TW201425267A - 多孔陶瓷散熱片及製備方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係有關一種多孔陶瓷散熱片及製備方法，其將具有高導熱性與高絕緣性且粒徑在20～100μm之間的金屬化合物至少混合有造孔劑與黏結劑，再經由模製成生坯、乾燥與燒製成型等工序所製備而成，所製備之多孔陶瓷散熱片的厚度較佳在0.5～2mm之間，該造孔劑乃於製備過程中被耗減消失而致使該多孔陶瓷散熱片形成有半徑在600～8000nm之間的微小孔道，進而增大了該多孔陶瓷散熱片與空氣之間的接觸散熱面積，而所形成之微小孔道超過95％為通孔孔道，使得通孔孔道裡的冷熱空氣能夠形成熱對流，即時將熱量傳送至該多孔陶瓷散熱片外面，讓該多孔陶瓷散熱片維持在一個較低的溫度下。藉此，用以提供一種多孔陶瓷散熱片及製備方法，而具有提升散熱性能及低成本之功效。
Description
本發明係有關一種多孔陶瓷散熱片及製備方法，尤指一種藉由通孔孔道裡的冷熱空氣所形成之熱對流進而快速散熱之設計者。
按，目前市場上主要是以銅、鋁散熱器作為3C產品和LED產品的散熱基體，而欲利用銅、鋁的高熱導率達到快速散熱的功效；然而，銅、鋁本身為導體，通常必須再利用一絕緣層避免短路，但絕緣層熱導率僅0.2~0.5W/mK，嚴重影響銅、鋁散熱器的導熱和散熱效果，且有耐熱方面的問題。
次按，雖然已有一些陶瓷散熱片進入市場，如氮化鋁陶瓷散熱片、碳化矽陶瓷散熱片和普通型95%氧化鋁陶瓷…等；其中，儘管氮化鋁導熱係數非常高，可是價格昂貴，且吸潮後容易水解生成Al﹙OH﹚3，致使氮化鋁陶瓷散熱片導熱率偏低，導熱性能得不到發揮；碳化矽陶瓷散熱片由於燒結困難，散熱性能無法滿足需求；普通型95%氧化鋁陶瓷可能因結構緻密致使散熱面積太低，或因微觀結構不合理而降低了散熱性能，抑或是因為對微觀結構和對流機制不甚瞭解，造成散熱效果無法達到要求。
本發明之主要目的，係欲提供一種多孔陶瓷散熱片及製備方法，而具有提升散熱性能及低成本之功效。
為達上述功效，本發明之多孔陶瓷散熱片之結構特徵，係將粒徑在20～100μm之間具有高導熱性與高絕緣性的金屬化合物至少混合有造孔劑與黏結劑所製備而成，該造孔劑於製備過程中被耗減消失而致使該多孔陶瓷散熱片為層狀結構之型態且形成有微小孔道，而該微小孔道為交錯連通之通孔孔道者。
此外，該多孔陶瓷散熱片的厚度在0.5～2mm之間，該微小孔道的半徑在600～8000nm之間。又，該多孔陶瓷散熱片進一步附著有導熱層，該導熱層的厚度在0.02～0.08mm之間。另，該多孔陶瓷散熱片進一步混合有助熔劑、改性劑、增強劑、分散劑、脫模劑、絮凝劑，軟化劑、消泡劑或可塑劑等化學助劑。再者，該金屬化合物選自氧化鋁、氮化鋁、二氧化矽或前述金屬化合物之組合；該造孔劑選自麵粉、米粉、石油焦、澱粉、竹炭、木炭、糊精、鋸末、聚乙二醇、PMMA、PS、炭黑、小麥粉、酚醛樹脂、可發泡樹脂、已發泡的發泡樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯或前述造孔劑之組合；該黏結劑選自羥甲基纖維素鈉、羥甲基纖維素、聚乙烯醇、矽酸鈉或前述黏結劑之組合；該助熔劑選自鈦酸四丁酯、正矽酸乙酯、氧化鈦或前述助熔劑之組合；該改性劑為聚乙烯醇；該增強劑為甲基纖維素；該分散劑選自聚乙烯醇、酚醛樹脂、發泡樹脂或前述分散劑之組合；該脫模劑為油酸；該絮凝劑選自硫酸鎂、硫酸銅或前述絮凝劑之組合；該消泡劑選自天然油脂、矽脂或前述消泡劑之組合；該可塑劑為鄰苯二甲酸鹽。
