TW201724403A - 散熱模組 - Google Patents

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蔡瑋倩
鄭皓文
呂明生
張嘉珍
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Abstract

一種散熱模組適於對一發熱元件散熱。散熱模組包括一石墨紙以及一絕緣導熱層。石墨紙包括多個貫孔、一貼附面以及相對貼附面的一散熱面，其中，貼附面適於貼附於一發熱元件上，且貫孔貫穿石墨紙以連通貼附面以及散熱面。絕緣導熱層包覆石墨紙，其中，絕緣導熱層至少覆蓋貼附面、散熱面以及貫孔的內壁。

Description

散熱模組
本揭露是有關於一種散熱模組，且特別是有關於一種散熱效能優異的散熱模組。
近年來，電子技術，尤其是在積體電路(Integral Circuit, IC)的製程技術發展迅速，使得電子元件的功能大幅提昇。但伴隨者電子元件的處理速度和效能的提升，電子元件運作時的發熱量也隨之上昇。若不能有效將廢熱排除，電子元件便有可能失效或無法達到最佳的效能。電子裝置（例如是智慧型手機、平板電腦或是桌上型電腦等）的主要發熱元件為中央處理器、電路板上的晶片組以及顯示晶片等。一般來說，這些熱源上通常會配置熱板、熱管、散熱鰭片與風扇等散熱元件，以降低熱源溫度。
目前，電子裝置朝向輕薄化的方向發展，傳統的熱板、熱管與散熱鰭片通常具有一定的重量與體積，較難符合輕薄化的電子裝置的需求。有鑑於此，如何在不降低散熱性能的情況下提供輕薄的散熱元件為業界致力達到的目標。
本揭露提供一種散熱模組，其在縱軸方向上的散熱效果優異，且整體厚度較薄。
本揭露的散熱模組適於對一發熱元件散熱，其中散熱模組包括一石墨紙以及一絕緣導熱層。石墨紙包括多個貫孔、一貼附面以及相對貼附面的一散熱面，其中，貫孔貫穿石墨紙以連通貼附面以及散熱面。絕緣導熱層包覆石墨紙，其中，絕緣導熱層至少覆蓋貼附面、散熱面以及貫孔的內壁。
在本揭露的一實施例中，上述的散熱模組更包括一黏著層，設置於貼附面，以使散熱模組適於透過黏著層而貼附於發熱元件上。
在本揭露的一實施例中，上述的黏著層為一感壓膠(pressure sensitive adhesive, PSA)。
在本揭露的一實施例中，上述的散熱模組更包括一離型膜(release tape)，設置於黏著層用以貼附發熱元件的一表面。
在本揭露的一實施例中，上述的絕緣導熱層於縱軸方向的一熱傳導係數實質上大於或等於100 W/m∙K，其中縱軸方向平行於各貫孔的一軸向。
在本揭露的一實施例中，上述的絕緣導熱層的一電阻率實質上大於或等於105 Ω∙cm。
在本揭露的一實施例中，上述的絕緣導熱層的材料包括絕緣碳化物。
在本揭露的一實施例中，上述的絕緣碳化物包括SiCx，且x實質上介於0.5至1之間。
在本揭露的一實施例中，上述的絕緣碳化物包括3C-SiC的晶體結構。
在本揭露的一實施例中，上述的各貫孔的一孔徑實質上介於1微米(μm)至1000微米之間。
在本揭露的一實施例中，上述的各貫孔的一孔徑實質上介於260微米至265微米之間。
在本揭露的一實施例中，上述的絕緣導熱層的一厚度實質上大於或等於1微米，且小於或等於各貫孔的一孔徑的一半。
在本揭露的一實施例中，上述的絕緣導熱層的一厚度實質上介於40微米至45微米之間。
在本揭露的一實施例中，上述的石墨紙的一厚度實質上介於1厘米至50微米之間。
在本揭露的一實施例中，上述的石墨紙的一厚度實質上介於50微米至55微米之間。
在本揭露的一實施例中，上述的各貫孔的一橫截面呈一圓形、三角形或矩形。
在本揭露的一實施例中，上述的絕緣導熱層透過一化學氣相沉積製程而形成。
在本揭露的一實施例中，上述的化學氣相沉積製程的一製程溫度實質上介於1000℃至1400℃之間。
在本揭露的一實施例中，上述的化學氣相沉積製程的一製程壓力實質上介於10帕斯卡(pa)至50000帕斯卡之間。
在本揭露的一實施例中，上述的石墨紙為熱裂解石墨紙。
基於上述，本揭露的散熱模組之石墨紙具有多個貫孔，而絕緣導熱層包覆貫孔的內壁，並包覆石墨紙相對的貼附面及散熱面。如此配置，本揭露的散熱模組可透過絕緣導熱層而有效地將熱能由石墨紙的貼附面縱向傳導至與其相對的散熱面，解決了習知的散熱模組在縱軸方向的熱傳導效率低落的問題。因此，本揭露的散熱模組不僅可透過石墨紙而在其水平方向（平行於貼附面的方向）上具有良好的熱傳導效率，更可透過包覆貫孔的絕緣導熱層而提升散熱模組在縱軸方向（貫孔的軸向）上的熱傳導效率。
