TW201404287A - 散熱複合材料及其用途 - Google Patents

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Ko-Chun Chen
Chiu-Lang Lin
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Wah Hong Ind Corp
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Abstract

本發明揭示一種用於降低電子裝置之外部表面溫度的多層散熱複合物。該散熱複合物包含反射組分及具有異向性之組分。該散熱複合物進一步包含黏接劑。一些實施例亦提供用於降低電子裝置之外部表面溫度之方法。

Description

散熱複合物及其使用 【相關申請案之交叉參考】
本申請案主張於2012年7月9日申請之美國臨時專利申請案第61/669,140號之優先權，該臨時專利申請案之全部內容以引用方式併入本文中。
小型手持式個人電子裝置(諸如行動電話、電子閱讀器及其他此類裝置)之操作所導致之過量熱產生正隨著此類裝置之體積不斷縮小，同時其效能及熱輸出不斷增長而成為挑戰性日益增大之問題。由內部電子組件所產生之熱可在此類裝置之外表面上引發高外部表面溫度並造成使用者之不適感，諸如在人體之膝蓋或手掌處之不適感。此類不適感會引發顧客抱怨、保固期維修申請及市場聲譽之受損。因而，對於此類產品之研發設計師及工程師而言，此類電子裝置中密閉空間之熱管理呈現出日益增大之挑戰。
一例示性實施例提供用於電子裝置封閉空間之更好的散熱裝置，以輔助降低此類裝置之內部組件之過熱及因此其伴隨之外部表面溫度升高。
一些實施例係針對一種包含散熱複合物之裝置，該散熱複合物使用兩種或兩種以上之散熱機制以增強散熱並降低電子裝置之外部表面溫度。一些實施例之複合物可應用於各種電子裝置中，諸如電腦、手機、LCD或LED面板、LED燈之印刷電路板(PCB)、LCD背光單元(BLU)及其類似者。
在一個實施例中，該裝置包含散熱複合物，該散熱複合物包含配置反射熱或熱能之反射膜及異向性組件，其中該反射膜形成該複合物之外部主表面邊界。在另一實施例中，該裝置包含散熱複合物，該散熱複合物包含配置反射熱或熱能之反射膜、金屬層及石墨薄片，其中該金屬層位於該反射膜與該石墨薄片之間。
該散熱複合物為多層結構，其包含：熱反射膜，該熱反射膜具有至少70%之反射率；電鍍金屬層，該電鍍金屬層選自銅、鎳、鉻、金、銀、錫、鉑，或其組合；可撓性片狀剝落石墨薄片；及一或多種黏接劑，其中該電鍍金屬層位於該黏接劑與該石墨薄片之間，該黏接劑位於該反射膜與該電鍍金屬層之間。
在另一實施例中，該裝置包含：用於管理熱能之構件，該構件包含用於反射熱能之構件；及具有異向性散熱之構件。
實施例亦係針對使用該散熱複合物來散熱並降低電子裝置之外部表面溫度之方法。該方法包括以下步驟：(a)將散熱複合物置放成與熱源傳熱連通(亦即，直接實體接觸或間接接觸，其中存在間隙或插入層)；(b)將熱自該熱源傳遞至該散熱複合物；(c)將自該熱源傳遞之熱中之一部分反射到周圍空氣中，而不通過該散熱複合物；及 (d)使自該熱源傳遞之熱中之一部分經由該散熱複合物之平面方向(亦即X-Y平面)耗散。
100‧‧‧熱源
藉由參考附圖，一些實施例之其他益處將在該等實施例之以下詳細描述中變得顯而易見，其中：圖1示意性地說明裝置之殼體及散熱複合物1之一實施例之截面圖。該散熱複合物1包含反射膜2、金屬層3及石墨薄片4。
圖2示意性地說明裝置之殼體及散熱複合物1之另一實施例之截面圖。該散熱複合物1包含以下層：反射膜2、黏接劑6、金屬層3及石墨薄片4。
圖3示意性地說明裝置之殼體及散熱複合物1之另一實施例之截面圖。該散熱複合物包含以下層：反射膜2、金屬層3、石墨薄片4及黏接劑6。
