TWI833063B - 導熱結構與電子裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明公開一種導熱結構及電子裝置。導熱結構包括一導熱金屬層以及一結構層。結構層設置於導熱金屬層上；其中，結構層為一石墨烯層與一陶瓷材料層所形成的堆疊結構；或者，結構層為一石墨烯混合陶瓷材料層。本發明可將熱源所產生的熱能快速地傳導至外界，提升電子裝置的散熱效能。
Description
本發明關於一種導熱結構，特別關於一種可提升散熱效能的導熱結構與電子裝置。
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。在要求高速運算與薄型化的情況下，電子裝置的電子元件不可避免地將產生較以往更多的熱量，因此，“散熱”已經是這些元件或裝置不可或缺的需求功能。特別是對高功率元件來說，由於工作時產生的熱能大幅增加，使得電子產品的溫度會急速上升，當電子產品受到過高的溫度時，可能會造成元件的永久性損壞，或是使壽命大幅地降低。
公知技藝大多是利用設置在元件或裝置的散熱鰭片、風扇，或是散熱件（例如熱管）將運作時所產生的廢熱導引出。其中，散熱鰭片或散熱片一般具有一定的厚度，而且是利用具有高導熱性質的金屬材料製成，或是利用摻雜具有高導熱性質之無機材料製成。然而，金屬材料的導熱效果雖然很好，但是密度大，會增加散熱鰭片或散熱片整體的重量與厚度。而摻雜了無機材料之高分子複合材料的結構強度並不好，可能不適合應用在某些產品上。
因此，如何發展出更適用於高功率元件或裝置需求的導熱結構，可適用於不同的產品領域以因應薄型化的需求，已經是相關廠持續追求的目標之一。
本發明的目的為提供一種導熱結構與應用該導熱結構的電子裝置。本發明的導熱結構可將電子裝置的熱源所產生的熱能快速地傳導至外界，提升散熱效能。
本發明的導熱結構可應用於不同的產品領域而達到薄型化的需求。
本發明提出一種導熱結構，包括一導熱金屬層以及一結構層。結構層設置於導熱金屬層上；其中，結構層為一石墨烯層與一陶瓷材料層所形成的堆疊結構；或者結構層為一石墨烯混合陶瓷材料層。
在一實施例中，導熱金屬層包括銅、鋁、銅合金、或鋁合金。
在一實施例中，陶瓷材料層的材料包括氮化硼、氧化鋁、氮化鋁、或碳化矽、或其組合。
在一實施例中，石墨烯混合陶瓷材料層的材料包括石墨烯與陶瓷材料，陶瓷材料包括氮化硼、氧化鋁、氮化鋁、或碳化矽、或其組合。
在一實施例中， 陶瓷材料層設置於石墨烯層與導熱金屬層之間。
在一實施例中， 石墨烯層設置於陶瓷材料層與導熱金屬層之間。
在一實施例中，陶瓷材料層遠離導熱金屬層的表面具有多個微結構，該些微結構的形狀為柱狀、球狀、角錐狀、梯形狀、或不規則形狀、或其組合。
在一實施例中，陶瓷材料層更包括一填充材料及/或多個孔洞。
在一實施例中，石墨烯混合陶瓷材料層遠離導熱金屬層的表面具有多個微結構，該些微結構的形狀為柱狀、球狀、角錐狀、梯形狀、或不規則形狀、或其組合。
在一實施例中，石墨烯混合陶瓷材料層更包括一填充材料。
在一實施例中，填充材料為氧化鋁、氮化鋁、或碳化矽、氮化硼、或其組合。
在一實施例中，填充材料的形狀為顆粒狀、片狀、球狀、條狀、奈米管狀、或不規則狀、或其組合。
在一實施例中，導熱結構更包括一雙面膠層，其設置於導熱金屬層遠離結構層的一側。
在一實施例中，雙面膠層為導熱雙面膠。
本發明更提出一種電子裝置，包括一熱源以及前述實施例的導熱結構，導熱結構與熱源連接。
在一實施例中，電子裝置更包括一散熱結構，其設置於導熱結構遠離熱源的一側。
承上所述，在本發明的導熱結構中，透過結構層設置於導熱金屬層上，其中，結構層為石墨烯層與陶瓷材料層所形成的堆疊結構；或者結構層為石墨烯混合陶瓷材料層的結構設計，當導熱結構與電子裝置的熱源連接時，可將熱源所產生的熱能快速且有效地傳導至外界，藉此可提升電子裝置的散熱效能。另外，本發明的導熱結構可應用於不同的產品領域而使電子裝置可以達到薄型化的需求。此外，在本發明一實施例中，相較於傳統材料為PI的保護層來說，陶瓷材料層除了可提供保護與絕緣的效果外，還可提升導熱效果。
