CN101427095A - 采用石墨材料制备的微通道散热器 - Google Patents

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Abstract

采用石墨材料制备微通道散热器。所述散热器构件(300)具有至少第一热接触表面(308)以与电子装置(312)热接触。所述构件由至少第一脱落石墨的压缩颗粒片层(302)组成，所述第一片层具有两个主表面；至少一个所述主表面具有在其中形成的第一组多个微通道(314A)来输送冷却剂流体。所述微通道各自具有平行于所述主表面之一的长度和法向于所述长度的横截面(318)。所述横截面至少一个尺寸不到约1,000微米。

Description

采用石墨材料制备的微通道散热器
技术领域
[0001]本发明涉及采用石墨材料制备的微通道散热器。所述散热器提供用于冷却电子装置如微处理器的设备。所述散热器特别适合于插入两叠层电子装置之间。
背景技术
[0002]电子工业正发展进入热受限时期。电子组件的热流量增加，空气冷却无法带走足够的热量以维持微处理器和其它电子组件的所需工作温度。
[0003]通常认为常规空气冷却可控制的最大热流量为约50W/cm2。由于微处理器和其它电子装置得以发展，其产生超过约50W/cm2的热流量，电子工业正倾向于使用液体冷却散热器。这种液体冷却散热器的一种是所谓的微通道散热器。微通道散热器具有在其组成材料内形成的、特别小的凹槽以提供被非常薄的微通道分开的非常薄的翼片。这提供了大许多的表面积来散热。与强制液体循环系统结合的微通道散热器提供了针对电子工业提高冷却能力需求的最有前途方法之一。
[0004]至今为止，已采用硅、金刚石、铝和铜、铜钨复合材料和陶瓷如氧化铍制备微通道散热器。
[0005]Bonde等的美国专利5,099,311(所述专利的详细内容通过引用结合于本文中)公开了硅微通道散热器的典型结构，所述散热器包括将冷凝剂输送到微通道的系统。
[0006]Walpole等的美国专利5,099,910(所述专利的详细内容通过引用结合于本文中)公开了一种微通道散热器，所述散热器具有U型微通道，从而液流在相邻微通道内交替流动，以在所述散热器表面提供更均匀的温度和耐热性。Walpole等的散热器采用硅、铜钨复合材料如
Figure A200680052582D00061
或陶瓷如氧化铍制备。
[0007]Vafai等的美国专利6,457,515和6,675,875(所述专利的详细内容通过引用结合于本文中)公开了多层微通道散热器，所述散热器中流体在相邻层以相反方向流动，从而消除了所述散热器流体流动方向上的温度梯度。
[0008]Shiomi等的美国专利5,874,775(所述专利的详细内容通过引用结合于本文中)公开了金刚石散热器。
[0009]Goodson等的美国专利公开2003/0062149(所述专利的详细内容通过引用结合于本文中)描述了电渗微通道冷却系统。
[0010]一直需要用于微通道散热器的改进材料来避免以前所用材料面临的一些问题。本发明提供微通道散热器设备和采用石墨材料制备其的方法。尽管一些石墨材料以前已用于制备具有较大通道的常规散热器，但以前没有提出将其用于微通道散热器。
[0011]采用石墨材料制备的常规尺寸散热器的一个实例显示于Getz，Jr.等的美国专利6,771,502中，该专利已转让给本发明受让人。
[0012]Tzeng，Getz，Jr.和Weber的美国专利6,245,400中，教导了脱落石墨的压缩颗粒的粘合剂涂布片层，发现特别可用作热界面制品。此外，Tzeng的美国专利6,482,520公开了脱落石墨的压缩颗粒片层作为热源如电子组件的散热器(本发明中称为热界面)的用途。实际上，这种材料可购自Advanced Energy Technology Inc.of Lakewood，Ohio(俄亥俄州荚克伍德的先进能源技术公司)，为其
Figure A200680052582D0006191304QIETU
SpreaderShield类原料。
[0013]石墨由碳原子六角形阵列的薄层平面或碳原子网络构成。这些六角形排列的碳原子的薄层平面基本为平的，它们的排列或定向使得相互之间基本为平行和等距离的。通常被称为碳素网层或基底平面的基本为平的、相互平行并等距离的碳原子薄片或层相互连接或结合，所形成的组排列成微晶体。高度有序的石墨由相当大的微晶体构成：微晶体相互之间高度对齐或定向，具有非常有序的碳层。换言之，高度有序的石墨具有高度的择优微晶体定向。应注意到，石墨具有各向异性结构，因此显示或拥有很多极具方向性的性能，例如导热性和导电性。
[0014]简言之，石墨可以具有层状碳结构的特性，也就是说，由通过弱范德华力连接在一起的碳原子叠加层或薄片构成的结构。考虑石墨结构时，通常应注意两个轴或方向，即，“c”轴或方向以及“a”轴或方向。简单地讲，“c”轴或方向可以认为是垂直于碳层的方法。“a”轴或方向可以认为是平行于碳层或垂直于“c”方向的方向。适于生产柔性石墨片层的石墨具有高度的方向性。
[0015]如上所述，使碳原子平行层保持在一起的结合力仅仅为弱的范德华力。可以对天然石墨进行处理，从而叠加的碳层或薄片之间的间距可以充分打开从而在垂直于层的方向上即在“c”方向上显著膨胀，由此形成扩大或膨胀的石墨结构，其中基本保持了碳层的层状结构。
[0016]可以不采用粘合剂使经过显著膨胀尤其是膨胀至最终厚度或“c”方向的大小为原始“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胀石墨片层，例如网、纸张、条、带、箔片、垫等(典型地称为“柔性石墨”)。据信，由于容积膨胀的石墨颗粒之间的机械连接或结合使得可以不采用任何粘合材料而通过压缩使膨胀致最终厚度或“c”方向的大小为原始“c”方向大小的80或更多倍的石墨颗粒形成一体的柔性片层。
