TW201915212A - 石墨烯均溫板結構及其製程方法 - Google Patents

Abstract

本發明系關於一種石墨烯均溫板結構及其製程方法，該製程方法係先以電解拋光製程處理基板的原粗糙表面使其光滑，再以化學氣相沉積製程(CVD)在基板的光滑表面上設置石墨烯層，形成石墨烯均溫板結構，用於提升傳統銅均溫板的散熱性能。

Description

石墨烯均溫板結構及其製程方法

本發明有關一種均溫板結構及其製程方法，尤其是一種關於石墨烯均溫板結構及其製程方法。

隨著半導體製程線寬越小，可以預期市場上的電子設備散熱需求越來越多。根據國外Thermal management technologies market size report的報導，全球熱管理技術市場分析2016-2021年，市場產值從2015年的107億美元增長到2016年的112億美元，估計到2021年預期將達到147億美元。這些相關數據指出熱管理是一全球重要的產業，也代表市場上對散熱產品的殷切需求。

熱導管（或稱熱管）是一種具有快速均溫特性的特殊材料，其中空的金屬管體，使得具有質輕的特點並具有快速均溫的特性。由於具有優異的熱導性能，因此熱管的運用範圍相當廣泛，最早期運用於航天領域，現早已普及運用於各式熱交換器、冷卻器、天然地熱引用等，擔任起快速熱傳導的角色，更是現今電子產品散熱裝置中最普遍高效的導熱元件。

而相較於熱導管，均溫板(Vapor Chamber) 由金屬殼體、毛細結構及作動流體，經退火、抽真空及封焊等製程所製成，除了有將熱從熱源傳導至散熱區域的熱導管傳統功能外，亦具有快速熱擴散功能，在熱管理運用中，可將高熱通量的點，迅速轉換為低熱通量的面；另，以其較熱導管大的腔體空間及必須含有的較多作動流體，使其較熱導管有較大的最大熱傳量，因此，最大熱傳量通常不會是熱導板運用或設計上所會遭遇的問題點。

在熱管理的方面，兩者比較之下，均溫板可說是近年來應用於電子產品散熱的熱門材料，像是智慧型手機、平板電腦、照明及車用LED燈具，都開始使用這種被動式散熱技術與材料。

選擇均溫板的主要考量有三點:一、為被動式散熱，不用耗能源；二、其熱傳導方式是二維的，不會受到重力影響屬於面的傳導，而非像熱導管是一維(點的熱傳導)；三、當散熱產品受限於電子產品的輕、薄、密閉式設計時，具有機構設計的發揮空間又能同時兼具良好的散熱效果。

為了，進一步增加均溫板的散熱能力，國內外在此技術上，大多局限於研究均溫板內、外、銅柱的幾何形狀或是銅粉狀態、內部蒸發水含量比例等，便以尋找出最佳化的散熱能力，但其高製造成本問題(殼體的封焊技術、對殼體結構強度的要求以及對殼體表面平整度的要求)，所衍生的高單價仍為現今均溫板不可忽略的問題。且，現行均溫板之毛細結構多為銅粉燒結毛細，其中，燒結的製程成本以及因為不穩定性所衍生出的品質成本，都是造成現今均溫板高單價所不可忽略的原因。

且，均溫板製程須將其腔體內部注入工作流體（水）及抽真空，其成品之腔內壓力會處於當下溫度的飽和（水）蒸汽壓，若工作流體為水，當100℃時，其內部壓力會約等於外部的一大氣壓，亦即當其溫度低於100℃時，其內部壓力是低於外部大氣壓的。所以均溫板腔體若有微隙，不會是內部工作流體（水）蒸發，而是外部空氣滲入形成不凝結氣體，因而造成均溫板的品質不良。

綜上所述，就現有之技術中，研究多集中於均溫片內、外、銅柱的幾何形狀或是銅粉狀態、內部蒸發水含量比例等來改善其散熱效果。但，其製造成本仍居高不下。因此，有必要進一步改良均溫板的散熱效果並降低高製造成本的問題。

本發明之主要目的，係提供一種石墨烯均溫板結構及其製程方法，其係用於均溫板的材質改良，藉由創新複合材料的角度，使其提高散熱效果並降低均溫板的高成本問題，合成於石墨烯均溫板外表面之石墨烯層，可提高均溫板的本質熱導率性能，進而提升均溫板導熱之能力。

本發明之次要目的，係提供一種石墨烯均溫板結構及其製程方法，其係用於均溫板的材質改良，藉由創新複合材料的角度，使其提高散熱效果並降低均溫板的高成本問題，合成於石墨烯均溫板外表面之石墨烯層，該石墨烯層將做為均溫板(材質銅)的保護層，避免銅在散熱應用時，因高溫氧化成氧化銅，進而降低均溫板導熱之能力。

