CN105593987A - 用于散热的设备和系统及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种用于散热的设备和系统，包括：热解石墨的弯曲部分，其中，位于所述弯曲部分的中心区域处的a-b平面顺应所述弯曲部分的表面轮廓。一种用于制造散热设备的方法，包括：将热解石墨的平板弯曲以使得位于弯曲部分的中心区域处的a-b平面顺应所述弯曲部分的表面轮廓。

Description

用于散热的设备和系统及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于散热的设备和系统及其制造方法，更具体地说，涉及由平面导热材料制成的散热设备。

背景技术

各种设备(例如电子组件和单个部件)的小型化、增加的复杂性和/或增强的功能能力经常导致更多的热产生，这些热必须散发出去以维持性能，避免损坏。传统的散热方法可能无法满足冷却要求和有关物理尺寸、重量、能耗、成本或其它参数的设计限制。因此，持续地存在对于用于从多种热源散热的有效装置的需求。

发明内容

简要和概括地说，本发明涉及一种用于散热的设备和系统及其制造方法。

在本发明的一些方面中，设备包括板材，所述板材包括平的第一部分和一体地形成在第一部分上的弯曲的第二部分，其中，所述第一部分和第二部分各具有基本上由热解石墨构成的芯基材，位于所述第一部分和第二部分的中心区域处的热解石墨的a-b平面顺应所述第一部分和第二部分的表面轮廓。

下述特征中的任意一个或者两个或更多个的组合可以附加于上述方面以形成本发明的附加方面。

所述第二部分的中心区域处的a-b平面具有至少15°的弯曲角度。

所述板材还包括一体地形成在所述第二部分上的平的第三部分，所述第三部分基本上由热解石墨构成，在所述第一部分和第三部分之间延伸的热解石墨的中心a-b平面弯曲至少15°。

所述板材还包括一体地形成在所述第三部分上的弯曲的第四部分，所述第四部分基本上由热解石墨构成，所述第四部分的中心区域处的a-b平面具有至少15°的弯曲角度。

所述设备还包括设置在所述板材的一个或更多个部分上方的盖。

所述盖包括两个相对层，所述板材的任意一个或更多个部分设置在所述两个相对层之间。

所述板材的所有部分被密封在所述盖内。

所述盖包括金属箔。

所述盖包括聚合物层，所述聚合物层相对于该聚合物层下方的衬底材料具有更大的介电电阻。

所述盖包括金属网，所述金属网构成为容纳所述板材与将被热耦合到所述板材的热源之间的热膨胀差异。

在本发明的一些方面中，一种系统包括根据上述方面中的任意一个所述的设备和热耦合到所述设备的热源。

在本发明的一些方面中，一种方法包括将热解石墨的板材弯曲以形成弯曲部分，其中，位于所述弯曲部分的中心区域处的热解石墨的a-b平面顺应所述弯曲部分的弯曲的表面轮廓。

下述特征中的任意一个或者两个或更多个的组合可以附加于上述方面以形成本发明的附加方面。

所述弯曲步骤包括将中心a-b平面弯曲至少15°。

在所述弯曲步骤之后，所述板材的两个部分是平的，并且所述弯曲部分设置在该两个部分之间。

所述两个平的部分彼此偏离且彼此平行。

所述两个平的部分的中心区域处的a-b平面是平的，所述弯曲部分的中心区域处的a-b平面是弯曲的。

所述弯曲步骤包括辊轧成形和压制成形中的一者或两者。

所述方法还包括在所述板材的所述弯曲部分或另一部分上方施加盖。

所述盖包括金属层部分、聚合物层部分和网部分当中的任意一个或更多个。

在所述弯曲步骤中，施加所述盖的至少一个部分。

从下述应当结合附图解读的具体描述中，将会更容易理解本发明的特征与优点。

附图说明

图1是表示出平面导热材料的平板材的立体图。

图2A和2B是表示出由平面导热材料的弯曲板材构成的散热设备的立体图和截面图。

图3A和3B是表示出用于制造具有弯曲部分的散热设备的辊的立体图和截面图。

图3C是表示出进给到图3A和3B的辊中以形成图2A和2B的散热设备的图1的平板的立体图。

图4A和4B是表示出用于制造具有弯曲部分的散热设备的平板的立体图和截面图。

图5A和5B是表示出具有多个平的部分和多个弯曲部分的散热设备的立体图和截面图，其中所有部分均具有基本上由平面导热材料构成的芯基材，所述芯基材具有由多种部件占据的空腔。