本發明之多孔陶瓷散熱片製備方法，係包括下列步驟：ａ.採用金屬化合物為主要成分並與造孔劑混合成初始組合物；ｂ.將黏結劑攪拌製成漿料；ｃ.將經過步驟ａ混合成之初始組合物與經過步驟ｂ攪拌製成之漿料混合攪拌製成漿團；ｄ.將經過步驟ｃ混合攪拌製成之漿團擠壓模製，製成生坯；ｅ.將經過步驟ｄ製成之生坯進行乾燥；以及ｆ.將經過步驟ｅ乾燥之生坯進行燒製成型者。
另者，進一步將燒製成型的陶瓷散熱片鍍上一層導熱層。又，步驟ｂ進一步將助熔劑、改性劑、增強劑、分散劑、脫模劑、絮凝劑，軟化劑、消泡劑或可塑劑等化學助劑與黏結劑一起攪拌製成漿料。然而，步驟ｅ係先常溫乾燥3～9小時，再加溫至50～90℃乾燥1～5小時。再者，步驟ｆ係於300～1500℃的溫度範圍與氧具有6～18%體積的氧化氣氛條件下進行，且以5～150℃/小時的速率進行升溫，而當燒製的氣氛溫度在700～1500℃的範圍內，則藉由造孔劑添加量進一步控制坯體中心溫度與燒製的氣氛溫度的溫度差值在－180～＋80℃的範圍內。
首先，請參閱「圖1」、「圖2」所示，本發明之多孔陶瓷散熱片10，係將具有高導熱性與高絕緣性且粒徑在20～100μm之間的金屬化合物至少混合有造孔劑與黏結劑，再經由模製成生坯、乾燥與燒製成型等工序所製備而成，所製備之多孔陶瓷散熱片10的厚度較佳在0.5～2mm之間，該造孔劑乃於製備過程中被耗減消失而致使該多孔陶瓷散熱片10形成有半徑在600～8000nm之間的微小孔道11，進而增大了該多孔陶瓷散熱片10與空氣之間的接觸散熱面積；其中，所形成之微小孔道11超過95％為通孔孔道，使得通孔孔道裡的冷熱空氣能夠形成熱對流，即時將熱量傳送至該多孔陶瓷散熱片10外面，讓該多孔陶瓷散熱片10維持在一個較低的溫度下；另，因金屬化合物間係呈頸向(點狀)燒結之態樣，故該多孔陶瓷散熱片10為層狀結構之型態且該微小孔道11為錯流結構；又，該多孔陶瓷散熱片10進一步附著有導熱層12，該導熱層12的厚度較佳在0.02～0.08mm之間者。【00010】 接著，請參閱「圖3」所示，本發明之多孔陶瓷散熱片製備方法，係包括下列步驟：ａ.採用金屬化合物為主要成分並與造孔劑混合成初始組合物；ｂ.將黏結劑攪拌製成漿料，甚至進一步將助熔劑、改性劑、增強劑、分散劑、脫模劑、絮凝劑，軟化劑、消泡劑或可塑劑等化學助劑與黏結劑一起攪拌製成漿料；ｃ.將經過步驟a混合成之初始組合物與經過步驟ｂ攪拌製成之漿料混合攪拌製成漿團；ｄ.將經過步驟c混合攪拌製成之漿團擠壓模製，製成生坯；ｅ.將經過步驟d製成之生坯進行乾燥，而先常溫(27～40℃)乾燥3～9小時，再加溫至50～90℃乾燥1～5小時，俾以避免因厚度太薄而產生翹邊與開裂之問題，而乾燥方式採用加壓乾燥；以及ｆ.