專利名稱：具有金屬基底和石墨翼片的復(fù)合散熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠控制來(lái)自熱源的熱的散熱器，所述熱源例如電子裝置。
背景技術(shù)：
隨著越來(lái)越精密的電子設(shè)備的發(fā)展，可以產(chǎn)生相對(duì)極端的溫度，所述電子設(shè)備包括能夠提高處理速度并具有更高頻率、具有更小尺寸以及更為復(fù)雜的動(dòng)力需求、并顯示其它技術(shù)進(jìn)步的裝置，例如微處理器、位于電子組件、電學(xué)組件和系統(tǒng)以及例如高功率光學(xué)裝置等其它裝置中的集成電路。然而，微處理器、集成電路和其他精密的電子組件通常僅僅在特定的閾值溫度范圍內(nèi)有效工作。在這些組件運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)量的熱不僅會(huì)損害它們自身的性能，而且還可能使整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性降低，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)故障。電子系統(tǒng)預(yù)期工作的環(huán)境條件的范圍不斷擴(kuò)大，包括溫度極限，將加劇過(guò)量熱的負(fù)面效果。
隨著對(duì)來(lái)自微電子裝置的熱消散的需求的不斷增加，熱量管理在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中成為越來(lái)越重要的元素。電子設(shè)備的性能可靠性和預(yù)期壽命與設(shè)備的組件溫度呈負(fù)相關(guān)。例如，減少例如典型的硅半導(dǎo)體等裝置的操作溫度與裝置的處理速度、可靠性和預(yù)期壽命的增加相對(duì)應(yīng)。因此，為了使組件的壽命和可靠性達(dá)到最大，將裝置的運(yùn)行溫度控制在設(shè)計(jì)者設(shè)定的限值范圍內(nèi)是至關(guān)重要的。
利用幾種類型的散熱組件有利于對(duì)來(lái)自電子裝置的熱進(jìn)行消散。本發(fā)明直接適用于翼片狀散熱器(heat sink)。
這些散熱器有利于將來(lái)自熱源表面的熱消散至溫度更低的環(huán)境，所述熱源例如產(chǎn)熱電子裝置，環(huán)境通常為空氣。散熱器的目的是增加電子裝置和周圍空氣之間的傳熱效率，其主要通過(guò)增加與空氣或其它傳熱介質(zhì)直接接觸的表面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。其允許更多的熱被消散，從而降低電子裝置的運(yùn)行溫度。熱消散組件的主要目的在于有助于將裝置的溫度維持在低于設(shè)計(jì)者/生產(chǎn)商指定的最大容許溫度以下。
典型地，所述散熱器由金屬，尤其是銅或鋁形成，其原因是類似于銅的金屬具有易于吸收熱并將其傳遞至整個(gè)結(jié)構(gòu)的能力。銅散熱器通常形成有翼片或其它結(jié)構(gòu)以增加散熱器的表面積，空氣被迫穿過(guò)或通過(guò)翼片(例如通過(guò)風(fēng)扇)從而將來(lái)自電子組件的熱通過(guò)銅散熱器之后再經(jīng)空氣消散。
使用銅或鋁熱消散元件由于金屬的重量會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，尤其是當(dāng)熱消散組件的傳熱面積顯著大于電子裝置的傳熱面積時(shí)。例如，純銅每立方厘米重8.96克(g/cm3)，純鋁重2.70g/cm3。
例如，在很多應(yīng)用中，需要將若干個(gè)散熱器設(shè)置在例如電路板上以消散板上各種組件產(chǎn)生的熱。如果采用金屬散熱器，板上金屬的凈重可以增加板斷裂的可能性或者增加其它同樣不期望出現(xiàn)的效果的機(jī)率，而且還增加了組件自身的重量。對(duì)于便攜式電子裝置，尤其需要降低重量同時(shí)保持熱消散特性的任何方法。
另一組適用于散熱器的材料為通常所知的石墨材料，尤其是例如基于天然石墨和以下所述的柔性石墨等的石墨。這些材料為各向異性的，允許將散熱器設(shè)計(jì)成優(yōu)先以選定的方法傳熱。同樣，石墨材料在重量上輕得多，由此比銅或鋁具有許多優(yōu)勢(shì)。
石墨由碳原子六角形陣列的薄層平面或碳原子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。這些六角形排列的碳原子的薄層平面基本為平的，它們的排列或定向使得相互之間基本為平行和等距離的。通常被稱為碳素網(wǎng)層或基底平面的基本為平的、相互平行并等距離的碳原子薄片或?qū)酉嗷ミB接或結(jié)合，所形成的組排列成微晶體。高度有序的石墨由相當(dāng)大的微晶體構(gòu)成微晶體相互之間高度對(duì)齊或定向，具有非常有序的碳層。換言之，高度有序的石墨具有高度的擇優(yōu)微晶體定向。應(yīng)注意到，石墨具有各向異性結(jié)構(gòu)，因此顯示或擁有很多極具方向性的性能，例如導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和流體擴(kuò)散性。
