CN100546822C - 用于高度充填的相变热界面材料的新型封装方案 - Google Patents

Abstract

一种封装系统、封装方法和在基片上的预期位置放置材料薄层的方法，该材料层尤其是位于散热元件和连接到该散热元件上的吸热装置之间的界面处的导热相变材料层。所述封装包括夹在第一底衬和第二顶衬之间的材料薄层。一胶带段粘贴在所述顶衬上并且优选地包括一可抓取的部分，例如突片，以便该胶带段将所述顶衬拉离所述材料，从而将材料层布置在所述基片上。

Description

用于高度充填的相变热界面材料的新型封装方案

背景技术

用于促进热量由散热元件向吸热装置传递的成分(composition)、系统和方法在本领域是公知的。这种成分、方法和系统的例子包括在下列文献中所公开和要求保护的那些内容，所述文献为：1999年5月18日授权的名称为“粘性热界面及其制造方法”的美国专利号5904796；1999年6月15日授权的名称为“带有粘接剂的热界面”的美国专利号5912805；2002年11月19日授权的名称为“具有屏障以减少电磁干扰的吸热设备及热界面”的美国专利号6483707；2003年9月9日授权的名称为“可预作用的(preappliable)相变热界面垫板”的美国专利号6616999；2003年11月25日授权的名称为“石墨的同素异形体界面成及其制造方法”的美国专利号6652705；2004年1月6日授权的名称为“热界面晶片及其制造和使用方法”的美国专利号6672378，这些文献的教导特地结合于此作为参考。

这些产品和系统中可买到的包括以POWERSTRATE，THERMSTRATE，ISOSTRATE，MCM-STRATE，EMI-STRATE，THERMSTRATE TC和POWERFILM为商标出售的产品，所有这些产品都是由加利福尼亚州Laguna Hills的Power Devices公司生产的，该公司是宾夕法尼亚州Gulph Mills的Henkel公司的子公司。

从散热元件中传递热量是使许多电子设备正常工作所必需的，这些散热元件典型地包括微处理器和其它电子元件。一定程度上如果热量未被移除，则这些电子元件将不会最佳地工作，并且可能会被损坏，有时损失是无可挽回的。前述结构和系统通过提高从热源向散热物体的吸热能力解决了这种问题，散热物体典型地包括吸热装置。就吸热装置而言，吸热装置典型地由具有良好导热性能的材料制成，例如铝，并且具有由凸起、翼片形成的扩大的表面积或类似的可有效地将热量散发到周围空气中的材料制成。对于后者，经常利用风扇以提供适当的空气循环并且促进热量的散发。

前述用于传热的成分、系统和方法典型地配置在散热元件和吸热装置之间的接合点。从这一点说，这些导热材料通常能够工作以确保散热元件和与之连接的吸热装置之间适当的机械接触，在某种程度上人们广泛地认识到，这些元件之间的机械接触可极大地提高它们之间的导热能力。

为此，人们广泛地认识到，相变材料(phase change materials)，例如在美国专利号5904796，5912805，6483707，6616999，6652705和6672378中公开的那些材料，可非常有效地促进穿过热界面的热传递。这种相变材料被表述为在室温下保持固态，但在使用该材料的电子元件的工作温度或接近该工作温度时会液化。这种相变材料提供了可确保在装置的工作过程中在散热元件和吸热装置之间机械接触的优点。此后，该材料固化，从而其仍然位于电子元件和吸热装置之间的特定的界面区域内。后一方面是尤其重要的，因为相变材料的这种保持固态的特性极大地提高这种材料在散热元件和吸热装置之间所期望的接合点处的应用能力。

除了相变材料有利于传热的理想特性之外，其缺点在于其封装、运输和将这种材料应用在电子元件和与之连接的吸热装置之间的界面处的能力。特别地，大多数相变材料被形成为具有尽可能小的厚度以使热量传递最大化，从而它们是非常脆弱的。此外，由于这些材料的相变特性，它们可能在应用过程中撕裂或剥落，并且因此可能很容易被损坏或不适当地应用。

