TW201844075A

TW201844075A - 散熱片

Info

Publication number: TW201844075A
Application number: TW106114741A
Authority: TW
Inventors: 黃贛麟
Original assignee: 志寶富生物科技有限公司
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2018-12-16
Also published as: CN108811433A; TWI671002B; CN207075163U

Abstract

一種散熱片，包含一個金屬層，及一個第一輻射散熱層。該金屬層包括一第一表面與一第二表面，以及數個形成於該第一表面的第一導熱結構，每一個第一導熱結構的尺寸為1~10μm。該第一輻射散熱層位於該金屬層的該第一表面上並覆蓋該等第一導熱結構，並具有數個第一突出部，每一個第一突出部具有一個朝相反於該金屬層的方向弧突的第一熱輻射面。利用該等第一導熱結構與該第一輻射散熱層的結合，能降低界面熱阻並提升熱傳導速率，而該第一輻射散熱層的該等第一突出部的結構設計，能增加熱輻射時的有效輻射面積，提升熱輻射的效率。

Description

散熱片

本發明是有關於一種散熱片，特別是指一種可貼附在發熱源上並將熱量分散的散熱片。

一般的電子元件，內部都會有一個運作時會發出熱能的發熱源，例如平板電腦的中央處理器(CPU)、智慧型手機內的手機晶片，或是發光二極體(LED)內的發光模組等，因此需要在上述發熱源的表面貼附一個散熱片來進行散熱。傳統的散熱片是採用銅、鋁等具有良好熱導性的金屬做為金屬層，並在該金屬層的其中一側塗上一層內含有熱導粒子且具有黏著力的黏著層，該散熱片即藉由該黏著層黏附在一個上述電子元件內的發熱源上，該發熱源的熱能會傳導至該散熱片表面，最後藉由熱傳導以及熱對流的方式向外排放到大氣中。然而，現今的電子元件因尺寸限縮以及密度提升的緣故，對於散熱效率的要求也逐漸提升，傳統散熱片的結構設計已無法進一步地有效提升散熱的效率，而且當周遭環境的熱對流效應不佳時(例如無空氣流動的無風環境，或是如手機殼內的狹小空間)，上述散熱片的對流散熱效果也會大打折扣。另一方面，因熱傳的方式除了藉由熱傳導或是熱對流外，還可藉由熱輻射的方式將熱傳送到外部，而銅、鋁等金屬本身的熱輻射發射率極低，故現今結合高熱輻射發射率材料的散熱片逐漸成為研究以及應用上的主流。

參閱圖1，已知一種具有高熱輻射發射率材料的散熱片1，包含有一個界定出一個垂面方向10的金屬層11、一個位於該金屬層11在該垂面方向10上的其中一側的黏著層12，以及一個覆蓋在該金屬層11在該垂面方向10的其中另一側的輻射散熱層13，該輻射散熱層13包含奈米碳材料(例如奈米碳管、奈米碳球等)以及樹脂結合後的複材。當該散熱片1藉由該黏著層12黏附在一個發熱源2上時，該發熱源2所產生的熱能會通過熱傳導的方式穿越該金屬層11而傳送到該熱輻射散熱層13內，再藉由熱輻射與對流的方式從該輻射散熱層13的表面傳送到外部，此結構設計特別能讓該散熱片1在熱傳導以及熱對流效應不佳的環境(例如無風環境或是狹小空間)下使用。

但是，已知的該散熱片1的缺點在於該輻射散熱層13內的樹脂的熱傳導性不佳，降低了該垂面方向10上的熱傳導速率，進一步影響了散熱效率。此外，因輻射的熱量與輻射有效表面積有關，而已知的該散熱片1的外表面是平坦狀的平面，可用於輻射熱量的表面積有限，無法進一步提升熱輻射的總量。

因此，本發明的目的，即在提供一種能夠克服先前技術的至少一個缺點的散熱片。

於是，本發明散熱片，包含一個金屬層，及一個第一輻射散熱層。該金屬層包括位於相反兩側的一第一表面與一第二表面，以及數個突出形成於該第一表面的第一導熱結構，每一個第一導熱結構的突出尺寸為1~10μm。該第一輻射散熱層位於該金屬層的該第一表面上並覆蓋該等第一導熱結構，並具有數個第一突出部，每一個第一突出部具有一個朝相反於該金屬層的方向弧突的第一熱輻射面。

