CN105101755B - 导热结构及散热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导热结构及散热装置。该导热结构包括一个第一导热层以及一个第二导热层。第一导热层包含一石墨烯材料和第一碳米管，所述第一碳纳米管分散于所述石墨烯材料中。所述第二导热层叠设于第一导热层上，并包含一多孔材料和第二碳纳米管，所述第二碳纳米管分散在所述多孔材料中。本发明还公开了一种散热装置，该散热装置包括所述导热结构和一散热结构。所述导热结构与热源接触，散热结构与导热结构连接。本发明的导热结构及散热装置具有薄型化的特点而符合现今薄型化电子产品轻薄化的要求。

Description

导热结构及散热装置
技术领域
本发明涉及一种导热结构及散热装置，特别涉及一种薄型化的导热结构及散热装置。
背景技术
随着科技的发展，针对电子装置的设计与研发，莫不以薄型化及高效能为优先考量。在要求高速运算的情况下，电子装置的电子元件不可避免地将产生较以往的电子元件更多的热量，但由于高温的作业环境不仅将影响电子元件的特性，过高的温度更可能造成电子元件永久性的损坏。因而，为配合电子装置的薄型化产品趋势，薄型化的散热装置已成为现行电子装置中不可或缺的重要配备之一。
已知的散热装置一般包括一散热器及一风扇，散热器安装在电子元件(例如CPU)上，且一般为铝制品或铜制品，并包括一底座与多个散热鳍片。当电子元件所产生之热能传导至散热器时，热能将经由底座传导至该些散热鳍片，更可藉由风扇的吹拂而将电子元件所产生之热能散逸。
然而，对于上述的散热装置而言，散热器存在着体积过大，无法满足现今薄型化电子产品所要求轻薄的需求。因此，如何提供一种导热结构及散热装置，具有较佳的导热效果以及薄型化的特点，以符合现今电子产品轻薄化的要求，已成为重要课题之一。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明之目的为提供一种具有较佳的导热效果以及薄型化的特点，以符合现今电子产品轻薄化的要求的导热结构及散热装置。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种导热结构，包括第一导热层11和第二导热层12，所述第一导热层11 包含一石墨烯材料111和多个第一碳纳米管112，所述第一碳纳米管112分散于所述石墨烯材料111中；所述第二导热层12叠设于所述第一导热层11上，并包含一多孔材料121及多个第二碳纳米管122，所述第二碳纳米管122分散于所述多孔材料121中。
进一步地，所述导热结构的厚度介于10微米至300微米之间。
进一步地，所述导热粒子分散于所述第一导热层11和所述第二导热层12 中的至少一层中。
进一步地，所述导热结构还包括一功能层13，所述功能层13设置于第一导热层11远离第二导热层12的一表面上，或设置于该第一导热层11与该第二导热层12之间，或设置于该第二导热层12远离该第一导热层11的一表面上。
进一步地，所述功能层的材料为聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂、酚树脂、双马来酰亚胺、耐龙衍 生物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯类树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚胺基甲酸酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二酯或聚氯乙烯。
为了实现上述发明目的，本发明还公开了一种导热结构，其包括一导热层，所述导热层包含一多孔材料121及多个碳纳米管，所述碳纳米管分散于所述多孔材料121中。
进一步地，所述导热层还包括分散于该导热层中的多个导热粒子。
进一步地，所述导热层还包含一石墨烯材料111，所述石墨烯材料111混合于所述导热层中。
进一步地，所述导热结构的厚度介于10微米至300微米之间。
进一步地，所述导热结构还包含一功能层(13)，其设置于该导热层的一表面上。
进一步地，所述功能层的材料为聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂、酚树脂、双马来酰亚胺、耐龙衍 生物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯类树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚胺基甲酸酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二酯或聚氯乙烯。