簡(jiǎn)言之，石墨可以具有層狀碳結(jié)構(gòu)的特性，也就是說(shuō)，由通過(guò)弱范德華力連接在一起的碳原子疊加層或薄片構(gòu)成的結(jié)構(gòu)?？紤]石墨結(jié)構(gòu)時(shí)，通常應(yīng)注意兩個(gè)軸或方向，即，“c”軸或方向以及“a”軸或方向。簡(jiǎn)單地講，“c”軸或方向可以認(rèn)為是垂直于碳層的方法?！癮”軸或方向可以認(rèn)為是平行于碳層或垂直于“c”方向的方向。適于生產(chǎn)柔性石墨片層的石墨具有高度的方向性。
如上所述，使碳原子平行層保持在一起的結(jié)合力僅僅為弱的范德華力?？梢詫?duì)天然石墨進(jìn)行處理，從而疊加的碳層或薄片之間的間距可以充分打開(kāi)從而在垂直于層的方向上即在“c”方向上顯著膨脹，由此形成擴(kuò)大或膨脹的石墨結(jié)構(gòu)，其中基本保持了碳層的層狀結(jié)構(gòu)。
可以不采用粘合劑使經(jīng)過(guò)顯著膨脹尤其是膨脹至最終厚度或“c”方向的大小為原始“c”方向大小的80或更多倍的石墨片形成凝聚或整合在一起的膨脹石墨片層，例如網(wǎng)、紙張、條、帶、箔片、墊等(典型地稱為“柔性石墨”)。據(jù)信，由于容積膨脹的石墨顆粒之間的機(jī)械連接或結(jié)合使得可以不采用任何粘合材料而通過(guò)壓縮使膨脹致最終厚度或“c”方向的大小為原始“c”方向大小的80或更多倍的石墨顆粒形成一體的柔性片層。
除了柔性之外，如上所述，還發(fā)現(xiàn)，由于高度壓縮，例如輥筒軋壓，導(dǎo)致膨脹的石墨顆粒和石墨層的方向基本平行于所述片層的相對(duì)面，從而片層材料具有高度的各向異性，就導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及流體擴(kuò)散性而言，可以與天然石墨起始材料相比。由此得到的片層材料具有優(yōu)異的柔性、好的強(qiáng)度以及高度的方向性。
簡(jiǎn)言之，生產(chǎn)柔性、無(wú)粘合劑的各向異性石墨片層材料，例如網(wǎng)、紙張、條、帶、箔片、墊等，包括在預(yù)定負(fù)荷以及無(wú)粘合劑的條件下壓縮或壓緊在“c”方向的大小為原始顆粒大小的80或更多倍的經(jīng)膨脹的石墨顆粒，從而形成基本為平的、柔性、一體的石墨片層。所述通常外觀為蠕蟲(chóng)狀或蚯蚓狀的膨脹石墨顆粒一旦壓縮，將維持壓縮形變，與所述片層的相對(duì)的主要表面對(duì)齊?？梢酝ㄟ^(guò)控制壓縮程度來(lái)改變所述片層材料的密度和厚度。片層材料的密度可以為大約0.04g/cm3至大約2.0g/cm3。由于石墨顆粒與片層的主要的、相對(duì)的、平行的表面相平行，因此所述柔性石墨片層材料的各向異性相當(dāng)高，當(dāng)對(duì)片層材料進(jìn)行輥筒軋壓以增加方向性時(shí)，各向異性增加。在對(duì)各向異性的片層材料進(jìn)行輥筒軋壓時(shí)，厚度即垂直于相對(duì)的平行片層表面的方向包括“c”方向和沿著長(zhǎng)度和寬度延伸的方向，即沿著或平行于相對(duì)的、主要表面的方向包括“a”方向，片層的熱、電和流體擴(kuò)散性能在“c”和“a”方向的強(qiáng)度變化非常大。
仍然需要改善散熱器的設(shè)計(jì)，從而與現(xiàn)有設(shè)計(jì)相比，提供相對(duì)高的導(dǎo)熱率和相對(duì)低的重量。
本發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明提供了一種散熱器設(shè)備，其包括導(dǎo)熱率至少為大約150W/m0K的金屬基底，以及多個(gè)連接在所述基底上的翼片，所述翼片由各向異性的石墨材料構(gòu)成，所述石墨材料在垂直于基底的方向上具有相對(duì)高的導(dǎo)熱率。
在本發(fā)明的特定實(shí)施方式中，所述基底可以由銅或鋁構(gòu)成。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種經(jīng)改良的散熱器設(shè)計(jì)，對(duì)電子裝置進(jìn)行熱量管理。
本發(fā)明的另一目的是提供一種復(fù)合散熱器設(shè)計(jì)，其具有金屬基底以及由各向異性的石墨材料構(gòu)成的翼片。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有銅基底和石墨翼片的復(fù)合散熱器，其提供的熱性能與全銅散熱器幾乎相同，但是重量低于全銅散熱器。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有鋁基底和多個(gè)石墨翼片的散熱設(shè)備，從而所述散熱設(shè)備的熱性能優(yōu)于具有類似大小的全鋁散熱器，同時(shí)其重量不大于全鋁散熱器。
通過(guò)閱讀以下的公開(kāi)內(nèi)容并結(jié)合附圖，本發(fā)明的其它和進(jìn)一步的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的。
