TWM549152U - 輕量化立體複合均溫結構 - Google Patents

Description

輕量化立體複合均溫結構

本創作係有關一種立體複合均溫材結構，尤指一種輕量化的立體複合均溫散熱器。

按，隨著電子類產品的不斷升級汰換，高集成以及高性能電子設備的日益增長，在我們的日常生活中所使用，以行動電話、筆記型電腦或為代表的各種3C電子產品，因工作組件體積尺寸越來越小，工作的速度和效率越來越高，單位體積發熱量越來越大。

由於金屬材質可快速將熱擴散以達到散熱的功能，因此在習知技術中，3C電子產品大多係將來自電子零件的熱能，經由銅或鋁等熱傳導佳的金屬，以熱傳導方式傳遞到外部散熱。圖1A所示即為習用一種鋁或銅所製成之金屬散熱器110，其橫向底座112上設有複數縱向的散熱鰭片114。惟查，金屬材質之密度較高，其中銅的比重(Specific Gravity)約8.9，鋁的比重約2.7。若需製作成重量較輕的散熱器，則需以複雜的工藝製作成多鰭片式，導致加工成本較高。況且，製作成散熱鰭片114會增加金屬散熱器110的縱向高度(h)，此對於手機等輕薄型3C電子產品並不適用。是以，近年來亦有使用石墨片(Graphite Sheet)來代替金屬板，但其加工步驟複雜，加工成本高，故較少應用於3C產品。

圖1B所示係Advanced Energy Technology Inc.所有之美國第6,758,263號專利，其揭示一種利用石墨作為散熱材料之專利，其係在一平狀的石墨底座(base plate)134的底面設有一孔洞138，並在該孔洞138設置一金屬銅132，且該底座134上有複數個互相平行之散熱鰭片(Fins)136。惟查，該 散熱裝置構造130，雖可透過石墨替換金屬作為底座，而減輕散熱座之重量，因石墨雖具有高熱傳導性，但其有方向性(Anisotropic)，亦即雖然石墨的橫面方向(X-Y方向)的熱傳導性佳，惟其與橫面方向垂直相交的縱方向(Z方向)的熱傳導率低，以至於有時無法得到充分的散熱效果。所以，當底座134吸收金屬銅132所傳導之熱時，該底座134因僅具有平行於熱源方向有高熱傳導性，但並無高導熱之通道將熱傳導至散熱鰭片136，所以並無法將熱藉散熱鰭片136迅速向外界擴散，而導致熱會停留在底座134；況且散熱鰭片136的縱向高度(h)佔空間，亦不適用於手機等輕薄型3C電子產品。

此外，石墨片散熱片亦存在一個問題，也就是石墨係屬於層狀的構造，因此雖然各層的橫面方向的分子，係透過共有結合而緊密地結合在一起，但是，與橫面方向呈垂直相交的縱方向(Z方向)，則因為分子間是靠凡得瓦力(Van der waals’ force)的結合，因此容易產生層間剝離的問題。

是以，如何利用金屬及石墨材料的高導熱性特點，以模鑄方式一體成型輕量化且低加工成本的散熱器，為本發明之主要課題。

本創作主要目的，係提供一種輕量化的立體複合均溫散熱器，該立體複合均溫散熱器可較目前的金屬熱散片有較低的重量，均溫散熱效果較佳，可應用於伺服器，桌上機，筆記本，平版電腦，機頂盒，手機、行車記錄器、無人空拍機、網通產品或任何形式之散熱電子產品。

本創作另一目的，是在提供一種輕量化立體複合均溫散熱器，該立體複合均溫散熱器，可根據產品之立體結構開具相對應的模具，可直接利用熱介面材料(Thermal Interface Material.,TIM)與晶片串連或不用加入熱介面材料而具均溫散熱之功能。

為達上述目的，本創作係所採用之技術手段包含：一立體複合 均溫散熱器，係以加勁複合造粒體，成型為一預定尺寸的薄型片狀體或預定形狀的立體構造；該加勁複合造粒體並結合有粒徑為10nm~10mm的碳類纖維作為加勁結構，並據以疊構固化成一表面具有立體散熱構造，且比重等於或低於2.0的立體複合均溫散熱器。

