CN1679383A - 由较长和较短的石墨片制成的散热器 - Google Patents

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Abstract

散热器装置(10)由交替的较长和较短石墨材料片(14)、(16)构造成，材料片被层叠在一起使得较长片(14)伸出较短片(16)之外以限定出翅片。各向异性石墨材料的较高热导率的方向定向于片平面中。较长(14)和较短(16)的片具有排列在一起的基底端(18)以限定出大体上是平面的基底面(20)，用于结合要被冷却的电子器件(12)。

Description

由较长和较短的石墨片制成的散热器
技术领域
本发明涉及能管理来自热源如电子设备的热的散热器。
背景技术
随着越来越多的复杂电子器件的发展，所述电子器件包括能提高处理速度和更高频率、具有更小尺寸和更复杂的功率需求并表现出其它技术优势的器件，如电子和电气元件和系统以及其它器件如高功率光学器件中的微处理器和集成电路，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电子元件一般只在特定的阈温度范围内有效地运行。在这些元件运行过程中产生的过量热不仅会损害它们自身的性能，而且降低了整个系统的性能和可靠性，甚至会造成系统故障。期望电子系统在不断增加的宽范围环境条件包括温度极限下运行，这加剧了过量热的负作用。
随着对微电子器件散热要求的增加，热管理变成电子产品设计中日益重要的要素。电子设备的性能可靠性和平均寿命都与设备的元件温度关系相反。例如，器件如典型的硅半导体的运行温度的降低可与器件处理速度、可靠性和平均寿命的提高对应。因此，为增加元件的使用期限和可靠性，控制器件运行温度在由设计人员限定的范围内是头等重要的。
几种类型的散热元件被用来帮助电子器件散热。本发明直接适用于翅片式散热器。
这些散热器有助于从热源如产生热的电子器件的表面散热到较冷的环境中，通常是空气中。散热器主要通过增加与空气或其它传热介质直接接触的表面积来设法提高电子器件和环境空气之间的传热效率。这使得更多热被散失并因此降低了电子器件运行温度。散热元件的主要目的在于帮助保持器件温度低于其设计者/制造商指定的最大可允许温度。
典型地，散热器由金属尤其是铜或铝形成，因为金属如铜有容易吸收热并在其整个结构附近传递热的能力。铜散热器经常形成有翅片或其它结构以提高散热器的表面积，空气被强制穿过或通过翅片(如用风扇)来实现从电子元件通过铜散热器然后到空气中的散热。
使用铜或铝散热元件由于金属的重量而存在问题，尤其是当散热元件的传热面积明显大于电子器件的面积时。例如，纯铜重8.96g/立方厘米(g/cm3)，纯铝重2.70g/cm3。
例如，在许多应用中，几个散热器需要排列在例如电路板上以从板上的各种元件散热。如果使用金属散热器，板上金属的净重会增加板破裂或其它同等不良效果的机会，并增加元件自身的重量。对于便携式电子器件，尤其需要减轻重量而同时保持散热特性的任何方法。
适合在散热器中使用的另一类材料是通常称为石墨的那些材料，但尤其是如下文描述的基于天然石墨和柔性石墨的那些石墨。这些材料在材料层平面中具有370W/m°K的高热导率。这比铝(200W/m°K)或铜(360W/m°K)高。另外，石墨材料在重量上轻得多，因此能提供超过铜或铝的许多优势。
石墨由碳原子的六角形阵列或网络层面组成。这些六角形排列的碳原子的层面基本上是平的，并被定向或排序从而彼此基本上平行和等距。基本上平的、平行等距的碳原子片或层通常被称为石墨层或基面，它们被连接或粘合到一起，它们的群被排列成晶体。高度有序的石墨由相当大尺寸的晶体组成：晶体彼此被高度排列或定向并具有非常有序的碳层。换句话说，高度有序的石墨具有高的优选结晶取向度。应注意到石墨具有各向异性结构并因而表现出或具有许多高度定向的性质，例如热导率和电导率和流体扩散。
