散热浆料及散热结构的制造方法与流程

文档序号:11171378
散热浆料及散热结构的制造方法与流程
本发明涉及散热材料及散热元件的制造方法,且特别涉及一种使用均质破碎工艺的散热浆料及散热结构的制造方法。
背景技术
:在对于散热材料的研究中,以石墨烯等碳材作为散热材料为目前研究的趋势。目前制备石墨烯(graphene)的方法以化学气相沉积法(chemicalvapordeposition,CVD)及化学法(chemicalexfoliation)为主。然而,以化学气相沉积法制备石墨烯的成本昂贵且无法大量生产;而化学法则是在通过强酸及强氧化剂对石墨进行氧化、插层而获得氧化石墨后,再以高温、超声等方式将氧化石墨脱层才能获得石墨烯,不仅工艺上易造成环境污染,且所获得的石墨烯的缺陷较多,此缺陷会影响石墨烯的导热性。因此,目前业界亟欲开发一种对环境友善且易于量产的工艺来制备具有良好导热性的碳材。技术实现要素:本发明提供一种对环境友善且易于量产的散热浆料的制造方法。本发明提供一种具良好导热性的散热结构的制造方法。本发明提供一种散热浆料的制造方法,其包括以下步骤。对碳原料进行均质破碎工艺,以形成碳材。混合碳材与黏着剂(binder)。依照本发明的一实施例所述,在散热浆料的制造方法中,碳原料例如是天然石墨(naturalgraphite)、人工石墨(artificialgraphite)、沥青(pitch)、活性碳(activatedcarbon)、单壁碳纳米管(single-wallcarbonnanotubes)、多壁碳纳米管(multi-wallcarbonnanotubes)或其组合。依照本发明的一实施例所述,在散热浆料的制造方法中,在对碳原料进行均质破碎工艺之前,还包括将碳原料混合于溶剂中。依照本发明的一实施例所述,在散热浆料的制造方法中,溶剂例如是水(water)、乙醇(ethanol)、N-甲基-2-吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone,NMP)、异丙醇(isopropanol)或其组合。依照本发明的一实施例所述,在散热浆料的制造方法中,均质破碎工艺的压力例如是大于0bar且小于3000bar。依照本发明的一实施例所述,在散热浆料的制造方法中,均质破碎工艺的温度例如是大于4℃且小于50℃。依照本发明的一实施例所述,在散热浆料的制造方法中,均质破碎工艺的次数例如是大于1次且小于100次。依照本发明的一实施例所述,在散热浆料的制造方法中,碳材例如是单层石墨烯、寡层石墨烯、多层石墨烯或其组合。本发明另提供一种散热结构的制造方法,其包括以下步骤。对碳原料进行均质破碎工艺,以形成碳材。混合碳材与黏着剂,以形成散热浆料。于衬底上涂布散热浆料,以于衬底上形成散热膜。依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,均质破碎工艺的压力例如是大于0bar且小于3000bar。依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,均质破碎工艺的温度例如是大于4℃且小于50℃依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,均质破碎工艺的次数例如是大于1次且小于100次。依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,碳材例如是单层石墨烯、寡层石墨烯、多层石墨烯或其组合。依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,在混合碳材与黏着剂以形成散热浆料的步骤中,还包括将石墨(graphite)或导电碳黑(conductivecarbonblack)混合于散热浆料中。依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,衬底的材料例如是金属材料、高分子材料或其组合,且金属材料例如是铜、铝或其组合,高分子材料例如是聚对苯二甲酸乙二酯。依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,散热膜可形成于衬底的第一表面上以及相对于第一表面的第二表面上。