CN1620592A - 使用高导热插件的散热部件 - Google Patents

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Abstract

一种热量管理系统(10)，其提供一种使用高导热率插件(22)的散热部件。散热部件可以是扩展器(12)或散热片，且包括平面石墨部件(16)，该石墨部件具有沿部件(X，Y)的平面的高导热率，和穿过部件(Z)的厚度的较低导热率。穿过部件的厚度形成空腔(20)，且高导热率插件(22)容纳在空腔(22)内。插件(22)可以是各向同性的高导热率材料，比如铜，或各向异性的材料，比如在平板元件的厚度方向上(z)具有高导热率而定向的石墨。

Description

使用高导热插件的散热部件
技术领域
本发明涉及一种能够管理来自热源，比如电子器件的热量的散热部件。具体而言，本发明涉及一种有效地耗散由电子器件产生的热量的散热部件，其中所述散热部件是通过将各向异性的石墨平板元件与高导热率的芯元件组装在一起构成的。
背景技术
随着越来越复杂的电子器件的研制，包括那些能增加处理速度和更高的频率，具有更小尺寸和更复杂的功率需求，并且表现出其他技术先进性的电子器件，比如电子、电气部件和系统中的微处理器和集成电路，以及其他器件，比如高功率光学器件，可能会产生相对较高的温度。但是，微处理器、集成电路和其它复杂的电子部件通常仅能在一定的临界温度范围下有效地工作。在使用这些部件的工作过程中产生的多余热量，不仅损害其自身的性能，而且还会降低整个系统的性能和可靠性，甚至导致系统失效。电子系统能工作的环境条件的范围不断扩大，包括温度极限，加剧了多余热量的不利作用。
随着对微电子器件散热的需求不断增加，热量管理已经成为电子产品设计中日益重要的因素。电子设备的性能可靠性和寿命反过来关系到设备的部件温度。例如，器件，比如典型的硅半导体的工作温度下降对应着所述器件的可靠性和寿命呈指数增加。因此，为了使部件的寿命和可靠性最大化，将所述器件的工作温度控制在设计者设定的限度范围内具有非常重要的意义。
几种类型的散热部件用于促进从电子器件的散热。本发明适用于这样几种散热部件，包括通称为散热片(heats preader)的那些，通称为冷却板的那些，通称为散热器(heatsink)的那些及其他。
这些散热部件有利于从热源的表面，比如产生热量的电子器件，向较冷的环境，通常是空气散热。在很多典型的应用场合，电子器件的固体表面和空气之间的热传递在所述系统内是效率最低的，且所述固体-空气界面通常具有最大的散热障碍。所述散热部件寻求通过增加直接接触空气或其他传热介质的表面面积，来提高所述电子器件和外界大气之间的热传递效率。这使得更多的热量被散发出去，从而降低了电子器件的工作温度。散热部件的主要用途是帮助器件的温度维持在设计者/制造商设定的最大可用温度之下。
通常，由于铜等金属易于吸收热量，并将热量传递到整个结构的能力，所以散热部件由金属制成，特别是铜和铝。在散热器的情况下，铜散热器经常加工有翅片或其他结构，以增加散热器的表面面积，利用强制掠过或通过翅片的空气(比如通过风扇)，影响从电子部件通过铜散热器，然后到空气的散热过程。
然而，使用金属散热部件仍然存在限制。一个限制涉及金属的相对各向同性，即，金属结构倾向于将热量相对平均地分布在整个结构上。金属的各向同性意味着传输到金属散热部件上的热量分布在整个结构上，而不是优先导向所需的位置。
此外，由于金属的重量，尤其是当散热部件的传热面积明显大于电子器件的面积时，使用铜或铝散热元件可能带来问题。例如纯铜的重量为8.96克/立方厘米(g/cm3)，纯铝的重量为2.70g/cm3(与重量小于约1.8g/cm3的石墨制品相比，  )。
例如，在很多应用中，需要在例如电路板上排列多个散热器，以便散出电路板上多个部件的热量。如果使用金属散热器，电路板上金属的净重可能增加电路板断裂或其他同样不希望的效果出现的机会，且增加部件自身的重量。
在较大的散热部件，比如称为散热片之类的部件情况下，纯铜散热片的重量需要特殊的机械特征和设计来固定散热片。
因此，所需要的是一种用于从热源，比如电子器件上有效地散热的散热部件。有利的是，与铜或铝之类的金属相比，所述散热器部件应当是相对地各向异性，且表现出了较高的导热率与重量比。适用于散热器中的一组材料是通常称为石墨的材料，特别是各向异性的石墨，比如如下所述的基于天然石墨和柔性石墨的材料。
