一文讀懂石墨烯在電子器件散熱領域的應用！

最新 04-23

科技發展日新月異，現今電子設備趨向輕量薄型化，內部電子元件則越趨向於精密複雜，不僅內部元件散熱難度隨之提高，還須兼顧元件之間的電氣特性以避免短路，尤其發熱問題關係到產品的壽命以及其發揮效能所需的能量多寡。有鑒於此，輕薄短小的電子產品亟需更佳的散熱機制來解決所產生的高熱問題。

根據The Market for Thermal Management Technologies報告，熱管理產品在全球市場的市值預估可由2015年的107億美元成長至2021年的147億美元，年複合成長率（CAGR）為5.6%，不僅顯示熱管理是一重要產業，也代表市場上對熱管理產品的殷切需求。

電子系統散熱挑戰日益艱巨

石墨烯具有優異的熱傳導特性，且熱輻射係數超過0.95，因此無論就導熱、散熱或熱管理的角度來看，從電子元件、零組件到LED，石墨烯若能提供符合設計需求的產品型態，則可有效改善現行散熱產品的效能。圖1所示為現階段可應用於當前產業的石墨烯產品類型。本文將集中探討石墨烯應用於散熱塗料、散熱片與熱界面材料的應用現況。

圖1 石墨烯熱管理應用產品分類

目前業界解決電子元件或是LED元件散熱問題的方法可分為主動式散熱和被動式散熱。主動式散熱包含風扇強制散熱和電磁噴流散熱，其中風扇強制散熱顧名思義就是藉由風扇產生強力的空氣對流，將熱空氣導出熱源或燈具本體之外來進行散熱，使用風扇強制散熱可以藉由調控風扇轉速而有效的將熱排出，電腦或伺服器等電子產品若機構空間充足，大都以風扇進行強制散熱，不僅成本低廉且是相當有效的散熱方式。

被動式散熱則包含自然對流散熱與迴路熱管散熱，其中自然對流散熱是透過散熱器，例如散熱鰭片、燈具燈殼、系統電路板等和空氣進行直接接觸，散熱器周邊的空氣因吸收熱量成為熱空氣，接著熱空氣上升，冷空氣下降，自然就會帶動空氣產生對流，達到散熱的效果。對於機構空間有限的電子產品，如手機或平板電腦，乃至於LED燈源等不適合加裝風扇的產品，大多採用此種散熱方式。然而，此種方式的熱交換驅動力僅來自熱源與周圍空氣之溫差，加大接觸面積才能提高散熱效果。

隨著處理器的運作頻率不斷提高與高功率LED產品的推出，越來越多的廢熱需有更大的散熱表面積，然而採用自然對流方式的產品就是著眼於在有限空間之下提高散熱表面積，此法無異是有違初衷，而且散熱鰭片的材質雖然常選用熱傳導係數較高的鋁和銅等金屬材料，但是金屬的高熱傳導性只能有效將熱源的熱經由單一的點擴散到金屬面，降溫的機制仍然要靠金屬表面與空氣之間的溫度差以自然熱對流的形式發散，且一般金屬表面的熱輻射係數偏低，表面熱散能力相對不足，不利於以自然散熱為主的散熱模組。要進一步增加散熱效果，須提高熱輻射效率。

石墨烯散熱塗料解決燙手山芋

石墨烯除了先前所提具有非常優異的熱傳導係數之外，Matsumoto T.等人發現石墨烯的熱輻射發射率在紅外線範圍為0.99，非常接近理論黑體輻射的熱輻射發射率1，因此作為熱輻射散熱材料有相當大的潛力；相對於銅約0.09及鋁約0.02的熱輻射係數，石墨烯在散熱應用上，兼具了熱傳導與熱輻射的特性。

