一文读懂石墨烯在电子器件散热领域的应用!

本文简述了石墨烯应用于散热涂料、散热片与导热膏的实际表现,而石墨烯适用的散热产品领域远不仅于此,举凡需要提升导热性能的产品,只要均匀分散石墨烯于母体材料,都能有效达其目标。

科技发展日新月异,现今电子设备趋向轻量薄型化,内部电子元件则越趋向于精密复杂,不仅内部元件散热难度随之提高,还须兼顾元件之间的电气特性以避免短路,尤其发热问题关系到产品的寿命以及其发挥效能所需的能量多寡。有鉴于此,轻薄短小的电子产品亟需更佳的散热机制来解决所产生的高热问题。

根据The Market for Thermal Management Technologies报告,热管理产品在全球市场的市值预估可由2015年的107亿美元成长至2021年的147亿美元,年复合成长率(CAGR)为5.6%,不仅显示热管理是一重要产业,也代表市场上对热管理产品的殷切需求。

电子系统散热挑战日益艰巨

石墨烯具有优异的热传导特性,且热辐射系数超过0.95,因此无论就导热、散热或热管理的角度来看,从电子元件、零组件到LED,石墨烯若能提供符合设计需求的产品型态,则可有效改善现行散热产品的效能。图1所示为现阶段可应用于当前产业的石墨烯产品类型。本文将集中探讨石墨烯应用于散热涂料、散热片与热界面材料的应用现况。

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图1 石墨烯热管理应用产品分类

目前业界解决电子元件或是LED元件散热问题的方法可分为主动式散热和被动式散热。主动式散热包含风扇强制散热和电磁喷流散热,其中风扇强制散热顾名思义就是藉由风扇产生强力的空气对流,将热空气导出热源或灯具本体之外来进行散热,使用风扇强制散热可以藉由调控风扇转速而有效的将热排出,电脑或伺服器等电子产品若机构空间充足,大都以风扇进行强制散热,不仅成本低廉且是相当有效的散热方式。

被动式散热则包含自然对流散热与回路热管散热,其中自然对流散热是透过散热器,例如散热鳍片、灯具灯壳、系统电路板等和空气进行直接接触,散热器周边的空气因吸收热量成为热空气,接着热空气上升,冷空气下降,自然就会带动空气产生对流,达到散热的效果。对于机构空间有限的电子产品,如手机或平板电脑,乃至于LED灯源等不适合加装风扇的产品,大多采用此种散热方式。然而,此种方式的热交换驱动力仅来自热源与周围空气之温差,加大接触面积才能提高散热效果。

随着处理器的运作频率不断提高与高功率LED产品的推出,越来越多的废热需有更大的散热表面积,然而采用自然对流方式的产品就是著眼于在有限空间之下提高散热表面积,此法无异是有违初衷,而且散热鳍片的材质虽然常选用热传导系数较高的铝和铜等金属材料,但是金属的高热传导性只能有效将热源的热经由单一的点扩散到金属面,降温的机制仍然要靠金属表面与空气之间的温度差以自然热对流的形式发散,且一般金属表面的热辐射系数偏低,表面热散能力相对不足,不利于以自然散热为主的散热模组。要进一步增加散热效果,须提高热辐射效率。

石墨烯散热涂料解决烫手山芋

石墨烯除了先前所提具有非常优异的热传导系数之外,Matsumoto T.等人发现石墨烯的热辐射发射率在红外线范围为0.99,非常接近理论黑体辐射的热辐射发射率1,因此作为热辐射散热材料有相当大的潜力;相对于铜约0.09及铝约0.02的热辐射系数,石墨烯在散热应用上,兼具了热传导与热辐射的特性。

