CN100360627C - 柔性散热片 - Google Patents

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Abstract

提供柔性散热制品，其包括含有聚合物的底座和从底座伸出的许多聚合物突起，每个突起具有主尺寸和次尺寸。底座包含导热颗粒，突起包含非球形导热颗粒，所述颗粒基本上沿突起的主尺寸方向对齐。导热界面材料靠近底座。还提供了一种柔性散热制品，它包含含有聚合物且具有第一表面和第二表面的底座，从底座第一表面伸出的许多聚合物突起(每个突起具有主尺寸和次尺寸)，以及靠近底座第二表面的金属层，其中底座和突起包含导热颗粒。还提供了柔性散热片的制备方法。

Description

柔性散热片
发明领域
本发明涉及柔性聚合物散热制品，包括卷筒式或带式散热制品，还涉及散热制品的制备方法。
发明背景
散热片通过对流、辐射或进一步传导将热能从发热部件传送到环境当中。散热片通常具有扩展表面，以促进热向环境散失。铝(或其它金属，如铜)突起是散热片的常见形式。这些突起具有刚性底座和扩展表面翼片。金属散热片一般会导电，因而可能在电子器件中引起电磁干扰的问题。其它形式的金属散热片包括各种形状的柔性铜箔，其一个或两个主表面上任选具有绝缘涂层。陶瓷、金属和烧结散热片一般是刚性的。
导热聚合物已经用于热交换器、电子器件、双极板和热界面材料。据介绍，由包含分散导热颗粒的高模量热塑性或环氧材料形成的注塑散热片是复合散热片，它由与金属箔层压在一起的聚合物翼片组成。非金属散热片可减少电磁场和射频场的干扰问题。
发明概述
简言之，本发明提供柔性散热制品，其包括含有聚合物的底座和从底座伸出的许多聚合物突起，每个突起具有主尺寸和次尺寸。底座聚合物包含导热颗粒，突起聚合物包含非球形导热颗粒，所述颗粒基本上沿突起中的主尺寸方向对齐。柔性散热片在底座部分和任选在从底座伸出的突起中具有一定的柔性。
另一方面，本发明提供了一种柔性散热制品，它包括含有聚合物且具有第一表面和第二表面的底座，从底座第一表面伸出的许多聚合物突起(每个突起具有主尺寸和次尺寸)，靠近底座第二表面的金属层，以及任选的靠近金属层的热界面材料，其中底座聚合物和突起聚合物包含导热颗粒，任选地，热界面材料具有与底座相连的表面，任选地，散热制品以卷筒形式提供。
在本发明一个实例中，聚合物的一个或多个表面包含金属层和/或树脂涂层。
另一方面，本发明提供了柔性散热片的制备方法，它包括：提供含有许多导热颗粒的第一聚合物组合物，提供包含许多非球形导热颗粒的第二聚合物组合物，由第一和/或第二聚合物形成散热底座，由第二聚合物和任选第一聚合物形成靠近散热底座的许多细长突起，任选地提供靠近底座第二表面的金属层，任选地提供靠近底座或金属层的热界面材料，其中非球形导热颗粒基本上沿突起的细长方向对齐。
这里所用“主尺寸”是指最大颗粒尺寸，例如直径、长度、宽度、截面或厚度，  “次尺寸”是指最小颗粒尺寸。这些尺寸可用已知的筛选技术或颗粒筛分设备直接测定或分类。“基本上对齐”是指沿平行于主尺寸的轴+/-45°之内的方向排列的颗粒多于没有对齐或任意取向的颗粒，如通过X射线衍射没有均匀取向的反射所示。在某些实施方式中，对齐程度更高。“基本上类似”是指具有这样的组合物，基本上相似的组合物至少约85重量％是相同的，基本上相似的组合物之间的任何差异约小于组合物中每种聚合物的15％。相反，本文中“不同”是指组合物的差异超过约15重量％。“基本上相似”的组合物可包含相同的材料，但含量可以不同。
本发明具有许多优点，下面介绍其中的一些优点。本发明的散热片一般采用体导热系数至少约5，更宜至少约10，在某些情况下至少约20瓦/(米·开)[W/(m·K)]的材料，在聚合物突起高度约小于30mm下，散热片意外地接近铝散热片的性能，尽管铝的体导热系数高得多，约为200W/(m·K)。虽然柔性散热片中所用材料具有具体的体导热系数，但所用非球形导热颗粒的对齐可增加取向方向的导热系数，使之超过该体导热系数。
本发明的另一个优点是散热片的柔性。散热片的底座可以是柔软的，而聚合物突起既可以是柔软的，也可以是相对坚硬的。因此，本发明的散热片可适合于贴合从粗糙表面到不平整表面，甚至到宏观芯片尺寸的任何实际尺度的不平表面。
散热片的柔性底座还允许将将散热片放置到未完全共面的表面上，这样单个柔性散热制品可向一个以上的粘共面器件散热。柔性还具有缓冲的益处，减少与散热片直接或间接相连的组件和/或较大表面结构受到的冲击和震动(即柔性散热片为与之直接相连的芯片器件提供缓冲，又为与含有散热片的芯片相连的印刷电路板提供缓冲)。与铝散热片相比，柔性散热片还减少了噪声的传播，而铝散热片连接到振动组件上时，会像音叉那样传播声音。
散热片可以卷筒形式提供(例如图1A所示内径约为12cm的柔性散热片卷筒)，然后利用模切等技术切成任何所需形状。散热片还可包含热界面材料层，它可以是导热粘合剂层。突起的数量、位置、尺寸和底座厚度可任意变化，以适应热源的不同温区。此外，片、横条、翼片、箔、帆等可以任何组合形式用来导热和引导气流。聚合物突起可具有恒定或变化的高度和/或形状。聚合物突起和可包含粘合剂的底座可通过各种工艺分别制备或同时制备。
本发明的其它特征和优点从下面对本发明的详细描述和如权利要求书中可以看出。以上对本说明书原理的概述不用来说明本说明书的每一个图示实例或每一个实施方式。下面的图和详细描述利用所述的原理，更详细地列举了一些优选实施方式。
附图简述
图1A是本发明一种实施方式的卷筒形散热制品的透视图。
图1B是本发明一种实施方式的散热制品的侧视截面图。
图2是本发明一种实施方式的方法所采用的三辊模塑设备的示意图。
图3是本发明另一种实施方式的方法所采用的型材挤出设备的示意图。
图4所示为本发明一种实施方式的散热结构。
图5所示为本发明一种实施方式的中间加工阶段的散热片。
图6所示为本发明另一种实施方式的散热片结构。
图7是本发明一种实施方式的透视图。
图8是本发明另一种实施方式的透视图。
图9是本发明再一种实施方式的透视图。
图10为用来制备本发明实例的型材挤出模头的视图。
图11是用图10所示模头制备的本发明另一实例。
图12是突起图案的示意图。
图13A所示为本发明一种实施方式的平玻璃基片的浸润能力，图13B、13C和13D所示为三个比较例的浸润能力。
图14A和14B所示为本发明一种实施方式的6英寸表玻璃基片的浸润能力，图14C和14D所示为本发明一种实施方式的8英寸表玻璃基片的浸润能力。
图15A和15B所示为比较例散热片的6英寸表玻璃基片的浸润能力，图15C和15D所示为比较例散热片的8英寸表玻璃基片的浸润能力。
图16所示为本发明的能适应各种芯片高度的散热片形状的侧视图。
图17是本发明一种实施方式的散热制品的侧视图。
图18是本发明一种实施方式的散热制品的侧视图。
图19是本发明一种实施方式的散热制品的透视图。
发明详述
本发明提供柔性散热制品，其包括含有聚合物的底座和从底座伸出的许多聚合物突起，每个突起具有主尺寸和次尺寸。底座聚合物包含导热颗粒，突起聚合物包含非球形导热颗粒，所述颗粒基本上沿突起的主尺寸方向对齐。热流动的主方向通常与突起的主尺寸相关。因此，可利用颗粒对齐来提高散热片效率，使热量比在颗粒任意排列的情况下更快地从热源散开。一方面，优选热流动方向的导热系数比垂直于优选方向的导热系数至少约大5％，更宜至少约大10％(甚至更大)。另一方面，优选热流动方向的导热系数比垂直于优选方向的导热系数至少约大1.5-5倍(甚至更大)。
现在看图1B，它示出了本发明一种实施方式的散热制品20的侧视截面图。散热制品20包含具有第一表面24和许多聚合物突起26的底座21。聚合物突起可以规则或不规则阵列排列。聚合物突起可以是分开的基本上竖直的柱形、锥形，或延伸的行列或横条，或者它们的组合。各聚合物突起可以具有不同或变化的高度和/或形状。聚合物突起可采用任何已知的排布形式，如六边形或其它多边形、对角线、正弦曲线、具有类似于松树的下部凹陷细部的横条/柱，等等。