简单地说，石墨可被描绘为碳的层叠结构，也就是说，由通过弱范德华力连接在一起的碳原子的叠加层或薄层组成的结构。在考虑石墨结构时，通常注明两个轴或方向，即“c”轴或方向和“a”轴或方向。为了简明，“c”轴或方向可被认为是垂直于碳层的方向。“a”轴或方向可被认为是平行于碳层的方向或垂直于“c”方向的方向。适于制造柔性石墨片的石墨具有非常高的取向度。
如上所述，将碳原子平行层固定在一起的结合力仅仅是弱范德华力。可处理天然石墨使得叠加碳层或薄层之间的间隔被适当地打开，以便在垂直于层的方向即“c”方向上提供显著膨胀，并因此形成碳层的层状特征被基本保留的扩展或膨胀石墨结构。
可在内聚或完整的膨胀石墨片中不使用粘合剂就形成这样的石墨片，该石墨片被大大地膨胀并尤其被膨胀至最终厚度或“c”方向尺寸大到原始“c”方向尺寸的约80或更多倍，例如网、纸、条、带、箔、垫等(一般称为“柔性石墨”)。石墨颗粒形成完整柔性片被认为可能是由于机械联锁或内聚造成的，这可在容积膨胀的石墨颗粒之间实现。通过压缩而未使用任何粘合材料已将所述石墨颗粒膨胀至最终厚度或“c”尺寸大到原始“c”方向尺寸的约80倍或更多。
除了柔性外，如上所述，还发现片材在热导率、电导率和流体扩散方面具有可与天然石墨原料相比的高各向异性度，这是因为膨胀石墨颗粒和石墨层的取向基本平行于由非常高的压缩(例如辊筒轧压)产生的片的相对面。这样产生的片材具有优异的柔性、良好的强度和非常高的取向度。
简单地说，生产柔性、无粘合剂的各向异性石墨片材如网、纸、条、带、箔、垫等的方法包括在预定载荷和没有粘合剂下压缩或压实“c”方向尺寸为原始颗粒“c”方向尺寸约80或更多倍的膨胀石墨颗粒以形成基本平的、柔性完整石墨片。膨胀石墨颗粒在外观上通常为蠕虫状，一旦被压缩，将保持压缩形变和与相对的片主面的对齐。可通过控制压缩程度改变片材的密度和厚度。片材的密度可在约0.04g/cm3至约2.0g/cm3的范围内。由于平行于片主要相对平行表面的石墨颗粒的对齐，柔性石墨片材表现出相当大的各向异性程度，各向异性程度在辊筒轧压片材提高取向时增加。在辊筒轧压的各向异性片材中，厚度即垂直于相对的平行片表面的方向，包括“c”方向和沿长度和宽度延伸的方向，长度和宽度即沿或平行于相对的主表面，包括“a”方向，片的热、电和流体扩散性能在“c”和“a”方向上以数量级计大大不同。
对与现有设计相比能提供较低热阻和较低重量的改进散热器设计存在持续的需求。
发明的公开
本发明提供由各向异性石墨材料构造成的翅片式散热器，其中散热器由交替的较长和较短石墨材料片制成，片被层叠在一起使得较长的片伸出较短的片之外，以限定出散热器装置的翅片。
优选地，较长的和较短的片使它们的基底端排列在一起以限定出大体上是平面的基底面，用于接合要被散热器装置冷却的电子器件。
在本发明的优选实施方案中，较长的和较短的片各自由叠层的树脂浸渍石墨片材构造成，树脂浸渍材料的树脂提供足够的粘合特性以将交替的较长和较短片结合在一起形成散热器装置。
另外，可将铜条插入到基底，横切于片的平面，以将来自热源的热散布到全部翅片。
热管理装置包括象刚才所述的散热器，并且结合有其上限定有传热表面且与散热器装置的平的基底面传热接合的电子热源。
在本发明的另一方面，提供一种制造这种散热器装置的方法，该方法包括以下步骤：
(a)形成多个较短和较长的石墨材料片；
(b)装配较短和较长的片以便将片的基底端排列在一起，以限定出大体上是平面的基底面，从而较长的片伸出较短的片之外限定出在远离基底面的方向上延伸的翅片；和
(c)在穿越片厚度的方向上施加压力到片以将片结合到一起。
因此，本发明的一个目的是提供用于电子器件热管理的改进散热器设计。
本发明的另一个目的是提供由交替的较长和较短石墨材料片构造成的翅片式散热器装置，其中石墨材料片被层叠在一起使得较长的片伸出较短的片之外以限定散热器装置的翅片。
本发明的另一个目的是提供由石墨片形成的散热器装置，其中石墨片在方向上全部使它们的高热导率方向基本上垂直地远离散热器装置的基底面以便快速引导热能远离正被冷却的器件。