石墨由碳原子形成的六角形阵列或网络层面构成。这些六角形排列的碳原子层面基本上是平坦的，其取向或次序基本上互相平行且彼此等距。所述基本上平坦、平行等距的碳原子片或层，通常称为石墨层或基面，连接或接合在一起，且在晶粒中成组排列。高度有序排列的石墨包含相当大尺寸的晶粒；所述晶粒互相高度整齐地排列或定向，且具有排列整齐的碳层。换言之，高度有序排列的石墨具有高度的优选晶粒取向。应指出的是，石墨具有各向异性的结构，因此呈现出或具有高度方向性的性能，例如，导热和导电性以及流体扩散性。
简单地说，石墨的特征在于碳形成的层状结构，即，结构中包括通过弱范德华力连接在一起的碳原子叠片或叠层。考虑到石墨的结构，通常指出两个轴或方向，即，“c”轴或方向和“a”轴或方向。为简单起见，所述“c”轴或方向可以认为是垂直于碳层的方向。所述“a”轴或方向可以认为是平行于碳层，或垂直于所述“c”方向的方向。石墨适于制造具有高度取向性的柔性石墨片。
如上所述，将平行的碳原子层接合在一起的接合力仅是弱范德华力。天然石墨可以经过处理，使重叠的碳层或片之间的间隔适当分开，而在垂直于所述层的方向上，即，在“c”方向上形成明显的膨胀，从而形成膨胀的或扩大的石墨结构，其中基本上保持了所述碳层的层状特征。
不在膨胀石墨的粘合或整合薄片之间使用粘结剂，就可以形成已经大大膨胀的石墨薄片，尤其是这样的膨胀，即最终厚度或“c”方向上的尺寸约是“c”方向上原始尺寸的80或更多倍，所述石墨片是例如，网(或幅面料)、纸、条、带、箔、垫、等(通称为“柔性石墨”)。由于在体积膨胀的石墨颗粒之间实现机械互锁或粘合，所以不使用任何粘结材料，通过压缩，认为可以将已经膨胀的石墨颗粒形成整体柔性片，所述石墨颗粒的最终厚度或“c”方向上的尺寸是“c”方向上原始尺寸的约80或更多倍。
除了柔性外，如上所述，已经发现与天然的石墨原材料相比，由于非常强的压缩，例如滚压导致膨胀的石墨颗粒和石墨层的取向基本上平行于所述薄片的相对面，所述片状材料具有在导热、导电和流体扩散方面的高度各向异性。因此，生成的片状材料具有良好的柔性、较高的强度和甚高的取向性。
简单地说，产生柔性、无粘结剂的各向异性石墨片材料，例如，网、纸片、带、条、箔、垫等的工艺，包含在预定的载荷下且在无粘接剂的情况下挤压或压缩膨胀的石墨颗粒，而形成基本上扁平的，柔性整体石墨片，所述膨胀的石墨颗粒在“c”方向上的尺寸是“c”方向上原始尺寸的约80或更多倍。所述膨胀的石墨颗粒通常是蠕虫形或外观为蠕虫状，一旦挤压，将保持所述压缩状态，与所述薄片的相对主表面对准。通过控制压缩程度，所述片状材料的密度和厚度可以变化。所述片状材料的密度可以在约0.04g/cm3至约2g/cm3的范围内。由于石墨颗粒平行于所述薄片的相对主平面，所以柔性石墨片材料表现出明显的各向异性，随着片状材料的滚压而取向性增加，各向异性的程度也增加。在滚压后的各向异性片状材料中，所述厚度，即垂直于所述相对的平行片表面的方向包含“c”方向，沿长度和宽度变化的方向，即沿着或平行于所述相对的片表面的方向包含“a”方向，所述薄片的导热性、导电性和流体扩散性在“c”方向和“a”方向上有数量级的差别。
发明内容
本发明提供了一种热量管理系统，该系统包括各向异性的石墨平板元件，其在该平板元件的平面内具有较高的导热率，且穿过平板元件的厚度在垂直于所述平板元件的平面的方向上具有较低的导热率。所述平板元件具有在其中形成的空腔，且芯或插件紧密地容纳在所述空腔内。在该实施例中所述芯由各向同性的芯材料构成，从而使来自热源的热量可以经所述芯导入所述平板元件的厚度内，然后穿过所述平板元件的平面导出。
在本发明的另一实施例中，提供了一种热量处理系统，该系统包括具有传热面的热源，各向异性的石墨平板元件和插件。所述平板元件具有限定所述平板元件的大致平面范围的x和y尺寸，且具有限定所述平板元件的厚度的z尺寸。所述平板元件在x和y方向上具有较高的导热率，而在z方向上具有较低的导热率。因此，在本文中使用的x和y方向对应于通称为各向异性石墨的“a”轴，在其中使用的z方向对应于各向异性石墨的“c”方向或轴。所述平板元件具有在其中形成的空腔，该空腔至少部分延伸穿过所述平板元件的厚度。所述插件容纳在所述空腔内，与所述平板元件导热接合。所述插件具有与所述热源的传热面接合的受热面，从而来自热源的热量流经传热面和受热面，沿z方向进入插件，然后，沿x和y方向穿过所述平板元件排出。
在本发明的另一实施例中，提供了一种用于从热源散热的方法。所述方法包括以下步骤：
(a)提供各向异性的散热元件，该散热元件在x和y方向上具有较高的导热率，而在垂直于所述x和y方向的z方向上具有较低的导热率，所述散热元件具有沿z方向从中通过形成的空腔，且具有设于所述空腔内的各向同性的导热插件；
