CN1622745A - 电子器件用的热处理装置 - Google Patents

Abstract

电子器件用热处理装置，其位于一个热源和电子器件的外表面和/或电子器件的另一个元件之间。热处理装置有利于驱散来自热源的热，同时保护外表面和/或第二元件不受热源产生的热的影响。

Description

电子器件用的热处理装置

我们，马丁·大卫·斯马尔克，美国公民，居住在俄亥俄州帕尔马市维斯达大街5608号，加里·D·什维斯，美国公民，居住在俄亥俄州不伦瑞克俄市埃尔蒙大街2900号，和罗伯物·安德森·雷诺斯三世，美国公民，居住在俄亥俄州海湾村奥克摩尔路499号，发明了一个新型的有用的发明，题目是“THERMAL SOLUTION FOR ELECTRIONIC DEVICES”。

技术领域

本发明涉及一热处理装置(thermal solution)，其能管理来自于如电子器件的元件等热源的热，从而驱散由热源产生的热，同时调解热对该器件和其它器件元件的使用者产生的影响。

背景技术

随着越来越复杂的电子器件的发展，包括那些能够提高处理速度和更高的频率，具有更小体积和电源要求更复杂并表现出其它技术先进性的器件，如电子和电器元件中的微处理器和集成电路，高容量和响应记忆元件，如硬盘驱动器，电磁源，如数字投影仪以及诸如其它高功率光学器件等器件中的灯泡，可能会产生相对极端的温度。但是，微处理器、集成电路和其它复杂的电子元件通常只在一定范围内的临界温度中才能有效地进行操作。这些元件在操作过程中产生的过多的热不仅能损害它们的性能，还能降低整个系统的性能和可靠性，甚至还会导致系统失效。电子系统进行操作的环境条件范围，包括温度极限的不断扩大，加剧了过热的负面影响。

随着微电子系统中时散热的需求不断增加，热管理在电子产品的设计中已变成一个日益重要的元素。电子设备的性能稳定性和使用寿命均与设备的元件温度成反比。比如，降低器件，如典型的硅半导体的操作温度，能够相应地提高器件的处理速度、可靠性和使用寿命。因此，为最大限度地提高元件的使用寿命和可靠性，把器件的操作温度控制在设计师设定的限度内是极为重要的。

再有，对体积更小和更紧凑的电子产品，如笔记本电脑、移动电话、数字照相机和投影仪等不断增长的需求，意味着热源将接近器件的外表面和其它元件。这样，器件的外表面可能变热，对于使用者来说可能是不舒适或甚至是危险的。而且，器件中一个元件产生的热可能对临近的元件产生负面影响。尽管一个潜在的解决方法是隔绝热源，但这并不是一个令人满意的解决方法，因为这样做会使热源产生的热集中在热源上，从而对热源产生潜在的损害。

例如，在一些笔记本电脑中，能够产生大量热的硬盘驱动器被安装在电脑中的一个所谓的“掌托”(palmrest)的下面。“掌托”是位于键盘和使用者之间的一块区域，使用者在打字时通常将手掌放在这个地方。在更薄的笔记本电脑中，硬盘驱动器产生的热能够通过笔记本电脑的机箱传送到使用者的手掌上，从而产生不适，甚至疼痛。实际上，一些笔记本电脑的掌托温度经测量曾经超过40℃。同样地，产生热的元件能够导致笔记本电脑的底部变热，导致使用者在将笔记本电脑放在大腿上使用时会感到不适或疼痛。这已经成为笔记本电脑和其它便携式设备制造商面对的一个重大问题，而为了获得更高的便携性，使这些器件体积变得更小的努力一直却没有中断。

一类重量相对较轻并适用于驱散如电子元件等热源产生的热的材料是通常众所周知的石墨，特别是以下所描述的石墨，如基于天然石墨和弹性石墨的石墨。这些材料是各向异性的并使散热器件可以被设计成为向选定方向优先传递热。石墨材料重量更轻，因此与铜和铝相比具有更多的优势。

石墨由六边形排列或网状结构的碳原子的层面(layerplanes)构成。这些以六边形排列的碳原子的层面基本上平的，排列的方向和顺序使它们基本上相互之间是平行和等距的。碳原子组成的基本上是平的和平行等距的薄片或层通常被称为graphene层或基面，它们联接或粘接在一起，这些graphene层或基面组成的组又排列成微晶。高度规则的石墨由相当大的微晶组成：微晶相互间紧密排列成一条直线或定向并且拥有排序良好的碳层。换言之，排列高度规则的石墨拥有高的优选的微晶定向度。应该注意的是石墨拥有各向异性的结构并因此显示出或拥有许多高度方向性的性质，如热和电传导性和液体扩散性。

简言之，石墨可以被表征为碳的层压结构，即，由通过微弱的范得瓦力结合在一起的碳原子形成的悬浮层或层压层构成的结构。在考虑石墨的结构时，通常要注意到两个轴或方向，即“c”轴或方向和“a”轴或方向。为简单起见，“c”轴或方向可以被认为是与碳层垂直的方向。“a”轴或方向可以被认为是与碳层平行的方向或与“c”方向垂直的方向。适于制造弹性石墨片的石墨拥有非常高的定向度。

如前所述，使平行碳原子层结合在一起的键合力只是微弱的范得瓦力。天然石墨可以被处理从而使重叠的碳层或薄层可以略微展开，以便在垂直于该层的一个方向即“c”方向上提供显著的膨胀，并因此形成一个膨胀的或扩大的石墨结构，在该结构中基本上保留碳层的薄片状特点。

极大膨胀的石墨薄片，特别是膨胀后拥有的最终厚度或“c”方向尺度(dimension)为原“c”方向尺度大约80倍或更多时，可以不使用粘接剂而形成粘的或完整的膨胀石墨片材，如网、纸、带子、磁带、箔纸、垫子等等(一般称为“弹性石墨”)。通过压缩并且不使用任何粘接材料将膨胀至拥有最终厚度或“c”方向尺度为原“c”方向尺度大约80倍或更高的石墨颗粒形成完整的弹性薄片被认为是可能的，因为大量膨胀的石墨颗粒之间存在机械咬合力或粘结力。