依據上揭特徵，該立體複合均溫散熱器更包括設有導熱值大於90W/mK的高導熱金屬顆粒結構，與該加勁複合造粒體混合，其尺寸大小為奈米至10mm所構成。

依據上揭特徵，該立體複合均溫散熱器更包括在其表面形成一層保護膜。

依據上揭特徵，該立體複合均溫散熱器更包括設有一保護框體，該保護框體具備一上框架及一可卡制在該上框架底內緣的一環框，用以將該立體複合均溫散熱器的四周圍予以包覆。

藉助上揭技術特徵，本創作係以加勁複合造粒體壓鑄疊構成型，不僅具有足夠的強度且比重等於或低於2.0，相較於金屬熱散片中銅的比重8.9，鋁的比重2.7，有較輕的重量，可應用於任何形式之散熱電子產品上，且加勁複合材料中的石墨材或層狀無機材，平面方向(X軸-Y軸平面)的高導熱性能，可將熱源產生的熱能沿著該平面方向傳導而達到極佳的散熱及均溫效果，而加入高導熱金屬顆粒與加勁複合造粒體混合，更提升了厚度方向(Z軸方向)的導熱，再者，壓鑄疊構成型的立體複合均溫散熱器，具有模組化並能快速生產之功效增進。

10、10A‧‧‧立體複合均溫散熱器

101‧‧‧底面

102‧‧‧表面

103‧‧‧保護膜

11‧‧‧無機填料粉末

12‧‧‧高分子膠料

13‧‧‧碳類纖維

14‧‧‧加勁複合造粒體

15‧‧‧高導熱金屬顆粒

16‧‧‧保護框體

161‧‧‧上框架

162‧‧‧環框

20‧‧‧加粉設備

30‧‧‧壓鑄模具

40‧‧‧上模具

41‧‧‧上模座

411‧‧‧上模穴

412‧‧‧入料通道

42‧‧‧上模仁

421‧‧‧凹凸結構

50‧‧‧下模具

51‧‧‧下模座

511‧‧‧下模穴

52‧‧‧下模仁

53‧‧‧頂桿

(H)‧‧‧熱源

1、2、3、4‧‧‧感測點

圖1A係習用金屬散熱器之結構示意圖。

圖1B係習用美國第6,758,263號專利之散熱器示意圖。

圖2係本創作立體複合均溫散熱器的外觀立體圖。

圖3係創作立體複合均溫散熱器的剖視圖。

圖3A係圖3中3A所指的放大剖視圖。

圖4係本創作結合外框的分解立體圖。

圖5係本創作結合外框的組合立體圖。

圖6係本創作結合外框的剖視圖。

圖7A至圖7F係本創作立體複合均溫結構的壓鑄示意圖。

圖8係本創作另一種立體複合均溫結構的壓鑄示意圖。

圖9係顯示本創作立體複合均溫散熱器實際測試例的感測點位置。

首先，請參閱圖2至圖8所示，本創作一的較佳實施例包括：一立體複合均溫散熱器10，係以加勁複合造粒體14，成型為一預定尺寸的薄型片狀體或預定形狀的立體構造；該加勁複合造粒體14並結合有長度為10nm~10um的碳類纖維13作為加勁結構，並據以疊構固化成一表面具有立體散熱構造，且比重低於2.0的立體複合均溫散熱器10。

本實施例中，該立體複合均溫散熱器10更包括設有導熱值大於90W/mK的高導熱金屬顆粒結構15，與該加勁複合造粒體14混合，其尺寸大小為奈米至10mm所構成。

本實施例中，該立體複合均溫散熱器10更包括在其表面形成一層保護膜103。

本實施例中，該立體複合均溫散熱器更包括設有一保護框體16，該保護框體16具備一上框架161及一可卡制在該上框架161底內緣的一環框162，用以將該立體複合均溫散熱器10的四周圍予以包覆；該保護框體16可為金屬 框所構成。再者亦可以金屬箔包覆住其邊框或全部，以保護其抗落摔。

本實施例中，該加勁複合造粒體14，其係以無機填料粉末11，加入高分子膠料12均勻混合，以進行造粒處理，該無機填料粉末11包括選自：石墨、石墨烯、碳類材料或高導熱無機填料，例如任何形態之石墨(如天然石墨，人工石墨．．．等)，任何形態之石墨烯(如氧化石墨烯，還原石墨烯)，奈米碳管，碳六十，竹碳，任何形態之碳黑，任何類形之碳類纖維(碳纖維，石墨纖維，石墨烯纖維．．．等)，高分子纖維(如聚酯纖維，耐龍纖維，克夫拉纖維、聚丙烯腈纖維)。高導熱無機材包含二氧化矽、氮化硼、氮化鋁、碳化矽、鑽石或雲母等所構成之層狀無機材。

