專利名稱：一種孔洞化結構陶瓷散熱片及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種散熱片及其制備方法，尤其是指一種孔洞化結構陶瓷散熱片及其制備方法。
背景技術：
隨著數字化處理設備的發展，半導體器件日趨高頻化，以中央處理器(CPU)為代表的數字芯片的處理速度更是日新月異，但是，高處理速度也會給器件帶來高溫，如何將電子器件產生的熱量有效地排出，使其在適宜的工作溫度下運轉，已經成為各企業爭相開發的重點。
以電腦為例，現有的中央處理器都裝有散熱器，以協助排出芯片產生的熱量，而散熱器大都設有散熱片，散熱片又為各種形狀的鰭片，并與中央處理器貼合，散熱器上還設有一風扇，用來產生空氣對流，將吸收的熱量帶離出散熱片(抽風或送風，視電腦內部空間及設計要求)，以降低溫度。雖然現有的散熱片均已采用導熱和散熱效果好的銅、鋁合金制成，然而由于導熱及散熱的效果并不是最好，仍有改善的空間，以上即為現有技術現存的缺陷，也是本領域技術人員亟待克服的難題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種可以提高熱對流接觸表面積的孔洞化結構陶瓷散熱片，以及制備該孔洞化結構陶瓷散熱片的方法，該散熱片散熱性能好，具有較高的經濟附加值，其制造方法簡單。
為達到此目的所采取的技術方案是一種孔洞化結構陶瓷散熱片，包括散熱層、導熱層和風扇，導熱層覆在散熱層與熱源接觸的面表，風扇固定在散熱片的一側，散熱層由乳膠狀漿料和陶瓷材料混合制成中空結晶體的孔洞化結構，該具有孔洞化結構的散熱層其孔隙率為5-40％，陶瓷材料粒徑為0.09-0.30μm，乳膠狀漿料包括有機溶劑、分散劑和高分子粘合劑。
有機溶劑為乙醇和甲苯，高分子粘合劑為聚乙烯醇，陶瓷材料為二氧化鈦、氧化鋇、氧化鍶、三氧化二鋁和氧化鋯的混合物。
導熱層材料含有金屬銀。
一種孔洞化結構陶瓷散熱片的制備方法，包括以下步驟(1)調漿將陶瓷材料、有機溶劑乙醇和甲苯、分散劑混合均勻，粘度控制在5-10cp；再研磨攪拌成次微米粉粒漿料，粉體粒徑0.09-0.30μm。
(2)制備粘合劑將聚乙烯醇加入水中攪拌均勻，使聚乙烯醇含量為3-5％。
(3)制備乳狀膠體將步驟(1)制得的次微米粉粒漿料與步驟(2)制得的粘合劑混合、攪拌，制成乳狀膠體，次微米粉粒漿料與粘合劑的比例為1∶1。
(4)干燥將乳狀膠體烘干制成塊狀固體，制成孔洞化結構材料。
(5)造粒將上述孔洞化結構材料置于研缽中磨細，再沖壓成預定形狀的散熱層。
(6)燒結將預定形狀的散熱層燒結成具中空結晶體的孔洞化結構散熱層。
(7)印刷表面導熱層通過網版印刷方式將高分子銀膏印刷到孔洞化結構散熱層表面，烘干，制成孔洞化結構陶瓷散熱片。
其中
步驟(1)中的陶瓷材料為二氧化鈦、氧化鋇、氧化鍶、三氧化二鋁和氧化鋯的混合物。
步驟(1)中的有機溶劑乙醇用量為陶瓷材料的17.5-18.5％；甲苯用量為陶瓷材料的25.5-27.5％；分散劑用量為陶瓷材料的1.5-2.5％。
步驟(1)中的研磨過程，采用氧化鋯或氧化鋁磨球研磨，磨球的直徑為3-30mm，大小不等。
本發明的理論依據是1、微觀化學原理液-液相變化(liquid-liquid phase transformation)本發明利用有機系漿料內既有的兩種有機溶劑-甲苯和乙醇，與親水系高分子黏結劑混合，在此過程中，乙醇與水可完全混合，但是甲苯與親水官能基會相互排斥。利用甲苯對親水官能基不互溶的特性加以攪拌，刻意調配成乳膠狀漿料(見圖1所表示的乳膠區)，進而將陶瓷粉末膠聯于乳膠中。如圖2所示的粒徑分散仿真圖，乳膠中大粒徑粉末因為凡得瓦爾力較大立刻聚集，小粒徑則填補在大粒徑粉團外圍，同時高分子黏結劑與無機材料形成穩定的共價鍵，其中圖2-1所示的為均勻分散結構，圖2-2所示的不均勻分散結構。如此，即可將陶瓷燒結制造出自然而均勻的空間，形成孔洞化結構。