將經過步驟e乾燥之生坯於300～1500℃的溫度範圍與氧具有6～18%體積的氧化氣氛條件下進行燒製成型，且以5～150℃/小時的速率進行升溫，而當燒製的氣氛溫度在700～1500℃的範圍內，則藉由造孔劑添加量進一步控制坯體中心溫度與燒製的氣氛溫度的溫度差值在－180～＋80℃的範圍內，這樣就能夠避免由於燒製氣氛溫度與坯體中心部溫度差過大引起收縮不一致導致坯體開裂的現象發生，造孔劑乃會全燃燒而形成微小孔道；然而，甚至進一步將燒製成型的陶瓷散熱片鍍上一層導熱層者。【00011】 此外，該金屬化合物選自具有高導熱性與高絕緣性之氧化鋁、氮化鋁、二氧化矽或前述金屬化合物之組合。又，為了控制該多孔陶瓷散熱片10形成的微小孔道11的孔隙率和孔道大小，該造孔劑選自麵粉、米粉、石油焦、澱粉、竹炭、木炭、糊精、鋸末、聚乙二醇、PMMA、PS、炭黑、小麥粉、酚醛樹脂、可發泡樹脂、已發泡的發泡樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯或前述造孔劑之組合。另，為了使原料顆粒之混合具有更好地結合性、降低燒製溫度、提高結構強度以及更易於脫模，乃可適當地進一步混合有助熔劑、改性劑、增強劑、分散劑、脫模劑、絮凝劑，軟化劑、消泡劑或可塑劑等化學助劑；該黏結劑選自羥甲基纖維素鈉、羥甲基纖維素、聚乙烯醇、矽酸鈉或前述黏結劑之組合；該助熔劑選自鈦酸四丁酯、正矽酸乙酯、氧化鈦或前述助熔劑之組合；該改性劑為聚乙烯醇；該增強劑為甲基纖維素；該分散劑選自聚乙烯醇、酚醛樹脂、發泡樹脂或前述分散劑之組合；該脫模劑為油酸；該絮凝劑選自硫酸鎂、硫酸銅或前述絮凝劑之組合；該消泡劑選自天然油脂、矽脂或前述消泡劑之組合；該可塑劑為鄰苯二甲酸鹽。【00012】 基於如是之構成，本發明之成型方式沒有一定的限制，可以根據現有條件選擇最佳成型方式；例如，混合氧化鋁原料100質量份、造孔劑8～24質量份、黏結劑3.2～10.5質量份、助溶劑2～8.4質量份、改性劑1.5～6.4質量份、增強劑2.1～5.6質量份、分散劑2.1～3.3質量份、絮凝劑0.8～2.4質量份、消泡劑0.3～0.5質量份以及可塑劑0.7～1.3質量份後，採用等靜壓或流延成型工藝製造生坯。而在生坯燒製工序中，坯體中心溫度是由造孔劑的添加量來決定的，因為燒製氣氛溫度升高時，並不能夠很快地將熱量傳導至坯體中心，當溫度足夠高時，能夠使得造孔劑燃燒釋放熱量，加快坯體中心溫度的上升，減少中心溫度與燒製氣氛溫度的差值；然而，當造孔劑的量太少時，一方面導致孔隙率不夠，另一方面導致坯體中心溫度遠低於燒製氣氛溫度，導致坯體開裂；但當造孔劑的量太多時，則可能發生燒製時坯體坍塌，或者是由於坯體中心溫度遠高於燒製氣氛溫度引起燒成收縮不一致導致坯體開裂。是以，本發明之多孔陶瓷散熱片所形成之微小孔道為通孔孔道，遂故可藉由通孔孔道裡的冷熱空氣所形成之熱對流，進而快速散熱，且材料及加工成本皆低，而具有提升散熱性能及低成本之功效。【00013】 綜上所述，本發明所揭示之技術手段，確具「新穎性」、「進步性」及「可供產業利用」等發明專利要件，祈請 鈞局惠賜專利，以勵發明，無任德感。【00014】 惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之較佳實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。
10．．．多孔陶瓷散熱片
11．．．微小孔道
12．．．導熱層