除了弹性以外，如上所述，就热和电传导性和液体扩散性而言，已经发现与天然石墨原料相比，片材具有高的各向异性度，这是因为非常高的压缩，如卷压，使得膨胀的石墨颗粒和石墨层的方向基本上与相对的片的表面平行。因此，制成的片材就具有出众的弹性，优良的强度和非常高的定向度。

简言之，生产具有弹性的、无粘合剂的、各向异性的石墨片材的方法，如生产网、纸、带子、磁带、箔纸、垫子等等的方法，包括在预先设定的负荷和没有粘合剂的情况下压缩或致密膨胀的石墨颗粒，该石墨颗粒的“c”方向尺度为初始颗粒的“c”方向尺度的大约80倍或更高，从而形成基本上平的，具有弹性的和完整的石墨片材。通常像小虫或蠕虫状的膨胀石墨颗粒一经压缩，就会与相对的片材的主表面保持压缩位置并对齐。片材的密度和厚度可通过控制压缩度来改变。片材的密度可以在大约0.04g/cm³至大约2.0g/cm³的范围之间。由于石墨颗粒与片材的主要相对平行表面平行排列，随着卷压片材以提高定向度，各向异性度也得到提高，所以弹性石墨片材表现出明显的各向异性。在卷压的各向异性片材中，片材的厚度，即与相对的平行片层垂直的方向包含“c”方向而沿长度和宽度的方向，即沿着或平行于相对的主要表面包含“a”方向的方向，并且热、电液体扩散特性在“c”方向和“a”方向上非常不同，相差几个数量级。

虽然层离石墨(exfoliated)(即弹性石墨)压缩颗粒的片材被建议用作散热器、热界面和驱散由热源产生的热的热阱的零件(比如，见美国专利6,245,400，6,482,520，6,503626和6,538,892)，但是，“触觉温度问题”，即电子器件外表面变热到对使用者来说是不舒服或危险的，以及临近元件变热的问题尚未完全得到解决。

因此，改善便携式或小型化器件的电子元件的热处理装置的需求仍然存在。在这些器件中，元件所发的出热不仅要被隔离，从而不会对临近的元件产生不良影响，或导致该器件的使用者产生不适或发生危险，还要被驱散。

发明内容

本发明提供一种热处理装置，该装置能够驱散来自于电子元件的热，同时还能够保护使用者或临近的元件不受该元件产生的热的影响。本发明的热处理装置包含一个层离石墨(本文中也被称为“弹性石墨”)的压缩颗粒的各向异性的片材。在本文中，术语“弹性石墨”还指热解石墨的单层的或层压的片材。被用于本发明中的热处理装置的弹性石墨片材的平面内的热导率基本上高于贯穿平面方向上(through-plane)的热导率。换言之，本发明的热处理装置有相对高(10或大于10)的热各向异性比。热各向异性比是平面内热导率与贯穿平面方向上的热导率之比。

热处理装置包含两个主表面，其中一个主表面与诸如硬盘或数字投影仪中放置的光源的盒子等热源的一个表面有效接触。热处理装置的面积大于接触热源的热处理装置的面积，这样热处理装置的平面内热导就可以驱散来自热源的热。最有利的是，热处理装置的一个主要表面(不一定是与热源接触的同一主要表面)还与诸如热阱之类的散热器件有效接触，这样由于该表面的平面内热导率相对较高，由热源产生的热就可以在热处理装置中传递并被传递到热阱中从而被驱散。

由于贯穿厚度方向上(through-thickness)的热导率相对低(或换言之，热导各向异性比高)，由热源产生的热无法很容易地在热处理装置中传递。因此，当热处理装置位于热源和热源所处的器件的一个外表面之间，或位于热源和热源所处的器件中的另一个元件之间时，热处理装置就减少或消除从热源到外表面或另一个元件的热流。本发明的热处理装置的保形特性(conformable nature)可使该装置在即使空间非常有限的地方也能使用。

另外，使用弹性石墨材料作为本发明的热处理装置的另外一个好处在于石墨材料有阻断电磁和无线电频率(EMI/RF)的能力。据信，除了其主要目的，即散热/保护功能以外，本发明的热处理装置还能够保护其所处的器件中的元件不受EMI/RF干扰。

在本发明的另一个实施方案中，热处理装置可以有一个层压或涂覆于其上的铝层或其它各向异性的导体，如铜，它们介于热处理装置和热源表面之间以提高热处理装置的可操作性和机械坚韧性，并调节热处理装置的热传递和EMI/RF保护特性。同样地，热界面材料(thermal interfacematerial)，如国际专利申请No.PCT/US02/40238RN所记载的和/或俄亥俄州雷克伍德市的高级能源技术公司的Graf H-Therm^TM生产线生产的市售的热脂或基于石墨的热界面，可以被置于热处理装置和热源之间以利于热源和本发明的热处理装置之间的热传递。

另外，为了提高热处理装置的机械坚韧性和可操作性以及潜在地进一步阻断或隔绝热从热源传送到器件的外表面或器件中其它的元件，一层相对不导热的材料，如塑料，像Myar^材料或其它树脂或类似材料，可以被覆盖在该热处理装置上。

在热处理装置的一个或两个主要表面上使用铝、塑料层等可以获得一个额外的优势。虽然并不是非常有根据，但是一直存在对于在电子器件中使用石墨元件可能导致由于石墨颗粒从石墨元件上脱落而产生问题的担心。铝和塑料等还可以用于或配合将石墨热处理装置包起来，从而消除石墨脱落所产生的任何实际可能性。

