TWI519234B - 散熱片結構及其製作方法 - Google Patents

Description

散熱片結構及其製作方法

本發明乃是關於一種散熱元件之製作方法，特別是指一種兼具熱傳導及熱輻射功能之薄型散熱片結構之製作方法，以及利用該製造方法所製成的散熱片結構。

近年來，電子裝置例如超薄筆記型電腦(Ultrabook)、平板電腦及智慧型手機等對運算效能的要求愈來愈高，導致電子元件的發熱量(Power Dissipation)和相對熱流量(Heat Flux)亦愈來愈高；電子裝置同時也朝向輕薄短小的設計趨勢，而這種極度壓縮空間之設計方向往往造成散熱的困難，故散熱問題變成電子產業首要克服的問題之一。

舉例來說，在傳統的電路板的構造中，由於電子元件數量及消耗功率低，電子元件所產生的熱量可經由銅箔層傳導出來，並直接將熱量散逸至環境空氣中。現今電路板上所佈設的電子元件的數量多且功率又高，伴隨而來的問題是，隨著電流增加、電功率的消耗增加，所產生的局部熱量過度升高，故利用電子元件接觸腳(pin)排熱的方式已經無法將大部份的熱量散出，使得電子元件及電路板無法維持在正常工作溫度，導致電子元件的物理特性改變，從而無法達到預定的工作效能。對使用者而言，很可能因局部高溫而造成燙傷之危安情事。

先前技藝中解決的方法有在熱源附近安裝風扇，利用風扇加 速空氣之熱對流以將熱量排除，此種散熱方式的缺點在於，風扇會在電子裝置中占據一定空間，影響電子裝置之微型化。

另外，先前技藝中還有把散熱鰭片以面接觸的方式裝設在會產生高熱量的電子元件上，透過散熱鰭片之高表面積將熱量逸散到空氣環境中。惟，散熱鰭片的表面因製程之限制無法如預期般平整，因而散熱鰭片與電子元件之間會存在有間隙，使得散熱效能大幅降低(因空氣的導熱係數較差)。

雖然，在散熱鰭片與電子元件之間填充軟性導熱介質材料(Thermal Interface Material)例如導熱膏、導熱膠等可解決上述之問題。但是，所述軟性導熱介質材料本身會根據溫度變化而有所改變(因高溫而蒸發，以及因低溫而固化收縮)，導致無法滿足產品的耐久性需求。

本發明之主要目的，在於提供一種散熱片結構之製作方法，以及利用該方法所製成的散熱片結構，以解決電子裝置內之發熱元件因功率密度過高以及熱源過度集中所造成的局部高溫問題。

根據本發明之一實施例，所述製造方法包括以下之步驟：首先，提供樹脂材料、填充碳料及一基材；接著，將所述樹脂材料與所述填充碳料在30℃至50℃下進行混合10至30分鐘，以形成一混合組成物；隨後，以60℃至150℃之第一段溫度進行第一階段熱處理10至30分鐘；之後，將所述混合組成物塗佈於所述基材上；最後，以100℃至150℃之第二段溫度進行第二階段熱處理10分鐘至1小時，使所述混合組成物固化形成一散熱薄膜。

在一變化實施例中，在所述進行第二階段熱處理的步驟之後，更包括在室溫下靜置24小時。

根據上述之製作方法，所述散熱片結構包括一基材及設置於所述基材上的一散熱薄膜，其中所述基材與所述散熱薄膜之厚度 比為1：0.05~0.2，且所述散熱薄膜以100份重量比為基準包含30至70重量份之樹脂材料及25至50重量份之填充碳料，其中所述填充碳料為鑽石、人造石墨、石墨烯、奈米碳管、碳黑、碳纖維或其組成。

