TWM461779U - 複合散熱片 - Google Patents

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Description

複合散熱片
本創作係有關一種複合散熱片，特別是指一種在XYZ三軸方向兼具有良好熱傳導特性的複合散熱片。
在科技的發展與消費市場的需求趨勢下，電子產品不斷地往高性能化、高速度化及輕薄短小的方向發展。這使得電子元件的密度相對增加，但由於電子元件於運作時會產生大量的熱能，因此如何使電子產品在有限的元件體積下能夠具備良好的散熱效率，以確保電子產品的正常運作，進而延長產品的使用壽命，『散熱』便成為現今電子產品首要克服的關鍵問題。
因為金屬片在XYZ三軸方向皆具有良好的熱傳導特性，因此目前通常是使用銅、鋁等熱傳導率高的金屬來製成散熱器，以將元件運作時所產生的熱能導出。但相較於銅和鋁，石墨具有重量輕且XY異向性熱傳導係數更高等優勢，因此近年來石墨已被視為具有解決現今電子產品散熱問題的優良導熱材料。
然而，石墨片本身較為脆弱且Z軸方向的熱傳導係數不佳，這些問題使得石墨片在散熱上的應用受到限制。因此現有的解決方式是使用一膠體層將石墨片與金屬片黏合，形成一複合散熱材料，以祈藉由金屬片來彌補石墨片在Z軸方向的熱傳導效能。但在這樣的黏合方式下，膠體層的存在會使得石墨片與金屬片之間有很大的熱阻，導致這種複合散熱材料 在熱傳導的表現上不甚理想。
有鑑於此，本創作遂針對上述習知技術之缺失，提出一種嶄新的複合散熱片，以有效克服上述之該等問題。
本創作之主要目的在提供一種XYZ導熱性佳的複合散熱片。在本創作之複合散熱片中，藉由第一層的第一嵌接結構與第二層之第二嵌接結構接合，以提高兩相異材質間的接合強度與穩定性。
本創作之另一目的在提供一種複合散熱片，當第一層採用人工石墨紙，第二層採用銅或鋁時，本創作之複合散熱片在XYZ方向的熱傳導係數均可達到400 W/m℃以上。
本創作之又一目的在提供一種重量輕且體積薄的複合散熱片。
為達上述之目的，本創作提供一種複合散熱片，其主要包含有一石墨層與一金屬層。石墨層之一表面上具有一第一嵌接結構。金屬層之一表面上具有一對應於第一嵌接結構之第二嵌接結構。石墨層與金屬層藉由第一嵌接結構與第二嵌接結構穩固接合。
本創作教示另一種複合散熱片，其包含有一金屬層；一石墨層；以及一由石墨粉所構成的石墨接合層，其位於金屬層與石墨層間，以接合金屬層與石墨層。
其中石墨接合層是由蠕蟲狀石墨粉或蠕蟲狀石墨粉與膠料所混合製成。
更者，本創作更教示上述之實施例之金屬層表面上更可形成有一金屬氧化層。
10‧‧‧人工石墨紙
12‧‧‧銅層
14‧‧‧複合散熱片
16‧‧‧層狀石墨烯
18‧‧‧嵌接結構
20‧‧‧嵌接結構
22‧‧‧人工石墨紙
24‧‧‧嵌接結構
26‧‧‧銅層
27‧‧‧嵌接結構
28‧‧‧複合散熱片
30‧‧‧石墨紙
32‧‧‧蠕蟲狀石墨粉層
34‧‧‧銅箔
35‧‧‧石墨接合層
36‧‧‧複合散熱片
40‧‧‧銅箔
42‧‧‧膠料
44‧‧‧蠕蟲狀石墨粉層
46‧‧‧人工石墨紙
48‧‧‧複合散熱片
50‧‧‧熱源
52‧‧‧散熱片
第1(a)圖為本創作之複合散熱片的第一實施例示意圖。
第1(b)圖為本創作之第1(a)圖之局部放大示意圖。
第1(c)圖為製作第1(a)圖所述之複合散熱片的一實施例步驟流程圖。
第2圖是製備上述第1(a)圖之複合散熱片的另一步驟流程圖。
第3(a)圖為本創作之複合散熱片的另一實施例示意圖。
第3(b)圖為製備第3(a)圖之複合散熱片的步驟流程圖。
第4(a)圖為本創作之複合散熱片的另一實施例示意圖。
第4(b)圖為製備第4(a)圖之複合散熱片的步驟流程圖。
第5(a)圖為本創作之複合散熱片的另一實施例示意圖。
第5(b)圖為製備第5(a)圖之複合散熱片的步驟流程圖。
第6(a)圖為使用習知之銅層/膠體/人工石墨紙複合散熱片對一熱源進行散熱實驗的熱顯像圖。
第6(b)圖為使用無複合銅層之人工石墨紙對一熱源進行散熱實驗的熱顯像圖。
第6(c)圖為使用本創作之銅層/人工石墨紙複合散熱片對一熱源進行散熱實驗的熱顯像圖。
第7圖為第6(a)圖至第6(c)圖之實驗架構示意圖。