本發明之功效在於：利用該等第一導熱結構以及該第一輻射散熱層的結合，能達到降低界面熱阻並提升熱傳導速率的功效，而該第一輻射散熱層的該等第一突出部的結構設計，能增加熱輻射時的有效輻射面積，提升熱輻射的效率。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，本發明散熱片3的一第一實施例，包含一個金屬層31、一個第一輻射散熱層32，及一個黏著層33。

該金屬層31的材料選自於銅、鋁、鋅、鈦、鐵、鈷、鎳、鋼材、馬口鐵、鎢、錫、鉬，以及由前述金屬之合金所構成之群體，且厚度範圍選在15~200μm之間，較佳地，厚度範圍選在30~70μm之間，當該金屬層31的厚度太薄時會有機械強度不足的缺點，而厚度太厚時，會造成整體的體積以及重量上升，不利於薄型化的設計，故較佳地為上述範圍。而在本第一實施例中，是選用一片厚度為35μm厚度的銅箔。

該金屬層31是一個片狀體，且界定出一個垂面方向30，並包括沿該垂面方向30間隔排列且相反的一第一表面311與一第二表面312，以及數個突出形成於該第一表面311的第一導熱結構313。

該等第一導熱結構313是均勻細緻地排列，但實施時不限於均勻排列。且每一個第一導熱結構313均呈尖錐狀，而沿該垂面方向30的突出尺寸D1為1~10μm，較佳地，每一個第一導熱結構313沿該垂面方向30的突出尺寸D1為3~5μm，而該突出尺寸D1數值限定的意義，容後說明。該等第一導熱結構313可採用微影製程、電化學沉積、或是金屬蝕刻的方式形成於該第一表面311。而在本第一實施例中，該等第一導熱結構313是利用雙氧水以及硫酸所調配的氧化溶劑蝕刻液，在常溫下(約攝氏28度)以浸塗及噴灑的方式在該金屬層31的表面蝕刻而形成。

該第一輻射散熱層32位於該金屬層31的該第一表面311上並覆蓋該等第一導熱結構313。該第一輻射散熱層32包含有1wt%~30wt%的奈米碳材料，以及70wt%~99wt%的高分子樹脂，較佳地，該第一輻射散熱層32包含有5wt%~10wt%的奈米碳材料，以及90wt%~95wt%的高分子樹脂，而上述數值限定的意義，容後說明。該奈米碳材料選自石墨(Graphite)、鑽石(Diamond)、類鑽碳(DLA)、石墨烯(Graphene)、富勒烯(Fullerene)、奈米碳管(Carbon Nanotubes)、奈米碳球(Carbon Nanocapsules)、碳纖維(VGCF)、碳煙(Carbon Black)、洋蔥碳(Nano-onion)、碳奈米捲(CarbonNnanoscroll)、碳奈米錐(Carbon Nanohorns)、棒富碳(Jumbo-fullerene)、石墨烯帶(Graphene Nanoribbon)及前述材料之混合物所構成之群體。具體而言，本實施例的奈米碳材料是選用石墨烯與奈米碳球的複合物為主體構成，該高分子樹脂的材料是選用環氧樹酯系塗料。

該第一輻射散熱層32具有數個圓弧凸起的第一突出部321，該等第一突出部321左右相鄰排列。每一個第一突出部321橫跨覆蓋住數個第一導熱結構313，並具有一個朝相反於該金屬層31的方向弧突的第一熱輻射面322。在本第一實施例中，該第一輻射散熱層32是選用微凹版印刷(Micro Gravure Coating)的方式，將含有上述的奈米碳材料以及高分子樹脂所組成的熱固性樹脂油墨利用凹版雕刻輪(Engraved Cylinder)塗佈覆蓋在該等第一導熱結構313上，而油墨會滲入該等第一導熱結構313間的縫隙內，最後經過加熱乾燥後，即可固化形成為該第一輻射散熱層32。

