TWI513592B - 異向性熱傳導元件及製造方法 - Google Patents

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Description

異向性熱傳導元件及製造方法
本發明係關於一種用於傳導來自裝置之熱之散熱器及製造該散熱器之方法。
電子組件越來越小，而散熱需求越來越大。為消散由此等電子組件產生之熱，於電子組件與散熱片之間使用散熱器。散熱器可由固體熱傳導金屬製成。該固體傳導金屬具有有限的散熱能力且具有有限的熱傳導率特徵。含有苯環之石墨薄片係藉由具有堆疊結晶結構之共價鍵連接，且石墨層係由凡得瓦爾力連接。作為熱傳導元件之一部分之石墨薄片係用於減少隨電子及電子裝置出現之熱點。熱傳導元件可傳導來自熱源之熱以高效地輻射熱。
為用作熱傳導元件，需緊密地機械接觸熱源，然而因為石墨一般具有易碎及易塌陷之特性，因此存在由於機器與熱源接觸及以安裝部件夾持所產生之應力而受損之考量。可於石墨表面上塗覆樹脂或鋁或PET，然而若塗覆部分之厚度大，則一般會有熱傳導效率受損之問題。
日本專利案第2008-28283號建議形成一金屬包埋於石墨片中之熱傳導元件，其中一部分接收接觸金屬之熱源之熱。
本發明係關於一種異向性熱傳導元件及一種製造該異向性熱傳導元件之方法。
當將石墨佈置於熱源與諸如熱輻射散熱片之熱輻射元件之間時，聚矽氧及環氧基樹脂材料係作為各導熱層之黏附劑，然而，由於黏附劑之耐熱性成為一項問題。
本發明係關於一種沿厚度方向高效地傳導來自熱源之熱之異向性熱傳導元件之製造方法。
本發明之異向性熱傳導元件之結構係可傳導來自熱源之熱之異向性熱傳導元件。此結構係堆疊石墨薄片，其於厚度方向及藉由堆疊薄片所形成之平面之另一方向上具有相對高熱傳導率且於由堆疊薄片形成之平面之另一方向上具有相對低之熱傳導率。堆疊薄片中至少兩者接觸熱源，且藉由該至少兩堆疊薄片形成之結構係至少部份地經塗覆以形成該異向性熱傳導元件之支撐部件。
根據上述結構，該結構係由於至少兩石墨薄片之平面方向及於異向性熱傳導元件之厚度方向上具有高熱傳導率之堆疊石墨薄片組成以高效地傳導熱源之熱。異向性熱傳導元件可於異向性熱傳導元件之堆疊方向上具有相對低之熱傳導率。此外，該結構係至少部份地由一塗層包圍。該塗層形成支撐部件。因此，可避免熱源與安裝部件接觸時因夾持之機器應力所導致之損壞。
於另一實施例中，於與熱源之接觸表面處形成一金屬層。異向性熱傳導元件可藉由焊接輕易地將熱源連接至該金屬層。
於另一實施例中，於與熱源之接觸表面處形成一陶瓷層。異向性熱傳導元件可高效地傳導來自熱源之熱並使異向性熱傳導元件免除非所需電傳導。
於另一實施例中，異向性熱傳導元件之機械強度係藉由以樹脂浸漬該結構的方式獲得改良。
於另一實施例中，熱傳導效率係藉由將高度定向之熱解石墨用作堆疊石墨薄片，藉此具有比一般石墨更高之熱傳導率的方式顯著提高。
於另一實施例中，熱傳導效率係藉由將可由MINTEQ International Inc. of New York,New York製造品牌名稱為PYROIDHT之產品獲得之高度定向之熱解石墨用作異向性熱傳導元件中之堆疊石墨薄片，藉此獲得大於1500 W/mK之熱傳導率的方式顯著提高。
於另一實施例中，異向性熱傳導元件具有容許熱源鄰接支撐部件安裝之安裝部件或安裝構件，並藉由設立一安裝部件(可將其設立於支撐部件中)的方式固定熱源而不造成結構體之損壞。
於另一實施例中，異向性熱傳導單元可與電或電子裝置組合。
