TWI623721B - 高熱傳導率的散熱片及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種散熱片，其具有2.0g/cm3或更大之一密度及580W/mK或更大之一平面內熱傳導率，該散熱片包含均勻分散於精細石墨粒子間之碳黑，精細石墨粒子與碳黑之質量比率為75/25至95/5，且由槽黑及科琴黑及/或乙炔黑構成的該碳黑係藉由以下方式製造：將精細石墨粒子、碳黑及有機黏結劑於有機溶劑中之分散體塗覆至模之表面，將該分散體乾燥；燒製該所得含樹脂複合物片材以移除該有機黏結劑；且隨後壓製精細石墨粒子及碳黑之該所得複合物片材以達緻密化。

Description

高熱傳導率的散熱片及其製造方法
本發明係關於用於將自小型電器中之電子部件等等產生的熱有效耗散的具有高熱傳導率之散熱片及其製造方法，該等小型電器諸如筆記型個人電腦、智慧型電話、行動電話等等。
在諸如筆記型個人電腦、智慧型電話、行動電話等等的已具備日漸增高效能及更多功能之小型電器中，諸如微處理器、成像晶片、記憶體等等之電子裝置應密集地安裝。因此，為防止歸因於由該等電子裝置產生的熱的故障，自此等電子裝置產生的熱之耗散已變得日益重要。
作為用於電子裝置之散熱片，JP 2006-306068 A揭示一種熱傳導片，其包含至少石墨薄膜及黏合劑樹脂組成物，該黏合劑樹脂組成物為反應可固化的乙烯基聚合物。石墨薄膜為(a)藉由膨脹方法形成的膨脹石墨，或(b)係藉由在2400℃或更高溫度下熱處理聚醯亞胺薄膜等等而獲得。膨脹石墨薄膜係藉由以下方式獲得：將石墨浸沒於諸如硫酸等等之酸中以形成石墨間層化合物，熱處理該石墨間層化合物來 使該石墨間層化合物發泡，進而分離石墨層，洗滌所得石墨粉末以移除酸，以及滾製所得薄膜石墨粉末。然而，膨脹石墨薄膜具有不足的強度。此外，藉由聚醯亞胺薄膜等等之熱處理獲得的石墨薄膜不利之處為昂貴的，儘管散熱量高。
JP 2012-211259 A揭示一種包含石墨塊之熱傳導片，該等石墨塊包含：複數個第一石墨塊，該複數個第一石墨塊藉由將熱分解石墨片薄切而獲得；以及第二石墨塊，該等第二石墨塊小於該等第一石墨塊之寬度，至少該等第一石墨塊連接熱傳導片之兩個表面。此熱傳導片係例如藉由用丙烯酸聚合物及溶劑之混合物摻合第一及第二石墨塊，且擠出所得摻合物而獲得。然而，擠出熱傳導片不具有足夠的散熱量，此係由於樹脂之高體積分數。
JP 2006-86271 A揭示厚度達50-150μm之散熱片，該散熱片包含藉由諸如非晶形共聚酯之有機黏結劑黏結的石墨，該有機黏結劑具有-50℃至+50℃之玻璃轉移溫度，石墨/黏合劑樹脂之質量比率為66.7/33.3至95/5。此散熱片係藉由以下方式製造：將石墨及有機黏結劑於有機溶劑中之漿料塗覆至脫模層側面上之脫模劑塗佈薄膜，藉由熱空氣乾燥漿料以移除有機溶劑，且隨後例如以30kg/cm2對該漿料壓製。JP 2006-86271 A描述石墨/有機黏結劑片之壓製改良該石墨/有機黏結劑片之熱傳導率。然而，因為此散熱片含有有機黏結劑，所以此散熱片未足夠地展現石墨固有的高熱傳導率。
JP 11-1621 A揭示一種用於散熱體的高熱傳導率、固體複合材料，其包含高定向石墨薄片及於壓力下聚合的黏 合劑聚合物。此固體複合材料係藉由以下方式製造：將石墨薄片與諸如環氧樹脂之熱固性單體混合來製備包含至少40體積%之石墨的組成物，且使單體聚合同時於足以使石墨大體上平行對準之壓力下壓縮組成物。然而，因為此固體複合材料包含環氧樹脂，所以此固體複合材料不具有足夠高的熱傳導率。
JP 2012-136575 A揭示一種傳導性散熱片，其包含：有機粒子，該等有機粒子由聚醯胺、丙烯酸樹脂等等製成且具有約0.1-100μm之平均粒度；傳導性無機填充劑，其具有約10nm至約10μm之平均粒度；以及固化樹脂，諸如環氧樹脂等等，有機粒子/無機填充劑為1000/1至10/1，且無機填充劑之百分比為以總量計5-30重量%。JP 2012-136575 A說明石墨、焦炭、碳黑等等作為無機填充劑，然而實例中僅使用碳黑。另外，此傳導性散熱片不具有足夠的散熱量，因為其含有固化樹脂。
如上所述，含有石墨或碳黑之習知散熱片不具有足夠的散熱量，因為該等習知散熱片亦含有黏合劑樹脂。儘管石墨或碳黑之百分比的增加改良熱傳導率，但導致較低片材強度，尤其會引起石墨或碳黑自散熱片易於脫離之問題。因此，需要具有均勻、高散熱量以及對操縱為必需的機械性質之廉價散熱片。
本發明之目標
因此，本發明之目標在於提供一種廉價散熱片及其 製造方法，該散熱片具有高散熱量以及對操縱為必需的機械性質。
本發明之揭示內容
作為鑒於以上目標進行的本發明研究之結果，發明人已發現：(a)包含均勻分散於精細石墨粒子間之小量碳黑的散熱片具有高熱傳導率以及用於操縱的足夠機械性質，同時大體上無精細石墨粒子及碳黑之脫離；(b)此散熱片係藉由以下方式獲得：形成包含分散於小量有機黏結劑中之精細石墨粒子及碳黑之片材，燒製片材以移除有機黏結劑，且壓製石墨及碳黑之所得複合物片材以達緻密化；以及(c)當槽黑(channel black)及科琴黑(ketjen black)及/或乙炔黑之混合物用作碳黑時，所得散熱片具有改良熱傳導率及機械性質。本發明已基於此等發現而完成。
