CN1514488A - 一种孔洞化结构陶瓷散热片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种孔洞化结构陶瓷散热片及其制备作方法，由散热层、导热层和风扇所构成，该散热层是利用微观化学液相变化原理，以乳胶状浆料不均匀分散，形成陶瓷粉的微包结构，并与次微米粉体结合，烧结成具中空结晶体的孔洞化结构散热层，散热层与热源接触面设有一导热层，由导热层吸收热源热量，再由散热层中空结晶体的孔洞化结构通过风扇的强制对流作用进行散热，本发明散热片与空气的接触面积大、机械强度高、散热性能、制造工艺简单、原材料成本低，具有较高的经济附加值，可广泛应用于各种集成电路芯片及发热电子装置的散热。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热片及其制备方法，尤其是指一种孔洞化结构陶瓷散热片及其制备方法。
技术背景
随着数字化处理设备的发展，半导体器件日趋高频化，以中央处理器(CPU)为代表的数字芯片的处理速度更是日新月异，但是，高处理速度也会给器件带来高温，如何将电子器件产生的热量有效地排出，使其在适宜的工作温度下运转，已经成为各企业争相开发的重点。
以电脑为例，现有的中央处理器都装有散热器，以协助排出芯片产生的热量，而散热器大都设有散热片，散热片又为各种形状的鳍片，并与中央处理器贴合，散热器上还设有一风扇，用来产生空气对流，将吸收的热量带离出散热片(抽风或送风，视电脑内部空间及设计要求)，以降低温度。虽然现有的散热片均已采用导热和散热效果好的铜、铝合金制成，然而由于导热及散热的效果并不是最好，仍有改善的空间，以上即为现有技术现存的缺陷，也是本领域技术人员亟待克服的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以提高热对流接触表面积的孔洞化结构陶瓷散热片，以及制备该孔洞化结构陶瓷散热片的方法，该散热片散热性能好，具有较高的经济附加值，其制造方法简单。
为达到此目的所采取的技术方案是：
一种孔洞化结构陶瓷散热片，包括散热层、导热层和风扇，导热层覆在散热层与热源接触的面表，风扇固定在散热片的一侧，散热层由乳胶状浆料和陶瓷材料混合制成中空结晶体的孔洞化结构，该具有孔洞化结构的散热层其孔隙率为5-40％，陶瓷材料粒径为0.09-0.30μm，
乳胶状浆料包括有机溶剂、分散剂和高分子粘合剂。
有机溶剂为乙醇和甲苯，高分子粘合剂为聚乙烯醇，陶瓷材料为二氧化钛、氧化钡、氧化锶、三氧化二铝和氧化锆的混合物。
导热层材料含有金属银。
一种孔洞化结构陶瓷散热片的制备方法，包括以下步骤：
(1)调浆：将陶瓷材料、有机溶剂乙醇和甲苯、分散剂混合均匀，粘度控制在5-10cp；再研磨搅拌成次微米粉粒浆料，粉体粒径0.09-0.30μm。
(2)制备粘合剂：将聚乙烯醇加入水中搅拌均匀，使聚乙烯醇含量为3-5％。
(3)制备乳状胶体：将步骤(1)制得的次微米粉粒浆料与步骤(2)制得的粘合剂混合、搅拌，制成乳状胶体，次微米粉粒浆料与粘合剂的比例为1∶1。
(4)干燥：将乳状胶体烘干制成块状固体，制成孔洞化结构材料。
(5)造粒：将上述孔洞化结构材料置于研钵中磨细，再冲压成预定形状的散热层。
(6)烧结：将预定形状的散热层烧结成具中空结晶体的孔洞化结构散热层。
(7)印刷表面导热层：通过网版印刷方式将高分子银膏印刷到孔洞化结构散热层表面，烘干，制成孔洞化结构陶瓷散热片。
其中：
步骤(1)中的陶瓷材料为二氧化钛、氧化钡、氧化锶、三氧化二铝和氧化锆的混合物。
步骤(1)中的有机溶剂乙醇用量为陶瓷材料的17.5-18.5％；甲苯用量为陶瓷材料的25.5-27.5％；分散剂用量为陶瓷材料的1.5-2.5％。
步骤(1)中的研磨过程，采用氧化锆或氧化铝磨球研磨，磨球的直径为3-30mm，大小不等。
本发明的理论依据是：
1、微观化学原理：
液-液相变化(liquid-liquid phase transformation)
