CN1108860A - 散热结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种散热结构，包括一与元件/组件分离制造的 热扩散器及一直接在热扩散器表面上生成的导热塑 料体，导热塑料体至少在元件/组件工作状态时与其 表面接触，本散热结构特别适用于电子元件/组件的 散热；制造该散热结构的方法，将可塑状态的塑料材 料在压力下从储料罐通过一空心针或喷嘴以一具有 大致与喷针或喷嘴内腔横断面相同的截面的材料束 的形式，直接喷压施放在零件上需生成成型体的区段 上；材料束施放后硬化或固化成一相应的弹性体。

Description

本发明涉及一种散热结构及其制造方法，特别是一种产生热耗的电子元件、器件或组件外壳的散热结构及其制造方法。

封装在塑料、陶瓷或金属外壳中的电子元件或组件在工作时会产生相当的热损耗。因此，它们通常都装备有冷却元件或冷却体，用以将产生的热-主要是通过对流和/或热传导-排放到周围环境中。用于热传导的主要是具有良好的导热性能的（特别是金属）散热器或外壳体（部分）。对发热量巨大的元件，散热器应当具有尽可能大的表面积来提高散热能力。为此，许多散热元件加工成具有凸棱的形状以增加表面积，并且/或者用一股由风扇产生的高速气流冲击其表面以加速散热。

熟知技术，如使用云母板或导热膏（如硅膏和氧化铝混合物）进行散热。

美国专利US  4  654  754  AL给出了一种散热结构：由弹性导热材料制成的导热凸出物敷设在热源上并使其按热源外形成形。

该结构在制造中会很麻烦，因为需要散热的元件只能制成某些特定的形状，使它们能从散热器中脱出。另外，不相连的形状构成的造型会很困难，因为必须产生许多个单个的形状。由于这些原因，这种散热结构在制造时有与现代电子工业的需求不相适应的使用复杂以及工作使用性能不佳等缺点（例如，导热性能较差，特别是要在较大的温差下填抹散热器，等等）。

因此，本发明的基本目的就是给出一种散热结构及其制造方法。本发明所提出的散热结构以其对已知方法在工艺操作性和使用性能方面的改善为特色。

本发明包括下述基本思想：设计一种考虑了需冷却元件/组件影响的散热结构，用一种工艺先进的方式直接在需冷却的元件/组件或者分离的冷却体上一条一条地生成驱动热量向周围环境传导扩散的物质。在某种情形下，导热物质直接产生在元件/组件的表面上，使它甚至能同时承担冷却体的功能，从而完全省略冷却体。用种方式也可以产生具有菇状轮廓（或者其负轮廓）的用传统成形方法（即使是挤压成形）难以产生的导热弹性成形件。这样，电子元件可以很方便地“扣结”在某个支架上固定。

一种有益的可能性是在电子元件/组件表面上直接生成导热的塑料成形体，它们具有将热量向周围环境扩散所必需的表面积，或者它们形成一个与分离的热扩散器相联的导热通道。热扩散器可以事后再固定在元件-塑料成形体单元上。

第二种可能性是制造与元件/组件分离生成的热扩散器（冷却体）。热扩散器具有一直接生成在其表面的导热塑料成形体，它至少在元件/组件工作时与它们的表面相接触。这种热扩散器可以用作必要的元件基座（支架）或容纳一个或若干个元件的外壳（部分）。这种热扩散器可以用螺丝或挤压的方法与元件/组件相连，或者以某种可拆卸的方式直接压铸在元件/组件上，比如通过一个活动外壳相应的运动和锁定。

如果上述塑料成形体至少在某些区段具有弹性或可压缩，依据本发明结构形成的各类不同的散热方案首先具有使用性能上的优点：通过元件/组件和热扩散器表面在合适的压力下的紧密接触，可以达到非常小的热阻。这种接触在某些情形下也达成了很好的（外壳-内腔向外）密封效果。由于成形体的弹性或可压缩形态，外壳和元件壳体之内的容差得以补偿。因此，安装有需要冷却的元件/组件的一半壳体无需进一步的附加措施便和另一半壳体达成良好的热接触。这种使用方式对微电子组件和需要小型化外壳有特别的意义，例如移动电话机。

