TWI464250B - 具熱擴散片之電子裝置 - Google Patents

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Mei Hua Wang
Chih Kuang Chang
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Description

具熱擴散片之電子裝置
本揭露係有關一種具熱擴散片之電子裝置。
目前大部分電子產品都朝向微型化、扁平化趨勢發展，尤其平板電腦、智慧型手機或超輕薄筆記型電腦幾乎也以輕薄為發展主軸，這意謂著越來越多電晶體、電子元件將整合在越來越小的空間中，而這些電子元件產生的熱量也越來越集中局部區域。當電子元件之溫度越高，其阻抗也會越高，阻抗越高則電子所產生熱量越大，若不能將這些熱量有效排除掉，則這些電子裝置將會變得不穩定甚至當機，將局部熱量有效擴散並排除是目前這些裝置的重要課題。而熱能的傳遞通常以傳導、對流和熱輻射這三種機制來產生，而傳統散熱器元件大部分是以傳導或對流的機制來達到這些功效。傳導係最有效率也常被使用的方法，對流和熱輻射通常是用於解決將熱散發至環境中的問題。通常對流要能有效將熱散發至空氣中必須提升對流面積，而在目前電子產品以輕薄為發展主軸是很難有發展空間，且電子產品之封閉系統中，對流亦受到嚴重限制。
對於目前電子裝置的散熱需求，已發展出一種以熱輻射為散熱機制的技術。在發熱源面上塗佈一層熱輻射塗料或奈米顆粒，藉由熱輻射將熱量散發出去。在有限的空間和重量限制下，輻射散熱是冷卻物體表面的最好方式，熱量是以光形式釋放至外界環境。所有物體只要高於環境溫 度，便能以紅外線釋放到外界。散熱塗料的開發及如何更有效率的應用於電子裝置，成為重要課題。
本揭露提供一種具熱擴散片之電子裝置，係包括：金屬片體，其具有相對之第一表面和第二表面，且該第一表面具有粗糙度為5至10微米；電子元件；黏著層，係設置於該金屬片體的第一表面與該電子元件之間；散熱塗料，係覆蓋於該金屬片體之第二表面上，且該散熱塗料包括複數碳材顆粒及包覆且鍵結於各該碳材顆粒之高分子殼層，其中，該高分子殼層與該金屬片體之第二表面藉由第一官能基團與第二官能基團連結，該第一官能基團包括硫醇基，第二官能基團包括環氧基或羧酸基。
以下藉由特定的具體實施例說明實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之其他優點及功效。
為得到具熱擴散片之電子裝置，本揭露提供一種熱擴散片之製法。
請參閱第1A及1B圖，係說明本揭露熱擴散片之製法。
如第1A圖所示，準備一材質如銅、鋁或合金之金屬片體10，其厚度可為0.05至0.2毫米。接著，以蝕刻液蝕刻該金屬片體10之第一表面10b，以得到5至10微米的粗糙度。
如第1B圖所示，於該金屬片體10之第一表面10b， 利用如塗佈的方式形成厚度5至30微米之黏著層11。該黏著層11的材質可為聚丙烯酸系列高分子，但不以此為限。此外，於一具體實施例中，該黏著層11中包含複數導熱粒子，其係選自碳化矽、氧化鋁或氮化硼。
另外，可於該黏著層表面貼附一離型膜，接著，再於該金屬片體10的第二表面10a形成厚度為0.5至2微米之散熱塗料12。
於另一具體實施例中，亦可於蝕刻該金屬片體之第一表面後，即於該金屬片體的第二表面形成前述之散熱塗料，之後再於該金屬片體之第一表面形成黏著層(未圖示)。
前述金屬片體第一表面的粗糙面，可令其上配置之黏著層能和發熱源黏附且降低金屬片體和發熱源的界面熱阻。
形成該散熱塗料的方式不限，可利用噴塗或已熟知的塗佈法，例如滾塗、刮塗和旋轉塗佈等。本揭露之散熱塗料包括複數碳材顆粒以及包覆且鍵結於各該碳材顆粒之高分子殼層。該碳材顆粒之材質可為奈米碳管、石墨、碳黑、碳纖、石墨烯或如鑽石之微粒等。使用時，該複數碳材顆粒可為前述列舉材質的至少一種。
本揭露之高分子殼層的材質可為乙烯系高分子或丙烯酸系高分子，其可利用不飽和雙鍵聚合得到高分子主鏈。且該高分子殼層的高分子可帶有環氧基或羧酸基，以利於散熱塗料之固化。舉例而言，該高分子可為聚甲基丙烯酸縮水甘油酯、聚2-(4-乙烯基苯基)環氧乙烷或聚丙烯 酸系之高分子。
本揭露之高分子殼層係具有第一官能基，於一具體實施例中，該第一官能基係硫醇基，且該高分子殼層復具有選自環氧基或羧酸基之第二官能基。此外，係使用交聯劑，俾於固化該散熱塗料後與該第二官能基鍵結。於一具體實施例中，該散熱塗料包括-N-CH2 -CH2 -N-基團，係於固化該散熱塗料後與該第二官能基鍵結。
以具有複數碳材顆粒以及高分子殼層之散熱塗料為基礎，該高分子殼層佔該散熱塗料之1至20wt%，複數碳材顆粒則佔80至99wt%。
如第1C圖所示，根據前述之製法，本揭露提供一種具熱擴散片之電子裝置，其係將該金屬片體10藉由黏著層11結合於電子元件13上，其中，散熱塗料12，係覆蓋於該金屬片體10之第二表面10a上，且該散熱塗料12包括複數碳材顆粒及包覆且鍵結於各該碳材顆粒之高分子殼層，其中，該高分子殼層與該金屬片體10之第二表面10a藉由第一官能基團與第二官能基團連結，該第一官能基團包括硫醇基，第二官能基團包括環氧基或羧酸基。
前述之電子元件可為晶片、顯示器或其他發熱源。
該黏著層，係形成於該金屬片體第一表面上且該黏著層之厚度為5至30微米。
該黏著層中包含複數導熱粒子，其係選自碳化矽、氧化鋁或氮化硼。
又，該金屬片體之厚度為0.05至0.2毫米。本揭露 之熱擴散片中，該散熱塗料之厚度為0.5至2微米。
(實施例)
以下係舉例說明本揭露散熱塗料及熱擴散片之製備，但不以此為限。
實施例1 高分子殼層之第一官能基係硫醇基；第二官能基係環氧基
將10 g的奈米碳管分散於50%(v/v)甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)單體溶液(溶劑為四氫呋喃(THF))，整個溶液在80℃溫度下反應並配合超音波震盪1小時後並逐漸持續加入10g作為自由基起始劑的過氧化苯甲醯(benzoyl peroxide，BPO)，使得聚甲基丙烯酸縮水甘油酯(PGMA)均勻接枝至奈米碳管，最後以離心方式將未接枝的高分子去除後便得到經PGMA接枝的奈米碳管。
