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Querverweis auf zugehörige Anmeldungen
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Diese
Anmeldung beansprucht die Vorteile der am 8. Oktober 2006 eingereichten
US Patentanmeldung Seriennr. 60/828,647 ,
deren Offenbarung hierin durch Verweis mit aufgenommen ist.
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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeübertragungs-Kompositmaterial,
eine Wärmeübertragungsvorrichtung
und ein Verfahren zur Herstellung.
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Hintergrund der Erfindung
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Fortschritte
in der Mikroelektronik-Technologie haben zu elektronischen Geräten geführt, die
Signale und Daten mit vorher nicht da gewesenen hohen Geschwindigkeiten
verarbeiten. Elektronische und/oder integrierte Schaltkreise ("IC") Vorrichtungen,
beispielsweise Mikroprozessoren, Speichergeräte, usw., werden kleiner, während die
Anforderungen an die Wärmeabführung größer werden.
Die Wärme
muss effizient von dem Halbleiter abgeführt werden, um zu verhindern,
dass das System instabil wird oder zerstört wird. Wärmeverteiler und/oder Wärmesenken
werden häufig
eingesetzt, um Wärme von
der Oberfläche
der elektronischen Bauteile an eine kühlere Umgebung, normalerweise
Umgebungsluft, abzuführen.
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Das
Abführen
von Wärme
von elektronischen Vorrichtungen über das Leitvermögen benutzt Wärmeübertragungsvorrichtungen,
wie etwa Wärmeverteiler
und/oder Wärme senken,
ist ein Gebiet kontinuierlicher Forschung in der Industrie.
US-Patent Nr. 5,998,733 offenbart
eine Ummantelung für
eine Elektronik-Gehäuse-Einheit
mit einem Element aus Kompositmaterial aus einer Graphit-Metall-Matrix enthaltend
70 bis 90 Volumen-% Graphit in einer Aluminiummatrix zum Abführen von
Wärme aus
dem System.
US-Patentveröffentlichung
Nr. 2005 01 89 647 offenbart einen zusammengesetzten Wärmeverteiler
mit groben Diamantkörnern,
die zwischen Schichten aus Graphit eingebettet sind, wobei eine Metallmatrix
aus Aluminium das Graphit und die groben Diamantkörner in
einer verdichteten Masse hält. Die
Verwendung von groben Diamantkörnern
in dieser Fundstelle dient dazu, "zu ermöglichen, dass Graphit, das
ein anisotropes Material ist, in einem Wärmeverteiler eingesetzt werden
kann, der dazu entwickelt ist, eine isotrope Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen".
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Grobe
Diamantkörner
weisen eine außergewöhnliche
thermische Leitfähigkeitseigenschaft
auf, die 1300 W/m·K
in vielen Richtungen übersteigt.
Jedoch ist Diamant sehr teuer und muss in Pulverform eingesetzt
werden, und ist daher keine praktische Wahl zur Verwendung in Thermomanagementgeräten. Diamant
weist auch eine große
Grenzflächenfläche auf,
weil es in der Form von vielen kleinen Körnern oder Pulver in das Kompositmaterial
eingefügt wird.
Diese schiere Vielzahl von Diamantteilchen erzeugt auch mehr Grenzfläche zum
Hindurchlaufen für
die Wärme,
was eine thermische Barriere ausbildet und die endgültige thermische
Volumenleitfähigkeit
verringert. Daher besteht immer noch ein Bedarf an thermischen Managementmaterialien
mit isotropen Eigenschaften. Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeübertragungs-Kompositmaterial,
das im Wesentlichen aus einem hyper-leitfähigen Medium aus pyrolytischem
Graphit in einer Metallmatrix besteht, die dazu ausgebildet ist,
Thermomanagementgeräte mit
niedriger Dichte und mit einer relativ gleichförmigen thermischen Leitfähigkeit
in jeder beliebigen Richtung und mit einer thermischen Leitfähigkeit,
die die von Diamant (bis zu 1000 W/m·K) annähert, bereitzustellen.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Die
Erfindung stellt ein Wärmeübertragungs-Kompositmaterial
bereit zum Abführen
von thermischer Energie von einem elektronischen Gerät oder einem ähnlichen,
Wär meabfuhr
erfordernden System. In einer Ausführungsform umfasst das Wärmeübertragungs-Kompositmaterial
eine Vielzahl von Teilen aus pyrolythischem Graphit in einer nicht
kohlenstoffartigen Matrix, die die Teile aus pyrolythischem Graphit
in einer konsolidierten Masse hält.