在一變化實施例中，所述填充碳料之形狀為顆粒狀、薄片狀、啞鈴狀或其群組，所述填充碳料之平均外徑為10nm~20μm。

在一變化實施例中，所述散熱薄膜更包含5至20重量份之導熱性填充粉體。

在一變化實施例中，所述導熱性填充粉體包含金屬顆粒、氧化物顆粒、氮化物顆粒或其群組，所述導熱性填充粉體之平均粒徑為3μm~20μm。

在一變化實施例中，所述金屬顆粒為金、銀、銅、鎳或鋁顆粒，所述氧化物顆粒為氧化鋁或氧化鋅顆粒，所述氮化物顆粒為氮化硼或氮化鋁顆粒。

在一變化實施例中，所述基材係由一第一基板、一第二基板及一設置於所述第一基板與所述第二基板間之熱緩衝層所構成。

在一變化實施例中，所述第一基板、所述熱緩衝層及所述第二基板之厚度比為0.2~0.3：0.1：1。

在一變化實施例中，所述基材包括一第一基板及一第二基板，所述散熱薄膜設置於所述第一基板與所述第二基板之間。

在一變化實施例中，所述散熱薄膜具有多數個呈均勻分布或非均勻分布的孔洞。

在一變化實施例中，所述熱緩衝層具有多數個呈均勻分布或非均勻分布的孔洞。

本發明具有以下有益效果：本發明的散熱薄膜為樹脂材料與填充碳料所形成，其兼具熱擴散與熱輻射功能，並且透過與欲散熱的電子元件直接接觸，能夠有效地將熱從熱源導出、擴散，再輻射出去，達到高效率之散熱功效。

為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100、100a、100b‧‧‧散熱片結構

1、1a、1b‧‧‧基材

10‧‧‧表面

11a、11b‧‧‧第一基板

12a‧‧‧熱緩衝層

120a‧‧‧第一孔洞

12b‧‧‧貼合層

13a、13b‧‧‧第二基板

2‧‧‧散熱薄膜

20‧‧‧第二孔洞

21‧‧‧樹脂材料

22‧‧‧填充碳料

23‧‧‧導熱性填充粉體

200‧‧‧電路基板

201‧‧‧電子元件

圖1A係本發明之第一實施例之一實施態樣之散熱片結構之剖視圖。

圖1B係本發明之第一實施例之另一實施態樣之散熱片結構之剖視圖。

圖2係本發明之散熱片結構應用於電路基板之立體視圖。

圖3係本發明之散熱片結構之製作方法之流程圖。

圖4係本發明之第二實施例之散熱片結構之剖視圖。

圖5A係本發明之熱緩衝層之一實施態樣之平面視圖。

圖5B係本發明之熱緩衝層之另一實施態樣之平面視圖。

圖5C係本發明之熱緩衝層之又一實施態樣之平面視圖。

圖5D係本發明之熱緩衝層之熱傳導示意圖。

圖6係本發明之第三實施例之散熱片結構之剖視圖。

本發明提出一種散熱片結構及其製作方法，根據本發明之實施例，所述散熱片結構適合應用於會產生高熱量之電子元件，尤其是高速運算的處理器晶片，以及因內部空間較為狹小而難以散熱之電子裝置，例如行動裝置、平板電腦或筆記型電腦等，並經由直接與主要熱源表面相接觸而能夠以擴散及輻射的方式將熱加以移除。

[第一實施例]

請參考圖1，為本發明第一實施例之散熱片結構之示意圖。所 述散熱片結構100包括一基材1及一散熱薄膜2；所述散熱薄膜2可利用貼附或塗佈的方式結合至所述基材1之一表面10上。據此，熱量可通過基材1傳導到表面10附近，並經由散熱薄膜2而有效地散散到外部。較佳地，基材1與散熱薄膜2之厚度比約為1：0.05~0.2。

在本具體實施例中，所述基材1可以是金屬基板例如鋁、鐵或銅，其中以銅基板為較佳。所述散熱薄膜2為樹脂材料21與填充碳料22所形成；若以100份重量比為基準，散熱薄膜2的組成約包含30至70重量份之樹脂材料21與25至50重量份之填充碳料22。

更詳細地說，所述樹脂材料21為環氧樹脂、丙烯酸系樹脂、胺基甲酸酯系樹脂、矽橡膠系樹脂、聚對環二甲苯系樹脂、雙馬來醯亞胺系樹脂及聚醯亞胺樹脂所組成群組的至少一種。所述填充碳料可以是鑽石、人造石墨、石墨烯、奈米碳管、碳黑、碳纖維或是任何上述之碳料所組成的群組，其平均外徑約介於10nm~20μm之間且形狀包含顆粒狀、薄片狀及/或啞鈴狀。

在一變化實施例中，為了增進散熱薄膜的熱輻射能力，所述散熱薄膜2可進一步包含導熱性填充粉體23，其添加量約為5至20重量份。具體而言，導熱性填充粉體23可包含金屬顆粒、氧化物顆粒、氮化物顆粒或是任何上述之顆粒所組成的群組；其中，金屬顆粒可為(但不限於)金、銀、銅、鎳或鋁顆粒，氧化物顆粒可為(但不限於)氧化鋁或氧化鋅顆粒，氮化物顆粒可為(但不限於)氮化硼或氮化鋁顆粒。