圖4示意性地說明裝置之殼體及散熱複合物1之另一實施例之截面圖。該散熱複合物1包含以下層：反射膜2、黏接劑6、金屬層3、黏接劑6及石墨薄片4。
圖5示意性地說明裝置之殼體及散熱複合物1之另一實施例之截面圖。該散熱複合物1包含以下層：反射膜2、金屬層3及絕緣膜5。
圖6示意性地說明裝置之殼體及散熱複合物1之另一實施例之截面圖。該散熱複合物1包含以下層：反射膜2、黏接劑6、金屬層3及絕緣膜5。
圖7示意性地說明裝置之殼體及散熱複合物1之另一實施例之截面圖。該散熱複合物1包含以下層：反射膜2、金屬層3、絕緣膜5及黏接劑6。
圖8示意性地說明裝置之殼體及散熱複合物1之另一實施例之截面圖。該散熱複合物1包含以下層：反射膜2、黏接劑6、金屬層3、絕緣膜5及黏接劑6。
圖9示意性地說明圖1中之散熱複合物1之散熱路徑。
圖10示意性地說明圖5中之散熱複合物1之散熱路徑。
圖11示意性地說明在工作實例中之膝上型電腦中之散熱裝置。
定義
如在上文及整個揭示內容中所使用，除非另有指示，否則以下術語應被理解為具有以下含義。
如在本文中所使用，單數形式「一」及「該」包括複數個參考物，除非上下文另有清楚指示。
如在本文中所使用，術語「約」在涉及例如厚度等可量測之值時，意欲涵蓋相對於所指出值之±10%、±5%、±1%及/或±0.1%之變化，因為此類變化對於反射膜之厚度而言係適當的，除非另有指定。如在本文中所使用，術語「約」在涉及範圍時，意欲涵蓋該範圍相對於所指定值之差異在±10%、±5%、±1%及/或±0.1%以內之變化。
散熱複合物
例示性散熱複合物包含異向組分及反射性組分，該異向組分在平面方向(例如，在例如圖1中所說明之x-y方向中)中之導熱性高於在穿透方向(through direction)(例如，在例如圖1中所說明之z方向中)中之導熱性，該反射性組分將熱反射到周圍環境。該反射膜具有至少70%之反射率，該反射率係使用 D65光源(6500K)藉由CIR l*a*b*而測得。因此，至少一些實施例中之散熱複合物在散熱上比單獨之石墨薄片或單獨之反射膜更有效率。在一例示性實施例中，該反射性組分具有至少約75%、80%、85%、90%、95%及/或更大之反射率。
在一例示性實施例中，該反射性組分反射入射輻射中之約50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%或更多。
在一組實施例中，該散熱複合物之異向組分為石墨。在另一組實施例中，該散熱複合物之異向組分包含金屬層及絕緣膜。在又一組實施例中，該散熱複合物之異向組分包含金屬層及絕緣膜，且無石墨。
在一組實施例中，該散熱複合物包含經組態以反射熱能之反射膜及石墨薄片，實質上不含熱塑性聚酯發泡材料。在另一實施例中，該散熱複合物基本上由反射膜、金屬層及石墨薄片組成。
在一例示性實施例中，該散熱複合物進一步包含金屬層，如在圖1至4中所說明，其中散熱複合物1包含彼此相鄰之反射膜2、金屬層3及石墨薄片4。
在一實施例中，根據美國公開案第2010/0243230號中所揭示之方法，金屬層3電鍍至石墨薄片4上，該美國公開案與電鍍有關之教示之全文以引用方式併入本文。在一例示性實施例中，用酸溶液或電漿溶液在大氣壓下清洗石墨薄片4，接著將金屬電鍍於石墨薄片4上。在另一實施例中，使用雙面黏接劑或其他構件將金屬層3黏接至石墨薄片4。在一例示性實施例中，該金屬層與該石墨薄片層之主表面中之一者直接實體接觸，且並 不覆蓋該石墨薄片之邊緣中之任一者。金屬層3防止石墨薄片4之剝落並為其提供剛性。
在另一組實施例中，該散熱複合物包含彼此相鄰之反射膜2、金屬層3及絕緣膜5。(見圖5至圖8。)藉由以此方式形成該散熱複合物，藉由高導熱性材料(金屬)與低導熱性材料(絕緣膜)並置而實現異向導熱性。
在另一實施例中，散熱複合物1進一步包含黏接劑6或其他構件用於將反射膜黏接至金屬層(例如，如在圖2、圖4、圖6及圖8中)。在另一實施例中，該反射膜與該金屬層直接實體接觸，不存在任何插入之黏接劑(例如，如在圖1、圖3、圖5及圖7中)。