图6是散热设备的一部分的截面图，表示出在基本上由平面导热材料构成的芯基材上方施加的盖的两层。

所有附图都是示意性的图示，其中描绘的结构并非必须成比例。应当理解，本发明并非局限于所示出的精确的设置和手段，而是仅由权利要求的范围来限定。

具体实施方式

当用于描述两个结构之间的关系时，如此处所使用的短语“一体地形成于...之上”是指两个结构具有一体式的结构，不存在将两个结构完全分开的接缝或接点，其不同于两个结构原来分开而后续联结到一起的类型的结构。

如此处所使用的短语“基本上由...构成”将由该短语修饰的结构限定为特定材料和没有物理地影响由特定材料提供给该结构的基本特征的其它材料。

如此处所使用的短语“热耦合”是指从第一结构到第二结构的物理热传导路径。第一和第二结构可以直接彼此接触。第一和第二结构可以通过在第一和第二结构之间提供物理热桥的介入结构而可选地彼此分离。

如此处所使用的“平面导热材料”是在位于特定平面上或平行于该平面的方向上，与没有位于该平面上并且不平行于该平面的方向上相比，具有更大的热导率。

以下更具体地参照用于图示本发明的实施例的示例性附图，其中，类似的附图标记指示几个视图当中对应的或者类似的元件，在图1中表示出平面导热材料的平板材10，所述材料在特定方向上具有增强的热导率，所述方向取决于原子和原子键在材料的微观区域中的排列。根据要从板材10制造的散热设备的预期用途，来选择平板材10具有更大的热导率的方向。

在图1中，相互正交的轴线指示相对于板材10的x方向、y方向和z方向。x方向与y方向共面并且垂直于y方向。z方向垂直于x和y方向。x方向和y方向定义了x-y平面，x方向和z方向定义了x-z平面，y方向和z方向定义了y-z平面。

板材10基本上由具有原子结构的平面导热材料构成，在该原子结构中，原子在基本上相互平行的多个堆叠平面(称为“a-b平面”)中有序地排列。在垂直于a-b平面的方向(称为“c方向”)上，原子不规则排列或者不那么有序地排列。

参照图1，板材10是平的，板材10的平面导热材料的a-b平面平行于x-y平面。平面导热材料的c方向平行于z方向。a-b平面的边缘12以相平行的直线绘出，指示a-b平面的朝向。应当理解，a-b平面是微观的。

合适的平面导热材料的例子是热解石墨，该热解石墨在取决于有序碳原子的平面层的朝向的特定方向上为板材10提供加强的热导率。热解石墨的碳原子在平面(称为a-b平面)上呈六边形排列，从而便于a-b平面上的方向上的热传递和更大的热导率。碳原子在不位于a-b平面上的方向上具有不规则的或者不那么有序的排列，这导致这些方向上的热传递减弱和热导率降低。热解石墨在a-b平面上的方向上的热导率可以是铜和天然石墨的热导率的4倍以上，并且是氧化铍的热导率的5倍以上。用于这里说明的任意实施例中的热解石墨的热导率在a-b平面上的方向上可以是304W/m-K到1700W/m-K的范围，在垂直于a-b平面的方向(称为c方向)上可以是1.7W/m-K到7W/m-K的范围。热导率的值是在20℃-25℃的标准室温下的值。具有这些特性的热解石墨可以从美国宾夕法尼亚州伊斯顿的PyrogenicsGroupofMinteqInternationalInc.公司获得。

平面导热材料的组成纯度会影响热导率。在一些实施例中，板材10构成为在对应于热解石墨的a-b平面的第一方向上的热导率是在对应于c方向的第二方向上的热导率的至少100倍或至少200倍。