附

圖1為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的散熱器的頂視平面圖。
附圖2為附圖1所示散熱器的側(cè)視平面圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式如所述的，可以構(gòu)成本發(fā)明散熱器的一種材料為石墨片層材料。在描述所述散熱器的結(jié)構(gòu)之前，將對(duì)石墨及其形成柔性片層進(jìn)行簡(jiǎn)短描述。
制備柔性石墨片層石墨為晶體形式的碳，包括共價(jià)連接在平坦的分層平面上的原子，各平面之間具有更弱的結(jié)合力。用嵌入劑(intercalant)例如硫酸和硝酸的溶液處理石墨顆粒，例如天然石墨片，所述石墨的晶體結(jié)構(gòu)反應(yīng)形成石墨和嵌入劑的化合物。經(jīng)處理的石墨顆粒在下文稱為“經(jīng)嵌入的石墨顆?！?。當(dāng)暴露于高溫時(shí)，石墨內(nèi)的嵌入劑降解并蒸發(fā)，導(dǎo)致經(jīng)嵌入的石墨顆粒在“c”方向即垂直于石墨的晶體狀平面的方向上膨脹至原體積的大約80倍或更多。所述脫落的石墨顆粒在外觀上呈蚯蚓狀，由此通常稱為蠕蟲(chóng)(worm)。所述蠕蟲(chóng)可以壓縮在一起形成柔性片層，所述柔性片層與原始的石墨片不同，其可以形成以及被切割成各種性狀。
適用于本發(fā)明的石墨起始材料包括能夠嵌入有機(jī)和無(wú)機(jī)酸以及鹵素的具有高含量石墨碳的材料，所述材料在暴露于熱時(shí)膨脹。這些具有高含量石墨碳的材料最優(yōu)選具有大約1.0的石墨化程度。如在本公開(kāi)內(nèi)容中所述，術(shù)語(yǔ)“石墨化程度”是指根據(jù)以下公式的值gg=3.45·d(002)0.095]]>其中d(002)為晶體結(jié)構(gòu)中碳石墨層之間的間距，用埃單位表示。石墨層之間的間距d用標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射技術(shù)測(cè)量。測(cè)量對(duì)應(yīng)于(002)、(004)和(006)Miller指數(shù)的衍射峰的位置，采用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法推導(dǎo)間距，使得所有這些峰的總體誤差降至最低。具有高含量石墨碳的材料的例子包括各種來(lái)源的天然石墨，以及其它含碳材料，例如通過(guò)化學(xué)氣相沉積、聚合物高溫分解以及通過(guò)熔融金屬溶液結(jié)晶而制備的石墨等等。最優(yōu)選的是天然石墨。
本發(fā)明中采用的石墨起始材料可以含有非石墨組分，只要所述起始材料的晶體結(jié)構(gòu)保持所需的石墨化程度而且能夠脫落。通常，其晶體結(jié)構(gòu)具有所需的石墨化程度并且能夠脫落的任何含碳的材料都可以用于本發(fā)明。所述石墨優(yōu)選具有至少重量百分比大約為80％的純度。更優(yōu)選地，本發(fā)明采用的石墨具有至少大約94％的純度。在最佳實(shí)施方式中，所采用的石墨的純度為至少大約98％。
在Shane等的美國(guó)專利No.3404061中描述了常用的生產(chǎn)石墨片層的方法，所述專利的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用的方法結(jié)合至本文。在Shane等方法的通常實(shí)踐中，將天然石墨片分散在含有例如硝酸和硫酸混合物的溶液中對(duì)石墨片進(jìn)行嵌入，有利地是，其嵌入水平為每100份重量的石墨片有大約20至大約300份重量的嵌入溶液(pph)。所述嵌入溶液含有本領(lǐng)域公知的氧化劑和其他嵌入劑。例子包括含有氧化劑和氧化混合物的嵌入溶液，例如含有硝酸、氯酸鉀、鉻酸、高錳酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀和高氯酸等，或者例如含有濃硝酸和氯酸鹽、鉻酸和磷酸、硫酸和硝酸的混合物，或者含有強(qiáng)有機(jī)酸例如三氟乙酸和可溶于所述有機(jī)酸的強(qiáng)氧化劑的混合物。另外，可以采用電勢(shì)以氧化石墨。能夠通過(guò)電解氧化而引入石墨晶體的化學(xué)物質(zhì)包括硫酸和其它酸。
在一優(yōu)選實(shí)施方式中，所述嵌入劑為硫酸和氧化劑的混合物或者硫酸和磷酸以及氧化劑的混合物，所述氧化劑即硝酸、高氯酸、鉻酸、高錳酸鉀、過(guò)氧化氫、碘酸或高碘酸等。盡管不是優(yōu)選，但是所述嵌入溶液可以含有金屬鹵化物，例如氯化鐵、與硫酸混合的氯化鐵，或者含有鹵化物，例如溴，如溴和硫酸的溶液或位于有機(jī)溶劑中的溴。
嵌入溶液的量可以為大約20至大約350pph，更典型地為大約40至大約160pph。在對(duì)石墨片嵌入之后，將過(guò)量的溶液從石墨片中除去，用水清洗石墨片?；蛘撸度肴芤旱牧靠梢韵拗圃诖蠹s10至大約40pph，其允許省略清洗步驟，如美國(guó)專利No.4895713中所教導(dǎo)和描述的，該申請(qǐng)公開(kāi)的內(nèi)容通過(guò)引用的方式結(jié)合至本文。