当结合附图阅读下面的公开内容时，本发明的另外和其它目的、特征和优势对本领域的那些技术人员来说将是显而易见的。
图1为按照本发明构造的散热器的平面示意图。
图2为沿图1的线2-2截取的正视剖面图。
图3为在基底包括散热器的替代实施方案的平面示意图。
图4为沿图3的线4-4截取的正视剖面图。
实施本发明的最佳方式
如上所述，本发明的散热器由石墨片材构造成。在描述散热器的构造前，依次简要描述石墨和其形成为柔性片的过程。
柔性石墨片的制备
石墨为碳的晶体形式，包括在平的层状平面中共价键合的原子，而平面间是以较弱键而结合的。通过用例如硫酸和硝酸溶液的插层剂处理石墨(如天然石墨片)的颗粒，石墨的晶体结构反应形成石墨和插层剂的化合物。处理的石墨颗粒在下文中被称为“插层石墨的颗粒”。当暴露于高温时，石墨内的插层剂分解并挥发，导致插层石墨的颗粒在“c”方向上即在垂直于石墨晶体面的方向上折叠式地在尺寸上膨胀至其原始体积的约80或更多倍。剥离的石墨颗粒在外观上为蠕虫状，并因此常被称为蠕虫。可将蠕虫一起压缩成与原始石墨片不同，而是可形成和被切割成各种形状的柔性片。
适于本发明使用的石墨原料包括能插入有机和无机酸以及卤素并接着在暴露于热时膨胀的高度石墨化碳质材料。这些高度石墨化碳质材料最优选具有约1.0的石墨化程度。本说明书中使用的术语“石墨化程度”是指根据下式的值g：
g = 3.45 - d ( 002 ) 0.095
其中d(002)为晶体结构中碳的石墨化层之间的间距，测量单位为埃。通过标准X射线衍射技术测量石墨层之间的间距d。测量对应于(002)、(004)和(006)密勒指数的衍射峰位置，并利用标准最小平方技术导出间距，这使全部这些峰的总误差最小。高度石墨化碳质材料的例子包括来自各种来源的天然石墨，以及其它碳质材料如通过化学气相沉积、聚合物高温热解或由熔融金属溶液结晶等制备的石墨。天然石墨是最优选的。
本发明中使用的石墨原料可包含非石墨组分，只要原料的晶体结构保持需要的石墨化程度和它们能剥离即可。通常，其晶体结构具有需要的石墨化程度并且其可被剥离的任何含碳材料都适用于本发明。这种石墨优选具有至少约80重量％的纯度。更优选地，本发明使用的石墨具有至少约94％的纯度。在最优选的实施方案中，使用的石墨将具有至少约98％的纯度。
Shane等人在美国专利No.3404061中描述了制造石墨片的常用方法，本文引入其内容作为参考。在Shane等人方法的典型实施中，通过将片分散在包含例如硝酸和硫酸混合物的溶液中来插层天然石墨片，有利地，每100重量份石墨片中插层剂溶液的量为约20到约300重量份(pph)。插层溶液包含氧化剂和本领域中已知的其它插层剂。例子包括含有氧化剂和氧化混合物的那些物质，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，或混合物，如例如浓硝酸和氯酸盐、铬酸和磷酸、硫酸和硝酸，或强有机酸如三氟乙酸和可溶于有机酸的强氧化剂的混合物。或者，可利用电势引起石墨的氧化。可使用电解氧化引入到石墨晶体中的化学物种包括硫酸和其它酸。
在优选的实施方案中，插层剂为硫酸或硫酸和磷酸与氧化剂(即硝酸、高氯酸、铬酸、高锰酸钾、过氧化氢、碘酸或高碘酸等)的混合物的溶液。尽管不太优选，但插层溶液可包含金属卤化物如氯化铁和与硫酸混合的氯化铁，或卤化物，如溴以溴和硫酸的溶液或溴在有机溶剂中的溶液的形式。
插层溶液的量可在约20到约350pph的范围内，并更典型地在约40到约160pph的范围内。在片被插层后，从片上排出任何过量的溶液并水洗片。或者，可限制插层溶液的量在约10和约40pph之间，这允许省略洗涤步骤，这在美国专利No.4895713中有教导和描述，本文也引入其内容作为参考。