就现实使用环境考量,散热涂料长期处高温环境或冷热交替环境中,实际应用上除要维持发挥散热效果,还要考虑可靠度、机械强度、成本、加工性、附着性与耐候性等性能。

此外,若是应用于终端产品,外观颜色势必也是考量重点;直接应用于元件的涂料,则可能需要额外考量绝缘性问题。图2为一商业化石墨烯散热涂料的产品架构。

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图2 石墨烯散热涂料产品架构

喷涂法简单方便 散热效果/环保型有疑虑

以散热鳍片而言,通常为结构复杂的不规则曲面,其最佳涂布方式即如喷漆一般,以低黏度液体浆料直接喷涂于鳍片表面,再行烘烤完成固化附着。这是最简便,也是多数使用者最易操作的方式。然由于涂料是靠固化型树脂作为黏结剂,将石墨烯附着于物件或鳍片表面,而所有树脂类材料都是低热传导材料,因此石墨烯散热涂层的热传导系数受树脂影响,将无法与金属比拟。

此作法的主要目的是在金属表面形成一热辐射层,因此涂层厚度通常介于10~30μm,涂层过厚反而可能因热阻过大而影响散热性能。图3为散热涂料实际喷涂于电子元件上的基材示意图。

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图3 散热涂料喷涂于各种基材示意图

现今环保意识高涨,各国政府从法规层面上对产品环境友善性在法规上的限制越来越严苛,如欧盟在ROHS禁用物质与大陆十三五计画对VOC排放的限制均是明显例证。因此,液体类浆料所含有的有机溶剂越来越难通过环保法规。

石墨烯粉体相对环保然仅适用于金属材质

石墨烯粉体散热涂料正是改善此一限制的最佳选项之一,石墨烯粉体涂料的特点为不含溶剂,百分之百均为固成分,其主要作法是在高温时将石墨烯粉体均匀与树脂混合分散,即在高温下石墨烯粉体与树脂形成融熔状态,再降温造粒为粉体状态。

在操作使用上,粉体涂料利用静电枪带电吸附于带相反电荷的基材上,后续再经高温固化转变为一均匀涂层,其制程与汽车烤漆完全相同,由于必须利用电荷吸引的方式操作,因此基材必须被限制为金属材料才能涂覆,而涂层厚度约50~100μm较液体涂装厚,表1所示为液体散热涂料与粉体散热涂料的比较。

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在散热效果的表现上而言,下述分别以铝板为基材,针对液体散热涂料及粉体散热涂料进行测试比较。测试方式叙述如下图4所示,将石墨烯粉体散热涂料单面喷涂于100*100*1mm的铝板(左边铝板)上,在铝板另一面以导热膏黏附8瓦的LED,在驱动后等待15分钟达到热平衡,空白铝片(右边铝板)热源温度Tj为80.5 ℃。测试得知石墨烯液体散热涂料与粉体散热涂料的热源温度Tj分别为68.6℃与66.1℃,皆有着12℃~15℃的显著降温表现,如表2所示。

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由于散热涂料对于散热鳍片有显著的增强效果,换句话说,若在相同的热源温度规范下,有散热涂料涂覆的散热鳍片仅需较小的散热面积即可达成,相对可减少散热鳍片的体积,使系统体积下降或降低鳍片成本。

表3所示即为不同尺寸铝板喷涂散热涂料后的结果,散热涂料喷涂于散热面积64cm2的铝板,其热源降温表现已优于散热面积100cm2的空白铝板,由此测试结果可知石墨烯散热涂料的使用,可在相同散热表现下减少散热模组至少30%以上的所需面积。

进一步将石墨烯粉体散热涂料喷涂于模组厂实际使用的铝金属鳍片(Heat Sink),表4所示为结构相同但不同散热面积的两组散热鳍片,由测试结果可看到,虽然两种鳍片的空白测试温度几乎一致,但散热面积较小的鳍片2降温效果反而比鳍片1佳,此结果可推论为较大的鳍片1热容值高,相对散热影响因素的热容、热传与热逸散中,散热涂料所增进的热逸散影响因素在此测试下影响较小,导致其温差效果不如鳍片2来的明显。

散热涂料所能表现的散热效果受模组设计影响,若模组设计中热能局限点主要为热逸散阶段,石墨烯粉体散热涂料所表现的降温效果会愈显著。

在前述的应用测试中,鳍片1呈现白色,鳍片2则是呈现黑色。这也显示,石墨烯散热涂料对于有颜色考量的外观件产品,未必能够适用。为因应此需求,利用石墨烯高透光特性开发透明散热涂料有其必要性。