用嵌入溶液處理過(guò)的石墨片顆?？梢匀芜x地與還原有機(jī)劑接觸，例如通過(guò)混合的方式，所述還原有機(jī)劑選自醇類、糖、醛和酯，它們與氧化嵌入溶液的表面膜在25℃至125℃的溫度下反應(yīng)。適當(dāng)?shù)奶囟ㄓ袡C(jī)劑包括十六醇、十八醇、1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10-癸二醇、癸醛、1-丙醇、1，3-丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、馬鈴薯淀粉、乙二醇單硬脂酸酯、二甘醇二苯甲酸酯、丙二醇單硬脂酸酯、甘油單硬脂酸酯、草酸二甲(dimethyl oxylate)、草酸二乙酯(diethyl oxylate)、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗壞血酸和木質(zhì)素衍生的化合物，例如木質(zhì)硫酸鈉。有機(jī)還原劑的量適當(dāng)?shù)貫槭w粒重量的大約0.5至4％。
也可以在嵌入之前、過(guò)程中或者在嵌入之后立即加入膨脹輔助劑以實(shí)現(xiàn)改善。這些改善可以是降低的脫落溫度以及增加的膨脹體積(也稱為蠕蟲(chóng)膨脹)。在該文中，膨脹輔助劑有利地為充分溶解在嵌入溶液中的有機(jī)材料，從而改善膨脹。更狹義而言，可以采用這種類型的含碳、氫和氧的有機(jī)材料，優(yōu)選全部。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)羧酸尤其有效?？捎米髋蛎涊o助劑的適當(dāng)?shù)聂人峥梢赃x自具有至少一個(gè)碳原子、優(yōu)選最多有大約15個(gè)碳原子的芳香族、脂肪族或脂環(huán)族的、直鏈或支鏈的、飽和和不飽和單羧酸、二羧酸和多羧酸，所述酸溶解在嵌入溶液中的量能夠有效改善脫落的一個(gè)或多個(gè)方面，所述改善可以進(jìn)行測(cè)量。可以采用適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑以提高有機(jī)膨脹輔助劑在嵌入溶液中的溶解度。
飽和脂肪族羧酸的代表性例子為例如分子式為H(CH2)nCOOH的酸，其中n為0至大約5的數(shù)值，包括蟻酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。還可以采用酸酐或活性羧酸衍生物例如烷基酯來(lái)代替羧酸。烷基酯的代表性例子為甲酸甲酯、甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它公知的含水嵌入劑具有將蟻酸降解成水和二氧化碳的能力。因此，在將石墨片浸入含水嵌入劑之前，有利地是將蟻酸和其他敏感的膨脹輔助劑與石墨片接觸。二羧酸的代表為具有2-12碳原子的脂肪族二羧酸，尤其是草酸、延胡索酸、丙二酸、馬來(lái)酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊二羧酸、1，6-己二羧酸、1，10-癸二羧酸、環(huán)己烷-1，4-二羧酸，和芳香族二羧酸，例如鄰苯二甲酸、對(duì)苯二甲酸。烷基酯的代表性例子為草酸二甲酯(dimethyl oxylate)和草酸二乙酯(diethyl oxylate)。脂環(huán)族酸的代表例子為環(huán)己烷羧酸，芳香羧酸的代表例子為苯甲酸、萘酸、鄰氨基苯甲酸、對(duì)氨基苯甲酸、水楊酸、鄰、間、對(duì)甲基苯甲酸、甲氧基和乙氧基苯甲酸、乙酰乙酸氨基苯甲酸、乙酰氨基苯甲酸、苯乙酸、萘酸。羥基芳香酸的代表性例子為羥基苯甲酸、3-羥基-1-萘酸、3-羥基-2-萘酸、4-羥基-2-萘酸、5-羥基-1-萘酸、5-羥基-2-萘酸、6-羥基-2-萘酸、7-羥基-2-萘酸。多羧酸中最突出的是檸檬酸。
嵌入溶液可以是含水的，優(yōu)選含有大約1-10％的膨脹輔助劑，所述量能夠有效增強(qiáng)脫落。在將石墨片浸入含水嵌入劑之前或之后使膨脹輔助劑與石墨片接觸的實(shí)施方式中，所述膨脹輔助劑可以通過(guò)適當(dāng)?shù)难b置與石墨混合，例如V-攪拌器，所述膨脹輔助劑的量典型地為石墨片重量的大約0.2％至大約10％。
在嵌入石墨片之后，將涂覆有嵌入劑的嵌入石墨片與有機(jī)還原劑混合，然后將混合物暴露于25℃-125℃，從而促進(jìn)還原劑和嵌入劑涂層的反應(yīng)。加熱時(shí)間高達(dá)大約20小時(shí)，在上述溫度范圍的較高溫度下進(jìn)行短暫的加熱，例如至少大約10分鐘。在所述較高溫度下可以采用半小時(shí)或更少時(shí)間的倍數(shù)，例如大約10-25分鐘。
在石墨化溫度下對(duì)石墨片進(jìn)行預(yù)處理以及在嵌入劑中加入潤(rùn)滑添加劑可以有利地加強(qiáng)上述嵌入和脫落石墨片的方法，所述石墨化溫度即大約3000℃及更高的溫度。