因此，本发明的一个目的就是提供一个改进的热处理装置，其能够驱散由电子器件的元件产生的热，同时保护临近的结构不受热的影响。

本发明的另一个目的是提供一个热处理装置，其有足够高的热各向异性比从而能够在有效地散热，同时还能避免热传递到临近的结构。

本发明的又一个目的是提供一个具有保形性(conformable)的热处理装置，其能在空间有限的环境内提供散热和热阻断。

在阅读以下的说明后，这些以及其它目的对于技术人员来说便成为显而易见的，它们能够通过提供一个用于电子器件(如笔记本电脑)的散热和保护系统来实现。该系统包括一个拥有第一元件(如硬盘驱动器)的电子器件，该第一元件包含一个热源，其向电子元件的外表面(如笔记本电脑的机箱)和/或器件的第二元件(如笔记本电脑的芯片组)传热；一个拥有两个主要表面的热处理装置，其位置使它的一个主要表面与第一元件有效接触从而介于第一元件和电子元件的外表面和/或第二元件之间，其中第一元件向电于元件传递热，热处理装置包含至少一个弹性石墨片材。热处理装置的平面内热导率优选为至少大约140W/m°K，更优选地至少大约200W/m°K，贯穿平面方向上的热导率优选不大于大约12W/m°K，更优选地不大于大约10W/m°K。

最好，本发明的系统还包括一个散热器件，如热阱、散热管、散热板、或它们的组合。该散热器件位于不直接临近第一元件的位置，并且其中热处理装置的一个主要表面与散热器件有效接触。

在本发明的另一个实施方案中，热处理装置上可以有一个保护涂层，如塑料。最优选的是，该保护涂层的热导率小于所述至少一个弹性石墨片材的贯穿平面方向上的热导率。热传递材料，如金属或热界面，也可以安装在位于热处理装置和第一元件之间的位置。

需要理解的是，以上的概括叙述和以下对本发明的实施方案的详述意在提供一个对本发明所请求保护的特性和特征总的或框架性的理解。附图用来提供对本发明更进一步地理解，并被加入到本说明书中成为说明书的一部分。附图显示了本发明的不同实施方案，与文字说明一起解释本发明的原理和操作。

附图说明

图1是被用来连接热源和热阱的本发明热处理装置的第一个实施方案的透视图。

图2a是一台上顶板被拆除的笔记本电脑的透视图。

图2b是位于图2a所示笔记本电脑中的图1所示的热处理装置的透视图。

图3是覆盖有塑料和铝的本发明的热处理装置的第二个实施方案的截面图。

具体实施方式

如前所述，本发明的热处理装置由层离石墨的压缩颗粒的薄片形成，层离石墨即通常所说的弹性石墨。石墨是结晶形式的碳，其包含在平层平面(flat layered planes)上共价键合的原于，而平面间为更弱的键。用诸如硫酸和硝酸溶液的插层剂(intercalant)处理石墨颗粒，如天然石墨薄片，使石墨的结晶结构发生反应从而形成石墨和插层剂的混合物。在下文中，经处理的石墨颗粒被称为“夹层石墨的颗粒”。在高温下暴露后，石墨中的插层剂分解并挥发，致使夹层石墨的颗粒沿“c”方向，即与石墨的结晶平面垂直的方向，以手风琴状的形式膨胀至原体积的大约80倍。层离的石墨颗粒的外形象虫子一样，并因此通常被称为蠕虫。蠕虫可以一起被压缩成弹性片材。与原来的石墨薄片不同的是，该片材能够被成形和切割成不同的形状。

适于在本发明中使用的石墨原料包括能够插入有机和无机酸以及卤素并且当暴露于热时可以膨胀的高度石墨化含碳原料。这些高度石墨化含碳原料最优选具有大约1.0的石墨化度。在本说明书的公开中，术语“石墨化度”指按以下公式计算得出的g值：

$g=\frac{3.45-d\left(002\right)}{0.095}$

其中d(002)是以埃为单位计算的结晶结构中的碳的石墨化层之间的间距。石墨层之间的间距d是以标准的X光衍射技术测量的。测量对应于(002)，(004)和(006)米勒指数的衍射峰值的位置，并且对器件间距使用标准最小二乘法以将所有峰值的总误差最小化。高度石墨化含碳原料的例子包括不同来源的天然石墨以及其它含碳材料，如通过化学蒸气沉淀法，高温分解聚合物，或由熔融金属溶液结晶等等制备的石墨。天然石墨是最优选的。

本发明中所使用的石墨原料可以含有非石墨成分，只要该石墨原料的结晶结构保持所需的石墨化度并且可以发生层离。一般地，任何结晶结构具有所需的石墨化度并且可以发生层离的含有碳的材料都适合于在本发明中使用。这样的石墨的纯度优选地为大约至少8％。更优选地，本发明中使用的石墨的纯度为大约至少94％。在一个最优选的实施方案中，使用的石墨的纯度将达到至少大约98％。

在Shane等人的美国专利3,404,061中描述了一个常用的生产石墨片材的方法，在此引入该专利所公开的内容作为参考。在一个典型的Shane等人描述的方法的实践中，通过将天然石墨薄片分散于含有诸如硝酸和硫酸的混合物的溶液中，使天然石墨薄片产生夹层，最好在每100重量份石墨薄片(pph)中添加大约20至大约300重量份的插层剂溶液。插层剂溶液包含本技术领域已知的氧化剂和其它插层剂。其例子包括那些包含氧化剂和氧化混合物的溶液，如含有硝酸、氯酸钾、铬酸、高锰酸钾、铬酸钾、重铬酸钾、高氯酸等等的溶液，或混合物，如浓硝酸和氯酸盐，铬酸和磷酸、硫酸和硝酸，或一强有机酸如三氟乙酸和可溶于该有机酸的强氧化剂的混合物。可供选择地，可以使用电位使石墨氧化。可以通过使用电解氧化被引入石墨结晶的化学物质包括硫酸和其它的酸。