並且，絕緣導熱層更具有良好的絕緣效果。因此，本揭露的散熱模組將絕緣導熱層包覆於石墨紙的表面及貫孔的內壁，不僅可提升散熱模組在縱軸方向上的熱傳導效率，更可為石墨紙提供絕緣的效果，使本揭露的散熱模組無須再額外貼附絕緣膠帶。因此，本揭露可有效降低散熱模組的生產成本，更可有效降低散熱模組的整體厚度。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
有關本揭露之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之各實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本揭露。並且，在下列各實施例中，相同或相似的元件將採用相同或相似的標號。
圖1是依照本揭露的一實施例的一種散熱模組的剖面示意圖。圖2是依照本揭露的一實施例的一種散熱模組的示意圖。圖3是依照本揭露的一實施例的一種散熱模組的局部剖面示意圖。請同時參照圖1、圖2以及圖3，本實施歷的散熱模組100適於對一發熱元件200進行散熱。在本實施例中，散熱模組100包括一石墨紙110以及一絕緣導熱層120。石墨紙110包括一貼附面112、一散熱面114以及多個貫孔116，其中，貼附面112適於貼附於發熱元件200上，且貼附面112與散熱面114彼此相對，而貫孔116則分別貫穿石墨紙110以連通貼附面112以及散熱面114。在一實施例中，石墨紙110係為熱裂解石墨紙。絕緣導熱層120包覆石墨紙110的表面，詳細來說，絕緣導熱層120至少覆蓋貼附面112、散熱面114以及上述的各個貫孔116的內壁。在本實施例中，石墨紙110的一厚度實質上介於1厘米至50微米之間。更具體而言，石墨紙110的厚度約可介於50微米至55微米之間。當然，任何所屬技術領域中具有通常知識者應了解，本實施的數據僅用以舉例說明而非用以限制本揭露的範圍。
在本實施例中，散熱模組100更可如圖1所示之包括一黏著層130，其設置於石墨紙110的貼附面112上，使散熱模組100可透過黏著層130而以其貼附面112貼附於發熱元件200上。並且，進一步而言，散熱模組100更可包括一離型膜(release tape)，其可移除地設置於黏著層130用以貼附於發熱元件200的一表面上，以暫時性地保護黏著層130的貼附表面。
在這樣的結構配置下，散熱模組100便可在移除離型膜之後，透過其黏著層130而以其貼附面112貼附於發熱元件200上。舉例來說，發熱元件200可例如為電子裝置的中央處理器(Central Processing Unit, CPU)、電路板上的晶片組或單一晶片等。在本實施例中，黏著層130可例如為一感壓膠(pressure sensitive adhesive, PSA)。一般而言，感壓膠是一種對其施以輕壓即可在短時間內黏著至一物體表面的接著劑，其主要成份可包括橡膠、壓克力、矽膠或聚氨酯(Polyurethane, PU)等。當然，本實施例僅用以舉例說明，本揭露並不限制發熱元件200及黏著層130的種類與形式。
詳細而言，絕緣導熱層120的材料包括絕緣碳化物。更具體來說，此絕緣碳化物為碳化矽，其可例如透過低壓高溫化學氣相沉積技術而形成於石墨基板110的表面。上述製程所形成的碳化矽的絕緣導熱層120之分子式為SiCx，且x實質上介於0.5至1之間。進一步而言，x約可介於0.55至1之間。在此須說明的是，上述的x的數值範圍是就製程能力而言，在理想狀態下，x可為1。並且，上述的絕緣導熱層120可為碳化矽立方晶格結構之3C-SiC的晶體結構。當然，本實施例僅用以舉例說明，本揭露並不具體限制絕緣導熱層120的組成及形成方法，只要其能提供絕緣的效果及具有高導熱係數的特性即可。
承上述，此種絕緣導熱層120的散熱效率非常優異，其於縱軸方向的熱傳導係數約大於或等於100 W/m∙K，其中，此縱軸方向平行於貫孔116的軸向。並且，由於絕緣導熱層120係全面性包覆貫孔116的內壁，並連通且包覆相對的貼附面112及散熱面114。如此，本實施例的散熱模組100即可透過此絕緣導熱層120而有效地將熱能由貼附面112縱向傳導至散熱面114。因此，本實施例的散熱模組100不僅可透過石墨紙110而在其水平方向（平行於貼附面112的方向）上具有良好的熱傳導效率，更可透過包覆貫孔116的絕緣導熱層120而提升散熱模組100在縱軸方向（貫孔116的軸向）上的熱傳導效率。