以下將參照相關圖式，說明依本發明一些實施例之導熱結構與電子裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。以下實施例出現的各元件只是用以說明其相對關係，並不代表真實元件的比例或尺寸。
本發明的導熱結構應用於電子裝置時，可提升電子裝置的散熱效能。電子裝置的熱源可為電子裝置之電池、控制晶片（例如中央控制單元(CPU)）、驅動晶片、記憶體（例如但不限於SSD固態硬碟）、主機板、顯示卡、顯示面板、或平面光源，或其他會產生熱量的元件、單元、或模組，並不限制。此外，本發明的導熱結構可應用於不同的產品領域而可達到薄型化的需求。
圖1為本發明一實施例之導熱結構的示意圖。如圖1所示，本實施例的導熱結構1可包括一導熱金屬層11以及一結構層S。
導熱金屬層11包括高導熱係數的金屬片、金屬箔、或金屬膜，其材料可例如但不限於包括銅、鋁、銅合金（銅和其他金屬的合金）、或鋁合金（鋁和其他金屬的合金）、或其組合。本實施例的導熱金屬層11是以鋁金屬箔為例。
結構層S設置於導熱金屬層11上。結構層S可為一石墨烯層12與一陶瓷材料層13所形成的堆疊結構；或者，結構層S可為一石墨烯混合陶瓷材料層。本實施例的結構層S是以石墨烯層12與陶瓷材料層13所形成的堆疊結構為例。在本實施例中，石墨烯層12是設置於陶瓷材料層13與導熱金屬層11之間。在此，石墨烯層12包括多個石墨烯微片，由於石墨烯微片具有極高的熱傳導率（thermal conductivity ＞ 5000 W/m-K），因此可使導熱結構1具有良好的熱傳導效果。在一些實施例中，可將石墨烯微片、溶劑（及粘結劑）混合均勻以形成漿料後，透過例如塗佈或印刷等製程，將漿料設置在導熱金屬層11上，以形成石墨烯層12（例如Graphene Thermal Film, GTF）。上述的溶劑可為例如但不限於丁酮（Methyl Ethyl Ketone, MEK）、水、丙酮（Acetone）、乙酸乙脂（Ethyl Acetate, EAC）、3-甲氧基丙酸甲酯 (MMP) 、甲苯、酒精、或其組合，或其他的中高極性溶劑。另外，塗佈製程可例如但不限於為噴射塗佈（spray coating）或旋轉塗佈（spin coating），而印刷製程可例如但不限於為噴墨列印（inkjet printing）或網版印刷（screen printing）。在一些實施例中，石墨烯微片佔總體含量可大於0且小於等於15%（0 ＜ 石墨烯微片含量 ≤ 15%），例如1.5%、3.2%、5%、7.5%、11%、13%，或其他。
本實施例的陶瓷材料層13設置於石墨烯層12遠離導熱金屬層11的表面。在一些實施例中，可例如以塗佈或印刷等方式在石墨烯層12上形成陶瓷材料層13，以形成結構層S。陶瓷材料層13的材料可例如但不限於包括高導熱係數的陶瓷材料和膠材，陶瓷材料混合於膠材中。陶瓷材料例如可包括氮化硼(BN)、氧化鋁(Al
2O
3) 、氮化鋁(AlN)、或碳化矽(SiC)、或其組合，或其他具有高導熱係數(K值)的陶瓷材料。在本實施例中，陶瓷材料層13的材料是以包括氮化硼(BN)的陶瓷材料為例。值得說明的是，由於石墨烯層12具有導電性，因此，相較於傳統材料為聚醯亞胺(PI)的保護層來說，本實施例的陶瓷材料層13除了可提供保護（耐磨）與絕緣的特性外，還可增加導熱效果。在另一些實施例中，陶瓷材料層13可透過例如導熱膠貼合在石墨烯層12的上表面。
承上，在本實施例的導熱結構1中，透過結構層S設置於導熱金屬層11上，且結構層S為石墨烯層12與陶瓷材料層13所形成的堆疊結構的結構設計，當本實施例的導熱結構1與電子裝置的熱源連接時，可將熱源所產生的熱能快速且有效地傳導至外界，藉此可提升電子裝置的散熱效能。另外，相較於傳統材料為PI的保護層來說，本實施例的陶瓷材料層13除了可提供保護（耐磨）與絕緣的效果外，內含的陶瓷材料還可提升導熱效果。此外，本實施例的導熱結構1可應用於不同的產品領域而使電子裝置可以達到薄型化的需求。
