置可以达到薄型化的需求。

在一些实施例中，导热结构还可包括两个离型层(未示出)，这两个离型层对应设置于导热结构的上、下两侧(例如图1的导热结构1的上侧与下侧)。当要使用导热结构时，只要移除这两个离型层，即可通过双面胶(例如导热双面胶)将导热结构贴合在热源上。导热双面胶的材料可例如与第一导热粘合层13相同，除了具有粘性之外，还可协助热能的传导。另外，离型层的材质可例如但不限于为纸类、布类、或聚脂类(例如聚对苯二甲酸乙二酯、PET)、或其组合，并不限制。要提醒的是，导热结构的上、下两侧对应具有离型层的方面，也可应用于本发明以下所有的实施例中。

请参照图2A至图2F所示，其分别为本发明不同实施例的导热结构的示意图。

如图2A所示，本实施例的导热结构1a与前述实施例的导热结构1的元件组成以及各元件的连接关系大致相同。不同之处在于，本实施例的导热结构1a还包括双面胶层h，双面胶层h例如为导热双面胶，其可设置于导热金属层11的第二表面112远离陶瓷保护层14的一侧。本实施例的双面胶层h是设置于导热金属层11的第二表面112。利用双面胶层h设置在导热金属层11与热源之间，使导热结构1a可贴附在热源上，可将热源所产生的热能快速地通过导热结构1a的导引且散逸至外界。当然，还可在陶瓷保护层14远离热源的一侧设置散热结构(图未示出)，以加速热能的散逸。再说明的是，利用双面胶层h使导热结构与热源连接的特征也可应用于以下所有实施例的导热结构中。

另外，如图2B所示，本实施例的导热结构1b与前述实施例的导热结构1的元件组成以及各元件的连接关系大致相同。不同之处在于，本实施例的导热结构1b的陶瓷保护层14b远离导热金属层11的表面具有多个微结构141，多个微结构141的形状可例如为柱状、球状、角锥状、梯形状、或不规则形状、或其组合，并不限制。在一些实施例中，可利用例如网印、凹凸板印刷、或其他方式在陶瓷保护层14b的表面制作出微结构141以增加散热面积，由此提升散热效果。陶瓷保护层14b的表面具有多个微结构141的特征也可应用于本发明其他的实施例中。

另外，如图2C所示，本实施例的导热结构1c与前述实施例的导热结构1的元件组成以及各元件的连接关系大致相同。不同之处在于，本实施例的导热结构1c的陶瓷保护层14c还可包括填充材料142，填充材料142可例如为陶瓷材料，其形状可为颗粒状、片状、球状、条状、纳米管状、或不规则状、或其组合，并不限制。另外，填充材料142的尺寸可在0.5μm～10μm之间。在一些实施例中，填充材料142可例如为氧化铝、氮化铝、或碳化硅、氮化硼、或其组合，由此增加陶瓷保护层14c的散热效果。前述纳米管状的填充材料142可例如为氮化硼纳米管。

另外，如图2D所示，本实施例的导热结构1d与前述实施例的导热结构1的元件组成以及各元件的连接关系大致相同。不同之处在于，本实施例的导热结构1d的陶瓷保护层14d还可包括多个孔洞143。在一些实施例中，可在制作陶瓷保护层14d的工艺中填加造孔剂，使陶瓷保护层14d可形成多个孔洞143以增加比表面积，提升热辐射的散热效果。在一些实施例中，该造孔剂例如为陶瓷造孔剂。

另外，如图2E所示，本实施例的导热结构1e与前述实施例的导热结构1的元件组成以及各元件的连接关系大致相同。不同之处在于，本实施例的导热结构1e的陶瓷保护层14e包括填充材料142和多个孔洞143。陶瓷保护层14填加填充材料142和/或造孔剂而形成多个孔洞143的特征也可应用本发明其他实施例中。

