CN104956480A - 热导体设备和形成热导体设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于移除来自在频率范围中操作的电部件（12）的热量的热导体设备（10），该设备包括具有第一热导率的本体（13），其特征在于本体（13）被提供有包括由间隙（21）分隔的导热拼贴片（20、50、51、52、61）的图案的散热器（14），拼贴片具有比第一热导率更高的第二热导率，其中每个拼贴片具有至多最大的面积值以及间隙具有至少最小的间隙宽度，并且最大的面积和最小的宽度被标定尺寸以当热导体设备与在频率范围中操作的电部件组合时符合热导体设备的预定的电磁干扰特性。本发明还提供用于形成热导体设备的方法。

Description

热导体设备和形成热导体设备的方法

技术领域

本发明涉及用于从电部件、特别地例如在千兆赫（GHz）域中的高频率处运行的电部件移除热量的热导体设备。本发明还涉及形成热导体设备的方法。

背景技术

需要冷却的电部件被放置为与也叫做热导体设备或者热沉（heat sink）的热传导材料热接触。然而，具有良好的热导率的材料（例如金属）也往往具有良好的电导率。

当具有良好的电导率的邻近层连同诸如用于在兆赫兹（MHz）或者千兆赫（GHz）域中操作的处理器集成电路（IC）或者存储器IC的高频设备一起使用时，具有良好的电导率的邻近层是有问题的。在这些应用中，周围的层的传导表面充当针对内部地存在于IC中的源电流的辐射体。该表面还可充当电磁（EM）波的反射器。该性状可干扰其它的电组件的运行，并且由于该原因经常被规则所禁止。

已知的是，使用其它的非传导的或者电传导不佳的材料，例如陶瓷。然而，陶瓷相对昂贵并且相比于电导体具有一般不佳的热导率。

被使用的另一材料是聚合物或者塑料。塑料没有陶瓷昂贵，但是具有甚至更差的热传导属性。

注意，US2006/047053公开了也具有一定程度热导率的导电聚合物复合物。多个分立的导电元件被并入到聚合物复合物中。这些元件给予聚合物复合物一定程度的电导率，该一定程度的电导率意在屏蔽被涂敷有聚合物的IC以防电磁干扰（EMI）和/或射频（RF）辐射。IC由导电聚合物复合物包围或者由导电聚合物复合物和另一电导体的组合包围，使得形成闭合的法拉第笼。本发明所涉及的热导体设备或者热沉通常意在扩大热量转移的面积，并且因此通常仅覆盖IC的部分并且不包围IC。用于高频部件的热沉必须谨慎地被设计以防止充当天线，这不是US2006/047053的屏蔽应用所关注的事，因此其材料一般不适合用于在热沉中使用。

因而，存在对具有良好的热导率、用于从电部件移除热量、同时不充当部件的频域中的辐射体或反射器的热导体设备的需要。

发明内容

本发明提供用于移除来自在频率范围中操作的电部件的热量的热导体设备，该设备包括具有第一热导率的本体，其中本体被提供有散热器，该散热器包括具有比第一热导率更高的第二热导率的导热拼贴片（tile）的图案，其中每个拼贴片具有面积并且由间隙分隔。

根据电部件的频率范围来确定拼贴片面积和间隙，以符合热导体设备的预定的电磁干扰（EMI）特性。第一本体的材料通常具有非常低的电导率，以便符合EMI特性。

每个拼贴片具有足够小的面积以防止个体的拼贴片吸收源自电部件内部的高频电流的电磁能量。同时，每个拼贴片具有尽可能大的面积以改进散热器层的热传导属性并且因而改进热导体设备的热传导属性。每个间隙形成相邻的拼贴片之间的距离，该距离足够大以用作抵抗电部件的频率范围中的电流的屏障。同时，每个间隙尽可能地小以改进散热器层的热传导属性并且因而改进热导体设备的热传导属性。结果，图案化的散热器最大化地增加了热导体设备的有效热导率，同时最小化地增加了热导体设备的有效电导率。

换言之，本发明提供了包括高（电和热）导率散热器材料的“岛”的图案化散热层，而不是完全的层。传导岛之间的间隙是对电流的屏障，但是如果这些间隙被制作得充分地窄，则它们仍能够在拼贴片之间传输热量。而且，如果岛大小远低于EM波长，则传导岛将不作为天线运行，并且小的大小还将限制可能的电流回路的大小，从而也限制了辐射。