並且，上述的絕緣導熱層120的一電阻率實質上大於或等於105 Ω∙cm，具有良好的絕緣效果。因此，本實施例的散熱模組透過此絕緣導熱層120包覆石墨紙110，不僅可提升散熱模組100在縱軸方向（貫孔116的軸向）的熱傳導效率，更可提供絕緣的效果，使散熱模組100無須再額外貼附例如PET等絕緣膠帶，因而可降低生產成本，更可有效降低散熱模組100的整體厚度。
除此之外，在本實施例中，各貫孔116的孔徑約可介於1微米(μm)至1000微米之間，而絕緣導熱層120的厚度則可大於或等於1微米，並小於或等於各貫孔116的孔徑的一半。也就是說，絕緣導熱層120最多可完全填滿石墨紙110的各個貫孔116。並且，各貫孔116的一橫截面可呈一圓形、三角形或矩形，本揭露並不限定的貫孔116的橫截面的形狀，只要貫孔116貫穿石墨紙110以連通彼此相對的貼附面112以及散熱面114即可。
詳細而言，形成上述的絕緣導熱層120可選擇可控制溫度的低壓高溫化學氣相沉積為設備，並以含鹵素之矽烷類為前趨物，通入氫氣、氬氣及甲烷，並經過1300℃的高溫製程，以使含鹵素之矽烷類前驅物被氬氣帶入設備的腔體中，進而擴散至石墨紙110的表面。此時，因為石墨紙110已被加熱至製程所需溫度，故前驅物會在高溫的作用下而熱裂解成矽、碳、氫、鹵素等原子或小分子團並附著在石墨紙110的表面，而重新在石墨紙110的表面成核並形成至少包覆石墨紙110的貼附面112、散熱面114及貫孔116的內壁的絕緣導熱層120。在本實施例中，石墨紙110的貫孔116的孔徑約介於260微米至265微米之間，而絕緣導熱層120的厚度約介於40微米至45微米之間。當然，本實施例的數據僅用以舉例說明，本揭露並不限定貫孔116的具體孔徑大小以及絕緣導熱層120的具體厚度。就製程能力而言，以化學氣相沉積的製程技術所形成的絕緣導熱層120的厚度可達到1000微米，也就是說，絕緣導熱層120的厚度約可介於1微米(μm)至1000微米之間。
在本揭露的一實施例中，絕緣導熱層120是以低壓高溫化學氣相沉積的製程技術而形成碳化矽的絕緣導熱層120於石墨紙110上。更具體而言，本實施例是以含鹵素之矽烷類與甲烷、氫氣及氬氣來形成碳化矽的絕緣導熱層120於石墨紙110上，其沉積薄膜的製程溫度約介於為1000℃至1400℃之間，而製程的壓力約介於為10帕斯卡(Pa)至50000帕斯卡之間，以沉積出碳化矽的絕緣導熱層120。在此製程條件下所形成的絕緣導熱層120具有良好之絕緣性，並對石墨紙110具有良好的附著力和階梯覆蓋率。因此，絕緣導熱層120可完全包覆石墨紙110的表面，其包含了貼附面112、散熱面114以及各貫孔116的內壁。
圖4是依照本揭露的一實施例的絕緣導熱層的X射線繞射分析示意圖。為了能了解上述碳化矽的絕緣導熱層120的薄膜結構及晶體相位，本實施例應用了X射線繞射分析(X-ray diffraction, XRD)的分析而得到圖4所示的X射線繞射分析圖譜。X射線繞射分析是一種非破壞性的分析技術，其用於偵測晶體材料的特性，以提供結構、相位、首選的晶體取向（紋理）和其他結構參數分析，例如平均粒度、結晶度、張力和晶體缺陷等等。X-射線繞射峰是透過從待測膜層的晶格面在特定角度繞射的單色光建設性干涉產生的，其峰值的強度由晶格內原子的分布來決定。由圖4所示的圖譜可發現，其圖譜具有(111)、(220)、(311)的繞射峰。進一步比對粉末繞射標準聯合委員會(Joint. Committee on Powder Diffraction Standards, JCPDS)的資料庫可發現，本實施例的碳化矽的絕緣導熱層120的微結構皆是3C-SiC的晶體結構，也就是週期為3層（以ABC順序堆疊而成）的碳化矽立方晶格結構。
圖5是依照本揭露的一實施例的絕緣導熱層的表面之廣域能譜示意圖。圖6是依照本揭露的一實施例的絕緣導熱層的表面之束縛能譜示意圖。為了更加了解上述碳化矽的絕緣導熱層120所組成的鍵結型式，本實施例在以氬離子（Ar+ ）對石墨紙110的表面進行清潔之後，應用了X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)的分析而得到如圖5所示的廣域能譜圖，由圖5所示的能譜圖可發現，此絕緣導熱層120的能譜具有碳及矽等成分。進一步而言，由圖6的XPS的能譜圖可知，石墨紙110的表面除了含有碳化矽的組成以外，亦具有sp2 的結構。並且，由組成鑑定可知，此絕緣導熱層120的成分組成是SiC0.55 。當然，本實施例的數據僅用以舉例說明，在理想的情況下，絕緣導熱層120的成分組成為SiC。
