CN102575914B - 各向异性热传导元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种各向异性热传导元件及其制造方法，所述元件可以从热源导热，该热源在保持强度的厚度方向上具有高效率。为了获得上述效果，各向异性热传导元件可以从热源导热，结构具有横过石墨片厚度方向的接触表面的堆叠的石墨片，并且堆叠的石墨片的四周被涂敷以形成支撑部分。涂覆工艺覆盖具有支撑部分的堆叠石墨的结构。在涂覆工艺之后，可以沿堆叠方向上的表面切割而进行切割工艺。在切割工艺之后，可以对截面进行表面处理工艺。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于从一种装置导热的热分布器和制造该热分布器的方法。
背景技术
电子元件变得越来越小，而散热需要变得更越来越大。为了消散由这种电子元件产生的热，热分布器被使用在电子元件和散热器之间。热分布器可以由固体热传导金属制成。固体传导金属具有有限的分布热的能力和有限的热传导性能。包括苯环的石墨片由具有堆叠晶体结构的共价键连接，并且石墨层由范德华力连接。石墨片作为热传导元件的一部分用来减少伴随电子设备和电子装置出现的热区域。热传导元件可以从热源传导热以有效地散热。
作为热传导元件，必须紧密地机械接触热源，但是因为石墨通常具有脆的和易于坍陷的特性，存在由于与热源接触和使用安装部分夹紧的机械的应力而引起损坏的担忧。石墨可以在表面上涂覆有树脂或铝或PET，但是通常的问题是如果涂层部分的厚度较大，则会损失热传导效率。
日本专利No.2008-28283建议在一片石墨中嵌入金属，从而形成热传导元件，其中与金属接触的一部分接收来自热源的热。
发明内容
本发明涉及各向异性热传导元件及其制造方法。
当石墨被设置在热源和例如热辐射散热片的热辐射元件之间时，硅树脂和环氧树脂组的树脂材料作为粘着剂用于每个导热层，但是由于粘着剂热阻变成了问题。
本发明涉及一种各向异性热传导元件的制造方法，该元件在厚度方向从热源有效地导热。
本发明的各向异性热传导元件的结构是可以从热源导热的各向异性热传导元件。这种结构是堆叠的石墨片，所述堆叠的石墨片在厚度方向和由堆叠片形成平面的另一个方向上具有比较高的导热率，并且在由堆叠的片形成的平面的另一个方向具有相对地低的导热率。至少两个堆叠的片的接触热源，并且由至少两个堆叠的片形成的结构是至少部分地被涂敷形成各向异性热传导元件的支撑部分。
根据以上结构，由堆叠的石墨片组成的结构在至少两个石墨片的平面的方向和在各向异性热传导元件的厚度方向上具有高导热率，以有效地传导热源的热。各向异性热传导元件在各向异性热传导元件的堆叠方向上可以具有相对低的导热率。此外结构至少部分地由涂层围绕。涂层形成支撑部分。因此，在热源和安装部分之间接触时，可以避免夹紧的机械应力导致的损坏。
在另一个实施例中，金属涂层形成在与热源接触的表面。各向异性热传导元件能通过容易地焊接到金属层而与热源连接。
在另一个实施例中，陶瓷层形成在与热源接触的表面。各向异性热传导元件能有效地从热源导热，并且使各向异性热传导元件与不希望的电传导绝缘。
在另一个实施例中，各向异性热传导元件的机械强度通过用树脂注入的结构而改善。
在另一个实施例中，热传导效率通过使用高定向的热解石墨作为堆叠的石墨片而显著地增加，因此具有比标准石墨更高的导热率。
在另一个实施例中，热传导效率通过使用高定向的热解石墨作为在各向异性热传导元件中堆叠的石墨片而显著地增加，因此通过使用高定向热解石墨提供超过1,500W/mK的导热率，所述高定向热解石墨可以通过纽约州纽约市MINTEQ国际股份有限公司的商品名称PYROIDHT的产品得到。