可任选地将用插层溶液处理的石墨片颗粒通过例如混合与还原性有机添加剂接触，其中有机添加剂选自能与氧化性插层溶液的表面薄膜在25℃到125℃的温度范围内反应的醇、糖、醛和酯。合适的具体有机添加剂包括十六醇、十八醇、1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10-癸二醇、癸醛、1-丙醇、1，3-丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、马铃薯淀粉、单硬脂酸乙二醇酯、二苯甲酸二乙二醇酯、单硬脂酸丙二醇酯、单硬脂酸甘油酯、oxylate二甲酯、oxylate二乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗坏血酸和木质素衍生的化合物，如木质素硫酸钠。有机还原添加剂的量适当地为石墨片颗粒重量的约0.5-4％。
在插层前、过程中或即刻后使用外加膨胀助剂还能提供改进。在这些改进中，可为降低的剥离温度和增加的膨胀体积(还称为“蠕虫体积”)。关于这点，膨胀助剂可有利地为充分溶于插层溶液的有机物质以获得膨胀的改进。更具体地说，可优选但不唯一地使用这种类型的包含碳、氢和氧的有机物质。羧酸被发现尤其有效。用作膨胀助剂的合适羧酸可选自芳香族、脂肪族或环脂肪族、直链或支链、饱和和不饱和的一羧酸、二羧酸和多羧酸，它们具有至少1个碳原子，并优选直到约15个碳原子，其能在插层溶液中溶解有效的量以提供剥离的一个或多个方面的可测知改进。可使用合适的有机溶剂提高有机膨胀助剂在插层溶液中的溶解性。
饱和脂肪族羧酸的典型例子为酸，如式为H(CH2)nCOOH的那些酸，其中n为从0到约5的数字，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。也可使用酐或反应羧酸衍生物如烷基酯代替羧酸。烷基酯的代表有甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已知的插层剂水溶液具有将甲酸最终分解成水和二氧化碳的能力。鉴于此，在将片浸没到插层剂水溶液之前有利地使甲酸和其它灵敏膨胀助剂与石墨片接触。二羧酸的代表为具有2-12个碳原子的脂肪族二羧酸，尤其是草酸、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-己二酸、1，10-癸二酸、环己-1，4-二酸和芳香族二羧酸如邻苯二甲酸和对苯二甲酸。烷基酯的代表为oxylate二甲酯和oxylate二乙酯。环脂肪族酸的代表为环己羧酸，芳香族羧酸的代表为苯甲酸、萘酸、蒽酸、对氨基苯甲酸、水杨酸、邻、间和对甲苯基酸、甲氧基和乙氧基苯甲酸、乙酸乙酰胺基苯甲酸和乙酰胺基苯甲酸、苯乙酸和萘酸。羟基芳香酸的代表为羟基苯甲酸、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。多羧酸中重要的是柠檬酸。
插层溶液为水溶液，并优选包含约1-10％量的膨胀助剂，该量能有效地增强剥离。在膨胀助剂浸没到插层水溶液前或后与石墨片接触的实施方案中，可通过适当的方式如V式混合器使膨胀助剂与石墨混合，助剂的量典型地为石墨片重量的约0.2％到约10％。
在插层石墨片后，并在混合涂有插层剂的插层石墨片与有机还原剂后，使混合物暴露于25-125℃范围内的温度以促进还原剂和插层剂涂层的反应。加热时间最高到约20小时，对于在上述范围内的较高温度，可使用较短的加热时间，例如至少约10分钟。在较高的温度下可使用半小时或更少例如大约10-25分钟的时间。
这样处理的石墨颗粒有时被称为“插层石墨颗粒”。当暴露于高温时，例如至少约160℃和尤其约700℃-1000℃和更高的温度，插层石墨颗粒在c方向上(即在垂直于组成石墨颗粒晶面的方向上)折叠式地膨胀至它们原始体积的约80-1000或更多倍。膨胀的即剥离的石墨颗粒在外观上为蠕虫状，并因此常被称为蠕虫。可将蠕虫一起压缩成与原始石墨片不同，而是可形成和被切割成各种形状的柔性片。
