一种金属散热器的散热涂层结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种金属散热器的散热涂层结构。所述的散热涂层结构是由两层或两层以上的高散热材料层组成，所述的高散热材料层是由散热材料和电泳树脂构成。本实用新型获得的多层散热涂层，具有涂层均匀、致密性好、耐腐性强、散热能力高，并与基体结合性好等特点。采用的涂层制备工艺操作简单，成本低、材料利用率高。本实用新型可广泛应用到微电子元器件和照明灯具等领域中。
【专利说明】
一种金属散热器的散热涂层结构
技术领域
[0001]本实用新型涉及涂料和表面处理技术领域，具体涉及一种金属散热器的散热涂层结构。
【背景技术】
[0002]随着信息电子科技的迅速发展，电子元器件正朝高频、高速、大功率、微型小型化以及高系统集成的方向发展，这使得电子产品的单位功率密度和发热量大幅增长，从而使电子产品的冷却问题变得更突出。而传统的冷却装置能达到的冷却能力受到极大挑战，特别在微电子、信息、照明、能源、汽车、化工等领域，对强化传热、提高散热效率等新技术提出了更高要求。散热涂料是一种通过提高物体表面的热发射率以达到增强物体的散热能力，也就是说，如果要降低电子产品体系的温度，可以把散热功能材料涂在电子器件或电子产品的散热体表面上就可降低产品的工作温度，从而提高电子产品的可靠性。因此，散热材料和配制、散热材料的涂层结构及相关涂覆技术一直引起材料学者们的重视。
[0003]当前，市场上用于电子器件产品应用的散热材料虽有报道，但应用范围较小，只有部分高端电子产品有应用，这主要是因为:I)目前应用于电子产品的散热材料涂层结构简单，基本是只有一层的散热材料涂层，所以散热材料涂层的散热效果还有待提高;2)目前商业的散热材料涂层形成工艺主要采用喷刷的涂覆技术，而该技术形成的涂层厚度不好控制，涂层不均匀，而且材料的利用率较低，大部分散热材料在喷刷过程中散向空气中，这样就增加成本又污染环境，因此影响了散热材料在电子器件产品中的大范围应用。
【实用新型内容】
[0004]鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种金属散热器的散热涂层结构，通过多涂层的散热涂层结构设计(散热涂层结构的内层主要是为了提高涂层与金属散热器表面的热传导能力、结合能力和散热能力，而散热涂层结构的外层主要是为了提高热辐射能力和与空气界面间的辐射面积)，以达到进一步提高金属散热器的散热能力，而该散热涂层结构采用电泳涂膜工艺，又能降低散热材料成本和改善散热材料涂层的质量差和不均匀问题。
[0005]本实用新型的技术方案如下:
[0006]—种金属散热器的散热涂层结构，其特征在于由两层以上的高散热材料层组成，所述的高散热材料层是由散热材料和电泳树脂材料构成，散热材料和电泳树脂材料的重量比在4%-30%之间。
[0007]进一步地，两层以上高散热材料层采用以下a)~e)中的任一种形成:
[0008]a)由不同散热材料和同一电泳树脂材料混合通过电泳工艺形成多层高散热材料涂层;b)由相同散热材料和不同电泳树脂材料混合通过电泳工艺形成多层高散热材料涂层；
[0009]c)由相同散热材料和不同浓度的同一电泳树脂材料混合通过电泳工艺形成多层高散热材料涂层；
[0010]d)由相同散热材料和同一电泳树脂材料混合通过不同电泳工艺形成多层高散热材料涂层，所述不同电泳工艺包括电泳电压不同或电泳液温度不同中的一种以上；
[0011]e)由不同散热材料、不同电泳树脂材料和不同的电泳工艺通过组合而得到多层的高散热材料涂层;所述不同电泳树脂材料包括不同材料和不同浓度中的以上，所述不同电泳工艺包括电泳电压不同或电泳液温度不同中的一种以上。