[0017]除了柔性之外，如上所述，还发现，由于高度压缩，导致膨胀的石墨颗粒和石墨层的方向基本平行于所述片层的相对面，从而就导热性而言片层材料具有高度的各向异性，使之特别可用于传热应用。由此得到的片层材料具有优异的柔性、好的强度以及高的取向度。
[0018]简言之，生产柔性、无粘合剂的各向异性石墨片层材料，例如网、纸张、条、带、箔片、垫等，包括在预定负荷以及无粘合剂的条件下压缩或压紧在“c”方向的大小为原始颗粒大小的80或更多倍的经膨胀的石墨颗粒，从而形成基本为平的、柔性、一体的石墨片层。所述通常外观为蠕虫状的膨胀石墨颗粒一旦压缩，将维持压缩形变，与所述片层的相对的主要表面对齐。可以通过控制压缩程度来改变所述片层材料的密度和厚度。片层材料的密度可以为大约0.04g/cm3至大约2.0g/cm3。
[0019]由于石墨颗粒与片层的主要的、相对的、平行的表面相平行，因此所述柔性石墨片层材料的各向异性相当高，当对片层材料进行压缩以提高取向时，各向异性增加。在压缩的各向异性片层材料中，厚度即垂直于相对的平行片层表面的方向包括“c”方向和沿着长度和宽度延伸的方向，即沿着或平行于相对的、主要表面的方向包括“a”方向，片层的热和电性能在“c”和“a”方向有数量级的非常不同。
[0020]因此，需要的是采用石墨材料制备的、经济生产的微通道散热器。
发明内容
[0021]因此，本发明一个目标是提供采用石墨材料制备的微通道散热器。
[0022]本发明另一目标是提供重量较轻的微通道散热器。
[0023]本发明另一目标是提供采用石墨材料制备的微通道散热器，所述石墨材料对水和其它常规冷却液体呈惰性。
[0024]本发明另一目标是提供采用石墨材料制备的微通道散热器，所述石墨材料具有良好的导热性。
[0025]本发明另一目标是提供采用石墨材料制备的微通道散热器，所述石墨材料的热膨胀系数与电子封装中所用典型半导体和陶瓷材料的热膨胀系数相当。
[0026]本发明另一目标是提供采用石墨材料制备的微通道散热器，其中所述微通道可采用高产量生产方法(如辊筒轧压法)形成，从而实现材料的成本有效生产。
[0027]本发明另一目标是提供采用石墨材料制备的微通道散热器，所述散热器适合插入两叠层电子装置之间。
[0028]本领域技术人员通过阅读以下说明书，这些目标及其它目标将变得显而易见，它们可通过提供用于冷却电子装置的设备来达到，所述设备包括具有至少一个第一热接触表面来与所述电子装置热接触的散热器构件，所述构件由至少第一脱落石墨的压缩颗粒片层组成，所述片层具有两个主表面，至少一个所述主表面具有在其中形成的第一组多个微通道以输送冷却剂流体，所述微通道各自具有平行于所述主表面之一的长度和法向于所述长度的横截面，所述横截面的至少一个尺寸不到约1,000微米。
[0029]另一实施方案中，所述设备包括第二脱落石墨的压缩颗粒片层，所述第一和第二片层结合在一起限定了所述微通道的横截面。第一和第二热接触表面由所述散热器构件的相对表面限定，使得所述散热器构件可插入两叠层电子装置之间。
[0030]用于冷却电子装置的设备的另一实施方案中，所述散热器构件可由第一、第二和第三脱落石墨的压缩颗粒片层组成。两层微通道位于所述三片层之间的界面处，从而第一组和第二组多个微通道可以相反方向输送冷却剂流体。
[0031]本发明另一实施方案提供液体冷却的电子设备，所述电子设备具有可在高热流密度条件下操作的第一和第二叠层电子装置。散热器构件插入所述第一和第二叠层电子装置之间并与每个热接触。所述散热器构件由至少两柔性石墨材料片层组成，所述石墨材料片层具有结合在一起的主表面，所述片层之一的至少一个所述主表面具有在其中形成的多个微通道，以在两叠层电子装置之间输送冷却剂液体。
[0032]本发明另一实施方案提供了采用石墨材料制备微通道散热器的方法。提供了第一和第二柔性石墨材料片层，各片层具有两个主表面。在所述第一片层的至少一个所述主表面内形成多个微通道。第二片层叠置在第一片层上，所述第一和第二片层的相邻主表面结合在一起以围成微通道横截面。第一和第二片层中至少一个的暴露主表面上形成热接触表面来安装电子装置。或者，可在两个暴露主表面上形成热接触表面，从而所述微通道散热器可插入两叠层电子装置之间。所述微通道优选通过辊筒轧压柔软石墨片层形成。
[0033]应理解的是以上概述和以下详述提供了本发明实施方案，用来提供要求保护的本发明本质和特征的一般或框架式理解。附图用于提供对本发明的进一步理解并结合到说明书中且组成其一部分。附图说明了本发明的各实施方案并与说明书一起来描述本发明的原理和操作。
附图简述
[0034]图1是微通道散热器第一实施方案的透视图。
[0035]图2是微通道散热器第二实施方案的透视图。
[0036]图3是类似于图1的微通道散热器的端视图，第一电子装置安装在其上，所述电子设备和微通道散热器之间存在热界面。
[0037]图4是类似于图1的微通道散热器的端视图，第一和第二叠层电子装置安装在其相对侧面上。
[0038]图5是类似于图1的微通道散热器的端视图。
[0039]图6是类似于图2的微通道散热器的端视图。
[0040]图7是由三层柔性石墨材料片层组成的供选微通道散热器的端视图，两个外部片层具有在其中形成的微通道，中间片层形成两外部片层微通道的盖。这种结构提供两层微通道。
[0041]图8是由三层柔性石墨材料片层组成的微通道散热器的端视图，中间片层具有在其各主表面上形成的微通道，两个外部片层形成中间片层微通道的盖。这种结构提供两层微通道。