描述根据本发明的解决方案的另一方式是如下。本发明提供用于移除来自在频率范围中操作的电部件的热量的热导体设备，该设备包括具有第一热导率的本体。热导体设备和电部件的组合符合针对最大的电磁干扰的预定要求。本发明的特征在于本体被提供有散热器，该散热器包括具有比第一热导率更高的第二热导率的导热拼贴片的图案。拼贴片由间隙分隔，并且图案以这样的方式被设计使得图案化的本体的有效热导率比第一热导率更高，优选地高出至少50%或者100%，同时热导体设备和电部件的组合仍符合针对最大的电磁干扰的预定要求。

由图案化的散热器引起的显然提高的热导率有利地允许使用较大的冷却表面，例如较大的热沉基底，并且因此允许较高的设备功率耗散。

而且，提高非电传导的（热的）塑料的热导率能够实现处于当前仅在陶瓷中是可能的大小中的塑料热沉的使用。通过塑料替代陶瓷带来成本和重量方面的大的节省并且允许更大的设计灵活性，例如安装设备的整合方面的灵活性。

一般而言，本发明通过添加例如在热沉的基底处的高度传导的（石墨或者其它的）图案来允许非传导材料（例如，塑料）的改进的热沉属性。本发明同时通过避免某个频率范围（取决于其它的法律边界将应用于的产品族）内的大的导电面积来允许可接受的热沉的电磁兼容（EMC）特性。通过调节传导图案元件的大小和间隔，技术人员能够满足要求的实际的或者法律的EMC性状。

示例性的散热器材料（即，图案的岛的材料）是graftech SS500石墨散热器材料。另一示例性的材料是铝。其它的金属也可以被用作用于拼贴片的材料。

被提供在导热本体上面的均匀的层上方的图案的另一优点在于图案不遭受由于本体和层的热膨胀系数方面的差异所致的应力。

在根据本发明的实施例中，每个拼贴片具有面积，该面积带有电部件的操作频率范围的特征波长的至多10%，优选地至多5%，更优选地至多1%的主尺寸。这确保了拼贴片的面积远低于其中显著的电流回路可能在拼贴片中发生的面积。

在根据本发明的实施例中，每个间隙的大小是电部件的操作频率范围的特征波长的至少0.1%、优选地至少0.5%、更优选地至少1%。这有利地确保了图案的有效电导率保持低，即使拼贴片自身可能是导电的也是如此。

在根据本发明的实施例中，图案是规则的网格。规则的网格具有制造方面的优点并且可以更容易地被模型化使得能够进行性能计算。

在根据本发明的实施例中，拼贴片的主尺寸在0.5mm和5mm之间，优选地在1mm和4mm之间，更优选地在1.5mm和2.5mm之间，并且间隙在0.1mm和1.2mm之间，优选地在0.15mm和5mm之间，更优选地在0.15mm和0.25mm之间。这些尺寸已经被示出给出良好的结果。

在根据本发明的实施例中，第一热导率至少是1W/mK。在实施例中，第一热导率至多是50W/mK，更优选地至多25W/mK。在实施例中，第二热导率至少是50W/mK，或者至少100W/mK，或者至少250W/mK，或者至少500W/mK。

在根据本发明的实施例中，拼贴片或岛由石墨制成。

在根据本发明的实施例中，本体包括聚合物或陶瓷。

本发明进一步提供用于粘附到热导体设备的本体的膜，该膜包括根据前述权利要求中的任意权利要求所述的导热拼贴片的图案。

本发明还提供根据本发明的热导体设备与电部件的组件。电部件可以是视频处理器IC、SDRAM模块或者任何其它的部件。如果电部件在操作频率（例如高于500MHz、高于1GHz或者高于1.5GHz的频率）处操作，则本发明可以被有利地应用。在实施例中，IC在1600MHz处操作。