[0012]进一步地，所述散热材料由金刚石、石墨、碳纳米管、碳纳米球、石墨烯或氧化物中的一种构成或两种以上的材料混合而成，其中金刚石、石墨和氧化物的粒径为0.1?7um，碳纳米管和碳纳米球的直径大于30纳米、碳纳米管和石墨烯的长度为0.5?50微米;所述的氧化物包括氧化娃、氧化硼、氧化铝、氧化镁和电气石中的一种以上。
[0013]进一步地，所述的电泳树脂材料包括阴离子环氧树脂、阴离子丙烯酸树脂、阴离子环氧丙烯酸树脂和阴离子聚胺酯树脂中的一种或多种混合，或者包括阳离子环氧树脂、阳离子丙烯酸树脂、阳离子环氧丙烯酸树脂和阳离子聚胺酯树脂中的一种或多种混合。
[0014]进一步地，所述高散热材料层还包括少量分散剂和去泡剂，其中分散剂占散热材料重量比的5%?20%，去泡剂占电泳树脂材料重量比的4%?20%。
[0015]本实用新型的有益效果:采用多层的散热涂层结构设计，可以使金属散热器的热量更容易传到涂层内层，然后通过内层把热量传给外层，最后热量通过外层涂层的表面辐射到空气中，达到有效的降温目的。把这样涂层的散热器安装在发热产品(如CPU，LED照明灯具)表面上可明显增强产品的散热能力，从而降低产品的工作温度，提高产品工作性能。
[0016]本实用新型的散热涂层结构是采用电泳涂层工艺来实现的，该工艺具有操作简单，成本低、材料利用率高(即降低散热材料的成本)，与基体结合度高，成膜质量好等优点，本实用新型获得的散热涂层，具有致密性好、耐腐性强、散热能力高以及防静电等优点。
【附图说明】
[0017]图1为本实用新型实施例1中的散热器涂层结构示意图。
[0018]图2为本实用新型实施例2中的散热器涂层结构示意图。
[0019]图3为本实用新型实施例3中的散热器涂层结构示意图。
[0020]图4为本发明实施例中测温仪记录不同涂层结构散热器的LED光源温度时间曲线。
【具体实施方式】
[0021]本实用新型提供了一种提高金属器件散热性能的散热涂层结构，前述限定的参数范围内均能实现本实用新型。为了使本实用新型的技术方案更加明确，下面通过三个较佳的实施例作进一步描述，但本实用新型实施方式不仅限于此。
[0022]实施例一
[0023]称量水性阴离子丙烯酸树脂135克(材料固含量约50%)和去泡剂4.5克，在超声水热(超声频率40KHz，功率80W，水温28°C，下同)环境中边搅拌边倒入到电导率小于5us/cm的纯水中，配制得到水性离子电泳树脂溶剂浓度为16%的溶液A(使用溶剂浓度计测量)；称量金刚石微粉1.5克(粒径为Wl.5)、碳纳米管2克(长度50um)，用50克纯水和0.4克分散剂分散金刚石和碳纳米管的混合材料，形成溶液B;再在超声水热中把溶液B边搅拌边倒入至溶液A中，形成电泳液C后倒入电泳槽中；将金属散热器经过除油、碱蚀等前期工序后定为阳极，电泳槽中不锈钢板定为阴极，施加10V直流电压，时间10秒;取出样品经纯水洗净后进行沥干，待下一步涂层使用。
[0024]称量水性阴离子丙烯酸树脂135克(固含量约50%)和去泡剂4.5克，在超声水热环境中边搅拌边倒入到电导率小于5us/cm的纯水中，配制得到浓度为16%的溶液D;称量碳纳米管3.5克(长度50um)，用50克纯水和0.6克分散剂分散碳纳米管材料，形成溶液E;然后在超声水热中把溶液E边搅拌边倒入至溶液D中，形成电泳液F后倒入电泳槽中；将上述沥干的金属散热器定为阳极，电泳槽中不锈钢板定为阴极，施加100V直流电压，时间25秒;取出样品经纯水洗净后放入160°C的高温箱烤干，烤干时间为30分钟，然后取出样品冷却至室温，得到图1所示的散热涂层结构样品。
[0025]实施例二