聚合物突起26和底座21可由任何已知的聚合物制备，特别是可熔融加工或可挤出的聚合物。合适的例子包括热塑性聚合物、弹性聚合物、热固性聚合物和热塑性弹性体。上述两种或多种材料可组合使用，如形成层和共混物。此外，聚合物突起26和底座21可包含相同或不同的材料。热固性聚合物可通过任何已知方法交联，如利用化学试剂或热介质、催化剂、辐射、热、光和它们的组合。一方面，聚合物的玻璃转变温度约低于25℃，更宜低于约10℃，甚至低于约0℃。也就是说，聚合物在室温下不是完全坚硬的，也不完全呈玻璃态。
在图1B所示实施方式中，底座21与聚合物突起26整体形成，底座材料与突起材料可相同，也可不同。突起和底座聚合物可以相同、相似或不同。一方面，本发明突起和底座由基本上相似的聚合物组合物组成。“基本上相似”是指具有这样的组合物，基本上相似的组合物至少约有85重量％相同，更宜至少约有90重量％相同，在某些实施方式中至少约有95重量％相同。基本上相似的组合物之间的任何差异约小于组合物中每种聚合物的15重量％，更宜约小于10重量％，在某些实施方式中约小于5重量％。相反，本文中“不同”是指组合物的差异超过约15重量％。突起和底座中选用的特定导热颗粒及其用量可以相同、相似或不同。这种选择可独立地随聚合物的选择而变化。本发明的一方面，特定聚合物和颗粒是相同或相似的，以降低生产的复杂性。
底座21和聚合物突起26的组合可称作散热片。聚合物突起26通常可具有平行的侧壁(例如圆柱形)，或者具有稍稍渐缩的形状35，以便于从模具中取出。图1B所示突起具有主尺寸28(高)、次尺寸29(宽，在最窄渐缩处)和相邻聚合物突起26之间的间距30。也就是说，高度大于截面宽度。一方面，聚合物突起可采用任何所需二维形状，如平直和/或弯曲侧壁，形成矩形、三角形、梯形、半球形、T形、“圣诞树”形、反转锚形和其它形状，也可以是上面具体提到的形状的组合，并任选带有下部凹陷细部。另一方面，聚合物突起可采用任何所需三维形状，如圆柱形、圆锥形、截顶圆锥形、棱锥形、截顶棱锥形、半球形、截顶半球形、矩形、方形、六边形、八边形、其它多边形，等。技术人员知道哪种形状适合于特定目的，哪种工艺更适合于特定形状。此外，可组合运用各种工艺形成混合形状。
散热制品20可采用一种或多种形状。特定形状的选择可依据各种特性，包括表面积、成形体周围的气流、柔性、导热性等。所得成形体的宽度可以是渐渐变小的。突起端部可具有任何形状，如平面形、圆形、波浪形或不规则形状。聚合物突起可具有相似或不同的高度。突起侧面可具有任何与突起形状相适应的形状，如平面形、凸形、凹形或不规则形状。此外，突起可包含这样的柱，顶部扩大的表面积比突起最细部分至少宽10％，更宜至少宽15％。顶部可以是任何已知的形状，如蘑菇形、钉形、伞形、帽形、灯泡形、反转翼形、箭形、钩形、双钩形或三钩形，在整体形状之外还可分别具有凸起或凹陷表面，顶部可以是对称的，也可以是非对称的。增加的顶部特征可帮助空气在散热片周围流动，增加表面积，从而改善散热。这种突起可帮助或引导冷却流体(如空气、水或其它流体)的流动，提高传热效率，或促进突起周围冷却流体的利用。可让冷却流体更彻底地流过散热结构，以提高总散热结构的散热性能，在冷却介质的利用上为系统设计者提供更多的灵活性。也可这样设计突起顶部的细部，使“新鲜”的冷却介质流过散热结构的特定部分。新鲜冷却流体[空气、水、3M公司生产的FluorinertTM氟化流体(St.Paul，MN)等]可流过散热结构的中间部分(或者任何所需部分或区域)，以补充/替换流走的冷却介质。例如，一方面可使冷却流体这样流动，使得散热结构中间区域利用主要来自一个流动方向的冷却介质，新鲜介质进入散热片内部空间区域(即聚合物突起形成的空间)，而最初从散热结构侧面进入的其它冷却流体则流失。这种加入新鲜流体的方法可增加冷却流体对散热片的总流量，还能增加散热结构中冷却流体的压力。冷却介质在散热片区域中的总流量越高，越能促进总的传热，提高散热性能。聚合物突起的引导流体的顶部也可以在高出周围突起的突起上，可以具有延伸到较低突起上面、周围或上方的细部，较低的突起可以具有这些附加的细部，也可不具有这些结构。本发明的这种结构变化提供了柔性散热片，它具有主要用来散热的聚合物突起，具有顶部细部以散热和引导冷却流体流动的其它聚合物突起，以便促进在特定结构中所选的各种聚合物突起之间的散热。
本发明一方面中，至少部分聚合物突起也可采用带有展开帆的桅杆形状。这些帆可包含在部分或全部桅杆的某个部位上，该帆可在柔性散热片底座上延伸和/或延伸通过。帆增加了表面积，促进了热的散失。一方面，帆不与底座直接相连，因而对散热片的弯曲刚性没有负面影响。
另一方面，本发明的聚合物突起具有额外的细部，如带有凹槽、陷窝、凹陷和/或肋。这些细部可用来改善流体在突起周围的流动。例如，所加表面细部可增加紊流。流动越紊乱，从散热片突起到周围冷却流体的传热越容易。对于特定的突起类型，附加的细部还能增加传热表面积。
任何已知的导热颗粒均可用于本发明。这些颗粒包括碳黑、金刚石、碳纤维、涂有金属或其它导热材料如镍的碳纤维、陶瓷纤维网，包括例如氮化硼、氧化铝、碳化硅、氮化铝、三水合铝、氢氧化镁等的陶瓷，诸如铝这样的金属，铁氧化物、铜、不锈钢等，包括金属箔。合适的颗粒可具有不同的尺寸、类型(如六方、菱形、立方等晶型)、团聚颗粒尺寸、纵横比、增强颗粒表面物理性质的表面涂层、pH特性(例如酸性、碱性，包括路易斯酸或路易斯碱颗粒)，以及颗粒混合物。可采用空心、实心或金属涂层颗粒。当然，聚合物突起26中的箔和/或网材料以颗粒而不是片的形式提供，而这种片或秋收稀疏平纹布可另外用在底座21中。也可选用颗粒来吸收或减少电磁和/或射频(EMI/RFI)干扰。这种颗粒包括氧化物铁和涂镍的颗粒。聚合物突起和/或底座可包含稀疏平纹布，任意选自镍或涂镍稀疏平纹布、碳稀疏平纹布、涂镍碳稀疏平纹布和它们组合。颗粒尺寸根据导热性、在聚合物内的适当分布(宜均匀)以及颗粒的对齐情况进行选择。颗粒选择和对齐在下文说明。一方面，所用颗粒的主尺寸至少约为5微米(μm)。非球形或细长颗粒沿聚合物突起的主尺寸方向对齐，这些颗粒的纵横比约大于1∶1(主尺寸∶次尺寸)，宜大于约1.25∶1或甚至1.5∶1。其它方面，细长颗粒的纵横比大于约2∶1，更宜大于约5∶1、10∶1，甚至更大。
聚合物突起26也可以具有柔性。在一种实施方式中，当偏离发生在突起的最薄区域时，突起能够偏离突起中心线至少约50％突起厚度(最薄区域处)，而不会断裂、开裂或发生塑性变形。也就是说，圆锥形突起的一个特定实施方式在厚度较小的顶部区域(若为圆形截面则为直径)比在厚度较大的底部偏离可以更大(如直径)。
聚合物突起可具有任何有用的尺寸。最小有用尺寸使热量从发热表面散失。一般，最小高度至少约为0.5mm，更宜为至少约0.7mm，甚至为1mm。最大高度受到这些因素的限制，如预定用途、卷筒形式、生产的难易、散热性和柔韧性(例如非常高的柔性突起可弯过来，限制冷却流体的流动，而较短的突起基本上保持垂直)。一般，在某些实施方式中最大高度小于约30mm，更宜小于约20mm或甚至15mm。随着散热片所用材料的导热性增加，聚合物突起的最大有用高度也增加，有用高度超过30mm。聚合物突起的尺寸和间距宜有利于达到最佳传热，增加表面积通常能增加热流动，直到获得最好大值。类似地，单位底面积上的聚合物突起越多，一般越能增加热流动，直到获得最好大值。一般，为了冷却流体的流动，突起之间的间距至少约为0.5mm，更宜至少约为1mm。
在一种实施方式中，用于低功率应用的散热片中的聚合物突起的最大高度高达约15mm，最大柱直径则独立地高达约10mm，柱间间距也独立地高达约7或8mm。如果尺寸再小，则热性能下降；如果尺寸再大，则不能明显提高性能，同时需要更多的原料，从而增加成本。更多的设计细节见Kraus和Bar-Cohen编著的《散热片的设计与分析》(Design and Analysis of Heat Sinks，JohnWiley and Sons，Inc.，New York(1995)，p.p.239-271)。
一般，突起至少伸出底座以上半个底座厚度。底座厚度与突起高度之比选自至少0.5∶1，至少1∶1，至少1∶2，至少1∶3，至少1∶6，至少1∶8。
聚合物突起26包含非球形颗粒。这些颗粒是细长的，并基本上沿每个突起的主尺寸方向对齐。纵横比更高的颗粒的例子包括纤维、棒、针、须、椭圆体和薄片。