本創作之精神所在是提供一種xYZ導熱性佳的複合散熱片，此複合散熱片是由一石墨層與一金屬層，以及一位於石墨層與金屬層間的接合結構所組合而成。此接合結構可以強化石墨層與金屬層的接合強度。
在一實施中，接合結構分別是石墨層之一表面上的第一嵌接 結構，以及金屬層表面上對應於第一嵌接結構之第二嵌接結構。
上述之第一嵌接結構可以是石墨層的自身材料特性或者是 經過表面處理加工所形成。
以下係列舉數個實施例來說明本創作，但並不因此侷限本創 作僅具有下列結構型態、材質選用或者僅能以下列方式製作，於此先陳明。
請一併參閱第1(a)圖、第1(b)圖與第1(c)圖，其係各 為本創作之複合散熱片的第一實施例示意圖、第1(a)圖之局部放大示意圖與製作第1(a)圖所述之複合散熱片的一實施例步驟流程圖。
在此實施例中，第一層是採用人工石墨紙，第二層之材質是 選用銅或鋁，以下係以銅作為說明範例。
首先，如步驟S11所述，提供一人工石墨紙10；隨後，如步驟S12所述，於人工石墨紙10上塗佈一銅膠(圖中未示)；再如步驟S13所述，對已塗佈銅膠之人工石墨紙10進行約1100℃燒結製程，以去除銅膠內的膠料；隨後，即可如步驟S14所述獲得如第1(a)圖所示之人工石墨紙10上設有一銅層12之複合散熱片14。
在此實施例中，因為人工石墨紙10是由數個層狀石墨烯16交錯疊置組成，石墨烯與石墨烯間存在有許多孔洞或間隙，此些間隙即作為嵌接結構18。而銅膠是由銅粉與膠料混合而成，因此在人工石墨紙10上塗佈銅膠時，銅粉會隨著膠料流至間隙內，當燒結製程後，銅膠會固化且銅粉間則因燒結過程晶粒成長接合，形成嵌接於間隙內的晶體結構，其係作為對應於嵌接結構的嵌接結構20，如第1(b)圖所示。
請參閱第2圖，其係製備上述第1(a)圖之複合散熱片的另一步驟流程圖。在此實施例中是用銅粉來取代銅膠。首先，如步驟S21所述， 提供一人工石墨紙；隨後，如步驟S22所述，於人工石墨紙上灑上銅粉，以形成一銅粉層；如步驟S23所述，對銅粉層以約80 kg/cm2 進行高壓燒結製程，其燒結溫度約1100℃，隨後即可獲得如第1(a)圖所示之複合散熱片。
因為人工石墨紙是由數個層狀石墨烯交錯疊置組成，因此人 工石墨紙表面上存在有許多間隙，此些間隙即作為嵌接結構。而銅粉在高壓燒結製程後會填至間隙內，並因燒結過程晶粒成長接合，形成嵌接於間隙內的嵌接結構。
此外，上述之銅粉內也可以混有石墨粉，例如蠕蟲狀石墨 粉，以增加銅粉與人工石墨紙結合上的強度。
請一併參閱第3(a)圖與第3(b)圖，其係各為本創作之複 合散熱片的另一實施例示意圖與其製作步驟流程圖。
在此實施例中，第一層是採用人工石墨紙，第二層之材質是 選用銅。製作方式，如步驟S31所述，提供一人工石墨紙22；隨後，如步驟S32所述，對人工石墨紙22進行表面處理，以在人工石墨紙22表面形成凹凸微結構，作為嵌接結構24，此表面處理的方式可以使用具凹凸紋路之模具直接加壓於人工石墨紙表面上或者是利用濕式蝕刻、雷射表面加工等方式；如步驟S33所述，在人工石墨紙22上形成一銅層26，此銅層26具有對應於嵌接結構24的嵌接結構27，即可如步驟S34所述，獲得如第3(a)圖所示之複合散熱片28。
再者，上述銅層26形成方式也可以是採電鍍製程，或採塗佈 一銅膠，隨後再進行燒結所形成。或者是採壓合方式形成一銅粉層，隨後在進行燒結。更者銅粉層內也可混有石墨粉。或是銅層26形成方式是於人工石墨紙26具有嵌接結構24之面上設置一銅箔，隨後在進行壓合燒結。藉由壓合燒結使銅箔熔融、填入嵌接結構24間的凹槽，形成與嵌接結構24相 匹配的嵌接結構27。相關製程參數如先前所述，於此不再贅述。
在下列的實施例中，接合結構是石墨接合層所扮演，且此石 墨接合層由蠕蟲狀石墨粉所製成。
請一併參閱第4(a)圖與第4(b)圖，其係各為本發明之複 合散熱片的另一實施例與其製作步驟流程圖。在此實施例中，首先如步驟S41所述，提供一石墨紙30；如步驟S42所述，於石墨紙30上灑上一蠕蟲狀石墨粉層32；隨後，如步驟S43所述，於蠕蟲狀石墨粉層32上放置一銅箔34；最後，進行一壓合燒結製程，即可獲得如第4(a)圖所示之藉由一石墨接合層35接合銅箔34與石墨紙30之複合散熱片36。