为了应对这些缺陷，大多数相变材料典型地固定在一基片上，从而提高这些材料被制造、运输以及最终被固定在散热元件和吸热装置之间的界面处的能力。但是公知的是，由于在界面处引入了额外的厚度并且引入了贯穿热流路径的独立的材料层，这种基片的使用会妨碍热量的流动。因而，由这种结构导致的对于热流的阻碍往往超过了采用基片所带来的优点。

因此，本领域的实际需求是一种新的封装系统和方法，这种系统和方法可有效地使一种薄层材料，并且尤其是可有效地促进热量从散热元件向吸热装置传递的相变材料，能够被封装、运输并最终应用到散热元件和吸热装置之间的界面上，该界面可保持该材料的形状和完整性；允许极其精确和可重复地应用；以及就热传导成分而言，不再需要用于将这种材料放置在散热元件和吸热装置之间的界面处的基片。同样还需要这样一种系统和方法，其具有极其简单的构造，低成本，易于使用，并且可利用现有技术迅速地实施。本领域还需要这样一种系统和方法，其实际上可使用任意类型的相变材料，以及任意其它类型的必须精密地制造、运输和应用的薄膜和材料层。

发明内容

本发明尤其用于处理和消除本领域的上述缺陷。就此而言，本发明涉及用于封装材料薄层的封装系统和方法，以及用于在基片上的不同位置处作用所述材料层的方法。本发明尤其适用于封装和应用相变材料，尤其是那些用于促进热量从散热元件向吸热装置传递的相变材料。

根据优选实施例，被封装的材料薄层布置在第一底衬和第二顶衬之间，从而材料层被限制于或夹于所述第一底衬和第二顶衬之间。优选地，材料层被滚压成包含于底衬和顶衬之间的薄膜。理想情况下，其上方具有顶层的材料层可被切割为需要的形状或覆盖区，以匹配所给定的热界面的尺寸。例如，可考虑将其上带有顶衬的材料层切割为1英寸×1英寸的正方形。

一旦这样形成，胶带的延长段横跨顶衬的全长或一部分而被粘接，并且优选地具有足够的长度以使该胶带段可延伸覆盖并横跨所述顶衬，从而所述胶带的至少一个或两个自由端可粘接到底衬上。优选地，胶带层将具有突片或一些其它结构。在优选实施例中，底衬和胶带层将延伸到顶衬和夹在其中的材料层之外，从而胶带层将接触并粘接到底衬上。在该优选实施例中，布置在顶衬和底衬之间的材料层基本上被封装，以向最终放置在热界面上的材料层提供进一步的保护。

为了应用所述材料层，开始用户需要移除底衬，以便在一个侧面暴露所述材料层。为此，底衬可与每个传统的操作一样简单地从材料层上剥离。在那些执行封装从而胶带层和底衬延伸覆盖并封装所述顶衬和材料层的实施例中，胶带和底衬最初需要彼此分离。

一旦材料层被暴露，它就被直接放置在基片上，该基片也就是限定所述热界面的吸热装置的一部分。这种应用典型地只涉及将暴露的材料层放置在基片上的目标位置处，也就是热界面上，并且此后快速地将粘附在顶层上的所述胶带从所述基片上拉掉。在更加高度优选的方法中，该系统利用一条延伸在所述顶衬和置于其下方的材料层上的胶带，并且胶带的延长部分被用于首先将暴露的材料层粘附到基片上的目标位置。通过轻轻地向上拉动所述胶带，所述粘附在材料层上的顶衬将从所述材料层上剥离，而由于所述材料层的惯性远大于所述胶带和顶衬，因此所述材料将保持静止并且仍然粘附在界面上。在这点上，拉动粘附在界面上的胶带会产生与所述拉动反向的阻力。在粘附停止处，拉力继续而阻力停止，从而通过胶带作用于顶衬的加速度产生变化率。由于材料和顶衬之间的不完全粘接，所产生的顶衬的加速度不传递到所述材料。当顶衬被移除以用于最终的组装时，所述材料保持静止并且仍然位于界面表面上。因而，材料层快速地并且简单地被精确地并且均匀地置于适当的位置，并且，有利地不需要任何类型的基片以适当地定位这些材料。