仍进一步地，本发明提供形成图案化的热导体设备的方法，该方法包括提供具有本体的热导体设备，所述本体具有第一热导率，特征在于为所述本体提供具有比第一热导率更高的第二热导率的导热拼贴片的图案，其中每个拼贴片具有面积并且由间隙分隔，并且其中根据电组件的频率范围来确定拼贴片面积和间隙以符合热导体的预定的电磁干扰特性。

在根据本发明的实施例中，通过对本体的表面进行激光蚀刻来提供图案。以这种方式，散热器图案可以被有效地形成在散热器设备本体的外表面上。

在根据本发明的实施例中，通过在图案被形成于其上的基板周围注射模塑本体来提供图案。以这种方式，图案可以高效地形成在散热器设备本体内部。

附图说明

现在，将参照附图描述根据本发明的实施例的示例，其中：

图1a和1b示意性地示出了根据本发明的实施例的热导体设备；

图2a示意性地示出了根据本发明的实施例的具有散热器的热导体设备；

图2b示意性地示出了根据本发明的实施例的散热器的细节；

图3a-3c示意性地示出了模型计算的结果；

图4a和4b示意性地示出了附加的模型计算；

图5a-5c示意性地示出了散热器图案；以及

图6示意性地示出了粘附膜上的散热器。

图7示意性地示出了用于形成根据本发明的实施例的热导体设备的方法；

图8a和8b示出了利用常规的热导体设备和根据本发明的实施例的热导体设备的试验的结果。

具体实施方式

图1a示意性地示出了被提供为与电部件12（在本示例中是集成电路（IC）12）热接触的热导体设备10。热导体设备10包括由塑料制成的本体13。塑料有利地具有基本上为零的电导率，并且因而，如果塑料被提供在高频IC的上面，则不引起辐射电磁辐射的问题。替代塑料，可以使用任何其它的具有充分低的电导率的材料。本体的通常的厚度是在0.5和5mm之间，例如1.5mm。本体13被提供有散热器14，现在将参照图2a和2b更详细地讨论散热器14。在图1a的示例中，散热器位于IC 12和本体13之间。在替代性的配置中，散热器可被提供在本体13的上面，不面向IC 12。

图1b示出了另外的替代性的布置，其中本体13被提供有冷却鳍片15。鳍片被附接到本体13的不面向IC的侧边，并且散热器14位于本体13和IC 12之间。面向IC的图案化的散热器14高效地帮助经由热导体的本体13散布来自IC的热量。可以通过提供在本体13上的热鳍片15将由本体13吸收的热量传达到周围环境。

在图1a和1b的示例中，本体13和散热器14的面向IC的表面具有比IC的顶表面显著更大的面积。因此，本体和散热器的边缘延伸超过IC的边缘。这是针对热沉的最常见的配置。然而，也可以使用根据本发明的具有与IC的顶部相同的面积或者甚至更小的面积的热导体设备10来实践本发明。

图2a示意性地示出了安装在图1a的IC 12的上面的热导体设备10的底视图，其具有规则的拼贴片20的图案的形式的散热器14。拼贴片由导热的（并且因而也是导电的）材料制成并且具有尺寸a和b（参见图2b），并且被布置成由间隙g彼此分隔的规则的网格。在本示例中，每个拼贴片是2mm乘2mm、0.25mm厚方形的导电石墨。在特定的方向上的最大的尺寸（即，大小a或b）也被叫做拼贴片的主尺寸或表征尺寸。在本示例中，间隙是0.2mm宽。适当的散热器材料是graftech SS500石墨散热器材料，但是其它的适当的石墨以及非石墨材料对技术人员来说也是可用的。

从热的角度看，散热岛（图案拼贴片）的大小被选取为尽可能大，但是远低于IC的振荡电流的相关的波长以消除拾取EMI并且限制最终的（eventual）电流回路的大小。岛之间的间隙的大小尽可能地小以提高表观的热导率，但是充分地大以保持电绝缘。

如果IC 12在1.6GHz处运行（例如，SDRAM存储器），则源自IC的辐射的对应的波长大概是188mm。2mm乘2mm的方形的图案具有大约该波长的1%的特征大小，并且每个个体的方形因此将具有非常有限的对EMI的贡献。毕竟，方形相比于波长是如此地小，以致在单个的方形内部实际上没有电流回路可以由IC中的高频电流诱发。