随着聚合物共混合物的体导热系数增加，较高的突起帮助散热。随着非球形颗粒的对齐，沿对齐方向的导热系数增加，颗粒密度也增加，从而改善散热。例如，沿氮化硼结晶X-Y平面的导热系数大于沿该片晶厚度方向(Z方向)的导热系数。氮化硼六方晶体结构在Z方向的导热系数为2.0W/(m·K)，而X-Y平面的导热系数为400W/(m·K)，如R.F.Hill在《导热环氧化合物填充剂的表征与性能》中所述(Characterization and Performance of ThermallyConductive Epoxy Compound Fillers，SMTA National Symposium“EmergingPackaging Technologies”，Research Triangle Park，NC，1996年11月18-21日)。可通过各种方法改进取向，如减少聚合物基体的粘度，采用纵横比更高的颗粒(如纤维)，在熔体形成时增加剪切，采用不同类型的颗粒的组合，如片晶和/或纤维以及通常呈球形的颗粒，以提高导热系数，促进对齐。取向情况可用任何已知的方法显示，如X射线衍射。
底座21可包含所选的一个或多个细部，以改进底座的柔性。例如，凹痕、狭缝、槽、切口、凹口、孔、通孔、铰链、厚度不同的区域，或者它们的任意组合，均可用来增加底座的柔性。底座的柔性可随方向和不同设计而变化。例如，根据突起的设计，一个方向的柔性可以更高些，这些突起在单个整体元件中，或者在高比宽大的元件中，用以根据突起元件的设计提供不同的弯曲刚性。弯曲刚性也可在散热制品20中的任何方向上，随着许多突起纵横比、曲率、波浪形状、离底座的不同总高度等而变化。在图16所示实施方式中，散热片100利用其柔性与电路板112上各种高度的芯片110相贴合。虽然图中显示芯片110是较平的，但本发明的散热片贴合具有凸起和凹陷表面的典型商用芯片。
在图17所示实施方式中，散热底座122适合用于电路板126上的芯片124。散热片120具有较薄的底座区域，靠近芯片124的低功率区域；散热片120也有较厚的底座区域，靠近芯片124的高功率区域。在图18所示实施方式中，散热片130有底座132，它适于与成形表面接触。在所示实施例中，电路板136具有外露或封装的芯片134，它可装在底座132中，或者底座132可有空穴，它适于容纳至少部分芯片或封装器件。在图19所示另一个实施方式中，底座142可延伸到芯片或封装器件顶表面以外，任选地围绕一个或多个芯片或封装器件侧面至少一部分。散热片140底座可以是波纹层或包含波纹层。散热片140底座可包含织构表面或有轮廓的表面，以适应有选择的非均匀表面，或者一个或多个附加层，如背衬层。
现在看图1B，任选在底座21的第二表面25上施加更多的层(例如22、34、36)。背衬层22可提供其它功能，如稳定和/或增强散热制品20，以抵抗拉伸，提高抗撕裂性，以及各种其它功能。例如，背衬层22可以是粘合剂或热界面材料，热界面材料本身也可以是粘合剂。任选背衬层34可用于类似目的，其中背衬层22可以是增强层。
背衬层22和/或34可用来将散热制品20固定到发热器件的表面上。如果当该固定是粘合剂粘合时，则可用剥离衬垫36。例如，当一卷散热制品20本身卷起来，则可采用剥离衬垫36。因此，背衬层可包含一个或多个支撑聚合物突起的层。在一些实施方式中，一个或多个背衬层可与聚合物突起构成整体。可用任何已知的成形工艺形成背衬，例如共挤出、涂敷和层压。
任选粘合剂层通常包含选定材料，以粘合到发热器件或安装发热器件的基底上。任何已知的粘合剂类型都可采用，如压敏性、热固性、热塑性、热熔性或其它热粘合膜，辐射固化或可辐射固化、可溶剂活化或溶剂活化、低表面能粘合剂，以及上述粘合剂的条、岛或层等的组合。任何已知的化学粘合剂均可采用，如环氧树脂、聚氨酯、合成橡胶、天然橡胶、聚烯烃、硅氧烷、离聚物、氰酸酯、丙烯酸类及其组合、间断区域或层。例如，高粘性粘合剂区域可与高导热系数的热界面材料区域间隔分布，如上所述。粘合剂可包含一种或多种已知的添加剂(通常为特定目的而加入，如增强丝)和导热颗粒。添加剂的例子包括阻燃剂、增塑剂、增粘剂、加工助剂、抗静电剂和油。有用的阻燃剂包括卤化和非卤化有机化合物、有机含磷化合物(如有机磷酸盐)、无机化合物和具有固有阻燃性的聚合物。这些添加剂可加入或掺入粘合剂中，用以提高阻燃性。阻燃添加剂的性质并不重要，可以采用单种添加剂，也可以采用两种或两种以上的阻燃添加剂的混合物。对这种阻燃添加剂的详细解释见美国专利6280845。就所选方面而言，这种阻燃添加剂的用量要使可燃性等级达到UL94等级中的V1和/或V0级。
背衬层22任选层压或浸渍有粘合剂。根据用途，粘合剂可将散热制品可剥离地或永久地粘合到表面上。举例来说，可剥离粘合的粘合剂包括例如可再使用、可热剥离、可拉伸剥离、可溶剂剥离的材料等。
任选热界面材料层可包含相变材料、油脂或低共熔合金相变材料。相变材料是含有导热填充剂的蜡基材料(通常为固体石蜡)。油脂可以是基于碳水化合物或基于硅氧烷酮的油脂。低共熔合金是相变或熔化温度较低的金属合金。它可由锡、铟、铅、镉、铋、金、银、铜等材料以任何组合形式制备，在终端应用和所需生产应用方法的温度范围内提供所需流变性。热界面材料可提供在相同材料的间断区域，或者两种或多种材料的间断区域。底座和/或热界面材料可以具有厚度变化。例如，这种厚度变化可改善一种或多种性质，如热流动性、粘合性、表面浸润、接触面积和柔性。一般希望改善其中的一种或多种性质。一方面，底座在靠近聚合物突起下面的地方具有较薄的区域，而在聚合物突起之间具有较厚的区域，这样底座的总体柔性得以保持，同时聚合物突起的导热性则提高。在这种实施方式中，热界面材料适应底座下侧的厚度变化，形成总体光滑的表面，用以与发热组件接触。这可通过提供允许更多来自热源的热量流动的较薄区域和具有更大机械剥离粘合性的较厚区域改善热流动。
本发明的柔性散热片还可减少散热片与附着散热片的结构之间在热膨胀系数(CTE)的差异所引起的应力。例如，本发明散热片的CTE可大于与散热片相连的封装件的CTE。由于应力是CTE与模量的乘积，本发明柔性散热片的低模量减少应力。此外，上面介绍的缓冲特性(或者下面将要介绍的粘弹特性)使应力随时间松弛，这在已知的金属散热制品中是无法实现的。
柔性散热片底座和/或聚合物突起中所用聚合物的杨氏模量在70(21℃)下测定时一般小于100,000psi(689MPa)，宜小于40000psi(276MPa)，最好小于15000psi(103MPa)。作为比较，铝的模量约为10000000psi(68950MPa)。
本发明散热片的柔性可在室温下弯曲到半径小于约30cm，更宜小于约10cm(在某些实施方式中小于约5cm或更小)，而不会对散热片的功能造成明显的负面影响。也就是说，散热片不会开裂、打结或明显塑性形变成在散热片与发热基底之间留下空隙的形状，而铝散热片会永久弯曲或打结。另一方面，底座厚1-3mm的散热片样品会贴合约小于30cm的半径，一个人无需帮助即可轻易地施力完成，所用力宜小于约350kPa，更宜小于约175kPa，最好更小。这种底座厚1-3mm的贴合性散热片的刚度约低于100,000N/m。本发明的散热片宜具有较小的弹性回复力，使得散热片不会一施加就“弹回来”。
柔性散热片中所用混有导热填充剂的聚合物的弯曲模量在70(21℃)下测定(用单悬臂梁法，如ISO-6721-1)，一般约低于10GPa，更宜低于约7GPa，某些实施方式中低于约5、1GPa或甚至低于0.5GPa。测定了本发明的两个散热片原型，一个是弯曲模量约为47MPa(Tg为-16℃)的柔性更大的散热片，一个是弯曲模量约为3400MPa(Tg为-60℃)的柔性更小的散热片。刚度是本发明所用柔性的另一个量度。刚度通常随厚度的立方而增加，因而弯曲模量较小的材料可用来形成较厚的底座，同时保持散热片的柔性。本发明底座(厚1-3mm)的刚度宜低于约100,000N/m，更宜低于约50,000、40,000、30,000N/m或甚至低于约20000N/m。在其它实施方式中，底座材料的刚度低于约100,00N/m，更宜低于约5、1或甚至0.5N/m。相反，作为比较的聚合物散热片底座(厚2.9mm)的刚度超过400,000N/m，弯曲模量约为7400MPa(Tg超过90℃)，作为对比的铝散热片底座(厚1.9mm)的刚度超过550,000N/m，弯曲模量约为95GPa。在测定机械性能之前除去柱子。