柔性石墨片和箔是有内聚力的，具有良好的加工强度，并可适当地通过辊筒轧压压缩至约0.075mm-3.75mm的厚度，和约0.1-1.5克每立方厘米(g/cm3)的典型密度。可将约1.5-30重量％的陶瓷添加剂与插层石墨片混合，如美国专利No.5902762中所述(本文引入其作为参考)，以在最终的柔性石墨产物中提供增强的树脂浸渍。添加剂包括长度为约0.15-1.5毫米的陶瓷纤维颗粒。颗粒的宽度适当地为约0.04-0.004mm。陶瓷纤维颗粒为非反应性的并且不会粘附到石墨上，并在高达约1100℃、优选约1400℃或更高的温度下稳定。合适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、天然存在的矿物纤维如偏硅酸钙纤维、硅酸铝钙纤维、氧化铝纤维等形成。
有时还可有利地用树脂处理柔性石墨片，吸收的树脂在固化后能提高柔性石墨片的防水性和加工强度即刚度并“固定”片的形貌。合适的树脂含量优选少于约60重量％，更优选少于约35重量％，并最优选为约4重量％至约15重量％。发现尤其适用于实施本发明的树脂包括丙烯酸、环氧和酚醛类树脂系或它们的混合物。合适的环氧树脂系包括基于二缩水甘油醚或双酚A(DGEBA)的树脂和其它多功能树脂系；可使用的酚醛树脂包括甲阶(resole)酚醛树酯和酚醛清漆型(novolak)酚醛树脂。叠层石墨材料的制备
优选由叠层的树脂浸渍的石墨材料按Norley等人在2001年8月31日提交的题目为“LAMINATES PREPARED FROM IMPREGNATEDFLEXIBLE GRAPHITE SHEETS”的美国专利申请序列号09/943131中提出的方式构造用于构造下面所述散热器的较长和较短石墨片，其中该专利申请已转让给本发明的受让人，本文引入其细节作为参考。
根据Norley等人的方法，用热固性树脂如环氧、丙烯酸或酚醛树脂系浸渍按如上所述制备的厚度为约4mm到7mm的柔性石墨片。合适的环氧树脂包括双酚A二环氧甘油醚(DGEBA)树脂系；其它多功能环氧树脂系也适用于本发明。合适的酚醛树脂系包括包含甲阶和酚醛清漆型树脂的那些。然后压延片至约0.35mm-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-约1.9g/cm3的密度。
环氧树脂浸渍的石墨片内的树脂的量应为足以确保最终装配和固化的层状结构是致密的和内聚的量，但是不会反面影响与致密化石墨结构有关的各向异性热导率。合适的树脂含量优选为至少约3重量％，更优选约5重量％至约35重量％，取决于最终产品中需要的特性。
在典型的树脂浸渍步骤中，使柔性石墨片通过容器，并用来自例如喷嘴的树脂系浸渍，树脂系有利地借助真空室被“穿过垫”。典型地但不是必需地，使树脂系溶剂化以有利于施加到柔性石墨片上。其后优选干燥树脂，以减少树脂和树脂浸渍的片的粘性。
在国际公开号WO00/64808中显示了连续形成树脂浸渍并压延的柔性石墨片的一种装置，本文引入其内容作为参考。
在压延步骤后，浸渍的片被切成适当大小的片，它们被堆积在一起并放在压力机中，并在这里在高温下被固化。温度应足以确保片状结构在固化压力下被致密化，以提高结构的各向异性和相应的作为散热器件的热性能。通常，这需要约150℃-200℃的温度。固化使用的压力在一定程度上为所用温度的函数，但应足以确保片状结构被致密化而不会反面影响结构的热性能。通常，为了制造方便，使用将结构致密化到所需程度的最小所需压力。这个压力通常为1000-3000镑/平方英寸(psi)。固化时间可根据树脂系和使用的温度和压力而变化，但通常在0.5小时到2小时的范围内。在固化完成后，注意到复合材料具有约1.8g/cm3至2.0g/cm3的密度。
有利地，浸渍片中存在的树脂可用作复合材料的粘合剂。或者，在堆积并固化柔性片前用粘合剂涂敷压延的浸渍石墨片。合适的粘合剂包括环氧、丙烯酸和酚醛类树脂。发现酚醛树脂尤其适用于本发明的实施，包括酚醛类树脂系，包括甲阶和酚醛清漆型酚醛树脂。
任选地，在预压制的堆叠中可包括非石墨层。这种非石墨层可包括金属、塑料或其它非金属如纤维玻璃或陶瓷。浸渍石墨片中的环氧聚合物在固化时足以胶着地将非石墨以及结构的浸渍石墨层结合到适当位置。