雖然前述石墨及碳類材料具有高熱傳導性，為散熱的好材料，但該等材料本身的結構強度不足，為此，在該無機填料粉末11中係加入長度為10nm~10mm的碳類纖維或高分子纖維13，作為該無機填料粉末11的加勁材料，且經造粒處理後形成長度300um~3.5mm的加勁複合造粒體14。亦即加勁複合造粒體14中的碳類纖維高分子纖維13，就猶如水泥中的鋼筋一樣，具有增進結構強度的功效。

本實施例中，造粒處理方式包括以溶劑將高分子膠料12溶解再將無機填料粉末11配比加入乾燥而成，或將高分子膠料12及無機填料粉末11，經由複合加熱方式(塑膠造料)二種方式，據以獲得所要的加勁複合造粒體14。該無機填料粉末11與該高分子膠料12之重量百分比為80~95%：5~20%。一較佳實施例之重量百分比為85%：15%。

前述該高分子膠料包含熱塑形或熱固形兩種如瀝青(Asphalt)、聚乙烯醇樹脂(PolyVinylAlcohol.,PVA)、聚醋酸乙烯醇樹脂(PolyVinylAcetate.,PVAc)、聚醯亞胺樹脂(Polyimide resin.,PI)、聚氨酯(PolyUrethane.，PU)、聚乙二醇(Poly Ethylene Glycol.，PEG)、聚乙烯 (PolyEthylene.，PE)、聚氯乙烯(PolyVinylChloride.,PVC)、酚醛樹脂(Phenolic Resin)、環氧樹脂(Epoxy)、聚甲基丙烯酸甲酯(PolyMethylMethAcrylate.,PMMA)、或任何可溶化或熔化的高分子材料，其高分子膠料可為水溶性或溶劑型。

如圖7B所示，一加粉設備20，將前述之加勁複合造粒體14置入該加粉設備20；該加粉設備20用以將該加勁複合造粒體14送至一壓鑄模具30，該壓鑄模具30，其包括一上模具40及一下模具50，該加勁複合造粒體14被送至該壓鑄模具30內之後，以該上、下模具40、50經N次加壓該加勁複合造粒體14，其中該N1，而施加壓力時先經由初級加壓後再二次加壓，且保持等壓模式至少3秒以上，使其疊構固化為一表面具有立體構造的立體複合均溫散熱器10；本實施例中，該加粉設備20以單批式或連續式添加粉料於該壓鑄模具30內，該粉料壓鑄模具30，再以30MPa至300MPa之間的壓力，施加於上模具40，經由初級加壓或二次加壓及保持等壓模式至少3秒以上，再予以脫模成型。

經壓鑄成型的立體複合均溫散熱器10，其比重等於或低於2.0，據以形成一具有立體構造且輕量化的立體複合均溫散熱器10，如圖2所示。

圖3係本創作的剖視圖，圖3A是主要構造放大示意圖，經壓鑄疊構之立體複合均溫散熱器10，其厚度(Z軸方向)可達到0.5mm以上，該立體複合均溫散熱器10的底面101可為平面，俾便貼合在晶片等熱源上進行散熱，當然底面101亦可配合熱源形狀，設成非平面，至於表面102可設成鰭片狀或波浪狀結構，幫助立體複合均溫散熱器10在厚度方向(Z軸方向)之散熱。值得注意的是，該加勁複合造粒體14之間的結合，並非傳統石墨片係以凡得瓦力(van der waals’ force)予以結合，而是以壓鑄該加勁複合造粒體14所製備成型，又因該加勁複合造粒體14中混合有碳類纖維13，所以材料結合強度 佳，沒有傳統石墨片易產生層間剝離的問題。簡言之，本創作克服了以傳統石墨片易產生層間剝離的缺失，但是保有石墨及碳類材料面方向(X-Y軸平面)高導熱特性的優點，加上係使用壓鑄成型，所以Z軸方向可通過開設模具，即可成型為鰭片狀或波浪狀，而傳統石墨片無法成型為鰭片狀或波浪狀，而金屬散熱器雖可設有鰭片，但加工繁瑣，且佔空間。此外，立體複合均溫散熱器10因含有石墨及碳類材料，因此表面呈現粉狀，雖然不影響其均溫散熱功能，但為避免出現掉粉，本實施例中，壓鑄成型的該立體複合均溫散熱器10，更可包括以浸塗(Dipping)，包射(Mold)或噴塗(Spray)方式將該高分子膠料均勻分散在其表面，形成一層保護膜103。藉此可避免出現掉粉、斷裂，影響外觀和使用現象發生，提高立體複合均溫散熱器10的穩定性及可靠性。