因此，本发明的一个目的是提供一种封装系统、封装方法，和在基片上的预期位置作用材料层的方法，并且该材料层尤其是可有效地促进热量从散热元件向吸热装置传递的相变材料层。该封装系统更加可靠，具有简单的结构，并且基本上比现有技术的封装和应用技术更快和更便于使用。

本发明的另一个目的是提供一种封装系统、封装方法，和在基片上的预期位置作用材料层的方法，该材料层尤其是可有效地促进热量从散热元件向吸热装置传递的相变材料层。该封装系统和封装方法可提供更好的产品保护并可基本上比现有技术节约用于促进热量传递的材料的量。

本发明的再一个目的是提供一种封装系统、封装方法，和在基片上的预期位置应用材料层的方法，该材料层尤其是可有效地促进热量从散热元件向吸热装置传递的相变材料层。该封装系统具有简单的结构，可通过采用已知的制造技术和材料而轻松地实现，并且基本上可使与将所述导热成分作用于在散热元件和与之连接的吸热设备之间的界面上有关的人力消耗最小化。

附图说明

本发明的这些和其它特征将参照附图而变得更加清楚。

图1是装在一封装系统内的用于促进热传递的材料层或材料块的横截面视图，其中所述封装系统是根据本发明的优选实施例构造而成的。

图2是图1的横截面视图，其中封装系统的下部底衬被移除。

图3是吸热装置的横截面视图，示出了图2中的材料层和封装系统的一部分被作用在该吸热装置上。

图4是图3的横截面视图，其中胶带的一段和封装系统的上部衬垫被移除，同时材料层仍保持在吸热装置上的适当位置。

图5是本发明的用于分配封装后的材料的分配系统的顶视图。

具体实施方式

下文所阐述的详细说明只是对本发明当前优选实施例的说明，而不表示本发明只能以唯一的方式构成或使用。所述说明阐述了本发明的功能以及构造和操作本发明的步骤的次序。但是，应当理解，通过不同的实施方式可实现相同或等同的功能和次序，并且它们也应当包括在本发明的范围之内。

现在参照附图，首先参照图1，其示出了用于材料薄层14的优选的封装系统10，所述材料薄层优选地包括具有相变特性的导热材料的单层或薄膜。在这点上，我们可以清楚地看到封装系统10将尤其适合于便于制造、运输、操作和最终应用这些导热材料，例如导热材料14。而在这之前，这些都是无法实现的。按照这样的方法，我们可以具体地想到封装系统10将尤其适用于由Power Device公司制造的某些导热相变材料，尤其是其Powerstrate Xtreme相变材料。

如图所示，所述封装系统包括夹于第一底衬12和顶衬16之间的材料层14。优选地，这种夹层式布置是通过将材料层14放置在衬垫12，16之间形成的，衬垫12，16优选地包括剥离纸衬垫(paper releaseliner)，从而所述层最终形成的厚度在约2至20mil之间，并且优选地为大约8mil。在高度优选的实施例中，底衬将包括54lb的零剥离纸(zero release paper)，并且顶衬将包括42lb的零剥离纸。为了促进这种复合物(compound)的卷制，这种复合物优选地被加热到大约60℃的温度。在这点上，因为我们可清楚地看到这种材料层14将包括导热相变材料，并且由于这种材料固有的粘性，因此我们确信这种制造工艺是优选的，以及该材料能被形成为具有均匀厚度的自立式(freestanding)薄膜。然而，容易理解的是可以设想其它类型的制造工艺，只要材料层14被形成为具有位于衬垫12，16之间的夹层式结构，都应当被认为落于本发明的范围之内，无论其是不是首先在底衬12上放置材料层14，然后再在材料层上覆盖顶衬16。