在一例示性實施例中，該絕緣膜與該金屬層之主表面中之一者直接實體接觸，且並不覆蓋該金屬層之邊緣中之任一者。
散熱複合物1被使用黏接劑6黏接至電子裝置之殼體(例如，如在圖3、圖4、圖7及圖8中)，或者與電子裝置之殼體直接實體接觸(例如，如在圖1、圖2、圖5及圖6中)。
在一個實施例中，相對於無散熱複合物之情況，散熱複合物1將電子裝置之外部表面溫度降低約7.5℃至約20℃。在另一實施例中，相對於無散熱複合物之情況，散熱複合物1將電子裝置之外部表面溫度降低約8℃、9℃、10℃、11℃、12℃、13℃、14℃、15℃、16℃、17℃、18℃或19℃。
反射膜
在一些實施例中所使用之反射膜將熱輻射衰減。如在圖9中所示，來自熱源100之熱射向反射膜2(路徑A)。反射 膜2將來自熱源之熱中之一部分反射到周圍環境(路徑B)。此減少到達複合物之熱量，且因此減少到達裝置殼體之熱量。
在一例示性實施例中，本文中所詳述之效能特性與對應於電磁波譜中之紅外線部分之熱輻射/熱能相關。在一例示性實施例中，本文中所詳述效能特性之熱輻射/熱能對應於具有大於約750nm及/或介於約750nm至約1mm之間的波長之輻射。
反射膜包含具有反射層之基底材料。保護層視情況安置在反射塗層上以避免該反射塗層之氧化。
該基底材料可為玻璃、塑膠或諸如鋁之金屬。可使用廣泛之各種反射層作為反射膜。在至少一些實施例中適用之反射塗層之實例包括但不限於銦、錫、金、鉑、鋅、銀、銅、鈦、鉛、金與鈹之合金、金與鍺之合金、鎳、鉛與錫之合金及金與鋅之合金。在一例示性實施例中，該反射塗層由銀製成。在另一例示性實施例中，該反射塗層實質上不含任何光纖。
該保護層可包含抗氧化劑，諸如金屬氧化物、矽氧化物、金屬氮化物、矽氮化物及其他合適之抗氧化劑。
在一些實施例中，該反射膜可具有至少70%之反射率，如使用D65光源(6500K)藉由CIR l*a*b*所測得及/或如本文中以其他方式所詳述之反射率，且厚度為約0.05mm至約0.5mm。
該反射膜直接面對熱源，亦即在該反射膜與該熱源之間不存在任何插入層。
石墨薄片
在該散熱複合物中之石墨薄片可自天然、合成或加熱分解成之石墨顆粒來製備。在至少一些實施例中所使用之天然石墨 之實例包括但不限於可撓性片狀剝落石墨(藉由用插入到石墨之晶體結構中之物質來處理天然之片狀石墨而製得)。該石墨薄片之導熱性為異向的，亦即，在可撓性石墨薄片之平行面方向散熱係高的(平面中導熱性)，而在垂直於該石墨薄片之主表面方向散熱較低(穿透平面導熱性)。在一例示性實施例中，被定義為平面中導熱性與穿透平面導熱性之比率之石墨薄片的異向比率介於約2至約800之間。該石墨薄片可為約0.01mm至約0.5mm。
金屬層
在一些實施例中，金屬層3在性質上係異向的，亦即其在穿透方向(例如，在例如圖1中所說明之z方向中)之導熱性高於在平面中方向之導熱性(例如，在例如圖1中所說明之x-y方向中)。金屬層3選自由銅、鎳、鉻、金、銀、錫、鉑及其組合所組成之群組。在一些實施例中，金屬層3之厚度不小於約1μm。
在一些實施例中，金屬層3包括兩個金屬膜，其中厚度範圍自8μm至10μm之銅膜形成於石墨薄片4上，厚度範圍自2μm至5μm之鎳膜形成於該銅膜上。
絕緣膜
用於絕緣膜5之適宜材料包括但不限於樹脂、聚酯(例如，聚對苯二甲酸乙二醇酯或PET)及聚醯亞胺材料。例示性材料為PET，其厚度為約0.001mm至約0.05mm。可使用所屬領域中所知之各種方法來將該絕緣膜施加到金屬層上，諸如藉由使用熱層壓製程來塗佈，或者藉由黏接。
黏接劑
黏接劑6安置在反射膜2與金屬層3之間，及/或安 置在散熱複合物與電子裝置之殼體或散熱片之間。該黏接劑為雙面黏接劑膠帶，包括壓敏黏接劑塗層及離型襯墊。該黏接劑之厚度為約0.005mm至約0.05mm。在至少一些實施例中適用之適宜黏接劑之實例包括但不限於3M 6T16黏接劑及3M 6602黏接劑，兩者均可自美國之3M公司購得。在一個例示性實施例中，折射率高於約1.30。