該第一輻射散熱層32的厚度主要是通過調整微凹版印刷中的該凹版雕刻輪上的凹槽結構的深度與網目(Mesh)來控制，而該第一輻射散熱層32的該等第一突出部321的橫向寬度D2主要是通過凹槽結構的寬度以及該網目的密度大小來控制。該第一輻射散熱層32的厚度為2~20μm，當該厚度太薄時，該第一輻射散熱層32會無法完全將該等第一導熱結構313覆蓋住，而當厚度太厚時，會影響到散熱時熱傳導的速率，因此較佳地為上述尺寸範圍。每一個第一突出部321的橫向寬度D2在本第一實施例中並沒有特定的尺寸限制。具體實施上，該第一輻射散熱層32的厚度約為5μm，而每一個第一突出部321的橫向寬度D2約為50μm。

補充說明的是，適當的奈米碳材料含量可具有良好的熱輻射效果，但是超過30wt%的奈米碳材料含量會使成形前的熱固性樹脂的流動性以及附著性下降，不容易用微凹版印刷的方式進行塗佈。此外，前述第一導熱結構313的突出尺寸D1的範圍也需和該第一輻射散熱層32相配合，當該突出尺寸D1過小時，每一個該第一導熱結構313的尖端距離輻射散熱層32的表面322太遠，對於熱流傳導效率提升幫助不大，而當該突出尺寸D1過大時，會造成後續更厚的該第一輻射散熱層32才能覆蓋該等第一導熱結構313，影響到散熱的效率。

該黏著層33位於該金屬層31的第二表面312上，並包括一個鄰近於該金屬層31且具有黏性的樹脂黏膠331，及一個可撕離地貼附在該樹脂黏膠331遠離該金屬層31之一側的離型紙332。該樹脂黏膠331的材質可選擇天然橡膠、苯乙烯丁二烯橡膠(SBR)、壓克力（聚丙烯酸酯共聚物）、矽樹酯等為主體的彈性體，並可加入例如碳化矽或是氧化鋁等具有導熱性的導熱粒子，以提高該黏著層33之導熱性。在本第一實施例中，該樹脂黏膠331的材質是選用透明可透光的矽樹酯，且該樹脂黏膠331的厚度為5μm。

參閱圖2、3，該第一實施例在使用時，先將該離型紙332自該樹脂黏膠331上剝離，並利用該樹脂黏膠331的黏性將該散熱片3黏附在一個發熱源4上，該發熱源4可為平板電腦的中央處理器(CPU)、智慧型手機的晶片，或是發光二極體(LED)的發光源等，該發熱源4所產生的熱能如箭頭A所示地利用熱傳導的方式穿過該樹脂黏膠331以及該金屬層31，而因該等第一導熱結構313的突出結構設計，能大幅增加該金屬層31與該第一輻射散熱層32的接觸熱傳導面積，而該等第一導熱結構313的錐狀設計，能讓熱能貫穿深入到該第一輻射散熱層32中，並更接近每一個該第一突出部321的該第一熱輻射面322。熱能在該第一輻射散熱層32內會利用熱傳導的方式移動到每一個該第一突出部321的該第一熱輻射面322，最後如箭頭A所示以熱輻射以及熱對流的方式向外排出。而因該等第一熱輻射面322的圓弧狀設計，能增加有效的熱輻射面積，相較於圖1中已知的該散熱片3表面平坦之輻射散熱層13，本發明的該等第一熱輻射面322約能增加整體有效熱輻射面積最高達57%。

特別要說明的是，本發明中的該第一輻射散熱層32的該等第一突出部321的散熱設計，搭配該等第一導熱結構313可產生優異功效。若僅使用前述微凹版印刷的方式在一個平坦的平面上形成該等第一突出部321，而沒有該等第一導熱結構313來加速熱流傳導透入第一輻射散熱層32，該等第一突出部321的厚度反而降低熱能在該垂面方向30傳導至該等第一熱輻射面322的速率，總體而言，雖提升了熱輻射效率，但內部的熱傳導效率卻是下降的，並非最佳的設計。同樣地，當僅有該等第一導熱結構313，卻沒有覆蓋該第一輻射散熱層32時，雖能維持良好的熱傳導性，但在無風環境中或是狹隘空間內等不利於與空氣進行熱傳導以及熱對流的條件下，散熱效果就會大打折扣。