如图2F所示，本实施例的导热结构1f与前述实施例的导热结构1的元件组成以及各元件的连接关系大致相同。不同之处在于，本实施例的导热结构1f更可包括第二碳纳米管层12a和第二导热粘合层13a。第二碳纳米管层12a设置于导热金属层11的第二表面112，并包括有多个第二碳纳米管121，第二导热粘合层13a设置于第二碳纳米管层12a，且第二导热粘合层13a的材料填充在多个第二碳纳米管121的间隙(优选为填满所有间隙)。在一些实施例中，第二导热粘合层13a的材料填充在多个第二碳纳米管121的间隙外，还可填充于(或填满)第二碳纳米管121的管内间隙。在一些实施例中，第二导热粘合层13a可同时填满第二碳纳米管121的间隙及其管内间隙，由此达到更好的导热效果。在此，第二碳纳米管层12a的多个第二碳纳米管121的轴向方向与导热金属层11的夹角可大于0度、小于等于90度。由此，可使导热结构1f的导热效果更好。第二导热粘合层13a的材料可与第一导热粘合层13的材料相同或不相同，并不限制。导热结构可包括第二碳纳米管层12a并且第二导热粘合层13a的特征也可应用本发明其他实施例中。

另外，图3和图4分别为本发明的不同实施例的电子装置的示意图。如图3所示，本发明还提出了一种电子装置2，电子装置2可包括热源21以及导热结构22，导热结构22与热源21连接。在一些实施例中，导热结构22可通过双面胶层23(例如导热双面胶)与热源21连接。在此，导热结构22可为上述的导热结构1、1a至1f的其中之一，或其变化形式，具体技术内容已于上述中详述，在此不再多作说明。可以理解的是，导热结构22本身如果具有上述的双面胶层h时，则不需设置双面胶层23。

电子装置2或2a可例如但不限于为平面显示器或平面光源，例如但不限于为手机、笔记本电脑、平板电脑、电视、显示器、背光模组、或照明模组，或其他平面型的电子装置。而热源可为电子装置的电池、控制芯片(例如中央控制单元(CPU))、记忆体(例如但不限于固态硬盘(SSD))、主板、显卡、显示面板、或平面光源，或其他会产生热量的元件或单元，并不限制。在一些实施例中，当电子装置2为平面显示器，例如但不限于发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、液晶显示器(LCD)时，则热源21可为显示面板而具有显示面，导热结构22可直接或间接(例如通过导热双面胶)贴附于显示面相反的表面，由此协助导热与散热，提升平面显示器的散热效能。在另一些实施例中，当电子装置2为平面光源，例如但不限于背光模组、LED照明(LED lighting)模组、或OLED照明(OLED lighting)模组时，则热源21可为发光单元而具有光射出面，导热结构22可直接或间接(例如再通过胶材)贴附于光射出面相对的表面，由此协助导热与散热，提升平面光源的散热效能。

另外，如图4所示，本实施例的电子装置2a还可包括散热结构24，散热结构24设置于导热结构22远离热源21的一侧。因此，在电子装置2a中，散热结构24可通过导热结构22与热源21连接，使热源21所产生的热能可通过导热结构22的协助快速地传导至散热结构24，进而利用散热结构24将电子装置2a所产生的热能散逸至外界，提升散热效果。在一些实施例中，散热结构24例如可为散热膜，例如但不限于为石墨烯导热膜(Graphene ThermalFilm,GTF)；或者散热结构24也可以是传统的散热装置或结构，例如包括风扇、鳍片、散热膏、散热片、散热器、…、或其他形式的散热元件、散热单元或散热装置、或其组合，本发明并不限制。在一些实施例中，散热结构24与导热结构22之间可通过例如导热双面胶连接。