因此，本發明之散熱片具有結構中碳黑均勻分散於精細石墨粒子間之該結構，精細石墨粒子與碳黑之質量比率為75/25至95/5；碳黑由槽黑及科琴黑及/或乙炔黑構成；且散熱片具有2.0g/cm3或更大之密度及580W/mK或更大之平面內熱傳導率。
槽黑與科琴黑及/或乙炔黑之質量比率較佳為4/1至1/3。
散熱片較佳具有25-150μm之厚度。
精細石墨粒子較佳具有3-150μm之平均直徑及200nm或更大之平均厚度。
碳黑較佳具有20-200nm之平均一次粒度。
散熱片較佳地以絕緣樹脂層或絕緣塑膠薄膜加以塗佈。
用於製造以上散熱片的本發明之方法包含以下步驟：(1)製備精細石墨粒子、碳黑及有機黏結劑於有機溶劑中之分散體，精細石墨粒子與碳黑之質量比率為75/25至95/5，且碳黑由槽黑及科琴黑及/或乙炔黑構成；(2)將分散體澆鑄於下部模板之模腔中且隨後使該分散體乾燥，以便形成包含精細石墨粒子、碳黑及有機黏結劑之含樹脂複合物片材；(3)燒製含樹脂複合物片材以移除有機黏結劑，從而形成精細石墨粒子及碳黑之複合物片材；以及(4)將下部模板與上部模板組合壓製，以便使精細石墨粒子及碳黑之複合物片材緻密化。
分散體較佳包含總計5-25質量%之精細石墨粒子及碳黑，以及0.5-2.5質量%之有機黏結劑。
有機黏結劑與精細石墨粒子及碳黑之總量之質量比率較佳為0.01-0.5。
有機黏結劑較佳為丙烯酸樹脂、聚苯乙烯樹脂或聚乙烯醇。
有機溶劑較佳為選自由酮、芳族烴及醇組成之群的至少一者。
燒製步驟較佳在550-700℃之溫度下進行。
在燒製之後冷卻至室溫較佳歷經1小時或更長來逐漸進行。
壓製步驟較佳係於精細石墨粒子及碳黑之複合物片 材冷卻至等於或低於水之凝固點的溫度之後進行。
壓製步驟較佳係於20MPa或更大之壓力下進行。
形成於下部模板模腔中之含樹脂複合物片材較佳經燒製而不自下部模板剝落，且隨後將下部模板與上部模板組合壓製。
壓製步驟較佳係於在室溫至200℃範圍內之溫度下進行。
1‧‧‧散熱片
2‧‧‧精細石墨粒子/精細石墨烯粒子
3‧‧‧碳黑
10‧‧‧平面模設備
11‧‧‧下部模板
11a‧‧‧平坦模腔
12‧‧‧上部模板
12a‧‧‧突起
20‧‧‧平面模設備
21‧‧‧下部模板
22‧‧‧下部模板主體
23‧‧‧凹部
24‧‧‧板構件
24a‧‧‧缺口
25‧‧‧模腔
26‧‧‧上部模板
26a‧‧‧突起
30‧‧‧平面模設備
31‧‧‧上部模板
31a‧‧‧平坦矩形突起/矩形突起
31b‧‧‧孔
32‧‧‧平坦下部模板/下部模板
32a‧‧‧定位銷
33‧‧‧中間模板
33a‧‧‧矩形開口
33b‧‧‧孔
40‧‧‧輥
50‧‧‧散熱試驗設備
51‧‧‧絕熱電絕緣台
52‧‧‧環形凹部
53‧‧‧加熱器
54‧‧‧溫度量測熱電偶
55‧‧‧溫度控制器
56‧‧‧試件
57‧‧‧丙烯酸板
S‧‧‧面積
C‧‧‧複合物片材
D‧‧‧分散體
R‧‧‧含樹脂複合物片材
d‧‧‧直徑
t‧‧‧厚度
第1圖為展示由精細石墨粒子及碳黑構成的散熱片之結構的示意橫截面圖。
第2圖為展示用於測定精細石墨粒子之粒度之方法的橫截面圖。
第3圖為展示平面模設備之實例的透視圖，該平面模設備係用於自精細石墨粒子、碳黑及有機黏結劑於有機溶劑中之分散體形成含樹脂複合物片材且對該含樹脂複合物片材燒製。
第4圖為示意地展示澆鑄於第3圖所示之下部模板之模腔中的分散體的透視圖。
第5(a)圖為展示平面模設備中之下部模板之另一實例的展開透視圖，該平面模設備係用於自精細石墨粒子、碳黑及有機黏結劑於有機溶劑中之分散體形成含樹脂複合物片材且對該含樹脂複合物片材燒製。
第5(b)圖為展示第5(a)圖之下部模板與上部模板組合之實例的展開透視圖。
第6圖為示意地展示澆注於第5(b)圖之下部模板中之分散體的透視圖。
第7(a)圖為展示可用於本發明之平面模設備之另一實例的展開平面圖。
第7(b)圖為沿第7(a)圖中之線A-A截取的橫截面圖。
第7(c)圖為沿第7(a)圖中之線B-B截取的橫截面圖。
第7(d)圖為沿第7(a)圖中之線C-C截取的橫截面圖。
第7(e)圖為展示構成第7(a)圖之平面模設備的上部模板、中間模板及下部模板之組合的展開橫截面圖。
第7(f)圖為展示藉由在第7(a)圖之平面模設備中組合下部模板及中間模板所獲得的模腔之橫截面圖。
第8圖為展示分散體之橫截面圖，該分散體係澆鑄於第7(f)圖之模腔中，且藉由以刮刀片方法移除過量分散體而製成厚度均勻的。
第9圖為展示含樹脂複合物片材及精細石墨粒子及碳黑之複合物片材之透視圖，該含樹脂複合物片材係藉由將澆鑄於第4圖之下部模板之模腔中的精細石墨粒子及碳黑於有機溶劑中之分散體乾燥來獲得，且該複合物片材係藉由燒製該含樹脂複合物片材來獲得。
第10圖為展示下部模板與上部模板之組合的透視圖，該下部模板之模腔中具有精細石墨粒子及碳黑之複合物片材。
第11圖為展示滾壓平面模設備之模腔中的精細石墨粒子及碳黑之複合物片材的部分橫截面側視圖。
第12圖為展示藉由壓製所獲得的散熱片自下部模板剝落的透視圖。
第13圖為展示散熱片之散熱試驗設備的示意橫截面圖。
