CN1582104A - 使用硅橡胶的散热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用硅橡胶的散热系统，包括：发热的电子器件；散热装置，所述散热装置装在电子器件的一个表面上，用于有效地散发电子器件产生的热量；散热硅橡胶垫，所述硅橡胶垫的插入方式是夹在电子器件与散热装置之间；以及形成在硅橡胶垫两个表面上的粘结剂层。通过执行亲水表面处理或通过在其一个表面或两个表面上沉积粘结剂，硅橡胶垫具有增强的粘结力。据此，硅橡胶垫可以容易地连接到散热板上或者具有成形的封装表面的电子器件，从而增强操作效率，并保持与散热板同样高的散热效率。

Description

使用硅橡胶的散热系统

发明领域

本发明涉及使用硅橡胶的散热系统，更具体地，涉及使用硅橡胶的散热系统，其中通过热沉接头能提供散热效率和产量。

背景技术

当电流流过电子装置的电路中的一个元件时，一部分电能转变成元件的热能，从而升高元件连接部分的温度。这样，当温度升高到超过某个程度时，元件产生误操作或损坏。

为了避免所述问题，在系统中安装冷却风扇，或者将热管直接装到元件上，从而强制性地冷却系统。但是，这种方法由于风扇的噪音和成本而降低了竞争能力。因此，可以使用的冷却方法是通过将高导热性的材料装在元件上的自然对流。利用自然对流将元件产生的热量散发到外界的部分称为热沉。

热沉是由高导热性的金属材料制成的，并具有多个翅片，以便增大表面积。多个翅片集成在一个主体上，从而可以装在电子器件上。热沉可以通过下面几种方法装到电子器件上。

如图1所示，在热沉1与电子器件3之间，例如半导体衬底、存储器芯片、CPU等等，放入双面胶带2。但是，由于使用了双面胶带，降低了电子器件与热沉之间的结合强度，从而导致热沉容易从电子器件上脱落的问题。而且，由于双面胶带的导热性不好，降低热沉的传热效率。

作为另一种方法，如图2所示，电子器件2与热沉1的连接可以通过在电子器件2和热沉1中打孔，将螺丝4穿入孔中，并拧紧螺丝4和螺母5。在使用螺丝的所述方法中，连接强度高，并且由于电子器件与热沉之间直接连接而增强了传热效率。但是，在所述方法中，连接过程复杂。特别是，需要诸如螺丝和螺母的零件，并且通过用户的手工操作使用这些零件。即使使用自动设备，也增加了处理步骤，从而降低了工作效率。而且，由于热沉必须在螺丝连接部分没有翅片，因此与在相同长度热沉条件下的其它方法相比，降低了热沉的翅片效率。另外，由于热沉必须为螺丝连接打孔，因此增加了材料成本。

为了解决上述问题，提出了滑动型热沉，这种热沉容易可滑动地连接到电子器件上，并增强散热效率。参看图3，在热沉10的下部，通过切割成对应于电子器件的形状，形成滑动部分11，将元件20插入滑动部分11中。在这种情况下，由于元件20通过滑动的方法而不是螺丝连接方法连接到滑动部分11中，因此可以减少操作过程的次数。而且，由于热沉和电子器件彼此直接连接，因此散热效率提高。但是，必须对应于每个电子器件的样式(宽度或长度)单独成形热沉。特别是，热沉的滑动部分11的设计非常重要，这是在图3中标记为A的区域，用于连接电子器件。如果热沉的连接部分的样式没有对应于电子器件的样式进行恰当地设计，则热沉不容易连接到电子器件上，或者容易从电子器件上脱落。

据此，热沉与电子器件之间的传统连接过程非常复杂。而且，在制造电子器件散热系统的传统方法中，由于热沉与电子器件之间的连接强度非常低，因此需要高的成本，并且生产率低。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种散热系统，其中散热装置和电子器件容易相互连接在一起。

本发明的另一个目的是提供一种能增强其可靠性的散热系统，即，能恰当地保持散热装置与电子器件之间的连接强度。

本发明的再一个目的是提供一种能增大散热效率和操作效率的散热系统。

为了达到这些和其它优点并且根据本发明的目的，如同这里具体实施的和广泛描述的，提供一种使用硅橡胶的散热系统，包括：发热的电子器件；散热装置，所述散热装置装在电子器件的一个表面上，用于有效地散发电子器件产生的热量；散热硅橡胶垫，所述硅橡胶垫的插入方式是夹在电子器件与散热装置之间；以及形成在硅橡胶垫两个表面上的粘结剂层。

所述散热装置包括其中集成有多个翅片的金属热沉，以及冷却风扇等。

在本发明中，不使用额外的连接件，例如螺丝和螺母，用于将电子器件和散热装置彼此连接。

结合附图，从下面本发明的详细描述中，本发明的上述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加清楚。