本實施例之散熱片結構100的應用可參考圖2所示，其中電路基板200之電子元件201透過與所述散熱片結構100相接合而可達到良好的散熱功效，其原理在於，因為電子元件201為範圍較小的熱源且在運作時會產生大量的熱，而散熱片結構100在水平(X-Y)方向的導熱及垂直(Z)方向的散熱效果優異且相對於電子 元件201具有範圍較大的散熱面積，因此可將電子元件201產生的熱均勻地逸散出去。

為了能更進一步瞭解本發明的技術特徵和技術效果，接下來將詳細說明上述之散熱片結構之製作流程，以使熟習此項技術者能夠據以實施，但並非用以限制本發明之範圍。

請參考圖3，為本發明第一實施例之散熱片結構之製作方法之流程圖。並請配合參考圖1，所述散熱片結構之製作方法大致包括以下之步驟：材料選取步驟S10、混合步驟S12、第一階段熱處理步驟S14、塗佈步驟S16、第二階段熱處理步驟S18及冷卻步驟S20。

首先由材料選取步驟S10開始，提供樹脂材料21、填充碳料22和一基材1，所述三者的材質皆如上所述，故在此不加以贅述。接著，在混合步驟S12中，將所選取的樹脂材料21和填充碳料22進行混合，以形成一混合組成物；具體而言，樹脂材料21和填充碳料22可加入一攪拌裝置(如螺旋混合器)中，並在30℃至50℃下進行混合10至30分鐘，使得樹脂材料21和填充碳料22的混合更加均勻。

隨後進入第一階段熱處理步驟S14，將步驟S12中形成的混合組成物置入一加入裝置(如烘箱)中，並利用60℃至150℃之第一段溫度進行熱處理，熱處理的時間約為10至30分鐘，以增加混合組成物之操作性；值得注意的是，此步驟中可同時針對基材1進行熱處理，以利後續混合組成物之塗佈。之後進行塗佈步驟S16，將混合組成物塗佈在基材1之表面10上，當混合組成物完整地塗佈在經第一階段熱處理之基材1上時，可加速混合組成物中液體之揮發，以利後續混合組成物之成型。

之後進入第一階段熱處理步驟S18，將塗佈有混合組成物之基材1置入加入裝置(如烘箱)中，並利用100℃至150℃之第二段溫度進行熱處理，熱處理的時間約為10分鐘至1小時，以使所述混 合組成物固化形成散熱薄膜2。最後進行冷卻成型步驟S20，把表面形成有散熱薄膜2之基材在室溫下靜置24小時，以確保散熱薄膜2之成型及可靠度。

[第二實施例]

請參考圖4，為本發明第二實施例之散熱片結構之示意圖。與第一實施例的不同之處在於，本實施例的基材1a為複合板結構，其係由一第一基板11a、一第二基板13a及設置於第一基板11a與第二基板13a之間的一熱緩衝層12a所構成。

請配合參考圖5A至5C，具體而言，第一基板11a、熱緩衝層12a與第二基板13a之厚度比較佳係0.2~0.3：0.1：1，其中熱緩衝層12a的材質為導熱膠，例如感壓導熱膠、固化導熱膠或其他形式的導熱膠；特別的是，熱緩衝層12a具有多數個呈均勻分布(如圖5A及5C所示)或非均勻分布(如圖5B所示)的第一孔洞120a，所述第一孔洞120a的形狀例如是圓形、多角形或不規則形，並且第一孔洞120a處因填入空氣而使得熱緩衝層12a上形成局部熱阻滯空間。

如圖5D所示，當熱從範圍較小的熱源被傳導到基材1a時，可透過熱緩衝層12a上之局部熱阻滯空間而均勻地傳導到基材1a周緣(即朝水平方向(X-Y方向)傳導)，並利用散熱薄膜2之熱輻射能力將熱以大面積形式輻射至外部；如此，可有效避免散熱片結構100a本體在與熱源接觸的熱導面快速地經由垂直方向(Z方向)之散熱路徑進行局部散熱，造成局部溫度過高之問題；對使用者而言，則可避免因局部高溫而造成燙傷之安全性疑慮。

可以理解的是，本發明的基材1a非僅限定於兩基板11a、13a配置一熱緩衝層12a，所述基材1a之複合形式可根據不同的應用範圍而有相應的變化，例如三片基板配置兩熱緩衝層之複合板結構，以此類推，因此舉凡是利用散熱薄膜搭配複合基材以達成大面積均勻散熱之功效者，均落入本發明之範疇。

[第三實施例]