【00015】 圖1係本發明之多孔陶瓷散熱片之結構示意圖。圖2係本發明之多孔陶瓷散熱片之掃描式電子顯微鏡圖。圖3係本發明之多孔陶瓷散熱片製備方法之工序流程圖。
10．．．多孔陶瓷散熱片
11．．．微小孔道
12．．．導熱層
Claims (10)
- 一種多孔陶瓷散熱片，係將粒徑在20～100μm之間具有高導熱性與高絕緣性的金屬化合物至少混合有造孔劑與黏結劑所製備而成，該造孔劑於製備過程中被耗減消失而致使該多孔陶瓷散熱片為層狀結構之型態且形成有微小孔道，而該微小孔道為交錯連通之通孔孔道者。
- 如請求項1之多孔陶瓷散熱片，其中，該多孔陶瓷散熱片的厚度在0.5～2mm之間，該微小孔道的半徑在600～8000nm之間。
- 如請求項1或2之多孔陶瓷散熱片，其中，該多孔陶瓷散熱片進一步附著有導熱層，該導熱層的厚度在0.02～0.08mm之間。
- 如請求項3之多孔陶瓷散熱片，其中，該多孔陶瓷散熱片進一步混合有助熔劑、改性劑、增強劑、分散劑、脫模劑、絮凝劑，軟化劑、消泡劑或可塑劑等化學助劑。
- 如請求項4之多孔陶瓷散熱片，其中，該金屬化合物選自氧化鋁、氮化鋁、二氧化矽或前述金屬化合物之組合；該造孔劑選自麵粉、米粉、石油焦、澱粉、竹炭、木炭、糊精、鋸末、聚乙二醇、PMMA、PS、炭黑、小麥粉、酚醛樹脂、可發泡樹脂、已發泡的發泡樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯或前述造孔劑之組合；該黏結劑選自羥甲基纖維素鈉、羥甲基纖維素、聚乙烯醇、矽酸鈉或前述黏結劑之組合；該助熔劑選自鈦酸四丁酯、正矽酸乙酯、氧化鈦或前述助熔劑之組合；該改性劑為聚乙烯醇；該增強劑為甲基纖維素；該分散劑選自聚乙烯醇、酚醛樹脂、發泡樹脂或前述分散劑之組合；該脫模劑為油酸；該絮凝劑選自硫酸鎂、硫酸銅或前述絮凝劑之組合；該消泡劑選自天然油脂、矽脂或前述消泡劑之組合；該可塑劑為鄰苯二甲酸鹽。
- 一種多孔陶瓷散熱片製備方法，係包括下列步驟： ａ.採用金屬化合物為主要成分並與造孔劑混合成初始組合物； ｂ.將黏結劑攪拌製成漿料； ｃ.將經過步驟ａ混合成之初始組合物與經過步驟ｂ攪拌製成之漿料混合攪拌製成漿團； ｄ.將經過步驟ｃ混合攪拌製成之漿團擠壓模製，製成生坯； ｅ.將經過步驟ｄ製成之生坯進行乾燥；以及 ｆ.將經過步驟ｅ乾燥之生坯進行燒製成型者。
- 如請求項6之多孔陶瓷散熱片製備方法，其中，進一步將燒製成型的陶瓷散熱片鍍上一層導熱層。
- 如請求項6或7之多孔陶瓷散熱片製備方法，其中，步驟ｂ進一步將助熔劑、改性劑、增強劑、分散劑、脫模劑、絮凝劑，軟化劑、消泡劑或可塑劑等化學助劑與黏結劑一起攪拌製成漿料。
- 如請求項8之多孔陶瓷散熱片製備方法，其中，步驟ｅ係先常溫乾燥3～9小時，再加溫至50～90℃乾燥1～5小時。
- 如請求項9之多孔陶瓷散熱片製備方法，其中，步驟ｆ係於300～1500℃的溫度範圍與氧具有6～18%體積的氧化氣氛條件下進行，且以5～150℃/小時的速率進行升溫，而當燒製的氣氛溫度在700～1500℃的範圍內，則藉由造孔劑添加量進一步控制坯體中心溫度與燒製的氣氛溫度的溫度差值在－180～＋80℃的範圍內。
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