依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,散热膜的厚度例如是至10μm至100μm。依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,衬底的厚度例如是10μm至50μm。依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,在衬底上形成散热膜后,还包括对散热膜进行辗压工艺。依照本发明的一实施例所述,在散热结构的制造方法中,在对散热膜进行辗压工艺之前,还包括对散热膜进行干燥工艺。基于上述,本发明所提出的散热浆料及散热结构的制造方法是透过对碳原料进行均质破碎工艺,以形成具有低缺陷的高质量碳材,而使得所获得的碳材具有良好的导热性以及优异的机械特性。此外,均质破碎工艺具备工艺简单、可连续式生产以及绿色环保的特性。如此一来,本发明所提出的散热浆料及散热结构的制造方法可透过对环境友善(environmentalfriendly)且易于量产的方式来制备具良好导热性的散热浆料及散热结构。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合所附图式作详细说明如下。附图说明包含附图以便进一步理解本发明,且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例,并与描述一起用于解释本发明的原理。图1为本发明一实施例的散热浆料及散热结构的制造方法的流程图。图2A、图2B及图2C为本发明对不同实施例的碳原料进行均质破碎工艺前于扫描式电子显微镜(SEM)的影像。图2D、图2E及图2F为本发明对不同实施例的碳原料进行均质破碎工艺后于扫描式电子显微镜(SEM)的影像。图3A、图3B及图3C为本发明一实施例以不同次数进行均质破碎工艺后所获得的碳材于扫描式电子显微镜(SEM)的影像,其中影像的放大倍率为1000倍。图3D、图3E及图3F为本发明一实施例以不同次数进行均质破碎工艺后所获得的碳材于扫描式电子显微镜(SEM)的影像,其中影像的放大倍率为10000倍。图4为本发明一实施例的碳材于原子力显微镜(AFM)的影像。图5A为图4沿I-I’线的厚度分布图。图5B为图4沿II-II’线的厚度分布图。图5C为图4沿III-III’线的厚度分布图。图6A至图6D为本发明一实施例的碳材于穿透式电子显微镜(TEM)的影像。图7A至图7F为以热成像仪对衬底、实施例1、比较例1及比较例2进行导热测试的比较图。附图标记说明:S100、S102、S104、S106、S108:步骤;Sp1、Sp2、Sp3、Sp4、Sp5、Sp6:位置;S1、S2:热源。具体实施方式图1为本发明一实施例的散热浆料及散热结构的制造方法的流程图。请参照图1,进行步骤S100,对碳原料进行均质破碎工艺,以形成碳材。碳原料例如是天然石墨(naturalgraphite)、人工石墨(artificialgraphite)、沥青(pitch)、活性碳(activatedcarbon)、单壁碳纳米管(single-wallcarbonnanotube)、多壁碳纳米管(multi-wallcarbonnanotube)或其组合。人工石墨例如是石墨纸,其中石墨纸例如是对聚酰亚胺(polyimide,PI)膜进行高温烧结而将其石墨化,故也可称为PI膜。在一实施例中,碳原料的型态例如是粉末状。对碳原料进行均质破碎工艺后所获得的碳材例如是单层石墨烯(graphene)、寡层石墨烯(fewlayergraphene)、多层石墨烯(multilayergraphene)或其组合。上述「寡层石墨烯」表示层数大于1层且小于10层的石墨烯。上述「多层石墨烯」表示层数大于等于10层的石墨烯。此外,在对碳原料进行均质破碎工艺之前,碳原料可以选择性地分散于溶剂中。溶剂例如是水(water)、乙醇(ethanol)、N-甲基-2-吡咯烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone,NMP)、异丙醇(isopropanol)或其组合。在一实施例中,均质破碎工艺例如是透过压力差对碳原料进行破碎。举例来说,可通过连续式细胞破碎仪(continuouscelldisrupter)对碳原料进行均质破碎工艺。碳原料在高压的环境下于连续式细胞破碎仪的出口端瞬间释放,导致碳原料层间瞬间剥离,使得碳原料中层与层之间的碳可以脱层而形成碳材。