就現實使用環境考量，散熱塗料長期處高溫環境或冷熱交替環境中，實際應用上除要維持發揮散熱效果，還要考慮可靠度、機械強度、成本、加工性、附著性與耐候性等性能。

此外，若是應用於終端產品，外觀顏色勢必也是考量重點；直接應用於元件的塗料，則可能需要額外考量絕緣性問題。圖2為一商業化石墨烯散熱塗料的產品架構。

圖2 石墨烯散熱塗料產品架構

噴塗法簡單方便散熱效果/環保型有疑慮

以散熱鰭片而言，通常為結構複雜的不規則曲面，其最佳塗布方式即如噴漆一般，以低黏度液體漿料直接噴塗於鰭片表面，再行烘烤完成固化附著。這是最簡便，也是多數使用者最易操作的方式。然由於塗料是靠固化型樹脂作為黏結劑，將石墨烯附著於物件或鰭片表面，而所有樹脂類材料都是低熱傳導材料，因此石墨烯散熱塗層的熱傳導係數受樹脂影響，將無法與金屬比擬。

此作法的主要目的是在金屬表面形成一熱輻射層，因此塗層厚度通常介於10~30μm，塗層過厚反而可能因熱阻過大而影響散熱性能。圖3為散熱塗料實際噴塗於電子元件上的基材示意圖。

圖3 散熱塗料噴塗於各種基材示意圖

現今環保意識高漲，各國政府從法規層面上對產品環境友善性在法規上的限制越來越嚴苛，如歐盟在ROHS禁用物質與大陸十三五計畫對VOC排放的限制均是明顯例證。因此，液體類漿料所含有的有機溶劑越來越難通過環保法規。

石墨烯粉體相對環保然僅適用於金屬材質

石墨烯粉體散熱塗料正是改善此一限制的最佳選項之一，石墨烯粉體塗料的特點為不含溶劑，百分之百均為固成分，其主要作法是在高溫時將石墨烯粉體均勻與樹脂混合分散，即在高溫下石墨烯粉體與樹脂形成融熔狀態，再降溫造粒為粉體狀態。

在操作使用上，粉體塗料利用靜電槍帶電吸附於帶相反電荷的基材上，後續再經高溫固化轉變為一均勻塗層，其製程與汽車烤漆完全相同，由於必須利用電荷吸引的方式操作，因此基材必須被限制為金屬材料才能塗覆，而塗層厚度約50~100μm較液體塗裝厚，表1所示為液體散熱塗料與粉體散熱塗料的比較。

在散熱效果的表現上而言，下述分別以鋁板為基材，針對液體散熱塗料及粉體散熱塗料進行測試比較。測試方式敘述如下圖4所示，將石墨烯粉體散熱塗料單面噴塗於100*100*1mm的鋁板（左邊鋁板）上，在鋁板另一面以導熱膏黏附8瓦的LED，在驅動後等待15分鐘達到熱平衡，空白鋁片（右邊鋁板）熱源溫度Tj為80.5 ℃。測試得知石墨烯液體散熱塗料與粉體散熱塗料的熱源溫度Tj分別為68.6℃與66.1℃，皆有著12℃~15℃的顯著降溫表現，如表2所示。

由於散熱塗料對於散熱鰭片有顯著的增強效果，換句話說，若在相同的熱源溫度規範下，有散熱塗料塗覆的散熱鰭片僅需較小的散熱面積即可達成，相對可減少散熱鰭片的體積，使系統體積下降或降低鰭片成本。

表3所示即為不同尺寸鋁板噴塗散熱塗料後的結果，散熱塗料噴塗於散熱面積64cm2的鋁板，其熱源降溫表現已優於散熱面積100cm2的空白鋁板，由此測試結果可知石墨烯散熱塗料的使用，可在相同散熱表現下減少散熱模組至少30%以上的所需面積。