In einer Ausführungsform
umfasst das Wärmeübertragungs-Kompositmaterial
eine Vielzahl von Teilen aus pyrolytischem Graphit, die in der nicht
kohlenstoffartigen Matrix zufällig
verteilt sind. In einer anderen Ausführungsform umfasst das Wärmeübertragungs-Kompositmaterial
verschiedene Schichten von Teilen aus pyrolythischem Graphit, die
zwischen den Lagen von nicht kohlenstoffartigen Materialien umfassenden
Blättern
angeordnet sind.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen eines
Wärmeübertragungs-Kompositmaterials,
umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Vielzahl von Teilen
aus pyrolytischem Graphit in einer Matrix, die ein nichtkohlenstoffartiges,
grobes Material enthält,
Ausbilden einer Masse oder eines Volumenmaterials; und Aufheizen der
Masse aus pyrolytischem Graphit in der nicht kohlenstoffartigen
isotropen Matrix auf eine ausreichende Temperatur und Druck, um
die Teile aus pyrolytischem Graphit in der nicht kohlenstoffartigen Matrix
einzubetten. In einer Ausführungsform
ist die Matrix aus nicht kohlenstoffartigem Material in der Form
von Schichtlagen aus Aluminium-Blättern, wobei
die Teile aus pyrolytischem Graphit zwischen den Lagen der Aluminium-Blätter angeordnet
sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1A, 1B und 1C sind
perspektivische Ansichten von verschiedenen Ausführungsformen der Kompositblöcke zur
Verwendung beim Herstellen des Wärmeübertragungsgeräts nach
der Erfindung.
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Wärmeübertragungs-Kompositmaterials
nach der Erfindung, wobei Teile aus pyrolytischem Graphit zwischen
Lagen eines nicht kohlenstoffartigen Materials verteilt sind.
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3A ist
eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des in 2 veranschaulichten
Wärmeübertragungs-Kompositmaterials.
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3A ist
eine Aufsicht einer Ausführungsform
des in 2 veranschaulichten Wärmeübertragungs-Kompositmaterials,
das die Aufsicht der Teile aus pyrolytischem Graphit, wie sie in
einer Schicht des nicht kohlenstoffartigen Materials eingebettet sind,
zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Wie
hierin verwendet, kann eine annähernde Ausdrucksweise
angewendet werden, zum Modifizieren einer quantitativen Darstellung,
die variieren kann, ohne zu einer Veränderung in der grundlegenden
Funktion, auf die sie sich bezieht, zu führen. Entsprechend braucht
ein Wert, der durch einen Ausdruck oder Ausdrücke, wie etwa "im Wesentlichen" abgeändert wird,
in einigen Fällen
nicht auf den angegebenen exakten Wert beschränkt zu sein. Alle Bereiche
in den Beschreibungen und den Ansprüchen sind einschließlich der
Endpunkte und unabhängig
kombinierbar. Numerische Werte in den Beschreibungen und Patentansprüchen sind
nicht auf die angegebenen Werte begrenzt und können Werte umfassen, die sich
von den angegebenen Werten unterscheiden. Numerische Werte werden
so verstanden, dass sie ausreichend unpräzise sind, um Werte zu enthalten,
die die genannten Werte annähern,
wobei experimentelle Fehler aufgrund von im Stand der Technik bekannten
Messverfahren und/oder der Genauigkeit eines zum Bestimmen der Werte
verwendeten Instruments.
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Wie
in dieser Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen verwendet,
umfassen die Singularformen "ein", "eine" und "der", "die" bzw. "das" mehrere Verweise,
es sei denn, dass der Zusammenhang deutlich etwas anderes vorgibt.
So umfasst beispielsweise ein Verweis auf "ein Teil aus pyrolytischem Graphit" oder "ein Teilchen aus
pyrolytischem Graphit" ein
oder mehrere derartige Teile oder Teilchen.
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Wie
hierin verwendet, wird der Ausdruck "Teil" auswechselbar
verwendet mit "Teilchen" bei den Verweisen
auf PG Partikel zur Verwendung als das hyper-leitfähige Medium
in dem Wärmeübertragungs-Kompositmaterial.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck hyper-leitfähiges Medium
auf Teile aus pyrolytischem Graphit mit einer thermischen Leitfähigkeitseigenschaft,
die von 300 bis 1850 W/m·K
(oder der theoretischen thermischen Leitfähigkeit) in der AB Richtung
reicht.
