CN106972096A - 一种散热构造体及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种散热构造体及应用。将石墨‑金属复合材料制成的平板固定于金属散热片上得到本发明的散热构造体，使得该散热构造体保持石墨‑金属复合材料的优良特性，同时，金属散热片的存在也弥补了石墨‑金属复合材料机械强度低的缺陷，从而得到一种较为廉价的散热性能优异、机械强度足够的散热构造体。该散热构造体可以有效地降低包括LED在内的半导体器件温度，可以有效地延长各种电子设备的寿命，在工业范围内具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备技术领域，更具体的说，涉及一种具有优异散热性能的散热构造体及应用。
背景技术
含有石墨材料的石墨-金属复合体，是金属矩阵石墨粒子或者石墨纤维作为材料分散的金属基复合材料、挤压成型体、冷锻等方压力成型体、模具等，经单向压力成型并经烧结而成的石墨成形体，作为金属分散的石墨基金属复合材料，而为人所知。
另一方面，含有石墨的复合材料，其热扩散率为1.5-3cm2/sec，与通常广为利用的铝、氮化铝等导热体的热扩散率0.7-1.0cm2/sec相比要大得多，因此，其卓越的散热性能广为人知。
其他方面，含有石墨的复合材料，例如，使用铝的挤压材料石墨的复合材料的弯曲强度为30-40Mpa，弹性模量为12Gpa，只有铝、镁、钛、铜、铁等常用金属的机械强度的1/10。而且，铝挤出材料等的散热片，由于其可大量生产，因此较为便宜。而石墨-金属复合材料，与其相比，虽然散热性能更优但是价格相对较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于，在保持石墨-金属复合材料的优良特性的同时，弥补其较弱的机械特性，从而提供较为廉价的散热性能优异的散热构造体。
本发明所要解决的技术问题之二在于，解决LED模块及包括IGBT在内的高负荷半导体集成电路板，由于高温导致的寿命缩短及故障问题。
本发明解决上述问题的技术方案为：提供一种散热构造体，包括贴合的石墨-金属复合材料层和金属散热片，所述石墨-金属复合材料层由石墨-金属复合材料压制成平板状并切割制得。
在本发明提供的散热构造体中，将铝、铜或者铝/铜合金融化后以高压浸渍由人造石墨和/或天然石墨粉制成的空隙率为5-40％石墨材料的空隙内，得到所述石墨-金属复合材料。
在本发明提供的散热构造体中，使用空隙率为5-25％石墨材料得到所述石墨-金属复合材料。
在本发明提供的散热构造体中，所述石墨-金属复合材料层和所述金属散热片使用紧固件固定或者电镀结合固定；所述金属散热片使用铝、铜或者铝/铜合金制成。
在本发明提供的散热构造体中，所述石墨-金属复合材料层和所述金属散热片之间涂覆有导热油脂。
本发明还提供一种LED模块，将LED素子设置在铜箔或铝箔线路板的电气绝缘层上，并嵌入石墨-金属复合材料制成的平板上，制成LED模块。
在本发明提供的LED模块中，将铝、铜或者铝/铜合金融化后以高压浸渍由人造石墨和/或天然石墨粉制成的空隙率为5-40％石墨材料的空隙内，得到石墨-金属复合材料。
本发明还提供一种LED灯，将所述LED模块固定在金属散热片上，制成LED灯。
在本发明提供的LED灯中，所述LED模块的石墨-金属复合材料制成的平板与所述金属散热片贴合。
在本发明提供的LED灯中，所述石墨-金属复合材料制成的平板与所述金属散热片使用紧固件固定或者电镀结合固定；所述金属散热片使用铝、铜或者铝/铜合金制成。
实施本发明，具有如下有益效果：将石墨-金属复合材料制成的平板固定于金属散热片上得到本发明的散热构造体，使得该散热构造体保持石墨-金属复合材料的优良特性，同时，金属散热片的存在也弥补了石墨-金属复合材料机械强度低的缺陷，从而得到一种较为廉价的散热性能优异、机械强度足够的散热构造体。该散热构造体可以有效地降低包括LED在内的半导体器件温度，可以有效地延长各种电子设备的寿命，在工业范围内具有广泛的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明散热构造体一种较佳应用方式的侧视图；
图2为本发明散热构造体一种较佳应用方式的主视图；