下表1為本實施例經分析而得到的絕緣導熱層120的各種參數特性的數據資料。詳細而言，ρ代表絕緣導熱層120的膜層密度；Cp 代表定壓熱容量，也就是單位質量的絕緣導熱層120在壓力不變的條件下，溫度升高或下降1℃或1K所吸收或放出的能量；α代表熱擴散係數，也就是絕緣導熱層120的熱導率與容積熱容之比；而K則代表熱傳導係數，也就是單位截面、長度的絕緣導熱層120在單位溫差下和單位時間內直接傳導的熱量。要注意的是，此處所指的K值，係代表絕緣導熱層120在縱軸方向（平行於貫孔116的軸向）上的熱傳導係數。由下表可清楚看出絕緣導熱層120在熱傳導的特性及表現十分優異。 （表1）
須說明的是，以本實施例的熱裂解石墨紙110為例，其在橫軸方向（平行於貼附面112或散熱面114的方向）上的熱傳導係數可高達1500 W/m∙K左右，然其縱軸方向（平行於貫孔116的軸向）上的熱傳導係數卻僅為10 W/m∙K左右，因此，本實施例透過絕緣導熱層120的包覆，可有效提升散熱模組100整體在縱軸方向上的散熱效果。
圖7是習知的散熱模組之貼附面的溫度以及散熱面的溫度與時間的變化關係圖。圖8是依照本揭露的一實施例的散熱模組之貼附面的溫度以及散熱面的溫度與時間的變化關係圖。在此須說明的是，為了證實本揭露的散熱模阻100在縱軸方向（貫孔116的軸向）上的熱傳導效率優於習知的散熱模組（也就是習知的石墨紙貼附絕緣膠帶的結構），本實施例將如圖2所示之散熱模組100置入熱阻量測設備內，並以80瓦特(W)的加熱功率對散熱模組100的貼附面112進行加熱，以模擬散熱模組100的貼附面112貼附於發熱元件200時的受熱情境，接著再分別量測散熱模組100的貼附面112與散熱面114的溫度。同樣地，本實施例也對習知的散熱模組進行同樣的實驗，並將習知的散熱模組及本實施例的散熱模組100的實驗結果分別繪示於圖7及圖8，其中，T1代表的是散熱模組在貼附面的溫度，而T2則代表散熱模組在相對於貼附面之散熱面的溫度。
請同時參照圖7以及圖8，由圖7可知，習知的散熱模組的貼附面的溫度T1與相對於貼附面之散熱面的溫度T2之間的溫差約為30.4℃左右，因而可依據熱阻公式（R=(T1-T2)/Qout ）而計算得出習知的散熱模組的熱阻值約為0.38℃/W。相對地，由圖8可知，本實施例的散熱模組100的貼附面112的溫度T1與散熱面114的溫度T2之間的溫差約為8.1℃左右，因而可依據熱阻公式而計算得出本實施例的散熱模組100的熱阻值約為0.1℃/W。因此，本實施例的散熱模組100確實可有效降低其在縱軸方向上的熱阻，更可有效提升散熱模組100在縱軸方向上的熱傳導效率。
綜上所述，本揭露的散熱模組於石墨紙上設置有多個貫孔，並以絕緣導熱層包覆貫孔的內壁，並連通且包覆石墨紙相對的貼附面及散熱面。在這樣的結構配置下，本揭露的散熱模組透過此絕緣導熱層而有效地將發熱元件的熱能由貼附面縱向傳導至相對的散熱面，解決了習知的石墨紙在縱軸方向的熱傳導效率低落的問題。因此，本揭露的散熱模組不僅可透過石墨紙而在其水平方向（平行於貼附面的方向）上具有良好的熱傳導效率，更可透過包覆貫孔的絕緣導熱層而提升散熱模組在縱軸方向（貫孔的軸向）上的熱傳導效率。
除此之外，本揭露的絕緣導熱層亦具有良好的絕緣效果。因此，本揭露的散熱模組透過其絕緣導熱層包覆石墨紙的表面，不僅可提升散熱模組在縱軸方向上的熱傳導效率，更可提供絕緣的效果，使本揭露的散熱模組無須再額外貼附絕緣膠帶。因此，本揭露確實可降低散熱模組的生產成本，更可有效降低散熱模組的整體厚度。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧散熱模組
110‧‧‧石墨紙
112‧‧‧貼附面
114‧‧‧散熱面
116‧‧‧貫孔
120‧‧‧絕緣導熱層
130‧‧‧黏著層
200‧‧‧發熱元件
T1‧‧‧貼附面溫度
T2‧‧‧散熱面溫度
圖1是依照本揭露的一實施例的一種散熱模組的剖面示意圖。 圖2是依照本揭露的一實施例的一種散熱模組的示意圖。 圖3是依照本揭露的一實施例的一種散熱模組的局部剖面示意圖。 圖4是依照本揭露的一實施例的絕緣導熱層的X射線繞射分析示意圖。 圖5是依照本揭露的一實施例的絕緣導熱層的表面之廣域能譜示意圖。 圖6是依照本揭露的一實施例的絕緣導熱層的表面之束縛能譜示意圖。 圖7是習知的散熱模組之貼附面的溫度以及散熱面的溫度與時間的變化關係圖。 圖8是依照本揭露的一實施例的散熱模組之貼附面的溫度以及散熱面的溫度與時間的變化關係圖。