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Wärmeübertragungs-Kompositmaterial:
Wie hierin verwendet, kann der Ausdruck "pyrolytisches Graphit" auswechselbar verwendet
werden mit "thermisches
pyrolytisches Graphit" ("TPG"), "in hohem Maße orientiertes
pyrolytisches Graphit" ("HOPG") oder "druckerhitztes pyrolytisches
Graphit" ("CAPG"), was auf Graphitmaterialien
verweist mit einer in der Ebene (a-b Richtung) gemessenen, thermischen
Leitfähigkeit,
die von 300 W/m·K
für pyrolytisches
Graphit bis zu 1800 W/m·K
für TPG,
HOPG oder CAPG reicht.
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Pyrolytisches
Graphit (PG) ist eine einzigartige Form von Graphit, die durch Zerlegung
von Kohlenstoffgas bei einer sehr hohen Temperatur in einem Vakuumofen
hergestellt wird. Das Ergebnis ist ein ultra-reines Produkt, das
nahe der theoretischen Dichte und extrem anisotrop ist, mit einer
in einer Ebene gemessenen, thermischen Leitfähigkeit von 300 W/m·K in der
a-b Richtung und 3,5 W/m·K
in der C Richtung. TPG, HOPG oder CAPG bezieht sich auf eine spezielle
Form von pyrolytischem Graphit, die aus Kristalliten mit beträchtlicher
Größe besteht,
wobei die Kristallite in Bezug zueinander in hohem Maße ausgerichtet
oder orientiert sind und wohl geordnete Kohlenstoffschichten oder
einen hohen Grad an bevorzugter Kristallitorientierung aufweisen.
In einer Ausführungsform
weist TPG eine in einer Ebene gemessene, thermische Leitfähigkeit
von größer als 1500
W/m·K
und < 20 W/m·K für die c
Richtung auf. In einer anderen Ausführungsform weist TPG eine thermische
Leitfähigkeit
von größer als
1700 W/m·K für seine
(a-b) planare Oberfläche.
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Pyrolytisches
Graphit ("PG") ist kommerziell verfügbar von
GE Advanced Ceramics in Strongsville, OH. Pyrolytisches Graphitmaterial
wird kommerziell in Standard- oder in Kundengrößen und/oder Formen vertrieben
für Anwendungen
von thermischen Isolatoren, über
Raketendüsen,
zu Ionenstrahlgittern, usw. reichen. Bei der Herstellung von Teilen
aus pyrolytischem Graphit gibt es Stücke und Teile, die zur Zurückweisung
von PG Teilen aufgrund von Abmessungsfehlern und/oder Beschädigungen
aufgrund der die Verarbeitung führen.
Es gibt PG Teile, die vom Verarbeiten/Bohren übrig bleiben. Es gibt auch
PG Teile, die in nicht nutzbaren Größen vorliegen bzw. abgeblättert usw.
sind. Die Teile liegen in zufälligen
Größen und
Formen vor und werden typischerweise weggeworfen bzw. entsorgt.
Wie hierin verwendet werden die typischerweise entsorgten Teile
allgemein als "rezyklierte
PG Teile" bezeichnet.
Die wiederverwendeten PG Teile weisen Größen auf, die von einigen Mikron
bis 10 inch (in der längsten
Abmessung) in zufälliger
Orientierung reichen. Die wiederverwendeten Teile weisen Formen
auf, die von zufälligen
Klumpen oder Stücken
bis zu spezifischen geometrischen Formen wie kubisch, zylindrisch, halbzylindrisch,
quadratisch, ellipsoid, halbellipsoid, keilförmign und dergleichen reichen.
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In
einer Ausführungsform
setzt das Wärmeübertragungs-Kompositmaterial
nach der Erfindung rezyklierte PG Teile als das hyper-leitfähige Medium ein.
In einer anderen Ausführungsform
können
kommerziell verfügbare,
oder "fabrikneue" PG Materialien als
das hyper-leitfähige
Medium benutzt werden. In einer dritten Ausführungsform werden Mischungen von
rezyklierten und jungfräulichen
PG Materialien verwendet. In einer Ausführungsform, bei der rezyklierte
Teile verwendet werden, können
die Teile in Stücke
zerbrochen und in geeignete Größen und Formkategorien
sortiert werden, beispielsweise PG Teile von weniger als 0,5 cm
in ihrer längsten
Abmessung, PG Teile mit im Wesentlichen einer Klumpengröße von mindestens
1'' in der längsten Abmessung,
und PG Teile, die auf eine im allgemeinen längliche Größe (wie ein Streifen) usw.
sind. Das Sortieren/Einteilen in Größenklassen kann manuell ausgeführt werden,
oder es kann durch im Stand der Technik bekannte Klassifizierungsvorrichtungen
ausgeführt
werden. In einer Ausführungsform
können
Mischungen von PG Teilen mit verschiedener Grö ßen- und Formenverteilung verwendet
werden, um die isotrope Eigenschaft der Wärmeübertragungskompositmaterials
zu maximalisieren.