在一个优选的实施方案中，插层剂是硫酸或硫酸和磷酸与氧化剂的混合物的溶液，氧化剂是硝酸、高氯酸、铬酸、高锰酸钾、过氧化氢、碘酸或高碘酸等等。虽然不太优选，但插层剂溶液可以含有金属卤化物，如氯化铁，和与硫酸混合的氯化铁，或卤化物，如溴，作为溴和硫酸或溴在有机溶剂中的溶液。

插层剂溶液的量可以为大约20至大约350pph，更典型的为大约40至大约160pph。在薄片产生夹层后，所有过量的溶液都将被排出薄片，然后用水洗涤该薄片。可供选择地，插层剂溶液的量可以被限定在大约10至大约40pph之间，该量可以允许如美国专利4,895,713教导和描述的那样省去洗涤步骤。本文中也引用该专利所公开的内容作为参考。

用插层剂溶液处理的石墨薄片颗粒可以通过如共混任选地与以下物质接触：还原马铃薯淀粉、乙二醇一硬酸酯、二乙二醇二苯甲酸酯、丙二醇一硬酸酯、甘油一硬酸酯、二甲基oxylate、二乙基oxylate、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗坏血酸、和木质素衍生的化合物，如木素磺酸钠。合适的有机还原剂的量为占石墨薄片的颗粒重量的大约0.5至4％。

在插入前、期间或之后立即使用膨胀助剂也可以带来改善，其中包括降低了的层离反应温度和提高了的膨胀体积(也称为“蠕虫体积”)。本文中提到的具有优势的膨胀助剂是有机材料，其能充分溶解在插层剂溶液中并取得在膨胀性方面改善。更具体地，可以使用优选仅仅包含碳、氢和氧的此类有机材料。羧酸被发现是特别有效的。适合作为膨胀助剂的羧酸可以选自芳族、脂族、或脂环族、直链或支链、饱和和不饱和一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸，它们具有至少1个碳原子，优选最多大约15个碳原子，并可以有效量溶解于插层剂溶液中以在有关层离的一个或更多方面提供可测定的改善。合适的有机溶剂可以用来改善有机膨胀助剂在插层剂溶液中的溶解度。

具有代表性的饱和脂族羧酸的例子是诸如具有式H(CH₂)_nCOOH的酸，其中n是0至大约5的数字。这些酸包括蚁酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸等等。酸酐或活性羧酸衍生物，如烷基酯，也可以用来代替羧酸。具有代表性的烷基酯是甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已知的含水插层剂具有将甲酸完全分解为水和二氧化碳的能力。因此，甲酸和其它敏感性膨胀助剂最好在石墨薄片浸渍在含水插层剂之前与石墨薄片接触。具有代表性的二元羧酸是具有2至12个碳原子的脂族二元羧酸，特别是草酸、富马酸、丙二酸、马来酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊二酸、1，6-己烷二羧酸、1，10-癸烷二羧酸、环己烷-1，4-二羧酸和芳族二元羧酸，如邻苯二甲酸或对苯二甲酸。具有代表性的烷基酯是二甲基oxylate和二乙基oxylate。具有代表性的环脂族酸是环己烷羧酸。具有代表性的芳族羧酸是苯甲酸、萘酸、邻氨基苯甲酸、对氨基苯甲酸、水杨酸、o-，m-和p-甲苯酸、甲氧基和乙氧基苯甲酸、乙酰乙酰氨基苯甲酸、乙酰氨基苯甲酸、苯乙酸和萘酸。具有代表性的羟基芳族酸是羟基苯甲酸、3-羟基-1-萘酸、3-羟基-2-萘酸、4-羟基-2-萘酸、5-羟基-1-萘酸、5-羟基-2-萘酸、6-羟基-2-萘酸和7-羟基-2-萘酸。在多元羧酸中最主要的是柠檬酸。

插层剂溶液是水性的并且优选地含有大约1-10％的量的膨胀助剂，该量可以有效地增强层离反应。在一个实施方案中，膨胀助剂在石墨薄片浸渍在水性的含插层剂的溶液之前或之后与石墨薄片接触，膨胀助剂可以通过合适的装置，如V型混合器，与石墨混合，典型地，该膨胀助剂的量占石墨薄片重量的大约0.2％至大约10％。

在插入石墨薄片并随之将涂覆了插层剂的夹层石墨薄片与有机还原剂共混后，将共混物暴露于25℃至125℃的温度中以促进还原剂和插层剂涂层之间的反应。加热时间最长可达大约20小时。短一些的加热时间，如至少大约10分钟，则需要上述范围中更高的温度。半小时或更短的时间，如10至25分钟，可以在更高的温度下应用。

如此处理的石墨颗粒有时也被称为“夹层石墨颗粒”。在暴露于高温后，如至少大约160℃的温度，特别是大约700℃至1000℃和更高的温度，夹层石墨的颗粒在c方向，即垂直于组成石墨颗粒的结晶平面的方向，以手风琴状的方式膨胀至原体积的大约80至1000倍或更高的倍数。膨胀的，即层离的，石墨颗粒的形状像个虫子，并因此通常被称为蠕虫。蠕虫可以被一起压缩成弹性薄片。与原来的石墨薄片不同的是，这些弹性薄片可以被成形和切割成各种形状。

弹性石墨片材和箔粘结在一起，其具有优良的操作强度并且适合用如卷压等方法压缩成具有大约0.075mm至3.75mm的厚度和大约每立方厘米0.1至1.5克(g/cm³)的典型密度。如美国专利5,902,762(在此引用该专利公开的内容作为参考)所述，大约1.5至30重量％的陶瓷添加物可以与夹层石墨薄片共混以在最终获得的弹性石墨产品中提供改善的树脂浸渍性。添加剂包括长度大约为0.15至1.5毫米的陶瓷纤维颗粒。合适的颗粒宽度为大约0.04至0.004mm。陶瓷纤维颗粒不与石墨发生反应和粘着，并且在高至1100℃，优选大约1400℃或更高的温度下是稳定的。合适的陶瓷纤维颗粒由以下物质构成，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、天然形成的矿物纤维，如偏硅酸钙纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维等等。