当选用厚度接近单层石墨烯的材料作为散热涂料时,其颜色就会趋近于透明,如图5。表5则是这种散热料的散热效果比较。实验结果显示,透明散热涂料仅略差于前述石墨烯液体散热涂料,对比于空白片仍有10℃以上的温差表现。透明散热涂层的穿透度依喷涂工艺不同,可达70~85%,且若透过色粉调控,还可具有调色性。

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石墨烯散热片效能实测

由于石墨烯具有高热辐射系数,附着于金属表面可增加金属散热能力,因此若将石墨烯涂料以卷对卷涂布方式涂覆于铜箔的单一表面上,可进一步加强铜箔的散热能力。图6为石墨烯散热涂料涂布于铜箔或铝箔表面的示意图。

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图6 石墨烯散热涂料涂布于铜箔与铝箔示意图

进一步测试此种铜箔的散热效果,测试方式如图7所示,于未涂布散热涂料面贴附电热片作为热源,并量测该热源处温度Tj的变化,测试结果如表6所示。当石墨烯散热涂料涂布于厚度16μm的铜箔,涂层厚度30μm下,热源温度可由纯铜箔的88.9℃下降至83.3℃,虽然与人造石墨片相比仍有差距,不过经过石墨烯涂布的散热片仍比人造石墨片便宜,可说是介于铜箔与人造石墨片之间的解决方案。

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散热片一般通常针对大面积贴附整个载板进行散热,若需要针对单一IC元件散热不见得适用,尤其IC元件需要避免短路问题,散热片的绝缘性需大于1010~1012欧姆,无法直接贴附金属箔片。常见的解决办法是于金属箔片上再贴附一层聚醯亚胺膜作为绝缘层,不仅增加成本,也无法避免金属掉粉而导致的短路问题。

石墨烯具备优异的导热性,同时也拥有高导电性。不过,透过浆料配方的调整,可在相近的散热性能下,将石墨烯散热涂料的绝缘性拉升到1010欧姆以上,如此即可以单一绝缘散热层取代两层结构,不仅节省成本也完全避免短路问题。

图8所示为此种石墨烯绝缘散热片示意图,其构造为离型层,即石墨烯散热涂层加上背胶的结构,使用时以背胶贴上发热源后再撕除离型层变为单层结构,直接将石墨烯散热层裸露接触空气,达到最佳散热效果。

图8 石墨烯绝缘散热片

在散热效能上,绝缘散热贴片的散热表现测试方式是用7W功率驱动固定于3*3cm2铝片的电热片,铝片背面则贴上散热片,电热片使铝片发热后以铝片作为热源,等待约15分钟温度达平衡后比较热源温度的降温表现。表7结果显示,石墨烯绝缘散热贴片的散热效果优于一般商用散热片。从以上一系列测试可证明石墨烯散热涂料产品,在散热效能上具有良好的表现,并将调制成各式型态后可以满足各种产品的散热需求。

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石墨烯热界面材料

电子元件最常使用的散热方式是使用有具高导热性的散热鳍片与晶片贴合,并将由晶片散发的热量经由热对流或热辐射的形式释放至大气环境,而热的传递通常会先经由热材料再传至散热鳍片,其中热界面材料(Thermal Interface Material, TIM)主要用来贴合热源与散热鳍片并填补两者之间的缝隙。

如图9所示,两个同质或异质固体材料在平面接合处,不管使用多大的压力或研磨多平整,都不可能完全紧密接合,因为中间细微的不平整与起伏,都会造成接面仅有部分接触,其中的孔隙或孔洞存在有空气,而空气是极差的热传介质,在室温下热导值仅0.0242W/m?K,因此热传导途径将被空气阻碍,整体的导热瓶颈将被限制在接面处。热界面材料利用其本质的流动性或遇热软化甚至相变化特性,可充分填满两个接触面的孔洞或凹凸起伏,形成连续的低热阻散热途径,热量传导到低温环境使电子元件的工作温度下降。