均质破碎工艺的压力例如是大于0bar且小于3000bar。均质破碎工艺的温度例如是大于4℃且小于50℃。均质破碎工艺的次数例如是大于1次且小于100次。进行步骤S102,混合碳材与黏着剂,以形成散热浆料。在一些实施例中,黏着剂例如是液态流体,可直接与碳材混合形成散热浆料。在另一些实施例中,黏着剂例如是固态粉体,在混和碳材与黏着剂的步骤中,需额外添加用于溶解此黏着剂的溶剂,举例来说,用于溶解黏着剂的溶剂可以是聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素(CMC)或其组合。在一实施例中,在混合碳材与黏着剂以形成散热浆料的步骤中,可选择性地将石墨(graphite)或导电碳黑(conductivecarbonblack)混合于上述散热浆料中。黏着剂例如是聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素(CMC)或其组合。进行步骤S104,于衬底上涂布散热浆料,以于衬底上形成散热膜。由衬底与散热膜可形成散热结构。衬底可采用板材或片材,藉此可使得散热结构成为散热片或散热板,但本发明并不以此为限。所属
技术领域
具有通常知识者可依照产品设计需求来调整散热结构的型态。衬底的材料例如是金属材料、高分子材料或其组合,且金属材料例如是铜(copper)、铝(aluminum)或其组合,高分子材料例如是聚对苯二甲酸乙二酯。衬底的厚度例如是10μm至50μm。散热膜的厚度例如是10μm至100μm。此外,为了提升散热效果,散热膜可选择性地涂布于衬底的第一表面上以及相对于此第一表面的第二表面上,以增加涂布于衬底上的散热膜的面积,藉此可进一步提升散热结构的散热效果。可选择性地进行步骤S106,对散热膜进行干燥工艺,藉此可缩短散热膜的干燥时间。干燥工艺的温度例如是40℃至250℃。可选择性地进行步骤S108,对散热膜进行辗压工艺,藉此可增加散热膜与衬底之间的附着力。在此实施例中,是先对散热膜进行干燥工艺(步骤S106),再对散热膜进行辗压工艺,但本发明并不以此为限。在其他实施例中,亦可在形成散热膜(步骤S104)之后,立即对散热膜进行辗压工艺。基于上述实施例可知,上述实施例所提出的散热浆料及散热结构的制造方法是透过对碳原料进行均质破碎工艺,以形成具有低缺陷的高质量碳材,而使得所获得的碳材具有良好的导热性以及优异的机械特性。此外,均质破碎工艺具备工艺简单、可连续式生产以及绿色环保的特性。因此,上述实施例所提出的散热浆料及散热结构的制造方法可透过对环境友善且易于量产的方式来制备具良好导热性的散热浆料及散热结构。实验例实验1实验1是以不同压力对碳原料进行均质破碎工艺,其所采用的压力以800bar、1300bar以及1800bar为例进行说明,但本发明不以此为限。另外,实验1中所采用的碳原料以型号为CPC-B的人工石墨(由台湾中油公司制造)为例进行说明,而均质破碎工艺的次数以3次为例进行说明,但本发明不以此为限。实验1的结果显示于表1中。[表1]压力(bar)次数粒径(μm)00479.13800345.391300325.241800315.09由表1可知,碳原料经均质破碎工艺后所获得的碳材的粒径小于碳原料的粒径,并且随着均质破碎工艺所采用的压力越大,碳材的粒径越小。实验2图2A、图2B及图2C为本发明对不同实施例的碳原料进行均质破碎工艺前于扫描式电子显微镜(SEM)的影像。图2D、图2E及图2F为本发明对不同实施例的碳原料进行均质破碎工艺后于扫描式电子显微镜(SEM)的影像。为了更具体地表示碳原料进行均质破碎工艺前后的差异,以下以扫描式电子显微镜(scanningelectronmicroscopy,SEM)进行表面分析,其中实验2中所采用的碳原料以天然石墨、型号为CPC-B的人工石墨(由台湾中油公司制造)以及石墨纸为例进行说明,但本发明不以此为限。另外,实验2中所采用的均质破碎工艺的压力以1800bar至2000bar(高压)为例进行说明,均质破碎工艺的次数以3次为例进行说明(每次均质破碎工艺的压力是从1800bar升至2000bar),但本发明不以此为限。请参照图2A至图2F,在扫描式电子显微镜的影像放大倍率为10000倍下进行观察,其中图2A及图2D分别为天然石墨进行均质破碎工艺前后的影像;图2B及图2E分别为人工石墨进行均质破碎工艺前后的影像;图2C及图2F分别为石墨纸进行均质破碎工艺前后的影像。