如在国际专利申请PCT/US02/39749中所述，上述插入和层离石墨薄片的方法可以通过在石墨化的温度下，如在温度大约3000℃以上时预处理石墨薄片以及通过在插层剂中加入润滑添加剂而得到有益的加强。

当薄片随后被插入和层离时，石墨薄片的预处理或退火可以导致急剧增加的膨胀(如体积可膨胀300％或更多)。当然，理想地是，与没有退火步骤的类似方法相比，体积至少增加大约50％。退火步骤中使用的温度不应该显著地低于3000℃，因为即使温度下降100℃也会导致大大减小的膨胀。

本发明的退火时间足够使薄片在插入反应和随后的层离反应后具有提高的膨胀度。一般地，所需的时间为1小时或更长，优选地为1至3小时，最具有优势地在惰性环境内进行。为了获得最大的有益结果，退火的石墨薄片还将经过本领域公知的其它工艺以提高膨胀度，即在有机还原剂、插层反应助剂如有机酸的存在下的插层反应以及插层反应后的表面活性剂的洗涤步骤。而且，为了获得最大的有益结果，插层反应步骤可以重复进行。

本发明的退火步骤可以在感应炉或其它石墨化领域已知的和承认的设备中进行。此处所用的温度，即3000℃的范围，是石墨化工艺中遇到的最高的温度范围。

由于使用经过预插层反应退火的石墨生产的蠕虫被观察到有时可凝集在一起，这将对面积重量的均匀性产生负面影响，所以非常需要能够帮助形成“自由流动”的蠕虫的添加剂。在插层反应溶液中添加润滑添加剂有助于在压缩设备床(如传统上用来压缩(或“轧压”)石墨蠕虫以形成弹性石墨片材的轧压机)上更均匀地分布蠕虫。所得的片材因此具有更高的面积重量均匀性和拉伸强度。润滑添加剂优选地是长链碳氢化合物，更优选的含有至少大约10个碳的碳氢化合物。其它含有长链烃基的有机化合物，即使有其它官能团，也可以使用。

更优选地，润滑添加剂是一种油，最优选的是矿物油，特别是，考虑到矿物油不易产生恶臭和气味，这对于长期贮存是重要的。需要注意的是一些上述具体提及的膨胀助剂也满足润滑剂的定义。当这些材料被用作膨胀助剂时，在插层剂中就不需要再包括一个单独的润滑添加剂了。

润滑添加剂在插层剂中的存在量为至少大约1.4pph，更优选的为至少大约1.8pph。虽然润滑添加剂的加入量的上限不像下限那么重要，但是加入大于4pph的润滑添加剂似乎不会带来任何显著的额外优势。

如此处理后的石墨颗粒有时被称为“夹层石墨颗粒”。暴露于高温后，如至少大约160℃的温度，特别是大约700℃至1000℃和更高的温度，夹层石墨的颗粒在c方向，即垂直于组成石墨颗粒的结晶平面的方向，以手风琴状的方式膨胀至原体积的大约80至1000倍或更高的倍数。膨胀的，即层离的，石墨颗粒的形状像个虫子，并因此通常被称为蠕虫。蠕虫可以被一起压缩成弹性片材。与原来的石墨薄片不同的是，这些弹性片材可以被成形和切割成各种形状并通过下文所述的使机械抗击变形而获得小的横向开口。

弹性石墨片材和箔粘结在一起，其具有优良的操作强度并且适合用如卷压等方法压缩成具有大约0.075mm至3.75mm的厚度和大约每立方厘米0.1至1.5克(g/cm³)的典型密度。如美国专利5,902,762(在此引入该专利公开的内容作为参考)所述，大约1.5至30重量％的陶瓷添加物可以与夹层石墨薄片共混以在最终获得的弹性石墨产品中提供改善的树脂浸渍性。添加剂包括长度大约为0.15至1.5毫米的陶瓷纤维颗粒。合适的颗粒宽度为大约0.04至0.004mm。陶瓷纤维颗粒不与石墨发生反应和粘着，并且在高至1100℃，优选大约1400℃或更高的温度下是稳定的。合适的陶瓷纤维颗粒由以下物质构成，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、天然形成的矿物纤维，如偏硅酸钙纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维等等。

有时，有利地是，也可以用树脂处理弹性石墨片材，吸收的树脂在固化后提高了弹性石墨片材的防潮性和操作强度，即硬度，并“稳固”片材的形态。合适的树脂含量为优选至少大约5wt％，更优选为大约10-35wt％，合适地可以最高到大约60wt％。在本发明的实践中发现特别有用的树脂包括基于丙烯酸、环氧、和酚的树脂系统，基于氟的聚合物，或它们的混合物。合适的环氧树脂系统包括基于双酚A(DGEBA)的二环氧甘油醚和其它多官能树脂系统；可以使用的酚树脂包括甲阶酚醛树脂和酚醛清漆酚醛塑料(novolac phenolics)。任选地，弹性石墨还可以用除了树脂以外的纤维和/或盐浸渍，它们也可以代替树脂。另外，活性或非活性的添加物可以与树脂系统一起使用以调节性质(如粘性、物质流、疏水性等等)。

可供选择地，如国际专利申请PCT/US02/16730所讨论的，本发明的弹性石墨片材可以使用重新研磨的弹性石墨片材的颗粒，而无需使用刚刚膨胀的蠕虫。片材可以是新形成的薄片材料、回收的薄片材料、废弃的薄片材料、或其它任何合适的来源。

本发明的方法还可以使用纯净的新材料和回收的材料共混物。

回收材料的原始材料可以是如上所述进行压缩成形的片材或片材的经过裁剪的部分，或预轧压辊压缩但尚未被树脂浸渍的片材。而且，原始材料可以是用树脂浸渍并尚未被固化的片材或片材的经过裁剪的部分，或用树脂浸渍的但已被固化的片材或片材的经过裁剪的部分。原始材料也可以是经回收的弹性石墨质子交换薄膜(PEM)燃料电池元件，如流场板或电极。石墨的每个不同来源可以直接使用或与天然石墨薄片共混使用。

