CN112788916A - 分离式热交换模块与复合式薄层导热结构 - Google Patents

分离式热交换模块与复合式薄层导热结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种分离式热交换模块与复合式薄层导热结构，用以对热源散热，分离式热交换模块包括第一导热件、第二导热件以及散热件。第一导热件包括第一金属层、第二金属层与石墨烯层，其中石墨烯层位于第一金属层与第二金属层之间，第一金属层热接触于热源。第二导热件具有相对的第一端与第二端，第一端热接触第二金属层。散热件热接触于第二端。热源所产生的热，依序经由第一导热件与第二导热件的第一端而被传送至第二端，且通过散热件而散逸出分离式热交换模块。

Description

分离式热交换模块与复合式薄层导热结构
技术领域
本发明涉及一种散热模块与导热结构，尤其涉及一种分离式热交换模块与复合式薄层导热结构。
背景技术
目前各种电子装置例如便携计算机、平板计算机、智能手机、导航器等设备功能越来越强大，指令周期越来越快，尺寸越来越小，造成电子设备的发热量越来越大或发热点越来越集中。因此，为了让电子装置维持良好的运作效能，对其进行散热设计更显重要。
一般而言，各种散热材料被广泛使用于这些电子装置中，而不同类型的散热材料会有不同的性能。例如金属材料如铜、铝、银等由于导热性良好普遍被应用，且被制成相关散热组件。此外，还能利用石墨烯材料作为导热介质，然而受限于石墨烯材料的机械性质，其结构较脆且不具延展性，因而难以对其进行后加工，也不易与电子装置内常见的散热组件进行结合。
据此，如何提供能让石墨烯材料与其他散热组件顺利结合的机制，便成为本领域的相关技术人员所需思考解决的课题。
发明内容
本发明是针对一种分离式热交换模块与复合式薄层导热结构，其中以金属层包覆石墨烯层而形成的导热件或薄层导热结构，兼具提高散热效率以及适于加工、结合的机构特性。
根据本发明的实施例，分离式热交换模块用以对热源散热。分离式热交换模块包括第一导热件、第二导热件以及散热件。第一导热件包括第一金属层、第二金属层与石墨烯层，其中石墨烯层位于第一金属层与第二金属层之间，第一金属层热接触于热源。第二导热件具有相对的第一端与第二端，第一端热接触第二金属层。散热件热接触于第二端。热源所产生的热，依序经由第一导热件与第二导热件的第一端而被传送至第二端，且通过散热件而散逸出分离式热交换模块。
根据本发明的实施例，复合式薄层导热结构包括彼此无缝依附的第一金属层、石墨烯层以及第二金属层，其中石墨烯层被包覆于第一金属层与第二金属层之间。热源适于热接触第一金属层，以使热源所产生的热量依序经由第一金属层、石墨烯层而传送至第二金属层。
基于上述，复合式薄层导热结构与具备其的分离式热交换模块除适用于轻薄短小的可携式电子装置中，其更通过第一导热件是由第一金属层、石墨烯层与第二金属层所构成的复合式薄层导热结构，而在利用石墨烯层的高导热特性之外，尚以披覆在外的金属层提供保护效果，同时通过金属层的延展特性，而让第一导热件能轻易地接受后加工与组装工艺，且避免石墨烯层因受外力而容易损毁的可能性。
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是依据本发明一实施例的分离式热交换模块的示意图；
图2是图1的第一导热件的***图；
图3示出另一实施例的分离式热交换模块的局部剖视图；
图4是分离式热交换模块的散热效益曲线图。
附图标号说明
100、300：分离式热交换模块；
110：第一导热件；
111：石墨烯层；
112：第二金属层；
113：第一金属层；
120：第二导热件；
130：散热件；
140：导热材；
150：焊接材；
200：热源；
210：电子芯片；
220：电路板；
310：载具；
320：锁附件；
330：风扇；
E1：第一端；
E2：第二端；
T1、T2、T3：曲线。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同组件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1是依据本发明一实施例的分离式热交换模块的示意图，其以侧视视角提供本实施例相关构件的简单示意。请参考图1，在本实施例中，分离式热交换模块100用以对热源200进行散热。分离式热交换模块100包括第一导热件110、第二导热件120以及散热件130，其中第一导热件110热接触热源200，第二导热件120热接触于第一导热件110与散热件130之间。热源200所产生的热依序传送至第一导热件110与第二导热件120后，通过散热件130对其进行散逸，而得以从分离式热交换模块100被排出。正因受限于可携式电子装置的有限内部空间，因此需通过热交换的方式来解决***散热问题，同时也能让可携式电子装置因应用所述分离式热交换模块100而得以具备轻薄短小的外观特性。