在一些實施例中，導熱結構還可包括兩個離型層（未繪示），這兩個離型層對應設置於導熱結構的上、下兩側（例如圖1之導熱結構1的上側與下側）。當要使用導熱結構時，只要移除這兩個離型層，即可透過雙面膠（例如導熱雙面膠）將導熱結構貼合在熱源上。導熱雙面膠除了具有黏性之外，還可協助熱能的傳導。另外，離型層的材質可例如但不限於為紙類、布類、或聚脂類（例如聚對苯二甲酸乙二酯，PET）、或其組合，並不限制。要提醒的是，導熱結構的上、下兩側對應具有離型層的態樣，也可應用於本發明以下所有的實施例中。
請參照圖2A至圖2G所示，其分別為本發明不同實施例的導熱結構的示意圖。
如圖2A所示 本實施例的導熱結構1a與前述實施例的導熱結構1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例的導熱結構1a還包括一雙面膠層14，雙面膠層14例如為導熱雙面膠，其可設置於導熱金屬層11遠離結構層S的一側。本實施例的雙面膠層14是設置於導熱金屬層11遠離石墨烯層12的下表面。利用雙面膠層14設置在導熱金屬層11與熱源之間，使導熱結構1a可貼附在熱源上，可將熱源所產生的熱能快速地透過導熱結構1a的導引且散逸至外界。當然，還可在陶瓷材料層13遠離熱源的一側設置一散熱結構（圖未繪示），以加速熱能的散逸。
上述的導熱雙面膠可包括膠材及導熱材料，導熱材料混合於膠材中。導熱雙面膠除了具有黏性之外，還可透過導熱材料協助熱能的傳導。導熱材料例如可包括石墨烯、還原氧化石墨烯、或陶瓷材料、或其組合。陶瓷材料例如但不限於為氮化硼、氧化鋁、氮化鋁、或碳化矽、…等具有高導熱係數的陶瓷材料、或其組合，並不限制。此外，膠材可例如但不限於為壓感膠（pressure sensitive adhesive, PSA），其材料可例如包括橡膠系、壓克力系、或矽利康系，或其組合；而化學構成可為橡膠類、丙烯酸類、或有機硅類、或其組合，本發明不限定。再說明的是，利用雙面膠層14使導熱結構（之導熱金屬層）與熱源連接的特徵也可應用於以下所有實施例中。
另外，如圖2B所示，本實施例的導熱結構1b與前述實施例的導熱結構1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例的導熱結構1b之陶瓷材料層13b遠離導熱金屬層11的表面具有多個微結構131，該些微結構131的形狀可例如為柱狀、球狀、角錐狀、梯形狀、或不規則形狀、或其組合，並不限制。在一些實施例中，可利用例如網印、凹凸板印刷、或其他方式在陶瓷材料層13b的表面製作出微結構131以增加散熱面積，藉此提升散熱效果。陶瓷材料層13b的表面具有多個微結構131的特徵也可應用於以下圖2C至圖2E的實施例中。
另外，如圖2C所示，本實施例的導熱結構1c與前述實施例的導熱結構1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例的導熱結構1c之陶瓷材料層13c還可包括一填充材料132，填充材料132可例如為陶瓷材料，其形狀可為顆粒狀、片狀、球狀、條狀、奈米管狀、或不規則狀、或其組合，並不限制。另外，填充材料132的尺寸可介於0.5μm～10 μm之間。在一些實施例中，填充材料132可例如為氧化鋁、氮化鋁、或碳化矽、氮化硼、或其組合，藉此增加陶瓷材料層13c的散熱效果。前述奈米管狀的填充材料132可例如為氮化硼奈米管。