散熱之方法
圖9說明散熱複合物之傳熱路徑及降低電子裝置之外部表面7溫度之例示性方法。在此方法中，散熱複合物1與電子裝置100之熱源直接實體接觸或間接接觸；接著，來自熱源100之熱傳遞到散熱複合物(路徑A)，其中該熱中之一部分被反射到周圍空氣(路徑B)；而剩餘之熱穿過反射層2及金屬層3之厚度(路徑C)，接著在異向石墨薄片4之平面方向中散佈(路徑D)。
圖10說明散熱複合物之另一傳熱路徑及降低電子裝置之外部表面溫度之方法。在此方法中，散熱複合物1與電子裝置100之熱源直接實體接觸或間接接觸。熱自熱源100傳遞到散熱複合物(路徑A)，其中該熱中之一部分被反射到周圍空氣(路徑B)；而剩餘之熱行進穿過反射層2之厚度且接著在金屬層3之平面方向(亦即x-y方向)中散佈。
藉由將金屬層3與絕緣層5並置，形成異向複合物，藉此該熱可在金屬層3之平面方向中散佈。
在執行上述方法之一些例子中，可能有較少之熱被傳遞到散熱複合物1，此係因為反射膜2將該熱中之一部分自複合物1反射掉(路徑B)。被反射之熱接著藉由輻射而耗散在周圍空氣中。此外，較少之熱到達電子裝置之外部表面，此係因為熱 藉由異向複合物散佈開(路徑D及E)。與更習知之方法相比，藉由使用各種冷卻機制，至少一些實施例之散熱複合物可增加散熱並降低電子裝置之外部表面溫度。
以下實例進一步說明一些實施例。此等實例僅僅意欲為說明性的，而不應被理解為限制性的。
實例1：使用該散熱複合物之熱模型化研究
為此項研究而將膝上型電腦模型化，並使用三種類型之散熱裝置：反射膜(Toray E6ZA100，可購自日本東麗公司(Toray,Japan))、電鍍有金屬層之可撓性石墨薄片(可撓性石墨薄片+金屬)，及散熱複合物(反射膜+金屬+可撓性石墨薄片)。圖11說明為此項研究而在膝上型電腦內置放散熱裝置。在此項研究中，熱源包含大小為約10mm(長度)×10mm(寬度)×10mm(高度)及40mm(長度)×40mm(寬度)×20mm(高度)之銅板及加熱器(King I Electric Heaters Co,Ltd,Φ6.3/110V/200W)。
該散熱裝置為約100mm×100mm之大小，且插入在熱源與該膝上型電腦之塑膠殼體之間。該研究係在室溫(25℃)下進行的。
在開始該研究之前，將加熱器預熱至80℃。使用溫度計(來自臺灣路昌(Lutron)之型號TM-946)對該膝上型電腦殼體之外部表面溫度每30秒量測一次，如此操作10分鐘。該溫度係在圖11中之「表面溫度」點處測得的。
研究結果概述於表1中。在不具有任何散熱裝置之群組中最大記錄外部表面溫度為71.3℃，在反射膜群組中為69.8℃，在石墨薄片+金屬層群組中為67.9℃，而對於該散熱複合 物則為52.3℃。使用在不具有任何散熱裝置之群組中之最大外部表面溫度作為參考，反射膜將外部表面溫度降低了1.5℃，石墨薄片+金屬層將外部表面溫度降低了3.4℃，而根據此實施例之散熱裝置將外部表面溫度降低了19.0℃。
結果展示，與單獨使用反射膜或單獨使用石墨薄片相比，根據此實施例之散熱複合物在電子裝置之散熱方面更有效率。
表1.使用三種不同散熱裝置之電子裝置之外部表面溫度。
100‧‧‧熱源

Claims (24)

  1. 一種裝置，其包含：一散熱複合物，其包含：一反射膜，該反射膜經配置以用於反射熱能；及一石墨薄片，其中該反射膜形成該複合物之一外部主表面邊界。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其進一步包含一金屬層，其中該金屬層位於該反射膜與該石墨薄片之間。