本发明利用有机系浆料内既有的两种有机溶剂-甲苯和乙醇，与亲水系高分子黏结剂混合，在此过程中，乙醇与水可完全混合，但是甲苯与亲水官能基会相互排斥。利用甲苯对亲水官能基不互溶的特性加以搅拌，刻意调配成乳胶状浆料(见图1所表示的乳胶区)，进而将陶瓷粉末胶联于乳胶中。如图2所示的粒径分散仿真图，乳胶中大粒径粉末因为凡得瓦尔力较大立刻聚集，小粒径则填补在大粒径粉团外围，同时高分子黏结剂与无机材料形成稳定的共价键，其中图2-1所示的为均匀分散结构，图2-2所示的不均匀分散结构。如此，即可将陶瓷烧结制造出自然而均匀的空间，形成孔洞化结构。
2、物理原理：
就纳米材料而言，具有一般相同材料的物理特性，如光学、磁性、热传、扩散以及机械等性质。为使其粉体同样具有上述特性，必须由不同粒径的陶瓷粉末混合。采用小粒径粉末以次微米级(如0.13um)即可，若粒径采用纳米级，烧结将造成孔隙度太小，而影响其散热特性，但是其热传导能力将有所提升，同时机械强度将大大提升。另外需注意烧结时的升温条件控制，以得到最佳的孔隙度与机械强度的配比。一般而言，粉末粒径越大，烧结后孔隙度越小，同时材料的机械强度相应地将大幅度降低。
3、物体热传输原理：
所有物体的热传输可以分为三种，传导、对流、辐射。一般而言辐射所能去除的能量太小，可不予考虑。因此在制备散热片时，最重要的热传输机制就是传导及对流。在电脑散热装置中，热传导的重要性在于将热能传送到散热物体表面，如图3所示。热对流对降温的影响最为重要，因为是经空气对流把计算机CPU晶片产生的热能带走。影响热对流最大的因素就属散热面积。Q(对流)＝h×A(表面积)×ΔT，其中Q为能量，K为热传导系数，A为介质面积，ΔX为介质厚度，ΔT为温度差。
本发明孔洞结构散热片，主要是由散热层及导热层构成，该散热层是利用微观化学液相变化原理，以乳胶状浆料不均匀分散，形成陶瓷粉的微包结构，并与次微米粉体结合，再烧结成中空结晶体的孔洞化结构散热层，其与热源接触面具有一导热层，以导热层吸收热源热量，再由散热层中空结晶体的孔洞化结构，以空气为散热媒介，施加以强制对流条件(如风扇)，来提高散热片的散热能力。根据散热需要，散热层可制成平板型或麒片型，另采用银Ag作为导热层，其热传导系数K＝421W/mK，若使用更高热传导系数的导热材料，对散热能力的提升会更有帮助。
本发明的有益效果是：由于孔洞化结构的散热片拥有非常大的空气接触表面积，该表面积远比致密结构散热片高出千万倍，所以其散热能力好。虽然孔洞结构陶瓷的热传导系数较差，但是由于其单位散热面积为铜用的50886倍，所以单位时间内所能带走的热能非常高，同时具有很高的机械强度，其耐冲击强度位17～28Kg/cm2。用孔洞化结构材料制备散热片，可完全解决目前大体积的铝金属散热鳍片散热效果不佳的缺陷，同时兼具生产工艺简单和原材料成本低的优点，可广泛应用于各种会发热的电子装置散热。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。
图1为本发明液-液相变化图。
图2为本发明粒径分散模拟图。
图3为介质热传导说明图。
图4为本发明升温设定图。
图5为本发明研磨时间对粒径关系图。
图6为本发明孔洞结构散热片剖面图。
图7为本发明散热片测试装置图。
图8为热源升温对散热片的吸热性比较图。
图9为热源升温对散热片的散热性比较图。
图10为散热能力比较图。
图中标号说明如下
1、散热层 2、导热层
具体实施方式
一种孔洞化结构陶瓷散热片，包括散热层1、导热层2和风扇，导热层2覆在散热层与热源的接触表面，风扇固定在散热片的一侧，散热层1由乳胶状浆料和陶瓷材料混合制成中空结晶体的孔洞化结构，孔隙率为20％，该具有孔洞化结构的散热层其孔隙率为5-40％，陶瓷材料粒径为0.20μm。
其中，乳胶状浆料包括有机溶剂、分散剂、高分子粘合剂。有机溶剂为乙醇和甲苯，高分子粘合剂为聚乙烯醇，陶瓷材料为二氧化钛、氧化钡、氧化锶、三氧化二铝和氧化锆的混合物。乙醇用量为陶瓷材料的18％；甲苯用量为陶瓷材料的26％，分散剂用量为陶瓷材料的2％。导热层材料为银膏。
一种孔洞化结构陶瓷散热片的制备方法，包括以下步骤：