综上所述，在本发明的导热结构中，通过第一碳纳米管层设置于导热金属层，第一导热粘合层的材料填充在第一碳纳米管层的多个第一碳纳米管的间隙，且陶瓷保护层设置于第一碳纳米管层远离导热金属层的一侧的结构设计，当导热结构与电子装置的热源连接时，可将热源所产生的热能快速且有效地传导至外界，由此可提升电子装置的散热效能。另外，相较于传统的保护层来说，本发明的陶瓷保护层除了可提供保护与绝缘的效果外，还可提升导热效果。此外，本发明的导热结构可应用于不同的产品领域而使电子装置可以达到薄型化的需求。

以上所述仅为举例性的，而不是限制性的。任何未脱离本发明的精神和范围，而对其进行的等效修改或变更，均应包含在在本申请的权利要求书中。

Claims (19)

1.一种导热结构，其包括：

导热金属层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；

第一碳纳米管层，其设置于所述导热金属层的所述第一表面，所述第一碳纳米管层包括多个第一碳纳米管；

第一导热粘合层，其设置于所述第一碳纳米管层，所述第一导热粘合层的材料填充在所述多个第一碳纳米管的间隙；以及

陶瓷保护层，其设置于所述第一碳纳米管层远离所述导热金属层的一侧。

2.根据权利要求1所述的导热结构，其中所述导热金属层包括铜、铝、铜合金、或铝合金。

3.根据权利要求1所述的导热结构，其中所述第一导热粘合层填满所述多个第一碳纳米管的间隙。

4.根据权利要求3所述的导热结构，其中所述第一导热粘合层还填满所述多个第一碳纳米管的管内孔隙。

5.根据权利要求1所述的导热结构，其中所述陶瓷保护层的材料包括氮化硼、氧化铝、氮化铝、或碳化硅、或其组合。

6.根据权利要求5所述的导热结构，其中所述陶瓷保护层的材料还包括石墨烯。

7.根据权利要求1所述的导热结构，还包括：

第二碳纳米管层，其设置于所述导热金属层的所述第二表面，所述第二碳纳米管层包括多个第二碳纳米管；和

第二导热粘合层，其设置于所述第二碳纳米管层，所述第二导热粘合层的材料填充在所述多个第二碳纳米管的间隙。

8.根据权利要求7所述的导热结构，其中所述多个第一碳纳米管或所述多个第二碳纳米管的轴向方向与所述导热金属层的夹角大于0度、小于等于90度。

9.根据权利要求7所述的导热结构，其中所述第二导热粘合层填满所述多个第二碳纳米管的间隙。

10.根据权利要求9所述的导热结构，其中所述第二导热粘合层还填满所述多个第二碳纳米管的管内孔隙。

11.根据权利要求7所述的导热结构，其中所述第一导热粘合层或所述第二导热粘合层包括胶材和导热材料，所述导热材料包括石墨烯、还原氧化石墨烯、或陶瓷材料。

12.根据权利要求1所述的导热结构，其中所述陶瓷保护层远离所述导热金属层的表面具有多个微结构，所述多个微结构的形状为柱状、球状、角锥状、梯形状、或不规则形状、或其组合。

13.根据权利要求1所述的导热结构，其中所述陶瓷保护层还包括填充材料和/或多个孔洞。

14.根据权利要求13所述的导热结构，其中所述填充材料为氧化铝、氮化铝、或碳化硅、氮化硼、或其组合。

15.根据权利要求13所述的导热结构，其中所述填充材料的形状为颗粒状、片状、球状、条状、纳米管状、或不规则状、或其组合。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的导热结构，还包括：

双面胶层，其设置于所述导热金属层的所述第二表面远离所述陶瓷保护层的一侧。

17.根据权利要求16所述的导热结构，其中所述双面胶层为导热双面胶。

18.一种电子装置，其包括：

热源；以及

根据权利要求1至17中任一项所述的导热结构，所述导热结构与所述热源连接。

19.根据权利要求18所述的电子装置，还包括：

散热结构，其设置于所述导热结构远离所述热源的一侧。

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