TWI690257B - 導熱結構及散熱裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種導熱結構與散熱裝置。導熱結構包括一第一導熱層以及一第二導熱層。第一導熱層包含一石墨烯材料及複數第一奈米碳管，該些第一奈米碳管混合於石墨烯材料中。第二導熱層疊設於第一導熱層，並包含一多孔材料及複數第二奈米碳管，該些第二奈米碳管混合於多孔材料中。

Description

導熱結構及散熱裝置

本發明係關於一種導熱結構及散熱裝置，特別關於一種薄型化的導熱結構及散熱裝置。

隨著科技的發展，針對電子裝置的設計與研發，莫不以薄型化及高效能為優先考量。在要求高速運算的情況下，電子裝置之電子元件不可避免地將產生較以往之電子元件更多的熱量，但由於高溫的作業環境不僅將影響電子元件的特性，過高的溫度更可能造成電子元件永久性的損壞。因而，為配合電子裝置的薄型化產品趨勢，薄型化的散熱裝置已成為現行電子裝置中不可或缺的重要配備之一。

習知之散熱裝置一般包括一散熱器及一風扇，散熱器安裝在電子元件(例如CPU)上，且一般為鋁製品或銅製品，並包括一底座與複數散熱鰭片。當電子元件所產生之熱能傳導至散熱器時，熱能將經由底座傳導至該些散熱鰭片，更可藉由風扇的吹拂而將電子元件所產生之熱能散逸。

然而，對於上述的散熱裝置而言，散熱器存在著體積過大，無法滿足現今薄型化電子產品所要求之輕薄的需求。因此，如何提供一種導熱結構及散熱裝置，具有較佳的導熱效果以及薄型化的特點，以符合現今電子產品輕薄化的要求，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種具有較佳的導熱效果以及薄型化的特點，以符合現今電子產品輕薄化的要求之導熱結構及散熱裝置。

為達上述目的，依據本發明之一種導熱結構，包括一第一導 熱層以及一第二導熱層。第一導熱層包含一石墨烯材料及複數第一奈米碳管，該些第一奈米碳管混合於石墨烯材料中。第二導熱層疊設於第一導熱層，並包含一多孔材料及複數第二奈米碳管，該些第二奈米碳管混合於多孔材料中。

在一實施例中，導熱結構的厚度介於10微米至300微米之間。

在一實施例中，導熱結構更包括複數導熱粒子，其混合於第一導熱層中、或第二導熱層中、或該第一導熱層及該第二導熱層中。

在一實施例中，導熱結構更包括一功能層，其設置於第一導熱層遠離第二導熱層的一表面、或設置於第一導熱層與第二導熱層之間、或設置於第二導熱層遠離第一導熱層的一表面。

在一實施例中，功能層的材料為聚對苯二甲酸乙二酯、環氧樹脂、酚樹脂、雙馬來酰亞胺、耐龍洐生物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯類樹脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚醯亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、熱塑性聚胺基甲酸酯、聚醚醚酮、聚對苯二甲酸丁二酯或聚氯乙烯。

為達上述目的，依據本發明另一種導熱結構包括一導熱層，導熱層包含一多孔材料及複數奈米碳管，該些奈米碳管混合於多孔材料中。

在一實施例中，導熱結構更包括複數導熱粒子，其混合於導熱層中。

在一實施例中，導熱結構更包括一石墨烯材料，其混合於導熱層中。

在一實施例中，導熱結構更包括一功能層，其設置於導熱層的一表面。

為達上述目的，依據本發明之一種散熱裝置，與一熱源配合，並包括一導熱結構以及一散熱結構，導熱結構與熱源接觸，且散熱結構與導熱結構連接。

在一實施例中，散熱結構包括一散熱鰭片、一散熱風扇、一熱管、或其組合。

承上所述，因本發明之導熱結構及散熱裝置中，導熱結構之 第一導熱層包含複數第一奈米碳管混合於石墨烯材料中，而第二導熱層疊設於第一導熱層，並包含複數第二奈米碳管混合於多孔材料中。藉由第一導熱層與第二導熱層的結構，除了可將熱源所產生的熱能快速地導引並散逸，並使得導熱結構及散熱裝置具有薄型化的特點而符合現今薄型化電子產品輕薄化的要求。