在所描绘的实施例中，顶衬16将被形成为具有与层14相同的尺寸，从而所述两物件14，16将确定一条连续的周边。在这方面，可以设想材料层14和顶衬16根据某一应用所希望的特定形状或覆盖区(footprint)可被有选择地切割或形成于底衬12上。例如，这些层被形成为适配吸热装置的大约5″×6″的界面。可替换地，可以设想所述层14和顶衬16可被切割为具有特定类型的几何形状，特别是大致为1英寸×1英寸的正方形形状，该尺寸是当前所使用的大多数热界面的典型尺寸。

一条或者一段胶带18跨越顶层16延伸，胶带粘贴到顶层16上。在所示的优选实施例中，提供了一段胶带18，从而该胶带延伸在材料层14和顶层16的宽度和长度上，如胶带段18a，18b分别所示。根据该实施例，胶带18通过所述延长部分18a、18b粘接在底衬12上。有利地，通过完全延伸在材料层14周围，底衬12和胶带段18配合以封装和保护其中所包含的材料层14。

在优选但可选择的实施例中，所述胶带18的至少一部分将具有突片或其它类型的可抓持的部分，从而可将胶带18拉开，这在下文中将更充分地讨论。在所示的实施例中，胶带段18具有第一和第二突片20a，20b，其可用来便于材料层14的放置和胶带段18的移除。在这方面，可以设想这些突片20a，20b可仅仅通过将胶带的端部折叠到其自身上形成，使胶带的粘性侧相互粘接，外部的非粘性侧形成所述突片20a，20b。至于可使用的胶带的优选类型，目前可以考虑使用传统的封装胶带，例如SMI Polyfilm，P/N 1864000685，宽

厚1mil的胶带。其它可买到的可选产品包括Scotch#810Magic Tape和Intertape 1100，#F4218，宽2″，厚2mil的胶带。

如图1所示的封装状态下，材料层14可根据需要运输和处理。有利地，这种封装状态使自立式材料层14得到保护并且可在不需要基片的情况下保持其形状和厚度。典型地，大多数相变材料层必须形成于基片上，或者形成为块状，随后通过剥离或类似操作加以应用。在这方面，至今为止还未出现这样一种用于封装单个薄膜层的方法，其中该方法进一步提高所述薄膜层直接应用于热界面的能力。

对于本发明的后一个方面，在图2-4中示出了作用这种被保护在封装系统10内的材料层14的连续步骤。首先参照图2，作用材料层14的最初步骤是从移除底衬12开始，该步骤可简单地通过从材料层14上剥离所述底衬12而实现。在这方面，本领域所公知的是，可将层12、14设想为与底衬12相比材料层14更牢固地粘贴于顶层16上。能够制造和/或选择衬垫12，14以实现该目的在本领域中是容易理解的。

一旦底衬12已被移除，如图2中所示，具有连接于其上的顶层16和胶带段18的暴露的材料层14可选择性地定位于基片即吸热装置22上的预定区域，如图3所示。为此，材料层14只需要轻轻地压在界面上。在这点上，由于这种成分的粘性，层14将粘贴就位。与现有技术的其它方法不同，该方法的有利之处在于，在作用层14时既不需要预热，也不需要在作用过程中加热以及再冷却吸热装置22。

一旦定位在基片上，一突片(或所述突片中的一个，例如所示的20b)被轻轻地向上拉起，从而使材料层14仍保持在吸热装置22的预定位置上，如图4所示。在这点上，现在可以理解的是，拉动胶带段18以及粘附在其上的顶衬16可使顶衬16轻易地从层14上移除，这是因为层14具有更大的惯性和它与顶衬16的不完全粘合。与相变材料的粘性结合的这些力，与保持粘贴在顶衬16上不同，使材料层14粘附在吸热装置上。一旦材料层14被放置在预期的位置上，通过将散热元件连接到吸热装置22上，并使材料层14布置在两者之间，这样热通路就完成了。