在另一个实施例中，各向异性热传导元件具有安装部分或安装装置，其准许热源被安装到邻近的支撑部分，并且通过建立可以是在支撑部分中的安装部分而固定热源，不会导致结构体的破坏。
在另一个实施例中，各向异性热传导元件可以与电设备的或电子设备结合。
各向异性热传导元件可以通过下述的制造方法制造，其中涂敷工艺覆盖由堆叠的石墨片形成的结构，并且形成支撑部分或多个支撑部分。在涂敷工艺之后，切割工艺横过堆叠方向切割，并且在切割工艺之后，进行表面处理工艺。
在另一个实施例中，制造的方法在上述的涂覆工艺之前包括用于注入树脂到上述结构的注入步骤。注入步骤可以通过注入树脂到结构而更进一步提高各向异性热传导元件的机械强度。
在另一个实施例中，许多结构在堆叠方向上堆叠并被涂敷从而形成支撑部分或多个支撑部分作为单元，并且制造具有大接触区域的各向异性热传导元件，这些区域通过许多结构的堆叠而伴随有沿着堆叠方向的传热。
依据本发明，公开了制造各向异性热传导元件的方法，并且各向异性热传导元件可以从热源有效地在厚度方向导热并保持强度。
附图说明
图1示出了本发明的各向异性热传导元件的实施例。
图2示出了石墨片结构的一个示例。
图3示出了本发明的各向异性热传导元件的热传导方向。
图4示出了本发明的各向异性热传导元件的制造方法的实施例。
图5示出了本发明的各向异性热传导元件的制造方法的实施例。
图6是本发明的各向异性热传导元件的实施例的分解图。
图7示出了本发明的各向异性热传导元件的实施例的截面图。
图8示出了本发明的用于各向异性热传导元件的高定向的热解石墨的制造方法。
具体实施方式
本发明现在通过参考以下说明书和非限制的实施例详细说明。
相信本领域技术人员使用前述说明，不须推敲，可以最充分地利用本发明。因此，以下实施例将被解释为只是说明性的，而不是以任何方式限制本公开的其余部分。
以下是本发明的各向异性热传导元件及其制造方法的说明。
如图1所示，各向异性热传导元件1可以从热源H导热。堆叠的石墨片结构3形成沿着或与在热源上的表面相对的层，并且结构3在其周围被支撑部分4涂敷。
如图2所示，石墨片2由0.25mm至20mm的厚度组成，并且在两个横向尺寸上达到300mm的尺寸，或者具有300mm的尺寸的正方形的形式。石墨片2在堆叠的晶体结构中具有六角形的共价键，并且每个石墨片2的石墨层通过范德华力连接。石墨片2在石墨片2的X-Y面的导热率的值大于在厚度方向(即Z方向)的导热率的值。
如图3所示，结构3的石墨片2的X-Y面可以是各向异性热传导元件1的一部分(见图5)，该各向异性热传导元件通过设置与热源H接触的接触表面C(见图3)而利用X-Y面的高热传导率。石墨片2的X-Y面可以是与接触热源的接触表面成交叉并且有效地垂直于该接触表面或是与该接触表面非平行地成一定角度，并且可以在结构3的厚度方向上有效地导热。
图4所示是本发明的各向异性热传导元件1的另一实施例。制造本发明的各向异性热传导元件的制造方法通过参考图4而说明。方法包括覆盖堆叠的石墨片2的结构3的至少一部分从而形成支撑部分4的涂覆工艺步骤，以及随后在涂覆工艺之后横过堆叠方向切割的切割工艺步骤。可选地，在切割工艺之后，可以执行表面处理工艺步骤，以完成结构3或支撑部分4的截面的表面处理。