將前述的該第一實施例裁減為6cm*6cm的正方形，並與一個相同大小的銅箔，以及一個相同大小的對照組進行散熱性測試。該對照組與該第一實施例的製法大致相同，其差異在於該對照組的銅箔沒有經過表面蝕刻處理，亦即未形成有如本發明之該等第一導熱結構313，此外，該對照組是採用線棒來均勻塗佈熱固性樹脂油墨以形成輻射散熱層，故未具有如本發明之該等第一突出部321的結構。

將三者分別貼附在1.5cm*5cm的加熱器上，在相同環境下以3.96W的功率分別進行加熱，並量測加熱器本體升溫至平衡時的溫度。測試結果如表1所示，本第一實施例相較於該對照組能多降溫2.5°C，表示該第一實施例相較於傳統的散熱片具有更佳的散熱性。表1

參閱圖4與圖5，本發明散熱片3的一第二實施例的構造大致相同於該第一實施例，其差別在於：該黏著層33是位於該第一表面311上。該第二實施例在應用上也與該第一實施例不同，該第二實施例是藉由該樹脂黏膠331黏附在鄰近該發熱源4的一個殼體5上，而該第二實施例的該第二表面312則與該發熱源4碰觸。舉例說明，若該發熱源4為手機的晶片，而該殼體5則為手機的機殼，此結構可應用在當該發熱源4不適合被該樹脂黏膠331黏附的情況。

此時，該發熱源4會如圖5箭頭A所示般將熱能傳導到該金屬層31且在該金屬層31內均勻散布，而該金屬層31內的熱能可再透過該第一輻射散熱層32利用熱輻射的方式向外傳送到該殼體5。利用上述結構，能將該發熱源4所產生的熱能散布到該金屬層31，並進一步向外排出，能避免該發熱源4有局部過熱的位置。當檢測者以熱影像儀進行安規檢查時，不會發現有明顯熱點，可以達到安規規範的設備最高溫處不得高於60°C要求。

參閱圖6，本發明散熱片3的一第三實施例的構造大致相同於該第二實施例，其差別在於：該金屬層31的該第二表面312的結構設計不同。本第三實施例的該金屬層31還包括數個突出形成於該第二表面312的第二導熱結構314，而該散熱片3還包含一個位於該金屬層31的該第二表面312上並覆蓋該等第二導熱結構314的第二輻射散熱層34。

該等第二導熱結構314的形貌以及製備方式與該第一實施例的該等第一導熱結構313相同，而在具體實施上可在蝕刻液中同時蝕刻形成該等第一導熱結構313以及該等第二導熱結構314。另外，該第二輻射散熱層34的形貌以及製備方式也與該第一實施例的該第一輻射散熱層32相同，該第二輻射散熱層34同樣具有數個第二突出部341，每一個第二突出部341具有一個朝相反於該金屬層31的方向弧突的第二熱輻射面342。

參閱圖7，本第三實施例的應用方式與圖5的該第二實施例雷同，其差別在於該散熱片3的該第二表面312並不與該發熱源4接觸。如箭頭A所示，該散熱片3而是利用該第二輻射散熱層34的熱輻射效應來吸收來自於該發熱源4的熱能，並利用該等第二導熱結構314迅速地將熱能傳導並散布到該金屬層31內，而熱能會再藉由從該等第一導熱結構313與該第一輻射散熱層32將熱排出到該殼體5。利用上述結構，該散熱片3雖不與該發熱源4直接接觸，也能達到均熱的效果。

參閱圖8，該第三實施例還有另一種使用態樣，使用者可將該散熱片3的該樹脂黏膠331黏附在該殼體5遠離該發熱源4之一側。而如箭頭A所示，當熱能從發熱源4傳送到該殼體5後，該殼體5的溫度會上升，此時該散熱片3可藉由該第一輻射散熱層32來吸收來自於該殼體5的熱能，並經過熱傳導後散布到該金屬層31內，最後利用該第二輻射散熱層34將熱能排到外部環境，能迅速地降低該殼體5的溫度。

綜上所述，本發明散熱片3利用該等第一導熱結構313以及該第一輻射散熱層32的結合，能達到降低界面熱阻並提升熱傳導速率的功效，而該第一輻射散熱層32的該等第一突出部321的結構設計，能增加熱輻射時的有效輻射面積，提升熱輻射的效率，故確實能達成本發明的目的。而該黏著層33覆蓋位置的不同，能使該散熱片3黏貼在不同位置時提供不同的功效。最後，該散熱片3的該第一表面311與該第二表面312分別突出形成有該等第一導熱結構313以及該等第二導熱結構314，且分別被該第一輻射散熱層32及該第二輻射散熱層34覆蓋，此結構設計讓該散熱片3在應用手法上更具有變化性。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