將經PGMA接枝的奈米碳管分散於二甲基亞碸，加入0.2wt%的2-硫基丙酸於溶液中，整個溶液在50至100℃溫度下反應1小時後，使奈米碳管表面接枝之PGMA的部分環氧基與2-硫基丙酸產生開環反應。高分子鏈中的環氧基和2-硫基丙酸反應後末端為硫醇基，即得到可作為散熱塗料之塗料。
將該塗料(奈米碳管上接枝有PGMA，且該PGMA上帶有硫醇基的複合粒子)溶於丁酮溶劑(methyl ethyl ketone,MEK)下，並配製為2wt%，並添加相對於塗料重量的15%的乙二胺(ethylenediamine)交聯劑，以得到混合物。將混合 物裝填於氣體噴槍，噴灑於厚度約145微米之銅箔平坦面上，該銅箔之相對粗糙面形成有約5微米之黏著層，並經過80℃烘烤10分鐘，即固化該散熱塗料。
根據紅外線光譜儀之鑑定，可於1720cm-1 位置發現C=O基團之吸收，於1150cm-1 位置發現PGMA環氧基之C-O基團之吸收，並已根據C-O基團之吸收明顯弱化判定得到硫醇基，並出現2600cm-1 位置之硫醇基訊號。
實施例2至4
重複實施例1之製法，但碳材顆粒分別改為鑽石微粒、石墨、碳黑，皆經由紅外線光譜儀之鑑定PGMA的部分環氧基轉換為硫醇基。
測試例1
首先，根據實施例1製備本揭露之熱擴散片。於一145微米厚之銅箔頂面形成約1微米厚的本揭露之散熱塗料，該銅箔底面則形成有10微米之黏著層南寶樹脂DM-58T水性壓克力感壓膠，其中，該散熱塗料之碳材顆粒係奈米碳管Advance Nanopower Inc.Carbon nanotube型號CF182C，該高分子殼層係PGMA，且該PGMA約佔整體散熱塗料比例約15wt%，高分子殼層之第一官能基係硫醇基；第二官能基係環氧基，並使用乙二胺進行交聯固化，以得到本測試例之熱擴散片樣品。
接著，測量該熱擴散片之熱擴散係數、輻射放射率及 導熱率，並將結果記錄於表1中。
比較測試例1
以一145微米厚之銅箔作為本測試例之熱擴散片樣品，其中，該銅箔底面同樣形成有10微米之黏著層南寶樹脂DM-58T水性壓克力感壓膠。接著，測量該熱擴散片之熱擴散係數、輻射放射率及導熱率，並將結果記錄於表1中。
比較測試例2
以一145微米厚之柔性石墨片材(Graft Tech SS 400)作為本測試例之熱擴散片樣品，其中，該柔性石墨片材底面同樣形成有10微米之黏著層南寶樹脂DM-58T水性壓克力感壓膠。接著，測量該熱擴散片之熱擴散係數、輻射放射率及導熱率，並將結果記錄於表1中。
熱擴散係數(α)係根據Angstrom測試規範，以瑞領科技股份有限公司熱擴散儀LW-9514來進行量測。
XY平面軸導熱率k係由(熱擴散係數)=k/(ρ Cp)公式換算得到，其中ρ是材料本身密度，而Cp是材料的熱焓。
Z軸導熱係率是根據ASTM E1461標準來進行量測，是利用雷射閃爍LFA-447機台進行量測。
樣品之輻射發射率則可將樣品放在塊狀恆溫黑體(廠 牌為Grant、型號為QBT1)上方，調整塊狀恆溫黑體以提供穩定溫度的加熱環境。塊狀恆溫黑體開機溫度達穩定後1小時方可進行測試。塊狀恆溫黑體輻射溫度為熱像儀放上方約20 cm所顯示之溫度讀值。待測樣品靜置於塊狀恆溫黑體環境中60分鐘，達到熱平衡後才進行測試。依據史蒂芬-波茲曼定律(Stenfan-Boltzmann Law)W=ε σ T4 計算輻射發射率ε，其中W為單位面積輻射熱功率、σ為Stenfan-Boltzmann常數及T為樣品的溫度。
由表1可知，本揭露之熱擴散片具有較高的熱擴散係數及輻射發射率。從表1可以發現測試例1之Z軸導熱率 高於比較測試例2，雖然仍然低於比較測試例1，但是在輻射發射率則遠高於比較測試例1和比較測試例2。顯示本揭露之熱擴散片不僅兼顧輻射發射率和整體導熱率，讓局部熱擴散效果可以有效提升。
比較測試例3
取同樣厚度為145μm厚度之銅箔，並於其中一面以如實施例1之製法噴塗散熱塗料，該銅箔之另一面未做粗化處理，但以同樣條件塗佈南寶樹脂DM-58T水性壓克力感壓膠，並進行介面溫度(Tc)和熱阻(Rh)量測。
以下另針對實施例1之熱擴散片樣品和145微米厚之銅箔及柔性石墨片材對於熱擴散效果進行量測效果。
各取實施例1之熱擴散片樣品和145微米厚之銅箔及柔性石墨片材(6╳6 cm2 )貼附於晶片熱源產生裝置(廠牌Longwin、型號為LW9053)來模擬熱源並量測熱擴散片樣品與晶片間介面溫度，晶片熱源產生裝置以3W功率輸出測量其介面溫度和熱流量(Qh)隨時間變化情況，整個實驗裝置在自然對流恆溫腔室(廠牌Longwin、型號為LW9022)進行量測。而平衡熱阻則是以下面式子作計算：熱阻Rh=(Tc-Ta)/Qh，其中Ta為外界環溫。並將熱擴散片樣品對於介面溫度隨著時間上升情況和平衡熱阻隨時間變化情況紀錄於第2及3圖。
如圖所示，相較於銅箔及柔性石墨片材，本揭露實施例1之熱擴散片樣品有較佳的熱擴散效果，適用於有散熱 需求之電子裝置。
上述實施例係用以例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本揭露之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
10‧‧‧金屬片體
10a‧‧‧第二表面
10b‧‧‧第一表面
11‧‧‧黏著層
12‧‧‧散熱塗料
13‧‧‧電子元件
第1A至1C圖係說明本揭露之熱擴散片及具熱擴散片之電子裝置的製法示意圖；第2圖係說明實施例1之熱擴散片樣品和145微米厚之銅箔、柔性石墨片材及比較測試例3之熱擴散片樣品對於介面溫度隨著時間上升情況；以及第3圖係說明實施例1之熱擴散片樣品和145微米厚之銅箔、柔性石墨片材及比較測試例3之熱擴散片樣品對於平衡熱阻隨時間變化情況。
10‧‧‧金屬片體
10a‧‧‧第二表面
10b‧‧‧第一表面
11‧‧‧黏著層
12‧‧‧散熱塗料
13‧‧‧電子元件