(1)、调浆：取陶瓷材料(Dielectric Ceramics)137.87g、乙醇(EtoH)25.06g、甲苯(Toluene)37.06g及分散剂(BYK-111)2.76g混合并调配成均匀的浆料，其中陶瓷材料的主要成分是二氧化钛TiO2、氧化钡BaO、氧化锶SrO、三氧化二铝Al2O3，和氧化镐ZrO，分散剂的BYK是德国公司名称，型号为111，它的成份是一种含酸性基团的共聚体，酸值为129mg/KOHg，密度为1.16g/ml，BYK-111是一种市售产品，它的配用量相当于介电陶瓷材料的2.0％，浆料的黏度控制在5-10cp，以确保均匀分散。在浆料中放入Φ＝3mm∶10mm∶30mm、比例为5∶3∶2的氧化锆球，低速研磨搅拌12小时，使粉粒粒径达到0.13μm。采用混合有上述三种不同粒径的氧化锆球对粉粒进行低速研磨，较现用方法可节省1/2以上研磨时间，关于粒径对研磨时间的关系参见表一及图5。
表一
| Time(hr). | Diameter(um) | Viscosity(cp)12rpm | BYK-111 |
| 5 | 0.491 | 53.5 | 1.2％ |
| 7.5 | 0.189 | 26.6 | 1.2％ |
| 10 | 0.132 | 10 | 2.0％ |
| 12.517.5 | 0.1250.09 | 8.67.9 | 2.0％2.0％ |
(2)、制备黏结剂：取聚乙烯醇(PVA)0.4g加入9.6g水中，搅拌均匀后调配成聚乙烯醇含量为4％的黏结剂。
(3)、制备乳状胶体：取步骤(1)中所制的粉粒5g，粒径为0.13μm，加入5g聚乙烯醇含量为4％的黏结剂，激烈搅拌，直到生成乳状胶体。
(4)、干燥：将乳状胶体烘干成块状固体，制成孔洞化结构材料。
(5)、造粒：将上述孔洞化结构材料置于研钵中磨细，再取0.5g细粉置于专用治具中冲压成麒片形的散热层。
(6)、烧结：将上述预定形状的散热层放入烧结炉中，以三段恒温方式烧结，形成具有自然而均匀空间及中空结晶体的孔洞化结构散热层。其中三段式恒温烧结方式的升温设定方法参见表二及图4。
表二
| 升温步骤 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| 温度℃ | 150 | 250 | 250 | 550 | 550 | 800 | 1040 | 1040 |
| 设定时间mins | 30 | 60 | 120 | 90 | 120 | 120 | 120 | 180 |
(7)、印刷表面导热层：通过网版印刷方式将高分子银膏印刷到上述具有中空结晶体的孔洞化结构散热层上，形成导热层，再以140℃-160℃烘干2分钟。
该散热器的散热层是利用微观化学液相变化原理，以乳胶状浆料不均匀分散，形成陶瓷粉的微包结构，并与次微米粉体结合，烧结成具中空结晶体的孔洞化结构散热层，散热层与热源接触面设有一导热层，由导热层吸收热源热量，再由散热层中空结晶体的孔洞化结构通过风扇的强制对流作用进行散热。
通过以下方法可以测试由上述方法制成的散热片。
设计装置如图7所示，利用材料的热传导特性探讨热能的吸收，之后开启风扇观察材料的散热能力。
比较下列四种材料：铜片、铝片、吸水性陶瓷、孔洞结构陶瓷的如下特性：
1、如表三及图8所示的热源升温对散热片的吸热性，
表三
(MPC：Micro-Pores Ceramic；AMC：Absorb Moisture Ceramic)
2、如表四及图9所示的在开启风扇后热源升温对散热片的散热特性，(风扇为5Volt/0.4W)。
3、如图10所示的散热能力，即同一时间点吸热温度减去散热温度的散热能力。
由以上简单的试验分析，孔洞陶瓷的散热能力是最好的，同时随时间的增加可以由上图得知散热能力将会更好，原因是孔洞结构拥有非常大的空气接触表面积，远比致密结构高出千万倍。其相关的计算如下：
以下计算仅就铜散热片与孔洞结构陶瓷散热片做比较
热源提供1573joule/sec＝1573W
孔洞结构陶瓷平均粒径＝0.13μm，孔隙度＝18％
铜片A＝2.56×10-4m2 ΔX＝2.0×10-3m
孔洞结构陶瓷A＝6.76×10-4m2 ΔX＝1.7×10-3m
热传导公式：Q＝KTΔT/ΔX
球体体积公式：4/3×πr3
球体表面积公式：4πr2