现在参照图5，其示出了本发明的另一个方面，即用于分配和应用本发明的封装后的材料的分配系统。如图所示，封装产品将被形成为卷材24，与传统的运输和储存导热材料的措施相同。在这点上，如图所示，这种成卷的产品被典型地固定在基部26上，其中该基部26具有一个或多个在其附近分布的销钉28。所述销钉28可有效地使成卷的导热材料通过，从而可从带卷上切下所需长度的材料。这种结构有利地允许导热材料迅速地通过，从而加快应用过程。

对于本发明的其他修改和改进对于本领域的技术人员来说也是显而易见的。因此，本文中所描述和示出的部分与步骤的具体组合仅仅是为了描述本发明的特定实施例，并且不应当将其作为对本发明的精神和范围内其它可替换的装置和方法的限定。

Claims (24)

1.一种用于材料层的封装系统，包括：

a)底衬，所述材料层形成于所述底衬上；

b)顶衬，所述顶衬位于放置在所述底衬上的所述材料层上；

c)胶带段，其粘接到所述顶衬的至少一部分上。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述材料层包括导热成分。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述导热成分具有相变特性。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述胶带段具有形成于其上的突片。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述底衬和所述顶衬包括剥离纸衬垫。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述材料层和所述顶衬限定了一长度和一宽度，并且所述胶带延伸跨越由所述材料层和顶衬限定的所述长度和宽度相应的其中之一。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述胶带层进一步延伸至所述底衬，并且粘附在该底衬上。

8.如权利要求7所述的系统，其中在由所述材料层和所述顶衬限定的周边之外的位置处，所述胶带粘附在所述底衬上。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述材料层包括具有厚度为8mil的导热成分。

10.一种用于封装材料层的方法，该方法包括如下步骤：

a)提供一底衬；

b)将所述材料层放置到步骤a)中所提供的底衬上；

c)将一顶衬放置在所述放置在底衬上的材料层上；和

d)滚压所述底衬和顶衬以及布置于两者之间的材料层，从而所述材料层具有预期的厚度；和

e)将一胶带段粘贴到在步骤c)中放置在所述材料层上的所述顶衬上。

11.如权利要求10所述的方法，其中在步骤b)中，所述材料层包括导热成分；并且在步骤d)中，所述材料层被形成为具有8mil的厚度。

12.如权利要求11所述的方法，其中在步骤b)中，包括导热成分的材料是相变材料。

13.如权利要求10所述的方法，其中在步骤e)中，所述胶带段同时粘贴到所述顶衬和所述底衬上。

14.如权利要求10所述的方法，其中在步骤d)中，所述材料层被形成为具有特定的表面积。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述材料层被形成为具有正方形形状。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述正方形形状为1英寸乘1英寸。

17.如权利要求10所述的方法，其中，在步骤e)之后，所述方法还包括如下步骤：

f)在所述胶带段上形成突片。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述突片通过将所述胶带段的一部分折叠到其自身上而形成。

19.一种在基片的希望的部分上作用预封装的材料层的方法，包括如下步骤：

a)提供预封装的材料层，所述预封装的材料层包括：

i)底衬和顶衬，所述材料层被布置在所述底衬和顶衬之间；和

ii)粘附在所述顶衬的至少一部分上的胶带段；

b)从所述封装上移除所述底衬，从而所述材料层的一部分被暴露；

c)将步骤b)中的暴露的材料层放置在所述基片的希望的部分上；和

d)从在步骤c)中放置在所述基片上的所述材料层上拉掉所述胶带以及粘附于所述胶带上的顶衬。

20.如权利要求19所述的方法，其中在步骤a)中，所述材料层包括导热材料，并且在步骤c)中，所述基片包括吸热装置。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述导热材料包括相变材料。

22.如权利要求19所述的方法，其中在步骤a)中，所述底衬和所述顶衬包括剥离纸衬垫。

23.如权利要求19所述的方法，其中步骤c)还包括将所述胶带段的一部分粘接到所述基片上。

24.如权利要求19所述的方法，其中所述方法还包括如下步骤：

e)将步骤d)中的封装后的材料层形成卷材。

Images