图2b示意性地示出了散热器的细节。在该示例中，拼贴片以规则的图案或网格被布置。每个拼贴片具有第一尺寸a和第二尺寸b。第三尺寸（高度或厚度）在该顶视图中未被示出。如上面所指示的，对于例如石墨材料，示例性的合适的厚度是0.25mm。在本示例中，a=b，并且拼贴片因而具有方形形式。参考图5a-5c，将描述几个其它的示例性的图案。

图3a-3c示意性地示出了模型计算的结果。在每个图中，右下角与将被移除的热量源热接触。侧边是绝热的，并且相对于0摄氏度处的外界来计算温度。照此，结果可以被考虑为对四分之一的热导体设备10进行模型化，右下角表示与IC接触的相对小的中央面积。图3a示出了模型计算，其中散热器设备10本体13是具有等于8W/mK的热导率k的塑料，并且没有提供散热器图案。在右下角中，温度超过20摄氏度。沿着设备的对角线，温度大概是9摄氏度。这是相对不佳的热导率的示例。

图3b对应于其中图2a的塑料本体13被提供有完全的（即，非图案化的）散热器层的计算。该散热器层具有不可接受的EMI特性，并且因而仅被用于比较。根据该模型，右小角现在处于9.3摄氏度并且沿着主对角线，温度大概是6摄氏度。

图3c示意性地示出了针对利用图案化的散热器的计算的结果。模型化的四分之一散热器具有带有0.2mm间隙的10乘10个量度为2mm乘2mm的拼贴片。在实际的计算中，等温线示出大致跟随拼贴片的边缘的纹波，因为传导拼贴片往往具有单个的温度。在图3c的勾勒出的等温线中，该纹波效应被平滑掉。相比于图3b的计算，右下角中的温度现在稍微被提升到12.5摄氏度，但是仍然远低于图3a的未图案化的热塑料本体的20.6摄氏度。在图3b中，对角线处的温度大概是6摄氏度。根据模型计算，相比于仅热塑料本体13的8W/mK，具有图3c的图案化的散热器14的本体13具有25W/mK的有效热导率。因此，图案化的散热器增加有效热导率三倍以上，同时保持热导体设备的EMI特性是可接受的。

这种在有效热导率方面的增加从图4a和4b也是明显的。图4a示出了如参考图3c描述的模型化的热分布，例如使用具有k=8W/mK的1.5mm厚的本体以及具有带有厚度0.25mm以及k=500W/mK的石墨拼贴片的图案化的散热器。再次，在计算的结果下方提供的略图中，计算的纹波效应在勾勒的等温线轮廓中被平滑掉。图4b示出了具有k=25W/mK的假定的本体的热分布。因为在图4b中，没有使用图案化的散热器，所以纹波效应不存在于计算中。依据温度轮廓（忽略纹波）是有效地相同的这一事实，得出包括具有k=8W/mK的基底和具有k=500W/mK的拼贴片的图4a的图案化的散热器具有25W/mK的有效热导率的这一结论。

表1呈现了针对在TV应用中的核心IC的示例性数据。该数据对于膝上型电脑主板也是代表性的：敏感频率范围是30MHz-2GHz。将来，技术和法律的发展可能将敏感频率范围的上限移动到更高的频率，例如至6GHz。基于本申请中的公开内容，技术人员将能够将本发明应用到任何的频率范围。

对于30MHz-2GHz的范围，计算表明，由于不期望的辐射和反射，最佳的是避免以大于5mm的特性或主尺寸浮动导电表面。等效电阻应当超过阈值，例如100Ω DC，这导致对至少0.8mm的间隔的要求。在热量上，可以计算（或者仿真）图案的等效传导率。多个结果被示出在表1（针对1.6mm间隙）、表2（针对0.8mm间隙）以及表3（针对0.4mm间隙）中。参数“t”表示基底厚度，以及“点大小”代表拼贴片的大小（以mm为单位）。参数h是热转移系数，其中对于无风扇冷却的典型值h=10 W/m²K，以及对于风扇冷却的消费型电子产品，典型的是h=20 W/m²K。