第14圖為第13圖之展開圖。
第15圖為展示設置在散熱試驗設備中之散熱片試件上的溫度量測點的平面圖。
第16圖為展示實例10之散熱片中的碳黑中槽黑之比率與平面內熱傳導率之間的關係的圖表。
本發明之實施例將在以下參考隨附圖式來詳細地解釋。除非另外提及，否則每一實施例之解釋適用於其他實施例。以下解釋並非限制性的，而可在本發明之範疇內做出各種修改。
[1]散熱片
如第1圖所示，本發明之散熱片1大體上僅由精細石墨粒子2及均勻分散於精細石墨粒子2間之碳黑3構成。術語「大體上僅由...構成」意指藉由燒製且壓製精細石墨粒子、碳黑及有機黏結劑之複合物片材所獲得的本發明之散熱片1不含有不同於精細石墨粒子及碳黑的其他組分，燒製殘渣除外。儘管出於清晰起見於第1圖中誇示精細石墨粒子2與碳黑3之間的間隙，但精細石墨粒子2及碳黑3實際上緊密地黏結而大體上無間隙。
(1)精細石墨粒子
精細石墨烯粒子具有薄片狀或板狀多層結構，其中苯環被二維連接。因為精細石墨烯粒子具有六方晶格結構，所以每一碳原子係鍵結至三個碳原子，用於化學成鍵的四個周邊電子之一處於游離狀態(自由電子)。因為自由電子可沿晶格移動，所以精細石墨烯粒子具有高熱傳導率。
因為精細石墨烯粒子具有薄片狀或板狀形狀，所以其大小係由其平面表面之直徑來表示。因為薄片狀、精細石墨烯粒子2具有如第2圖所示的具有不規則形狀之平面輪廓，所以每一精細石墨烯粒子2之大小(直徑)係定義為具有相同面積S之圓之直徑d。因為每一精細石墨烯粒子2之大小係藉由直徑d及厚度t來表示，所以所使用的精細石墨烯粒子2之平均直徑係藉由(Σd)/n來表示，其中n表示所量測的精細石墨烯粒子2之數目，且精細石墨烯粒子2之平均厚度係藉由(Σt)/n表示。精細石墨烯粒子2之直徑d及厚度t可藉由對精細石墨烯粒子2之顯微照片的影像處理來測定。
用於本發明之精細石墨烯粒子2之平均直徑較佳在3-150μm範圍內。當精細石墨烯粒子2之平均直徑小於3μm時，成鍵碳原子不夠長，從而提供具有熱傳導率很小的散熱片1。另一方面，具有大於150μm之平均直徑的精細石墨烯粒子2將使得噴塗困難。精細石墨烯粒子2之平均直徑更佳為5-100μm、進一步較佳為5-50μm、最佳為10-30μm。精細石墨烯粒子2之平均厚度較佳為200nm或更大、更佳為200nm至5μm、最佳為200nm至1μm。
(2)碳黑
用於本發明之碳黑3係藉由槽黑及科琴黑及/或乙炔黑構成。槽黑與科琴黑及/或乙炔黑之質量比率較佳為4/1至1/3。在此質量比率範圍內，散熱片1具有高熱傳導率及良好機械性質(抗拉強度、可彎曲性及可切割性)。槽黑與科琴黑及/或乙炔黑之更佳質量比率為3/1至1/2。偶爾，科琴黑與乙炔黑之質量比率可為0%至100%。
碳黑3較佳具有20-200nm之平均一次粒度。在碳黑3具有小於20nm之平均一次粒度的情況下，黏聚可能發生，從而使得碳黑3於精細石墨粒子2間難以均勻分散。具有大於200nm之平均一次粒度的碳黑3過大而致使無法均勻分散於精細石墨粒子2間。碳黑3之平均一次粒度更佳為30-100nm、最佳為30-80nm。
(3)質量比率
精細石墨粒子與碳黑之質量比率為75/25至95/5。在精細石墨粒子與碳黑之以上質量比率範圍內，可獲得具有高達580W/mK或更大之平面內熱傳導率及用於操縱的足夠機械性質(抗拉強度、可彎曲性及可切割性)的散熱片。當精細石墨粒子大於95質量%(碳黑小於5質量%)時(該精細石墨粒子及碳黑之總量為100質量%)，無法獲得添加碳黑之充分效果。另一方面，當精細石墨粒子小於75質量%(碳黑大於25質量%)時，無法獲得具有580W/mK或更大之平面內熱傳導率的散熱片。精細石墨粒子與碳黑之質量比率較佳為80/20至95/5、更佳為82.5/17.5至90/10。
(4)厚度
為保障足夠的冷卻功率，散熱片較佳厚達25-150μm。當散熱片比25μm薄時，儘管熱傳導率高，但該散熱片具有不足的冷卻功率。即使散熱片比150μm厚，但將不可預期冷卻功率之進一步提高。出於實際目的，散熱片之較佳厚度為40-100μm。
(5)密度
本發明之散熱片具有2.0g/cm3或更大之密度。因為精細石墨粒子具有2.25±0.05g/cm3之密度，所以本發明之散熱片具有極接近於精細石墨粒子之密度的密度，進而具有接近於石墨之固有熱傳導率的熱傳導率。本發明之散熱片之密度較佳為2.1-2.25g/cm3。
(6)熱傳導率
如上所述，因為本發明之散熱片具有結構中由槽黑及科琴黑及/或乙炔黑構成的碳黑均勻分散於精細石墨粒子間之該結構，且具有2.0g/cm3或更大之密度，所以該散熱片在平面內方向上具有580W/mK或更大之熱傳導率。平面內方向上之熱傳導率可簡單地稱為「平面內熱傳導率」。「平面內方向」為與散熱片之表面(XY平面)平行的XY方向，且「厚度方向」為垂直於XY平面之Z方向。本發明之散熱片較佳在平面內方向上具有620W/mK或更大之熱傳導率，及在厚度方向上約10W/mK或更大之熱傳導率。
[2]散熱片之製造方法
(1)分散體之製備