為了達到上述之目的，本發明揭示了一種石墨烯均溫板結構之製程方法，其步驟係包含：取具有一中空結構之一基板；形成一光滑表面於該基板之上；以及使用一化學氣相沉積製程將一石墨烯層設置於該光滑表面上，且該石墨烯層為一單層原子層結構。

而對於石墨烯均溫板結構，則係包含：一基板，具有一中空結構以及於該基板上設置一光滑表面；以及一石墨烯層，其設置於該光滑表面之上，該石墨烯層為一單層原子層結構。

而本實施例之石墨烯均溫板結構之該基板的該光滑表面經過一電解拋光製程平整化處理，形成該光滑表面以便於後續該石墨烯層的合成。

本實施例之石墨烯均溫板結構之該石墨烯層，則是經由該化學氣相沉積製程設置於該光滑表面上。

本實施例之石墨烯均溫板結構之該石墨烯層，藉由該化學氣相沉積製程，以該基板之該光滑表面為基底並直接合成在其上面。

本實施例之石墨烯均溫板結構之該石墨烯層為一單層原子層結構，其厚度為1nm以下。

本實施例之石墨烯均溫板結構之該中空結構材料包含銅。

為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：

有鑑於均溫板的高製造成本問題(殼體的封焊技術、對殼體結構強度的要求以及對殼體表面平整度的要求)以及均溫板的毛細結構多為銅粉燒結毛細，其燒結的製程所造成的成本以及因其製程不穩定性所衍生出的品質成本，都是現今均溫板所面臨的問題，據此，本發明遂提出一種石墨烯均溫板結構及其製程方法，以解決習知技術所造成之問題。

以下，將進一步說明本發明之石墨烯均溫板結構及其製程方法所包含之特性、所搭配之結構及其方法：

請參照第1圖，其係為本發明之一實施例之流程圖。如圖所示，本發明所揭示之石墨烯均溫板結構及其製程方法，其步驟係包含：

S1：取具有中空結構之基板；

S2：形成光滑表面於基板之上；以及

S3：使用化學氣相沉積製程將石墨烯層設置於光滑表面上。

接著，請參考第2A-2B圖，其係為本發明之一實施例之結構圖，本發明所揭示之石墨烯均溫板10在結構上係包含：一基板20、一石墨烯層40。

如步驟S1所示，該基板20具有一中空結構21，且該基板20的材料包含銅。

如步驟S2所示，該基板20之上形成一光滑表面22(如圖2A所示)。而該光滑表面22經過一電解拋光製程處理來減少粗糙狀況，以便後續該石墨烯層40的設置。

如圖3所示，本發明於石墨烯均溫板製程方法中，先以電解拋光的技術，進行銅基板表面的平整化，由於傳統的銅均溫板表面過於粗糙，以至於石墨烯經由化學氣相沉積製程合成時，容易形成多層與缺陷石墨烯，當石墨烯形成多層與缺陷時，就無法有效提升熱導率。因此本發明利用拋光後的銅均溫板，讓石墨烯更容易形成一單層原子層結構在其表面上。藉此電解拋光製程來減少均溫板品質不良的問題，並同時提升均溫板的熱導率。

而本發明之電解拋光製程，其步驟包含將該基板20接於電源供應器之正極，另一純銅板接於負極，電解拋光液為磷酸與聚乙二醇之混合液。在通入電壓0.5~5V，可將原本粗糙的該基板20表面，拋光成平整的該光滑表面22。

本發明之石墨烯，為目前世界上已知材料中強度最大、厚度最薄且幾乎透明的奈米材料，石墨烯擁有高機械性，極優良的導熱性、導電性、透光性、韌性及極小電阻率。

其，石墨烯的熱導率(5300W/mk)遠高於奈米碳管及金銀銅，是銅的近14倍，石墨的3.5倍。因此，石墨烯適合於解決目前LED照明和許多消費性電子裝置，例如智慧型手機、電腦過熱的問題。而其，石墨烯的電阻率比銀和銅更低，其電阻率越低，內部電子傳遞的速度越快。因此，石墨烯用來發展出導電速度更快且超薄的新一代電子元件。

然而，石墨烯層於合成時，不同的製備方式會產生不同結晶品質的石墨烯層。以現今技術進行分類，分為含機械剝離法（mechanical exfoliation）、氧化還原石墨烯之方法（reduced graphene oxide）、液相剝離法（liquid phase exfoliation）、磊晶成長法（epitaxial growth）、化學氣相沉積製程（chemical vapor deposition，CVD）以及電化學剝離法（electrochemical exfoliation）等。