2、物理原理就納米材料而言，具有一般相同材料的物理特性，如光學、磁性、熱傳、擴散以及機械等性質。為使其粉體同樣具有上述特性，必須由不同粒徑的陶瓷粉末混合。采用小粒徑粉末以次微米級(如0.13um)即可，若粒徑采用納米級，燒結將造成孔隙度太小，而影響其散熱特性，但是其熱傳導能力將有所提升，同時機械強度將大大提升。另外需注意燒結時的升溫條件控制，以得到最佳的孔隙度與機械強度的配比。一般而言，粉末粒徑越大，燒結后孔隙度越小，同時材料的機械強度相應地將大幅度降低。
3、物體熱傳輸原理所有物體的熱傳輸可以分為三種，傳導、對流、輻射。一般而言輻射所能去除的能量太小，可不予考慮。因此在制備散熱片時，最重要的熱傳輸機制就是傳導及對流。在電腦散熱裝置中，熱傳導的重要性在于將熱能傳送到散熱物體表面，如圖3所示。熱對流對降溫的影響最為重要，因為是經空氣對流把計算機CPU晶片產生的熱能帶走。影響熱對流最大的因素就屬散熱面積。Q(對流)＝h×A(表面積)×ΔT，其中Q為能量，K為熱傳導系數，A為介質面積，ΔX為介質厚度，ΔT為溫度差。
本發明孔洞結構散熱片，主要是由散熱層及導熱層構成，該散熱層是利用微觀化學液相變化原理，以乳膠狀漿料不均勻分散，形成陶瓷粉的微包結構，并與次微米粉體結合，再燒結成中空結晶體的孔洞化結構散熱層，其與熱源接觸面具有一導熱層，以導熱層吸收熱源熱量，再由散熱層中空結晶體的孔洞化結構，以空氣為散熱媒介，施加以強制對流條件(如風扇)，來提高散熱片的散熱能力。根據散熱需要，散熱層可制成平板型或麒片型，另采用銀Ag作為導熱層，其熱傳導系數K＝421W/mK，若使用更高熱傳導系數的導熱材料，對散熱能力的提升會更有幫助。
本發明的有益效果是由于孔洞化結構的散熱片擁有非常大的空氣接觸表面積，該表面積遠比致密結構散熱片高出千萬倍，所以其散熱能力好。雖然孔洞結構陶瓷的熱傳導系數較差，但是由于其單位散熱面積為銅用的50886倍，所以單位時間內所能帶走的熱能非常高，同時具有很高的機械強度，其耐沖擊強度位17～28Kg/cm2。用孔洞化結構材料制備散熱片，可完全解決目前大體積的鋁金屬散熱鰭片散熱效果不佳的缺陷，同時兼具生產工藝簡單和原材料成本低的優點，可廣泛應用于各種會發熱的電子裝置散熱。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細地描述。
圖1為本發明液-液相變化圖。
圖2為本發明粒徑分散模擬圖。
圖3為介質熱傳導說明圖。
圖4為本發明升溫設定圖。
圖5為本發明研磨時間對粒徑關系圖。
圖6為本發明孔洞結構散熱片剖面圖。
圖7為本發明散熱片測試裝置圖。
圖8為熱源升溫對散熱片的吸熱性比較圖。
圖9為熱源升溫對散熱片的散熱性比較圖。
圖10為散熱能力比較圖。
圖中標號說明如下1、散熱層 2、導熱層具體實施方式
一種孔洞化結構陶瓷散熱片，包括散熱層1、導熱層2和風扇，導熱層2覆在散熱層與熱源的接觸表面，風扇固定在散熱片的一側，散熱層1由乳膠狀漿料和陶瓷材料混合制成中空結晶體的孔洞化結構，孔隙率為20％，該具有孔洞化結構的散熱層其孔隙率為5-40％，陶瓷材料粒徑為0.20μm。
其中，乳膠狀漿料包括有機溶劑、分散劑、高分子粘合劑。有機溶劑為乙醇和甲苯，高分子粘合劑為聚乙烯醇，陶瓷材料為二氧化鈦、氧化鋇、氧化鍶、三氧化二鋁和氧化鋯的混合物。乙醇用量為陶瓷材料的18％；甲苯用量為陶瓷材料的26％，分散劑用量為陶瓷材料的2％。導熱層材料為銀膏。