比较上述不同实施例的碳原料进行均质破碎工艺前后的影像可知,碳原料在进行均质破碎工艺后,其表面形态有明显的改变。实验3图3A、图3B及图3C为本发明一实施例以不同次数进行均质破碎工艺后所获得的碳材于扫描式电子显微镜(SEM)的影像,其中影像的放大倍率为1000倍。图3D、图3E及图3F为本发明一实施例以不同次数进行均质破碎工艺后所获得的碳材于扫描式电子显微镜(SEM)的影像,其中影像的放大倍率为10000倍。为了更具体地表示碳原料进行不同次数的均质破碎工艺后的表面形态差异,以下以扫描式电子显微镜进行表面分析,其中均质破碎的次数以3次、8次以及12次为例进行说明,但本发明不以此为限。实验3中所采用的碳原料以型号为CPC-B的人工石墨(由台湾中油公司制造)为例进行说明,但本发明不以此为限。另外,实验3中所采用的均质破碎工艺的压力以2000bar为例进行说明,但本发明不以此为限。请参照图3A至图3E,在扫描式电子显微镜的影像放大倍率为1000倍及10000倍下进行观察,其中图3A及图3D为碳原料进行3次均质破碎工艺的影像;图3B及图3E为碳原料进行8次均质破碎工艺的影像;图3C及图3F为碳原料进行12次均质破碎工艺的影像。实验结果显示于图3A至图3F及表2。[表2]压力(bar)次数粒径(μm)2000318.882000811.312000128.53由图3A至图3F以及表2可知,随着均质破碎工艺的次数增加碳材的粒径越来越小。实验4图4为本发明一实施例的碳材于原子力显微镜(AFM)的影像。图5A为图4沿I-I’线的厚度分布图。图5B为图4沿II-II’线的厚度分布图。图5C为图4沿III-III’线的厚度分布图。图6A至图6D为本发明一实施例的碳材于穿透式电子显微镜(TEM)的影像。为了更具体地表示碳原料进行均质破碎工艺后所形成的碳材的厚度,以下以穿透式电子显微镜(transmissionelectronmicroscopy,TEM)以及原子力显微镜(atomicforcemicroscopy,AFM)来分析碳材的表面形态及厚度分布。实验4中所采用的碳原料以天然石墨为例进行说明,但本发明不以此为限。另外,实验4中所采用的均质破碎工艺的压力以1800bar至2000bar(高压)为例进行说明,且均质破碎工艺的次数以3次为例进行说明(每次均质破碎工艺的压力是从1800bar升至2000bar),但本发明不以此为限。请参照图4、图5A至图5C及下表3,从图5A所示的厚度分布图可计算出图4中沿I-I’线的碳材的平均厚度为3.81纳米(nm);从图5B所示的厚度分布图可计算出图4中沿II-II’线的碳材的平均厚度为4.07nm;从图5C所示的厚度分布图可计算出图4中沿III-III’线的碳材的平均厚度为4.79nm。之后,平均上述图4中沿I-I’线、II-II’线以及III-III’线的碳材的平均厚度可知,碳原料经均质破碎工艺后的平均厚度为4.22nm。厚度分析的计算结果整理于表3中。[表3]标记(marking)厚度(nm)I-I’线3.81II-II’线4.07III-III’线4.79平均厚度4.22由图6A至图6D以及表3可知,碳原料经均质破碎工艺后所形成的碳材的层数在3层至10层之间,因此,依据表3所显示的平均厚度,可计算出碳材每一层的厚度在约0.4nm至约1.4nm之间。下文将参照实施例1、实施例2、比较例1以及比较例2,更具体地描述本发明的特征。虽然描述了以下实施例,但是在不逾越本发明范畴的情况下,可适当地改变所用材料、其量及比率、处理细节以及处理流程等等。因此,不应由下文所述的实施例对本发明作出限制性地解释。制备实施例1、比较例1以及比较例2的散热结构所使用的主要材料的信息如下所示。碳原料:由台湾中油公司制造的人工石墨(型号为CPC-B)。黏着剂:由吴羽公司制造的PVDF。衬底:由长春公司制造的铜箔。溶剂A:水商用石墨烯:由骏沛公司代理厦门凯纳的石墨烯纳米片(graphenenanosheets,GNs)。实施例1将碳原料分散于溶剂A中。接着,对分散于溶剂A的碳原料进行均质破碎工艺以形成碳材,其中均质破碎工艺的压力为800bar、1300bar以及1800bar(由低压至高压),且均质破碎工艺的次数为3次(每次均质破碎工艺的压力是先从800bar升至1300bar,而后再升至1800bar)。