用于散热的设备可以从图1所示的平板材10来制造。例如，散热设备可以包括平面导热材料的弯曲板。板材包括平的第一部分和一体地形成在第一部分上的弯曲的第二部分。第一部分和第二部分各具有基本上由平面导热材料构成的芯基材。该设备可以具有一体地形成在彼此之上的多个平部分和弯曲部分。平面导热材料的a-b平面顺应第一部分和第二部分的表面轮廓。表面轮廓对应于板材的两个相对的面中的一个，而不是沿着板材周边的边缘表面。通过顺应参考表面(例如板材的两个相对的面)的曲率，a-b平面在参考表面是平参考表面的区域之下是平的，在参考表面是弯曲参考表面的区域之下是弯曲的。

图2A和2B表示出由板材10形成的散热设备20。设备20是弯曲的L形板材，具有的各个平脚部22通过弯曲部分24彼此连接。弯曲部分24一体地形成在脚部22上。弯曲部分24和脚部22具有芯基材25，芯基材25基本上由平面导热材料构成。平面导热材料连续地延伸通过脚部22和弯曲部分24。脚部22和弯曲部分24各具有两个相对的面26和28。与面26和28以及脚部22的中心相邻的a-b平面是平的。

与弯曲部分24的表面相邻并且位于弯曲部分24中心的a-b平面(由线12部分地示意性表示)是弯曲的，并且顺应面26和28的曲率。与面26和28相邻并且位于弯曲部分24中心的a-b平面不是平的，从而由a-b平面提供的高热导率路径具有弯曲或转弯。位于任意部分22、24的厚度29的中心区域的a-b平面称为中心a-b平面，位于与相对的面26和28等距离的位置。为了顺应相对的面26和28的曲率，弯曲部分24的中心a-b平面不必具有与面26和28相同的曲率半径。例如，弯曲部分24的中心a-b平面的曲率半径小于面26的曲率半径而大于面28的曲率半径。

在图示的实施例中，a-b平面和高热导率路径在第一脚部中是直的，然后在第二脚部中直线延伸之前转弯或弯曲90°。在另一些实施例中，a-b平面和高热导率路径以90°以外的角度转弯或弯曲。

相对的面26和28离开的距离限定了脚部22和弯曲部分24的厚度29。厚度29可以从脚部22和弯曲部分24周边的边缘表面30上看到。厚度29可以为大约1/4英寸(6mm)。可替代地，厚度29可以小于或大于1/4英寸。设备20的长度31可以为至少1英寸(25mm)。设备20的宽度33可以为至少1/4英寸。取决于散热设备的预期用途，该长度和宽度可以更小。

弯曲部分24的相对边上的平面90便利于向提供和吸走热量的结构安装。弯曲部分24的优点在于，散热设备20可以提供分开了相当大距离的、彼此不一定平行或对齐的结构之间的高热导率路径。例如，具有彼此分开2英寸(51mm)并且彼此成30°角的表面的结构之间的热传递可以使用具有至少2.5英寸(64mm)的长度31和30°(而不是图2A和2B中的90°)的弯曲角度的设备20来实现。

形成设备20的方法可以包括在图1的平板材10上进行的弯曲步骤。弯曲步骤可以包括辊轧成形和压制成形中的任意一种或其组合。

图3A-3C示出一对可以用于辊轧成形操作以从平面导热材料的平板材来形成图2A和2B的设备20的圆柱辊50。辊50包括用于产生脚部22和弯曲部分24的槽52和突起54。槽52和突起54限定出辊50之间的间隙56。间隙56具有与图2B所示的设备20的截面形状相匹配的形状。如图3C所示，图1中的板材10(在一些实施例中是平的、可延展的热解石墨片)可以被推动通过间隙56(图3A和3B)以形成设备20。辊50围绕其各自的对称轴线58的转动可帮助板材10进入间隙56。辊50施加的压力会使通常为平的a-b平面弯曲，从而靠近表面并且位于弯曲部分中心的a-b平面顺应图2B所示的间隙56的表面曲率，并且顺应所形成的平面导热材料的弯曲板材的表面曲率。