100‧‧‧散熱模組
110‧‧‧石墨紙
112‧‧‧貼附面
114‧‧‧散熱面
116‧‧‧貫孔
120‧‧‧絕緣導熱層
130‧‧‧黏著層
200‧‧‧發熱元件

Claims (20)

  1. 一種散熱模組，適於對一發熱元件散熱，該散熱模組包括： 一石墨紙，包括多個貫孔、一貼附面以及一散熱面，該貼附面適於貼附於該發熱元件上，該散熱面相對於該貼附面，且該些貫孔貫穿該石墨紙以連通該貼附面以及該散熱面；以及 一絕緣導熱層，包覆該石墨紙，其中該絕緣導熱層至少覆蓋該貼附面、該散熱面以及該些貫孔的內壁。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，更包括一黏著層，設置於該貼附面上，以使該散熱模組適於透過該黏著層而貼附於該發熱元件上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的散熱模組，其中該黏著層為一感壓膠。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的散熱模組，更包括一離型膜，設置於該黏著層用以貼附該發熱元件的一表面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該絕緣導熱層於一縱軸方向的一熱傳導係數實質上大於或等於100 W/m∙K，其中該縱軸方向平行於各該貫孔的一軸向。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該絕緣導熱層的一電阻率實質上大於或等於105 Ω∙cm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該絕緣導熱層的材料包括絕緣碳化物。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該絕緣導熱層的組成包括SiCx，且x實質上介於0.5至1之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該絕緣導熱層的組成包括3C-SiC的晶體結構。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中各該貫孔的一孔徑實質上介於1微米(μm)至1000微米之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中各該貫孔的一孔徑實質上介於260微米至265微米之間。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該絕緣導熱層的一厚度實質上大於或等於1微米，且小於或等於各該貫孔的孔徑的一半。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該絕緣導熱層的一厚度實質上介於40微米至45微米之間。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該石墨紙的一厚度實質上介於1厘米至50微米之間。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該石墨紙的一厚度實質上介於50微米至55微米之間。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中各該貫孔的一橫截面呈一圓形、三角形或矩形。
  17. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該絕緣導熱層透過一化學氣相沉積製程而形成。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的散熱模組，其中該化學氣相沉積製程的一製程溫度實質上介於1000℃至1400℃之間。
  19. 如申請專利範圍第17項所述的散熱模組，其中該化學氣相沉積製程的一製程壓力實質上介於10帕斯卡(pa)至50000帕斯卡之間。
  20. 如申請專利範圍第1項所述的散熱模組，其中該石墨紙為熱裂解石墨紙。
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