(b)使所述插件与热源形成导热接合；
(c)经所述插件从所述热源导热，导入所述各向异性的散热元件；以及
(d)经所述散热元件沿x和y方向导热。
因此，本发明的目的是提供一种包括各向异性的石墨平板元件的散热部件的改进设计。
本发明的另一目的是提供一种散热部件，该部件包括用于将热量从热源传导至各向同性的石墨平板元件的高导热率的芯。
本发明的另一目的是提供一种重量较轻的散热部件，比如由石墨制成，但在散热部件和热源的界面处具有较高的导热率。
本发明的另一目的是提供一种复合的散热部件，该部件使用各向异性的石墨材料，以横过所述部件的主表面区域导热，同时使用各向同性的高导热率的材料，比如铜，将热量从热源导入所述各向异性的材料内。
本发明的另一目的是提供一种用于散热部件的经济结构。
对本领域的技术人员来说，在结合附图阅读了下面的公开内容后，本发明的其他目的、特征和优点将更为明显。
附图说明
图1是具有石墨平板元件和圆柱形插件的散热片形式的散热部件透视示意图；
图2是沿图1的线2-2取的剖面图，其中示出了与热源，比如电子器件组装在一起的散热部件；
图3是类似图1的透视图，示出了具有多个插件的散热片；
图4是具有圆柱形插件的散热器形式的散热部件的透视图；
图5是沿图4的线5-5作出的剖面图；
图6是类似图4的具有方形插件的散热器视图；
图7是具有矩形或方形插件的大尺寸矩形散热器的透视图；
图8是具有圆柱形插件的针状翅片式散热器的透视图；以及
图9是具有方形插件的针状翅片式散热器的透视图。
具体实施方式
如所述的，本发明涉及由石墨平板元件构成的散热部件，所述石墨平板元件具有放置在所述石墨元件的空腔内的高导热率的芯或插件。
在描述所述散热部件的构造之前，按照顺序是石墨的简要描述及柔性片的形成，所述柔性片将成为形成本发明的产品的主基体。
柔性石墨片的制备
石墨是一种碳晶体的形式，其包括平面层内共价键连接的碳原子，所述平面层之间连接较弱。通过用例如硫酸和硝酸溶液的插入液处理石墨颗粒，比如天然石墨片，所述石墨的晶体结构反应而形成石墨和插入液的复合物。在下文中经过处理的石墨颗粒被称为“被插入的石墨颗粒”。当暴露在高温下时，石墨中的插入液分解并挥发，致使被插入的石墨颗粒在c方向上，即在垂直于所述石墨晶粒平面的方向上，以类似于手风琴的方式膨胀到原始体积的80倍或更高倍。所述分层的石墨颗粒在外观上为蠕虫形，因此通称为蠕虫。所述蠕虫可以压缩在一起形成柔性片，不象原始的石墨片，所述柔性片可以制成和切成多种形状，且通过使机械冲击变形而形成小的横向开口。
适用于本发明的石墨原材料包括高度石墨化的碳材料，该材料能够插入有机和无机酸以及卤素，然后在受热时膨胀。可取的是，这些高度石墨化的碳材料具有约1.0的石墨化程度。如在本文中所使用的，术语“石墨化的程度”指的是下述公式得到的值g：
g = 3.45 - d ( 002 ) 0.095
其中，d(002)是以埃为单位测量的晶体结构中碳的石墨层之间的间距，测量单位。石墨层之间的间距d是通过标准的X射线衍射技术测量的。测量对应于(002)，(004)和(006)米勒(Miller)指数的衍射峰的位置，并采用标准的最小二乘法提取出使所有这些峰值的总偏差最小的间距。高度石墨化的碳材料示例包括多种来源的天然石墨，以及其他碳材料，比如通过化学气相象沉积等制备的石墨等。天然石墨是最优选的。
用于本发明的石墨原材料可以包含非碳成分，只要原材料的晶体结构保持所需的石墨化程度，并且能够分层(exfoliation)。通常，任何含碳材料，只要其晶体结构具有所需的石墨化程度，且能够分层，就适用于本发明。可取的是，这种石墨有低于约20重量％的灰成份。更可取的是，用于本发明的石墨至少具有94％的纯度。在最佳实施例中，所采用的石墨至少具有98％的纯度。
一种制造石墨片的通用方法由Shane等人在美国专利3404061中描述，在此通过引用而包含其内容。在Shane等人的方法的典型实践中，将天然石墨片浸入含有例如硝酸和硫酸的混和物的溶液中，有利的是，按重量计，每100份石墨片约20至约300份插入溶液(pph)的水平。所述插入溶液含有氧化剂或其他本领域已知的插入剂。示例包括那些含有氧化剂和氧化混和物的，比如含有硝酸、氯酸钾、铬酸、高锰酸钾、铬酸钾、重铬酸钾、高氯酸等的溶液，或混和物，比如，浓缩的硝酸和氯酸盐、铬酸和磷酸，硫酸和硝酸，或强有机酸，例如三氟乙酸的混和物，以及可溶解在有机酸中的强氧化剂。作为选择，电位可用于使石墨氧化。可以使用电解氧化引入石墨晶体中的化学物质包括硫酸以及其他酸。