首先製備精細石墨粒子、由槽黑及科琴黑及/或乙炔 黑構成的碳黑以及有機黏結劑於有機溶劑中之分散體。因為精細石墨粒子易於黏聚，所以較佳為將精細石墨粒子於有機溶劑中之分散體與碳黑於有機溶劑中之分散體以及有機黏結劑於有機溶劑中之溶液混合。以整個分散體為100質量%計，精細石墨粒子及碳黑之總量較佳為5-25質量%。當精細石墨粒子及碳黑之總量小於5質量%時，藉由一次操作獲得過薄的含樹脂複合物片材。另一方面，當精細石墨粒子及碳黑之總量大於25質量%時，精細石墨粒子及碳黑之濃度在分散體中過高，可能引起黏聚。精細石墨粒子及碳黑之更佳總量為8-20質量%，只要精細石墨粒子與碳黑之質量比率在如上所述75/25至95/5範圍內即可。
有機黏結劑與精細石墨粒子及碳黑之總量之質量比率較佳為0.01-0.5。當有機黏結劑/(精細石墨粒子+碳黑)之質量比率小於0.01時，所得含樹脂複合物片材為未充分整合的，使得該複合物片材難以操縱。當以上質量比率大於0.5時，在後續燒製步驟中要耗費過多時間來燒除有機黏結劑，且精細石墨粒子定向不足。有機黏結劑/(精細石墨粒子+碳黑)之質量比率更佳為0.02-0.3、最佳為0.03-0.2。
用於本發明之有機黏結劑不受特定限制，只要該有機黏結劑可溶於有機溶劑中以使精細石墨粒子及碳黑均勻分散且易於藉由燒製移除即可。此等有機黏結劑包括例如，諸如聚甲基丙烯酸酯及聚甲基丙烯酸甲酯之丙烯酸樹脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、ABS樹脂等等。該等有機黏結劑中，聚甲基丙烯酸甲酯及聚苯乙烯較佳。
用於分散體之有機溶劑較佳為有機溶劑，該有機溶劑能夠充分分散精細石墨粒子及碳黑且溶解有機黏結劑，且揮發性足夠以使乾燥時間縮短。此等有機溶劑之實例包括酮，諸如甲基乙基酮；脂族烴，諸如己烷；芳族烴，諸如二甲苯；醇，諸如異丙醇，等等。該等有機溶劑可單獨使用或組合使用。
(2)分散體之澆鑄
(a)第一實例
第3圖展示用於澆鑄分散體之平面模設備之第一實例。此平面模設備10包含：下部模板11，其具有在對置側邊之間延伸的平坦模腔11a；以及上部模板12，其具有突起12a，該突起12a具有與模腔11a互補的形狀。因為用於本發明之分散體D係相對黏性的，所以其可如第4圖所示利用具有兩個開放末端之模腔11a來澆鑄成大體上矩形形狀。澆鑄分散體D之厚度可藉由刮刀片方法製成均勻的。
(b)第二實例
第5(a)及5(b)圖展示平面模設備之第二實例。此平面模設備20中之下部模板21包含具有矩形平坦凹部23之下部模板主體22，及置放於凹部23之一側上的板構件24。板構件24具有與凹部23之深度相同的厚度，且板構件24在凹部23之側表面之側上具備缺口24a。如第5(b)圖所示，板構件24置放於下部模板主體22之凹部23中以形成模腔25。如第5(b)圖所示，上部模板26具有與模腔25互補的突起26a。在分散體D澆鑄於下部模板21之模腔25中之後，過量的分 散體係藉由刮刀片方法移除，以便具有如第6圖所示的均勻厚度。因為板構件24具有缺口24a，所以板構件24可易於使用工具自凹部23取出。因此，最終獲得的精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C可易於藉由移除板構件24而自模腔25取出。
(c)第三實例
第7(a)-7(f)圖展示平面模設備之第三實例。此平面模設備30包含在一個表面上具有複數個平坦矩形突起31a之上部模板31、平坦下部模板32以及置放於下部模板32上之中間模板33。中間模板33具有複數個矩形開口33a，該複數個矩形開口各自具有與上部模板31之矩形突起31a之形狀互補的形狀。下部模板32在四個轉角處具有定位銷32a，並且上部模板31及中間模板33在四個轉角處具有用於接收定位銷32a之孔31b、33b。如第7(e)及7(f)圖所示，平坦下部模板32之銷32a插入中間模板33之孔33b中，且當中間模板33置放於下部模板32之上表面上時，中間模板33之每一開口33a構成模腔。第8圖展示澆鑄於藉由下部模板32及中間模板33形成的每一模腔中之分散體D，該分散體D之厚度藉由以刮刀片方法移除過量分散體而製成均勻的。第三實例為有效的，因為複數個散熱片同時藉由一個模板形成。在每一模腔對應於散熱片之最終形狀的情況下，散熱片可有效地得以製造。
(3)分散體之乾燥
下部模板之模腔中的分散體D可自發乾燥，或藉由 加熱來縮短乾燥時間。加熱溫度可取決於所使用有機溶劑之沸點來決定。例如，當使用二甲苯及異丙醇或甲基乙基酮之混合溶劑時，加熱溫度較佳為30-100℃、更佳為40-80℃。如第9圖所示，分散體D之乾燥提供附著至下部模板11之模腔11a的含樹脂複合物片材R。
(4)燒製
為移除有機黏結劑，含樹脂複合物片材R較佳於爐(未圖示)中燒製，而不自下部模板11之模腔11a移除。爐可為電爐、燃氣爐或連續爐，其中下部模板11中之含樹脂複合物片材R係於輸送帶上輸送。在連續爐的狀況下，逐漸冷卻爐較佳定位於在連續爐之末端處，以便保障稍後描述的逐漸冷卻。
燒製溫度較佳為550-750℃。當燒製溫度低於550℃時，有機黏結劑之移除耗費過多時間，且所得散熱片不可具有足夠高的熱傳導率。另一方面，當燒製溫度高於750℃時，碳黑可至少部分地燒掉，從而產生具有不足熱傳導率之散熱片。較佳燒製溫度為600-700℃。