形成支撑部分4的树脂涂敷结构3的表面，由此通过涂覆工艺使得涂层具有0.5mm至12mm的厚度(不包括石墨厚度)。在树脂凝固之后，通过切割工艺，使用金刚石切刀，可以通过以下来对其进行处理：如图4所示，沿多个平面P以设定为大约0.5mm至12mm的指定间隔或单元进行切割，所述平面P基本上垂直于石墨片2的X-Y面。因此，如图1所示，提供了一种各向异性热传导元件。
热固性树脂，例如苯酚基树脂、氟化基树脂、环氧基树脂、聚酰亚胺基树脂或硅树脂基树脂，是适宜的。结构3在模制中固定在指定位置，并且可以通过在热固性树脂中增加定形剂以及进行热处理，由树脂涂敷结构3的表面，这样的选择是出于适当地耐热温度的考虑。
此外，热塑性树脂，例如可以是通用的聚碳酸酯(也就是工程塑料)、聚亚苯基(也就是超级工程塑料)、聚苯硫、聚醚砜、聚苯醚、聚砜、四氟乙烯。
而且，在以上热塑性树脂和热固性树脂中，通过使用无机填料和有机改进填料混合物，使得树脂能被使用来提高对热的耐热性和尺寸稳定性。此外，具有用于改进粘着性的附加的胺基组、硅树脂组(silicone group)的树脂能被使用。
此外，能使用可通过紫外线固化的的环氧树脂、丙烯酸类树脂、有机硅树脂、和在高温环境下具有特别高粘着性(coherency)的环氧树脂。
此外树脂、金属或陶瓷材料能被用作支承部分4，其可以通过金属例如Al、Cu、Ni、Au涂敷结构3的周围，并且材料可以通过干法(例如溅射)或湿法，(例如镀)来施加。
此外，粘着性将通过使用容易与碳大体相配的金属或其中成分包括例如Ti、Ni、NiCr或Pt的合金作为内涂层而得到改善。
结构3的周围可以由陶瓷涂敷，例如氧化铝、氧化锆、金刚砂、氮化硼或氮化铝。在陶瓷被以浆液的形式制造之后，能使用诸如溅射或热压法的干法涂敷结构3的周围。
此外，如上所述的，石墨表面金属化可以改进热应力的释放以及粘着性。
如果在涂覆工艺之前执行例如通过真空注入方法在结构3中注入树脂的注入工艺，则可以改进结构的机械强度。用于注入的树脂类似于上述的，但是特别优选使用环氧树脂或苯酚树脂。
此外，当如图2所示的结构3上的涂层厚度是薄的时，多个堆叠结构3最初沿着石墨片的堆叠方向堆叠并且由支撑部分4涂敷成一个单元，许多堆叠结构3将能制造具有用于传送热量H的大接触区域的各向异性热传导元件1。
如图5(a)所示，可以在切割工艺之后执行抛光结构3表面的抛光工艺步骤，通过抛光设备30表面变得光滑并且表面变得清洁。如在图5(b)中提到的，可以执行在表面上形成金属层M的薄膜形成工艺步骤。
在薄膜形成工艺中，钛Ti第一层5作为活性片在结构3和支撑部分4的表面上形成，而且镍Ni层或铜Cu第二层6在顶部形成，而且黄金Au第三层7可以进一步在第二层上形成。优选每个金属层的薄膜厚度大约为0.3μm。
不管是湿法(例如电镀法)还是干法(例如溅射和汽相沉积)都可以用作薄膜制造方法。
因为焊接不能直接连接石墨结构3和热源H，所以在薄膜工艺中形成金属层M，并在金属层(M)处将金属层5焊接到热源H，以便通过焊接穿过这种金属层(M)结构3可以坚固地连接到热源H。在这种情况下，因为金属层M的薄膜厚度大约是1μm，所以几乎不会减小热传导。
此外，当有必要传导导热并且相对于热源H处于电绝缘状态时，在抛光工艺之后，可以容易地通过进行热陶瓷喷射而在结构3的表面上形成由陶瓷组成的绝缘薄膜，包括诸如氧化铝、硅碳刚石、氮化硼和氮化铝的陶瓷。
在热喷涂工艺中，陶瓷的粘着性能可以通过施加表面处理以及在热喷涂工艺之前激活结构3的表面而改进，表面处理使用等离子体或激光。
根据应用，能在支撑部分4的正侧和背侧两侧在结构3中形成金属层M和陶瓷层。从支撑部分4的耐热性的角度出发，优选只对与结构3的热源相对的表面形成陶瓷层。