在一优选实施例中，所述插入剂是硫酸，或硫酸和磷酸，以及氧化剂，即硝酸、高氯酸、铬酸、高锰酸钾、过氧化氢、碘酸或高碘酸等的混和物溶液。虽然较少推荐，但插入溶液可包含金属卤酸盐，比如氯化铁，以及氯化铁混合硫酸，或卤化物，比如溴，作为溴和硫酸的溶液，或在有机溶剂中的溴。
插入溶液的量可以在约20至约150pph的范围内，更典型的是约50至约120pph。在薄片插入之后，任何多余的溶液从薄片排出，且所述薄片进行水洗。作为选择，插入溶液的量可以限于约10至约50pph之间，这可以取消清洗步骤，如美国专利US4895713所述和启示，在此通过引用包含其公开内容。
用插入溶液处理的石墨片颗粒可以例如通过混和而与还原性有机添加剂接触，所述添加剂是从酒精、糖、醛和酯中选择的，它们在25℃和125℃范围内的温度下与氧化性插入溶液形成的表面薄膜发生反应。适当的有机添加剂包括十六醇、十八醇、1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10癸二酰、癸醛、1 丙醇、1，3丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、蔗糖、马铃薯淀粉、乙二醇一硬脂酸、二苯甲酸二甘醇酯、丙二醇-硬脂酸、丙三醇一硬脂酸、二甲基羟酸盐、二乙基羟酸盐、甲基甲酸盐、乙基甲酸盐、抗坏血酸和木质素衍生化合物，比如木质硫酸钠。按石墨片颗粒的重量计，有机还原剂的量适于约0.5至4％。
在插入之前、之中或紧接之后施加的膨胀助剂的使用也可提供改进。这些改进可以降低分层温度，并提高膨胀体积(也称作“蠕动体积”)。有利的是，在本文中膨胀助剂是足以溶在插入溶液内的有机材料，从而实现在膨胀中的改进。更窄地说，可以采用这种含有碳、氢和氧的类型的有机材料，可取的是专有地含有碳、氢和氧。已经发现羧酸特别有效。用作膨胀助剂的适当羧酸可以从芳香族、脂肪族或环脂族、直链或支链、饱和和不饱和一元羧酸，二元羧酸和多元羧酸中选择，它们具有至少一个碳原子，可取的是高达约15个碳原子，所述羧酸可以以有效的量溶解在插入溶液中，所述量可以提供分层的一或多方面的可测量的改进。适当的有机溶剂可以用于改进插入溶液中有机膨胀助剂的可溶性。
饱和脂肪族羧酸的代表性示例是比如化学式为H(CH2)nCOOH的那些酸，其中n是从0至约5的数字，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、已酸等。代替羧酸，还可以采用无水的或活性的羧酸衍生物。代表性的烷基酯是甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其他已知的水性插入液具有将甲酸最终分解成水和二氧化碳的能力。为此，有利的是，在所述薄片浸入水性插入液之前，甲酸和其他敏感的膨胀助剂接触石墨片。代表性的羧酸是具有2-12个碳原子的脂肪族羧酸，尤其是草酸、富马酸、丙二酸、马来酸、琥珀酸、戊二酸、已二酸，1，5-戊二羧酸，1，6-辛二酸，1，10-癸烷二甲酸，环己烷-1，4-羧酸和芳香族羧酸，比如邻苯二甲酸或对苯二酸。代表性的烷基酯是草酸二甲酯和草酸二乙酯。代表性的环脂酸是环己烷羧酸，代表性的芳香族羧酸是苯甲酸、萘甲酸、邻氨基苯甲酸、p-氨基苯甲酸、水杨酸、o-，m-，p-甲苯酸、甲氧基和乙氧基苯甲酸、乙酰乙酸胺苯甲酸和，乙酸胺苯甲酸、苯乙酸以及萘甲酸。代表性的羟基芳香酸是羟基苯甲酸、3-羟基-1-萘甲酸，3-羟基-2-萘甲酸、4-羟基-2-萘甲酸、5-羟基-1-萘甲酸、5-羟基-2-萘甲酸、6-羟基-2-萘甲酸和7-羟基-2-萘甲酸。在多羧酸中重要的是柠檬酸。
插入溶液是水性的，可取的是含有含量为约1至10％的膨胀助剂，所述含量可以有效地增强分层。在石墨片浸入水性插入溶液之前或之后膨胀助剂接触石墨片的实施例中，膨胀助剂可以通过适当的装置与石墨混和，比如V-混和器，按石墨片的重量计，通常以约0.2％至约10％的量混和。
在插入石墨片之后，随后使涂覆被插入的石墨片的插入溶液和有机还原剂混和，所述混和暴露于25°至125℃范围内的温度下，以促进还原剂和插入涂层的反应。加热时间长达约20小时，对于上述范围内的更高温度，有更短的加热时间，例如至少约10分钟。在更高的温度下，可以采用一个半小时或更少的时间，例如约10至25分钟。