1、1a、1b、1c、3‧‧‧導熱結構

11、31‧‧‧第一導熱層

111‧‧‧石墨烯材料

112‧‧‧第一奈米碳管

12、32‧‧‧第二導熱層

121‧‧‧多孔材料

122‧‧‧第二奈米碳管

13‧‧‧功能層

2‧‧‧散熱裝置

4‧‧‧散熱結構

41‧‧‧散熱風扇

A、B‧‧‧區域

d‧‧‧厚度

G‧‧‧氣泡

圖1A及圖1B分別為本發明較佳實施例之一種導熱結構的分解示意圖及側視示意圖。

圖1C及圖1D分別為圖1B的區域A與區域B的放大示意圖。

圖2A至圖2C分別為不同實施態樣之導熱結構的側視示意圖。

圖3為本發明較佳實施例之一種散熱裝置的示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之導熱結構及散熱裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請分別參照圖1A至圖1D所示，其中，圖1A及圖1B分別為本發明較佳實施例之一種導熱結構1的分解示意圖及側視示意圖，而圖1C及圖1D分別為圖1B的區域A與區域B的放大示意圖。於此，圖1C與圖1D只是示意，並沒有按照實際元件的比例來繪製。

導熱結構1可將熱源(例如電子元件)所產生的熱能快速地導引出，並包括一第一導熱層11以及一第二導熱層12，且第一導熱層11與第二導熱層12相互疊設。本實施例是以第二導熱層12疊設於第一導熱層11上為例(第一導熱層11與熱源接觸)。在不同實施態樣中，也可將第一導熱層11疊設於第二導熱層12上(第二導熱層12與熱源接觸)，並不限定。導熱結構1的厚度d可介於10微米至300微米之間，因此，使用者可依據實際需求製作成需要的厚度而應用於輕薄化的電子裝置中，以符合現今電子產品輕薄的要求。

如圖1C所示，第一導熱層11包含一石墨烯材料111及複 數第一奈米碳管(Carbon Nanotube,CNT)112，該些第一奈米碳管112混合於石墨烯材料111中。其中，石墨烯材料111是以石墨烯為基底的材料，並可為天然石墨或人工石墨。石墨烯材料111(石墨烯粒子)的純度可介於70%至99.9%，且石墨烯粒子的粒徑可介於5奈米至3000奈米之間。另外，奈米碳管(第一奈米碳管112)是一具有奈米級直徑與長寬高比的石墨管，碳管內徑可從0.4奈米(nm)至數十奈米，而碳管外徑則由1奈米至數百奈米，且其長度則由數微米至數十微米之間，並可由單層或多層的石墨層捲曲形成中空管柱狀結構。奈米碳管是一種高導熱材料，其導熱係數一般可大於6000瓦特/公尺-K(高純度鑽石的導熱係數約3320瓦特/公尺-K)，因此，其導熱效率相當高。於實施上，可將奈米碳管(第一奈米碳管112)混合於石墨烯材料111中，並加入黏著劑(圖未示)後攪拌且依實際需求尺寸、厚度固化定型，以成為第一導熱層11。由於石墨烯粒子具有良好的導熱性，特別是針對X/Y軸所構成的平面有極佳的導熱性，因而透過具有石墨烯材料111與第一奈米碳管112之第一導熱層11，可進行高效率的熱傳輸，以快速地將熱能由熱源導引出，且往第二導熱層12傳遞。

另外，如圖1D所示，第二導熱層12包含一多孔材料121及複數第二奈米碳管122，該些第二奈米碳管122混合於多孔材料121中。其中，多孔材料121可為發泡塑膠，例如將熱塑性塑膠，如聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、ABS、PC、聚酯、尼龍(Nylon)或聚甲醛等材料，加入二氧化碳發泡劑、氫化氟氯烴(HCFC)、烴類(例如環戊烷)、氫化氟、ADC發泡劑(例如N-亞硝基化合物)或OBSH發泡劑(例如4，4’-二磺酰肼二苯醚)等發泡材料攪拌而成；或者，亦可將熱固性塑膠，例如PU、聚三聚異氰酸樹脂、酚醛樹脂、尿醛樹脂、環氧樹脂、聚有機矽氧烷或聚醯亞胺(Polyimide,PI)等材料加入上述的發泡材料攪拌而成。多孔塑膠(多孔材料121)是以塑膠為基本材料，並含有大量的氣泡G，因此多孔塑膠可以說是以氣體為填料的複合塑膠。另外，第二奈米碳管122具有上述第一奈米碳管112的高導熱特性，不再贅述。