[0042]图9是由四层柔性石墨材料片层组成的微通道散热器的端视图，两最内部片层各自具有在其最外主表面上形成的微通道，两外部片层形成所述两内部片层微通道的盖。这种结构提供两层微通道。
[0043]图10是由四层柔性石墨材料片层组成的本发明另一实施方案的端视图，其中各片层具有在其中形成的微通道，两对相邻片层各对的微通道彼此互补并叠置以形成两层微通道。
[0044]图11是柔性是膜材料片层横截面的显微照片，所述石墨材料具有通过轧压在其中形成的微通道。
[0045]图12显示了浸渍树脂的柔性石墨片层的连续生产系统。
本发明的最佳实施方式
[0046]石墨为晶体形式的碳，包括共价连接在平坦的分层平面上的原子，各平面之间具有更弱的结合力。为了获得如以上柔性石墨片层等原料，通常用嵌入剂(intercalant)例如硫酸和硝酸的溶液处理石墨颗粒，例如天然石墨片，其中所述石墨的晶体结构反应形成石墨和嵌入剂的化合物。经处理的石墨颗粒在下文称为“经嵌入的石墨颗粒”。当暴露于高温时，石墨内的嵌入剂分解并蒸发，导致经嵌入的石墨颗粒在“c”方向即垂直于石墨的晶体状平面的方向上膨胀至原体积的大约80倍或更多。所述膨胀的(另称为脱落的)石墨颗粒在外观上呈蠕虫状，由此通常称为蠕虫(worm)。所述蠕虫可以压缩在一起形成柔性片层，所述柔性片层与原始的石墨片不同，其可以形成以及被切割成各种性状，通过变形机械冲击具有小的横向开口。[0047]适用于本发明的石墨起始材料包括能够嵌入有机和无机酸以及卤素的具有高含量石墨碳的材料，所述材料在暴露于热时膨胀。这些具有高含量石墨碳的材料最优选具有大约1.0的石墨化程度。如在本公开内容中所述，术语“石墨化程度”是指根据以下公式的值g：
g = 3.45 - d ( 002 ) 0.095
其中d(002)为晶体结构中碳石墨层之间的间距，用埃单位表示。石墨层之间的间距d用标准X射线衍射技术测量。测量对应于(002)、(004)和(006)Miller指数的衍射峰的位置，采用标准最小二乘法推导间距，使得所有这些峰的总体误差降至最低。具有高含量石墨碳的材料的例子包括各种来源的天然石墨，以及其它含碳材料，例如通过化学气相沉积、聚合物高温分解以及通过熔融金属溶液结晶而制备的石墨等等。最优选的是天然石墨。
[0048]本发明中采用的石墨起始材料可以含有非石墨组分，只要所述起始材料的晶体结构保持所需的石墨化程度而且能够脱落。通常，其晶体结构具有所需的石墨化程度并且能够脱落的任何含碳的材料都可以用于本发明。这种石墨优选灰分含量不到20％重量。更优选地，本发明采用的石墨具有至少大约94％的纯度。在最佳实施方式中，所采用的石墨的纯度为至少大约98％。
[0049]在Shane等的美国专利No.3404061中描述了常用的生产石墨片层的方法，所述专利的公开内容通过引用的方法结合至本文。在Shane等方法的通常实践中，将天然石墨片分散在含有例如硝酸和硫酸混合物的溶液中对石墨片进行嵌入，有利地是，其嵌入水平为每100份重量的石墨片有大约20至大约300份重量的嵌入溶液(pph)。所述嵌入溶液含有本领域公知的氧化剂和其他嵌入剂。例子包括含有氧化剂和氧化混合物的嵌入溶液，例如含有硝酸、氯酸钾、铬酸、高锰酸钾、铬酸钾、重铬酸钾和高氯酸等，或者例如含有浓硝酸和氯酸盐、铬酸和磷酸、硫酸和硝酸的混合物，或者含有强有机酸例如三氟乙酸和可溶于所述有机酸的强氧化剂的混合物。另外，可以采用电势以氧化石墨。能够通过电解氧化而引入石墨晶体的化学物质包括硫酸和其它酸。
[0050]在一优选实施方式中，所述嵌入剂为硫酸和氧化剂的混合物或者硫酸和磷酸以及氧化剂的混合物，所述氧化剂即硝酸、高氯酸、铬酸、高锰酸钾、过氧化氢、碘酸或高碘酸等。尽管不是优选，但是所述嵌入溶液可以含有金属卤化物，例如氯化铁、与硫酸混合的氯化铁，或者含有卤化物，例如溴，如溴和硫酸的溶液或位于有机溶剂中的溴。
[0051]嵌入溶液的量可以为大约20至大约350pph，更典型地为大约40至大约160pph。在对石墨片嵌入之后，将过量的溶液从石墨片中除去，用水清洗石墨片。
[0052]或者，嵌入溶液的量可以限制在大约10至大约40pph，其允许省略清洗步骤，如美国专利No.4895713中所教导和描述的，该申请公开的内容通过引用的方式结合至本文。
[0053]用嵌入溶液处理过的石墨片颗粒可以任选地与还原有机剂接触，例如通过混合的方式，所述还原有机剂选自醇类、糖、醛和酯，它们与氧化嵌入溶液的表面膜在25℃至125℃的温度下反应。适当的特定有机剂包括十六醇、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、马铃薯淀粉、乙二醇单硬脂酸酯、二甘醇二苯甲酸酯、丙二醇单硬脂酸酯、甘油单硬脂酸酯、草酸二甲(dimethyl oxylate)、草酸二乙酯(diethyl oxylate)、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗坏血酸和木质素衍生的化合物，例如木质硫酸钠。有机还原剂的量适当地为石墨片颗粒重量的大约0.5至4％。
[0054]也可以在嵌入之前、过程中或者在嵌入之后立即加入膨胀辅助剂以实现改善。这些改善可以是降低的脱落温度以及增加的膨胀体积(也称为“蠕虫体积”)。在该文中，膨胀辅助剂有利地为充分溶解在嵌入溶液中的有机材料，从而改善膨胀。更狭义而言，可以采用这种类型的含碳、氢和氧的有机材料，优选全部。已经发现羧酸尤其有效。可用作膨胀辅助剂的适当的羧酸可以选自具有至少一个碳原子、优选最多有大约15个碳原子的芳香族、脂肪族或脂环族的、直链或支链的、饱和和不饱和单羧酸、二羧酸和多羧酸，所述酸溶解在嵌入溶液中的量能够有效改善脱落的一个或多个方面，所述改善可以进行测量。可以采用适当的有机溶剂以提高有机膨胀辅助剂在嵌入溶液中的溶解度。