这样处理的石墨颗粒有时称作“被插入石墨颗粒”。一旦暴露于高温下，例如至少约160℃的温度，特别是约700℃至1000℃或更高的温度，被插入石墨颗粒以类似手风琴的形式沿c-方向膨胀，即沿垂直于构成石墨颗粒的结晶面的方向，达到其原体积的约80至1000倍。膨胀的，即分层的石墨颗粒外观为蠕虫状，所以通称为蠕虫。所述蠕虫可以压缩在一起形成柔性片，该柔性片不同于原石墨颗粒，可以制成和切成各种形状，并如下所述通过使机械冲击变形而形成小横向开口。
柔性石墨片和箔是相互密合的，具有良好的加工强度，且适于例如通过滚轧压缩至约0.075mm至3.75mm的厚度，通常为每立方厘米约0.1至1.5克的密度(g/cm3)。如美国专利US5902762(在此通过引用而包含)所述，按重量计约1.5-30％的陶瓷添加剂可以与被插入的石墨片混和，从而在最终的柔性石墨产品中提供增强的树脂浸渍。所述添加剂包括长度约0.15至1.5毫米的陶瓷纤维颗粒。颗粒的宽度适于约0.04至0.004mm。陶瓷纤维颗粒是不反应的，不粘附于石墨上，且在高达约1100℃的温度下稳定，可取的是约1400℃或更高。适当的陶瓷纤维颗粒由浸渍的石英玻璃纤维、碳和石墨纤维、氧化锆、氮化硼、碳化硅和氧化镁纤维、天然产生的矿物纤维，比如偏硅酸钙纤维、硅酸铝钙纤维、氧化铝纤维等形成。
层叠石墨材料的制备
可取的是，下述散热部件的平板石墨元件由浸渍石墨材料的层叠树脂构成，以Nor1ey等人2001年8月31日提交的，名为“LAMINATESPREPARED FROM IMPREGNATED FLEXIBLE GRAPHITE SHEETS”，转让给本发明的受让人的美国专利申请No.09/943131中公开的方式浸渍，在此通过引用而包含其细节。
根据Norley等人的工艺，如上所述制备的、且具有约4mm至7mm的厚度的柔性石墨片浸渍热固性树脂，比如环氧树脂、丙烯酸树脂或酚醛树脂系统。造当的环氧树脂包括双酚A(DGEBA)树脂系统形成的二环氧甘油醚；其他的多功能环氧树脂系统液适用于本发明。适当的酚醛树脂系统包括含有可溶酚醛树脂和清漆酚醛树脂的那些。然后，所述薄片压延成约0.35mm至0.5mm的厚度，此时，压延的、环氧树脂浸渍的柔性垫具有约1.4g/cm3至约1.9g/cm3的密度。
在环氧树脂浸渍的石墨片内树脂量应当是足以确保最终组装固化的层状结构致密、粘合的量，然而伴随致密化的石墨结构而来的各项异性的导热性没有受到不利影响。可取的是，按重量计，适当的树脂含量至少约3％，更可取的是约5％至约35％，这取决于最终产品中所需的特性。
在典型的树脂浸渍步骤中，柔性石墨片经过容器，且浸渍来自例如喷嘴的树脂系统，有利的是，所述树脂系统通过真空室被“拉过所述垫”。通常，但不是必须的，所述树脂系统是溶化物，以便有利于施加到柔性的石墨片中。此后，可取的是使树脂干燥，减少树脂和树脂浸渍片的缝隙。
在国际公报WO00/64808中示出了一种连续形成树脂浸渍并压延的柔性石墨片的设备，在此通过引用而包含其内容。
在压延步骤之后，浸渍片被切成适当尺寸的小片，叠在一起，放在压力机中，并在升高的温度下固化。所述温度应当足以确保层状结构在固化压力下致密化，改善所述结构的各向异性，以及作为散热装置时的热学性质。通常，这将需要约150℃至200℃的温度。用于固化的压力在某种程度上是使用温度的函数，但应当足以确保所述层状结构致密化，且没有不利地影响所述结构的热性质。通常，为便于制造，将使用使所述结构致密化到所需程度需要的最小压力。这种压力通常为每平方英寸1000至3000磅(psi)。固化时间可根据树脂系统和采用的温度和压力变化，但通常在0.5小时至2小时的范围内。在完成固化之后，可看到所述复合物具有约1.8g/cm3至2.0g/cm3的密度。
有利的是，在浸渍片中的树脂可以用作复合材料的粘结剂。作为选择，在所述柔性片叠放和固化之前，所述压延的、浸渍的柔性石墨片涂覆粘结剂。适当的粘结剂包括环氧-，丙烯酸-和酚醛-基树脂。发现在本发明中特别有用的酚醛树脂包括含有可溶酚醛树脂和清漆酚醛树脂的酚醛基树脂系统。
在预压叠层中可包括非石墨层。这种非石墨层可包括金属、塑料或其他非金属，比如玻璃纤维或陶瓷。在浸渍石墨片中的环氧聚合物在固化时足以将所述结构的非石墨层以及浸渍石墨层粘结定位。
下面的示例进一步示出和解释了适当层叠结构的构造，且决不是限制性的。除非另外指出，所有部件和百分比都是按重量计。
示例1