图2是图1的第一导热件的***图。请同时参考图1与图2，详细来说，本实施例的热源200包括封装于电路板220上的电子芯片210，其中电子芯片210例如是中央处理芯片(CPU)或显示芯片(GPU)。本实施例的第一导热件110包括第一金属层113、第二金属层112与石墨烯层111，其中石墨烯层111位于第一金属层113与第二金属层112之间。在此，第一金属层113具有容置空间，以作为收容石墨烯层111之用，且也用以与第二金属层112相互结合，而达到让第一金属层113、第二金属层112与其中的石墨烯层111彼此无缝依附的状态。在本实施例中，上述三者可通过黏着方式完成结合，但不因此限制结合手段。
如此一来，第一金属层113热接触于热源200。第二导热件120具有相对的第一端E1与第二端E2，其中第一端E1热接触第二金属层112。散热件130，例如是散热鳍片，其热接触于第二端E2。据此，热源200所产生的热，将依序经由第一导热件110与第二导热件120的第一端E1而被传送至第二端E2，且通过散热件130的热对流效应而散逸出分离式热交换模块100。
还需说明的是，经上述手段结合完成的第一导热件110，其同时具备高导热率的石墨烯层111(热导率大于1000W/mK)，也能因披覆在外的第一金属层113、第二金属层112而使其容易被加工。也就是说，为提高第一导热件110与热源200的热接触(及热传导)效率，本实施例的分离式热交换模块100还包括焊接材150(soldering material)与导热材140(热界面材料，thermal interface material)，以让第一导热件110能与热源200、第二导热件120顺利结合而不因此降低其热传送效率。
在本实施例中，导热材140，例如是散热膏(thermal grease)、导热胶(thermalconductive adhesive)、热填隙材料(thermal gap filler)、导热垫(thermallyconductive pad)、导热胶带(thermal tap)或相变化材料(phase change material)、相变化合金(phase change metal alloy)等，其配置在热源200的电子芯片210与第一金属层113之间，用以降低构件间的接触热阻。再者，凡是构件的表面都会存在粗糙度，所以当两个构件的表面接触在一起的时候，不可能完全接触在一起，总会有一些空气隙夹杂在其中，而空气的导热系数非常小，因此就造成在热源200的电子芯片210与第一金属层113之间形成较大的接触热阻。因此，导热材140的使用就可以填充所述空气隙，以降低接触热阻并提高散热性能。
此外，正由于第二金属层112已披覆在石墨烯层111之外，因此第二导热件120的第一端E1便能轻易地与第二金属层112以焊接材150(通过焊接手段)而完成结合，同时也因焊接材150具有较佳热导特性，且能无缝地配置在第二金属层112与第二导热件120之间，故仍能维持第二导热件120与第二金属层112之间的低接触热阻状态。
还需提及的是，本实施例的第一导热件110中，由于石墨烯层111的密度为2.2g/cm3，因此相较于现有技术以金属制作的散热组件，石墨烯层111实质上轻于金属，故而有助于降低第一导热件110的整体重量，而使本实施例的分离式热交换模块100更适于应用在轻薄短小的可携式电子装置中。
图3示出另一实施例的分离式热交换模块的局部剖视图。请参考图3，在本实施例中，与前述实施例相同的构件皆以相同标号表示，而不同的是，分离式热交换模块300还包括载具310、锁附件320以及风扇330，其中第一导热件110与第二导热件120的第一端E1组装于载具310，且载具310组装至电路板220，以使第一导热件110抵压在载具310与热源200的电子芯片210之间。类似地，热源200所产生的热会依序经由导热材140、第一导热件110、焊接材150、第二导热件120的第一端E1、第二端E2而传送至散热件130(散热鳍片)，此时再通过风扇330提供气流而强制散热件130进行热交换，以将热排出分离式热交换模块300。由上述图1与图3所示实施例能得知，分离式热交换模块100、300适用于自然对流与强制对流的散热机制。