图4A-4B示出一对平台或板块60，它们可以用于压制成形操作，以用平面导热材料的平板材而形成图2A和2B的设备20。板块60包括用于产生脚部22和弯曲部分24(图2A和2B)的槽62和突起64。槽62和突起64限定出具有与图2B所示的设备20的截面形状相匹配的形状的空腔66。图1中的板材10(在一些实施例中是平的、可延展的热解石墨片)可以放置在彼此分开的板块20之间。当各板块60被压到一起时，施加到平板材10的相对面上的压力使得平板材变成空腔66的形状。板块60施加的压力会使通常为平的a-b平面弯曲，从而靠近表面并且位于弯曲部分24中心的a-b平面顺应板块60的表面曲率，并且顺应所形成的平面导热材料的弯曲板材的表面曲率。此后，将板块60分离，取下所形成的弯曲板材。

可选地，在平板材辊轧成形或压制成形之后，可以对弯曲板材的边缘进行修剪和切削，以制造具有任意期望尺寸的设备20。可以在弯曲板材中通过钻孔或冲压形成空腔或孔，并将部件插入其中以便于设备20的安装。

应当理解，平面导热材料的平板材可以用于通过执行一系列的辊轧成形和/或压制成形步骤来制造具有任意数量的弯曲部分和平的部分的散热设备。在制成一个弯曲部分之后，可以执行另一个形成步骤来制作另一个弯曲部分。应当理解，可以通过辊之间的对应形状的间隙或板块之间的对应形状的空腔来同时形成多个弯曲部分。

参照图5A和5B，散热设备70是具有芯基材25的弯曲的、Z形或S形的板材，芯基材25基本上由平面导热材料构成。整个板材具有一件式结构，包括平的第一部分74、弯曲的第二部分74、平的第三部分78、弯曲的第四部分80和平的第五部分82。所有部分都一体地形成在彼此之上并且由基本上由平面导热材料构成的材料制成。在每个部分74、76、78、80和82中，邻近表面的以及位于厚度29中心的a-b平面(由线12部分地示意性表示)顺应相对的面26和28之一或两者的轮廓。在平的部分74、78和82中，邻近表面的以及位于厚度29中心的a-b平面是平的。在弯曲部分76和80中，邻近表面的以及位于厚度29中心的a-b平面是弯曲的。

孔或空腔83可以形成于芯基材25内。可以将各种部件84插入到空腔83中并且连接到设备70。这样的部件的例子包括但不限于螺钉、螺栓、铆钉、螺纹嵌件、夹具、夹子、线缆、条带及其任意组合。空腔83还可以由粘合剂或环氧树脂等填充材料占据。这样的部件和填充材料可以用于将设备70热耦合到热源86或者热耦合到热源的介入结构86。热源的例子包括但不限于电力组件、电力转换器和电子部件(例如半导体、集成电路、晶体管、二极管等)及其任意组合。介入结构的例子包括但不限于散热器、印刷电路板、支座、导轨及其任意组合。应当理解，即使部件84和填充材料不包含平面导热材料，每个部分74、76、78、80和82的芯基材25也基本上由平面导热材料构成。

弯曲部分76和80的a-b平面中的弯曲或转弯提供了分开相当大距离并且具有彼此偏离的表面的结构之间的高导热路径。散热设备70的相对两端上的平的安装面90彼此平行并且彼此偏离距离93(图5B)。平的安装面90允许例如热源和散热器等两个结构的大表面接触。例如，热源可以安装到各平面90当中的一个，散热器或导轨可以安装到另一个平面90。如果热源和散热器以固定距离被分开，则可以将设备70制造成距离93等于该固定距离。在一些替代实施例中，散热设备可以是U形的，而不是图示的Z形或S形，但仍然设有平行的安装面。

弯曲部分的弯曲半径可以根据散热设备20、70的预期用途来选择，从而弯曲部分具有比图示更尖或更圆的角部。

这里的任意散热设备的平的部分都可以相对于彼此来定向，以形成90°之外的内角88(图2A和5A)。例如，两个平的部分之间的内角88可以小于或大于90°。在另一些实施例中，任意弯曲部分76和80可以具有90°以外的内角88，以提供彼此不平行的结构之间的高热导率路径。