當(dāng)接下來(lái)對(duì)石墨片進(jìn)行嵌入和脫落時(shí)，對(duì)石墨片進(jìn)行預(yù)處理或退火會(huì)顯著增加膨脹(即，將膨脹體積增加至大約300％或更高)。實(shí)際上，較為可取的是，與沒(méi)有退火步驟的類似處理相比，膨脹增加至少為50％。退火步驟的溫度不應(yīng)顯著低于3000℃，這是因?yàn)橹灰獪囟鹊?00℃將導(dǎo)致膨脹顯著降低。
在本發(fā)明中進(jìn)行一段時(shí)間的退火，退火持續(xù)的時(shí)間足以使石墨片在嵌入和接下來(lái)的脫落中膨脹度增加。典型地，所需的時(shí)間為1小時(shí)或更多，優(yōu)選1至3小時(shí)，而且最有利的是在惰性環(huán)境中進(jìn)行。為了得到最佳的有益效果，所述經(jīng)退火的石墨片還經(jīng)歷本領(lǐng)域公知的其它工藝以增加膨脹度-即在有機(jī)還原劑存在的條件下進(jìn)行嵌入，嵌入輔助劑例如有機(jī)酸，在嵌入之后用表面活性劑進(jìn)行清洗。而且，為了得到最佳的有益效果，可以重復(fù)進(jìn)行嵌入步驟。
可以在感應(yīng)電爐以及其它石墨化領(lǐng)域知曉并公認(rèn)的類似設(shè)備實(shí)施本發(fā)明的退火步驟；此處采用的在3000℃范圍內(nèi)的溫度位于石墨化工藝采用的溫度范圍的高的一端。
由于已經(jīng)觀察到采用石墨在嵌入之前進(jìn)行退火而得到的蠕蟲(chóng)有時(shí)會(huì)“聚集”在一起，其將對(duì)面積重量的均一性產(chǎn)生不良影響，因此非常需要一種幫助形成“自由流動(dòng)”蠕蟲(chóng)的添加劑。在嵌入溶液中加入潤(rùn)滑添加劑有利于蠕蟲(chóng)在壓縮設(shè)備床(例如，通常將石墨蠕蟲(chóng)壓縮或“軋光”成一體石墨物品的軋光臺(tái)機(jī)床)上更加均勻地分布。因此，得到的物品具有更高的面積重量均一性以及更大的抗張強(qiáng)度。所述潤(rùn)滑添加劑優(yōu)選為長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔?，更?yōu)選地為具有至少約10個(gè)碳原子的碳?xì)浠衔?。還可以采用具有長(zhǎng)鏈碳?xì)浠鶊F(tuán)的其它有機(jī)化合物，即使該有機(jī)化合物還存在其他功能基團(tuán)。
更優(yōu)選地是，所述潤(rùn)滑添加劑為油，最優(yōu)選為礦物油，特別是考慮到礦物油不易變腐和沒(méi)有臭味這樣一個(gè)事實(shí)，這在長(zhǎng)期存儲(chǔ)中是一個(gè)重要的考慮因素。應(yīng)注意，以上詳細(xì)描述的某些膨脹輔助劑也滿足潤(rùn)滑添加劑的定義。當(dāng)這些材料用作膨脹輔助劑時(shí)，有可能不需要在嵌入劑中加入單獨(dú)的潤(rùn)滑添加劑。
潤(rùn)滑添加劑在嵌入劑中的量至少為大約1.4pph，優(yōu)選至少大約1.8pph。盡管含有的潤(rùn)滑添加劑的上限量并不如下限量那樣至關(guān)重要，但是當(dāng)潤(rùn)滑添加劑的量超過(guò)大約4pph時(shí)并不具有任何顯著的額外優(yōu)勢(shì)。
經(jīng)過(guò)這樣處理的石墨顆粒有時(shí)稱為“嵌入石墨顆粒”。當(dāng)暴露于高溫時(shí)，例如至少大約160℃，尤其大約700℃至1000℃及更高時(shí)，所述嵌入的石墨顆粒在c方向即垂直于成分石墨顆粒的晶體平面的方向上以類似于手風(fēng)琴的方式膨脹至原體積的大約80至1000倍或更多。所述經(jīng)膨脹即脫落的石墨顆粒在外觀上呈蚯蚓狀，由此通常稱為蠕蟲(chóng)。與原始石墨片不同，所述蠕蟲(chóng)可以被壓縮在一起形成柔性片層，所述片層可以形成以及被切割呈各種形狀。
柔性石墨片層和箔片凝聚在一起，具有良好的處理強(qiáng)度，而且適合壓縮，例如通過(guò)輥筒軋壓將其壓縮至厚度大約0.075mm至3.75mm，典型的密度為0.1至1.5克每立方厘米(g/cm3)。可以將重量百分比大約1.5-30％的陶瓷添加劑與經(jīng)嵌入的石墨片相混合，如美國(guó)專利No.5902762(通過(guò)引用的方式結(jié)合至本文)中所述，從而使最終的柔性石墨產(chǎn)品中含有增強(qiáng)樹(shù)脂。所述添加劑包括長(zhǎng)度為大約0.15至1.5毫米的陶瓷纖維顆粒。所述顆粒的寬度適當(dāng)?shù)貫榇蠹s0.04至0.004mm。所述陶瓷纖維顆粒不與石墨顆粒反應(yīng)，而且也不與石墨顆粒黏附，在高達(dá)大約1100℃的溫度，優(yōu)選大約1400℃或更高的溫度下保持穩(wěn)定。適當(dāng)?shù)奶沾衫w維顆粒由浸化的石英玻璃纖維、碳纖維和石墨纖維、氧化鋯、氮化硼、碳化硅和氧化鎂纖維、天然形成的礦物纖維，例如偏硅酸鈣纖維、硅酸鈣纖維、氧化鋁纖維等形成。