每单位面积的重量为70mg/cm2，约30cm乘30cm的尺寸的石墨片浸渍环氧树脂，而使生成的压延垫有12重量％的环氧树脂。采用的环氧树脂是双酚A(DGEBA)形成的二环氧甘油醚高温固化配方，且浸渍工序包括用丙酮树脂溶液饱和浸润，随后在约80℃下干燥。在浸渍之后，所述薄片从约7mm的厚度压延成约0.4mm的厚度，和1.63g/cm3的密度。然后，压延的、浸渍的薄片切成直径约50mm的圆盘，所述圆盘叠放成46层高。然后，将这一圆盘叠层放入TMP(技术机器产品(Technical Machine Products))压力机中，在2600psi，150℃下保持1小时进行固化。生成的叠层具有1.90g/cm3的密度，8000psi的挠曲强度，7.5Msi的杨氏模量(每平方英寸百万磅)和6微欧姆的平面电阻。平面内和全厚度的导热率数值分别为396W/m℃和6.9W/m℃。所述叠层呈现出优良的机加工性，具有连续的无孔表面和光洁度，且适用于电热管理装置。高度各向异性的导热率导致高度适用于将灵敏电子器件的热量输送至散热器的结构。此外，所述材料的密度，约1.94g/cm3，明显低于铝(2.7g/cm3)，更小于铜(8.96g/cm3)。因此，石墨叠层的特定导热率(即，导热系数与密度的比值)约为铝的3倍，铜的4至6倍。
适用于本发明的层叠石墨材料不限于上述那些特定的，例如可以包括由热解石墨片层形成的叠层，比如由Matsushita ElectricComponents Co.Ltd.Ceramic Division，1006 Kadoma，Osaka，Japan制造的那些，商品名为Panasonic“PGS”石墨片。
图1-9的实施例
现在参照附图，尤其是图1和2，其中示出了热管理系统，且由附图标记10表示。系统10为与电子器件14组装在一起的散热片形式，电子器件可以称为热源14。散热片14包括各向异性的石墨平板元件16，在平板元件16的平面内沿尺寸x和y具有较高的导热系数，沿垂直于由尺寸x和y限定的平面的方向z，穿过平板元件的厚度18具有较低的导热系数。
平板元件16具有在其中形成的圆柱形空腔20，可取的是穿过整个厚度18形成。然而，应当理解的是，空腔20可以仅部分延伸入厚度18。
散热片12包括容纳在空腔20内的芯或插件22。
可取的是，芯22由各向同性的材料构成，可取的是由金属比如铜或铝构成。然而，在某些实施例中，芯22可以由各向异性的材料构成，比如所述的石墨材料，其中所述芯这样构成，即各向异性材料的高导热系数的方向(通称为“a”轴)通常平行于图1和2所示的散热片的z轴。
可取的是，平板元件16由如上所述的层叠石墨材料构成，其中多个树脂浸渍的石墨片叠放，压缩在一起，形成刚硬的平面石墨元件16。用于散热片器件的元件16的典型尺寸沿x轴具有约6至12英寸的长度，沿y轴具有约6至12英寸的宽度，沿z轴具有约1/2英寸的厚度18。圆柱形空腔20的典型尺寸是1至1-1/2英寸的直径。
如图2所示，电子器件14具有也可称作导热面或传热面24的顶面24。芯22具有以普通方式有效接合电子器件14的表面24的受热面26，所述方式可包括使用薄的热界面25，或在两者之间的相变层或热油脂层。所述热界面25例如可以是柔性石墨材料形成的薄层。
虽然芯22和空腔20在图1和2中示为圆柱形的，但它们可以是任何形状，包括圆形、方形、矩形或其他形状。由于其易于加工，所述圆柱形形状是优选的。
可取的是，芯22的受热面26大于器件14的传热面24，而使受热面26有效地接触并覆盖电子器件14的整个顶面。否则，如果电子器件14的顶面24的一部分被石墨材料16所覆盖，那么石墨材料将不会沿z方向有效地传热，将导致器件14的温度上升。
这样，当电子器件14工作时产生必须耗散掉的热量，热量流过传热面24和受热面26，进入芯22，该芯沿方向z穿过平面石墨部件16的厚度18传导热量。热量传导过芯22和空腔20之间的界面，进入包围空腔20的平面石墨部件16，然后所述空腔沿散热器12的平面石墨元件16的x-y平面传导热量。然后，热能必须通过已知的技术耗散，比如将热量传递到传热流体等。
图3示出了具有多个标为22A和22B的插件的设备10的另一实施例。
下表I比较了图1和2中所示不同材料组合的设备性能。该数据通过数值模拟产生。
表I
  #     设计方案     Tmax(℃)     Rsa(℃/W)   导热系数和石墨取向(W/m℃)
  1     铜     39.62     0.44
  2     石墨     43.97     0.55
  3   具有铜插件的石墨   39.77     0.44
  4   具有石墨插件的石墨   40.07     0.45     X7     Y400     Z400
  5   具有石墨插件的石墨   40.05     0.45     X400     Y7     Z400