弹性石墨片材的原始材料一旦备齐后就可以用已知的方法或设备粉碎以制备颗粒，如气流粉碎机、空气粉碎机(air mill)、搅拌器等。优选地，大部分颗粒的粒径可以使这些颗粒通过20U.S.目的筛子，更优选地主要的部分(大于大约20％，最优选的大于大约50％)无法通过80U.S.目的筛子。最优选的，颗粒的粒径不大于大约20目。在粉碎过程中，当弹性石墨片材被树脂浸渍时，最好冷却正在被粉碎的弹性石墨片材以避免在粉碎过程中对树脂系统产生热损害。

可以选择粉碎的颗粒的粒径以平衡石墨颗粒的机械加工性、可成形性和所需的热特性。因此，小的颗粒可以形成易于加工和/或成形的石墨制品，而大的颗粒则会形成具有更高的各向异性和更高的平面内电和热传导率的石墨制品。

如果原始材料被树脂浸渍，则优选，树脂要从颗粒上去除掉。下文将详细介绍去除树脂的情况。

原始材料被粉碎以及树脂被去除掉后，该材料被重新膨胀。重新膨胀可以使用前述以及在Shane等人的美国专利3,404,061和Greinke等人的美国专利4,895,731所述的插层反应和层离工艺。

一般地，在插层反应后，通过在炉内加热被插层的颗粒使颗粒发生层离。在该层离步骤中，可以向回收的插层颗粒中加入被插层的天然石墨薄片。优选地，在重新膨胀的步骤中，颗粒的比体积被膨胀到至少大约100cc/g至大约350cc/g或更高的范围。最终，在重新膨胀步骤完成后，重新膨胀的颗粒可以被压缩成如下文所述的弹性薄片。

如果原料被树脂浸渍，树脂应该优选地被至少部分地从颗粒上去除。该去除步骤应该在粉碎步骤和重新膨胀步骤之间进行。

在一个实施方案中，去除步骤包括在如露焰上加热包含树脂的再磨研颗粒。更具体地，被浸渍的树脂可以被加热至至少大约250℃的温度以去除树脂。在该加热步骤中应该注意避免树脂分解产物的闪光，这可以通过小心地在空气或惰性环境中加热而实现。优选地，加热应该在大约400℃至大约800℃的范围内进行至少大约10至150分钟或更长的时间。

另外，与不去除树脂的类似的方法相比，树脂去除步骤可以使在成形工艺中生产的最终制品具有提高的拉伸强度。树脂去除步骤也会具有优势，因为在膨胀步骤中(即插层反应和层离反应)，当树脂与插层化学制剂混合时，树脂有时会产生有毒的副产品。

因此，在膨胀步骤前将树脂去除可以得到品质优良的产品，如具有前面讨论的提高的强度特性。提高的强度特性部分地来自于提高的膨胀。当树脂存在于颗粒中时，膨胀可能会受到限制。

除了强度特性和环境方面的考虑以外，考虑到树脂可能在与酸的反应中产生失控的放热反应，因此树脂可以在插层反应之前被去除。

考虑到以上内容，优选大部分树脂被去除。更优选地，大于约75％的树脂被去除。最优选地，大于99％的树脂被去除。

在优选的实施方案中，当弹性石墨片材被粉碎后，其被成形成所需的形状，然后被固化(当被树脂浸渍时)。可供选择地，片材可以在被粉碎之前被固化，虽然粉碎后进行固化是优选的。

有时，还可以用树脂处理弹性石墨片材，被吸收的树脂在固化后提高了弹性石墨片材的防潮性和和处理强度，即硬度，和“稳固”片材的形态。合适的树脂含量优选地小于大约60wt％，更优选地小于大约35wt％，最优选地在大约4wt％至大约15wt％之间。在本发明的实践中发现特别有用的树脂包括基于丙烯酸、环氧、和酚的树脂系统，或它们的混合物。合适的环氧树脂系统包括基于双酚A(DGEBA)的二环氧甘油醚和其它多官能树脂系统；可以使用的酚树脂包括甲阶酚醛树脂和酚醛清漆酚醛塑料。但是，就本发明的目的而言，树脂浸渍以及由其提供的硬度可能是不利的。

任选地，用于形成本发明的热处理装置的弹性石墨片材可以作为层压片，层压片各层之间有或没有粘接剂均可。在层压片之间可以包含非石墨层，尽管这样可能会需要使用粘接剂。如上所述，使用粘接剂可能是不利的。这样的非石墨层可以包括金属、塑料或其它非金属物质，如纤维玻璃或陶瓷。

如上所述，由此形成的层离石墨的压缩颗粒的片材本质上是各向异性的，也就是说片材的平面内热导率是较高的。平面内即指与贯穿片材或“c”方向相对的“a”方向。由此，石墨片材的各向异性的性质将热沿热处理装置的平面方向(即沿着石墨片材的“a”方向)传递。一般地，这样的片材的平面内方向的热导率为至少大约140，更优选地至少大约200，最优选地至少大约250W/m°K，贯穿平面方向的热导率为不大于大约12，更优选地不大于大约10，最优选地不大于大约6W/m°K。因此，热处理装置的各向异性比(即平面内热导率与贯穿平面方向上的热导率之比)为不小于大约10。

层压片平面内和贯穿平面方向的热导率的值可以通过改变用于形成热处理装置的弹性石墨片材的graphene层的方向排列来控制，包括如果被用于形成层压片，或在形成热处理装置后通过改变层压片自身的graphene层的方向排列来控制。以这种方式，热处理装置的平面内热导率得到增加，而处理装置的贯穿平面方向上的热导率减小，由此热各向异性比也得到增加。