[0055]饱和脂肪族羧酸的代表性例子为例如分子式为H(CH2)nCOOH的酸，其中n为0至大约5的数值，包括蚁酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。还可以采用酸酐或活性羧酸衍生物例如烷基酯来代替羧酸。烷基酯的代表性例子为甲酸甲酯、甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它公知的含水嵌入剂具有将蚁酸分解成水和二氧化碳的能力。因此，在将石墨片浸入含水嵌入剂之前，有利地是将蚁酸和其他敏感的膨胀辅助剂与石墨片接触。二羧酸的代表为具有2-12碳原子的脂肪族二羧酸，尤其是草酸、延胡索酸、丙二酸、马来酸、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、环己烷-1，4-二羧酸，和芳香族二羧酸，例如邻苯二甲酸、对苯二甲酸。烷基酯的代表性例子为草酸二甲酯(dimethyl oxylate)和草酸二乙酯(diethyl oxylate)。脂环族酸的代表例子为环己烷羧酸，芳香羧酸的代表例子为苯甲酸、萘酸、邻氨基苯甲酸、对氨基苯甲酸、水杨酸、邻、间、对甲基苯甲酸、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。羟基芳香酸的代表性例子为羟基苯甲酸、3-羟基-1-萘酸、3-羟基-2-萘酸、4-羟基-2-萘酸、5-羟基-1-萘酸、5-羟基-2-萘酸、6-羟基-2-萘酸、7-羟基-2-萘酸。多羧酸中最突出的是柠檬酸。
[0056]嵌入溶液可以是含水的，优选含有大约1-10％的膨胀辅助剂，所述量能够有效增强脱落。在将石墨片浸入含水嵌入剂之前或之后使膨胀辅助剂与石墨片接触的实施方式中，所述膨胀辅助剂可以通过适当的装置与石墨混合，例如V-搅拌器，所述膨胀辅助剂的量典型地为石墨片重量的大约0.2％至大约10％。
[0057]在嵌入石墨片之后，将涂覆有嵌入剂的嵌入石墨片与有机还原剂混合，然后将混合物暴露于25℃-125℃，从而促进还原剂和嵌入剂涂层的反应。加热时间高达大约20小时，在上述温度范围的较高温度下进行短暂的加热，例如至少大约10分钟。在所述较高温度下可以采用半小时或更少时间的倍数，例如大约10-25分钟。
[0058]在石墨化温度下对石墨片进行预处理以及在嵌入剂中加入润滑添加剂可以有利地加强上述嵌入和脱落石墨片的方法，所述石墨化温度即大约3000℃及更高的温度。
[0059]当接下来对石墨片进行嵌入和脱落时，对石墨片进行预处理或退火会显著增加膨胀(即，将膨胀体积增加至大约300％或更高)。实际上，较为可取的是，与没有退火步骤的类似处理相比，膨胀增加至少为50％。退火步骤的温度不应显著低于3000℃，这是因为只要温度低100℃将导致膨胀显著降低。
[0060]在本发明中进行一段时间的退火，退火持续的时间足以使石墨片在嵌入和接下来的脱落中膨胀度增加。典型地，所需的时间为1小时或更多，优选1至3小时，而且最有利的是在惰性环境中进行。为了得到最佳的有益效果，所述经退火的石墨片还经历本领域公知的其它工艺以增加膨胀度-即在有机还原剂存在的条件下进行嵌入，嵌入辅助剂例如有机酸，在嵌入之后用表面活性剂进行清洗。而且，为了得到最佳的有益效果，可以重复进行嵌入步骤。
[0061]可以在感应电炉以及其它石墨化领域知晓并公认的类似设备实施本发明的退火步骤；此处采用的在3000℃范围内的温度位于石墨化工艺采用的温度范围的高的一端。
[0062]由于已经观察到采用石墨在嵌入之前进行退火而得到的蠕虫有时会“聚集”在一起，其将对面积重量的均一性产生不良影响，因此非常需要一种帮助形成“自由流动”蠕虫的添加剂。在嵌入溶液中加入润滑添加剂有利于蠕虫在压缩设备床(例如，通常将石墨蠕虫压缩或“轧光”成一体石墨物品的轧光台机床)上更加均匀地分布。因此，得到的物品具有更高的面积重量均一性以及更大的抗张强度。所述润滑添加剂优选为长链碳氢化合物，更优选地为具有至少约10个碳原子的碳氢化合物。还可以采用具有长链碳氢基团的其它有机化合物，即使该有机化合物还存在其他功能基团。
[0063]更优选地是，所述润滑添加剂为油，最优选为矿物油，特别是考虑到矿物油不易变腐和没有臭味这样一个事实，这在长期存储中是一个重要的考虑因素。应注意，以上详细描述的某些膨胀辅助剂也满足润滑添加剂的定义。当这些材料用作膨胀辅助剂时，有可能不需要在嵌入剂中加入单独的润滑添加剂。
[0064]润滑添加剂在嵌入剂中的量至少为大约1.4pph，优选至少大约1.8pph。尽管含有的润滑添加剂的上限量并不如下限量那样至关重要，但是当润滑添加剂的量超过大约4pph时并不具有任何显著的额外优势。
[0065]经过这样处理的石墨颗粒有时称为“经嵌入的石墨颗粒”。当暴露于高温时，例如至少大约160℃，尤其大约700℃至1000℃及更高时，所述经嵌入的石墨颗粒在c方向即垂直于成分石墨颗粒的晶体平面的方向上以类似于手风琴的方式膨胀至原体积的大约80至1000倍或更多。所述经膨胀即脱落的石墨颗粒在外观上呈蠕虫状，由此通常称为蠕虫。与原始石墨片不同，所述蠕虫可以被压缩在一起形成柔性片层，所述片层可以形成以及被切割呈各种形状，如下文中所述。
[0066]另外，本发明的柔性石墨片层可以采用经再次研磨的柔性石墨片层，而不是新的经膨胀的蠕虫。所述片层可为新形成的片层材料、回收片层材料、废片层料或任何其它适当来源。