运用本发明提出的结构可以达到很高的元件安装密度。如果通过喷压法施放冷却体，即使在很窄小的空间也可以对单个的元件（它们可以有完全不同的形状）施加必要的冷却措施。盖合外壳后，全部元件-与它们外观形状完全无关，并且能克服一定机械容差-均匀地和冷却体接触。在维修时，这种外壳也可以在任何时候打开。由于半导体电子元件的工作寿命随着工作温度的降低而显著提高，本发明的结构将使维修时间间隔增大。可压缩的导热塑料材料将特别以下述方式施放：主要在热传导方向形成特定的间隔，它们在壳体安装时能以最大的压缩性（在某一预设的容差范围内）容纳材料。在此，本发明包含了下列设计思想：通过弹性冷却体紧凑密布区域以提高导热能力，由此得到的热接触的改善将大于由于减小传导面积而增加的热阻。

有一个小小的变动有利于得到最佳的热传导：元件/组件和热扩散器分别具有至少一个可触及表面的塑料成形体，这些塑料成形体的自由面相互相对而置，并且至少在元件/组件工作时相互接触。通过这两个（最好是弹性的）塑料成形体的相对凸凹部分的相互嵌入，等效接触面积将达到最大。

特别是，在元件外壳体和机壳之间有很大的空隙需要填补时，可以在这两个安装元件的相互接触的面上按本发明的结构安放冷却体，使它们在最终装配完毕的状态下相互形成面接触，从而保证良好的散热。

塑料成形体最好专门将塑料材料在可塑状态下喷压在元件/组件表面，并于现场进行材料的硬化及剥离。

工艺上特别有利的是，如果塑料成形体由一种在常温下固化、剥离的塑料及导热混合物组成，则无需复杂麻烦的加热过程即可制造本发明提出的结构。作为导热混合物可以使用非导电的粉状金属联结物（例如，氧化铝）。如果元件/组件具有绝缘外壳，也可以使用导电混合物，例如金属粉末。

如果塑料成形体至少在部分区段以多层方式制成，并且每层都与下一层在位置上对齐且固定联结于下一层之上，就形成一个带有分段相对厚的塑料成形体的简单、机械稳定的散热构造。把一活动的、带密封的壳体部分用作热扩散器时会需要这种形式。

这种多层形式也有利于与另一构造相连，最后形成的散热构造具有结或肋状突（凸）起，这会使它的面积和/或弹性变大，从而改善导热性能。它还可以用以制造相对较高的，具有某种精确的事先给定的形状和足够的机械稳定性的结状或肋状突（凸）出部。

如果这种构造用于提高自身作为冷却体的塑料成形体的导热性能，则那些结状或肋状突出部可按需要背向与其相连的元件/组件的表面安置。

相反，如果这种塑料成形体表面的特殊构造用于尽可能增加元件/组件与冷却体（热扩散器）之间的有效接触表面，塑料成形体表面的结状或肋状突出部就应当背向与其相连的热扩散器表面，但面向元件/组件表面设置。

这种构造的性能尤其在接触压力变化时可以通过以下方式进一步改善：塑料成形体的相邻结状或肋状突出部之间设置空洞，当塑料成形体变形时，至少部分突出部会被压入空洞。

如果专门在相对邻接的表面（塑料成形体的表面，或者也可能在元件/组件或冷却体表面，即直接在元件/组件或冷却体上生成单个的结或肋）上倾斜地生成结或肋，在另一部分的接触压力下，它们会压入相邻的空洞中，从而形成非常坚实的、由两个相对邻接表面的良好接触造成的传热层。

本发明的其它结构特点将在下文中结合本发明的实施例和附图进一步阐述。附图简要说明：

图1为本发明所提出结构及其制造方法的原理图;

图1a为图1的局部详细显示;

图2a-2i为塑料成形体零件剖面图;

图3为本发明的结构的另一种制造形式;

图4a和4b为本发明的结构的另一种制造形式;

图5a和5b为本发明的结构的另一种制造形式：安装前及安装完状态;