表1 针对1.6mm间隙的等效热导率的示例计算

表2 针对0.8mm间隙的等效热导率的示例计算

表3 针对0.4mm间隙的等效热导率的示例计算

示例的可工作的范围是：具有间隔（间隙）0.9mm的3.5mm乘3.5mm大小的石墨网格，到具有大于1.1mm的间隔的4.5mm乘4.5mm网格。该概念特别地适用于其中要求热沉冷却并且EMC边界排除经典的金属热沉的任何种类的IC或者电设备。

在进一步的示例中，申请人已经通过实际的测试发现：为了（1）获得充当热沉的最小的要求的热导率；（2）获得足够小以不充当高达2GHz的频率范围中的天线（不通过直接的接触（贴片天线效应），也不通过EM波的反射）的导电面积，具有大于1mm的间隔的4mm乘4mm大小的石墨网格是足够的。

一般而言，注意，确切的尺寸还取决于：要求的热导率和潜在的EM辐射的频率。基于本申请中的公开以及所提供的示例，技术人员能够设计根据本发明的图案使得图案化的热导体设备满足任何的特定的配置的热传导和EMI要求。

图5a-5c示意性地示出了多个可能的散热器图案。图5a示出了由间隙g分隔的网格状样式的、具有尺寸a和b的方形拼贴片50。在图5b中，拼贴片51是矩形，并且以由间隙分隔的砖块状样式被布置。图5c示出了具有六边形拼贴片52的六边形或蜂窝图案。

图6示意性地示出了粘附膜上的散热器。膜包括根据依照本发明的散热器实施例中的任何实施例的拼贴片形式的散热器图案。膜可被粘附到散热器设备的本体13，从而提供如上面所解释的有效热导率方面的增加，而不会不利地影响EMI特性。这样的膜有利地允许现存的散热器设备被升级。该膜可被应用到塑料本体或者陶瓷本体，或者应用到任何其它类型的用于散热器的材料。

膜可以是具有被蚀刻或者被激光雕刻在其上的铜散热器图案的聚酰亚胺（kapton）膜，该膜将被粘贴在塑料热沉基底上。

图7示意性地示出了形成图案化的热导体设备的方法。该方法包括71提供具有本体的热导体设备，所述本体具有第一热导率。在动作72中，所述本体被提供有具有比第一热导率更高的第二热导率的导热拼贴片的图案。每个拼贴片具有面积并且由间隙分隔，并且根据电部件的频率范围来确定拼贴片面积和间隙以符合热导体的预定的电磁干扰特性。

在示例性的实施例中，动作72包括通过本体的表面的激光蚀刻提供图案。以该方式，散热器图案可以有效地被形成在散热器设备本体的外侧表面上。

在另外的示例性实施例中，动作72包括通过在图案形成于其上的基板周围注射模塑本体来提供图案。用该方式，图案可以被有效地形成在散热器设备本体内部。

在另外的示例性实施例中，动作72包括通过为本体提供图6的粘性膜来提供图案。

图8a和8b示出了将常规的塑料热导体设备的操作（图8a）与根据本发明的实施例的热导体设备（图8b）作比较的试验。这些图是热（红外）照片，其中暗区域指示相对低的温度以及亮区域指示相对高的温度。在两个图片中，热导体设备被提供有受热的方形。由于常规的热导体设备的相对不佳的传导率的缘故，热量未高效地散开（图8a）。在图8b中，由于散热器的热量传导拼贴片的缘故，热量被更加高效地散布。拼贴片的规则图案被反映在引起恒定的亮度的方形的基本上恒定的温度的规则的方形中。

在前述的图的描述中，已经参照其具体的实施例描述了本发明。然而，显然的是，在未脱离如在所附的权利要求中概括的本发明的范围的情况下，可以对其做出各种修改和改变。

该修改和改变包括但不限于以下。可以使用导热且电绝缘的其它的基底材料。可以使用冷却表面的其它的大小和形状，包括鳍片式热沉的基底。其它的散热器材料可以被使用，包括喷墨印刷的或者丝网印刷的传导油墨或涂层的使用。热沉区域还可以被放在注射模具中，并且在它们周围塑料注射成型。散热器也可以被放在冷却表面的上面并且通过激光或其它手段创建图案。