Claims (6)

  1. 一種具熱擴散片之電子裝置，係包括：金屬片體，其具有相對之第一表面和第二表面，且該第一表面具有粗糙度為5至10微米；電子元件；黏著層，係設置於該金屬片體的第一表面與該電子元件之間；散熱塗料，係覆蓋於該金屬片體之第二表面上，且該散熱塗料包括複數碳材顆粒及包覆且鍵結於各該碳材顆粒之高分子殼層，其中，該高分子殼層與該金屬片體之第二表面藉由第一官能基團與第二官能基團連結，該第一官能基團包括硫醇基，第二官能基團包括環氧基或羧酸基。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具熱擴散片之電子裝置，其中，該黏著層厚度為5至30微米。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具熱擴散片之電子裝置，其中，該黏著層中包含聚丙烯酸系列高分子及複數導熱粒子。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之具熱擴散片之電子裝置，其中，該導熱粒子係選自碳化矽、氧化鋁或氮化硼。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具熱擴散片之電子裝置，其中，該金屬片體之厚度為0.05至0.2毫米。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具熱擴散片之電子裝置，其中，該散熱塗料之厚度為0.5至2微米。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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TW200913864A (en) * 2007-03-29 2009-03-16 Polymatech Co Ltd Thermally conductive sheet and method of manufacturing the same
TW201249905A (en) * 2011-06-03 2012-12-16 yao-xian Wang Thermal conductive paint

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