图6a和6b为本发明的结构的另一种制造形式：组件基座和所属的冷却体用铰链相互连接，置于它们之间的塑料成形体在接触压力下产生变形。

图1示出一个铝外壳1用作电子组件2的热扩散器，该组件电绝缘地固定在同时用作该外壳盖子的基座4上。外壳1既用作组件2的机械防护，也作为它的冷却元件。它具有一空腔3来容纳元件/组件，并利用基座4在壳盖翻转后用铰链4a连接闭合。在壳体闭合时与基座4接触的拱肋4b和4c用来进一步保证散热。

图1还显示出一导电、导热轮廓8通过压喷方式施放于外壳1的外壁上的过程。喷嘴或空心针和气缸-活塞装置气密相联，并和该气缸-活塞装置一起，由一电脑控制的机械臂7在装置5的活塞5a上施加的一压力驱动。整个装置以速度V沿着边框3a运动，并始终受控与壳体1保持一微小且精确的间距。所施放的轮廓具有与喷嘴内腔相同的截面形状。机械臂可以在三个空间方向相应于显示的坐标x，y和z驱动。同样，在拱肋4b和4c的上顶边上也施加相应的轮廓束8a和8b。

装置5的缸体5b充填有在空气中室温下掺有金属微粒的快干的膨胀硅酮聚合物8′。该化合物在施加于活塞5a上的压力作用下，通过针6的内腔6a挤压（“喷压放出”）到外壳表面并附着于其上，最后在空气作用下硬化而成弹性塑料轮廓8。

塑料轮廓8的（截面）尺寸和形状由下列参数决定：所使用的导热塑料物质的物化参数，特别是硬化速度、粘度、外壳材料的表面张力和摇溶性;针内腔的截面形状、针运动的速度;以及现场环境参数如温度和空气湿度的影响。因此，通过适当选择这些参数可以控制轮廓截面。

对于图1中所示一边用铰链连接的翻盖壳体，喷针6沿着空腔3的铰链边上的运动速度高于其它三边可能是有利的，因为这样就在翻盖闭合的边上形成一条截面比其它三边小的轮廓。

塑料物质的性质的调节主要通过掺入填料（碳黑）、金属结合剂、张力和硬化加速剂，及固化材料来达到。

保证材料导热性能的混合物的粒度大小和种类（对电绝缘塑料成形物，可能是氧化铝颗粒;对导电塑料成形物则可能是碳、银、镀金或镀银的铜颗粒），不仅影响导热弹性材料的热性能，而且还影响它的机械、电及加工性能。

图1a给出了用于以条（束）状形式施放导热、弹性塑料材料的装置的放大剖面图，其符号记号一律与图1中一致。作为电子元件210这里给出的是一个塑料封装的集成电路，在它上面生成了束状的热耦合元件8d用于热传导。

图2a至2i是不同轮廓截面的例子。这些例子显示出用本发明的方法通过材料的多次施放可以得到的塑料成形体的构成形状。在此，塑料成形体主要在一个方向延展，也即是说显示出一条塑料轮廓。

在图2a至2d中，具有良好导热性能，较差弹性的充填部分（阴影线所示）和基本上没有导热材料混合的不导热弹性充填部分相结合，从而达到最佳的密封和传热作用的联合。

图2a到2i给出由不同喷嘴形状所产生的条（束）状导热轮廓体形态的例子。这里一部分是不同的轮廓条在时间上依一定顺序先后施放所产生。用这种方式可以产生具有任何外形（包括不可脱出的）弹性导热体，例如，可以包含空心腔。

图2a示出一个在二步施放过程中在壳体11的表面上并排施放的轮廓结构。二条轮廓81和82具有大致上部大半圆形截面，分别用于传热和密封。这样一个构造形成于弹性材料弱沾湿壳体的表面。

图2b示出一个在三步施放过程中产生的轮廓结构。它由一扁平、宽阔的拱形导热轮廓部分82a以及一在此上压出的导热部分82c和一非导热部分82b在一壳体段12上构成。在此，轮廓部分82b和82c具有大致半圆形的截面。

这样一个构造形成于第一轮廓部分82a强沾湿壳体表面，且/或它的施放用一较宽喷嘴而不是用图1中所示的喷针6完成。同时，轮廓部分82b和82c的材料具有对于轮廓部分82a表面很弱的沾湿性。