[0026]称量水性阳离子丙烯酸树脂125克(固含量约50%)和去泡剂4克，在超声水热环境中边搅拌边倒入到电导率小于5uS/cm的纯水中，配制得到浓度约为15%的溶液A;称量金刚石微粉4.5克(粒径W0.5和Wl.5分别为2克和2.5克)，然后用40克纯水和0.5克分散剂分散金刚石微粉材料，形成溶液B;再在超声水热中把溶液B边搅拌边倒入至溶液A中，形成电泳液C后倒入电泳槽中；将金属散热器经过除油、碱蚀等前期工序后定为阴极，电泳槽中不锈钢板定为阳极，施加65V直流电压，时间6秒;取出样品经纯水洗净后进行沥干，待下一步涂层使用。
[0027]称量水性阳离子丙烯酸树脂135克(固含量约50%)和去泡剂4.5克，在超声水热环境中边搅拌边倒入到电导率小于5uS/cm的纯水中，配制得到浓度为16%的溶液D;称量金刚石微粉1.5克(粒径为Wl.5)、碳纳米管2克(长度50um)，均匀混合后，然后用50克纯水和0.4克分散剂分散金刚石和碳纳米管的混合材料，形成溶液E;再在超声水热中把溶液E边搅拌边倒入至溶液D中，形成电泳液F后倒入电泳槽中；将上述涂了金刚石层的金属散热器定为阴极，电泳槽中不锈钢板定为阳极，施加90V直流电压，时间10秒;取出样品经纯水洗净后进行沥干，待下一步涂层使用。
[0028]称量水性阳离子丙烯酸树脂135克(固含量约50%)和去泡剂4.5克，在超声水热环境中边搅拌边缓慢倒入到电导率小于5uS/cm的纯水中，配制得到浓度约为16%的溶液G;称量金刚石微粉I克(粒径为Wl.5)、电气石微粉I克(粒径为10000目)和碳纳米管2克(长度50um)，均匀混合后，然后用50克纯水和0.4克分散剂分散金刚石、电气石和碳纳米管的混合材料，形成溶液H;再在超声水热中把溶液H边搅拌边缓慢倒入至溶液G中，形成电泳液I后倒入电泳槽中；将上述涂了金刚石层和金刚石\纳米管层双结构涂层的金属散热器定为阴极，电泳槽中不锈钢板定为阳极，施加120V直流电压，时间24秒;取出样品经去纯水洗净后放入160°C的高温箱烤干，烤干时间为30分钟，然后取出样品冷却至室温，得到图2所示的散热涂层结构样品。
[0029]实施例三
[0030]称量水性阴离子丙烯酸树脂125克(固含量约50%)和去泡剂4克，在超声水热环境中边搅拌边倒入到电导率小于5uS/cm的纯水中，配制得到浓度约为15%的溶液A;称量金刚石微粉1.5克(其中粒径Wl和W2分别为I克和0.5克)、碳纳米管2克(长度50um)，均匀混合后，然后用50克纯水和0.4克分散剂分散金刚石和碳纳米管的混合材料，形成溶液B;再在超声水热中把溶液B边搅拌边倒入至溶液A中，形成电泳液C后倒入电泳槽中；将金属散热器经过除油、碱蚀等前期工序后定为阳极，电泳槽中不锈钢板定为阴极，施加80V直流电压，时间20秒，这样就形成结构紧密的第一涂层;然后再对样品施加200V直流电压，时间10秒，形成粗化丝织结构的第二涂层，最后取出样品经纯水洗净后放入160°C的高温箱烤干，30分钟的烤干时间后取出样品冷却至室温，得到图3所示的散热涂层结构样品。
[0031]为了与未涂层散热器和单一涂层散热器作降温实验比较，通过电泳工艺制作了碳纳米管单一涂层和碳纳米管/金刚石/电气石复合单一涂层。
[0032]其中碳纳米管单一涂层的电泳工艺过程如下:称量水性阴离子丙烯酸树脂135克(固含量约50%)和去泡剂4.5克，在超声水热(超声频率40KHz，功率80W，水温28°C)环境中边搅拌边倒入到电导率小于5us/cm的纯水中，配制得到浓度为16%的溶液A;称量碳纳米管3.5克(长度50um)，用50克纯水和0.6克分散剂分散碳纳米管材料，形成溶液B;然后在超声水热中把溶液B边搅拌边倒入至溶液A中，形成电泳液C后倒入电泳槽中；将金属散热器经过除油、碱蚀等前期工序后定为阴极，电泳槽中不锈钢板定为阳极，施加100V直流电压，时间35秒，然后取出样品经纯水洗净后放入160°C的高温箱烤干，烤干时间为30分钟，然后取出样品冷却至室温，得到碳纳米管单一涂层的散热器样品。