提供下面的实施例以进一步说明和解释合适叠层结构的构造，并不旨在在任何方面进行限制。除非另外指明，所有的份数和百分数均以重量计。
实施例1
用环氧树脂浸渍每单位面积重量为70mg/cm2、尺寸为大约30cm×30cm的石墨片，以使得到的压延垫为12重量％的环氧树脂。使用的环氧树脂为双酚A二环氧甘油醚(DGEBA)，高温固化形成和浸渍过程包括用丙酮-树脂溶液饱和然后在大约80℃下干燥。浸渍后，然后将片从大约7mm的厚度压延至大约0.4mm的厚度和1.63g/cm3的密度。然后将压延的浸渍片切成直径为大约50mm的圆片，并将圆片堆积46层高。然后将这堆圆片放入到TMP(Technical Machine Products)压力机中，并在2600psi和150℃下固化1小时。得到的层叠物具有1.90g/cm3的密度，8000psi的抗弯强度，7.5Msi(百万镑每平方英寸)的杨氏模量和6微欧姆的面内电阻率。面内和整个厚度的热导率值分别为396W/m·°K和6.9W/m·°K。层叠物表现出优良的切削加工性，具有光面精整的连续无孔表面，适合用于电热管理器件。高度各向异性的热导率产生了非常适用于将热从灵敏电子设备抽出到散热器的结构。另外，材料的密度为大约1.94g/cm3，相当大地低于铝(2.7g/cm3)并大大低于铜(8.96g/cm3)。因此，石墨层叠物的比热导率(即热导率对密度的比)为铝的约3倍，为铜的约4-6倍。
适用于本发明的层叠石墨材料不限于上述具体那些，可例如包括由热解石墨片的层组成的层叠物，热解石墨片如Matsushita ElectricComponents Co.，Ltd.Ceramic Division，1006 Kadoma，Osaka，Japan制造的商标为Panasonic“PGS”Graphite Sheet的那种。
现在参考附图，具体地说是图1和2，显示了散热器装置，并通常用数字10表示。在图2的正视图中，显示散热器装置10装配有要被冷却的电子器件12，散热器装置10和电子器件12的组合可被称为热管理装置。
散热器装置10由交替的较长片14A-I和较短片16A-H构造成，较长片和较短片被层叠在一起使得较长片14伸出较短片16之外限定出翅片。
片14和16都使它们的基底端如18排列在一起以限定出大体上是平面的基底面20。
本文使用的术语“较长”和“较短”用于指在基底面20之上的片的高度。例如，如图2所示，与具有较短长度24的较短翅片16相比，较长翅片14具有较长的长度22。
因此，较长的片14伸出较短的片16外到翅片高度26。
如图1所示，基底面20可被描述为具有基底长度28和基底宽度30。
每个片(如片14A)可被描述为具有由其高度或长度22和基底宽度30限定的平面的平面片。每个片(如片14A)还可被描述为具有延伸通过片平面的片厚度32。同样地，较短的片16A可被描述为具有片厚度34和具有由高度或长度24和基底宽度30限定的片面。
电子器件12与基底面20传热接合。优选地，提供界面层36，其可为粘合剂、热油脂或可包括柔性石墨材料薄片的固体热界面。
较长和较短的片14和16(可交替地称为较长和较短石墨片)可各自由层叠的树脂浸渍的石墨片材(如在标题“层叠石墨材料的制备”下的上述那些片材)构造成。在通过使用这种树脂浸渍的层叠石墨材料构造散热器装置10时，可通过首先形成多个较长和较短的片14和16，然后按图1和2所示的方式将较长和较短的片14和16装配到一起，然后在如图1指示方向38上施加压力到装配的片以将片14和16结合在一起来构造装置10。
优选地，当片14和16本身各自由层叠的树脂浸渍的柔性石墨片材构造成时，并且当它们在足够压力和足够温度下固定在一起并且时间适宜时，已存在于层叠的树脂浸渍材料中的树脂提供足够的粘合以将片结合到一起。