为了实现上述发明目的，本发明还公开了一种导热结构，一种散热装置，其与一热源配合，所述散热装置包括：前述任一项的导热结构，该导热结构与该热源接触；以及一散热结构(4)，所述散热结构(4)与所述导热结构连接。
进一步地，所述散热结构包括一散热鳍片、一散热风扇(41)和一热管中的一种或几种。
承上所述，因本发明的导热结构及散热装置中，导热结构的第一导热层包含多个第一碳纳米管分散于石墨烯材料中，而第二导热层叠设于第一导热层上，并包含多个第二碳纳米管分散于多孔材料中。藉由第一导热层与第二导热层的结构，除了可将热源所产生的热能快速地导引并散逸，并使得导热结构及散热装置具有薄型化的特点而符合现今薄型化电子产品轻薄化的要求。
附图说明
图1A为本发明较佳实施例的导热结构的分解示意图。
图1B为本发明较佳实施例的导热结构的侧视示意图。
图1C为图1B的区域A的放大示意图。
图1D为图1B的区域B的放大示意图。
图2A至图2C分别为不同实施方式的导热结构的侧视示意图。
图3为本发明较佳实施例之一种散热装置的示意图。
图中，1、1a、1b、1c、3-导热结构，11、31-第一导热层，111-石墨烯材料， 112-第一碳纳米管，12、32-第二导热层，121-多孔材料，122-第二碳纳米管， 13-功能层，2-散热装置，4-散热结构，41-散热风扇，A、B-区域，d-厚度，G- 气泡。
具体实施方式
以下将参照相关图式，说明依本发明较佳实施例的导热结构及散热装置，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。
请分别参照图1A至图1D所示，其中，图1A及图1B分别为本发明较佳实施例的一种导热结构1的分解示意图及侧视示意图，而图1C及图1D分别为图1B的区域A与区域B的放大示意图。于此，图1C与图1D只是示意，并没有按照实际元件的比例来绘制。
导热结构1可将热源(例如电子元件)所产生的热能快速地导引出，并包括一第一导热层11以及一第二导热层12，且第一导热层11与第二导热层12 相互叠设。本实施例是以第二导热层12叠设于第一导热层11上为例(第一导热层11与热源接触)。在不同实施例中，也可将第一导热层11叠设于第二导热层12上(第二导热层12与热源接触)，并不限定。导热结构1的厚度d可介于 10微米至300微米之间，因此，使用者可依据实际需求制作成需要的厚度而应用于轻薄化的电子装置中，以符合现今电子产品轻薄的要求。
如图1C所示，第一导热层11包含一石墨烯材料111及多个第一碳纳米管 (CarbonNanotube,CNT)112，该些第一碳纳米管112混合于石墨烯材料111 中。其中，石墨烯材料111是以石墨烯为基底的材料，并可为天然石墨或人工石墨。石墨烯材料111(石墨烯粒子)的纯度可介于70％至99.9％，且石墨烯粒子的粒径可介于5纳米至3000纳米之间。另外，碳纳米管(第一碳纳米管 112)是一具有纳米级直径与长宽高比的石墨管，碳纳米管内径可从0.4纳米 (nm)至数十纳米，而碳管外径则由1纳米至数百纳米，且其长度则由数微米至数十微米之间，并可由单层或多层的石墨层卷曲形成中空管柱状结构。碳纳米管是一种高导热材料，其导热系数一般可大于6000瓦特/公尺-K(高纯度钻石的导热系数约3320瓦特/公尺-K)，因此，其导热效率相当高。在具体实施例中，可将碳纳米管(第一碳纳米管112)混合于石墨烯材料111中，并加入黏着剂(图未示)后搅拌且依实际需求尺寸、厚度固化定型，以成为第一导热层 11。由于石墨烯粒子具有良好的导热性，特别是针对X/Y轴所构成的平面有极佳的导热性，因而透过具有石墨烯材料111与第一碳纳米管112之第一导热层 11，可进行高效率的热传输，以快速地将热能由热源导引出，且往第二导热层 12传递。
另外，如图1D所示，第二导热层12包含一多孔材料121及多个第二碳纳米管122，该些第二碳纳米管122混合于多孔材料121中。其中，多孔材料121 可为发泡塑胶，例如将热塑性塑胶，如聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、ABS、PC、聚酯、尼龙(Nylon)或聚甲醛等材料，加入二氧化碳发泡剂、氢化氟氯烃(HCFC)、烃类(例如环戊烷)、氢化氟、ADC发泡剂(例如N-亚硝基化合物)或OBSH发泡剂(例如4，4’-二磺酰肼二苯醚)等发泡材料搅拌而成；或者，亦可将热固性塑胶，例如PU、聚三聚异氰酸树脂、酚醛树脂、尿醛树脂、环氧树脂、聚有机硅氧烷或聚酰亚胺(Polyimide,PI)等材料加入上述的发泡材料搅拌而成。多孔塑胶(多孔材料121)是以塑胶为基本材料，并含有大量的气泡G，因此多孔塑胶可以说是以气体为填料的复合塑胶。另外，第二碳纳米管122具有上述第一碳纳米管112的高导热特性，不再赘述。