图3为本发明LED模块较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行具体描述。
石墨-金属复合材料具有卓越的散热性能，但是由于其高昂的价格和较弱的机械特性，限制了此种优质材料在电气设备中的广泛使用受到。
本发明的主要创新点在于，将石墨-金属复合材料制成的平板固定于金属散热片上得到本发明的散热构造体，使得该散热构造体保持石墨-金属复合材料的优良特性，同时，金属散热片的存在也弥补了石墨-金属复合材料机械强度低的缺陷，从而得到一种较为廉价的散热性能优异、机械强度足够的构造体。
图1为本发明散热构造体一种较佳应用方式的侧视图，如图1所示，该散热构造体包括贴合的石墨-金属复合材料层102和金属散热片103，石墨-金属复合材料层102由石墨-金属复合材料压制成平板状并切割制得。发热体101安装设置于石墨-金属复合材料层102表面。
石墨-金属复合材料的制造，可以由熔融锻造法加压含浸方法加工得到。例如，将铝、铜或者铝/铜合金融化后以高压浸渍由人造石墨和/或天然石墨粉制成的空隙率为5-40％石墨材料的空隙内，得到石墨-金属复合材料。此时所利用的石墨粉，可以是天然石墨和/或人造石墨，一般市场上销售的石墨也可使用。本发明优选天然石墨制备石墨-金属复合材料，例如，使用焦炭等后序工艺所形成的石墨化的各种粉末，用焦油、沥青或有机树脂等粘结剂，采用挤压成型、冷锻等方压力成型、磨具成型等工序制造出成形体。此后，根据需要，可以反复浸渍沥青，最后加热到2500℃以上处理，就可以接近100％的石墨组织。
本发明所使用的石墨材料，空隙率为5-40％，其95％以上浸渍了金属材料。如果空隙率达到40％以上，在石墨-金属复合材料的热膨胀率增加的同时，热扩散率也会降低。因此，比较理想的空隙率为5-25％。
由前述得到的石墨-金属复合材料，由于加工性能优异，可以很容地加工成板状，特别可以加工成厚度数毫米以下的板材，作为具有优良散热性的基板，用于附着LED及包括IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)在内的高负荷半导体等集成电路，快速导出这些发热部件产生的热量。
制备石墨-金属复合材料所采用的金属中，使用铝及铝合金的场合，为JIS(日本合金标准)伸展材料，例如JIS铸造用合金、JIS压铸用合金等。使用铜及铜合金的场合，可采用JIS伸铜系合金。
图2为本发明散热构造体一种较佳应用方式的主视图，如图2所示，由上述得到的散热构造体，在与发热体相接的位置，采用热扩散性优异的石墨-金属复合材料，与散热表面积大的铝、铜或者铝/铜合金材料制成的金属散热片103组合得到散热性优良的散热构造体。
石墨-金属复合材料层102和金属散热片103使用紧固件固定，例如使用螺丝固定；也可以采用对其接触面进行电镀，即电镀结合固定，例如焊锡结合固定的方法。石墨-金属复合材料层102和金属散热片103固定好之后，石墨-金属复合材料层102和金属散热片103之间涂覆有导热油脂，例如机硅润滑脂有利于导热。
金属散热片103使用铝、铜或者铝/铜合金制成。可以由挤压成型、磨具铸造、压铸等方法制成，尤其是与压延板材组合制作而成。金属散热片103的散热面与大气接触，或者与散热风扇组合使用。
本实施例中，发热体101(包括LED模块、IGBT或其它的集成线路板)产生的热量，经石墨-金属复合材料，得以高效扩散，并经具有大的表面积的强度高的散热片风扇放热，构成经济且性能优异的构造。
图3为本发明LED模块较佳实施例的结构示意图，如图3所示，将LED素子201设置在铜箔或铝箔线路板的电气绝缘层204上，并嵌入石墨-金属复合材料制成的平板202上，制成LED模块。由于该LED模块采用COB(CHIP ON BOARD，板上芯片封装)方式，优点突出。这种LED模块由于温度降低，照度大大增加，寿命大幅度延长，使得较为经济地生产LED等成为可能。配线模式可以采用铜箔及铝箔。同时，绝缘层可以采用耐热性良好的酰胺、芳纶、酰亚胺等有机薄膜或者使用陶瓷薄板。
当然，也可以直接将LED素子201设置在铜箔或铝箔线路板的电气绝缘层204上并嵌入前述实施例中的散热构造体，或者将上述实施例中的LED模块固定在金属散热片203上，制成LED灯。在本实施例的LED灯中，石墨-金属复合材料制成的平板202与金属散热片203贴合，由于采用金属散热片203，弥补了石墨-金属复合材料的机械强度不足的弱点，使性能与强度并存。而且，与全部由石墨-金属复合材料相比，价格较为低廉。特别是COB的场合，省去了LED素子201中热抵抗较大的蓝宝石材料，散热及经济性不言而喻。