[0067]而且，本发明的工艺还可以采用原材料和回收材料或全部为回收材料的混合物。
[0068]回收材料的原始材料可以为经过上述压缩成型的片层或片层的修整部分，或已经用例如预轧光辊筒压缩的片层。此外，所述原始材料可为已浸渍树脂但未固化的片层或片层的修整部分，或已浸渍树脂并固化的片层或片层的修整部分。所述原始材料还可以是经回收的柔性石墨燃料电池组件例如流场板或电极。可以采用各种来源的石墨或者与天然石墨片混合。
[0069]一旦得到柔性石墨的原始材料，则可以通过公知的工艺或装置例如喷射研磨机、空气研磨机、搅拌机等将其粉碎以制成颗粒。优选地，大部分颗粒的直径使得其能够通过20U.S.目；更优选地，大部分(多于大约20％，更优选多于大约50％)不能通过80U.S.目。最优选地是，所述颗粒的粒度不大于大约20目。
[0070]选择粉碎后的颗粒的大小以平衡石墨颗粒的机械加工性和可成形以及所需的热特性。因此，较小的颗粒可以使石墨物品易于加工和或成形，而较大的颗粒将导致石墨颗粒具有较高的各向异性，以及由此更大的平面内导电率和导热率。
[0071]一旦原始材料被粉碎(如果需要，除去所有树脂)，然后再次膨胀。可以通过上述以及Shane等的美国专利No.3404061和Greinke等的美国专利No.4895713中所述的嵌入和脱落工艺进行再次膨胀。
[0072]典型地，嵌入之后，通过在炉中加热所述经嵌入的颗粒，对颗粒进行脱落。在脱落步骤中，可以将经嵌入的天然石墨片加入所述回收的嵌入颗粒中。优选地，在再次膨胀步骤中，颗粒膨胀至具有至少大约100cc/g直至350cc/g或更大的特定体积。最后，在再次膨胀步骤之后，所述经再次膨胀的颗粒可以如上所述压缩成柔性片层。
[0073]柔性石墨片层和箔片凝聚在一起，具有良好的处理强度，而且适合压缩，例如通过压缩成型将其压缩至厚度为约0.025mm-3.75mm，典型的密度为约0.1-1.5克/立方厘米(g/cc)。尽管不总是优选，有利地是，所述柔性石墨片层有时还可以用树脂进行处理，在固化之后吸收的树脂增加柔性石墨片层的抗湿性和处理强度即硬度，而且还“固定”片层的形态。使用时，合适树脂含量优选为至少约5％重量，更优选约10-35％重量，适合至多约60％重量。在本发明的实施中发现尤其有用的树脂包括基于丙烯酸-、环氧-和酚醛的树脂系统，或它们的混合物。适当的环氧树脂系统包括那些基于二环氧丙酯或双酚A(DGEBA)的树脂系统以及其它的多功能树脂系统；可以采用的酚醛树脂包括可溶酚醛树脂和酚醛清漆树脂。任选，除了所述树脂外或代替所述树脂，所述柔性石墨可用纤维和/或盐浸渍。此外，可将活性或非活性添加剂与树脂系统一起使用来改进性能(如粘性、材料流动、疏水性等)。为了使浸渍树脂的材料的导热率最大化，可在较高温度和压力下将所述树脂固化。更具体地讲，在至少约90℃和至少约7兆帕(MPa)压力下固化将得到具有较好导热率的石墨材料(实际上，可达到平面内导热率超过用铜观察到的导热率)。
[0074]参照图12，公开了浸渍树脂的柔性石墨片层的连续生产系统，其中将石墨片和液体嵌入剂装入反应器104中。更具体地讲，容器101用来容纳液体嵌入剂。容器101(合适地由不锈钢制备)可通过管道106连续补充液体嵌入剂。容器102容纳石墨片，所述石墨片和来自容器101的嵌入剂一起被引入反应器104。分别控制嵌入剂和石墨片输入反应器104的速率，如通过阀108、107。可通过管道109连续补充容器102中的石墨片。可通过分配器110加入添加剂如嵌入增强剂，例如微量酸和有机化合物，所述分配器110在其出口通过阀111计量。
[0075]所得经嵌入的石墨颗粒是湿透的且酸涂覆的，将其导至(如通过导管112)清洗罐114，在此所述颗粒被清洗，可有利地用水清洗，其在116进入清洗罐114并在118出来。然后将已清洗经嵌入石墨片传递到干燥室122，如通过导管120。添加剂如缓冲剂、抗氧剂、减污化学品可从容器119中加入经嵌入石墨片流中，以改善膨胀和使用过程脱落石墨的表面化学并改善导致膨胀的气体排放。
[0076]在干燥器122中干燥经嵌入的石墨片，优选在约75℃-约150℃，通常避免经嵌入石墨片的任何膨胀。干燥后，将所述经嵌入石墨片作为物流进料到火焰200，通过例如通过管道126连续进料至收集容器124，然后作为物流在2处进料到膨胀容器128中的火焰200。可将添加剂如由浸化的石英玻璃纤维、碳纤维和石墨纤维、氧化锆、氮化硼、碳化硅和氧化镁纤维、天然形成的矿物纤维，例如偏硅酸钙纤维、硅酸钙纤维、氧化铝纤维等形成的陶瓷纤维颗粒从容器129加入经嵌入石墨颗粒流，所述经嵌入石墨颗粒流在127处引入的非活性气体夹带而推进。
[0077]通过膨胀室201中的火焰200后，所述经嵌入石墨颗粒在“c”方向膨胀超过80倍并采取“蠕虫状”膨胀形式5；从129引入并与经嵌入石墨颗粒流混合的添加剂基本不会因通过火焰200而受影响。膨胀的石墨颗粒5可通过重力分离器130，其中重的灰份天然矿物颗粒从膨胀的石墨颗粒中分离出来，然后进入宽顶部漏斗132。当不需要时，分离器130可忽略。
[0078]已膨胀即脱落的石墨颗粒5与所有添加剂一起自由落入漏斗132中，随机分散并通过压缩台136，如通过槽134。压缩台136包括分开的、相对的、收敛的移动多孔带157、158以接收所述脱落的、膨胀的石墨颗粒5。由于相对的移动带157、158之间空间变窄，脱落的膨胀石墨颗粒被压缩成柔性石墨垫(148处指出)，厚度为例如约25.4-0.075mm，特别是约25.4-约2.5mm，密度为约0.08-2.0g/cm3。气体洗涤器149用来移走并清洗来自膨胀室201和漏斗132的气体。