請參考圖6，為本發明第三實施例之散熱片結構之示意圖。為了避免局部溫度過高之問題，本實施例的散熱片結構100b中，所述基材1b包括一第一基板11b及一第二基板13b，所述散熱薄膜2利用貼附的方式結合至第一基板11b與第二基板13b之間，亦即第一基板11b、第二基板13b各與散熱薄膜2之間具有一貼合層12b，其材質例如是導熱膠；由於散熱薄膜2之導熱能力較基材1b為佳，故能夠增進水平方向(X-Y方向)之熱傳導，以達成大面積之均勻散熱。進一步地，散熱薄膜2上更可開設多數個呈均勻分布(參圖5A及5C)或非均勻分布(參圖5B)的第二孔洞20。

綜上所述，根據本發明實施例所揭示的散熱片結構，其主要特徵之一是，由樹脂材料與填充碳料所形成的散熱薄膜兼具熱擴散與熱輻射功能，透過與欲散熱的電子元件直接接觸，能夠有效地將熱從熱源導出、擴散，再輻射出去，達到散熱的目的。再者，所述散熱薄膜可進一步與具熱緩衝層之一複合板結構相配合以大幅增進水平方向(X-Y方向)之熱傳導能力，進而達成大面積均勻散熱之技術效果。

需要說明的是，為清楚顯示散熱片結構100之細部特徵，因此圖式中基材1、1a、1b與散熱薄膜2的尺寸為與實際有所差異。

惟以上所述僅為本創作之較佳可行之實施例，非因此即侷限本創作之專利範圍，故舉凡運用本創作說明書及圖示內容所為之等效結構變化，均同理包含於本創作之範圍內，合予陳明。

100‧‧‧散熱片結構

1‧‧‧基材

10‧‧‧表面

2‧‧‧散熱薄膜

21‧‧‧樹脂材料

22‧‧‧填充碳料

Claims (12)

1. 一種散熱片結構，包括：一基材；及一散熱薄膜，設置於所述基材上，其中所述基材與所述散熱薄膜之厚度比為1：0.05~0.2，且所述散熱薄膜以100份重量比為基準包含30至70重量份之樹脂材料及25至50重量份之填充碳料，其中所述填充碳料為鑽石、人造石墨、石墨烯、奈米碳管、碳黑、碳纖維或其組成。
2. 如請求項1所述之散熱片結構，其中所述填充碳料之形狀為顆粒狀、薄片狀、啞鈴狀或其群組，所述填充碳料之平均外徑為10nm~20μm。
3. 如請求項1所述之散熱片結構，其中所述散熱薄膜更包含5至20重量份之導熱性填充粉體。
4. 如請求項3所述之散熱片結構，其中所述導熱性填充粉體包含金屬顆粒、氧化物顆粒、氮化物顆粒或其群組，所述導熱性填充粉體之平均粒徑為3μm~20μm。
5. 如請求項4所述之散熱片結構，其中所述金屬顆粒為金、銀、銅、鎳或鋁顆粒，所述氧化物顆粒為氧化鋁或氧化鋅顆粒，所述氮化物顆粒為氮化硼或氮化鋁顆粒。
6. 如請求項1所述之散熱片結構，其中所述基材係由一第一基板、一第二基板及一設置於所述第一基板與所述第二基板間之熱緩衝層所構成。
7. 如請求項6所述之散熱片結構，其中所述第一基板、所述熱緩衝層及所述第二基板之厚度比為0.2~0.3：0.1：1。
8. 如請求項1所述之散熱片結構，其中所述基材包括一第一基板及一第二基板，所述散熱薄膜設置於所述第一基板與所述第二基板之間。
9. 如請求項8所述之散熱片結構，其中所述散熱薄膜具有多數個 呈均勻分布或非均勻分布的孔洞。
10. 如請求項1所述之散熱片結構，其中所述熱緩衝層具有多數個呈均勻分布或非均勻分布的孔洞。
11. 一種散熱片結構之製作方法，包括以下之步驟：提供樹脂材料、填充碳料及一基材；將所述樹脂材料與所述填充碳料在30℃至50℃下進行混合10至30分鐘，以形成一混合組成物；以60℃至150℃之第一段溫度進行第一階段熱處理10至30分鐘；將所述混合組成物塗佈於所述基材上；及以100℃至150℃之第二段溫度進行第二階段熱處理10分鐘至1小時，使所述混合組成物固化形成一散熱薄膜。
12. 如請求項11所述之散熱片結構之製作方法，其中在所述進行第二階段熱處理的步驟之後，更包括在室溫下靜置24小時。