另外，如圖2D所示，本實施例的導熱結構1d與前述實施例的導熱結構1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例的導熱結構1d之陶瓷材料層13d還可包括多個孔洞133。在一些實施例中，可在製作陶瓷材料層13d的製程中填加造孔劑，使陶瓷材料層13d可形成多個孔洞133以增加比表面積，提升熱輻射的散熱效果。在一些實施例中，該造孔劑例如為陶瓷造孔劑。
另外，如圖2E所示，本實施例的導熱結構1e與前述實施例的導熱結構1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例的導熱結構1e之陶瓷材料層13e包括有填充材料132及多個孔洞133。
另外，如圖2F所示，本實施例的導熱結構1f與前述實施例的導熱結構1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例的導熱結構1f的陶瓷材料層13是設置於石墨烯層12與導熱金屬層11之間。此外，前述陶瓷材料層填加填充材料的特徵也可應用本實施例中。
另外，如圖2G所示，本實施例的導熱結構1g與前述實施例的導熱結構1其元件組成及各元件的連接關係大致相同。不同之處在於，本實施例的結構層S為石墨烯混合陶瓷材料層15。其中，石墨烯混合陶瓷材料層15的材料包括石墨烯與陶瓷材料，陶瓷材料可例如但不限於為氮化硼、氧化鋁、氮化鋁、或碳化矽、…等具有高導熱係數的陶瓷材料、或其組合。在一些實施例中，石墨烯與陶瓷材料的混合比例可例如為1：9、3：7、或5：5、或其他比例，並不限制。在一些實施例中，石墨烯混合陶瓷材料層15更可包括前述的填充材料。此外，前述微結構的特徵也可應用於本實施例的石墨烯混合陶瓷材料層15中。
另外，圖3和圖4分別為本發明不同實施例之電子裝置的示意圖。如圖3所示，本發明還提出一種電子裝置2，電子裝置2可包括一熱源21以及一導熱結構22，導熱結構22與熱源21連接。在一些實施例中，導熱結構22可透過一雙面膠層23（例如導熱雙面膠）與熱源21連接。在此，導熱結構22可為上述的導熱結構1、1a至1g的其中之一，或其變化態樣，具體技術內容已於上述中詳述，在此不再多作說明。可以理解的是，導熱結構22本身如果具有上述的雙面膠層14時，則不需設置雙面膠層23。
電子裝置2或2a可例如但不限於為平面顯示器或平面光源，例如但不限於為手機、筆記型電腦、平板電腦、電視、顯示器、背光模組、或照明模組，或其他平面型的電子裝置。而熱源可為電子裝置之電池、控制晶片（例如中央控制單元(CPU)）、驅動晶片、記憶體（例如但不限於SSD固態硬碟）、主機板、顯示卡、顯示面板、或平面光源，或其他會產生熱量的元件或單元，並不限制。在一些實施例中，當電子裝置2為平面顯示器，例如但不限於發光二極體（LED）顯示器、有機發光二極體（OLED）顯示器、液晶顯示器（LCD）時，則熱源21可為顯示面板而具有顯示面，導熱結構22可直接或間接（例如透過導熱雙面膠）貼附於顯示面相反的表面，藉此協助導熱與散熱，提升平面顯示器的散熱效能。在另一些實施例中，當電子裝置2為平面光源，例如但不限於背光模組、LED照明（LED lighting）模組、或OLED照明（OLED lighting）模組時，則熱源21可為發光單元而具有光射出面，導熱結構22可直接或間接（例如再透過膠材）貼附於光射出面相對的表面，藉此協助導熱與散熱，提升平面光源的散熱效能。
另外，如圖4所示，本實施例的電子裝置2a更可包括一散熱結構24，散熱結構24設置於導熱結構22遠離熱源21的一側。因此，在電子裝置2a中，散熱結構24可透過導熱結構22與熱源21連接，使熱源21所產生的熱能可透過導熱結構22的協助快速地傳導至散熱結構24，進而利用散熱結構24將電子裝置2a所產生的熱能散逸至外界，提升散熱效果。在一些實施例中，散熱結構24例如可為散熱膜，例如但不限於為石墨烯導熱膜（GTF）；或者散熱結構24也可以是傳統的散熱裝置或結構，例如包括風扇、鰭片、散熱膏、散熱片、散熱器、…、或其他型式的散熱元件、散熱單元或散熱裝置、或其組合，本發明並不限制。在一些實施例中，散熱結構24與導熱結構22之間可透過例如導熱雙面膠連接。