进一步地说，本实施例的载具310是散热座(heat sink)，其具有镂空部以供第一导热件110与第二导热件120组装其上时，能经由镂空部而相互热接触。当然，与前述实施例相同的是，第一导热件110的第二金属层112与第二导热件120的第一端E1通过焊接材150而在所述镂空部处相互结合。再者，由于载具310是通过锁附件320而组装至电路板220，同时也因第一导热件110是以第一金属层113、第二金属层112披覆在石墨烯层111之外，因此在组装时，也更能顺利地将载具310抵压在第一导热件110上，通过将石墨烯层111夹持在具有延展性的第一金属层113与第二金属层112之间，而不用担心组装外力对石墨烯层111造成毁损。
图4是分离式热交换模块的散热效益曲线图，其将上述分离式热交换模块100或300(示出为曲线T1)与现有技术中的铜散热板(示出为曲线T2)、热导板(vapor chamber，示出为曲线T3)分别对高功率(100W)的热源进行散热，并据以测量热源温度以取得各技术的散热效益的比较。请参考图4，从中可清楚得知，分离式热交换模块100或300，由于其第一导热件110配置有石墨烯层111，因此可使热源温度相较另外两者更降低约10℃，由此推算其散热能力可提高达15％。也就是说，相较于仅采用铜散热板或热导板的散热技术，本发明通过石墨烯层的高热导性，而能有效地降低传热构件之间的接触热阻，避免在分离式热交换模块100或300的传热路径上造成热阻塞而使构件温度瞬间飙升，可以迅速的将热集中点分散，得到良好的热扩散效果，缓解局部过热现象，进而也能提高相关构件的使用寿命。
综上所述，在本发明的上述实施例中，分离式热交换模块除适用于轻薄短小的可携式电子装置中，其更通过第一导热件是由第一金属层、石墨烯层与第二金属层所构成的复合式薄层导热结构，而在利用石墨烯层的高导热特性之外，尚以披覆在外的金属层提供保护效果，同时通过金属层的延展特性，而让第一导热件能轻易地接受后加工与组装制程，且能避免石墨烯层受外力而损毁的情形。换句话说，第一导热件将因此而顺利地以焊接手段结合至第二导热件，也能因此通过导热材而与热源进行热接触。更重要的是，在机构组装上也能进一步地利用载具与电路板之间的锁附，而使第一导热件被抵压在载具与热源之间，如此兼具组装便利性与高导热性，而在维持石墨烯层完整的同时，也降低进行构件连结与组装的困难度，并因此提高散热效率与使用寿命。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种分离式热交换模块，用以对热源散热，其特征在于，所述分离式热交换模块包括：
第一导热件，包括第一金属层、第二金属层与石墨烯层，其中所述石墨烯层位于所述第一金属层与所述第二金属层之间，所述第一金属层热接触于所述热源；
第二导热件，具有相对的第一端与第二端，所述第一端热接触所述第二金属层；以及
散热件，热接触于所述第二端，其中所述热源所产生的热，依序经由所述第一导热件与所述第二导热件的所述第一端，而被传送至所述第二导热件的所述第二端，且通过所述散热件而散逸出所述分离式热交换模块。
2.根据权利要求1所述的分离式热交换模块，其特征在于，所述热源包括封装于电路板上的电子芯片，所述分离式热交换模块还包括载具，所述第一导热件与所述第二导热件的所述第一端组装于所述载具，且所述载具组装至所述电路板，以使所述第一导热件抵压在所述载具与所述热源之间。
3.根据权利要求2所述的分离式热交换模块，其特征在于，所述载具是散热座。
4.根据权利要求1所述的分离式热交换模块，其特征在于，还包括焊接材，所述第二导热件的所述第一端与所述第二金属层通过所述焊接材而相互结合。
5.根据权利要求1所述的分离式热交换模块，其特征在于，还包括导热材，填充于所述第一金属层与所述热源之间。
6.根据权利要求1所述的分离式热交换模块，其特征在于，所述第一导热件是厚度0.05mm～0.1mm的复合式薄层导热结构，所述石墨烯层的热导率大于1000W/mK，且所述石墨烯层的密度为2.2g/cm3。
7.根据权利要求1所述的分离式热交换模块，其特征在于，所述第二导热件是热管或热导板。
8.根据权利要求1所述的分离式热交换模块，其特征在于，还包括风扇，配置在所述第二导热件旁，以散逸被传送至所述第二端的热。
9.一种复合式薄层导热结构，其特征在于，包括彼此无缝依附的第一金属层、石墨烯层以及第二金属层，其中所述石墨烯层被包覆于所述第一金属层与所述第二金属层之间，热源适于热接触所述第一金属层，以使所述热源所产生的热量依序经由所述第一金属层、所述石墨烯层而传送至所述第二金属层。
10.根据权利要求9所述的复合式薄层导热结构，其特征在于，所述复合式薄层导热结构的厚度是0.05mm～0.1mm，所述石墨烯层热导率大于1000W/mK，且所述石墨烯层的密度为2.2g/cm3。
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