或者，较长和较短的片14和16可由不同的材料制成。例如，较长的片可由预先固化的树脂浸渍石墨材料制成，而较短的片可由未固化的树脂浸渍石墨材料制成。一旦较长和较短的片被装配，然后它们可被放在在箭头38方向上施加压力的固定设备中，然后在烘箱中的固定设备中，在压力下固化整个装配件以将隔离片或较短的片16结合到翅片或较长的片14上。
片14和16由定向的叠层柔性石墨材料片构造成，使得每个片相对高热导率的方向在片由其高度22和基底宽度30限定的平面内，从而使相对低热导率的轴定向通过垂直于片平面的片的厚度32。
因此，当热源电子器件12有效地连接到散热器装置10时，由较长的片14A-H限定的翅片能以非常有效的方式传导热大体上垂直地离开基底面20。
刚刚描述的图1和2的实施方案最适用于传热面积与散热器装置10的平面基底面20大小近似相同的热源12。或者，如果散热器装置10具有实质上大于电子器件12的传热表面的基底面20，则图3和4的替代实施方案是优选的。
提供制造散热器10的以下实施例以进一步说明和解释散热器的构造，并不旨在在任何方面进行限制。
实施例2
可由按如上所述制备的层叠的固化树脂浸渍石墨材料制造翅片14。完工的翅片14具有0.025英寸的厚度。由单层未固化的38重量％4D环氧树脂、78mg/cm2TG-440片制造隔离片16。压延单个片至大约0.032″的厚度，对应于大约1.45g/cc的密度。将片切成高度24为10mm的条16，对应于散热器基底的厚度。在制造翅片14和隔离片16后，装配堆叠。将该堆叠装配到钢模具内，然后通过在螺栓上扭转压缩至所需的长度。使用钢隔离片定位石墨翅片和隔离片。钢隔离片有孔来接受穿过模具的螺栓。扭转螺栓压缩隔离片材料从其起始厚度0.032″到0.028″。在装配前将翅片14的基底浸渍到液体变粘稠的环氧树脂粘合剂中以增强与隔离片的结合。在装配并压缩模具后，将一层筛目尺寸为50目的压延至大约1.63g/cc的12重量％环氧树脂/石墨未固化粉末(足以产生大约4mm的成型粉末层)倒到模具中。然后将钢压板放在粉末顶部并将模具放在TMP压力机中。向钢压板施加大约1000psi的压力，部件在310°F温度下固化1小时(1小时匀变时间和45分钟有效冷却循环)。然后拆卸模具产生独立式的成型散热器，然后可按照需要进行机加工以提供附件结构和/或机械加强件。
在图3和4中，示出了改进的散热器装置，并通常用数字110表示。散热器装置110包括多个较长的片114A-114I和多个较短的片116A-116H。
在这种实施方案中，热源112(其平面曲线在图3中以虚线示出)具有大大低于散热器装置110基底面120的面积，基底面120由基底长度128和基底宽度130限定。
在这种实施方案中，必需提供用于将热从热源112传递到没有直接位于上方并与热源112自身有效接合的那些较长翅片114的装置。这通过使用散热器条150来实现。正如图4的横截面图所示，在较长和较短的片114和116的基底端中限定有狭长的腔152，其横切于或垂直于材料层的平面延伸。腔152的范围在图3中以虚线示出。
散热器条150(其优选用铜构造成)被紧密地容纳在狭长腔152内，如图4所示。可通过粘合剂或通过热冷缩配合将散热器条150固定在腔152内。
这样，来自热源112的热通过散热器条150沿基底长度128被带到每个较长的片114，其构成散热器装置110的翅片。
电子器件112可被描述为与散热器条150传热接合，并借助散热器条150，电子器件112与较长和较短的片114和116的基底端有传热联系。优选地，在电子器件112和散热器条150之间提供界面层136，界面层136可为粘合剂、热油脂或可包括柔性石墨材料薄片的固体热界面。
正如图3所示，散热器条具有平行于片114和116平面的条宽度154，和与片基底长度128一致的条长度。可在图3中虚线所示平面图中看到的热源112最上面的传热表面158，其可被描述为具有不大于条宽度154的源宽度160，并具有小于条长度128的源长度162。