此實施例是利用蠕蟲狀石墨粉可嵌設於石墨烯與石墨烯間 的孔洞或間隙內，且銅箔在壓合燒結過程中熔融流至蠕蟲狀石墨粉間的孔隙中，並晶粒成長接合，形成嵌接於孔隙內的晶體結構。
再者，蠕蟲狀石墨粉層內可混有膠料。如下列實施例所載。
請一併參閱第5(a)圖與第5(b)圖，其係各為本創作之複 合散熱片的另一實施例與其製作步驟流程圖。在此實施例中，首先如步驟S51所述，提供一銅箔40；如步驟S52所述，於銅箔40上點狀塗佈一膠料42；隨後，如步驟S53所述，於銅箔之表面上形成一覆蓋膠料42之蠕蟲狀石墨粉層44；最後，如步驟S54所述於該蠕蟲狀石墨粉層44上設置一人工石墨紙46，並進行一壓合製程，即可獲得如第4(a)圖所示之複合散熱片48。
在本創作所提之壓合製程皆可採用熱壓合製程，如此將沒有 異質材料熱膨脹匹配的問題，不但可以提升穩定性，也可以降低兩異質材料間的介面熱阻。
此外，金屬層之非與石墨層接觸之端面上更可藉由陽極處 理，以形成一氧化層。
當本創作採用人工石墨紙與銅層(銅箔)複合時，銅層與人 工石墨紙的厚度比例可以為1：1~20：1之間，以達到較佳的散熱效果。此外，在此材料選擇下，本創作之複合散熱片在XYZ方向的熱傳導係數均可達到400 W/m℃以上，且兼具穩定性佳與輕薄之特性，可廣泛應用於市場上許多電子產品的散熱，像是手機和平板電腦等攜帶式電子產品。
請參閱第6(a)圖、第6(b)圖與第6(c)圖，其係分別以習知之銅層/膠體/人工石墨紙複合散熱片與無複合銅層之人工石墨紙以及本創作之銅層/人工石墨紙複合散熱片對一熱源進行散熱實驗的熱顯像圖。實驗的架構圖如第7圖所示，採用一4瓦且尺寸為20×20mm2 之LED晶粒作為熱源50，此熱源50設置於散熱片52的中央，且散熱片52的尺寸平面為100×100mm2 。測溫點的選擇為中間點的T1與邊緣點的T2，T1與T2間隔為50mm。
如圖所示，習知的銅層/膠體/人工石墨紙複合散熱片的中心溫度高達70.7℃，而無複合銅層之人工石墨紙的中心溫度為56.3℃，本創作之銅層/人工石墨紙複合散熱片的中心溫度為55.4℃。鑑此，可知本創作之複合散熱片的導熱效果比較好，而膠體的存在反而使人工石墨紙的導熱效果更差。
唯以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，並非用來限定本創作實施之範圍。故即凡依本創作申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本創作之申請專利範圍內。
22‧‧‧人工石墨紙
24‧‧‧嵌接結構
26‧‧‧銅層
27‧‧‧嵌接結構
28‧‧‧複合散熱片

Claims (10)

  1. 一種複合散熱片，其包含有：一石墨層，其一表面上具有一第一嵌接結構；以及一金屬層，其一表面上具有一對應於該第一嵌接結構之第二嵌接結構，該石墨層與該金屬層藉由該第一嵌接結構與該第二嵌接結構接合。
  2. 如請求項1所述之複合散熱片，其中該石墨層是人工石墨紙，該金屬層是銅或鋁或是一以銅或鋁為基底且添加有石墨粉的混合層。
  3. 如請求項2所述之複合散熱片，其中該第一嵌接結構是該人工石墨紙的層狀石墨烯間隙，該第二嵌接結構是該金屬層之材料經燒結後之晶體結構。
  4. 如請求項2所述之複合散熱片，其中該第一嵌接結構是該石墨層經表面處理後之凹凸結構。
  5. 如請求項1所述之複合散熱片，其中該石墨層是人工石墨紙，該金屬層是銅，該金屬層與該人工石墨紙的厚度比例為1：1~20：1。
  6. 如請求項1所述之複合散熱片，其中該金屬層之非與該石墨層接合的面上形成有一經陽極處理所形成的氧化層。
  7. 一種複合散熱片，其包含有：一金屬層；一石墨層；以及一石墨接合層，其位於該金屬層與該石墨層間，以接合該金屬層與該石墨層，該石墨接合層是由蠕蟲狀石墨粉或蠕蟲狀石墨粉與膠料所混合成。
  8. 如請求項7所述之複合散熱片，其中該石墨層是人工石墨紙，該金屬層是銅或鋁。
  9. 如請求項8所述之複合散熱片，其中該金屬層是銅時，該金屬層與該人工石墨紙的厚度比例為1：1~20：1。
  10. 如請求項7所述之複合散熱片，其中該金屬層之非與該石墨層接合的面上形成有一氧化層。
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