在實施上，可先將第二奈米碳管122混合於液態狀的多孔材料121中，並依實際需求尺寸、厚度固化定型，以成為第二導熱層12。當 熱能傳導至第二導熱層12時，透過第二奈米碳管122的高導熱能力，熱能除了會由第二奈米碳管122導引至氣泡G(氣泡G內有空氣)並往上導引，而且多孔材料121也會將熱能透過第二奈米碳管122與多孔材料121往上傳遞。

另外，請參照圖2A至圖2C所示，其分別為不同實施態樣 之導熱結構1a、1b、1c的側視示意圖。

如圖2A所示，導熱結構1a與導熱結構1不同的是，導熱 結構1a更包括一功能層13，功能層13設置於第二導熱層12遠離第一導熱層11的一表面(第二導熱層12的上表面)。其中，功能層13的材料可為熱固性塑膠，例如但不限於為環氧樹脂(Epoxy)、酚樹脂(Phenolic)或雙馬來酰亞胺(Bismaleimide,BMI)；或者，功能層13的材料亦可為熱塑性塑膠，例如但不限於為聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)、耐龍洐生物(Nylon)、聚苯乙烯(Polystyrene)、聚碳酸酯(Polycarbonate)、聚乙烯(Polyethylene)、聚丙烯(Polypropylene)、乙烯類樹脂(Vinyl)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile-butadine-styrene,ABS)、聚醯亞胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)、熱塑性聚胺基甲酸酯(Thermoplastic Polyurethane,TPU)、聚醚醚酮(polyaryletherketone,PEEK)、聚對苯二甲酸丁二酯(Polybutylene terephthalate,PBT)或聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC)，以協助將傳導至第二導熱層12上表面的熱能再往上傳導(加強介面的熱傳導能力)，藉此再提升導熱效率。

另外，如圖2B所示，導熱結構1b與導熱結構1a不同的是， 導熱結構1b的功能層13設置於第一導熱層11與第二導熱層12之間，以協助第一導熱層11與第二導熱層12之介面的熱傳導，以加強介面的熱傳導能力。

另外，如圖2C所示，導熱結構1c與導熱結構1a不同的是， 導熱結構1c的功能層13設置於第一導熱層11遠離第二導熱層12的一表面(第一導熱層11的下表面，亦即位於第一導熱層11與熱源之間)，以協助將導熱結構1c外部的熱能快速地傳導至第一導熱層11，以加強介面的熱 傳導能力而提升導熱效率。

此外，導熱結構1a、1b、1c的其他技術特徵可參照導熱結 構1的相同元件，不再贅述。

再補充說明的是，因應不同需求，在不同的實施例中，也可 將複數導熱粒子(圖未示)混合於上述實施例中的第一導熱層11中、或第二導熱層12中、或第一導熱層11及第二導熱層12中。其中，導熱粒子的導熱係數(w/mk)為大於20以上的材料，其材料例如可為銀、銅、金、鋁、鐵、錫、鉛、矽、碳化矽、鉮化鎵、氮化鋁、氧化鈹、氧化鎂或其合金，或是氧化鋁、氮化硼等陶瓷材料。由於第二導熱層具有較佳的縱軸(Z軸)熱導引能力，因而透過具有導熱粒子的第一導熱層11及/或第二導熱層12，更可加強導熱結構的導熱效果；或者，亦可將石墨烯材料加入第二導熱層12中，使第二導熱層12除了包含多孔材料121及第二奈米碳管122，亦包含石墨烯材料，藉此再提升第二導熱層12的導熱效率。

另外，在一些實施例中，導熱結構也可只為一層導熱層，例 如為單層的第一導熱層11或第二導熱層12，而且，亦可將複數導熱粒子(圖未示)混合於單層的第一導熱層11或第二導熱層12中，以加強其導熱效果。另外，在一些實施例中，也可於只包含單層之第二導熱層12的導熱結構中加入石墨烯材料，本發明均不限制。

請參照圖3所示，其為本發明較佳實施例之一種散熱裝置2 的示意圖。散熱裝置2可搭配功率元件、顯示卡、主機板、燈具、其他電子元件或電子產品使用，用以協助將熱源所產生的熱能導引出並散去。