实施例1
将尺寸为150mm×200mm×250mm的石墨块(东海碳素制)，保持在700℃氩气氛围中，另一方面，将JISAC3A铝合金，在700℃进行溶解后,注入溶解锻造模具内，加压到65Mpa铸造成型，得到石墨-金属复合材料。
将石墨-金属复合材料，从上述铸造件中取出，测定其热扩散率为2.5cm2/sec。进一步，将2cm厚的板切割成60cm见方的板状，在其上贴上60μm厚的芳纶树脂，并在之上以铜箔形成配线模式后，按照COB方式，配置40个LED素子(201)(SEOUL CERACON社SV1400)，完成模块。在其上，将铝制散热片的受热部分Φ90mm，与长50mm、宽15mm的20个风扇，组成的筐体，用螺丝固定，成为40W的LED灯。将此灯用电压115V、电流350mA进行通电。
上述LED灯点灯24小时后，照度及各部位的温度测定结果，如表1所示。
比较例1
在实施例1中，用铝板代替石墨-金属复合材料，同样制成LED灯通电，由于1个小时后灯熄灭，故测定通电后30分钟的照度及温度结果，如表1所示。
比较例2
在实施例1中，代替COB，用普遍使用的LED素子下采用蓝宝石模块，制成同样的LED灯进行通电，24小时后测定的照度及各部位温度结果，如表1所示。
表1照度及温度测定结果
实施例2
在实施例1中，在石墨-金属复合材料切成80mm×40mm、厚度为3mm的板上，将发热量为110W的IGBT用螺丝固定。在受热部位80mm×40mm上，将由高度为30mm，的30枚风扇铝制的散热片，与石墨-金属复合材料用螺丝固定后通电，测定复合材料的温度为45℃，散热片风扇的温度为36℃。
比较例3
在实施例2中，以C1100代替同样大小的石墨-金属复合材料通电，C1100的温度为78℃，散热片的温度为56℃。
本发明石墨-金属复合材料与金属散热片组成的散热构造体，可以有效地降低包括LED在内的半导体器件温度，可以有效地延长各种电子设备的寿命，在工业范围内具有广泛的应用前景。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种散热构造体，其特征在于，包括贴合的石墨-金属复合材料层(102)和金属散热片(103)，所述石墨-金属复合材料层(102)由石墨-金属复合材料压制成平板状并切割制得。
2.根据权利要求1所述的散热构造体，其特征在于，将铝、铜或者铝/铜合金融化后以高压浸渍由人造石墨和/或天然石墨粉制成的空隙率为5-40％石墨材料的空隙内，得到所述石墨-金属复合材料。
3.根据权利要求2所述的散热构造体，其特征在于，使用空隙率为5-25％石墨材料得到所述石墨-金属复合材料。
4.根据权利要求1所述的散热构造体，其特征在于，所述石墨-金属复合材料层(102)和所述金属散热片(103)使用紧固件固定或者电镀结合固定；所述金属散热片(103)使用铝、铜或者铝/铜合金制成。
5.根据权利要求1所述的散热构造体，其特征在于，所述石墨-金属复合材料层(102)和所述金属散热片(103)之间涂覆有导热油脂。
6.一种LED模块，其特征在于，将LED素子(201)设置在铜箔或铝箔线路板的电气绝缘层(204)上，并嵌入石墨-金属复合材料制成的平板(202)上，制成LED模块。
7.根据权利要求6所述的LED模块，其特征在于，将铝、铜或者铝/铜合金融化后以高压浸渍由人造石墨和/或天然石墨粉制成的空隙率为5-40％石墨材料的空隙内，得到石墨-金属复合材料。
8.一种LED灯，其特征在于，将权利要求5或6中的所述LED模块固定在金属散热片(203)上，制成LED灯。
9.根据权利要求8所述的LED灯，其特征在于，所述LED模块的石墨-金属复合材料制成的平板(202)与所述金属散热片(203)贴合。
10.根据权利要求8所述的LED灯，其特征在于，所述石墨-金属复合材料制成的平板(202)与所述金属散热片(203)使用紧固件固定或者电镀结合固定；所述金属散热片(203)使用铝、铜或者铝/铜合金制成。
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