在表I的设计方案#1中，为比较而示出了全铜散热器。在设计方案#2中，为比较而示出了全石墨散热器，其中石墨的高导热“a”轴与散热部件的x和y轴对齐。选项#2是没有任何插件的石墨散热器。设计方案#3示出了利用具有铜插件的石墨平板元件的本发明。
设计方案#4和#5示出了具有石墨插件的石墨平板元件，它们具有沿垂直于散热器平面的方向确定的石墨高传导方向。设计方案#4和#5几乎与没有增加铜插件重量的设计方案#3的铜插件一样执行。
在表I的数据中，单位表示如下。Tmax是用于条件模拟的电子器件上的最高温度；较低温度是散热部件更好性能的指示。Rsd表示散热部件的热阻，且较低的数字是散热部件更好性能的指示。石墨材料导热系数的数字表示x、y和z每一方向的传导率，从而指示各向异性石墨的取向；较高的数字对应较高导热率的方向。
现在参照图4至9，在散热器而不是散热片的上下文中示出了本发明的各种实施例。
在图4中，示出了具有圆柱形插件32的翅片式散热器30的透视图。图5示出了沿图4的线5-5作出的翅片式散热器的剖面图，该散热器具有平板石墨基板34，该基板具有多个石墨翅片。基板34的各向异性具有与x和y轴对齐的高导热率方向。可取的是，翅片36是具有包括z方向的高导热方向的分离元件。翅片36容纳在基板34上加工的槽35内，且通过环氧树脂或其他适当的接合材料定位。基板34具有沿z方向部分穿过延伸的空腔38。芯32容纳在空腔34内。
下表II示出了图4和5的利用不同材料的设计方案的性能数据。该数据通过数值模拟产生。设计方案#1是指没有任何插件的纯铜散热器。设计方案#2是没有任何插件的纯铝散热器。设计方案#3是没有任何插件的纯石墨散热器。设计方案#3的石墨取向使基板的高导热率方向与翅片的平面平行。设计方案#4是本发明的代表，其中散热器由具有铜插件32的石墨构成，如图5所示。在设计方案#4中基板的石墨取向在x和y方向上具有高导热率。如表II所示，利用具有铜插件的石墨散热器的本发明的性能几乎与纯铜散热器一样好，且远优于纯铝或纯石墨的散热器。
表II
# 设计方案 Tmax(℃) Rsa(℃/W) 导热系数和石墨取向(W/m℃)
  1     铜   71.7     0.61             391
  2     铝   82.1     0.79             209
  3     纯石墨   91.5     0.94     X400     Y7     Z400
  4     具有铜插件的石墨   73.7     0.65     X400     Y400     Z7
现在参照图6，其中示出了类似于图4的实施例，且由标记40示出。散热器40的区别在于它具有容纳在基板46上的矩形空腔44中的矩形插件。
图7示出了由标记50示出的散热器的另一实施例。图7中的散热器是用于大尺寸电子芯片的。散热器50具有有翅片54的基板52。方形插件56容纳在穿过基板52限定的方形空腔58中。
在下表III中示出的数据比较了根据图7构成的散热器和具有铜基板的现有铝散热器(设计方案#1)的性能。设计方案#1目前正由Radian公司，Walsh Avenue，Santa Clara，California 95050销售；它是一种具有部分中空且填充有铜插塞的基板的铝散热器。设计方案#2是本发明的，具有石墨散热器50，该散热器具有石墨基板52和石墨翅片54以及铜插件56。如表III所示，具有本发明的铜插件的石墨散热器的性能远优于设计方案#1的铝和铜散热器的性能。
表III
  #   设计方案     Tmax(℃)   Rsa(℃/W)     重量(kg)
  1   铝(具有铜基板)     64.27   0.33(功率＝90W)     3.292
  2   石墨(具有铜插件)     55.21   0.22(功率＝90W)     1.647
最后，图8和9示出了称为“针状翅片”式散热器的另一种类型的散热器透视图。图8示出了具有基板62和多个针状翅片64的针状翅片式散热器60。基板62上的圆柱形空腔66装有圆柱形插件68。
图9示出了除利用方形或矩形插件72之外类似的针状翅片式散热器70。
下表IV的数据示出了形状类似于图8的针状翅片式散热器的性能，设计方案#1和#2是普通的现有铝或铜散热器，设计方案#3示出了利用本发明的具有铜插件68的石墨散热器的性能。
表IV
    #     设计方案     Tmax(℃)     Rsa(℃/W)