特别地，可以做出本发明的各种方面的具体的特征的组合。通过添加关于本发明的另一方面描述的特征，可以进一步有利地提高本发明的方面。

本发明的特别有利的应用是在针对通常在高频率处操作的视频处理器IC的冷却设备中。另一有利的应用是在EMI敏感应用中的LED的冷却。

将理解的是，本发明仅由附属的权利要求及其技术等价物来限制。在该文献中以及在其权利要求中，动词“包括”和其词形变化在它们的非限制的意义上被使用，以意味着在该词语之后的项目被包括，而不排除未具体地提到的项目。另外，通过不定冠词“一”或“一个”对元件的引用不排除存在多于一个的该元件的可能性，除非上下文清楚地要求存在一个且仅存在一个该元件。不定冠词“一”或“一个”因而通常意味着“至少一个”。

Claims (15)

1.用于移除来自在频率范围中操作的电部件（12）的热量的热导体设备（10），所述设备包括具有第一热导率的本体（13），其特征在于：

所述本体（13）被提供有包括由间隙（21）分隔的导热拼贴片（20、50、51、52、61）的图案的散热器（14），所述拼贴片具有比所述第一热导率更高的第二热导率，其中每个拼贴片具有至多最大的面积值以及所述间隙具有至少最小的间隙宽度，并且所述最大的面积和最小的宽度被标定尺寸以当所述热导体设备与在所述频率范围中操作的电部件组合时符合所述热导体设备的预定的电磁干扰特性。

2.根据权利要求1所述的热导体设备（10），其中每个拼贴片（20、50、51、52、61）具有带有主尺寸的面积，所述主尺寸是所述电部件的所述操作频率范围的特征波长的至多10%、优选地至多5%、更优选地至多1%。

3.根据权利要求1或2所述的热导体设备（10），其中每个间隙（21）是所述电部件的所述操作频率范围的特征波长的至少0.1%、优选地至少0.5%、更优选地至少1%。

4.根据前述权利要求中的任意权利要求所述的热导体设备（10），其中所述图案（14）是规则的网格。

5.根据前述权利要求中的任意权利要求所述的热导体设备（10），其中拼贴片（20、50、51、52、61）的主尺寸在0.5mm和5mm之间，优选地在1mm和4mm之间，更优选地在1.5mm和2.5mm之间，并且间隙在0.1和1.2mm之间，优选地在0.15mm和0.5mm之间，更优选地在0.15mm和0.25mm之间。

6.根据前述权利要求中的任意权利要求所述的热导体设备（10），其中所述第一热导率至多是50W/mK，优选地至多25W/mK，以及所述第二热导率至少是50W/mK，优选地至少100W/mK。

7.根据前述权利要求中的任意权利要求所述的热导体设备（10），其中所述拼贴片（20、50、51、52、61）由石墨制成。

8.根据前述权利要求中的任意权利要求所述的热导体设备（10），其中所述本体（13）包括聚合物或陶瓷。

9.用于粘附到热导体设备（10）的本体（13）的膜，所述膜包括根据前述权利要求中的任意权利要求所述的导热拼贴片（61）的图案。

10.根据权利要求1-8中的任意权利要求所述的热导体设备（10）和诸如视频处理器IC的电部件（12）的组件，其中所述散热器（14）被提供为相邻所述电组件（12）。

11.形成图案化的热导体设备（10）的方法，所述方法包括提供具有本体（13）的热导体设备，所述本体具有第一热导率，特征在于为所述本体提供具有比所述第一热导率更高的第二热导率的导热拼贴片（20、50、51、52、61）的图案（14），其中每个所述拼贴片具有面积并且由间隙（21）分隔，并且其中根据所述电组件的所述频率范围来确定所述拼贴片面积和间隙以符合所述热导体的预定的电磁干扰特性。

12.根据权利要求11所述的方法，其中通过对所述本体（13）的表面进行激光蚀刻来提供所述图案（14）。

13.根据权利要求12所述的方法，其中通过在所述图案被形成于其上的基板周围注射模塑所述本体来提供所述图案（14）。

14.根据权利要求13所述的方法，其中通过将根据权利要求9所述的膜粘附到所述本体（13）来提供所述图案（14）。

15.根据权利要求11-14中的任意权利要求所述的方法，其中形成权利要求1-8中的任意权利要求所述的热导体设备（10）。