其中，以機械剝離法及磊晶成長法，雖然可以生成品質較佳之石墨烯層，但這兩種方法均無法大面積合成石墨烯層，應用性不足。而氧化還原石墨烯法主要係先將石墨氧化，最後再經過高溫還原的步驟使石墨烯恢復其原本的晶格形狀使其具有導電性。然而，氧化的過程會造成石墨烯的晶格受到破壞，且並非所有的氧化石墨烯均能有效地被還原。

就，以獲得大面積以及高品質的石墨烯來考量，化學氣相沉積製程為本發明使用的方法。

因此，接續步驟S3所示，使用一化學氣相沉積製程將該石墨烯層40設置於該光滑表面22上，使該石墨烯層40包覆該基板20，且該石墨烯層40的厚度為1nm以下(如圖2B所示)。

然而，目前化學氣相沉積製程製備的石墨烯在銅或是鎳金屬表面 生成後，需經過一道轉移製程至所需的基板上，轉移製程通常會造成石墨烯因轉移機械應力損毀以及污染物殘留等問題，因此，如何直接成長高品質、大面積之薄層石墨烯於所需的基板上，為發展石墨烯熱管理元件之重要課題。

而本發明之化學氣相沉積製程，為直接合成石墨烯層於所需基板上，其步驟包含將具有該光滑表面22之該基板20置於高溫爐管內，第一階段為升溫階段，由室溫升至800~1100度，並通入氬氣與氫氣；第二階段為退火階段，在800~1100度的持溫環境下，進行該基板20之銅晶格自組排列與去除氧化銅；第三階段為合成石墨烯階段，在800~1100度的持溫環境下通入甲烷，可將甲烷裂解成碳原子，並在該基板20上的該光滑表面22形成一均勻的該石墨烯層40覆蓋。

而為了實現上述之步驟，本發明係搭配具有特殊材質之石墨烯均溫板10，當該石墨烯層40被合成於該基板20上時，石墨烯均溫板10的熱導率將會增強，而藉由該石墨烯層40來增加均溫板的表面化學惰性，避免銅氧化發生。

綜上所述，本發明所提供之石墨烯均溫板結構及其製程方法，其取具有中空結構之基板，並形成光滑表面於基板之上，接著使用化學氣相沉積製程將石墨烯層設置於光滑表面上，並包覆整個基板。藉由石墨烯層，可以增加石墨烯均溫板的熱導率，並避免銅氧化發生。透過本發明所揭示之石墨烯均溫板結構及其製程方法，可以確保均溫板的品質，也可以降低製造成本，故為一種具應用價值之石墨烯均溫板結構及其製程方法。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10‧‧‧石墨烯均溫板

20‧‧‧基板

21‧‧‧中空結構

22‧‧‧光滑表面

40‧‧‧石墨烯層

第1圖：其係為本發明之一實施例之流程圖； 第2A-2B圖：其係為本發明之一實施例之結構圖；及 第3圖：其係為本發明之一實施例之電解拋光前後與合成石墨烯層前後比較圖。

Claims (9)

1. 一種石墨烯均溫板結構之製程方法，其步驟係包含： 取具有一中空結構之一基板； 形成一光滑表面於該基板之上；以及 使用一化學氣相沉積製程將一石墨烯層設置於該光滑表面上，且該石墨烯層為一單層原子層結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯均溫板結構之製程方法，其中該光滑表面經過一電解拋光製程平整化處理。
3. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯均溫板結構之製程方法，其中該石墨烯層厚度為1nm以下。
4. 如申請專利範圍第1項所述之石墨烯均溫板結構之製程方法，其中該石墨烯層包覆該基板。
5. 一種石墨烯均溫板結構，其係包含： 一基板，具有一中空結構以及於該基板上設置一光滑表面；以及 一石墨烯層，其設置於該光滑表面之上，該石墨烯層為一單一原子層結構。
6. 如申請專利範圍第5項所述之石墨烯均溫板結構，其中該光滑表面經過一電解拋光製程平整化處理。
7. 如申請專利範圍第5項所述之石墨烯均溫板結構，其中該石墨烯層經由一化學氣相沉積製程設置於該光滑表面。
8. 如申請專利範圍第5項所述之石墨烯均溫板結構，其中該石墨烯層厚度為1nm以下。
9. 如申請專利範圍第5項所述之石墨烯均溫板結構，其中該基板材料包含銅。