專利名稱：水性散熱涂膜材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于各種機(jī)器設(shè)備和器件使用的水性散熱涂膜材料，它具有優(yōu) 異的散熱性能。
背景技術(shù)：
各種半導(dǎo)體設(shè)備、電動機(jī)的驅(qū)動裝置、各種集成電路、變換器、各種電子設(shè)備在使 用中會產(chǎn)生熱。近年來，人們追求設(shè)備的小型化和高性能化，如何高效去除設(shè)備和器件中產(chǎn) 生的熱量已經(jīng)成為器件工藝和材料研究的一個重要的課題。散熱機(jī)制可以分為主動式和被動式兩類。主動式是利用氣體或液體介質(zhì)循環(huán)散 熱。常見主動式散熱機(jī)制是風(fēng)扇氣冷或者泵水冷等，如熱管散熱系統(tǒng)，然而主動式散熱組 件的使用對一些需低音量或小體積的設(shè)備來說并非恰當(dāng)，因?yàn)轱L(fēng)扇的置入會導(dǎo)致聲響的產(chǎn) 生，而且還需要額外的空間來設(shè)置散熱組件，內(nèi)部空間的縮小會造成氣體對流受阻。此外， 加裝風(fēng)扇等額外的散熱組件不僅增加了加工技術(shù)的復(fù)雜程度，也大大增加了成本。從總體 上來說，額外的散熱組件的使用不符合設(shè)備小型化的發(fā)展趨勢。被動式散熱是通過使用一 些導(dǎo)熱性和散熱性好的材料，把組件運(yùn)作過程中產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至外部介質(zhì)中。被動式散 熱不如主動式散熱效果好，但在一些特殊的工作環(huán)境或者對使用有特殊要求的場合還是顯 得極為重要，需要大力發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)。目前常見的被動式散熱機(jī)制是用由導(dǎo)熱性和散熱性 佳的材料構(gòu)成的散熱組件與高溫表面接觸，通過外觀形態(tài)設(shè)計(jì)成大面積，使熱量由高溫表 面?zhèn)鲗?dǎo)至散熱組件后能快速傳導(dǎo)至外部介質(zhì)中，例如一些鋁制或銅制散熱鰭片。主動式和 被動式散熱機(jī)制可結(jié)合并用，如中央處理器或繪圖芯片上搭配帶有風(fēng)扇的散熱鰭片來達(dá)到 散熱降溫，以維持其溫度在正常工作溫度范圍內(nèi)。為了進(jìn)一步提高被動式散熱機(jī)制的效果，可以在散熱裝置(例如散熱用金屬塊、 片材、鰭片、液晶顯示器背光模塊的金屬背板、金屬或塑料外殼)上涂覆一層散熱涂膜。散 熱涂膜具有高熱導(dǎo)率和高熱輻射系數(shù)的特點(diǎn)，可以解決由于散熱裝置的材料熱輻射系數(shù)低 而導(dǎo)致無法將熱量快速散播到空氣當(dāng)中的問題。此外，散熱涂膜可以在不改變散熱裝置結(jié) 構(gòu)的情況下大大增加散熱裝置的散熱面積。散熱裝置的面積越大其散熱效果就會越好，但 是一般高熱導(dǎo)率的材料表面平滑而非呈凹凸?fàn)?，因此散熱面積受限，使得其散熱效果亦受 到限制。然而通過改變散熱裝置結(jié)構(gòu)以增大散熱面積的方法十分復(fù)雜，不僅需要改變整體 的設(shè)計(jì)，而且增加了制造的成本。因此，在不改變散熱裝置結(jié)構(gòu)的情況下，需要提供一種可 涂覆到散熱裝置上的散熱涂膜，使散熱裝置的表面形成不規(guī)則的凹凸面，以增加散熱裝置 表面的散熱面積，從而進(jìn)一步提升其散熱效果。目前已經(jīng)出現(xiàn)的散熱涂膜主要以含有有機(jī)溶劑的涂膜材料為主，這類涂膜雖然能 夠達(dá)到散熱的效果，但是由于含有可揮發(fā)性的有機(jī)物質(zhì)，有機(jī)溶劑的涂膜具有刺鼻的氣味， 不符合當(dāng)今綠色環(huán)保的需求。因此，散熱涂膜正向著無機(jī)水性的方向發(fā)展。本發(fā)明希望提供一種低成本并具有明顯散熱效果的無機(jī)水性散熱涂膜材料，以用 于各種機(jī)器設(shè)備的散熱應(yīng)用。發(fā)明者通過用某些無機(jī)涂膜材料在散熱體表面形成涂膜，綜合試驗(yàn)后找到了提高散熱效果的途徑，從而完成了本發(fā)明。本發(fā)明中所說的散熱是指把各 種機(jī)器設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中積累的熱向大氣中發(fā)散，從而抑制該設(shè)備的溫度上升。通常，各種 機(jī)器設(shè)備積累的熱量由散熱體放出，增強(qiáng)遠(yuǎn)紅外線的發(fā)射量是提高散熱體釋放熱量能力的 有效手段。本發(fā)明提供的涂膜是能夠增加遠(yuǎn)紅外線的發(fā)射量，從而使散熱體中積累的熱散 失的一種散熱材料