異向性熱傳導元件可藉由以下製造方法製得：塗覆製程係塗覆由堆疊石墨薄片形成之結構並形成支撐部件。於塗覆製程後，切割製程係橫跨堆疊方向切割並於該切割製程後，實施一表面處理製程。
於另一實施例中，製造方法包括於上述塗覆製程之前，以樹脂浸漬上述結構之浸漬步驟。該浸漬步驟可藉由樹脂浸漬結構而進一步改良異向性熱傳導元件之機械強度。
於另一實施例中，許多結構係沿堆疊方向堆疊並塗覆，藉此形成支撐部件以作為一單元並藉由進一步沿堆疊方向堆疊許多結構產生一具有熱傳遞之大接觸面積之異向性熱傳導元件。
根據本發明，揭示一種製造異向性熱傳導元件之方法及一種可沿厚度方向高效地傳導來自熱源之熱並維持強度之異向性熱傳導元件。
本發明現將藉由參照以下說明書及非限制性實例詳細描述。
於無另外詳述下，相信熟習本技藝者可利用以上論述儘量利用本發明。因此，下列實施例僅作說明性理解，且並非以任何方式限制本發明其餘內容。
下文係本發明異向性熱傳導元件及製造方法之詮釋。
如圖1所示，異向性熱傳導元件1可傳導來自熱源H之熱。堆疊石墨薄片之結構3係沿或相對於熱源表面形成一層，且於結構3之周圍係經支撐部件4塗覆。
如圖2所示，石墨薄片2係由0.25 mm至20 mm之厚度及至多300 mm之橫向尺寸或呈正方形形式組成。石墨薄片2於堆疊晶體結構中具有六角形共價鍵，且各石墨薄片2之石墨層係藉由凡得瓦耳力連接。石墨薄片2於石墨薄片2之X-Y平面內具有比厚度方向(即Z方向)大之熱傳導率值。
如圖3所示，結構3之石墨薄片2之X-Y平面可為圖5中所示之異向性熱傳導元件1之一部份，其係藉由佈置圖3中所示具有熱源H之接觸表面C利用X-Y平面中之高熱傳導率。石墨薄片2之X-Y平面可為與熱源接觸之接觸表面交叉並與其充分垂直或不與其平行之角度，且可沿結構3之厚度方向高效地傳導熱。
圖4顯示本發明異向性熱傳導元件1之另一實施例。製造本發明異向性熱傳導元件之製造方法係藉由參照圖4之方式描述。該方法包括塗覆至少一部份堆疊石墨薄片2之結構3，因此形成支撐部件4之塗覆製程步驟，及隨後於該塗覆製程後橫跨堆疊方向切割之切割製程步驟。視需要，於該切割製程後，可實施一表面處理製程步驟以使結構3或支撐部件4之區段進行表面處理。
樹脂形成之支撐部件4會覆蓋結構3之表面以藉由塗覆製程令該塗層變為0.5 mm至12 mm厚，但不包括石墨厚度。於樹脂固化後，藉由該切割製程如圖4所示般沿實質上垂直於石墨薄片2之X-Y平面之平面P以設定為約0.5 mm至12 mm之指定間隔或單位以金剛石切刀切割加工之。因此，如圖1所示，提供異向性熱傳導元件1。
諸如酚基樹脂、氟化物基樹脂、環氧基樹脂、聚醯亞胺基樹脂或聚矽氧基樹脂之熱固性樹脂係適宜的。模壓時，將結構3固定於指定位置中，並可藉由添加定型劑於熱固性樹脂中及實施熱處理以樹脂塗覆結構3之表面並考量耐熱溫度適宜地選擇之。
此外，熱塑性樹脂諸如為工程塑膠之一般用途聚碳酸酯、為超級工程塑膠之聚胺醯亞胺、聚苯硫醚、聚醚碸、聚二苯醚、聚碸、四氟乙烯。
此外，於上述熱塑性樹脂及熱固性樹脂中，可使用藉由使用無機填充及有機改質填充化合物改良耐熱性及熱尺寸穩定性之樹脂。此外，可使用具有用於改良內聚力之所加胺基、聚矽氧基之樹脂。
此外，可於高溫環境下使用UV可固化環氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚矽氧樹脂、及具有特高內聚力之環氧樹脂。