内角88与其补角的和等于180°。内角88的补角限定出平面导热材料的a-b平面中产生的转弯或弯曲。例如，当内角是150°时，芯基材25中的平面导热材料的a-b平面转弯或弯曲30°。在一些实施例中，将平板材10处理成以至少15°、至少30°、至少45°、至少60°或至少90°来弯曲a-b平面。在一些实施例中，在散热设备的任意弯曲部分中邻近表面的以及位于厚度29中心的a-b平面具有至少15°、至少30°、至少45°、至少60°或至少90°的弯曲角度。在一些实施例中，贯穿任意两个平的部分之间(例如在图2A的各脚部22之间的弯曲部分24中，或者在图5A的各部分74和78之间的弯曲部分76中)的整个厚度29的a-b平面具有至少15°、至少30°、至少45°、至少60°或至少90°的弯曲角度。

任意上述散热设备均可包括能够用于任意数量的目的的盖。例如，下述的盖可以设置在平面90(图2A和5A)与热源或热耦合到热源的介入结构之间。盖可以改善散热设备20、70的强度和完整性。盖可以有助于保持平面导热材料的颗粒不会在制造之前、过程中和/或之后从散热设备分离或脱落。盖可以提供能够便利于热源或其它部件接合或焊接到散热设备的安装面。盖还可以用作容纳散热设备与热源或其它部件之间的热膨胀差异的缓冲器。盖可以是电绝缘器，具有比平面导热材料大的介电电阻。

图6表示出上述任意散热设备的部分96可选地具有直接施加于芯基材25的相对的面26和28上的盖92。在图示的实施例中，盖92具有两个相对层92A和92B。在另一些实施例中，盖92仅包括直接施加于相对的面26和28中的一个上的一个层92A或92B。

层92A和92B中的任意一者或两者可以包括以下盖部分中的任意一个或其组合：薄的金属层、薄的聚合物层和网，其中聚合物层相对于聚合物层下方的衬底材料具有较大的介电电阻，网构成为容纳散热设备与热源或其它部件之间的热膨胀差异。相对于聚合物层，衬底材料可以是平面导热材料、薄的金属层或网。

可以进行金属化工艺以在芯基材25上方沉积薄的金属层。相对于金属化可能较为便宜的替代方法是对芯基材施加预制金属箔。金属箔可以是铜、银、金或与大部分的其它金属相比具有更大的热导率的另一金属。在一些实施例中，薄金属层(例如金属箔)直接施加于芯基材。在一些替代实施例中，金属层设置于直接施加于芯基材的聚合物层或者网的上方。

聚合物层可以是通过浸涂或喷涂来施加的保形涂层。聚合物层相对于芯基材25的平面导热材料可以具有更大的介电电阻。在一些实施例中，聚合物层直接施加于芯基材。在一些替代实施例中，聚合物层设置于直接施加于芯基材的网或金属层上方。

网可以是铜丝网或与大部分的其它金属相比具有更大的热导率的另一金属。网可以是柔性的。网可以具有大于或小于平面导热材料的热膨胀系数。在一些实施例中，网可以直接施加于芯基材25。在一些替代实施例中，网设置于直接施加于芯基材的聚合物层或者金属层上方。

在一些实施例中，盖92的金属层、聚合物层和/或网将平面导热材料的整个弯曲板材完全封装。当完全封装时，盖92覆盖所有相对面26、28和边缘表面30(图2A、2B、5A和5B)。在一些替代实施例中，金属层、聚合物层和/或网仅覆盖平面导热材料的弯曲板材的一部分，以留下一些平面导热材料露出。