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種水性散熱涂膜材料。本發(fā)明所指的散熱體含有硅酸鈉或硅酸鉀的涂膜材料。除了硅酸鈉、硅酸鉀以外， 也可以使用其它的堿金屬硅酸鹽，例如硅酸鋰。而且，該涂膜還含有金屬氧化物，其中，氧化 硅、氧化鋁的效果比較合適。另外，該涂膜中還能含有氧化錫。氧化錫可以在硅酸鈉系或 硅酸鉀系涂膜材料中添加，也可以在添加有金屬氧化物的硅酸鈉系或硅酸鉀系涂膜材料中 再添加氧化錫，后者方法效果更好。本發(fā)明的涂膜材料所含有的金屬氧化物可以是硅酸鋁 (高嶺土)、硅酸鎂(滑石)、氧化硅、氧化鋁、氧化錫，以及氧化鈦、氧化鋯、氧化銻、氧化鍺、 氧化硼酸、氧化鈣、氧化鋇、氧化鍶、氧化鉍等。另外，涂膜中還能含有金屬氮化物，如氮化 硼、氮化鋯、氮化錫、氮化鍶、氮化鈦、氮化鋇等。本發(fā)明的涂膜中使用的金屬氧化物、金屬氮 化物等最好使用它們的微細(xì)粉末。上述材料的微細(xì)粉末可以在球磨機(jī)、碾磨機(jī)等粉碎設(shè)備 中制得。本發(fā)明的涂膜材料的基本成分是硅酸鈉或硅酸鉀。硅酸鈉和硅酸鉀可以溶解于水 得到它們的水溶液。硅酸鈉的水溶液是水玻璃。硅酸鈉或者硅酸鉀的水溶液可以在散熱體 表面噴涂，然后在大氣中干燥形成涂膜。涂膜的厚度大約是10 200微米，最好在20 100微米范圍內(nèi)。涂覆這樣涂膜的散熱體顯示出優(yōu)秀的散熱特征。比較涂覆與未涂覆這種 散熱涂膜材料的散熱鰭片表面的散熱情況，前者的表面溫度比后者降低2 10°C，極大地 提高了散熱體的散熱能力，從而大幅降低了機(jī)器設(shè)備的表面溫度，保證了設(shè)備及器件的正 常工作。硅酸鈉或硅酸鉀的水溶液中還可以添加氧化硅或氧化鋁的微粒子。這種情況下， 涂膜溶液就變成了懸濁液。用同樣的方法把該懸濁液在散熱體表面噴涂形成涂膜亦顯示顯 著的散熱效果。而且，還可以進(jìn)一步添加氧化錫的微細(xì)粉末。添加了氧化錫的涂膜材料顯 示更加優(yōu)異的散熱特性。噴涂時，涂膜溶液需要保持適當(dāng)?shù)谜扯龋虼?，最好根?jù)添加物的 種類以及添加量的不同添加適量的水來調(diào)節(jié)溶液的粘度。各種機(jī)器設(shè)備中使用的散熱體形態(tài)有板材、球狀突起、多褶子的鰭片，尤其是鰭片 被廣泛地使用。用本發(fā)明的噴涂液在鰭片散熱體表面形成涂膜后，該散熱體的散熱性能得 到了巨大地提高。散熱涂膜的制備可以用噴涂、刷涂或滾涂等方法把涂膜液直接涂覆到散 熱體的表面形成散熱涂膜。本散熱涂膜材料可以在已經(jīng)定形的散熱體表面涂覆，也可以先 在板材表面涂覆，等涂膜風(fēng)干后再把板材加工成所需要形狀的散熱體。本發(fā)明的涂膜材料含有硅酸鈉和硅酸鉀，硅酸鈉和硅酸鉀可以單獨(dú)使用，不過硅 酸鈉和硅酸鉀兩者的混合使用效果比較理想。兩者混合使用的情況下，硅酸鈉與硅酸鉀的 使用比例在0.5 7 1(固體含量，質(zhì)量比)時效果最好。在涂膜中，堿金屬硅酸鹽的含量 在3 30% (質(zhì)量比)時效果最好。另外，金屬氧化物在涂膜固體中的含量在12 92%(質(zhì)量比)時效果最好。氧化錫在涂膜固體中的含量在6 45% (質(zhì)量比)時效果最好。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明不僅僅限定于實(shí)施例(以 下說明中的溶液濃度都用質(zhì)量百分比濃度表示)。實(shí)施例1取濃度為54. 5%的硅酸鈉的水溶液140克和濃度為30. 0%的硅酸鉀的水溶液140 克混合，再添加200克水稀釋。在板狀散熱片上形成該溶液的涂膜，風(fēng)干后涂膜的厚度是40 微米。把該板狀散熱片安裝到半導(dǎo)體制造設(shè)備上，測定該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時散熱板上的平均溫度。 測定散熱板上六個不同部位的溫度，所得到的平均值是57. 5°C。作為對比，把另一塊相同 型號的未涂覆散熱涂膜的散熱板也安裝到同一臺半導(dǎo)體制造設(shè)備上，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時測定與前 述完全相同的六個部位的溫度，所得到的平均值是61. 