除樹脂之外，亦可將金屬或陶瓷材料用作支撐部件4，其等可藉由諸如Al、Cu、Ni、Au之金屬塗覆結構3周圍，且可藉由諸如噴塗之乾式方法或諸如電鍍之濕式方法塗覆此等材料。
此外，可藉由使用易於與碳或包含諸如Ti、Ni、NiCr或Pt之成份之合金基本匹配之金屬用作底層來改良內聚力。
結構3之周圍可以諸如氧化鋁、氧化鋯、碳化矽、氮化硼或氮化鋁之陶瓷塗覆。於將陶瓷製成漿液形式並塗覆於結構3之周圍之後，可使用諸如噴塗或熱壓方法之乾式方法。
此外，如上所述，石墨表面金屬化可改良熱應力之釋放及黏附性。
若於塗覆製程之前，如藉由真空浸漬方法實施浸漬製程以將樹脂浸漬於結構3中，則可改良結構之機械強度。用於浸漬之樹脂係類似於上述者，然而較佳係特別使用環氧樹脂或酚系樹脂。
此外，當圖2中所示之結構3上之塗層厚度較薄，起初沿石墨薄片之堆疊方向堆疊複數個堆疊結構3並以支撐部件4作為一單元塗覆之時，所堆疊之許多結構3可形成具有用於傳遞熱H之大接觸面積之異向性熱傳導元件1。
如圖5(a)所示，可於切割製程後實施拋光結構3表面之拋光製程步驟使表面因拋光設備30而變得平滑並使該表面變潔淨。如圖5(b)所述可實施成膜製程步驟以於表面上形成金屬層M。
於成膜製程中，作為活性物之鈦Ti第一層5係形成於結構3及支撐部件4之表面上，鎳Ni層或銅Cu第二層6係形成於頂面上，及金Au第三層7可進一步形成於第二層上。各金屬層之膜厚較佳係約0.3 μm。
可使用諸如電鍍法之濕式方法或諸如噴塗及氣相沉積之乾式方法作為製膜方法。
由於焊接無法將石墨結構3與熱源H直接連接而於膜製程中形成金屬層M並將金屬層5焊接至熱源H之金屬層(M)上，以使結構3可藉由焊接此金屬層(M)而牢固地連結至熱源H。於此情況中，由於金屬層M之膜厚約為1 μm，故幾乎不減弱熱傳導。
此外，當需進行熱傳導並相對熱源H呈電絕緣狀態時，可於拋光製程後輕易地藉由在結構3之表面上實施包含諸如氧化鋁、矽碳剛石、氮化硼、氮化鋁之陶瓷之熱陶瓷噴塗形成由陶瓷組成之絕緣膜。
於熱噴塗製程中陶瓷之黏附性能可藉由實施表面處理利用電漿或雷射並活化結構3之表面，隨後進行熱噴塗製程的方式改良。
視應用而定，可於支撐部件4之前及後側面上結構3中形成金屬層M及陶瓷層。由支撐部件4之耐熱性的觀點來看，較佳僅於結構3中相對於熱源之表面上形成陶瓷層。
換言之，本發明表面處理製程係藉由塗覆製程或拋光製程及熱噴塗製程或此等製程之組合實施。
此外，如圖5(c)所示，藉由形成作為任何熱源H或散熱片之安裝部件或構件之螺孔4a可輕易且牢固地將熱源H固定於支撐部件4而無損害結構3，其中該支撐部件4係一可至少部份地包圍結構3之封裝的塗層。
此外，結構3可藉由塗佈黏附劑而黏附於結構3與熱源H接觸之接觸表面上。
圖6及7顯示一利用如上所述製得之異向性熱傳導元件1傳遞來自熱源H之熱之本發明實施例之實例。
結構3之厚度方向經由異向性熱傳導元件1傳導來自黏附或連結至陶瓷板10之熱源H的熱。於此實例中，將熱傳遞至佈置於異向性熱傳導元件1後面之散熱片11。異向性熱傳導元件1係夾於陶瓷板10與散熱片11(在此為熱輻射散熱片)之間，及陶瓷板與異向性熱傳導元件1之間，異向性熱傳導元件1及散熱片11係極緊密地接觸，且係藉由固定構件螺釘12及螺帽13經由各處所形成之螺孔10a、4a、11a牢度地固定。
此外，於圖7中，參考數字8表示焊料層，及參考數字9係指於陶瓷板10上所形成之金屬層。
適宜選擇一類高度定向熱解石墨作為用於如上所述之異向性熱傳導元件1之結構3。可藉由使用具有高於一般石墨之熱傳導率之高度定向熱解石墨大幅提高熱傳導效率。