[0079]使垫148通过容器150并用来自喷嘴138的液体树脂浸渍，所述树脂有利地通过真空室139“拖过(pull)所述垫”，之后优选在干燥器160中干燥所述树脂，减少树脂的粘性，之后在轧光机170中将浸渍树脂的垫143稠化成辊压柔性石墨片层147。优选在洗涤器165中将来自容器150和干燥器160的气体和气味收集并清洗。
[0080]稠化后，在固化炉180中将柔性石墨片层147中的树脂至少部分固化。或者，可在稠化之前进行部分固化，尽管优选稠化后固化。
[0081]然而，本发明一个实施方案中，所述柔性石墨片层不浸渍树脂，这种情况下，可除去容器150、干燥器160和固化炉180。
[0082]之后，所述浸渍树脂的片层，起始密度为约0.1-约1.1g/cc，经过加工来改变所述片层的空穴状况。空穴状况是指片层被空穴占据的百分比，通常发现所述空穴为夹带空气。总之，这可通过例如在轧光机或平板硫化机中对所述片层施压(这还具有稠化所述片层的效果)以减少所述片层中的空穴水平来完成。有利地，将柔性石墨片层稠化到密度为至少约1.3g/cc(尽管体系中树脂的存在可用于减少空穴而无需稠化到如此高的水平)。
[0083]空穴状况可有利地用于控制并调节最终轧压制品的形态和功能特征。例如，在轧压之前控制所述片层的空穴状况(以及通常密度)可影响并可能控制导热率和导电率、渗透速率和渗滤特征。因此，如果在处理空穴状况之前确认最终轧压制品的一组所需特征，可调节所述空穴状况来尽可能程度地实现那些特征。
[0084]有利地，特别当最终轧压制品将用作电化学燃料电池中的组件时，所述浸渍树脂的柔性石墨片层经过处理以基本无空穴，使导电率和导热率最佳化。通常，这可通过达到密度为至少约1.4g/cc，更优选至少约1.6g/cc(根据树脂含量，表明基本无空穴状况)来实现。所述片层的导热率优选至少为约140W/m°K，更优选至少为约400W/m°K。
[0085]然后使所得已轧光柔性石墨片层通过如下所述的轧压设备，之后在烘箱中加热来固化树脂。根据所用树脂系统的性质，特别所用溶剂类型和水平(正如技术人员熟悉的，所述溶剂有利地调节到具体树脂系统)，可在轧压步骤之前包括蒸发干燥步骤。在此干燥步骤，所述浸渍树脂的柔性石墨片层受热蒸发，从而除去一些或所有溶剂而没有将树脂系统固化。这样，避免了固化步骤过程中的起泡，所述起泡可能是通过被表面成形过程中片层的稠化残留在片层内的溶剂蒸发所产生。加热程度和时间将根据溶剂的性质和量变化，就该目的而言，优选为至少约65℃，更优选约80℃-约95℃进行约3-约20分钟。
[0086]用于连续制备浸渍树脂并轧光的柔性石墨片层的设备的一个实施方案见述于国际公开WO 00/64808中，所述公开内容通过引用结合于本文中。
[0087]现在参考图1，显示了散热器构件300A的第一实施方案，所述散热器构件还可称为用于冷却电子装置的设备。散热器构件300A由脱落石墨的压缩颗粒的第一和第二片层302A和304A组成。片层302A和304A还可描述为柔性石墨片层。
[0088]片层302A和304A各自具有两个主表面，所述主表面在图1中为较大的平坦上、下表面。图1中，可看见第二片层304A的上主表面306A。
[0089]热接触表面308A位于主表面306A上并用大致矩形双点画线310A表示。热接触表面308A用来与电子装置如图3中所示装置312热接触。
[0090]图1实施方案中，第一片层302A的上主表面303A具有在其中形成第一组多个微通道314A，用于运输冷却剂流体如水。微通道314A各自具有平行于主表面的长度316和法向于长度316的横截面318。横截面318具有深度320和宽度322，所述深度和宽度为所述横截面的尺寸。横截面318的至少一个这种尺寸低于约1,000微米。例如，宽度322可低于约1,000微米。许多情况下，宽度和深度都将不到1,000微米，因此提供了不到106平方微米的微通道横截面积。
[0091]优选所述一个尺寸如宽度322为至少约100微米。一些情况下，所述一个尺寸如宽度322可能甚至不到100微米。
[0092]应理解的是，所有图中所述微通道显示为示意性形式，在对比柔性石墨材料片层的宽度、厚度和长度时在尺寸上没有按照比例绘制。
[0093]第二片层304A结合到第一片层302A上，从而第一和第二片层一起限定微通道314A的横截面318。图1实施方案中，第二片层304A为无微通道的平片层，并成为第一片层302A的微通道的盖。
[0094]第一和第二片层302A和304A通过将其相邻主表面叠置并粘合在一起来结合在一起。这种粘合可通过将树脂涂敷到一个或两个所述主表面上来得到，或者在柔性石墨片层为浸渍树脂的情况下，所述树脂已经存在于片层中，通过在固化所述片层过程中保持所述片层密切接触来将其粘合在一起。
[0095]现在参考图5的端视图，第一片层302A具有上、下主表面303A和305A。第二片层304A具有上主表面306A和下主表面309A。
[0096]现在转向图2和5，微通道散热器的另一实施方案通过数字300B表示。散热器构件300B由第一片层302B和第二片层304B组成。图2散热器构件300B和图1散热器构件300A的区别在于图2实施方案中，第二片层300B也具有在其中形成的微通道315B。微通道315B与第一片层302B的微通道214B的图案互补(patterncomplementary)并叠置在其上，从而通过散热器构件300B的微通道具有微通道315B之一限定的上半部分和微通道314B之一限定的下半部分。
[0097]应理解的是，对图2实施方案和随后图7-10实施方案元件进行编号中，相同的数字用于类似的组件，不同后缀A、B、C等用于各实施方案。