進一步將石墨烯粉體散熱塗料噴塗於模組廠實際使用的鋁金屬鰭片（Heat Sink），表4所示為結構相同但不同散熱面積的兩組散熱鰭片，由測試結果可看到，雖然兩種鰭片的空白測試溫度幾乎一致，但散熱面積較小的鰭片2降溫效果反而比鰭片1佳，此結果可推論為較大的鰭片1熱容值高，相對散熱影響因素的熱容、熱傳與熱逸散中，散熱塗料所增進的熱逸散影響因素在此測試下影響較小，導致其溫差效果不如鰭片2來的明顯。

散熱塗料所能表現的散熱效果受模組設計影響，若模組設計中熱能局限點主要為熱逸散階段，石墨烯粉體散熱塗料所表現的降溫效果會愈顯著。

在前述的應用測試中，鰭片1呈現白色，鰭片2則是呈現黑色。這也顯示，石墨烯散熱塗料對於有顏色考量的外觀件產品，未必能夠適用。為因應此需求，利用石墨烯高透光特性開發透明散熱塗料有其必要性。

當選用厚度接近單層石墨烯的材料作為散熱塗料時，其顏色就會趨近於透明，如圖5。表5則是這種散熱料的散熱效果比較。實驗結果顯示，透明散熱塗料僅略差於前述石墨烯液體散熱塗料，對比於空白片仍有10℃以上的溫差表現。透明散熱塗層的穿透度依噴塗工藝不同，可達70~85%，且若透過色粉調控，還可具有調色性。

石墨烯散熱片效能實測

由於石墨烯具有高熱輻射係數，附著於金屬表面可增加金屬散熱能力，因此若將石墨烯塗料以卷對卷塗布方式塗覆於銅箔的單一表面上，可進一步加強銅箔的散熱能力。圖6為石墨烯散熱塗料塗佈於銅箔或鋁箔表面的示意圖。

圖6 石墨烯散熱塗料塗佈於銅箔與鋁箔示意圖

進一步測試此種銅箔的散熱效果，測試方式如圖7所示，於未塗布散熱塗料面貼附電熱片作為熱源，並量測該熱源處溫度Tj的變化，測試結果如表6所示。當石墨烯散熱塗料塗佈於厚度16μm的銅箔，塗層厚度30μm下，熱源溫度可由純銅箔的88.9℃下降至83.3℃，雖然與人造石墨片相比仍有差距，不過經過石墨烯塗布的散熱片仍比人造石墨片便宜，可說是介於銅箔與人造石墨片之間的解決方案。

散熱片一般通常針對大面積貼附整個載板進行散熱，若需要針對單一IC元件散熱不見得適用，尤其IC元件需要避免短路問題，散熱片的絕緣性需大於1010~1012歐姆，無法直接貼附金屬箔片。常見的解決辦法是於金屬箔片上再貼附一層聚醯亞胺膜作為絕緣層，不僅增加成本，也無法避免金屬掉粉而導致的短路問題。

石墨烯具備優異的導熱性，同時也擁有高導電性。不過，透過漿料配方的調整，可在相近的散熱性能下，將石墨烯散熱塗料的絕緣性拉升到1010歐姆以上，如此即可以單一絕緣散熱層取代兩層結構，不僅節省成本也完全避免短路問題。

圖8所示為此種石墨烯絕緣散熱片示意圖，其構造為離型層，即石墨烯散熱塗層加上背膠的結構，使用時以背膠貼上發熱源後再撕除離型層變為單層結構，直接將石墨烯散熱層裸露接觸空氣，達到最佳散熱效果。

圖8 石墨烯絕緣散熱片

在散熱效能上，絕緣散熱貼片的散熱表現測試方式是用7W功率驅動固定於3*3cm2鋁片的電熱片，鋁片背面則貼上散熱片，電熱片使鋁片發熱後以鋁片作為熱源，等待約15分鐘溫度達平衡後比較熱源溫度的降溫表現。表7結果顯示，石墨烯絕緣散熱貼片的散熱效果優於一般商用散熱片。從以上一系列測試可證明石墨烯散熱塗料產品，在散熱效能上具有良好的表現，並將調製成各式型態後可以滿足各種產品的散熱需求。