柔性散热片底座和/或聚合物突起中所用聚合物的阻尼损耗因子(度量材料耗散振动、冲击能、声音等的有效性)在70(21℃)下测定时，可根据最终应用结构和所用散热片对附着散热片的结构的振动衰减和/或冲击衰减的增加程度而变化。为了连接到最终应用结构上时增加散热片在典型操作温度下的缓冲能力，损耗因子通常大于约0.01，宜大于约0.10，最好大于约0.30。作为比较，铝的损耗因子在室温下约为0.001。本发明的散热片通常没有放大或传递来自附近组件的振动、蜂鸣或其它声音。
本发明散热片的另一个优点是，它能防止自身和附着它的结构免受机械损害。柔性散热片结构的聚合物突起和底座的柔性允许弯折或挠曲、偏转和/或吸收作用力(例如具有不同能量和持续时间的冲击力、震动力、振动力)。例如，震动力没有多少传递到附着散热片的发热器件上，因而对散热片和器件的损害最小。散热片可作为附着散热片的器件的振动阻尼器或震动隔离器，这与作为比较的金属散热片形成鲜明对比，后者会将所有的力传递到发热器件上。在所需温度和频率下(例如70(21℃)和500Hz)，采用柔性散热片后，与具有类似几何形状的对照铝散热片相比，在相同的力作用下，震动、振动和/或冲击力的传递可减少至少约10％，宜至少25％，更宜至少50％。例如，重量已知的摆可对散热片的突起部分施加已知量的冲击能，传递到结构中的能量可通过任何已知的方法测定。可以测定突起因冲击而产生的塑性形变。测定附着散热片的发热结构受到的损害(例如芯片裂纹、应力、底座从结构上脱层等)和散热片抵抗反复冲击的能力。本发明的散热片非常坚固，在生产和/或使用环境中不容易受到冲击力而破坏(永久塑性形变)。一方面，本发明的散热片受到冲击力后宜能够回弹至在初始X-Y-Z空间位置50％的范围内(宜在25％，更宜在10％的范围内)。本发明的散热片不容易损坏与之偶然接触的组件或结构，它不会将很多冲击力产生的机械能传递给附着其的结构。此外，如果产生损坏，它多半也局限在柔性散热片上。
本发明的散热片可安装而不大容易损坏发热器件，因为柔性散热片可贴合器件尺寸，安装期间在过大的作用力下会产生弹性形变或偏转，而不会将任何过大的作用力传递给器件。相反，已知的散热片是刚性的，会传递这些力，因而损坏器件的危险性大得多。
表面浸润提高是本发明的另一个优点。本发明的散热片可贴合平整、不平整、起伏或其它表面，提供与发热器件表面平整度无关的良好热界面。一般，可用透明测试基片确定浸润性能。测试基片的例子包括平玻璃和各种直径的表玻璃。一方面，综合选择底座厚度和粘合剂和/或热界面材料厚度，使基片表面浸润至少约40％，更宜至少约70％。在其它实施方式中，综合选择底座厚度和粘合剂和/或热界面材料厚度，使基片表面浸润至少约80％、90％甚至99％。
优选界面中残留的空气或空隙最少，使表面界面之间形成紧密接触。本发明散热片的柔性和表面贴合性允许在散热片底座与发热表面之间使用薄得多的热界面材料(带、垫、环氧树脂、油脂、浆状物、合金相变材料、相变材料等)。较薄的热界面材料可减少发热结构和柔性散热片之间的热阻，同时保持柔性散热片与发热结构之间的紧密接触。传统的挤出铝散热片的平整度经总指示偏差量(TIR)测定，通常在0.001-约0.005英寸/英寸长度(0.025-0.127mm/mm长度)之间。传统非柔性散热片的不平整度、散热片之间存在的生产差异性和固有刚性要求热界面材料较厚，以保证不平整散热片引起的间隙能用热界面材料填充。柔性散热片结构通过柔性和贴合性克服了这个缺陷，它很容易变平整或变光滑，与发热结构的表面配合得非常好。如果结构表面不平整(例如，普通芯片器件的塑料或陶瓷封件存在TIR为1-9mil(0.025-0.229mm)的凹陷或凸起)，传统高模量铝挤出散热片需要更厚的界面材料，或者贴合非常好的界面材料(如环氧树脂或油脂)，以填补不平整刚性散热片与不平整表面之间的不一致区域。当然，这种厚热界面材料区伴随着更高的热阻。
热界面材料(例如环氧树脂、油脂、相变材料、浆状物、带等)增加了材料成本和生产复杂性，因而增加了在发热结构上提供散热片的总体系统成本。对于非柔性传统散热片，散热片和施加散热片的结构越不平整，所需热界面材料的量越大，以保证空隙得到填充。热界面材料越厚，除了热阻越高外，还有其它缺点。例如，油脂比较脏，容易污染结构和散热片表面，而且可能仍然需要夹子、螺丝或其它机械手段固定散热片。因此，与本发明的柔性散热片相比，为获得类似的表面浸润性，典型的挤出铝散热片需要更多的热界面材料(和更小的热阻)。
用热界面材料填充空隙还增加了在散热片与发热结构之间夹带空气的可能性，这也减少了导热性。更具体地，空气的导热系数约为0.02W/(m·K)，而许多热界面材料的导热系数约为0.1-20W/(m·K)，或甚至更高。因此，散热片与结构之间界面中的空气增加了热阻。本发明的柔性散热片将该问题降至最小，因为它贴合发热表面，并使空隙最小。
界面的浸润程度与热阻的关系也可变化。用柔性散热片而不加热界面材料的组件具有较低浸润百分率(与具有界面材料的组件相比)，但在低功率应用中仍能起作用，因为热量是逐渐流动的。一般地，组件所需的浸润百分数取决于下一些因素：(1)芯片功率密度(W/in2)；(2)芯片或正在冷却的发热器件所需的操作温度；(3)冷却介质的类型、温度和通过散热片突起结构的流动速率。假定冷却介质的流速和温度固定，就对可能与正在冷却(或正在加热)的结构接触界面底座区域的总体热流动而言，发现随着芯片功率的增加，散热片底座和结构之间界面上的浸润程度的影响变得越来越重要。随着功率密度的增加，浸润百分数会变得越来越重要。用本发明的柔性散热片而不加辅助热界面材料的原因包括：(1)可能用于低成本结构；(2)用于低功率密度应用，不用界面材料所获得的浸润程度可满足系统所需的操作温度范围。在本发明散热片底座中采用贴合性更强的聚合物可使热界面材料的厚度减少或减至最小(甚至消除)，从而降低柔性散热片的直接成本。例如，可用有机硅或氟聚合物弹性体这样的软性聚合物材料作为与发热结构直接接触的底座材料。本发明的整个散热制品也可用有机硅或氟聚合物弹性体作聚合物。这种结构可能需要另外的机械夹具、稀疏平纹布或织物来固定就位，在应用中可通过一定的压力确保界面接触良好。浸润程度随着压力而变化，所述压力通常在2-50psi(13.8-345MPa)范围之内或更大。此种结构包括在材料内是以将散热片固定就位的有一定的粘合性。
例如，底座尺寸约为1.5×1.5英寸(38×38mm)、TIR约为0.002-0.003英寸/英寸(0.005-0.008cm/cm)的典型挤出铝散热片需要约0.015-0.020英寸(0.038-0.051cm)的导热带(3M牌8815或3M 8820导热面带，购自3M公司，St.Paul，MN)，以便在平玻璃板(平整度约为0.001英寸/英寸(0.0025cm/cm))上获得约70％以上的表面浸润。而底座尺寸相同的柔性散热片只需厚约0.002-0.005英寸(0.05-0.13mm)的带，就能在此玻璃板上获得至少约75％的浸润。因此，本发明提供了柔性散热片和更薄的热界面，与挤出铝散热片和较厚热界面带的组合相比，减少了成本和热阻。
柔性散热制品还可包含增强层，其选择用来改善一种或多种性能，如导热性、机械强度和/或粘合性。此层可包含底涂料或增粘剂、稀疏平纹布(导热聚合物、填充剂、镍或涂镍稀疏平纹布、碳稀疏平纹布、涂镍碳稀疏平纹布、它们的组合和/或混合材料)、取向金属丝、无规金属丝网(如钢丝棉等)、无纺网(陶瓷、金属等)或箔(铝、铜等)。稀疏平纹布可以嵌在一些对底座导热性较高的材料的底座的内部、外部或部分嵌在其中，对柔性散热片(例如金属丝在柔性聚合物中)的柔性没有明显负面影响，从而可改善散热片的散热性能。与没有内部传热特征的类似结构散热片相比，增加内部传热特征的散热片的柔性可使弯曲刚性约增加小于20倍，宜小于约10倍，更宜小于约5倍，在某些实施方式中小于约2倍。这种散热性宜用于在散热片底座下有局部热点的应用。