散熱裝置2包含一導熱結構3與一散熱結構4。其中，導熱 結構3與熱源接觸(例如直接設置熱源上而接觸熱源)，並包括一第一導熱層31與一第二導熱層32，而散熱結構4與導熱結構3連接。其中，熱源可例如但不限於為一中央處理器(CPU)，而導熱結構3可為上述導熱結構1、1a、1b、1c及其變化態樣，具體技術特徵可參照上述，不再多作說明。

本實施例之導熱結構3設置於熱源上，且第一導熱層31直 接貼附於需要進行散熱之熱源(例如CPU)，以將熱源所產生的熱能快速地導引出。另外，散熱結構4可包含一散熱鰭片、一散熱風扇或一熱管，或 其組合。本實施例之散熱結構4為一散熱風扇41，當熱源所產生之熱能傳導至導熱結構3後，再藉由散熱風扇41的吹拂，可將熱能快速散逸，藉此降低熱源的溫度。

綜上所述，因本發明之導熱結構及散熱裝置中，導熱結構之第一導熱層包含複數第一奈米碳管混合於石墨烯材料中，而第二導熱層疊設於第一導熱層，並包含複數第二奈米碳管混合於多孔材料中。藉由第一導熱層與第二導熱層的結構，除了可將熱源所產生的熱能快速地導引並散逸，並使得導熱結構及散熱裝置具有薄型化的特點而符合現今薄型化電子產品輕薄化的要求。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧導熱結構

11‧‧‧第一導熱層

12‧‧‧第二導熱層

Claims (6)

1. 一種導熱結構，包括：一第一導熱層，包含一石墨烯材料及複數第一奈米碳管，該些第一奈米碳管混合於該石墨烯材料中；一第二導熱層，疊設於該第一導熱層，並包含一多孔材料及複數第二奈米碳管，該些第二奈米碳管混合於該多孔材料中；以及複數導熱粒子，混合於該第一導熱層中、或該第二導熱層中、或該第一導熱層及該第二導熱層中；其中該石墨烯材料包括複數石墨烯粒子，該些石墨烯粒子的純度介於70%至99.9%，且該些石墨烯粒子的粒徑介於5奈米至3000奈米之間；該些第一奈米碳管是具有奈米級直徑與長寬高比的石墨管，且該些第一奈米碳管的內徑從0.4奈米至數十奈米，而其外徑則由1奈米至數百奈米，且其長度則在數微米至數十微米之間，並由單層或多層的石墨層捲曲形成中空管柱狀結構；奈米碳管是高導熱材料，其導熱係數大於6000瓦特/公尺-K；該多孔材料是多孔塑膠，是以塑膠為基本材料，並含有大量的氣泡，多孔塑膠是以氣體為填料的複合塑膠；該些石墨烯粒子具有良好的導熱性，針對X/Y軸所構成的平面有極佳的導熱性，透過具有該些石墨烯粒子與該些第一奈米碳管之該第一導熱層，可進行高效率的熱傳輸，以快速地將熱能由一熱源導引出，且往該第二導熱層傳遞；該導熱結構的厚度介於10微米至300微米之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之導熱結構，更包括：一功能層，設置於該第一導熱層遠離該第二導熱層的一表面、或設置於該第一導熱層與該第二導熱層之間、或設置於該第二導熱層遠離該第一導熱層的一表面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之導熱結構，其中該功能層的材料為聚對苯二甲酸乙二酯、環氧樹脂、酚樹脂、雙馬來酰亞胺、耐龍洐生物、聚苯 乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯類樹脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚醯亞胺、聚甲基丙烯酸甲酯、熱塑性聚胺基甲酸酯、聚醚醚酮、聚對苯二甲酸丁二酯或聚氯乙烯。
4. 如申請專利範圍第1項所述之導熱結構，其中該導熱粒子的材料為銀、銅、金、鋁、鐵、錫、鉛、矽、碳化矽、鉮化鎵、氮化鋁、氧化鈹、氧化鎂或其合金，或是氧化鋁、氮化硼等陶瓷材料。
5. 一種散熱裝置，與一熱源配合，並包括：一如申請專利範圍第1項至第4項任一項所述的導熱結構，該導熱結構與該熱源接觸；以及一散熱結構，與該導熱結構連接。
6. 如申請專利範圍第5項所述之散熱裝置，其中該散熱結構包括一散熱鰭片、一散熱風扇、一熱管、或其組合。

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