3‧‧‧散熱片

30‧‧‧垂面方向

31‧‧‧金屬層

311‧‧‧第一表面

312‧‧‧第二表面

313‧‧‧第一導熱結構

314‧‧‧第二導熱結構

32‧‧‧第一輻射散熱層

321‧‧‧第一突出部

322‧‧‧第一熱輻射面

33‧‧‧黏著層

331‧‧‧樹脂黏膠

332‧‧‧離型紙

34‧‧‧第二輻射散熱層

341‧‧‧第二突出部

342‧‧‧第二熱輻射面

4‧‧‧發熱源

5‧‧‧殼體

A‧‧‧箭頭

D1‧‧‧突出尺寸

D2‧‧‧橫向寬度

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一局部剖視示意圖，說明已知的一散熱片貼附在一發熱源上；圖2是本發明散熱片的一第一實施例的一剖視示意圖；圖3是一局部剖視示意圖，說明該第一實施例移除了一離型紙後，並貼附在一發熱源上；圖4是本發明散熱片的一第二實施例的一剖視示意圖；圖5是一不完整的局部剖視示意圖，說明該第二實施例移除了該離型紙後，並貼附在一殼體上，並與該發熱源接觸；圖6是本發明散熱片的一第三實施例的一局部剖視示意圖；圖7是一不完整的局部剖視示意圖，說明該第三實施例移除了該離型紙後，並貼附在該殼體鄰近於該發熱源之一側；及圖8是一不完整的剖視示意圖，說明該第三實施例移除了該離型紙後，並貼附在該殼體遠離於該發熱源之一側。

Claims

一種散熱片，包含：一個金屬層，包括位於相反兩側的一第一表面與一第二表面，以及數個突出形成於該第一表面的第一導熱結構，每一個第一導熱結構的突出尺寸為1~10μm；及一個第一輻射散熱層，位於該金屬層的該第一表面上並覆蓋該等第一導熱結構，該第一輻射散熱層具有數個第一突出部，每一個第一突出部具有一個朝相反於該金屬層的方向弧突的第一熱輻射面。
如請求項1所述的散熱片，還包含一個位於該第二表面上的黏著層。
如請求項1所述的散熱片，還包含一個位於該第一表面上且覆蓋該第一輻射散熱層的黏著層。
如請求項1所述的散熱片，其中，該金屬層還包括數個突出形成於該第二表面的第二導熱結構，每一個第二導熱結構的突出尺寸為1~10μm，該散熱片還包含一個位於該金屬層的該第二表面上並覆蓋該等第二導熱結構的第二輻射散熱層，及一個位於該第一表面上且覆蓋該第一輻射散熱層的黏著層，該第二輻射散熱層具有數個第二突出部，每一個第二突出部具有一個朝相反於該金屬層的方向弧突的第二熱輻射面。
如請求項2至4中任一項所述的散熱片，其中，該黏著層包括一個鄰近於該金屬層且具有黏性的樹脂黏膠，及一個可撕離地貼附在該樹脂黏膠遠離該金屬層之一側的離型紙。
如請求項4所述的散熱片，其中，該第二輻射散熱層的厚度與該第一輻射散熱層的厚度相同。
如請求項1或6所述的散熱片，其中，該第一輻射散熱層的厚度為2~20μm。
如請求項4所述的散熱片，其中，該第二輻射散熱層的材質與該第一輻射散熱層的材質相同。
如請求項1或8所述的散熱片，其中，該第一輻射散熱層包含有1wt%~30wt%的奈米碳材料，以及70wt%~99wt%的高分子樹脂。
如請求項9所述的散熱片，其中，該奈米碳材料選自石墨、鑽石、類鑽碳、石墨烯、富勒烯、奈米碳管、奈米碳球、碳纖維、碳煙、洋蔥碳、碳奈米捲、碳奈米錐、棒富碳、石墨烯帶及前述材料之混合物所構成之群體。