附图简述

所提供的附图是为了进一步理解本发明，附图包括在本申请中并作为本申请的一部分。附图图解了本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

在附图中：

图1是表示根据传统技术的散热系统的一个实施例的剖视图；

图2是表示根据传统技术的散热系统的另一个实施例的剖视图；

图3是表示根据传统技术的散热系统的再一个实施例的剖视图；

图4是表示根据本发明的散热系统的一个实施例的剖视图；

图5是表示应用本发明的电子器件的照片；

图6是表示应用本发明的另一种电子器件的照片；

图7是对比根据本发明使用硅橡胶的散热系统与螺丝连接的传统散热系统的照片；以及

图8是对比根据本发明使用硅橡胶的散热系统与螺丝连接的传统散热系统的照片。

具体实施方式

下面详细描述本发明优选的实施例，其实例图解在附图中。

下面详细描述根据本发明的使用硅橡胶的散热系统。

硅橡胶与任何形式的任何其它弹性体相比，得到了更广泛的使用，并且广泛应用于需要高可靠性和稳定性的领域中，例如国防工业、航空工业和汽车工业，以及其应用工业中。硅橡胶由于其自身优秀的电子特性，还广泛用于高电和电子工业。硅橡胶具有足够优秀的弹性，从而设计硅橡胶时，在硅橡胶应用于需要弹性的零件时，不必考虑其弹性

硅橡胶由于其优秀的散热特性，已经用作散热材料。但是，硅橡胶与其它材料之间具有弱的结合力。据此，在传统技术中，额外的连接装置，如螺丝和螺母，应用在硅橡胶与电子器件之间。

参看图5，最上面的装置表示由螺丝和螺母连接的电源的晶体管散热结构。即，硅橡胶垫通过连接装置连接到晶体管的一侧。在这种情况下，操作者必须对每个小尺寸的器件手工执行连接过程。所述方法使用散热系统的制造过程变复杂，并增大产品成本，从而降低电子器件的成本竞争性。

而且，当除了硅橡胶外对电子器件增加额外的散热装置时，电子器件必须通过额外的连接装置连接到额外的散热装置，从而连接过程是复杂的。

在传统的散热系统中，硅橡胶通过物理装置连接到电子器件，从而大大降低了操作效率和生产率。所述问题是因为硅橡胶的低结合力。

硅橡胶具有如下的分子结构，并具有多个单体组装在一起形成的高分子结构。

(这里，R是反映有机物特性的烷基群。)

硅橡胶的分子结构具有基于硅氧烷链的主链。尽管基本的碳键的键合能为83kcal/mol，但硅氧烷键具有大的键合能，为108kcal/mol，从而具有非常稳定的化学/物理特性。因此，一旦硅橡胶成形，其物理性能的改变非常困难。而且，由于硅橡胶具有的物理性质如疏水性、反常塑性(dysplastic)特性、低表面等等，硅橡胶不容易与其它材料结合。硅橡胶的这种化学/物理稳定性阻碍了优秀特性的使用，如耐热性、阻燃性、传导性、隔热性、耐蚀性、导热性等。

在本发明中，通过利用等离子放电或离子辅助反应，使用低能(小于1keV)加速离子和反应气体，从而增强结合力，使硅橡胶具有改性表面，应用于散热系统。

特别是，在本发明中，通过低能的加速等离子体离子(部分分解表现出有机特性的官能团的分子键合之后)，接着将额外的反应气体连接到官能团，从而仅有硅橡胶表面处于激发状态。据此，硅橡胶的表面在没有严重损坏的情况下被改性。具有改性表面的硅橡胶表现出表面的亲水性，并且不但与粘结剂有优秀的结合力，而且与金属、陶瓷和聚合物也具有优秀的结合力。这个离子辅助反应的表面处理，与传统半导体工艺等应用的表面处理不同。在刻蚀过程或清洁过程，相应材料的聚合物键合分解，从而大大地损坏了表面。但是，在本发明中，表面处理仅仅引起硅橡胶表面的物理性质改变。

作为本发明的硅橡胶，使用包括Al、Ag、Ni、Cr、C等作为散热填料的、具有更好传导性的交联硅橡胶。作为散热填料，金属粉或碳粉是适合的，或者可以使用氧化铝填料和陶瓷填料。包括散热填料的硅橡胶的导热率，根据填料数量为0.5-50W/m.K。

硅橡胶优选的硬度，通过控制填料含量为30-80。

在本发明中，使用严重影响电子物品小于1000ppm的、具有低分子硅氧烷的硅橡胶。硅橡胶是超过20个单体彼此交联的长链形线圈螺旋结构的全体。由4-20个单体构建的硅橡胶分类成低分子硅氧烷，并具有挥发性，即在常温下受热以气体形式逐渐挥发。气体形式的低分子硅氧烷，以SiO₂的形式粘附在有电的电触点上，从而造成电的短路。因此，在本发明中，尽可能少用具有低分子硅氧烷的硅橡胶。