較佳係使用具有大於1,500 W/m°K之熱傳導率之高度定向熱解石墨及特別適合使用之實例係由MINTEQ International Inc in New York,New York製造之品牌名稱PYROIDHT。
一般而言，熱傳導性係由自由電子及晶格振動所引起。金剛石之高熱傳導率(1000至2000 W/m°K)係由晶格振動所引起，然而極端異向性PYROIDHT石墨之熱傳導率由於自由電子及晶格振動故等於或小於金剛石。
然而，PYROIDHT熱解石墨具有許多可用特徵，如下各者：密度2.22 g/cc，抗拉強度28900 kPa(a方向)、彈性模量50 GPa(a方向)，彎曲模量33200 MPa(a方向)，熱膨脹係數0.6^10-6 /℃(a方向)，25^10-6 /℃(c方向)，熱傳導率1,700瓦特/m°K(a方向)、7瓦特/m°K(c方向)，5.0^10-4 比電阻Ωcm(a方向)、0.6 Ωcm(c方向)，氧化臨限值650℃(a方向)，及磁導率10-6 mmHg。
PYROIDHT熱解石墨於a方向之熱傳導率遠高於其他材料之熱傳導率，例如，約為氮化鋁(AlN)及氧化鈹值(BeO)之6倍，及特別約為銅(Cu)材料之總熱擴散值之4倍。
此外，a方向係石墨薄片之平面方向內之層壓方向，c方向係垂直於a方向。
PYROIDHT熱解石墨之密度幾乎為石墨之理論密度2.3 g/cc，且彈性模量50 GPa(a方向)高以致其於諸如機械振動期間之應力下易破碎，且加工不易，但可維持預期之熱傳導性能而於加工時不因安裝時機械對熱源之應力及安裝後之機器振動而破碎，因為呈塗層形式之支撐部件4的支撐係如上所述地形成於結構3之至少一部份周圍上。
PYROIDHT熱解石墨係藉由如圖8所顯示之CVD方法製得。於腔室20中於真空泵21產生之真空下，自圓柱體22供應作為原料氣體之烴氣體係藉由欲以加熱器23加熱至2000℃之氣體加熱而分解，同時沉積及結晶於基板24上之微小碳核C係以分層形成形式堆疊及沉積，並生成PYROIDHT熱解石墨。
可獲得厚度為0.25 mm至20 mm之PYROIDHT熱解石墨，且可藉由控制堆疊、沉積時間將其製成多種不同尺寸如300 mm正方形般大結構之板。
如上所述之異向性熱傳導元件1會傳遞來自熱源H之熱。可將諸如半導體積體電路、功率半導體、半導體雷射及包含異向性熱傳導元件1及此熱源H之電子裝置等電子裝置皆可用於許多領域中。
特定言之，當用於任何近年已經歷重大電子發展之汽車中時，其可用於需耐振動之應用中。
因此，應理解本發明以上論述可輕易地藉由熟習本技術者進行重大改良、變化及調整，且此等改良、變化及調整欲視為本發明範圍內，其等係由所附專利申請範圍論述。
1．．．異向性熱傳導元件
2．．．石墨薄片
3．．．石墨薄片之結構
4．．．支撐部件
4a．．．螺孔
5(M)．．．第一金屬層
6(M)．．．第二金屬層
7(M)．．．第三金屬層
8．．．焊料層
9．．．金屬層
10．．．陶瓷板
10a．．．螺孔
11．．．散熱片
11a．．．螺孔
12．．．螺釘
13．．．螺帽
20．．．腔室
21．．．真空泵
22．．．圓柱體
23．．．加熱器
24．．．基板
30．．．拋光設備
H．．．熱源
圖1顯示一本發明異向性熱傳導元件之實施例；
圖2顯示石墨薄片之結構之實例；
圖3顯示本發明異向性熱傳導元件之熱傳導方向；
圖4顯示一本發明異向性熱傳導元件之製造方法之實施例；