本實施例中，該立體複合均溫散熱器10包括為一預定尺寸的薄型片狀體，或是依預定電子散熱產品形狀所成型的立體構造。值得一提的是，該立體複合均溫散熱器10雖然不是金屬製成，但是已順利通過120cm以上的落摔試驗，確實具有可供產業利用性。

進一步，如圖4、5所示，該薄型片狀體的周圍更包括設有一保護框體16，該保護框體16具備一上框架161及一可卡制在該上框架161底內緣的一環框162，用以將該立體複合均溫散熱器10的四周圍予以包覆。如此一來，該立體複合均溫散熱器10其整體結構更加結實穩固。

如圖3A所示，在一較佳實施例中，本創作更包括一高導熱金屬顆粒15，其係以導熱值大於90W/MK的高導熱金屬粉末，篩選尺寸大小範圍為奈米(nm)至1mm所構成，將該高導熱金屬顆粒15與該加勁複合造粒體14混合置入該加粉設備20。本實施例中，該高導熱金屬顆粒15包括選自金，銀，銅，鐵，鋁，鈦，或以上二者或二者以之顆粒合金。該高導熱金 屬顆粒15與該加勁複合造粒體14之重量百分比為10%~25%：75~90%，藉助高導熱金屬顆粒15提升了該立體複合均溫散熱器10於厚度方向(Z軸高度)的導熱，二者相輔相成，達到快速擴散、均勻散熱的目的。

所述之壓鑄模具30，包括以直立式壓鑄或迴轉式壓鑄來實現，以下實施例將以直立式壓鑄方式來說明，其一可行實施例及成型過程係如圖8A至8F所示，該上模具40係對應壓合在該下模具50的上方，該下模具50包括一下模座51、一安裝在該下模座51內的下模仁52，及一可在該下模仁52內位移的頂桿53，且該下模座51具有一下模穴511；該上模40包括一上模座41，及一可在該上模座41內位移的上模仁42；該上模座41具有一由其底面中央往上延伸且對應於前述下模穴511之上模穴411，以及二對稱連通於該上模穴411中間高度處並往斜上延伸貫穿之入料通道412，其中該上模仁42係可上下位移容置在該上模穴411內，且其底面係依該立體複合均溫散熱器10表面預定的立體形狀設有凹凸結構421。

圖7A係顯示該上、下模具40、50打開之狀態。圖7B顯示將上模座41壓合在下模座51頂面，並利用該加粉設備20來填入該加勁複合造粒體14，本實施例中，係顯示該加勁複合造粒體14由上模座41之入料通道412填入，但不限於此，例如在迴轉式壓鑄過程中，該加勁複合造粒體14可直接填入下模穴511內，而無須經由上模座41之入料通道412填入，在此併與說明。圖7C顯示該上模仁42下移，藉由上、下模仁42、52相互壓合，使下模穴511內的加勁複合造粒體14被壓實，如前所述，該上模座41保持等壓模式至少10秒以上。圖7D顯示該上模座41升起，入料通道412再一次填入加勁複合造粒體14。圖7E顯示上模座41及上模仁42再一次下移，使後來填入的加勁複合造粒體14疊構在先前的加勁複合造粒體14上方，該加勁複合造粒體14經N次加壓疊構至所預定的厚度，使其成為一表面具有立體構造的立體 複合均溫散熱器10；其中該N1，亦即如果立體複合均溫散熱器10的厚度(Z軸方向)在4.0mm以下，可加壓疊構1次或1次以上即可。最後圖8F顯示該上模座41升起，下模仁52的頂桿53將立體複合均溫散熱器10頂升出下模穴511，完成脫模程序。

由於該加勁複合造粒體14的物理性質與金屬不同，其本身係具有彈性，因此該上模仁42施加壓力時，可先經由初級加壓數秒後再二次加壓，且須保持等壓模式至少3秒以上，再予以脫模成型。否則上模仁42一上移後，該加勁複合造粒體14會膨脹，並無法使該加勁複合造粒體14壓實成為固態的立體複合均溫散熱器10，因此保持一段時間的等壓模式，就本發明而言為必要的技術手段。