有利地是，所述柔性石墨片層有時(shí)還可以用樹(shù)脂進(jìn)行處理，在固化之后吸收的樹(shù)脂增加柔性石墨片層的抗?jié)裥院吞幚韽?qiáng)度即硬度，而且還“固定”片層的形態(tài)。適當(dāng)?shù)臉?shù)脂含量?jī)?yōu)選低于大約60重量％，更優(yōu)選低于大約3 5重量％，最優(yōu)選大約4重量％至大約15重量％。在本發(fā)明的實(shí)施中發(fā)現(xiàn)尤其有用的樹(shù)脂包括基于丙烯酸-、環(huán)氧-和酚醛的樹(shù)脂系統(tǒng)，或它們的混合物。適當(dāng)?shù)沫h(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)包括那些基于二環(huán)氧丙酯或雙酚A(DGEBA)的樹(shù)脂系統(tǒng)以及其它的多功能樹(shù)脂系統(tǒng)；可以采用的酚醛樹(shù)脂包括可溶酚醛樹(shù)脂和酚醛清漆樹(shù)脂。
另外，本發(fā)明的柔性石墨可以采用經(jīng)再次研磨的柔性石墨材料顆粒，而不是新的經(jīng)膨脹的蠕蟲(chóng)。所述經(jīng)再次研磨的材料可以為新形成的材料、回收材料、廢料或任何其它適當(dāng)來(lái)源。
而且，本發(fā)明的工藝還可以采用原材料和回收材料的混合物。
回收材料的原始材料可以為經(jīng)過(guò)上述壓縮成型但是還沒(méi)有注入樹(shù)脂的物品或物品的修整部分或已經(jīng)用例如預(yù)砑光輥筒壓縮的片層。而且，所述原始材料可以注入仍然沒(méi)有固化的樹(shù)脂，或者注入固化的樹(shù)脂。所述原始材料還可以是經(jīng)回收的柔性石墨燃料電池組分例如流場(chǎng)板或電極?？梢圆捎酶鞣N來(lái)源的石墨或者與天然石墨片混合。
一旦得到柔性石墨的原始材料，則可以通過(guò)公知的工藝或裝置例如噴射研磨機(jī)、空氣研磨機(jī)、攪拌機(jī)等將其粉碎以制成顆粒。優(yōu)選地，大部分顆粒的直徑使得其能夠通過(guò)20U.S.目；更優(yōu)選地，大部分(多于大約20％，更優(yōu)選多于大約50％)不能通過(guò)80U.S.目。最優(yōu)選地是，所述顆粒的粒度不大于大約20目。當(dāng)注入樹(shù)脂的柔性石墨被粉碎時(shí)，較為可取地是冷卻所述柔性石墨，以防止熱對(duì)樹(shù)脂系統(tǒng)產(chǎn)生損害。
選擇粉碎后的顆粒的大小以平衡石墨顆粒的機(jī)械加工性和可成形以及所需的熱特性。因此，較小的顆?？梢允故锲芬子诩庸ず突虺尚危^大的顆粒將導(dǎo)致石墨顆粒具有較高的各向異性，以及由此更大的平面內(nèi)導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率。
一旦原始材料被粉碎(如果原始材料已經(jīng)注入樹(shù)脂，則優(yōu)選將樹(shù)脂從顆粒中除去)，然后再次膨脹。可以通過(guò)上述以及Shane等的美國(guó)專利No.3404061和Greinke等的美國(guó)專利No.4895713中所述的嵌入和脫落工藝進(jìn)行再次膨脹。
典型地，嵌入之后，通過(guò)在爐中加熱所述經(jīng)嵌入的顆粒，對(duì)顆粒進(jìn)行脫落。在脫落步驟中，可以將經(jīng)嵌入的天然石墨片加入所述回收的嵌入顆粒中。優(yōu)選地，在再次膨脹步驟中，顆粒膨脹至具有至少大約100cc/g直至350cc/g或更大的特定體積。最后，在再次膨脹步驟之后，所述經(jīng)再次膨脹的顆?？梢匀缟纤鰤嚎s成凝聚材料并注入樹(shù)脂。
根據(jù)前述描述制備成的石墨材料還通常被稱為脫落石墨的經(jīng)壓縮顆粒。由于所述材料注入樹(shù)脂，則在將片層用于預(yù)定用途例如電子熱量管理時(shí)，需要將片層中的樹(shù)脂固化。
制備優(yōu)選的石墨材料以下所述的散熱器的石墨翼片優(yōu)選由注入樹(shù)脂的石墨材料構(gòu)成，所述石墨材料由Norley等人于2004年4月23日提交的題目為“注滿樹(shù)脂的柔性石墨片層”的美國(guó)專利申請(qǐng)中描述的方法制備，該美國(guó)申請(qǐng)轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人，其受理號(hào)為P1048-1/N1169，該申請(qǐng)的詳細(xì)內(nèi)容通過(guò)引用的方式結(jié)合至本文。
根據(jù)Norley等人的工藝，如上所述制備的厚度為大約4mm至7mm或更高的柔性石墨片層注入熱塑樹(shù)脂，例如環(huán)氧、丙烯酸或酚醛樹(shù)脂系統(tǒng)。適當(dāng)?shù)沫h(huán)氧樹(shù)脂包括雙酚A的二環(huán)氧丙酯(DGEBA)樹(shù)脂系統(tǒng)；其它多功能環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)也適用于本發(fā)明。適當(dāng)?shù)姆尤?shù)脂系統(tǒng)包括含有可溶酚醛樹(shù)脂和酚醛清漆樹(shù)脂。然后將所述片層砑光至厚度達(dá)大約3mm，更優(yōu)選為大約0.35mm至0.5mm，此時(shí)所述經(jīng)砑光、注入環(huán)氧樹(shù)脂的柔性片層的密度為大約1.4g/cm3至大約1.9g/cm3。