粘合剂(或热界面材料)可包含导热颗粒，所述颗粒可将粘合剂和/或热界面基体桥连，并穿过基体露出，且随着颗粒尺寸的增加而露出越多。因此，颗粒包含在粘合剂和/或热界面材料中，在热源基底和散热制品20之间的通路上增加了导热性。这些颗粒具有足够的尺寸，可撞击附近的散热制品20的底座21，从而压在第二表面25里面或上面。这些颗粒任选撞击底座反面的粘合剂表面。此外，在使用时放置散热制品时，这些颗粒可压在热源基底的里面或上面。一般，将这些颗粒的尺寸增加到与粘合剂的厚度相同可增加基底和散热片之间的导热性。
颗粒尺寸的选择取决于应用。例如，主尺寸至少约1-2μm和约30μm或以下，宜在约5-20μm之间的颗粒适合于这样一些制品，如油脂、相变材料、液体，和带，如其中粘合层在25-100μm范围内(如在中央处理单元和散热片之间存在)。大于约20-30μm，如50-250μm的颗粒用在较厚的产品中，如有机硅垫，其中冷热基底之间存在较大的间隙。此外，颗粒尺寸不同的材料的组合也可采用。一般，较大的颗粒可用来增加体导热系数，其限制是使基底分开而不形成细小间隙的这种颗粒的最大尺寸。颗粒的次尺寸大致等于(对于一般球形颗粒)或小于(对于针状颗粒、纤维、板等)主尺寸。
当至少有一些选定颗粒在散热制品固定过程中能够发生塑性变形时，这些颗粒的尺寸甚至可以比上面提到的尺寸更大。
在一种实施方式中，散热制品可受热并用压板或模头重新形成新的形状，压板或模头的形状可使散热制品贴合热源芯片封装件或器件。因此，散热制品就这一点而言是可热塑性再成形的，适用于具有所需形状的各种芯片和/或芯片封装件。例如，通过本发明散热制品的底座和/或粘合剂和/或热界面材料的再成形，它们很容易适应具有弓形、不平整或者不完全平整的表面的芯片。这种类型的再成形特别可用于不平整或弯曲程度较大的封装件(发热器件)。
本发明散热片的贴合性和可再成形特性为终端用户的设计和实施提供了很好的组装选择。例如，终端用户可以从一卷本发明散热材料开始，它本身贴合封装件“A”，而终端用户也可从同一卷散热材料按不同的底座尺寸切割，用于封装件“B”。此外，最终应用可包括底座之内或上面的槽或狭缝，以增加贴合程度。具体地说，可将印刷电路板上相互靠近的两个或多个器件桥连，这些器件具有不同的高度，使散热片贴合独特封装件，如Heat Slug Ball GridArray(HSBGA)封装件，该封装件用金属条帮助封装芯片散热，并沉入或浮出典型的焊球网格阵列(BGA)塑料封装形式。本发明的散热片可独立热压在选定区域中，以贴合器件，如用于上面提到的同一PCB上的封装件“C”。散热材料的另一个区域可悬挂在封装件边缘上，提供额外的热流动和芯片散热通道。
本发明基于片的散热片还提供了这样的散热结构，对于预定应用，它成本低、性能好。由于器件越多产生热越多，低成本散热片提供了在各种功率密度、器件寿命和环境条件下散热的手段。例如，预期寿命较低的器件可采用低成本散热片来达到，其散热性能合适，此时器件寿命不需要通过采用昂贵的散热片来显著提高。在另一个实例中，在使用环境条件中要求减少高温峰可采用具有贴合性的柔性散热片，甚至在本发明之前没有用过散热片来达到。
在另一个实施方式中，散热片可包含双层粘合剂结构。聚合物突起和任选底座内层包含粘合剂，该粘合剂固化成在使用散热制品使用的常规温度下没有粘性的组合物。底座包含外层，该外层包含在使用散热制品的常规温度下保持粘性的粘合剂层，如压敏粘合剂(PSA)。压敏粘合剂是指在使用温度下具有正常粘性，受压后即粘合到表面上的粘合剂。
适用于此实施方式的材料的一个实例是结构性粘合剂或结构性混合粘合剂。这里所用结构性粘合剂是指基本上完全固化后不能流动且/或呈热固性的粘合剂。结构性混合粘合剂在固化之前或部分固化之后具有第一阶段，例如PSA阶段，然后可进一步固化到第二阶段，例如基本完全固化之后的结构性阶段。在此情况下，散热制品也可以是双层或多层体系，底座上的至少一个外层宜仍为PSA，而聚合物突起和底座内层包含固化结构性粘合剂。
聚合物突起可包含固化或结构性粘合剂区域，而底座包含PSA层或结构性粘合剂层。一方面，这两个区域都包含大致类似的前体组合物，这些组合物将要固化到不同程度。聚合物突起固化后，宜具有非粘性表面，而底座上与聚合物突起相反的一面固化程度低一些。
可在模具或工具的空穴中提供粘合剂，由粘合剂形成聚合物突起。粘合剂可以是基于溶剂或基于水的粘合剂，因而当溶剂或水干燥去除后，粘合剂保持模具的形状。粘合剂也可以基本上不含溶剂(100％固体)，它聚合或固化形成模具或工具的形状。在固化聚合物突起区域之前或之后，通过涂敷或层压相同、类似或不同的粘合剂，可为干燥、固化或聚合的粘合剂提供底座。如果底座上需要PSA区域，则聚合物突起区域的固化程度可以控制得大一些。另一方面，散热片底座和聚合物突起固化形成结构性粘合剂。然后可在底座上形成另一层，如上述热界面材料层。使用热熔结构性粘合剂和PSA经共挤出，可形成双层或多层散热片。
可用于这些实施方式的材料包括环氧粘合剂与另一种粘合剂，如丙烯酸酯类、有机硅、聚酯和/或聚烯烃粘合剂、有机硅和丙烯酸酯粘合剂，以及合适的已知固化剂的组合。
本发明的散热制品可用任何已知的方法制备。一方面，宜采用能使导热颗粒对齐的方法。例如，合适的工艺包括真空成形、热成形、压塑、连续模塑(复制)、型材挤出(通过模塑)、注塑、压花和冷成形。下面介绍目前优选的方法，用它们可以形成底座，通过挤出复制或型材挤出可在底座的至少一个面上形成聚合物突起。
现在看图2，在所示方法示意图中，三辊模塑设备200包含挤出机，与适合将一个或多个熔融聚合物材料层210出到模辊230中的挤出模头205。在此实施方式中，模辊230的外圆柱面上有所需的表面图案，当熔融聚合物材料210通过模辊230的圆柱面时，图案就转印到熔融聚合物材料210上。在图示实施方式中，模辊230的表面具有许多排列好的空穴260，它们可用来形成许多聚合物突起270。空穴260可根据需要排列，也可具有所需的尺寸和形状，以便用聚合物材料210形成合适的表面柱结构。在一种实施方式中，将足够附加量的熔融聚合物材料210挤入模辊230，至少形成部分背衬层。
模辊230可旋转，与相对的辊220一起形成辊隙250。此辊隙250可帮助熔融聚合物材料210流入空穴260。辊隙250的宽度可以调节，以有助由聚合物材料210形成选定厚度的背衬层。任选将背衬层242同时送入辊隙250。根据弹性材料的组成和聚合物突起270的几何形状，背衬层242可用来有效地将散热制品280从模辊230中送出并可形成散热制品280的整体部分。此外，散热制品280从模辊230出来后可从第三辊240上绕过。在此方法中，全部三只辊220、230和240的温度均可独立地有选择地加以控制，完成以聚合物材料210所需的冷却。
模辊230可以是用于连续加工(如片、带或圆柱形鼓带状物)或间歇加工(如注塑或压塑)的模辊类型。当制备用于形成聚合物突起270的模辊230时，模辊230的空穴260可以任何合适的方式形成，如化学、电学和机械加工或成形工艺中的一种或多种。例子包括钻孔、机械加工、激光钻孔、电子束钻孔、水力喷射机械加工、铸造、蚀刻、模具冲孔、金刚石转孔、雕花等。模辊也可由带间隔金属丝的刻槽金属丝或为间隔板所分隔的刻槽板组成。空穴的排布决定了散热制品的间距和取向。聚合物突起270的形状通常对应于空穴260的形状。模穴可在与施加熔融聚合物材料的表面相反的一端开口，以便于聚合物材料注入空穴。如果空穴封闭，可对空穴抽真空，使得熔融聚合物材料基本上填满整个空穴。或者，封闭空穴可比形成的柱结构长，这样注入的材料可将空气压缩在空穴中。模具空穴用来便于剥离表面柱结构，因而可包含倾斜侧壁，或者在空穴壁上包含剥离涂层。模具表面也可包含选定的剥离涂层，以便于聚合物材料底层从模具上剥离。在一些实施方式中，空穴可与辊表面形成一角度，即不是与表面切线垂直。
模具可用合适的材料形成，从刚性材料到柔性材料。模具组件可用金属、陶瓷、聚合物材料或它们的组合形成，如金属辊与聚合物外壳，其中空穴在外壳材料中。形成模具的材料必须具有足够的整体性和耐久性，以便经受住用来形成底层和表面外形的具体可流动聚合物材料带来的热能。此外，形成模具的材料宜允许空穴由各种方法形成，该材料价格低廉，使用寿命长，能稳定地产生质量合格的材料，便于改变加工参数。