含樹脂複合物片材R較佳於含有充足氧之氣氛中燒製，例如在空氣中燒製。在含氧氣氛(空氣)中，有機黏結劑得以快速燒掉而不留下碳化黏合劑。然而，在諸如氮氣之惰性氣體中燒製趨向於使有機黏結劑碳化，從而提供具有低熱傳導率之散熱片。氣氛中之氧含量較佳為10%或更大、更佳為15%或更大。
含樹脂複合物片材R在含氧氣氛中於以上溫度範圍 內之燒製時間通常為5-30分鐘，儘管可取決於燒製溫度而變化。燒製時間為其中含樹脂複合物片材R保持於燒製溫度下而不包括溫度升高時間及冷卻時間之時間段。當燒製時間小於5分鐘時，有機黏結劑並未完全燒掉。當燒製時間大於30分鐘時，使碳黑過量地暴露於高溫，以便碳黑可至少部分地燒掉，從而產生具有不足熱傳導率之散熱片。較佳燒製時間為7-15分鐘。溫度升高時間較佳地為10-30分鐘。
(5)冷卻
藉由燒製形成的精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C較佳地在爐中逐漸冷卻。已發現，當使精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C於爐外部冷卻時，所得散熱片趨向於具有低熱傳導率。精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C較佳於爐中歷經1小時或更長而逐漸冷卻。冷卻速度較佳為15℃/分鐘或更小、更佳為10℃/分鐘或更小。因此，冷卻時間較佳為1小時或更長。
已發現，當精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C於壓製之前冷卻至等於或低於水之凝固點的溫度時，散熱片在寬的碳黑含量範圍內展現高熱傳導率。冷卻溫度可為0℃或更低，且較佳為-5℃或更低。當冷卻至等於或低於水之凝固點的溫度時，空氣中之濕氣可能凍結在複合物片材C上。因此，較佳於乾燥氣氛中進行冷卻。冷卻時間不受特定限制，但可為10分鐘或更長時間。
(6)壓製
如第10圖所示，藉由將下部模板11與上部模板12 組合來壓製精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C，以使得上部模板12之突起12a壓於下部模板11之模腔11a中的複合物片材C上，該複合物片材C係藉由燒製附著至下部模板11之模腔11a的含樹脂複合物片材R來獲得。下部模板11及上部模板12可藉由壓製設備壓製，或藉由一對輥40、40以如第11圖所示藉由下部模板11及上部模板12夾住複合物片材C之方式來壓製。應用於下部模板11及上部模板12之壓力較佳為20MPa或更大。壓製不限於一次，而可進行多次。壓製可在室溫下進行，或在至多200℃之高溫下進行壓製來增加壓製效率。
在壓製期間，下部模板11及上部模板12較佳經由輥40振動。甚至處於相同壓力下，振動亦促進精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C之緻密化。振動頻率可為約100-500Hz。振動可藉由振動電動機來增加。
如第12圖所示，藉由壓製精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C獲得的散熱片1自下部模板11剝落。由於碳黑3於精細石墨粒子2間之均勻分散及藉由壓製之緻密化，散熱片1在自下部模板11剝落時既不破裂亦不開裂。由此獲得的散熱片1具有足夠的可彎曲性，以便該散熱片1即使在以2cm之曲率半徑彎曲例如至90°時不破裂或碎裂。
(7)散熱片之切割
當藉由以上製程形成大散熱片1時，應將該散熱片切割至適當大小，以便該散熱片可附接至小型電器。另一方面，當形成具有使用大小之散熱片1時，該散熱片之周邊部 分僅需修整。由於碳黑3於精細石墨粒子2間之均勻分散，藉由普通切割器切割的本發明之散熱片1具有銳切表面而不具有參差性。
(8)散熱片之表面塗佈
包含精細石墨粒子及碳黑的本發明之散熱片1較佳用絕緣樹脂或絕緣塑膠薄膜加以塗佈，以便防止精細石墨粒子及碳黑之脫離且達成表面隔離。絕緣樹脂較佳為可溶於有機溶劑中之熱塑性樹脂，例如，諸如聚甲基丙烯酸甲酯之丙烯酸樹脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚胺甲酸酯等等。絕緣塑膠薄膜可由以下製成：諸如聚乙烯及聚丙烯之聚烯烴、諸如聚對苯二甲酸乙二酯之聚酯、諸如耐綸之聚醯胺、聚醯亞胺等等。絕緣塑膠薄膜較佳具有熱密封層。在展現防止精細石墨粒子及碳黑之脫離且增加絕緣之功能的情況下，絕緣樹脂塗層及絕緣塑膠薄膜之厚度可為幾微米至約20μm。表面塗佈可較佳在將散熱片1切割至所要大小之後進行，以便確保防止精細石墨粒子及碳黑與散熱片1之切割表面脫離。
[3]散熱試驗