注入環(huán)氧樹(shù)脂的石墨片層中的樹(shù)脂的量足以確保最終得到的經(jīng)組裝和固化的分層結(jié)構(gòu)為致密和凝聚的，而沒(méi)有對(duì)于與致密石墨結(jié)構(gòu)有關(guān)的各向異性導(dǎo)熱率產(chǎn)生不良影響。根據(jù)終產(chǎn)品所需的特性，適當(dāng)?shù)臉?shù)脂含量?jī)?yōu)選至少為大約3重量％，更優(yōu)選為大約5重量％至大約45重量％。
在典型的注入樹(shù)脂的步驟中，所述柔性石墨片層通過(guò)一容器，并注入來(lái)自例如噴嘴的樹(shù)脂，所述樹(shù)脂系統(tǒng)有利地是經(jīng)真空腔室“通過(guò)墊子”。典型地但并不是必須地，將樹(shù)脂系統(tǒng)溶劑化從而有利于加入柔性石墨片層中。之后優(yōu)選干燥所述樹(shù)脂，減少樹(shù)脂和注入樹(shù)脂的片層的粘性。
美國(guó)專利No.6432336中顯示了一種用于連續(xù)形成注入樹(shù)脂的、經(jīng)砑光的柔性片層的設(shè)備類型，該專利的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用的方式結(jié)合至本文。
在壓縮步驟(例如通過(guò)砑光)之后，所述經(jīng)注入的材料被切割成適當(dāng)大小的小片，并放置在壓具內(nèi)，其中樹(shù)脂在高溫下固化。所述溫度應(yīng)足以確保所述層狀結(jié)構(gòu)在固化溫度下增加密度，同時(shí)對(duì)所述結(jié)構(gòu)的熱性能沒(méi)有負(fù)面影響。通常，其需要至少大約90℃，通常高至約200℃。最優(yōu)選地是，在大約150℃至200℃的溫度下進(jìn)行固化。所采用的固化壓力在某種程度上為所采用的溫度的函數(shù)，但是足以使所述層狀結(jié)構(gòu)增加密度，同時(shí)對(duì)所述結(jié)構(gòu)的熱性能沒(méi)有負(fù)面影響。通常，為了便于生產(chǎn)，采用使所述結(jié)構(gòu)的密度增加至所需程度所需要的最小壓力。所述壓力通常為至少大約7兆帕斯卡(Mpa，等于大約每平方英寸1000磅)，不能高于大約35Mpa(等于大約5000psi)，更加常見(jiàn)的是大約7至大約21Mpa(1000至3000psi)。固化時(shí)間可根據(jù)所采用的樹(shù)脂系統(tǒng)、溫度和壓力而改變，但是通常在大約0.5小時(shí)至2小時(shí)之間。固化完成之后，所述復(fù)合物的密度為至少大約1.8g/cm3，通常在大約1.8g/cm3至2.0g/cm3之間。
盡管通過(guò)砑光或模制形成片層是形成用于實(shí)施本發(fā)明的石墨材料的最常見(jiàn)的方法，但是也可以采用其它形成方法。例如，脫落的石墨顆?？梢詨嚎s模制成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或近似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，如果最終的應(yīng)用要求物品例如散熱器或散熱器具有特定形狀或輪廓，則可以在注入樹(shù)脂之前或之后，可以在所述石墨物品中形成所述形狀或輪廓。然后在具有相同形狀的模子中進(jìn)行固化；事實(shí)上，在優(yōu)選實(shí)施方式中，可以在同一模子中進(jìn)行壓縮和固化。然后可以加工成最終的形狀。
附圖1-2的詳細(xì)實(shí)施方式現(xiàn)在參照附圖，尤其是附圖1和2，顯示了散熱器設(shè)備，其通常用數(shù)字10表示。散熱器設(shè)備10包括導(dǎo)電率至少為150W/m0K的金屬基底12。優(yōu)選地，所述金屬基底12由銅或鋁構(gòu)成。銅基底12的導(dǎo)熱率為大約350W/m0K或更高。鋁金屬基底12的導(dǎo)熱率為大約150W/m0K或更高。
所述散熱器設(shè)備10進(jìn)一步包括多個(gè)例如14A-H的翼片。
所述翼片14由柔性石墨片層材料構(gòu)成，優(yōu)選由注入樹(shù)脂的柔性石墨片層構(gòu)成。
如前所述，所述石墨片層材料為各向異性的，在片層平面內(nèi)具有大約400W/m0K的高導(dǎo)熱率，而且在片層的厚度方向上具有低得多的導(dǎo)熱率。因此，當(dāng)翼片由所述片層材料構(gòu)成時(shí)，在通常垂直于基底12方向上的翼片平面內(nèi)，翼片具有相對(duì)較高的導(dǎo)熱率。
構(gòu)成翼片的石墨材料比大小可比的銅翼片輕很多，也比大小可比的鋁翼片輕。純銅重8.96gm/cm3，純鋁重2.70gm/cm3。另一方面，石墨片層材料的密度可以在大約0.04gm/cm3至大約2.0gm/cm3的范圍內(nèi)。上述優(yōu)選的注入樹(shù)脂的石墨材料的密度為大約1.94gm/cm3。
因此當(dāng)采用銅基底12和石墨翼片14時(shí)，所述散熱器設(shè)備10的熱性能與全銅散熱器幾乎相等，而其重量卻低于全銅散熱器。
類似地，當(dāng)采用鋁基底12和石墨翼片14時(shí)，所述散熱器設(shè)備10的熱性能優(yōu)于具有類似大小的全鋁散熱器，而其重量卻低于而且肯定不大于全鋁散熱器。