此外，在對照組1為鋁金屬片層，對照組2為鋁金屬片層加上石墨烯層，以及本發明的導熱結構1、導熱結構1f和導熱結構1g的對比實驗中，在相同熱源的情況下，導熱結構1遠離熱源之表面的溫度可低於對照組1約12.5°C；導熱結構1f遠離熱源之表面的溫度可低於對照組1約13.21°C；導熱結構1g遠離熱源之表面的溫度最高可低於對照組1約10.32°C；導熱結構1遠離熱源之表面的溫度可低於對照組2約5.06°C；導熱結構1f遠離熱源之表面的溫度可低於對照組2約5.77°C；導熱結構1g遠離熱源之表面的溫度最高可低於對照組2約2.88°C，證明本發明透過結構層S設置於導熱金屬層11上，其中，結構層S為石墨烯層12與陶瓷材料層13所形成的堆疊結構；或者，結構層S為石墨烯混合陶瓷材料層結構15的結構設計，確實可有效將熱源所產生的熱能快速地傳導至外界，提升散熱效能。
綜上所述，在本發明的導熱結構中，透過結構層設置於導熱金屬層上，其中，結構層為石墨烯層與陶瓷材料層所形成的堆疊結構；或者結構層為石墨烯混合陶瓷材料層的結構設計，當導熱結構與電子裝置的熱源連接時，可將熱源所產生的熱能快速且有效地傳導至外界，藉此可提升電子裝置的散熱效能。另外，本發明的導熱結構可應用於不同的產品領域而使電子裝置可以達到薄型化的需求。此外，在本發明一實施例中，相較於傳統材料為PI的保護層來說，陶瓷材料層除了可提供保護與絕緣的效果外，還可提升導熱效果。
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。
1,1a,1b,1c,1d,1e,1f,1g,22:導熱結構
11:導熱金屬層
12:石墨烯層
13,13b,13c,13d,13e:陶瓷材料層
131:微結構
132:填充材料
133:孔洞
14,23:雙面膠層
15:石墨烯混合陶瓷材料層
2,2a:電子裝置
21:熱源
24:散熱結構
S:結構層
圖1為本發明一實施例的導熱結構的示意圖。
圖2A至圖2G分別為本發明不同實施例的導熱結構的示意圖。
圖3和圖4分別為本發明不同實施例之電子裝置的示意圖。
1:導熱結構
11:導熱金屬層
12:石墨烯層
13:陶瓷材料層
S:結構層
Claims (10)
- 一種導熱結構，包括：一導熱金屬層；以及一結構層，設置於該導熱金屬層上；其中，該結構層為一石墨烯層與一陶瓷材料層所形成的堆疊結構，且該石墨烯層設置於該陶瓷材料層與該導熱金屬層之間；其中，該陶瓷材料層包括陶瓷材料和膠材，該陶瓷材料混合於該膠材中；該陶瓷材料層更包括多個孔洞，該些孔洞是在製作該陶瓷材料層的製程中填加造孔劑所形成者；該陶瓷材料層遠離該導熱金屬層的表面具有多個微結構，該些微結構的形狀為柱狀、球狀、角錐狀、梯形狀、或不規則形狀、或其組合。
- 如請求項1所述的導熱結構，其中該導熱金屬層包括銅、鋁、銅合金、或鋁合金。
- 如請求項1所述的導熱結構，其中該陶瓷材料包括氮化硼、氧化鋁、氮化鋁、或碳化矽、或其組合。
- 如請求項1所述的導熱結構，其中該陶瓷材料層更包括一填充材料。
- 如請求項4所述的導熱結構，其中該填充材料為氧化鋁、氮化鋁、或碳化矽、氮化硼、或其組合。
- 如請求項4所述的導熱結構，其中該填充材料的形狀為顆粒狀、片狀、球狀、條狀、奈米管狀、或不規則狀、或其組合。
- 如請求項1至6中任一項所述的導熱結構，更包括：一雙面膠層，設置於該導熱金屬層遠離該結構層的一側。
- 如請求項7所述的導熱結構，其中該雙面膠層為導熱雙面膠。
- 一種電子裝置，包括：一熱源；以及一如請求項1至6中任一項所述的導熱結構，該導熱結構與該熱源連接。
- 如請求項9所述的電子裝置，更包括：一散熱結構，設置於該導熱結構遠離該熱源的一側。
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