請參閱圖8所示，本創作係可根據散熱產品的形體結構來開具相對應的模具，即將該上模仁42之凹凸結構421根據產品體結構的形狀所設成，進而壓鑄成型一預定形狀的立體複合均溫散熱器10A，容不贅述。

基於上揭技術手段，本創作立體複合均溫散熱器10或10A等，均可較目前的金屬熱散片有較低的重量及體積，均溫散熱效果較佳，可應用於伺服器，桌上機，筆記本，平版電腦，機頂盒，手機或任何形式之散熱電子產品。

《實際測試例》

下表係創作本之散熱特性實際測試例，其測試方法係選用一片沒有添加高導熱金屬顆粒15的立體複合均溫散熱器10，及一片有添加高導熱金屬顆粒15的立體複合均溫散熱器10，其長寬尺寸為長(58mm)x寬(29mm)x厚(2.4mm)作為基材，與傳統鋁製及銅製波浪散熱塊作比較，其尺寸相同，圖9係顯示本創作立體複合均溫散熱器10的感測點位置；其中感測點1位於熱源(H)上，感測點2位於立體複合均溫散熱器10表面相對於感測點1之上方，而 感測點3、4分別距離感測點2為14.5mm及29mm，傳統鋁製及銅製波浪散熱塊的感測點亦相同，測試數據如下：

由上表之測試數據顯示，本創作的立體複合均溫散熱器10，相較於傳統鋁製波浪散熱塊，其熱源溫度(感測點1)及表面溫度(感測點2)分別降低16.1℃(由64.4℃降至48.5℃)及8.9℃(由40.4℃降至31.5℃)，而添加金屬顆粒之立體複合均溫散熱器其對於熱源有加分之降溫效果(由64.4℃降至48.1℃)，但其表面溫度稍高，代表其熱有效帶出；至於，感測點3及4，也呈現對應的降溫趨勢。

是以，本創作的立體複合均溫散熱器10，係以加勁複合造粒體14壓鑄疊構成型，不僅具有足夠的強度且比重等於或低於2.0，相較於金屬熱散塊中，銅的比重8.9，鋁的比重2.7，本創作的立體複合均溫散熱器10有較輕的重量，可應用於任何形式之散熱電子產品上，且加勁複合造粒體14中的石墨材或層狀無機材，具有平面方向(X-Y軸平面)的高導熱性能，可將電子產品熱源產生的熱能沿著該平面方向(X-Y軸平面)傳導而達到極佳的均溫效果。進一步，加入高導熱金屬顆粒15與加勁複合造粒體14混合，提升了該立體複合均溫散熱器10於厚度方向(Z軸高度)的導熱，二者相輔相成，達到快速擴散、均勻散熱的目的，在保證快速散熱的基礎上，改進電子類產品的性能；再者，壓鑄疊構成型的立體複合均溫散熱器10，具有模組化並能快速生產之功效增進。

綜上所述，本創作所揭示之技術手段，確具「新穎性」、 「進步性」及「可供產業利用」等創作專利要件，祈請 鈞局惠賜專利，以勵發明，無任德感。

惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本創作之較佳實施例，大凡熟悉此項技藝人士，依本案精神範疇所作之修飾或等效變化，仍應包括在本案申請專利範圍內。

10‧‧‧立體複合均溫散熱器

101‧‧‧底面

102‧‧‧表面

103‧‧‧保護膜

Claims (4)

1. 一種輕量化立體複合均溫結構，包含：一立體複合均溫散熱器，係以加勁複合造粒體，成型為一薄型片狀體或立體構造；以及該加勁複合造粒體並結合有長度為10nm~10mm的碳類纖維或高分子纖維作為加勁結構，並據以疊構固化成一表面具有立體散熱構造，且比重等於或低於2.0的立體複合均溫散熱器。
2. 如請求項1所述之輕量化立體複合均溫結構，其中，該立體複合均溫散熱器更包括設有導熱值大於90W/MK的高導熱金屬顆粒結構，與該加勁複合造粒體混合，其尺寸大小為奈米(nm)至1mm所構成。
3. 如請求項1所述之輕量化立體複合均溫結構，其中，該立體複合均溫散熱器更包括在其表面形成一層保護膜。
4. 如請求項3所述之輕量化立體複合均溫結構，其中，該立體複合均溫散熱器更包括設有一保護框體，該保護框體具備一上框架及一可卡制在該上框架底內緣的一環框，用以將該立體複合均溫散熱器的四周圍予以包覆。