本發明之散熱片之散熱試驗可藉由第13及14圖所示的設備50來進行。此散熱試驗設備50包含：具有環形凹部52之絕熱電絕緣台51、接收於環形凹部52中之圓形板加熱器53、附接至加熱器53之下表面的溫度量測熱電偶54、連接至加熱器53及溫度量測熱電偶54之溫度控制器55，以及覆蓋置放於台51上之散熱片1之50mm x 100mm試件56 的1mm厚丙烯酸板(100mm x 100mm)57，在此試件置放之位置處，加熱器53係位於丙烯酸板57之中央。試件56具有在第15圖所示位置處之九個溫度量測點t0-t8，點t0處所量測的溫度為最高溫度(Tmax)、點t1-t4處所量測的溫度平均值為中間溫度(Tm)、點t5-t8處所量測的溫度平均值為最低溫度(Tmin)，且Tm及Tmin之平均值為平均溫度(Tav)。
本發明將用以下實例更詳細地解釋，但不欲將本發明限制於該等實例。
實例1
將總計100質量份之85質量%之精細石墨粒子(可購自Nippon Graphite Industries Ltd.之UP-35N，灰分：小於1.0%，平均大小：25μm)、10質量%之槽黑(平均一次粒度：42nm)及5質量%之科琴黑(EC600JD，平均一次粒度：34nm，孔隙率：80%)與作為有機黏結劑的10質量份之聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)及作為有機溶劑的600質量份之二甲苯/異丙醇(質量比率：6/4)之混合溶劑混合，以便製備精細石墨粒子、碳黑及有機黏結劑於有機溶劑中之分散體(黏度：1200cP)。該分散體之組成包含12.0質量%之精細石墨粒子、1.4質量%之槽黑、0.7質量%之科琴黑、1.4質量%之有機黏結劑，以及84.5質量%之有機溶劑。
此分散體係澆鑄於第3圖所示的SUS製得之平面模設備10中的下部模板11之1mm深模腔11a中，且此分散體係藉由刮刀片方法製成具有與模腔11a之深度相同的厚度。使分散體D自發乾燥30分鐘以形成含樹脂複合物片材R。
將保持於下部模板11中之含樹脂複合物片材R引入電爐中，且於空氣氣氛中、在650℃下燒製10分鐘以移除有機黏結劑。使精細石墨粒子及碳黑之所得複合物片材C於電爐中歷經約3小時而逐漸冷卻。
將在模腔11a中含有精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C之下部模板11與具有與下部模板11互補形狀的上部模板12組合，以使得上部模板12之突起12a與精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C進行接觸，如第10圖所示，且使該複合物片材C通過以30cm/分鐘之周邊速度旋轉的一對輥40、40之間的間隙4次，以便每次在20MPa或更大之線性壓力下壓製出精細石墨粒子及碳黑之複合物片材C，如第11圖所示。
在壓製之後，可將散熱片1自下部模板11之模腔11a取出而不存在破壞。由此獲得的散熱片1具有70μm之厚度及2.17g/cm3之密度。自此散熱片1中切出50mm x 100mm試件，且該試件經設置在第13-15圖所示的設備中，以在室溫下(26.1℃)下進行散熱試驗。在72℃(熱點)下藉由2.48W之陶瓷加熱器53(50mm x 50mm)加熱試件。在達到平衡狀態之後，散熱片試件之每一點處的溫度如下：t0：48.8℃，t1：44.7℃，t2：44.3℃，t3：44.6℃，t4：43.8℃， t5：42.5℃，t6：42.2℃，t7：39.8℃，且t8：39.9℃。
因此，最高溫度Tmax為48.8℃(熱點)，中間溫度Tm為(44.7℃+44.3℃+44.6℃+43.8℃)/4=44.4℃，最低溫度Tmin為(42.5℃+42.2℃+39.8℃+39.9℃)/4=41.1℃，且平均溫度Tav為(Tm+Tmin)/2=42.8℃。
散熱片1之熱傳導率(W/mK)係計算為藉由雷射閃光方法量測的熱擴散率(m2/s)及熱容量(密度x比熱)之乘積。比熱視為750。因此，散熱片1之熱傳導率在平面內方向上為660W/mK，且在厚度方向上為10W/mK。
當此散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時，不發生破壞。藉由剪刀切割的散熱片1具有清晰切割表面，而不具有脫離的精細石墨粒子及碳黑。
實例2
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為使用具有85nm之平均一次粒度之槽黑及具有40nm之平均一次粒度及60%之孔隙率的科琴黑(EC300J)來作為碳黑。散熱片1具有600W/mK之平面內熱傳導率。當此散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時，不發生破壞。藉由剪刀切割的散熱片1具有清晰切割表面，而不具有脫離的精細石墨粒子及碳黑。
實例3
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為使用具有85nm之平均一次粒度之槽黑替代具有42nm之平均一次粒度之槽黑。散熱片1具有610W/mK之平面內熱傳導率。當此散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時，不發生破壞。藉由剪刀切割的散熱片1具有清晰切割表面，而不具有脫離的精細石墨粒子及碳黑。