换句话说，在本发明中表面处理工艺通过涂覆工艺、或抛光工艺和热喷涂工艺或这些工艺的组合执行。
此外，通过对任何热源H或散热器的支撑部分4形成螺丝孔4a作为安装部分或装置，能容易地和坚固地固定热源H而不损坏结构3，如图5(c)所示，支撑部分4是可以至少部分地围绕结构3封装的涂层。
此外，结构3可以通过在结构3的与热源H接触的接触表面上分布粘着剂而通过粘着剂粘着。
图6和7示出了本发明用于使用如上所述制造的各向异性导热元件1从热源H传热的实施例的一个示例。
结构3的厚度方向通过各向异性热传导元件1从热源H导热，热源H附着或连接于陶瓷板10。在本实施例中热被传送到设置在各向异性热传导元件1后面的散热器11。各向异性热传导元件1夹在陶瓷板10和散热器11之间，在这里热辐射散热片与陶瓷板10和各向异性热传导元件1，各向异性热传导元件1与散热器11非常紧密地接触，并且被固定装置螺钉12和螺母13通过在每个中形成的螺丝孔10a、4a、11a坚固地固定。
此外，在图7中，附图标记8标识焊接层，附图标记9表示形成在陶瓷板10上的金属层。
一种高定向热解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)适合被选作用于如上所述的各向异性热传导元件1的结构3。能通过使用具有比普通石墨更高的热传导率的高定向热解石墨而大幅增加热传导效率。
优选使用具有超过1,500W/m K的热传导率的高定向热解石墨，并且适宜的实施例特别是使用由位于纽约州纽约市的MINTEQ International有限公司制造的商标名称PYROIDHT的产品。
通常，热传导率由自由电子和晶格振动造成。金刚石的高热传导率(1000-2000W/m K)由晶格振动所引起，而由于自由电子和晶格振动两种因素，极端各向异性PYROIDHT石墨的热传导率等于或小于金刚石。
然而，PYROIDHT热解石墨具有许多有益的特性，例如如下：密度2.22g/cc，拉伸强度28900kPa(a方向)，弹性模量50GPa(a方向)，挠曲模量33200MPa(a方向)，热膨胀系数0.6^10-6/摄氏度(a方向)，25^10-6/摄氏度(c方向)，热传导率1,700Watts/m K(a方向)，7Watts/m K(c方向)，电阻率5.0^10-4Ωcm(a方向)，0.6Ωcm(c方向)，氧化阈值650摄氏度(a方向)，和渗透率10-6mmHg。
PYROIDHT热解石墨的热传导率与其它材料的热传导率相比较在a方向极高，例如大约6倍于氮化铝(AIN)和氧化铍(BeO)的值，并且特别地大约4倍于材料铜(Cu)的总体热扩散的值。
此外，a方向是在石墨片的平面的方向之内的层方向，c方向垂直于a方向。
PYROIDHT热解石墨的密度几乎是石墨的理论密度2.3g/cc，并且弹性模量50GPa(a方向)高，所以当其在例如在机械振动期间受压时容易断裂，并且不容易加工，但是，因为通过涂层形式的支撑部分4的支撑是形成在如上所述的结构3的周围的至少一部分上，所以能够保持期望的热传导性能而不会在加工期间由于在安装到热源时的机械应力和安装之后的机械振动而断裂。
PYROIDHT热解石墨通过化学汽相淀积方法制造，如图8所示。在腔20中，真空下，通过真空泵21，作为原料气体从气缸22供应的气态烃通过加热被分解，通过加热器23通过气体受热超过2,000摄氏度而加热，并且当微碳核C沉积并结晶在基底24上时，在层积形成中堆叠和沉积，从而制造出PYROIDHT热解石墨。
PYROIDHT热解石墨的厚度可以为0.25mm至20mm，并且可以通过控制堆叠、沉积时间制造作为各种尺寸的板，达到300mm的正方形形状。