[0098]图7显示了数字300C表示的散热器构件另一实施方案的端视图。散热器300C由第一片层302C、第二柔性石墨片层304C和第三柔性石墨片层324C组成。
[0099]第一片层302C具有在其中限定的第一组多个微通道314C。第三片层324C具有第二组多个微通道326C。中间片层304C是夹在第一和第三片层302C和324C之间的平片层，作为第一和第三片层各自微通道的盖，从而微通道314C和第二组多个微通道326C限定了两平行但分离的微通道层。因此，图7实施方案中，提供了流体以一个方向流动通过第一微通道层314C和以相反方向通过第二微通道层326C的可能性。本领域中技术人员应理解的是，通过在交替微通道层提供相反流动，在散热器构件内提供了更均匀的热分布。这是因为流体流动通过微通道提高了温度(当其通过微通道时)，因此沿着微通道的长度提供了热梯度。通过使流体以相反方向流动通过两平行微通道层，各层的热梯度在与相邻层的热梯度相反方向提高，因此提供在整个散热器构件内提供了较均匀的加热。
[0100]图8显示了表示成300D的另一作为选择实施方案，所述实施方案由第一片层302D、第二片层304D和第三片层324D组成。
[0101]这种情况中的第一片层304D具有在其上主表面内形成的第一组多个微通道314D和在其下主表面内形成的第二组多个微通道326D。第二和第三片层304D和324D各自为平片层，分别作为微通道314D和326D的盖。因此，图8的实施方案再次提供了两平行微通道层，所述微通道层可允许流体以相反方向流动通过相邻层。
[0102]现在转向图9，用数字300E表示散热器构件的另一实施方案。散热器构件300E包括第一片层302E和第二片层304E，所述第一片层和第二片层的结构类似于图1和5的散热器构件300A的第一和第二片层。散热器构件300E还包括第三和第四片层324E和328E。第三片层324E具有在其中限定的第二组多个微通道326E。第四片层328E为平片层，其用来盖住微通道326E。
[0103]图10显示了用数字300F表示的散热器构件的另一实施方案。散热器构件300F包括四柔性石墨片层302F、304F、324F和328F。这种情况中，各片层具有在其中限定的多个微通道。第一和第二片层302F和304F的微通道互补并叠置，就像图2和6的片层302B和304B的微通道。第二对片层324F和328F也具有在其中限定的、互补的微通道，从而所述四片层一起提供两层隔开的微通道，因此提供散热器构件300F在两层中以相反方向输送流体的能力。
[0104]现在转向图3，显示了图2和6散热器构件300B的端视图。电子装置312(可为微处理器芯片或其它常规电子装置)显示为安装在热接触表面308上。
[0105]由各向异性柔性石墨材料片层形成热界面330附着到散热器构件300B的第二片层304B并限定了散热器构件300B的第一热接触表面308。应理解的是：任选使用热界面330。热界面330的优选结构显示于转让给本发明受让人的美国专利6,746,768中，所述专利通过引用结合于本文中。
[0106]如图4中所示，散热器构件300B可插入两叠层电子装置312和332之间。将第二电子装置332安装在片层302B的底表面305B上限定的第二热接触表面334上。热界面如330可位于散热器构件300B与电子装置312和332任一或两者之间。
[0107]应理解的是如图4中的排列提供了非常高密度的电子装备，同时仍在其中通过使用微通道散热器构件300B提供了足够的冷却。图5-10中所示的散热器构件300的任意供选结构可安装单一电子装置312或插入图3和4分别所示的两电子装置312和332之间。
[0108]微通道散热器特别用于电子装置312和332，所述电子装置可在高热流密度(通常认为超过50W/cm2)条件下运行。
[0109]各片层如片层302A(具有在其中限定的微通道)，优选厚度为约0.4mm-约3.75mm。优选所述片层的厚度不超过约2.0mm。甚至更优选所述片层的厚度不超过约1.0mm。
[0110]本文中描述的采用石墨材料制备的微通道散热器具有优于采用其它材料制备的微通道散热器的大量优点。
[0111]一个优点是：与硅、铝、铜、金刚石和其它传统使用的其它材料相比，石墨材料重量较轻。这种重量较轻的高容量微通道散热器构件特别适用于较小计算装置如膝上型计算机、个人数码助理和电话。组成散热器构件300的各柔性石墨片层优选密度为约1.0g/cc-约2.0g/cc。更优选所述片层的密度为约1.4g/cc-约2.0g/cc。所述片层的导热率优选为至少约140W/m°K，更优选至少约400W/m°K。
[0112]采用石墨材料制备的散热器构件的另一优点是所述材料对水呈惰性，水是用于微通道散热器的最常见冷却液体。这与已用于微通道散热器的一些其它材料如铝不同。尽管用于采用石墨材料制备的微通道散热器的优选冷却介质为水，可使用任何其它合适冷却流体，只要其不包含会腐蚀柔性石墨片层中树脂的溶剂或同类物即可。
[0113]采用石墨材料制备的散热器构件的另一优点是：与已用于微通道散热器的一些其它材料如硅相比，所述材料本身具有良好的导热性。
[0114]采用石墨材料制备的散热器构件的另一优点是：所述石墨材料具有与通常用于微处理器和其它电子装置的半导体和陶瓷材料相当的热膨胀系数。
[0115]采用石墨材料制备的散热器构件300的另一优点是：可采用高产量生产方法(如辊筒轧压法)将所述微通道形成到所述材料内，这允许成本有效地生产所述材料。可通过辊筒轧压产生宽度低至约100微米的通道。
[0116]采用浸渍树脂的石墨片层时，所述石墨片层优选树脂含量为至少5％重量。更优选它们的树脂含量为约10％重量-约35％重量。合适地，树脂含量可达约60％重量。