實例4
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為將科琴黑之量變化為3質量%。散熱片1具有640W/mK之平面內熱傳導率。當此散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時，不發生破壞。藉由剪刀切割的散熱片1具有幾乎清晰切割表面，該切割表面劣於實例1之散熱片，而大體上不具有脫離的精細石墨粒子及碳黑。
實例5
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為將槽黑之量變化為15質量%。散熱片1具有590W/mK之平面內熱傳導率。當此散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時，不發生破壞。藉由剪刀切割的散熱片1具有清晰切割表面，而不具有脫離的精細石墨粒子及碳黑。
實例6
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為將科琴黑之量變化為10質量%。散熱片1具有580W/mK之平面內熱傳導率。當此散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至 90°時，不發生破壞。藉由剪刀切割的散熱片1具有清晰切割表面，而不具有脫離的精細石墨粒子及碳黑。
實例7
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為將槽黑之量變化為5質量%且將科琴黑之量變化為10質量%。散熱片1具有630W/mK之平面內熱傳導率。當此散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時，不發生破壞。藉由剪刀切割的散熱片1具有清晰切割表面，而不具有脫離的精細石墨粒子及碳黑。
實例8
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為將槽黑之量變化為5質量%且將科琴黑之量變化為3質量%。散熱片1具有650W/mK之平面內熱傳導率。當此散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時，不發生破壞。藉由剪刀切割的散熱片1具有幾乎清晰切割表面，該切割表面劣於實例1之散熱片，而大體上不具有脫離的精細石墨粒子及碳黑。
實例9
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為使用具有48nm之平均一次粒度之乙炔黑替代科琴黑。散熱片1具有630W/mK之平面內熱傳導率。當此散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時，不發生破壞。藉由剪刀切割的散熱片1具有幾乎清晰切割表面，該切割表面劣於實例1之散熱片，而大體上不具有脫離的精細石墨粒子及碳黑。
比較實例1
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為僅使用15質量%的具有42nm之平均一次粒度之槽黑作為碳黑。散熱片1具有640W/mK之平面內熱傳導率。然而，當此散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時，時常發生破壞。
比較實例2
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為僅使用15質量%的具有34nm之平均一次粒度之科琴黑作為碳黑。散熱片1具有610W/mK之平面內熱傳導率。散熱片1不具有對操縱為必需的強度，儘管在該散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時不發生破壞。
比較實例3
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為將槽黑之量變化為20質量%且將科琴黑之量變化為10質量%。散熱片1具有低達550W/mK之平面內熱傳導率。
就實例1-9及比較實例1-3之散熱片而言，表1中展示組成及熱傳導率。
注意：(1)槽黑。
(2)科琴黑。
(3)乙炔黑。
習知實例1
對厚達70μm之石墨片PGS(可購自Panasonic Corporation)進行與實例1相同的散熱試驗。因此，散熱片試件之每一點處的溫度如下：t0：48.4℃，t1：44.3℃，t2：43.9℃，t3：44.2℃，t4：43.4℃，t5：40.1℃，t6：38.0℃，t7：38.7℃，且t8：36.8℃。
因此，最高溫度Tmax為48.4℃(熱點)，中間溫度Tm為(44.3℃+43.9℃+44.2℃+43.4℃)/4=44.0℃，最低溫度Tmin為(40.1℃+38.0℃+38.7℃+36.8℃)/4=38.4℃，且平均溫度Tav為(Tm+Tmin)/2=41.2℃。與實例1之比較揭露：在最 高溫度Tmax、最低溫度Tmin及平均溫度Tav中之任何溫度下，習知實例1之石墨片皆劣於實例1之石墨片。