在实施上，可先将第二碳纳米管122混合于液态状的多孔材料121中，并依实际需求尺寸、厚度固化定型，以成为第二导热层12。当热能传导至第二导热层12时，透过第二碳纳米管122的高导热能力，热能除了会由第二碳纳米管 122导引至气泡G(气泡G内有空气)并往上导引，而且多孔材料121也会将热能透过第二碳纳米管122与多孔材料121往上传递。
另外，请参照图2A至图2C所示，其分别为不同实施态样之导热结构1a、 1b、1c的侧视示意图。
如图2A所示，导热结构1a与导热结构1不同的是，导热结构1a更包括一功能层13，功能层13设置于第二导热层12远离第一导热层11的一表面(第二导热层12的上表面)。其中，功能层13的材料可为热固性塑胶，例如但不限于为环氧树脂(Epoxy)、酚树脂(Phenolic)或双马来酰亚胺(Bismaleimide, BMI)；或者，功能层13的材料亦可为热塑性塑胶，例如但不限于为聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)、耐龙衍 生物(Nylon)、聚苯乙烯 (Polystyrene)、聚碳酸酯(Polycarbonate)、聚乙烯(Polyethylene)、聚丙烯 (Polypropylene)、乙烯类树脂(Vinyl)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 (Acrylonitrile-butadine-styrene,ABS)、聚酰亚胺(PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)、热塑性聚胺基甲酸酯(Thermoplastic Polyurethane,TPU)、聚醚醚酮(polyaryletherketone,PEEK)、聚对苯二甲酸丁二酯(Polybutyleneterephthalate,PBT)或聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC)，以协助将传导至第二导热层12上表面的热能再往上传导(加强界面的热传导能力)，藉此再提升导热效率。
另外，如图2B所示，导热结构1b与导热结构1a不同的是，导热结构1b 的功能层13设置于第一导热层11与第二导热层12之间，以协助第一导热层 11与第二导热层12之界面的热传导，以加强界面的热传导能力。
另外，如图2C所示，导热结构1c与导热结构1a不同的是，导热结构1c 的功能层13设置于第一导热层11远离第二导热层12的一表面(第一导热层 11的下表面，亦即位于第一导热层11与热源之间)，以协助将导热结构1c外部的热能快速地传导至第一导热层11，以加强界面的热传导能力而提升导热效率。
此外，导热结构1a、1b、1c的其他技术特征可参照导热结构1的相同元件，不再赘述。
再补充说明的是，因应不同需求，在不同的实施例中，也可将多个导热粒子(图未示)混合于上述实施例中的第一导热层11中、或第二导热层12中、或第一导热层11及第二导热层12中。其中，导热粒子的导热系数(w/mk)为大于20以上的材料，其材料例如可为银、铜、金、铝、铁、锡、铅、硅、碳化硅、鉮化镓、氮化铝、氧化铍、氧化镁或其合金，或是氧化铝、氮化硼等陶瓷材料。由于第二导热层具有较佳的纵轴(Z轴)热导引能力，因而透过具有导热粒子的第一导热层11及/或第二导热层12，更可加强导热结构的导热效果；或者，亦可将石墨烯材料加入第二导热层12中，使第二导热层12除了包含多孔材料121及第二碳纳米管122，亦包含石墨烯材料，藉此再提升第二导热层 12的导热效率。
另外，在一些实施例中，导热结构也可只为一层导热层，例如为单层的第一导热层11或第二导热层12，而且，亦可将复数导热粒子(图未示)混合于单层的第一导热层11或第二导热层12中，以加强其导热效果。另外，在一些实施例中，也可于只包含单层之第二导热层12的导热结构中加入石墨烯材料，本发明均不限制。
请参照图3所示，其为本发明较佳实施例之一种散热装置2的示意图。散热装置2可搭配功率元件、显示卡、主机板、灯具、其他电子元件或电子产品使用，用以协助将热源所产生的热能导引出并散去。