如上所述的各向异性热传导元件1从热源H传热。电子设备例如半导体集成电路、功率半导体、半导体激光器和包括具有这种热源H的各向异性热传导元件1的电子设备可以使用在许多领域。
特别地，，当用于近几年进行了大量电子改进的汽车时，本发明可被用于需要抗振动的应用。
相应地，可以理解，本发明的上述说明非常容易由本领域技术人员变形、改变和适配，这种变形、改变和适配被认为在由所附的权利要求阐释的本发明范围内。
Claims (11)
1.一种用于从热源导热的各向异性热传导元件，包括：
堆叠的热解石墨片，每个热解石墨片为平面形式，并且在由每个热解石墨片形成的平面的方向上具有高热传导率，且在每个热解石墨片的厚度的方向上具有低热传导率，所述热解石墨片具有用于横过所述热解石墨片的厚度方向接触热源的接触表面，其中所述堆叠的热解石墨片在所述堆叠的热解石墨片的周围至少部分地被涂敷树脂涂层，所述树脂涂层在所述堆叠的热解石墨片的周围形成支撑部分。
2.如权利要求1所述的各向异性热传导元件，其中金属层形成于所述热解石墨片接触所述热源处。
3.如权利要求1所述的各向异性热传导元件，其中陶瓷层形成于所述热解石墨片接触所述热源处。
4.如权利要求1-3中任何一个所述的各向异性热传导元件，其中所述各向异性热传导元件被注入树脂。
5.如权利要求1-3中任何一个所述的各向异性热传导元件，其中所述热解石墨片是高定向热解石墨，所述高定向热解石墨具有超过1,500W/mK的热传导率。
6.如权利要求1-3中任何一个所述的各向异性热传导元件，还包括用于将所述热源固定到所述支撑部分的安装部分。
7.如权利要求1-3中任何一个所述的各向异性热传导元件，所述各向异性热传导元件与电子设备结合，其中所述电子设备具有热源并且所述各向异性热传导元件从所述热源导热。
8.一种制造如权利要求1所述的各向异性热传导元件的方法，包括以下步骤：
提供第一堆叠的热解石墨片，使得每个热解石墨片为平面形式，并且在由每个热解石墨片形成的平面的方向上具有高热传导率，且在每个热解石墨片的厚度方向上具有低热传导率；
至少部分地使用树脂涂敷所述第一堆叠的热解石墨片以在所述第一堆叠的热解石墨片上形成树脂涂层；
横过所述热解石墨片的厚度方向切割所述第一堆叠的热解石墨片以形成第二堆叠的热解石墨片，所述第二堆叠的热解石墨片具有在所述第二堆叠的热解石墨片的周围的至少一部分上的树脂涂层，所述树脂涂层在所述第二堆叠的热解石墨片的周围形成支撑部分，并且所述第二堆叠的热解石墨片具有用于横过所述热解石墨片的厚度方向接触所述热源的接触表面。
9.一种制造如权利要求1所述的各向异性热传导元件的方法，包括以下步骤：
提供堆叠的热解石墨片，使得每个热解石墨片为平面形式，并且在由每个热解石墨片形成的平面的方向上具有高热传导率，且在每个热解石墨片的厚度方向上具有低热传导率；
提供在所述热解石墨片上的接触表面，用于横过所述热解石墨片的厚度方向接触所述热源；以及
在所述堆叠的热解石墨片的周围至少部分地使用树脂涂层涂敷所述热解石墨片，所述树脂涂层在所述堆叠的热解石墨片的周围形成支撑部分。
10.如权利要求9所述的制造各向异性热传导元件的方法，还包括对所述堆叠的热解石墨片的接触表面的至少一部分进行表面处理的步骤。
11.如权利要求9所述的制造各向异性热传导元件的方法，还包括在涂敷所述热解石墨片之前在所述堆叠的热解石墨片内注入树脂的步骤。
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