  3. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該金屬層被電鍍至該石墨薄片上。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該絕緣膜與該散熱複合物之該石墨薄片或另一薄片中之一者直接實體接觸，其中該反射膜並不覆蓋該反射膜所接觸之該薄片之邊緣中之任一者。
  5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該反射膜具有至少70%之一反射率。
  6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該石墨薄片為可撓性片狀剝落石墨。
  7. 一種裝置，其包含：一散熱複合物，其包含：一反射膜，該反射膜經配置以用於反射熱能；一金屬層；及一絕緣膜，其中該金屬層插入於該反射膜與該絕緣膜之間。
  8. 如申請專利範圍第7項之散熱複合物，其中該複合物中無石 墨。
  9. 如申請專利範圍第7項之散熱複合物，其中該反射膜形成該複合物之一外部主表面邊界。
  10. 如申請專利範圍第7項之散熱複合物，其進一步包含一石墨薄片。
  11. 如申請專利範圍第7項之散熱複合物，其進一步包含一黏接劑。
  12. 如申請專利範圍第7項之散熱複合物，其中該反射膜具有至少70%之一反射率。
  13. 一種裝置，其包含：一散熱複合物，其包含：一反射膜，該反射膜經配置以用於反射熱能；一金屬層；及一石墨薄片，其中該金屬層位於該反射膜與該石墨薄片之間，且該反射膜形成該複合物之一外部主表面邊界。
  14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其進一步包含一或多種黏接劑。
  15. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中該金屬層被電鍍至該石墨薄片。
  16. 一種裝置，其包含：一用於管理熱能之構件，其包含：用於反射熱能之構件；及具有一異向性散熱之構件。
  17. 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該具有異向性散熱之構 件為一石墨薄片。
  18. 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該具有異向性散熱之構件係藉由一金屬層與一絕緣層之並置而形成。
  19. 如申請專利範圍第16項之裝置，其中該用於反射熱之構件為一反射膜。
  20. 如申請專利範圍第19項之裝置，其中該反射膜具有至少70%之一反射率。
  21. 一種方法，其包含：降低一電子裝置之一外部表面溫度，其包含以下動作：(a)將一散熱複合物置放成與熱源傳熱連通；(b)將熱自該熱源傳遞至該散熱複合物；(c)將自該熱源傳遞之該熱中之一部分反射到周圍空氣中，而不通過該散熱複合物；及(d)使自該熱源傳遞之該熱中之一部分經由該散熱複合物之平面方向耗散。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中：將自該熱源傳遞之該熱中之一部分反射到周圍空氣中之該動作係使用具有至少70%之一反射率的一反射膜來執行的。
  23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中：該散熱複合物包含：一反射膜，該反射膜經配置用於反射熱能；及一石墨薄片，其中該反射膜形成該複合物之一外部主表面邊界。
  24. 如申請專利範圍第21項之方法，其中：該散熱複合物包含： 一反射膜，該反射膜經配置用於反射熱能；一金屬層；及一絕緣膜，其中該金屬層位於該反射膜與該絕緣膜之間，且該反射膜形成該複合物之一外部主表面邊界。
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