優(yōu)選地，在基底12上加工出多個(gè)凹槽，例如16A-H，從而將翼片14連接至基底12上，每個(gè)翼片14的下邊緣緊緊地容納在各自凹槽16中。
可以通過(guò)摩擦配合、熱縮配合或采用粘合劑將翼片14固定在凹槽16中。
附圖2中示意性地顯示了可以被散熱器設(shè)備10冷卻的電子裝置18，其與基底12的下表面接合。所述電子設(shè)備18可以通過(guò)一層熱油脂或粘合劑或通過(guò)由石墨材料的薄片層構(gòu)成的熱中間層與基底12熱連接。
由此可以看出，本發(fā)明的設(shè)備很容易實(shí)現(xiàn)前述以及其固有的目的和優(yōu)勢(shì)。盡管為了公開(kāi)本發(fā)明的目的顯示和描述了本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)裝置和構(gòu)造作出大量的改變，所述改變?cè)谟伤綑?quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種散熱器設(shè)備，包括導(dǎo)熱率至少為大約150W/m0K的金屬基底；以及多個(gè)連接至所述基底上的翼片，所述翼片由在高溫下經(jīng)壓力固化的注入了樹(shù)脂的石墨材料構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述翼片垂直于基底。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述基底由銅構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述基底由鋁構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述基底上形成有多個(gè)平行凹槽；以及所述翼片為平的翼片，每個(gè)翼片被緊密容納在一個(gè)凹槽中。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述翼片由在至少大約90℃的溫度和至少大約7Mpa的壓力下進(jìn)行壓力固化的注入了樹(shù)脂的柔性石墨片層構(gòu)成。
7.一種散熱器設(shè)備，包括銅基底；以及多個(gè)連接至所述基底上的平的石墨翼片，所述石墨翼片由在高溫下壓力固化的注入了樹(shù)脂的石墨材料構(gòu)成，在所述翼片的平面內(nèi)具有相對(duì)高的導(dǎo)熱率，而在每個(gè)翼片的厚度方向上具有相對(duì)低的導(dǎo)熱率，從而所述散熱器設(shè)備的熱性能近似等于全銅散熱器，而其重量低于全銅散熱器。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述翼片由在至少大約90℃的溫度和至少大約7Mpa的壓力下進(jìn)行壓力固化的注入了樹(shù)脂的柔性石墨片層構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述基底上形成有多個(gè)平行凹槽；以及所述翼片為平的翼片，每個(gè)翼片被緊密容納在一個(gè)凹槽中。
10.一種散熱器設(shè)備，包括鋁基底；以及多個(gè)連接至所述基底上的石墨翼片，所述石墨翼片由在高溫下壓力固化并從基底延伸的注入樹(shù)脂的石墨片層材料構(gòu)成，所述片層材料在片層平面內(nèi)具有比鋁導(dǎo)熱率相對(duì)高的軸，而在片層材料的厚度方向上具有相對(duì)低的導(dǎo)熱率，所述石墨片層材料的比重不大于鋁的比重，從而所述散熱器設(shè)備的熱性能優(yōu)于具有類似大小的全鋁散熱器，而其重量不大于全鋁散熱器。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述石墨翼片由在至少大約90℃的溫度和至少大約7Mpa的壓力下進(jìn)行壓力固化的注入樹(shù)脂的柔性石墨片層構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中所述基底上形成有多個(gè)平行凹槽；以及所述翼片為平的翼片，每個(gè)翼片被緊密容納在一個(gè)凹槽中。
全文摘要
一種復(fù)合散熱器設(shè)備(10)，包括導(dǎo)熱率為至少大約150W/m°K的金屬基底(12)。所述金屬基底(12)優(yōu)選由銅或鋁構(gòu)成。所述散熱器設(shè)備(10)進(jìn)一步包括多個(gè)連接至所述基底(12)上的翼片(14A－H)，所述翼片由在垂直于基底的方向上具有相對(duì)較高的導(dǎo)熱率的各向異性的石墨材料構(gòu)成。
文檔編號(hào)H01L23/367GK101014821SQ200580030042
公開(kāi)日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2005年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月7日
發(fā)明者G·小格茨, M·弗拉斯塔茨 申請(qǐng)人:先進(jìn)能源科技公司