圖5(a)至5(c)顯示本發明異向性熱傳導元件之製造方法之實施例；
圖6係本發明異向性熱傳導元件之實施例之分解圖；
圖7顯示本發明異向性熱傳導元件之實施例之橫截面圖；及
圖8顯示用於本發明異向性熱傳導元件之高度定向熱解石墨之製造方法。
1．．．異向性熱傳導元件
2．．．石墨薄片
3．．．石墨薄片之結構
4．．．支撐部件
H．．．熱源

Claims (11)

  1. 一種用於傳導來自熱源之熱之異向性熱傳導元件，其包含：一熱解石墨薄片堆疊，各熱解石墨薄片係呈平面形式且於由各熱解石墨薄片形成之平面方向中具有高熱傳導率及於各熱解石墨薄片之厚度方向具有低熱傳導率，該等熱解石墨薄片具有用於橫跨該等熱解石墨薄片之厚度方向接觸該熱源之接觸表面，其中該等熱解石墨薄片堆疊之周邊部份係經樹脂塗料塗覆而使該等熱解石墨薄片堆疊至少部份地經塗覆，該樹脂塗層在該等熱解石墨薄片堆疊之周邊形成支撐部件。
  2. 如請求項1之異向性熱傳導元件，其中金屬層係於該等熱解石墨薄片接觸該熱源處形成。
  3. 如請求項1之異向性熱傳導元件，其中陶瓷層係於該等熱解石墨薄片接觸該熱源處形成。
  4. 如請求項1至3中任一項之異向性熱傳導元件，其中該異向性熱傳導元件係經樹脂浸漬。
  5. 如請求項1至3中任一項之異向性熱傳導元件，其中該等熱解石墨薄片係具有大於1,500W/m°K之熱傳導率之高度定向熱解石墨。
  6. 如請求項1至3中任一項之異向性熱傳導元件，其進一步包含用於將該熱源固定於該支撐部件之安裝部件。
  7. 如請求項1至3中任一項之異向性熱傳導元件，其係與一電子裝置組合，其中該電子裝置具有一熱源且該異向性 熱傳導元件傳導來自該熱源之熱。
  8. 一種製造如請求項1之異向性熱傳導元件之方法，其包含下列步驟：提供該熱解石墨薄片堆疊以使各熱解石墨薄片係呈平面之形式並於由各熱解石墨薄片形成之該平面方向中具有高熱傳導率及於各熱解石墨薄片之厚度方向中具有低熱傳導率；於該等石墨薄片上提供一接觸表面以橫跨該等熱解石墨薄片之厚度方向接觸該熱源；及藉由將樹脂塗料塗覆於該等熱解石墨薄片堆疊之周邊部份而使該等熱解石墨薄片堆疊至少部份地經塗覆，該樹脂塗層於該等熱解石墨薄片堆疊之周邊部份形成支撐部件。
  9. 如請求項8之製造該異向性熱傳導元件之方法，其進一步包含表面處理至少一部份該熱解石墨薄片堆疊之該接觸表面之步驟。
  10. 如請求項8之製造該異向性熱傳導元件之方法，其進一步包含將樹脂浸漬於該熱解石墨薄片堆疊中之步驟，隨後塗覆該等熱解石墨薄片。
  11. 一種製造如請求項1之異向性熱傳導元件之方法，其包含下列步驟：提供第一熱解石墨薄片堆疊以使各熱解石墨薄片呈平面形式並於由各熱解石墨薄片形成之該平面方向中具有高熱傳導率及於各熱解石墨薄片之厚度方向中具有低熱 傳導率；以樹脂塗料至少部份地塗覆該第一熱解石墨薄片堆疊以於該第一熱解石墨薄片堆疊上形成一樹脂塗層；橫跨該等熱解石墨薄片之厚度方向切割該第一熱解石墨薄片堆疊，以形成至少一部份第二熱解石墨薄片堆疊之周邊部份具有樹脂塗層之第二石墨薄片堆疊，該樹脂塗層在第二熱解石墨薄片堆疊之周邊部份形成支撐部件，及該第二熱解石墨薄片堆疊具有用於橫跨該等熱解石墨薄片之厚度方向接觸該熱源之接觸表面。
TW099123025A 2009-07-14 2010-07-13 異向性熱傳導元件及製造方法 TWI513592B (zh)

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