熔融聚合物材料可流进模辊空穴，并在模辊表面流动形成覆盖材料层，或者可使用组成相同或不同的分开的聚合物材料流形成覆盖材料层。为便于熔融聚合物材料流动，聚合物材料通常要加热到合适的温度，然后涂布到空穴当中。涂布可用任何传统技术进行，如压延贴合、流延涂布、幕涂、口模式涂布、挤出、凹版涂布、刮涂、喷涂等。图2示出了单挤出机和挤出模头的布置。但是，用两个(或多个)挤出机和相关的模头可同时将多种聚合物材料挤出到辊隙250中，得到多组分(例如层状、条纹状或混合的)层压覆盖材料。
在相对辊220与模辊230之间施加压力，也可帮助熔融聚合物材料210流入模辊230。当背衬层242包含多孔材料时，三辊模塑设备200可用来控制熔融聚合物材料210的深入程度。用此设备可控制熔融聚合物材料210的量，使之仅穿透背衬层242的表面涂层，或者穿透在加入聚合物材料210反面上的的多孔背衬层242，以部分、基本上或完全包封背衬层242。熔融聚合物材料210渗入多孔背衬层242也可通过熔融聚合物210的温度、辊隙250中聚合物材料210的量和/或挤出机流动速率以及模辊空穴的线速控制。在施加聚合物材料之前对空穴抽真空，也有助于熔融聚合物材料210流入模辊230中。
熔融聚合物材料210涂布在空穴260当中和模辊230的表面上之后，冷却聚合物材料，使之固化形成所需的外表面外形(例如聚合物突起260)。然后将固化的聚合物材料与模辊230分开。聚合物材料210冷却和固化后，常常稍有收缩，这有利于该材料(例如，表面突起结构与底座或额外的背衬层)和整体膜层自图1所示模具上剥离。可冷却局部或整个模具，以有助于表面柱结构和底座或另外的背衬层的固化。冷却可用任何已知的方法直接或间接进行，如用水、空气、其它传热流体或其它冷却过程。
某些模塑方法可采用可固化或热固性聚合物，如上面介绍的结构性混合实施方式。当采用这种树脂时，树脂一般可以未固化或未聚合和/或熔融状态的液体施加到模具上。树脂涂布到模具上之后，可发生聚合或固化，并冷却(如果需要的话)，直到树脂成固态。一般，聚合方法涉及固化时间或者置于能源中，或者二者，以便于聚合。能源可以是热或其它辐射能，如电子束、紫外线或可见光。树脂固化后，将其从模具上取下。在一些实施方式中，将聚合物突起从模穴中取出后，宜进一步聚合或固化热固性树脂。合适的热固性树脂的例子包括蜜胺树脂、甲醛树脂、丙烯酸酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、氟聚合物树脂等。
本发明柔性散热片的另一个制备方法简要示于图3，而产品示于图4、5和6。一般，此方法包括首先由挤出机31经模头32挤出聚合物30，此模头的成形断面对应于所需聚合物突起的截面形状。一个有用的形状示于图4，其中底座33和细长间隔34突出在底座33的上表面上，具有所需的截面形状。在图3中，聚合物30绕辊35移动，通过充满冷却液(例如水)的骤冷罐36，然后由切割器38沿长度方向在间隔位置横向切割肋34(没有切穿底座33的整个厚度)，在肋34上形成分立的聚合物突起37(见图5)，其长度对应于聚合物突起的所需形状。切割器38可包含任何已知工具，如往复刀片或旋转刀片、激光或水力喷射。
一方面，切割肋34之后，聚合物30的底座33在以不同表面速度驱动的第一对夹隙40、41和第二对夹隙42、43之间以至少约1.25∶1的拉伸比，宜以约2甚至4∶1的拉伸比纵向拉伸。在此情况下，加热辊41，使底座33在拉伸前变热，冷却辊42，以稳定拉伸后的底座33。这种拉伸过程在肋34上分立的聚合物突起37之间形成空隙，这些突起随后变成完成的散热片中的聚合物突起。或者，可选用切割器38除去部分材料，在相邻的聚合物突起之间留下所需的空间。
图4所示为作为本发明一个方面的型材挤出横条。底座33支撑着横条34。在图5中，图4所示散热横条制品经过横向切割，形成分立的聚合物突起37。在图6中，图5所示散热横条制品经过拉伸，使分立的聚合物突起37分开，或者图4所示散热横条制品经过横向切割，然后除去部分材料，形成分立的聚合物突起37。
在柔性散热片的一方面，肋34的相邻边缘之间宜相隔至少约0.50毫米(mm)，更宜相隔约0.6-1.0mm。用底座拉伸方法将聚合物突起分开到一定程度，使足够的冷却流体能够从散热片中的聚合物突起周围流过。一方面，突起之间相隔至少约0.10mm，宜相隔约0.6-1.0mm。
本发明的目的和优点通过下面的实施例进一步说明，但这些实施例所列举的具体材料及其用量，以及其它条件和细节不应视为对本发明的不适当限制。
实施例
测试方法
1)冷却性能
用可变电源(E3611A DC电源，购自惠普，Palo Alto，CA)驱动10欧姆电阻器，产生连续热流动。此热量散发到散热片上，散热片又用设定在高档的风扇(3M 961离子化鼓风机，购自3M Electrical Specialties Division，Austin，TX)冷却，风扇直接向散热片吹周围空气。在非常靠近电阻器表面的地方安装K型热电偶，测定器件温度。整个器件松散地安置在苯酚箱中，以帮助电阻器四面绝缘，并允许重复定位。在测试过程中，电源的电压和电流分别预设为4.0伏和0.4安。风扇设定在“高速”档(气流速度约为600-700英尺/分钟(183-213m/min))，距离苯酚箱右边缘10cm(4英寸)，稍稍向下倾斜。每个散热片样品的底面积为1平方厘米，除非实施例中另有说明，每个样品用大小与样品一样的3M8805导热粘合剂转移带(购自3M公司，St.Paul，MN)安装到电阻器上。
在进行测试时，先测定器件没有安装样品，也没有用风扇冷却时的基线温度T1。将风扇设定到高档时测定第二基线读数T2，然后测定风扇处于“高档”且样品安装到时的读数T3。一般，测定之间时间间隔20分钟，以便让温度稳定下来。
记录温度，根据下式计算有样品和没有样品时的温差(ΔT)：
ΔT＝(T2-T3)
2)浸润能力
用导热带(2mil 9882，购自3M公司，St.Paul，MN)将样品安装到凹形表玻璃的凹面上。或者，用导热带(5mil 8805，购自3M公司，St.Paul，MN)将样品安装到平玻璃上。然后用平台扫描仪从下面(透过玻璃)对安装好的样品进行成像。用商业软件(Image Pro Plus，购自Media Cybernetics，SilverSprings，MD)测定灰度图像中的暗区面积，从而确定浸润程度。浸润能力(％)计算如下：
％浸润＝暗区总面积/样品总面积×100
该软件提供图像中强度(灰色强度)的频率分布，输出图像强度频率分布图。此外，可用软件进行1/4色调增强，以改善强度级别，增加图像对比度，但不会明显改变浸润百分数。
3)颗粒取向
用Bruker General Area Detector Diffract ion System(GADDS)微型衍射仪收集X射线透射几何数据，采用铜K辐射，用HiStar 2D探测器记录散射辐射(购自Bruker AXS Inc.，Madison，WI)。衍射仪配有300 μ m入射光束准直仪和石墨入射光束单色仪。探测器位于中央，散射角为0度(2)，样品距离探测器6cm。样品不倾斜。X射线发生器的设置为50kV和50mA。对于每个2D图像，石墨(002)衍射面产生的衍射强度是各向异性的，观察到离散的锐反射，表明存在明显的取向(即石墨颗粒基本上对齐)。非取向(不规则)分布的颗粒所产生的衍射强度是各向同性的，观察到强度均匀的连续环。所测样品由较多的基本上对齐的颗粒组成，也有一些没有对齐(甚至不规则排列)的颗粒。优选具有较高含量的对齐颗粒的散热片。用石墨(002)的最大方位角轨迹测量石墨颗粒的对齐程度。方位角轨迹用ORIGIN(购自OriginLab Corp.，Northampton，MA)进行曲线拟合。峰拟合采用高斯峰模型和线性背景模型。石墨对齐程度可看作方位角轨迹的最大值的半高宽度(FWHM)。报道值的单位为度，后面跟着根据两次测量值(2D图像中相隔180度)的标准偏差。理论上全程为0-180度，数值越低表明对齐程度越高。
颗粒取向也可通过剖开样品，然后数颗粒的方法测定，任选借助于已知的图像处理技术。
材料
组分  商品名 说明 来源
聚合物A  URC7000-TC-1 可熔融加工，充碳聚氨酯树脂 PolyOne Corp.，Cleveland，OH
聚合物B  PolyONE<sup>TM</sup>UR-55 CF 可熔融加工，充碳聚氨酯弹性体 PolyOne Corp.