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图9 两个材料间因为起伏与不平整造成的间隙

热界面材料分类

热界面材料从应用面来看,第一阶层构装用于裸晶片与封盖元件之间的热界面材料称为第一阶层热界面材料(TIM1),因为与发热量大的处理器晶片直接接触,TIM1必需具备低热阻与高导热的特性,热膨胀系数也必须与晶片匹配,因此胶体类的TIM较为适合。用于构装晶片外与散热器之间于第二阶层构装用热界面材料称为第二阶层热界面材料(TIM2)。TIM2的要求较TIM1低,使用导热膏或导热片作为TIM材料配合散热鳍片进行散热较为常见。图10所示为TIM1及TIM2分别在不同的电子构装阶层的位置与热能从晶片传导到散热鳍片的途径。

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图10 TIM1与TIM2位于构装内部的位置

一般热界面材料依形态可分为固态、胶态与相变化材料。固态热介面材料有导热垫片、导热填缝材、导热胶带及石墨片;胶态的有导热膏、接着固化型的导热胶或灌封胶。

通常而言,导热膏是以高分子为基底搭配陶瓷或金属填充粒子组成,其中矽氧树脂由于具有良好的热稳定性、润湿性和低弹性系数,是最普遍使用的高分子基材,而陶瓷填充粒子常用的是氧化铝、氮化硼、氧化锌和氧化矽等,银与铝则是较常见使用的金属填充粒子。当高分子基材与填充粒子充分混合后形成膏状,使用时将导热膏适量涂抹在接触面后,加压使散热膏溢流进孔洞并排出空气达到散热效果。

石墨烯热界面材料性能探究

为了解石墨烯实际上应用于热材料的性能,Khan等人以10vol.%的多层石墨烯为导热助剂,添加于环氧树脂中作为热材料,可增加2300%导热系数。添加2%于市售热界面材料(使用铝粉或氧化锌粉作为导热添加剂),则其导热系数K值可由5.8W/mK增加到14W/mK。

如图11所示,此数值比添加同样石墨或碳黑粒子所得到复合高分子材料的导热系数为佳。表8比较各种非碳、奈米碳管、石墨烯、石墨和钻石作为填充粒子在TIM的导热性能,在以相同的环氧树脂作为基材,并以雷射闪光法进行热传导测试的比较数据,石墨烯添加仅10vol.%于环氧树脂即达5.1W/mK,而银粒子填充到28vol.%时,仍只有3W/mK,而氮化铝粉体添加到40vol.%时,更仅有1.3W/mK,由此可知石墨烯应用在热材料相当具有潜力。

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就市场实际应用面来观察,现在市面上的主流导热膏,导热系数约落在25W/m?K之间居多,绝大多数使用陶瓷或是金属颗粒作为填充料,由于颗粒尺寸多属微米或次微米等级,因此填充量都在50wt%以上才能有明显的导热效果。而石墨烯属奈米材料,体积庞大,在相对少量的重量比添加量下,即有效填充于母体材料。

该石墨烯导热膏的效能测试如图12所示,以4.0V/1.6A驱动贴于3*3cm2大小铝片上的电热片,铝片与铝散热鳍片间的微空隙则以适量导热膏填补作为热界面,即时记录测试模组电热片温度。未使用导热膏的加热源温度为96℃,使用市售的中阶导热膏温度下降至92℃,而石墨烯高效能导热膏则可进一步降温至90℃。

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石墨烯导热性能优越发挥空间大

石墨烯有卓越的本质热传导系数,近黑体辐射0.99的热辐射发射率与特殊的平面传导机制,使得石墨烯运用在热管理产品的开发上方兴未艾。

本文简述了石墨烯应用于散热涂料、散热片与导热膏的实际表现,而石墨烯适用的散热产品领域远不仅于此,举凡需要提升导热性能的产品,只要均匀分散石墨烯于母体材料,都能有效达其目标。

总体而言,石墨烯超群的性能表现在研究开发上得到了许多验证,如何导入商品量产并兼顾成本效益,将是未来石墨烯散热产品发展是否成功的重要关键。

本文来自腾讯网,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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上一篇 2018年4月20日 18:03
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