散热装置2包含一导热结构3与一散热结构4。其中，导热结构3与热源接触(例如直接设置热源上而接触热源)，并包括一第一导热层31与一第二导热层32，而散热结构4与导热结构3连接。其中，热源可例如但不限于为一中央处理器(CPU)，而导热结构3可为上述导热结构1、1a、1b、1c及其变化态样，具体技术特征可参照上述，不再多作说明。
本实施例之导热结构3设置于热源上，且第一导热层31直接贴附于需要进行散热之热源(例如CPU)，以将热源所产生的热能快速地导引出。另外，散热结构4可包含一散热鳍片、一散热风扇或一热管，或其组合。本实施例之散热结构4为一散热风扇41，当热源所产生之热能传导至导热结构3后，再藉由散热风扇41的吹拂，可将热能快速散逸，藉此降低热源的温度。
综上所述，因本发明的导热结构及散热装置中，导热结构的第一导热层包含多个第一碳纳米管分散于石墨烯材料中，而第二导热层叠设于第一导热层上，并包含多个第二碳纳米管分散于多孔材料中。藉由第一导热层与第二导热层的结构，除了可将热源所产生的热能快速地导引并散逸，并使得导热结构及散热装置具有薄型化的特点而符合现今薄型化电子产品轻薄化的要求。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明之精神与范畴，而对其进行之等效修改或变更，均应包含于后附的申请专利范围中。

Claims (7)

1.一种导热结构，包括第一导热层(11)和第二导热层(12)，其特征在于，所述第一导热层(11)包含一石墨烯材料(111)和多个第一碳纳米管(112)，所述第一碳纳米管(112)分散于所述石墨烯材料(111)中；所述第二导热层(12)叠设于所述第一导热层(11)上，并包含一多孔材料(121)及多个第二碳纳米管(122)，所述第二碳纳米管(122)分散于所述多孔材料(121)中；
导热结构还包括多个导热粒子，所述导热粒子分散于所述第一导热层(11)和所述第二导热层(12)中的至少一层中；
所述石墨烯材料(111)为石墨烯粒子，石墨烯粒子的纯度介于70％至99.9％，且石墨烯粒子的粒径介于5纳米至3000纳米之间，第一碳纳米管(112)是一具有纳米级直径与长宽高比的石墨管，碳纳米管内径从0.4纳米至数十纳米，而碳纳米管外径则由1纳米至数百纳米，且其长度则在数微米至数十微米之间，并由单层或多层的石墨层卷曲形成中空管柱状结构，碳纳米管是一种高导热材料，其导热系数大于6000瓦特/公尺-K；
所述多孔材料(121)是多孔塑胶，是以塑胶为基本材料，并含有大量的气泡，多孔塑胶是以气体为填料的复合塑胶；
石墨烯粒子具有良好的导热性，针对X/Y轴所构成的平面有极佳的导热性，透过具有石墨烯材料(111)与第一碳纳米管(112)之第一导热层(11)，可进行高效率的热传输，以快速地将热能由热源导引出，且往第二导热层(12)传递；
所述导热结构的厚度介于10微米至300微米之间。
2.如权利要求1所述的导热结构，其特征在于，所述导热结构还包括一功能层(13)，所述功能层(13)设置于第一导热层(11)远离第二导热层(12)的一表面上，或设置于该第一导热层(11)与该第二导热层(12)之间，或设置于该第二导热层(12)远离该第一导热层(11)的一表面上。
3.如权利要求2所述的导热结构，其特征在于，所述功能层(13)的材料为聚对苯二甲酸乙二酯、环氧树脂、酚树脂、双马来酰亚胺、耐龙衍 生物、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、乙烯类树脂、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性聚胺基甲酸酯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸丁二酯或聚氯乙烯。
4.如权利要求1所述的导热结构，其特征在于，其中的导热粒子的材料为银、铜、金、铝、铁、锡、铅、硅、碳化硅、鉮化镓、氮化铝、氧化铍或氧化镁。
5.如权利要求1所述的导热结构，其特征在于，其中的导热粒子存在于第一导热层和第二导热层中。
6.一种散热装置，其与一热源配合，其特征在于，所述散热装置包括：一如权利要求1-5中任一项所述的导热结构，该导热结构与该热源接触；以及一散热结构(4)，所述散热结构(4)与所述导热结构连接。
7.如权利要求6所述的散热装置，其特征在于，所述散热结构包括一散热鳍片、一散热风扇(41)和一热管中的一种或几种。
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