    1     铝     82.13     1.89
    2     铜     77.08     1.683
    3     石墨(铜插件)     78.79     1.751
构造方法
所述插件可以几种不同的方式放在散热部件的空腔内。
一种优选的方法是将所述插件加工为比石墨上加工的空腔稍大的直径或尺寸。然后，冷却插件，使它收缩到小于所述空腔的直径或尺寸，将插件放入空腔内。一旦将所述插件加热到室温，所述插件将膨胀，而紧密地配合在空腔内，且没有任何粘结剂或接合剂。如果需要，可以在插入所述插件之前，在所述插件上或所述空腔内侧涂敷一薄层热油脂或相变材料或其他润滑剂。
因此，已经提供了一种热量管理系统，其中散热元件提供了与铜相当的导热率，但仅有铜的重量的1/5。这有利于更轻的电子器件，减轻了对用于固定较重的铜部件的特殊机械固定及设计方案的需要。散热部件质量的减轻减小了由于振动造成的电子元件的加速应力，且可以耗散比普通的铝或铜散热器更高的功率。而且，提供了设计柔性，与现有设计相比，可以利用更小的散热器获得所需的冷却。
因此，可以看出，本发明的设备和方法易于实现所述的，以及那些固有的目的和优点。虽然为了公开的目的，已经示出和描述了本发明的特定优选实施例，但对于本领域的技术人员来说，可以对部件和步骤的配置和结构作出多种变化，所述变化包含在由所附权利要求限定的本发明的范围和主旨内。

Claims (11)

1.一种热量管理系统，它包括：
各向异性的石墨平板元件，其在该平板元件的平面内具有较高的导热率，且穿过平板元件的厚度在垂直于所述平板元件的平面的方向上具有较低的导热率，所述平板元件具有在其中形成的空腔；
紧密地容纳在所述空腔内的芯，所述芯由各向同性的芯材料构成，从而使来自热源的热量可以经所述芯导入所述平板元件的厚度内，然后穿过所述平板元件的平面导出。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述平板元件通过所述平板元件和所述芯中的至少一个的热膨胀和收缩而与所述芯皱缩配合。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，其还包括：
在所述芯和所述平板元件的空腔之间的润滑剂层，从而所述润滑剂层在所述芯和所述平板元件之间形成热界面。
4.如权利要求1，2或3所述的系统，其特征在于：
所述平板元件包括多个层叠在一起的各向异性的石墨片，所述石墨片平行于所述平板元件的平面定向。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述石墨片是树脂浸渍的。
6.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述芯完全延伸穿过层叠的石墨片。
7.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述芯材料是金属。
8.如前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述芯是圆柱形的芯，其具有垂直于所述平板元件的平面定向的圆柱轴线。
9.一种热量管理系统，它包括：
具有传热面的热源；
各向异性的石墨平板元件，所述平板元件具有限定平板元件的大致平面范围的x和y尺寸，以及限定所述平板元件的厚度的z尺寸，所述平板元件在x和y方向上具有较高的导热率，而在z方向上具有较低的导热率，所述平板元件具有在其中形成的、至少部分穿过所述平板元件的厚度延伸的空腔；
容纳在所述空腔内与所述平板元件导热接合的插件，所述插件具有与热源的传热面有效接合的受热面，从而使来自热源的热量流过传热面和受热面，沿z方向进入插件中，然后沿x和y方向穿过所述平板元件流出。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述插件由各向同性材料构成。
11.一种耗散热源的热量的方法，它包括：
(a)提供各向异性的散热元件，该散热元件在x和y方向上具有较高的导热率，而在垂直于所述x和y方向的z方向上具有较低的导热率，所述散热元件具有沿z方向从中通过形成的空腔，且具有设于所述空腔内的各向同性的导热插件；
(b)使所述插件与热源形成导热关系；
(c)经所述插件从所述热源导热，进入所述各向异性散热元件；以及
(d)经所述散热元件沿x和y方向导热。
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