由以上资料所做的计算请参阅表五。
| 纯铜金属 | 孔洞化陶瓷 | |
| 热传导系数K | 384W/mK | 250～300W/mK |
| 单位时间带走热量 | 344.1W/sec | 1548.8W/sec |
| 单位散热面积 | 6.56e-4m2/cm3 | 33.23m2/cm3 |
表五所示的孔洞化结构陶瓷的热传导系数虽然较差，但是由于其单位散热面积为铜用的50886倍，所以单位时间内所能带走热能才会如此高。同时兼具机械强度，其耐冲击强度可达17.28Kg/cm2。
以本发明散热片对台湾工研院材料所的“发泡金属散热热沉”(专利号105890)做比较。其发泡铝金属的散热能力为5W/cm2、等效对流热传系数为0.5W/cm2℃。而本发明陶瓷散热片的散热能力为229.1W/cm2、等效对流热传系数为12.06W/cm2℃，显然较该专利为优越。
由孔洞化结构制备散热片，可完全解决目前大体积的铝金属散热鳍片散热效果不佳的缺陷，同时具有制造工艺简单、原材料成本低的优点，可广泛应用于各种集成电路芯片及发热电子装置的散热。
Claims (10)
1、一种孔洞化结构陶瓷散热片，包括散热层、导热层和风扇，导热层覆在散热层与热源的接触表面，风扇固定在散热片的一侧，其特征在于：所述散热层由乳胶状浆料和陶瓷材料混合制成中空结晶体的孔洞化结构，该具有孔洞化结构的散热层其孔隙率为5-40％，陶瓷材料粒径为0.09-0.30μm。
2、根据权利要求1所述的孔洞化结构陶瓷散热片，其特征在于：所述乳胶状浆料包括有以下成分：有机溶剂、分散剂、高分子粘合剂。
3、根据权利要求1或2所述的孔洞化结构陶瓷散热片，其特征在于：所述有机溶剂为乙醇和甲苯，高分子粘合剂为聚乙烯醇，陶瓷材料为二氧化钛、氧化钡、氧化锶、三氧化二铝和氧化锆的混合物。
4、根据权利要求3所述的孔洞化结构陶瓷散热片，其特征在于：乙醇用量为陶瓷材料的17.5-18.5％；甲苯用量为陶瓷材料的25.5-27.5％。
5、根据权利要求2所述的孔洞化结构陶瓷散热片，其特征在于：所述分散剂用量为陶瓷材料的1.5-2.5％。
6、根据权利要求1所述的孔洞化结构陶瓷散热片，其特征在于：所述导热层材料含有金属银。
7、一种如权利要求1所述孔洞化结构陶瓷散热片的制备方法，其特征在于经过以下步骤：
(1)调浆：将陶瓷材料、有机溶剂乙醇和甲苯、分散剂混合均匀，粘度控制在5-10cp；再研磨搅拌成次微米粉粒浆料，粉体粒径0.09-0.30μm；
(2)制备粘合剂：将聚乙烯醇加入水中搅拌均匀，使聚乙烯醇含量为3-5％；
(3)制备乳状胶体：将步骤(1)制得的次微米粉粒浆料与步骤(2)制得的粘合剂混合、搅拌，制成乳状胶体，次微米粉粒浆料与粘合剂的比例为1∶1；
(4)干燥：将乳状胶体烘干制成块状固体，制成孔洞化结构材料；
(5)造粒：将上述孔洞化结构材料置于研钵中磨细，再冲压成预定形状的散热层；
(6)烧结：将预定形状的散热层烧结成具中空结晶体的孔洞化结构散热层；
(7)印刷表面导热层：通过网版印刷方式将高分子银膏印刷到孔洞化结构散热层表面，烘干，制成孔洞化结构陶瓷散热片。
8、根据权利要求7所述孔洞化结构散热片的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的陶瓷材料为二氧化钛、氧化钡、氧化锶、三氧化二铝及氧化锆的混合物。
9、根据权利要求7所述孔洞化结构散热片的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的有机溶剂乙醇用量为陶瓷材料的17.5-18.5％；甲苯用量为陶瓷材料的25.5-27.5％；分散剂用量为陶瓷材料的1.5-2.5％。
10、根据权利要求7所述孔洞化结构散热片的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的研磨过程，采用氧化锆或氧化铝磨球研磨，磨球的直径为3-30mm，大小不等。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080528 Termination date: 20121231 |