聚合物C  CoolPoly<sup>TM</sup>RS083 可熔融加工，充非球形碳颗粒的弹性体树脂 Cool Polymers，Warwick，RI
聚合物D  CoolPoly<sup>TM</sup>RS090 可熔融加工，充非球形碳颗粒的弹性体树脂 Cool Polymers
聚合物E  CoolPoly<sup>TM</sup>RS077 可熔融加工，充非球形碳颗粒的弹性体树脂 Cool Polymers
有机硅树脂  Silastic<sup>TM</sup>J 有机硅树脂 Dow Corning Corp.，Midland，MI
清洗化合物  Unipurge<sup>TM</sup> 清洁材料 Dow Corning Corp.，Midland，MI
稀疏平纹布  FabricScrim 250，类型#924856 65/35棉/聚酯共混的经线和纬线 Milliken & Co.，Spartanburg，SC
实施例1
用图2所示方法和设备制备柔性散热制品。
将聚合物a粒料送入单螺杆挤出机(KTS-125型，购自Killion Extruders，Inc.，Cedar Grove，NJ)，并进行熔融加工。挤出机的直径约为3.2cm(1.25英寸)，螺杆速度为80rpm，温度分布从约100℃升至约250℃。通过挤出机将聚合物A树脂送入250℃的加热颈管，最终送入加热250℃、宽15.2cm(6英寸)的片材模头，最大模唇开口为0.102cm(0.040英寸)。在17.2MPa(2500psi)的压力下将树脂连续从片材模头上排出，形成熔融聚合物片。
现在看图2，将上面形成的熔融聚合物片210送入夹隙220和定形辊230之间的辊隙212中，这两个辊属于一组水平的三个温度受到控制、直径为30.5cm(12英寸)的旋转圆柱辊，转速为0.61m(2英尺)/min。这组辊中的全部三个辊都是抛光镀铬钢。
用0.24MPa(35psi)的压力将夹隙220推向定形辊230。定形辊230提供含有空穴的表面，空穴直径约2mm，深约16mm，排列成六边形阵列(同一横排上的空穴中心距离约3mm；两相邻横排之间的距离从一排孔中心测量到相邻排孔中心，约为2.6mm；相邻横排中空穴之间的偏移距离为1.5mm)。将定形辊和夹辊加热到32℃。
将熔融聚合物片210送入辊隙的同时，将Fabric Scrim同时送入水平辊组中的夹辊220与定形辊230之间的辊隙212，并因此放转进入该辊隙。织物稀疏平纹布250转进辊隙时，一些熔融聚合物渗入，并牢固地熔融粘合在织物上，形成层压物。当熔融聚合物通过辊隙240的表面固化时，辊隙220松开层压物，使之绕定形辊230进入辊隙240。这样形成的制品具有来自模辊的图案，然后从辊隙240上剥离，除去织物稀疏平纹布背衬，得到在表面上含有聚合物突起的散热制品。散热制品底座的总厚度为0.6cm，聚合物突起(柱)的主尺寸(高度)约为0.5cm。
测定上面制备的散热制品的冷却性能。样品底面积为1.3cm×1.3cm。电阻器没有冷却时的温度为63℃(T1)，在风扇冷却时为47℃(T2)。冷却性能的测定结果为T3＝39.6℃，ΔT＝7.4℃。经X射线衍射测定观察到明显的颗粒取向(36.5度(3.3标准偏差))。
实施例2
图7所示两个柔性散热制品(2A和2B)由聚合物C和聚合物D通过熔融复制制备，采用有机硅模具。
图7所示用来制备散热制品的有机硅模具通过在市售铝散热片上浇铸有机硅树脂来制备。此树脂在室温下固化一夜，从散热片上取下固化树脂，得到有机硅模具。
一块或两块长1.18cm(3英寸)、宽1.18cm(3英寸)、厚0.32cm(1/8英寸)的聚合物C(制备散热制品2A)或聚合物D(制备散热制品2B)板排列在模具上，然后夹在涂有硅氧烷的纸质衬垫之间，在190℃(374)和454.5kg(0.5吨)的压力下熔融压制10秒钟，接着在冷压机上骤冷30秒钟。熔融加工之前，有时在硅酮模具的表面上施加一薄层脱模，以便于散热制品从模具上剥离。
实施例2A和2B中的散热制品如图7所示，每个制品有一个方形直边聚合物突起的方形基体结构，突起宽约1.8mm(0.071英寸)，长约1.8mm(0.071英寸)，高约3.5mm(0.138英寸)，中心-中心间距约4mm(0.16英寸)，底座厚约1mm(0.039英寸)。
对散热制品2A和2B进行冷却性能测试，并用9882粘合剂测定散热制品2A在凹形表玻璃上的表面浸润能力。其浸润能力不及后面的样品，因为这种早期原型样品的底座表面是粗糙的，并使用了可得到的最薄的热转移带。结果列在下面表1中。电阻器没有冷却时的温度为71.5℃(T1)，用风扇冷却时的温度为49.3℃(T2)。经X射线衍射测定观察到明显的颗粒取向(42.5度(2.4标准偏差))。
实施例3
按照实施例2所述方法制备图8所示散热制品，采用有机硅模具和聚合物C。有机硅模具用市售铝散热片制备。
所得散热制品具有聚合物突起的方形基体结构，聚合物突起一侧渐缩。顶端的突起收缩侧的宽度约为1.6mm(0.63英寸)，而突起与底座相连之处宽约2.2mm(0.87英寸)。突起直边宽约2.5mm(0.098英寸)。每个突起的高度约为9mm(0.35英寸)，突起的中心-中心间距约5mm(0.2英寸)。散热制品底座厚约1.7mm(0.067英寸)。
对散热制品进行冷却性能测试，并用9882粘合剂测定它在凹面上的浸润能力。其浸润能力不及后面的样品，因为这种早期原型样品的底座表面是粗糙的，并使用了可得到的最薄的热转移带。结果列在下面表1中。电阻器没有冷却时的温度为71.5℃(T1)，用风扇冷却时的温度为49.3℃(T2)。经X射线衍射测定观察到明显的颗粒取向(38.9度(0.8标准偏差))。
实施例4A、4B和4C
按照实施例2所述熔融复制方法制备图9所示三个柔性散热制品(4A、4B和4C)，不同之处是用结构性铝板代替有机硅模具。除了聚合物C(用来制备散热制品4A)和聚合物D(用来制备散热制品4B)外，还采用聚合物E(用来制备散热制品4C)。
所得散热制品具有波浪形图案，它由具有渐缩边的横条形聚合物突起(以下称横条)在约1mm(0.039英寸)厚的底座上形成。横条从底座的1mm(0.039英寸)渐缩到顶峰的0.2mm(0.008英寸)。每个横条的高度约为2mm(0.079英寸)。
对散热制品进行冷却性能测试。结果列在下面表1中。电阻器没有冷却时的温度为71.5℃(T1)，用风扇冷却时的温度为49.3℃(T2)。未测定颗粒取向。
实施例5
通过型材挤出制备图11所示柔性散热制品。
将聚合物C的粒料送入3区、25.4mm(1英寸)的单螺杆挤出机中(购自Haake Corp.，Karlsruhe，Germany)，操作速度为40rpm。用清洗化合物清洁挤出机。单螺杆挤出机各区设定的温度如下：1区：170℃(338)，区2：200℃(392)，机筒3：210℃(410)。聚合物C经挤出机加工后，进入具有图10所示形状的型材模头，其中底座厚度A为0.76mm，突起高度B约为6.35mm，横条总体宽度C为22.1mm，突起D宽0.76mm，相邻突起横条之间的间距E约为1.0mm。在至少100psi(0.69MPa)的压力下将聚合物连续从模头上排出，并加以引导，形成连续笔直的散热制品。从型材模头挤出的横条用水冲，使聚合物从模头一出来就骤冷。
所得散热制品具有直边横条在约1-2mm厚的底座上形成的图案。横条突起高约5.5mm(0.217英寸)。相邻翼片之间的距离约为0.5mm(0.02英寸)。
对散热制品进行冷却性能测试。结果列在下面表1中。电阻器没有冷却时的温度为71.5℃(T1)，用风扇冷却时的温度为49.3℃(T2)。经X射线衍射测定观察到明显的颗粒取向(47.5度(2.0标准偏差))。
比较例A和B
测定了两个铝散热片(A和B)的冷却性能。CE-A的总体高度为4mm，有16个柱，而CE-B的总体高度为10mm，有9个柱。
表1材料和性能
    实施例     聚合物     T3，℃     ΔT，℃     浸润，％
    2A     C     40.7     8.6     63.4
    2B     D     40.4     8.9     NT
    3     C     37     12.3     55.5
    4A     C     43.7     5.6     NT
    4B     D     40.7     8.6     NT
    4C     E     41.1     8.2     NT
    5     C     35.9     13.4     NT
    CE-A     铝     37.2     12.1     NT
    CE-B     铝     34.1     15.2     NT
每个散热片的底面积约为1.3cm×1.3cm，“NT”表示未测定。
实施例6
根据实施例5所述步骤，用型材挤出制备图11所示两个柔性散热制品(6A和6B)。用聚合物B制备散热制品6A，用聚合物C制备散热制品6B(如实施例5所制)。每个制品底座厚约2mm。
对散热制品进行冷却性能测试。结果列在下面表2中。电阻器用风扇冷却时的温度为53.4℃(T2)。
表2材料和冷却性能
    实施例     聚合物     T3，℃     ΔT，℃
    6A     B     44.3     -9.1
    6B     C     42.6     -10.8
实施例7
用热压机制备聚合物突起呈方形图案的7个散热制品。
通过9mm厚的有机硅模具钻孔，制备孔呈方形图案的模具。每个聚合物突起为柱形，它具有下表3所示的所需柱尺寸和间距。
将树脂粒料放在模具上。将硅氧烷剥离纸放在模具上没有覆盖粒料的那一面的粒料上。然后将“夹心”结构放在加热压板上(193.5℃(380))。使193.5℃的第二压板与该结构接触。约30秒钟后，在8.27MPa(1200psi)的压力下压约30秒钟，将压板压在一起。
从有机硅酮模具上取下所得散热制品，测定其冷却性能。所用树脂、柱直径、相邻柱中心之间的距离和冷却性能列于下面表3。散热制品底座厚度在1-2mm之间。柱直径(mm)记作PD，DBC是相邻柱的中心之间的距离(mm)。
表3材料、间距和冷却性能
  实施例   聚合物     PD     DBC     T2，℃   T3，℃   ΔT，℃
    7A     B     2     4     48.2     38     10.2
    7B     B     2     6     48.2     41.6     6.6
    7C     B     3     6     48.2     38.5     9.7
    7D     C     2     3     45.5     38.9     6.6
    7E     C     2     4     48.2     42.6     5.6