如图4所示，本发明的硅橡胶40以垫的形式插入电子器件30与散热装置35之间。垫的厚度为0.1-5mm。如果垫太厚，系统的整个体积增大，并且如果垫太薄，难以组装散热系统。优选的是形成比粘结剂层42更厚的硅橡胶垫。虽然图中为了解释的方便表示出较厚的粘结剂层，但粘结剂层实际上形成非常薄的层。

作为本发明的粘结剂层，使用丙烯基粘结剂或硅基粘结剂，但不限于此。通过硅橡胶表面形成的粘结剂，硅橡胶的结合力在500gf/cm-5000gf/cm之间，优选的是1000gf/cm-3000gf/cm之间。

在硅橡胶上形成粘结剂层之后的结合力测试结果如下。

                      表1

            硅橡胶结合力的测试结果

结合材料	最小结合力(gf/cm)	测试条件
			金属(Al)	544	常温
659	80℃下12小时
		438		-40℃下12小时
585	紫外线下24小时
		玻璃		1438	常温
2227	80℃下12小时
			1279	-40℃下12小时
2158	紫外线下24小时

如上表所示，本发明的硅橡胶，甚至在严历的条件下也具有非常优秀的结合力。所述结果表示硅橡胶的最小结合力，大多数硅橡胶表现出的结合力超过最小结合力。而且，由于产品上的硅橡胶的尺寸是2×2cm²，硅橡胶具有强的结合力，超过所述结果四倍。

一旦硅橡胶粘贴到材料上，就不可能在没有特殊装置的情况下卸下硅橡胶。而且，如果从器件上卸下硅橡胶，硅橡胶本身被破坏。因此，可以得知硅橡胶的结合力非常大。

在考虑硅橡胶的厚度时，粘结剂层优选地形成的厚度为0.1-500μm。优选地，事先在释放纸上形成粘结剂层，接着将粘结剂层硅橡胶垫的一个表面或两个表面上，然后将硅橡胶垫切割成与所需产品的尺寸相对应。

作为本发明的散热装置，诸如冷却风扇或散热板的几种形式是可以的。但是，当考虑导热率时，散热装置优选地是由金属形成的，并且优选地具有多个翅片，以便加宽表面积。

参看图5，中间和下部的装置表示本发明的硅橡胶连接到高压晶体管作为散热装置，而不使用连接装置。

图6是表示本发明散热系统的另一个实施例的照片。在集成每种电子元件的电子器件中，具有多个翅片的散热板装在内中央处理单元的上表面。散热板和中央处理单元，不使用诸如螺丝等的连接装置，而通过硅橡胶(未图示)彼此牢固地结合，其中硅橡胶在其两个表面上具有粘结剂层。

图7和8分别表示电子器件的散热系统，其中根据本发明使用硅橡胶的散热系统(左侧)与使用螺丝连接方法的传统散热系统(右侧)进行了对比。

根据本发明，通过减少操作过程的数量，而不使用通过螺丝和螺母连接散热装置的传统方法，可以更容易地制造散热系统。散热系统可以保持强的结合力，并保持散热装置的导热率，从而大大降低制造成本，并提高生产率。

由于本发明可以在不偏离其精神或本质特征的情况下以几种形式实施，因此也应该理解的是，上述实施例不受上述任何细节的限制，除非其它说明，而应当在权利要求限制的精神和范围内广泛构建，因此落在权利要求的边界和界限上的所有变化和修改，或者这些边界和界限上的等价条款，受到权利要求的限定。

Claims (5)

1.一种使用硅橡胶的散热系统，包括：

发热的电子器件；

散热装置，所述散热装置装在电子器件的一个表面上，用于有效地散发电子器件产生的热量；

散热硅橡胶垫，所述硅橡胶垫被插入以层压在电子器件与散热装置之间，并包括Al、Ag、Ni、Cr、C中的一个作为散热填料；以及

形成在硅橡胶垫的一个或两个表面上的粘结剂层，其特征在于硅橡胶的硬度为30-80，并且导热率为0.5-50W/m.K。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于硅橡胶通过粘结剂层具有的结合力为500gf/cm-5000gf/cm。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于通过加速等离子和反应气体进行的表面处理，硅橡胶垫具有亲水性。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于电子器件是集成装置，其中具有不同电路元件，如CPU、存储器等，或者电子器件是单电路装置，如高压晶体管、电容器等。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于硅橡胶具有小于1000ppm的低分子硅氧烷。

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