實例10
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為使碳黑中槽黑之比率(質量%)變化。第16圖展示散熱片1中的熱傳導率與槽黑之比率之間的關係。自第16圖明顯的是，較高比率之槽黑提供更高熱傳導率。然而，當碳黑僅由槽黑構成時，散熱片1在以2cm之曲率半徑彎曲至90°時遭破壞。此指示：碳黑應由槽黑以及科琴黑(及/或乙炔黑)構成。
實例11
散熱片1係以與實例1相同的方式製造，不同之處為在燒製含樹脂複合物片材R之後，於-5℃下凍結30分鐘。所得散熱片1比實例1之散熱片具有更高平面內熱傳導率。當實例11之散熱片1以2cm之曲率半徑彎曲至90°時，與實例1一樣不發生破壞。與實例1一樣，藉由剪刀切割的散熱片1具有清晰切割表面，而不具有脫離的精細石墨粒子及碳黑。
本發明之效果
因為本發明之散熱片具有結構中碳黑均勻分散於精細石墨粒子間之該結構，精細石墨粒子與碳黑之質量比率為75/25至95/5，且碳黑由槽黑及科琴黑及/或乙炔黑構成，所以該散熱片具有2.0g/cm3或更大之密度及580W/mK或更大之平面內熱傳導率。此外，因為由精細槽黑及精細科琴黑及/或乙炔黑構成的碳黑均勻分散於精細石墨粒子間，所以本發 明之散熱片具有均勻的熱傳導率以及用於操縱的足夠機械性質。此種均勻、高密度散熱片係藉由以下方式獲得：自包含精細石墨粒子、碳黑及有機黏結劑之分散體形成含樹脂複合物片材，該含樹脂複合物片材包含均勻分散之精細石墨粒子及碳黑，燒製含樹脂複合物片材以移除有機黏結劑，且隨後對該含樹脂複合物片材壓製以達緻密化。
因為本發明之散熱片係藉由塗覆、燒製及壓製相對廉價的包含精細石墨粒子及碳黑之材料的低成本製程來製造，所以本發明之散熱片有利地為廉價的，同時具有高達580W/mK或更大之平面內熱傳導率且用於操縱的足夠機械性質。具有此等特徵之本發明之散熱片適於諸如筆記型個人電腦、智慧型電話、行動電話等等的小型電器。

Claims (17)

  1. 一種散熱片，其具有其中碳黑均勻分散於精細石墨粒子間之一結構，精細石墨粒子與碳黑之一質量比率為75/25至95/5；該碳黑由槽黑及科琴黑及/或乙炔黑構成；且該散熱片具有2.0g/cm3或更大之一密度及580W/mK或更大之一平面內熱傳導率。
  2. 如請求項1所述之散熱片，其中槽黑與科琴黑及/或乙炔黑之一質量比率為4/1至1/3。
  3. 如請求項1所述之散熱片，其具有25-150μm之厚度。
  4. 如請求項1所述之散熱片，其中該等精細石墨粒子具有3-150μm之一平均直徑及200nm或更大之平均厚度。
  5. 如請求項1所述之散熱片，其中該碳黑具有20-200nm之一平均一次粒度。
  6. 如請求項1至5中任一項所述之散熱片，其由絕緣樹脂層或絕緣塑膠薄膜塗佈。
  7. 一種用於製造如請求項1所述之散熱片的方法，該方法包含以下步驟：(1)製備精細石墨粒子、碳黑及一有機黏結劑 於一有機溶劑中之一分散體，該等精細石墨粒子與該碳黑之一質量比率為75/25至95/5，且該碳黑由槽黑及科琴黑及/或乙炔黑構成；(2)將該分散體澆鑄於一下部模板之一模腔中且隨後使該分散體乾燥，以便形成包含該等精細石墨粒子、該碳黑及該有機黏結劑之一含樹脂複合物片材；(3)燒製該含樹脂複合物片材以移除該有機黏結劑，從而形成精細石墨粒子及碳黑之一複合物片材；以及(4)將該下部模板與一上部模板組合壓製，以便使精細石墨粒子及碳黑之該複合物片材緻密化。
  8. 如請求項7所述之用於製造一散熱片的方法，其中該分散體包含總計5-25質量%之精細石墨粒子及碳黑，以及0.5-2.5質量%之該有機黏結劑。
  9. 如請求項7所述之用於製造一散熱片的方法，其中該有機黏結劑與該等精細石墨粒子及該碳黑之總量之一質量比率為0.01-0.5。
  10. 如請求項7所述之用於製造一散熱片的方法，其中該有機黏結劑較佳為一丙烯酸樹脂、一聚苯乙烯樹脂或聚乙烯醇。
  11. 如請求項7所述之用於製造一散熱片的方法，其中該有機溶劑為選自由酮、芳族烴及醇組成之群的至少一者。
  12. 如請求項7所述之用於製造一散熱片的方法，其中該燒製步驟係在550-700℃之一溫度下進行。
  13. 如請求項7所述之用於製造一散熱片的方法，其中在燒製之後冷卻至室溫歷經1小時或更長來逐漸進行。
  14. 如請求項7所述之用於製造一散熱片的方法，其中該壓製步驟係於精細石墨粒子及碳黑之該複合物片材冷卻至等於或低於水之凝固點的一溫度之後進行。
  15. 如請求項7所述之用於製造一散熱片的方法，其中該壓製步驟係於20MPa或更大之壓力下進行。
  16. 如請求項7所述之用於製造一散熱片的方法，其中形成於該下部模板模腔中之該含樹脂複合物片材經燒製而不自該下部模板剝落，且隨後使該下部模板與該上部模板組合壓製。
  17. 如請求項7至16中任一項所述之用於製造一散熱片的方法，其中該壓製步驟係於在室溫至200℃的一範圍內之一溫度下進行。
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