获得graphene层方向排列的方法之一是通过向元件弹性石墨薄片加压。加压的方式既可以是通过轧压薄片(即通过施用剪力)，也可以通过模压或反印压(即通过压制)。轧压能更有效地产生方向排列。例如，轧压薄片使其密度为1.7g/cc，而不是1.1g/cc，平面内的热导率由大约240W/m°K提高到大约450W/m°K或更高，贯穿平面方向上的热导率则成比例降低，从而提高了各个薄片以及由此形成的任何层压片的热各向异性比。

或供选择地，如果形成了一个层压片，则构成层压片的graphene层的方向排列通过如加压等得到提高，加压致使其密度大于构成层压片的元件弹性石墨片材的初始密度。实际上，通过这种方式，层压件的最终密度能够达到至少大约1.4g/cc，更优选地至少大约1.6g/cc，最高至2.0g/cc。可以使用传统的方法加压，如通过模压或轧压。优选压力是至少大约60兆帕(MPa)。密度要达到2.0g/cc，压力就需要至少大约550MPa，优选为至少大约700MPa。

令人惊讶的是，提高graphene层的方向排列可以使石墨层压片的平面内热导率提高到与纯铜的热导率相当或甚至更高的水平，而密度却比纯铜小很多。另外，与非“排列的”层压片相比，排列的层压片(alignedlaminate)也表现出提高的强度。

参考附图，特别是图1，显示的是本发明的热处理装置的一个实施方案，该装置一般用数字10来表示。热处理装置10包含一片层离石墨的压缩颗粒形成的片材，其具有两个主要表面，分别用10a和10b表示。热处理装置10的两个主要表面10a和10b之一的大小使它与一热源有效接触，热源用100表示，如电子元件，像笔记本电脑的硬盘驱动器或移动电话的芯片组。这样，热源100产生的热就分散到热处理装置10上。与热源100接触的主要表面10a或10b的面积大于与热源100接触的面积，这样热处理装置10将热源100产生的热扩散出去。

而且，热处理装置10的主要表面10a或10b之一可以与散热器件110有效接触，如热阱、散热管、散热板等等。散热器件110能够与热处理装置10和热源100接触的同一主要表面10a或10b接触。因为热处理装置10具有各向异性的特性，由热源100产生的热就借此扩散到散热器件110上从而驱散产生的热。这样，热处理装置就如同一个传热器一样传递热源100产生的热，包括将热传递到散热器件110上。

但是，由于热处理装置10具有相对高的热各向异性比，热源100产生的热无法通过热处理装置10的平面，从与热源100有效接触的主要表面10a或主要表面10b之一有效地向另一个主表面传播。因此，当热处理装置10位于热源10和外表面之间时，热无法有效地传播到热源10所在的器件(如笔记本电脑或移动电话)的外表面，而减少该外表面的温度(10℃或有时更低)。

同样地，当热处理装置10位于热源10和另一个元件之间时，热也无法有效地传播到热源10所在的器件(如笔记本电脑或移动电话)中的另一个元件上，而降低该元件所处的温度。

图2a和图2b显示了要取得本发明设计的优点，热处理装置10必须在笔记本电脑120中所处的位置。如图2a所示，笔记本电脑120的保护盒(protective case)下可以有一些元件，包括一个或更多的发热元件，以122表示。另外，笔记本电脑120也可以有散热器件，如热阱124。但是，由于空间有限，通常不可能在发热元件122附近安装热阱124。

但是，在图2b中，热处理装置10位于笔记本电脑120中，覆盖在发热元件122和热阱124上。因此，现在热可以从发热元件122传到热阱124以达到散热的目的。而且，由于热处理装置10具有相对低的贯穿平面方向上的热导率，热无法有效地在热处理装置10中传递，以防止热处理装置10保护的环境过热。如果使用各向同性更强的材料，如铜或铝，则无法取得这样的效果。

而且，由于热处理装置10具有弹性的特性，热处理装置10的形状可以与笔记本电脑120中的元件一致，如图2b所示，这样就不需要很大的额外空间。同样的，更坚硬的材料，如铜或铝，也无法轻易地取得这样的效果。

如果需要，如图3所示，可以在热处理装置10上涂覆保护涂层20以提高热处理装置10的可操作性和机械坚韧性，以防止石墨颗粒从热处理装置10上脱落或与热处理装置10分离。另一个优点是，保护涂层20还有效地隔离了热界面10以避免因在电子器件中加入导电材料(石墨)而产生的电干扰的危险。而且，使用具有相对低的热导率的保护涂层20还将提高了热处理装置10的热保护效果。

保护涂层20可包含任何足以防止石墨材料脱落和/或足以电子隔离(electrically isolate)石墨的合适材料，如热塑材料，像聚乙烯、聚酯或聚酰亚胺。

涂有保护涂层20的热处理装置10可以用几种不同的方法制造。例如，当弹性石墨片材被切割成形成热处理装置10的大小和形状时，形成保护涂层20的材料可以被涂覆在单个的热处理装置10上以形成热处理装置10的保护脱落边界，如图3所示。因此，保护涂层20可以用本领域技术人员熟悉的不同的涂覆方法涂覆，如喷涂、辊涂和热层压。保护涂层20还可以用机械映象(mechanical mapping)和层压涂覆。

一般地，在大多数的应用中，涂覆工艺利用足够的强度将保护涂层20和热处理装置10粘接在一起。但是，如果需要，或对于相对非粘性的保护涂层20，如Mylar^聚酯材料和Kapton聚酰亚胺材料(二者可以从E.I.duPont de nemours和特拉华州的Wilmington公司购得)，可将粘接剂层涂覆在热处理装置10和保护涂层20之间。合适的粘接剂是有助于使保护涂层20与热处理装置10粘接在一起的粘接剂，如丙烯酸或乳胶粘接剂。

在图3显示的另一个实施方案中，材料130可以被放置在热处理装置10和热源100之间以提高热处理装置10的可操作性和机械坚韧性以及便于热源100和热处理装置10之间的热传递。这样的一种材料是金属，如铜或铝。也可以使用国际专利申请PCT/US02/40238教导的其它热界面材料。