一種孔洞化結構陶瓷散熱片的制備方法，包括以下步驟(1)、調漿取陶瓷材料(Dielectric Ceramics)137.87g、乙醇(EtoH)25.06g、甲苯(Toluene)37.06g及分散劑(BYK-111)2.76g混合并調配成均勻的漿料，其中陶瓷材料的主要成分是二氧化鈦TiO2、氧化鋇BaO、氧化鍶SrO、三氧化二鋁Al2O3，和氧化鎬ZrO，分散劑的BYK是德國公司名稱，型號為111，它的成份是一種含酸性基團的共聚體，酸值為129mg/KOHg，密度為1.16g/ml，BYK-111是一種市售產品，它的配用量相當于介電陶瓷材料的2.0％，漿料的黏度控制在5-10cp，以確保均勻分散。在漿料中放入Φ＝3mm∶10mm∶30mm、比例為5∶3∶2的氧化鋯球，低速研磨攪拌12小時，使粉粒粒徑達到0.13μm。采用混合有上述三種不同粒徑的氧化鋯球對粉粒進行低速研磨，較現用方法可節省1/2以上研磨時間，關于粒徑對研磨時間的關系參見表一及圖5。
表一
(2)、制備黏結劑取聚乙烯醇(PVA)0.4g加入9.6g水中，攪拌均勻后調配成聚乙烯醇含量為4％的黏結劑。
(3)、制備乳狀膠體取步驟(1)中所制的粉粒5g，粒徑為0.13μm，加入5g聚乙烯醇含量為4％的黏結劑，激烈攪拌，直到生成乳狀膠體。
(4)、干燥將乳狀膠體烘干成塊狀固體，制成孔洞化結構材料。
(5)、造粒將上述孔洞化結構材料置于研缽中磨細，再取0.5g細粉置于專用治具中沖壓成麒片形的散熱層。
(6)、燒結將上述預定形狀的散熱層放入燒結爐中，以三段恒溫方式燒結，形成具有自然而均勻空間及中空結晶體的孔洞化結構散熱層。其中三段式恒溫燒結方式的升溫設定方法參見表二及圖4。
表二
(7)、印刷表面導熱層通過網版印刷方式將高分子銀膏印刷到上述具有中空結晶體的孔洞化結構散熱層上，形成導熱層，再以140℃-160℃烘干2分鐘。
該散熱器的散熱層是利用微觀化學液相變化原理，以乳膠狀漿料不均勻分散，形成陶瓷粉的微包結構，并與次微米粉體結合，燒結成具中空結晶體的孔洞化結構散熱層，散熱層與熱源接觸面設有一導熱層，由導熱層吸收熱源熱量，再由散熱層中空結晶體的孔洞化結構通過風扇的強制對流作用進行散熱。
通過以下方法可以測試由上述方法制成的散熱片。
設計裝置如圖7所示，利用材料的熱傳導特性探討熱能的吸收，之后開啟風扇觀察材料的散熱能力。
比較下列四種材料銅片、鋁片、吸水性陶瓷、孔洞結構陶瓷的如下特性1、如表三及圖8所示的熱源升溫對散熱片的吸熱性，表三
(MPCMicro-Pores Ceramic；AMCAbsorb Moisture Ceramic) 2、如表四及圖9所示的在開啟風扇后熱源升溫對散熱片的散熱特性，(風扇為5Volt/0.4W)。
3、如圖10所示的散熱能力，即同一時間點吸熱溫度減去散熱溫度的散熱能力。
由以上簡單的試驗分析，孔洞陶瓷的散熱能力是最好的，同時隨時間的增加可以由上圖得知散熱能力將會更好，原因是孔洞結構擁有非常大的空氣接觸表面積，遠比致密結構高出千萬倍。其相關的計算如下以下計算僅就銅散熱片與孔洞結構陶瓷散熱片做比較熱源提供1573joule/sec＝1573W孔洞結構陶瓷平均粒徑＝0.13μm，孔隙度＝18％銅片A＝2.56×10-4m2ΔX＝2.0×10-3m孔洞結構陶瓷A＝6.76×10-4m2ΔX＝1.7×10-3m熱傳導公式Q＝KTΔT/ΔX球體體積公式4/3×πr3球體表面積公式4πr2
由以上資料所做的計算請參閱表五。
表五所示的孔洞化結構陶瓷的熱傳導系數雖然較差，但是由于其單位散熱面積為銅用的50886倍，所以單位時間內所能帶走熱能才會如此高。同時兼具機械強度，其耐沖擊強度可達17.28Kg/cm2。