    7F     C     2     6     48.6     42.4     6.2
    7G     C     3     6     48.6     40.6     8.0
实施例8
用热压机制备12个具有聚合物突起的散热制品，所述突起排列成六边形图案，如图12所示。
如实施例7所述制备模具，不同之处是呈六边形图案，其中每个突起是柱形，具有所需柱尺寸和间距，具体见下面表4。散热制品根据实施例7所述步骤形成。
所得散热制品从模具上取下，进行冷却性能测定。所用树脂、柱直径、柱中心之间的距离和冷却性能列于下面表4。散热制品底座厚度在1-2mm之间。电阻器用风扇冷却时的温度为47℃(T2)。在表4中，PD是柱直径，D2是同一横排上相邻柱之间的距离，D3是相邻两横排柱子之间的距离，D4是相邻两横排柱子之间的偏移距离。所有的距离都以毫米为单位。
表4材料、尺寸和性能
  实施例  聚合物     D1     D2     D3     D4     T3，℃    ΔT，℃
    8a     B     2     3     2.6     1.5     37.7     9.3
    8b     B     2     4     3.5     2.0     36.2     10.8
    8c     B     2     5     4.3     2.5     41.2     5.8
    8d     B     2     6     5.2     3.0     41.8     5.2
    8E     B     3     6     5.2     3.0     39.1     7.9
    8F     B     3     7     6.1     3.5     39.5     7.5
    8G     C     2     3     2.6     1.5     40.8     6.2
    8H     C     2     4     3.5     2.0     40.7     6.3
    8I     C     2     5     4.3     2.5     40.5     6.5
    8J     C     2     6     5.2     3.0     41.1     5.9
    8K     C     3     6     5.2     3.0     40.0     7.0
    8L     C     3     7     6.1     3.5     39.3     7.7
实施例9
使用压机和各种重量比的树脂聚合物C和聚合物B的共混物制备9个具有六边形图案的散热制品。
如实施例8所述制备模具，得到所需柱尺寸和间距，具体见下面表5。散热制品根据实施例7所述步骤形成。各种树脂预先在双螺杆挤出机中共混，然后形成粒料。
所得散热制品从模具上取下，进行冷却性能测定。所用聚合物C/聚合物B之重量比、柱直径、柱中心之间的距离、散热制品底座厚度和冷却性能列于下面表5。电阻器用风扇冷却时的温度为47℃(T2)。在表5中，所用比例是聚合物C与聚合物B的重量比。
表4材料、尺寸和性能
  实施例     比例     D1     D2     D3     D4    T3，℃    ΔT，℃
    9a     25/75     2     4     3.5     2.0     37.7     9.3
    9B     25/75     2     5     4.3     2.5     39.2     7.8
    9C     25/75     2     6     5.2     3.0     40.0     7.0
    9D     50/50     2     4     3.5     2.0     36.9     10.1
    9E     50/50     3     5     4.3     2.5     37.7     9.3
    9F     50/50     3     6     5.2     3.0     38.8     8.2
    9G     75/25     2     4     3.5     2.0     37.1     9.9
    9H     75/25     2     5     4.3     2.5     39.6     7.4
    9I     75/25     2     6     5.2     3.0     40.8     6.2
实施例10-14和比较例C-J
按照上述方法，用平玻璃和两块表玻璃测试基片以及8805粘合剂测定浸润能力。第一块是6英寸(150mm)小表玻璃(Shallow Form Watch Glass，凹面、透明、退火钠钙玻璃盖，边缘经火抛光，以目录号66112-209购自VWRScientific Products，Minneapolis，MN)，第二块是8英寸(200mm)大表玻璃(VWR，目录号66112-242)。每种尺寸的玻璃凹凸两面均用。实施例10中和比较例C-E的的柔性散热片尺寸约为38×38mm。在实施例11-14中测定本发明的柔性散热片，其尺寸为27mm×27mm，柱高6.5mm；比较例F-J使用市售铝散热片(27mm×27mm，柱高10mm)。结果示于下表和图13-15。图13A可与图13B-D所示铝散热片作比较。图14A(本发明)可与图15(传统)比较。类似地，图14和15中对应的B、C和D可作比较。图14c用1/4色调增强的对比度，来改善图像，表明这对浸润百分数没有明显改变。比较表中数据和/或图，显著表明本发明的浸润优点。
表6浸润能力
  实施例     图     基片   弯曲情况     浸润
    10     13A   平玻璃     n/a     88.9
    C     13B   平玻璃     n/a     33.5
    D     13C   平玻璃     n/a     21.4
    E     13D   平玻璃     n/a     35.4
    11     14A   小表玻璃     凹     94.2
    F     15A   小表玻璃     凹     2.1
    12     14B   小表玻璃     凸     94.8
    G     15B   小表玻璃     凸     4.6
    13     14C   大表玻璃     凹     97.2
    H     15C   大表玻璃     凹     10.4
    14     14D   大表玻璃     凸     97.8
    J     15D   大表玻璃     凸     33.1
在不偏离本发明范围和原则的情况下，本发明的各种改进和变化形式对本领域的技术人员来说是显而易见的，应当理解，本发明不受上述示例性实施方式的限制。

Claims (30)

1.一种柔性散热制品，它包括：
包含聚合物的底座；
从底座伸出的许多聚合物突起，每个突起具有主尺寸和次尺寸；
其中底座聚合物包含导热颗粒；
突起聚合物包含非球形导热颗粒，所述颗粒基本上沿突起的主尺寸方向对齐，散热制品的柔性在室温下允许它弯曲到半径小于30cm，而不对散热功能造成显著负面影响。
2.如权利要求1所述的制品，其特征在于突起和底座由基本上相似的聚合物组合物构成，所述组合物任选地包含一种或多种粘合剂。
3.如权利要求1所述的制品，其特征在于突起和底座由不同的聚合物组合物构成，所述组合物任选地包含一种或多种粘合剂，且所述组合物任选地是可固化的。
4.如权利要求1所述的制品，其特征在于突起中的颗粒和底座中的颗粒基本上是类似的颗粒。
5.如权利要求1所述的制品，其特征在于非球形颗粒是细长的颗粒。
6.如权利要求1所述的制品，其特征在于散热制品底座中的聚合物的弯曲模量小于7GPa。
7.如权利要求1所述的制品，其特征在于导热颗粒选自碳黑、碳纤维、涂层碳纤维、金刚石、陶瓷纤维网、陶瓷、金属、金属箔和它们的组合。
8.如权利要求1所述的制品，其特征在于选择颗粒以减少电磁和/或射频干扰，且所述颗粒任选地选自铁氧化物和涂镍的颗粒。
9.如权利要求1所述的制品，它还包含金属层和/或稀疏平纹布，选来减少电磁干扰和/或射频干扰和/或导热性，所述稀疏平纹布任选地选自镍或涂镍稀疏平纹布、碳稀疏平纹布、涂镍碳稀疏平纹布和它们的组合。
10.如权利要求1所述的制品，其特征在于聚合物的一个或多个表面包含金属层和/或树脂涂层。
11.如权利要求1所述的制品，它还包含施涂在散热制品底座上的增粘剂。
12.如权利要求1所述的制品，其特征在于所述突起至少能偏离至突起最细区域厚度的50％，而不会断裂。
13.如权利要求1所述的制品，它适合于贴合在多个高度含有芯片和/或含有表面平整度不同的器件的电路板。
14.如权利要求1所述的制品，其特征在于它还在底座上包含用以将散热制品机械固定到发热器件或包含这种器件的结构上的部件。
15.如权利要求1所述的制品，其特征在于底座适于接触成型表面。
16.如权利要求1所述的制品，它还包含靠近底座的热界面材料，所述热界面材料任选地是可固化的。
17.如权利要求1所述的制品，其特征在于突起具有柱形，选择柱形以提供一个或多个特征，所述特征选自有方向的气流和增加表面积。
18.如权利要求1所述的制品，其特征在于散热制品是可热塑性再成形的。
19.如权利要求1所述的制品，其特征在于底座和/或突起包含两种或多种聚合物的共混物，所述聚合物任选地包含一种或多种粘合剂。
20.如权利要求1所述的制品，它还在底座和/或突起聚合物组合物中包含一种或多种添加剂和/或填充剂。
21.如权利要求1所述的制品，其特征在于底座包含波纹层。
22.如权利要求1所述的制品，其特征在于底座包含提高其柔性的细部，且柔性细部选自凹痕、狭缝、槽、切口、凹口、孔或它们的任意组合。
23.如权利要求1所述的制品，其特征在于散热制品的UL-94可燃性等级为V1和/或V0。
24.如权利要求1所述的制品，其特征在于它以卷筒形式提供。
25.如权利要求1所述的制品，其特征在于底座厚度与突起高度之比选自至少1∶2，至少1∶3，至少1∶6和至少1∶8。
26.如权利要求1所述的制品，其特征在于突起具有渐缩形状。
27.如权利要求1所述的制品，其特征在于所述凸起和底座包括相同组成的颗粒。
28.如权利要求1所述的制品，其特征在于所述导热颗粒选自氮化硼、氧化铝、碳化硅、氮化铝、三水合铝、氢氧化镁以及它们的组合。
29.如权利要求5所述的制品，其特征在于非球形颗粒的纵横比大于1.25∶1。
30.如权利要求21所述的制品，其特征在于所述波纹层是表面层。
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