5°C。測量兩塊散熱板的溫度時，半 導(dǎo)體制造設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)定完全相同。實(shí)驗(yàn)對比表明，所用的散熱涂膜有良好的散熱效 果。另外，上述濃度的硅酸鈉與硅酸鉀沒有用水稀釋的情況下，所獲得的散熱涂膜在受熱時 容易起泡，這表明涂覆液的粘度需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。實(shí)施例2取濃度為54. 5%的硅酸鈉的水溶液140克和濃度為30. 0%的硅酸鉀的水溶液140 克混合，再添加200克水稀釋。在稀釋后的水溶液中，添加二氧化硅微粉240克、氧化鋁微 粉160克和氧化錫微粉140克，充分混合攪拌后得到懸濁液。在板狀散熱片上形成該懸濁液 的涂膜，風(fēng)干后涂膜的厚度是45微米。把該板狀散熱片安裝到半導(dǎo)體制造設(shè)備上，測定該 設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時散熱板上的平均溫度。測定散熱板上六個不同部位的溫度，所得到的平均值是 57°C。作為對比，把另一塊相同型號的未涂覆散熱涂膜的散熱板也安裝到同一臺半導(dǎo)體制 造設(shè)備上，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時測定與前述完全相同的六個部位的溫度，所得到的平均值是62. 4°C。 測量兩塊散熱板的溫度時，半導(dǎo)體制造設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)定完全相同。實(shí)驗(yàn)對比表明，所用 的散熱涂膜有良好的散熱效果。本發(fā)明提供的是含有硅酸鈉或硅酸鉀的散熱涂膜材料，適用于增強(qiáng)各種設(shè)備散熱 體的散熱能力。該涂膜材料中除了含有硅酸鈉或硅酸鉀以外，還可以含有氧化硅、氧化鋁、 氧化錫、氧化鋯、氧化鈦以及其他金屬氧化物。使用本發(fā)明提供的涂膜材料的散熱體，散熱 性能獲得了明顯地改善。本發(fā)明的散熱效果對設(shè)備的小型化和低成本化都具有重要的意 義。而且，本發(fā)明提供的涂膜只要在散熱體表面涂覆就可以，工藝非常簡單。另外，涂膜的 顏色也可以根據(jù)需要任意調(diào)整和選擇。該涂膜與散熱體的結(jié)合強(qiáng)度非常高，因此，涂膜既可 以在散熱體成型后涂覆，也可以在散熱件成型加工前涂覆，在加工過程中，涂膜不會脫落。
權(quán)利要求
一種水性散熱涂膜材料，主要含有硅酸鈉和硅酸鉀。
2.按權(quán)利要求1所述的水性散熱涂膜材料，其特征在于硅酸鈉與硅酸鉀的使用比例 是0.5 7 1(質(zhì)量比)。
3.按權(quán)利要求1所述的水性散熱涂膜材料中含有金屬氧化物。
4.按權(quán)利要求3所述的水性散熱涂膜材料中含有的金屬氧化物是二氧化硅和氧化鋁。
5.按權(quán)利要求3所述的水性散熱涂膜材料，其特征在于金屬氧化物的含量是12 92% (質(zhì)量比)。
6.按權(quán)利要求1、或3所述的水性散熱涂膜材料含有氧化錫。
7.按權(quán)利要求6所述的水性散熱涂膜材料，其特征在于氧化錫的含量是6 45%(質(zhì) 量比)。
8 按權(quán)利要求1所述的水性散熱涂膜材料中含有碳化物。
9.按權(quán)利要求1、或3、或6、或8所述的水性散熱涂膜材料含有氮化物。
全文摘要
本發(fā)明提供一種水性散熱涂膜材料。要解決的技術(shù)問題是在不使用有機(jī)溶劑的前提下，獲得合成工藝簡單、散熱效果大的水性散熱涂膜材料。本發(fā)明采用的技術(shù)手段是以硅酸鈉或硅酸鉀等堿金屬鹽作為散熱涂膜的主要成分。散熱涂膜中添加適量的二氧化硅、氧化鋁之后，涂膜的散熱能力可以得到增強(qiáng)。而且，在涂膜中添加適量的氧化錫，涂膜的散熱效果可以進(jìn)一步獲得提高。散熱涂膜中還可以添加氧化鋯、氧化鈦等金屬氧化物、碳化硅等碳化物以及氮化鋁等氮化物。本發(fā)明中的涂膜散熱材料具有突出的散熱效果。本發(fā)明適用于各種機(jī)器設(shè)備和器件的散熱應(yīng)用。
文檔編號C09D5/00GK101864203SQ201010185620
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者史肖蕾, 陳益鋼, 陳銀兒 申請人:上海大學(xué)