图2c示出一个与图2b同样的轮廓结构，它共由四部分组成。一低宽的轮廓部分83a直接布置在壳体表面13上。在轮廓部分83a上，有三条大致上具有半圆形截面的轮廓部分，其中非导热的密封轮廓部分83d居于正中，而高导热的轮廓部分83b和83c分列于二侧。

该轮廓对平行于壳体表面作用的力有较强的抵抗力，但总的来说弹性较差。所以它特别适用于推盖密封。

相反，图2d中的轮廓由压置在壳体表面14上的弱导热高弹性部分84a以及覆盖在它外面的高导热表层部分84b组成。该轮廓具有极高的弹性，但导热能力较弱。

图2e至2i示出完全由导热材料组成的塑料成形体。

图2e示出布置在壳体表面15上的具有特殊形状的单件轮廓85，它由一稍稍下凹的腹区85连接着二个凸起区85a和85b。它可用于边框布置导热轮廓的翻盖壳体。

图2f示出在壳体表面16上由若干具有圆形截面的轮廓条组成一总体上为半圆形的中空塑料轮廓86。它围绕了空心部分86a。

尽管那些单个圆形轮廓条本身的弹性很差，由于这个空心部分具有很好的弹性，该轮廓的总体具有较好的弹性。

图2h是一个在具有一槽18a的壳体表面18上布置的T型轮廓88。它由一嵌入槽的较宽的中间部分88a和一在槽外平行于壳体表面的平板组成。该轮廓与壳体表面通过材料和形态结合，结果是增加了稳定性。

图2i示出一个由一导热弹性材料制成的矩形块89a和两个在其上并列，平坦隆起的轮廓部分89b和89c组成的轮廓结构。该结构由于具有较大的横截面积特别适用于需要导热量大的场合。此外，通过最上面布放的两条密封肋89d和89e，它亦具有足够的弹性。

图3给出一电子组件211的示意以及用图1中所示方式喷压的塑料冷却体811。该冷却体由分次施放在组件表面上的多股冷却肋组成。这种构造可以用于移动场合的电子仪器（例如无线设备、移动电话等）。

图4a是一电子器件组212的示意。它置有一具有波浪形截面的导热塑料成形体812a，该塑料成形体与一肋状冷却体912（作为热扩散器使用）相连。肋状冷却体的平坦的表面上装置有第二个塑料成形体812b，它具有与第一个塑料成形体812a相同的结构，但其波浪起伏却和812a恰好错开。这样，一面的凸起部分正好插入另一面凹进部分，藉助双方的弹性，它们在器件组212和冷却体912压紧的状况下形成几乎均匀的传热层。

图4b是如何将一电子元件215置于一用主动式风扇915作为热扩散器的弹性导热结构815中的剖面示意。由于具有弹性，元件可以“扣入”结构815中，其横向伸展随着离开基座的距离增加而增大。在图中给出的剖面图也示出垂直于基座方向的剖面构造，支撑区域815a和815b保证装入的元件215在一环状闭合线上而不掉下。

同样的结果可由图5a和5b给出的示意达到。这里，一组件213通过一个施放在冷却体913上的弹性塑料结矩阵813与冷却体相连。通过压紧组件213和冷却体913，塑料结矩阵的高度将被压缩，使结的截面积增大到几乎基本上填充了组件和冷却体之间的空间，从而保证良好的传热。

图6a和6b示出又一种制造形式，它用一铰链914a将组件214和肋状冷却体914相互连结。肋状冷却体在其平坦的背面装置有一组倾斜设置的肋片的塑料成形体814。把组件214和冷却体914夹紧时（如图6a所示左边第一肋片及图6b所示最终状态），塑料成形体的所有肋片向同一方向倒在相邻两肋片的空间中。以这种方式，在组件和冷却体之间造成一个相当均匀的、通过交界面紧密接触的传热体。

本发明的实施并不局限于以上所给的制造例子。许多其它的变化都是可能的，即使它们的基本制造方法不同。这里特别要提到的是在电子领域以外的传热结构，例如在测量技术，供暖技术，制冷技术以及空调技术领域，本发明都可以实施。