因此可看出，本发明的装置容易地实现了提到的目标和优势以及其中固有的那些东西。尽管为了本公开已说明和描述了发明的某些优选实施方案，但本领域的那些技术人员可进行排列和构造方面的大量改变，这些改变包括在如附属权利要求所限定的本发明的范围和精神内。

Claims (23)

1.一种散热器装置，包括：
交替的较长和较短石墨材料片，其被层叠在一起使得较长的片伸出较短的片之外以限定出翅片。
2.如权利要求1所述的装置，其中：
所述较长的和较短的片均具有排列在一起的基底端以限定出大体上是平面的基底面用于接合要被散热器装置冷却的电子器件。
3.如权利要求2所述的装置，其中石墨材料的具有较高热导率的一个轴定向垂直于平面基底面，以便翅片将热从平面基底面传导走。
4.如权利要求1所述的装置，其中：
交替的较长和较短片各自由层叠的树脂浸渍石墨片材构造成。
5.如权利要求4所述的装置，其中：
交替的较长和较短片通过树脂浸渍石墨片材的树脂粘合到一起而没有任何附加的粘合剂。
6.如权利要求1所述的装置，其中每个石墨材料片都使其最大热导率的轴定向在片的平面中，使其最低热导率的轴定向穿越片的厚度。
7.如权利要求1所述的装置，还包括：
在其上限定有传热表面的电子热源；和
其中较长和较短片具有基底端，其限定出与电子热源的传热表面有效传热接合的基底面。
8.如权利要求1所述的装置，还包括：
具有基底端的较长和较短片；和
与基底端有效接合并横切于片而延伸的散热器条，以便来自热源的热可散布到通过散热器条接合的每个较长片上。
9.如权利要求8所述的装置，其中散热器条由铜构造成。
10.如权利要求8所述的装置，其中：
在较长和较短片的基底端中限定有横切于片平面的狭长腔；和
散热器条被紧密地容纳在腔中。
11.一种热管理装置，包括：
其上限定有传热表面的电子热源；和
安装在传热表面上并包括多个交替的远离传热表面延伸的较长和较短石墨材料片的散热器，较长的片伸出相邻较短的片之外并限定出冷却翅片。
12.如权利要求11所述的装置，其中：
较长的和较短的片均具有排列在一起的基底端，以限定出大体上是平面的基底面，用于接合要被散热器装置冷却的电子器件。
13.如权利要求12所述的装置，其中使石墨材料的具有较高热导率的一个轴定向垂直于平面基底面以便翅片传导热远离平面基底面。
14.如权利要求11所述的装置，其中：
交替的较长和较短片各自由层叠的树脂浸渍石墨片材构造成。
15.如权利要求14所述的装置，其中：
交替的较长和较短片通过树脂浸渍石墨片材的树脂粘合到一起而没有任何附加的粘合剂。
16.如权利要求11所述的装置，其中每个石墨材料片都使其最大热导率的轴定向在片的平面中，使其最低热导率的轴定向穿越片的厚度。
17.如权利要求11所述的装置，还包括：
与较长片有效接合的散热器条，以便来自热源的热可散布到通过散热器条接合的每个较长片上。
18.如权利要求17所述的装置，其中散热器条由铜构造成。
19.如权利要求17所述的装置，其中在较长和较短片中限定有横切于片平面的狭长腔；和
散热器条被紧密地容纳在腔中。
20.如权利要求19所述的装置，还包括：
条宽度平行于片平面和条长度横切于片平面的散热器条；和
源宽度不大于条宽度和源长度小于条长度的电子热源的传热表面。
21.一种制造散热器装置的方法，包括：
(a)形成多个较短和较长的石墨材料片；
(b)装配较短和较长的片以便使片的基底端彼此相邻限定出基底，较长的片伸出较短的片之外从而限定出在远离基底的方向上延伸的翅片；和
(c)在越过片厚度的方向上施加压力到片以将片结合到一起。
22.如权利要求21所述的方法，其中：
在步骤(a)中，石墨材料包括层叠的树脂浸渍柔性石墨片；和
在步骤(c)中，较短和较长的片通过来自层叠的树脂浸渍柔性石墨片的树脂彼此结合。
23.如权利要求21所述的方法，还包括：
在步骤(a)中，短片包括未固化的树脂浸渍石墨材料；和
在步骤(c)过程中，加热片以在压力下固化较短的片从而使较短和较长的片通过来自短片的树脂彼此结合。
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