石墨烯熱界面材料

電子元件最常使用的散熱方式是使用有具高導熱性的散熱鰭片與晶片貼合，並將由晶片散發的熱量經由熱對流或熱輻射的形式釋放至大氣環境，而熱的傳遞通常會先經由熱材料再傳至散熱鰭片，其中熱界面材料（Thermal Interface Material， TIM）主要用來貼合熱源與散熱鰭片並填補兩者之間的縫隙。

如圖9所示，兩個同質或異質固體材料在平面接合處，不管使用多大的壓力或研磨多平整，都不可能完全緊密接合，因為中間細微的不平整與起伏，都會造成接面僅有部分接觸，其中的孔隙或孔洞存在有空氣，而空氣是極差的熱傳介質，在室溫下熱導值僅0.0242W/m?K，因此熱傳導途徑將被空氣阻礙，整體的導熱瓶頸將被限制在接面處。熱界面材料利用其本質的流動性或遇熱軟化甚至相變化特性，可充分填滿兩個接觸面的孔洞或凹凸起伏，形成連續的低熱阻散熱途徑，熱量傳導到低溫環境使電子元件的工作溫度下降。

圖9 兩個材料間因為起伏與不平整造成的間隙

熱界面材料分類

熱界面材料從應用面來看，第一階層構裝用於裸晶片與封蓋元件之間的熱界面材料稱為第一階層熱界面材料（TIM1），因為與發熱量大的處理器晶片直接接觸，TIM1必需具備低熱阻與高導熱的特性，熱膨脹係數也必須與晶片匹配，因此膠體類的TIM較為適合。用於構裝晶片外與散熱器之間於第二階層構裝用熱界面材料稱為第二階層熱界面材料（TIM2）。TIM2的要求較TIM1低，使用導熱膏或導熱片作為TIM材料配合散熱鰭片進行散熱較為常見。圖10所示為TIM1及TIM2分別在不同的電子構裝階層的位置與熱能從晶片傳導到散熱鰭片的途徑。

圖10 TIM1與TIM2位於構裝內部的位置

一般熱界面材料依形態可分為固態、膠態與相變化材料。固態熱介面材料有導熱墊片、導熱填縫材、導熱膠帶及石墨片；膠態的有導熱膏、接著固化型的導熱膠或灌封膠。

通常而言，導熱膏是以高分子為基底搭配陶瓷或金屬填充粒子組成，其中矽氧樹脂由於具有良好的熱穩定性、潤濕性和低彈性係數，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鋁、氮化硼、氧化鋅和氧化矽等，銀與鋁則是較常見使用的金屬填充粒子。當高分子基材與填充粒子充分混合後形成膏狀，使用時將導熱膏適量塗抹在接觸面後，加壓使散熱膏溢流進孔洞並排出空氣達到散熱效果。

石墨烯熱界面材料性能探究

為了解石墨烯實際上應用於熱材料的性能，Khan等人以10vol.%的多層石墨烯為導熱助劑，添加於環氧樹脂中作為熱材料，可增加2300%導熱係數。添加2%於市售熱界面材料（使用鋁粉或氧化鋅粉作為導熱添加劑），則其導熱係數K值可由5.8W/mK增加到14W/mK。

如圖11所示，此數值比添加同樣石墨或碳黑粒子所得到複合高分子材料的導熱係數為佳。表8比較各種非碳、奈米碳管、石墨烯、石墨和鑽石作為填充粒子在TIM的導熱性能，在以相同的環氧樹脂作為基材，並以雷射閃光法進行熱傳導測試的比較數據，石墨烯添加僅10vol.%於環氧樹脂即達5.1W/mK，而銀粒子填充到28vol.%時，仍只有3W/mK，而氮化鋁粉體添加到40vol.%時，更僅有1.3W/mK，由此可知石墨烯應用在熱材料相當具有潛力。