Claims (15)

1、一种产生热耗的电子元件、器件或组件外壳的散热结构，所述结构利用一安置在元件或组件(2，211至214)外壳表面上，或紧贴在与外壳热传导相连的附加热扩散器上，分离生成的导热材料成形体(811，812a)进行散热，所述成形体与壳体或热扩散器(1；11至19；912至914)面接触，并至少在某些区段是弹性可变形或可压缩的；

由导热塑料制成的所述成形体紧贴在元件外壳表面或在由至少一条(束)状成形单元组成的热扩散器表面生成。

2、如权利要求1所述的散热结构，其特征为，所述成形体带有一个空腔或包括若干空腔的轮廓结构;在所述成形体受到压缩变形时，所述空腔或空腔组朝着壳体方向缩小它（们）的体积，从而使所述成形体包括的空腔所包围的空间密度增大。

3、如权利要求1、2所述的散热结构，其特征为，元件/组件（212）和热扩散器（912）分别安置有至少有一自由可触及表面的所述成形体（812a，812b），并且这些所述成形体（812a，812b）的自由可触及表面相互相对安置，至少在元件/组件工作时相互构成导热的机械接触。

4、如权利要求3所述的散热结构，其特征为，所述热扩散器（1;11至19;912至914）至少构成一部分包含若干元件/组件的外壳，并且/或具有一主动驱动的风扇。

5、如权利要求1、2、3、4所述的散热结构，其特征为，所述成形体由某种在室温下成形或凝固的塑料加上导热的（特别是由金属粉末构成的）添加剂制成。

6、如权利要求1、2、3、4、5所述的散热结构，其特征为，所述成形体至少在部分区域具有多层构造，其中每一层与它下面的一层局部粘着相连。

7、如权利要求1、2、3、4、5、6所述的散热结构，其特征为，所述成形体具有结状或肋状突起，这些突起背向所述成形体与元件/组件（211;212）或热扩散器相邻的表面设置。

8、如权利要求7所述的散热结构，其特征为，所述成形体（812b至814）的结状或肋状突起背向与它相连的热扩散器（912至914）表面，且面向元件/组件而列;所述结状或肋状突起之间相邻的空腔为自由空间，在紧压变形时至少部分突起被压延伸入该自由空间。

9、如权利要求8所述的散热结构，其特征为，两边所述成形体（812a，812b）都有结状或肋状突起，并按一定的方式安置，使所述成形体的这些突起至少在元件/组件工作状态时相互配合插入另一边的空腔。

10、如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9所述的散热结构，其特征为，至少一边所述成形体的剖面延展随着离开基座距离增加而变大，使一元件或按相应负形状制造的成形体能通过“扣入”的方式与此成形体相连。

11、用于制造权利要求1所述散热结构的方法，其特征为，在可塑状态下的塑料材料在压力下从储料罐通过一空心针（6）或喷嘴以一具有大致上与所述喷针或喷嘴内腔横断面相同的截面的材料束的形式，直接喷压施放在零件（1）上需生成成形体（8）的区段（3a）上;在保持该截面形状的材料束施放后，它硬化或固化成一相应的弹性体。

12、如权利要求11所述的散热结构的制造方法，其特征为，所述空心针（6）或喷嘴由一驱动装置-特别是计算机控制的驱动装置-沿着预先设计的路径在零件（1）上需产生所述成形体（8）的区段（3a）上引导运动。

13、如权利要求11、12所述的散热结构的制造方法，其特征为，为了实现一多层的所述成形体（8′），所述喷针（6）或喷嘴要多次引导到至少在需产生所述成形体的区段（3a）上的特定部分，使多股塑料材料束（8）最终形成预定的成形体形态;后一股材料束在前一股表面硬化或固化之前施放，以使所有材料束硬化或固化后一致相连。

14、如权利要求13所述的散热结构的制造方法，其特征为，在所述喷针（6）或喷嘴多次引导到预设的区段上，施放需硬化的不同弹性或不同可压缩性的塑料材料。

15、如权利要求11、12、13、14所述的散热结构的制造方法，其特征为，所述可塑塑料材料的施放在常温下进行。

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