[0033]对于碳纳米管/金刚石/电气石复合单一涂层，其电泳工艺过程如下:称量水性阳离子丙烯酸树脂135克(固含量约50%)和去泡剂4.5克，在超声水热(超声频率40KHz，功率80W,水温28°C)环境中边搅拌边缓慢倒入到电导率小于5uS/cm的纯水中，配制得到浓度约为16%的溶液D;称量金刚石微粉I克(粒径为Wl.5 )、电气石微粉I克(粒径为10000目)和碳纳米管2克(长度50um)，均匀混合后，然后用50克纯水和0.5克分散剂分散金刚石、电气石和碳纳米管的混合材料，形成溶液E;再在超声水热中把溶液E边搅拌边缓慢倒入至溶液D中，形成电泳液F后倒入电泳槽中；将金属散热器经过除油、碱蚀等前期工序后定为阴极，电泳槽中不锈钢板定为阳极，施加100V直流电压，时间35秒，然后取出样品经去纯水洗净后放入160°C的高温箱烤干，烤干时间为30分钟，然后取出样品冷却至室温，得到碳纳米管/金刚石/电气石复合单一涂层的散热器样品。
[0034]把三个实施例得到的三个散热器样品，上述获得两个单一涂层散热器和未涂层散热器一起置在相同环境下进行散热实验比较。实验是采用同一电源驱动同一个7W的LED模组光源，当光源工作时，光源产生的热量就直接传导到散热器样品上，然后热量从样品表面扩散至空气中，实现对光源的降温。由于LED模组光源直接封装在铝基板上，为了测量LED光源的工作温度，测温仪的热电偶探头直接与铝基板相连，铝基板通过螺丝固定在金属散热器上。说明的是，铝基板与散热器样品的接触面是直接紧密接触，即没有涂层隔开。在同一环境(温度27°C，湿度62%)下，上述6个散热器样品对LED贴片光源的散热测温结果见图4所示。由图4可知，LED光源点亮20分钟后散热器样品就达到热平衡，其中实例I散热涂层结构的散热器稳定温度为61.7°C，实例2散热涂层结构的散热器稳定温度为61°C，实例3散热涂层结构的散热器稳定温度为60.6°C。与之对比的是，未涂层散热器的稳定温度为70.2°C，碳纳米管单一涂层的散热器稳定温度为62.5°C，碳纳米管/金刚石/电气石复合单一涂层的散热器稳定温度为62°C。因此，上述三个实施例获得的双涂层或三涂层的散热器样品有更好的降温效果。
[0035]上述三个实施例的散热材料组分、电泳树脂材料浓度和电泳工艺参数仅为示意，只对本实用新型较佳的实施方式作了描述。更多的实施方式，在前述限定的范围内，通过改变散热材料和电泳树脂材料的成分和比例，以及不同电泳工艺(如时间和温度等参数)实现在金属散热器表面的双层或以上涂层散热材料结构的样品，并采用同样散热实验测试方法，也能得到比单一涂层和未涂层样品更好的散热降温效果。
[0036]对本领域技术人员来说，可以根据上述说明和实例加以改进或变换，所有这些相关改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1.一种金属散热器的散热涂层结构，其特征在于由两层以上的高散热材料层组成，所述高散热材料为金刚石、石墨、碳纳米管、碳纳米球、石墨烯或氧化物中的一种，散热涂层结构的内层与金属散热器接触，用于提高散热涂层结构与金属散热器表面的热传导能力、结合能力和散热能力，而散热涂层结构的最外层用于提高热辐射能力和与空气界面间的辐射面积。
【文档编号】C09D163/00GK205420261SQ201520798481
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年10月14日
【发明人】郑树文, 蓝栩砚, 何苗, 章勇, 范广涵
【申请人】华南师范大学