之后,加入黏着剂并充分搅拌混合,以获得实施例1的散热浆料。比较例1将碳原料分散于溶剂A中。接着,加入黏着剂并充分搅拌混合,以获得比较例1的散热浆料。比较例2将商用石墨烯分散于溶剂A中。接着,加入黏着剂并充分搅拌混合,以获得比较例2的散热浆料。实验5图7A至图7F为以热成像仪对衬底、实施例1、比较例1及比较例2进行导热测试的比较图。使用实施例1、比较例1及比较例2的散热浆料进行导热测试。导热测试的说明如下,且测试的结果显示于图7A至图7F中。导热测试请参照图7A至图7F,将实施例1、比较例1与比较例2的散热浆料分别涂布于衬底上。接着,以热成像仪进行导热测试。在远离热源(S1、S2)的方向上,于衬底上量测各量测位置(位置Sp1~Sp6)的温度数据,计算最远离热源处与最接近热源处的温差(△T)来分析热传效率。图7A至图7C是在提供热源60秒后的热成像图;而图7D至图7F是在提供热源180秒后的热成像图。上述图式中所标示的位置Sp1~Sp6表示于衬底该处量测温度数据,其中位置Sp1、Sp3以及Sp5为衬底(图7A与图7D)、比较例1(图7B与图7E)与比较例2(图7C与图7F)的温度量测位置;而位置Sp2、Sp4以及Sp6为实施例1(图7A至图7F)的温度量测位置,其中位置Sp1与热源S1之间的距离与位置Sp2与热源S2之间的距离相同;位置Sp3与热源S1之间的距离与位置Sp4与热源S2之间的距离相同;位置Sp5与热源S1之间的距离与位置Sp6与热源S2之间的距离相同。请参照图7A,在提供热源60秒后,衬底于位置Sp5处以及位置Sp1处的温差为5.2℃(未涂布散热浆料);而实施例1于位置Sp6处以及位置Sp2处的温差为3.5℃。请参照图7B,比较例1于位置Sp5处以及位置Sp1处的温差为4.5℃;而实施例1于位置Sp6处以及位置Sp2处的温差为4.6℃。请参照图7C,比较例2于位置Sp5处以及位置Sp1处的温差为3.2℃;而实施例1于位置Sp6处以及位置Sp2处的温差为2.9℃。请参照图7D,在提供热源180秒后,衬底于位置Sp5处以及位置Sp1处的温差为5.6℃(未涂布散热浆料);而实施例1于位置Sp6处以及位置Sp2处的温差为5.2℃。请参照图7E,比较例1于位置Sp5处以及位置Sp1处的温差为6.4℃;而实施例1于位置Sp6处以及位置Sp2处的温差为5.8℃。请参照图7F,比较例2于位置Sp5处以及位置Sp1处的温差为5.9℃;而实施例1于位置Sp6处以及位置Sp2处的温差为6.1℃。实验结果皆显示,在热源提供60秒后或是提供热源提供180秒后,实施例1(含进行均质破碎工艺所获得的碳材)于位置Sp6处与位置Sp2处的温差皆小于衬底以及比较例1(含未经均质破碎工艺所获得的碳材)于位置Sp5处与位置Sp1处的温差。由此可知,在实施例1中,以均质破碎所制备的散热浆料具有较佳的热传效率,使得热源所产生的热能够很快地传递至衬底较远离热源的位置,致使衬底较远离热源处的温度与较接近热源处的温差较小。另外,在热源提供60秒后或是提供热源提供180秒后,实施例1(含进行均质破碎工艺所获得的碳材)于位置Sp6处与位置Sp2处的温差与比较例2(商用石墨烯)于位置Sp5处与位置Sp1处的温差相当。由此可知,比较例2的散热浆料与实施例1的散热浆料的热传效率相当,因此,以均质破碎来制备散热浆料的工艺不仅具绿色环保以及易于量产的特性,其散热效果也与使用商用石墨烯所制备的散热浆料相当。综上所述,上述实施例所提出的散热浆料及散热结构的制造方法是透过对碳原料进行均质破碎工艺,以形成具有低缺陷的高质量碳材,而使得所获得的碳材具有良好的导热性以及优异的机械特性。此外,均质破碎工艺具备工艺简单、可连续式生产以及绿色环保的特性。如此一来,上述实施例所提出的散热浆料及散热结构的制造方法可透过对环境友善且易于量产的方式来制备具良好导热性的散热浆料及散热结构。虽然本发明已以实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明,任何所属
技术领域
中的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作些许的更动与润饰,故本发明的保护范围应当以附上的权利要求书所界定的为准。当前第1页1 2 3 
再多了解一些
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