因此，通过本发明的应用，电子器件的元件产生的热被隔离和传递，从而驱散热以及降低器件的“触摸温度”和减少传递到临近元件的热。这些功能无法通过更传统的散热材料如铜或铝来完成，因为它们具有各向同性的特性，所以它们对降低触摸温度或减少传递到临近元件的热无法发挥很大的作用。而可以用来降低触摸温度或减少传递到临近元件的热的绝缘材料又不能散热，反而在热源元件中积聚热。

实施例1

准备一台传统的笔记本电脑，在左掌托下面安装有系统硬盘。运行一个AVI文件使电脑的硬盘工作。通过一台红外线照相机监测机箱左掌托、触摸屏和右掌托的表面温度，并记录下结果。拆开机箱，将由具有两个主表面的弹性石墨片材形成的热处理装置安装在其中，使其一个主表面与硬盘有效接触，并位于硬盘和电脑机箱之间。热处理装置的厚度为0.5mm，X-Y平面内的热导率为260W/m°K，每一面涂覆有0.013mm厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯膜。然后用与上述相同的方式测试笔记本电脑。两次试验的结果列在表1中。

表1

	左掌托	触摸屏	右掌托	ΔT左掌托及右掌托
					无热处理装置	12.4	9.7	3.0	9.4
有热处理装置	8	7.7	4.9	3.1

可以看出，使用本发明的热处理装置使左掌托处的温度大幅降低，左掌托和右掌托的温度差也得到显著改善。

实施例2

演示通过使用一个碳复合材料盒作为热阱并结合本发明的热处理装置为笔记本电脑中的图形处理器降温。在本实施例中，将由具有两个主表面的弹性石墨片材形成的热处理装置粘贴在笔记本电脑机箱的下部。该热处理装置的厚度为0.25mm，X-Y平面内的热导率为260W/m°K。热处理装置的下方有一个可压缩垫，与图形处理器对齐，从而加大接触压力并优化处理器和热处理装置间的热阻。结果，来自处理器的热被有效地传递到热处理装置。热处理装置有效地传播热并将热传递到笔记本电脑的碳盒内。结果是图形处理器的芯片运行温度大幅度降低，并避免了在机箱内形成小的“过热点”。在这个例子中，热处理装置用来向碳盒传递来自处理器的热的面积(～70cm²)明显大于芯片“引脚”(foot print)的面积(～5cm²)，而使用其它散热器和界面材料是不可能取得这个效果的。

实施例3

用一种类似的方法来为M1GHz的英特尔奔腾处理器降温。在本实施例中，由CPU产生的热被传递到键盘区上面的碳盒的上部。将由具有两个主表面的弹性石墨片材形成的热处理装置与该盒连接并与奔腾M处理芯片很好的接触。该热处理装置的厚度为0.25mm，X-Y平面内的热导率为260W/m°K结果是芯片的运行温度只有60℃。而未使用Spreader Shield元件的运行温度则高于77℃。

本申请中所引用的所有专利、专利申请和公开物在此引入作为参考。

很明显地，本文中所描述的发明会在许多方面存在不同。这样的不同不会被看作背离本发明的精神和范围，所有的这些对本领技术人员来讲是显而易见的改变包含在以下权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.电子器件用的散热和保护系统，包含

一个拥有第一元件的电子器件，该第一元件包含一个热源，其中第一元件向电子元件的外表面传递热；

一个拥有两个主要表面的热处理装置，其放置的位置使它的一个主要，表面与第一元件有效接触，从而介于第一元件和电子元件的外表面之间，其中第一元件向电子元件的外表面传递热，

其中热处理装置包含至少一个弹性石墨片材。

2.权利要求1的系统，其中电子器件还包含散热器件，其位于不直接临近第一元件的位置，并且其中热处理装置的一个主要表面与该散热器件有效接触。

3.权利要求2的系统，其中散热器件包含热阱、散热管、散热板或它们的组合。

4.权利要求1的系统，其中热处理装置的平面内热导率为至少大约140W/m°K。

5.权利要求4的系统，其中热处理装置的贯穿平面方向上的热导率为不大于大约12W/m°K。

6.权利要求1的系统，其中热处理装置上还包含一个保护涂层。

7.权利要求6的系统，其中保护涂层的热导率小于所述至少一个弹性石墨片材的贯穿平面方向上的热导率。

8.权利要求1的系统，其中热传递材料位于热处理装置和第一元件之间。

9.权利要求8的系统，其中热传递材料包含金属或热界面。

10.权利要求1的系统，其中电子器件是笔记本电脑并且外表面包含一部分笔记本电脑的机箱。

11.电子器件用的散热和保护系统，包含

一个拥有第一元件和第二元件的电子器件，该第一元件包含一个热源，其向第二元件传递热；

一个拥有两个主要表面的热处理装置，其放置的位置使它的一个主要表面与第一元件有效接触，从而介于第一元件和第二元件之间，

其中热处理装置包含至少一个弹性石墨片材。

12.权利要求11的系统，其中电子器件还包含一个散热器件，其位不直接临近第一元件的位置，并且其中热处理装置的一个主要表面与该散热器件有效接触。

13.权利要求12的系统，其中散热器件包含热阱、散热管、散热板或它们的组合。

14.权利要求11的系统，其中热处理装置的平面内热导率为至少大约140W/m°K。

15.权利要求14的系统，其中热处理装置的贯穿平面方向上的热导率为不大于大约12W/m°K。

16.权利要求11的系统，其中热处理装置上还包含一个保护涂层。

17.权利要求16的系统，其中保护涂层的热导率小于所述至少一个弹性石墨片材的贯穿平面方向上的热导率。

18.权利要求11的系统，其中热传递材料位于热处理装置和第一元件之间。

19.权利要求18的系统，其中热传递材料包含金属或热界面。

20.权利要求11的系统，其中电子器件是笔记本电脑，第一元件包含笔记本电脑的硬盘驱动器，第二元件包含笔记本电脑的芯片组。

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