以本發明散熱片對臺灣工研院材料所的“發泡金屬散熱熱沉”(專利號105890)做比較。其發泡鋁金屬的散熱能力為5W/cm2、等效對流熱傳系數為0.5W/cm2℃。而本發明陶瓷散熱片的散熱能力為229.1W/cm2、等效對流熱傳系數為12.06W/cm2℃，顯然較該專利為優越。
由孔洞化結構制備散熱片，可完全解決目前大體積的鋁金屬散熱鰭片散熱效果不佳的缺陷，同時具有制造工藝簡單、原材料成本低的優點，可廣泛應用于各種集成電路芯片及發熱電子裝置的散熱。
權利要求
1.一種孔洞化結構陶瓷散熱片，包括散熱層、導熱層和風扇，導熱層覆在散熱層與熱源的接觸表面，風扇固定在散熱片的一側，其特征在于所述散熱層由乳膠狀漿料和陶瓷材料混合制成中空結晶體的孔洞化結構，該具有孔洞化結構的散熱層其孔隙率為5-40％，陶瓷材料粒徑為0.09-0.30μm。
2.根據權利要求1所述的孔洞化結構陶瓷散熱片，其特征在于所述乳膠狀漿料包括有以下成分有機溶劑、分散劑、高分子粘合劑。
3.根據權利要求1或2所述的孔洞化結構陶瓷散熱片，其特征在于所述有機溶劑為乙醇和甲苯，高分子粘合劑為聚乙烯醇，陶瓷材料為二氧化鈦、氧化鋇、氧化鍶、三氧化二鋁和氧化鋯的混合物。
4.根據權利要求3所述的孔洞化結構陶瓷散熱片，其特征在于乙醇用量為陶瓷材料的17.5-18.5％；甲苯用量為陶瓷材料的25.5-27.5％。
5.根據權利要求2所述的孔洞化結構陶瓷散熱片，其特征在于所述分散劑用量為陶瓷材料的1.5-2.5％。
6.根據權利要求1所述的孔洞化結構陶瓷散熱片，其特征在于所述導熱層材料含有金屬銀。
7.一種如權利要求1所述孔洞化結構陶瓷散熱片的制備方法，其特征在于經過以下步驟(1)調漿將陶瓷材料、有機溶劑乙醇和甲苯、分散劑混合均勻，粘度控制在5-10cp；再研磨攪拌成次微米粉粒漿料，粉體粒徑0.09-0.30μm；(2)制備粘合劑將聚乙烯醇加入水中攪拌均勻，使聚乙烯醇含量為3-5％；(3)制備乳狀膠體將步驟(1)制得的次微米粉粒漿料與步驟(2)制得的粘合劑混合、攪拌，制成乳狀膠體，次微米粉粒漿料與粘合劑的比例為1∶1；(4)干燥將乳狀膠體烘干制成塊狀固體，制成孔洞化結構材料；(5)造粒將上述孔洞化結構材料置于研缽中磨細，再沖壓成預定形狀的散熱層；(6)燒結將預定形狀的散熱層燒結成具中空結晶體的孔洞化結構散熱層；(7)印刷表面導熱層通過網版印刷方式將高分子銀膏印刷到孔洞化結構散熱層表面，烘干，制成孔洞化結構陶瓷散熱片。
8.根據權利要求7所述孔洞化結構散熱片的制備方法，其特征在于步驟(1)中所述的陶瓷材料為二氧化鈦、氧化鋇、氧化鍶、三氧化二鋁及氧化鋯的混合物。
9.根據權利要求7所述孔洞化結構散熱片的制備方法，其特征在于步驟(1)中所述的有機溶劑乙醇用量為陶瓷材料的17.5-18.5％；甲苯用量為陶瓷材料的25.5-27.5％；分散劑用量為陶瓷材料的1.5-2.5％。
10.根據權利要求7所述孔洞化結構散熱片的制備方法，其特征在于步驟(1)中的研磨過程，采用氧化鋯或氧化鋁磨球研磨，磨球的直徑為3-30mm，大小不等。
全文摘要
本發明涉及一種孔洞化結構陶瓷散熱片及其制備作方法，由散熱層、導熱層和風扇所構成，該散熱層是利用微觀化學液相變化原理，以乳膠狀漿料不均勻分散，形成陶瓷粉的微包結構，并與次微米粉體結合，燒結成具中空結晶體的孔洞化結構散熱層，散熱層與熱源接觸面設有一導熱層，由導熱層吸收熱源熱量，再由散熱層中空結晶體的孔洞化結構通過風扇的強制對流作用進行散熱，本發明散熱片與空氣的接觸面積大、機械強度高、散熱性能、制造工藝簡單、原材料成本低，具有較高的經濟附加值，可廣泛應用于各種集成電路芯片及發熱電子裝置的散熱。
文檔編號H01L23/34GK1514488SQ0216009
公開日2004年7月21日 申請日期2002年12月31日 優先權日2002年12月31日
發明者許智偉 申請人:千如電機工業股份有限公司