金属层、聚合物层和/或网可以在如上所述用于形成散热设备的弯曲部分的辊轧成形和/或压制成形操作的过程中施加于平面导热材料的表面。

金属层、聚合物层和/或网中的任意一个或其组合可以在形成弯曲部分之前施加于平面导热材料的平板材上。

金属层、聚合物层和/或网中的任意一个或其组合可以在形成弯曲部分之后施加于平面导热材料的平板材上。

在上述的任意实施例中，平面导热材料如上所述可以是热解石墨。基本上由平面导热材料构成的散热设备的各部分可以包括少量的其它元素，这些元素仍然允许散热设备的这些部分具有与c方向上的方向相比、在a-b平面上的方向或平行于a-b平面的方向上更大的热导率。

如上所述，平面导热材料的组成纯度会影响热导率。在一些实施例中，散热设备20、70构成为在对应于a-b平面的第一方向上的热导率是在对应于c方向的第二方向上的热导率的至少100倍或至少200倍。

尽管图示和描述了本发明的几个特定形式，但显然在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种修改。应当理解，所公开的实施例的特定特征和方面的各种组合和子组合可以与另一个相组合或替代，以形成本发明的变化模式。上述本发明的特征的所有变形都被认为是在所附权利要求的范围内。本发明并无限制，除非由所附权利要求限制。

Claims (20)

1.一种用于从热源散热的设备，所述设备包括：

板材，所述板材包括平的第一部分和一体地形成在第一部分上的弯曲的第二部分，其中，所述第一部分和第二部分各具有基本上由热解石墨构成的芯基材，位于所述第一部分和第二部分的中心区域处的热解石墨的a-b平面顺应所述第一部分和第二部分的表面轮廓。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第二部分的中心区域处的a-b平面具有至少15°的弯曲角度。

3.如权利要求1和2中任意一项所述的设备，其中，所述板材还包括一体地形成在所述第二部分上的平的第三部分，所述第三部分基本上由热解石墨构成，在所述第一部分和第三部分之间延伸的热解石墨的中心a-b平面弯曲至少15°。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的设备，其中，所述板材还包括一体地形成在所述第三部分上的弯曲的第四部分，所述第四部分基本上由热解石墨构成，所述第四部分的中心区域处的a-b平面具有至少15°的弯曲角度。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的设备，还包括设置在所述板材的任意一个或更多个部分上方的盖。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述盖包括两个相对层，所述板材的任意一个或更多个部分设置在所述两个相对层之间。

7.如权利要求5和6中任意一项所述的设备，其中，所述板材的所有部分都被密封在所述盖内。

8.如权利要求5至7中任一项所述的设备，其中，所述盖包括金属箔。

9.如权利要求5至8中任一项所述的设备，其中，所述盖包括聚合物层，所述聚合物层相对于该聚合物层下方的衬底材料具有更大的介电电阻。

10.如权利要求5至9中任一项所述的设备，其中，所述盖包括金属网，所述金属网构成为容纳所述板材与将被热耦合到所述板材的热源之间的热膨胀差异。

11.一种用于散热的系统，所述系统包括：

如权利要求1至10中任一项所述的设备；以及

热耦合到所述设备的热源。

12.一种用于制造散热设备的方法，所述方法包括：

将热解石墨的板材弯曲以形成弯曲部分，其中，位于所述弯曲部分的中心区域处的热解石墨的a-b平面顺应所述弯曲部分的弯曲的表面轮廓。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述弯曲步骤包括将中心a-b平面弯曲至少15°。

14.如权利要求12和13中任意一项所述的方法，其中，在所述弯曲步骤之后，所述板材的两个部分是平的，并且所述弯曲部分设置在该两个部分之间。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述两个平的部分彼此偏离且彼此平行。

16.如权利要求14和15中任意一项所述的方法，其中，所述两个平的部分的中心区域处的a-b平面是平的，所述弯曲部分的中心区域处的a-b平面是弯曲的。

17.如权利要求12至16中任意一项所述的方法，其中，所述弯曲步骤包括辊轧成形和压制成形中的任意一者或两者。

18.如权利要求12至17中任意一项所述的方法，还包括在所述板材的弯曲部分或另一部分上方施加盖。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述盖包括金属层部分、聚合物层部分和网部分当中的任意一个或更多个。

20.如权利要求18和19中任意一项所述的方法，其中，在所述弯曲步骤中施加所述盖的至少一个部分。