[0117]许多其它方法可用于在柔性石墨材料片层内形成微通道。其它方法可包括切削、蚀刻如酸蚀刻、空气刻划、声波切削、激光烧蚀、冲压、光刻等。
[0118]一种制备微通道散热器300A的方法可概述成包括以下步骤：
(a)提供第一石墨材料片层302A，所述片层具有两主表面303A和305A；
(b)在所述第一片层302A的一个主表面303A内形成多个微通道314A；
(c)将第二片层304A叠置在所述第一片层302A上并将所述第一和第二片层的相邻主表面303A和309A结合在一起，围成微通道314A的横截面；和
(d)在所述第二片层304A的暴露主表面如306A上提供热接触表面308A以安装电子装置312。
[0119]另一实施方案中，可通过用液体如水充满微通道并封闭其末端来将微通道散热器构件300A-300F中的任一个简单地用作传热构件。在此实施方案中，流体不流动通过所述微通道，但微通道中流体的存在提供了传热介质，所述传热介质使所述微通道散热器用作非常有效的热管或传热构件。
[0120]图11是柔性石墨片层如302A横截面的显微照片，所述柔性石墨片层具有通过在其一个和两个主表面分别轧压形成的微通道。图11照片的尺寸为0.25mm。所述柔性石墨片层的厚度为约0.9m-约1.2mm。其中形成的微通道的深度为0.4-0.5mm，宽度为0.6-1.0mm。
[0121]与硅材料要求的更昂贵切削或酸蚀刻相比，能在石墨中轧压微通道及石墨微通道散热器较轻的重量提供了本发明的另一优点。
[0122]尽管本申请按照微通道散热器用于冷却电子装置如微处理器的应用来编写，将认识到的是本发明方法和散热器同样可用于其它热源。
[0123]本申请中提到的所有引用专利和公开物通过引用结合。
[0124]这样对本发明进行了描述，将显然的是其可以许多方式变化。不认为这种变化违背本发明精神和范围，对本领域技术人员显然的所有这种改进将包含于以下权利要求书范围内。

Claims (20)

1.一种用于冷却电子装置的设备，所述设备包括：
散热器构件，所述散热器构件具有用来与所述电子装置热接触的至少第一热接触表面；
所述构件由至少第一脱落石墨的压缩颗粒片层组成，所述片层具有两个主表面；和
至少一个所述主表面具有在其中形成的第一组多个微通道，用于输送冷却剂流体，所述微通道各自具有平行于所述主表面之一的长度和法向于所述长度的横截面，所述横截面至少一个尺寸不到约1,000微米。
2.权利要求1的设备，其中：
所述构件包括第二脱落石墨的压缩颗粒片层，所述第一和第二片层结合在一起限定了所述微通道的横截面。
3.权利要求2的设备，其中所述第二片层是无微通道的平片层并限定了所述第一片层微通道的盖。
4.权利要求2的设备，其中所述第二片层具有在其中限定的多个微通道，与所述第一片层的微通道成图案互补并叠置在其上。
5.权利要求2的设备，其中：
所述第一热接触表面以与所述微通道相对位于所述第一片层的主表面上；和
所述第二片层具有第二热接触表面，用于与第二电子装置热接触，从而所述散热器可插入两叠层电子装置之间。
6.权利要求2的设备，其中：
所述构件包括第三脱落石墨的压缩颗粒片层，所述第三片层结合到所述第一和第二片层之一上；和
所述第三片层和所述第一和第二片层之一具有在其中形成并与所述第一组多个微通道分离的第二组多个微通道，从而所述第一组和第二组多个微通道可以相反方向输送冷却剂流体。
7.权利要求6的设备，其中：
所述构件在与所述第一热接触表面相反的侧面上包括第二热接触表面。
8.权利要求7的设备，所述设备与第一和第二叠层电子装置结合，所述第一和第二电子设备分别安装在所述第一和第二热接触表面上。
9.权利要求1的设备，其中：
所述横截面的至少一个尺寸为至少约100微米。
10.权利要求1的设备，其中：
所述第一片层的密度为约1.0g/cc-约2.0g/cc。
11.权利要求1的设备，其中：
所述第一片层的厚度为约0.4mm-约3.75mm。
12.权利要求11的设备，其中：
所述第一片层的厚度不超过约2.0mm。
13.权利要求11的设备，其中：
所述第一片层的厚度不超过约1.0mm。
14.权利要求1的设备，其中：
所述第一片层浸渍树脂且树脂含量为至少约5％重量。
15.权利要求1的设备，所述设备还包括：
由附着到所述散热器构件的各向异性柔性石墨材料片层形成并限定所述第一热接触表面的热界面。
16.权利要求1的设备，所述设备与所述电子装置结合，所述电子装置安装在所述第一热接触表面上。
17.权利要求1的设备，其中通过辊筒轧压在所述第一片层内形成所述微通道。
18.权利要求1的设备，其中所述不到约1,000微米的至少一个尺寸包括所述横截面的宽度。
19.一种液体冷却电子设备，所述设备包括：
可在高热流密度的条件下操作的第一和第二叠层电子装置；
插入所述第一和第二叠层电子装置之间并与每个都热接触的散热器构件；和
所述构件由至少两层柔性石墨材料片层组成，所述石墨材料片具有结合在一起的主表面，至少一个所述片层具有在其中形成的多个微通道以输送冷却剂液体。
20.一种采用石墨材料制备微通道散热器的方法，所述方法包括：
(a)提供第一和第二柔性石墨材料片层，各片层具有两主表面；
(b)在所述第一片层的至少一个所述主表面内形成多个微通道；
(c)将所述第二片层叠置在所述第一片层上并将所述第一和第二片层的相邻主表面结合在一起，围成所述微通道的横截面；和
(d)在所述第一和第二片层之一的暴露主表面上提供热接触表面以安装电子装置。
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