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In
einer Ausführungsform
sind die Teile aus pyrolytischem Graphit in einer Menge von mehr
als etwa 50 Volumen-% des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials
vorhanden. In einigen Ausführungsformen
kann das pyrolytische Graphit in einer Menge von etwa 30% bis zu
etwa 95% im Volumen vorhanden sein. In noch anderen Ausführungsformen
kann das pyrolytische Graphit in einer Menge von etwa 40 bis etwa
60 Volumen-% vorhanden sein.
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Die
Teile aus pyrolytischem Graphit werden in einer verdichteten Masse
einer ein nicht kohlenstoffartiges, isotropes Material umfassenden
Matrix eingebaut, beispielsweise einer Metallmatrix, die eine Vielzahl
von Metallen und Legierungen enthält, oder andere Materialien,
die diffusionsverbunden werden können.
Wie hierin verwendet, bedeutet diffusionsverbunden oder Diffusionsverbinden
einen Vorgang, bei dem zwei Grenzflächen oder zwei Materialien,
beispielsweise die Teile aus pyrolytischem Graphit und das Matrixmaterial,
bei einer erhöhten
Temperatur unter Verwendung eines angewendeten Drucks für eine Zeitdauer,
die von einigen Minuten bis zu einigen Stunden dauert, zusammen
verbunden werden, wodurch die Vielzahl der Teile aus pyrolytischem
Graphit in einer verdichteten Masse gehalten werden. In einer Ausführungsform
bedeutet die erhöhte
Temperatur eine Temperatur von etwa 50% bis 90% des absoluten Schmelzpunkts
des Matrixmaterials.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das nicht kohlenstoffartige, isotrope Material eine Metallmatrix, die
mindestens 50 Volumen-% Aluminium enthält. In einer anderen Ausführungsform
besteht die Metallmatrix im Wesentlichen aus Aluminium, was sich
als effektiv herausgestellt hat zur Verwendung als eine Metallmatrix
aufgrund seiner außergewöhnlichen
Eigenschaft zum Benetzen von pyrolytischem Graphit. Weil geschmolzenes
Aluminium in bzw. um Elemente aus pyrolytischem Graphit infiltriert
wird, benetzt Aluminium das pyrolytische Graphit und bildet Aluminiumcarbid,
während
es sich chemisch mit dem pyrolytischem Graphit verbindet.
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Infolge
dessen werden jegliche Leerstellen oder Lufttaschen innerhalb des
Wärmeübertragungs-Kompositmaterials
signifikant minimiert, wenn nicht insgesamt eliminiert. Die Minimierung
der Lufttaschen oder Leerstellen innerhalb des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials ist ein wichtiger
Gesichtspunkt dahingehend, dass die Anwesenheit von sogar sehr kleinen
Poren innerhalb des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials
eine thermische Gesamtleitfähigkeit
des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials
signifikant verringern kann. Entsprechend ist in einer Ausführungsform
das Wärmeübertragungs-Kompositmaterial
nach der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen frei von Leerstellen
oder von nicht besetzten Zwischengitterplätzen zwischen Teilen aus pyrolytischem
Graphit.
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Aluminium
weist einen Schmelzpunkt von etwa 660°C auf, was allgemein ausreichend
niedrig ist, damit es in dem Vorgang verwendet werden kann, um das
Wärmeübertragungs-Kompositmaterial
nach der Erfindung herzustellen. In einigen Ausführungsformen werden Aluminiumlegierungen
als die Matrix des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials
verwendet, um dessen Schmelzpunkt weiter zu verringern. In einer
Ausführungsform
umfasst die Metallmatrix eine Aluminiumlegierung, beispielsweise
eine Al-Mg Legierung mit einem Schmelzpunkt von etwa 450°C (bei der
eutektischen Zusammensetzung mit etwa 36 Gewichtsprozent Mg). In
einer zweiten Ausführungsform
umfasst die Metallmatrix eine Al-Si Legierung mit einem Schmelzpunkt
von etwa 577°C
(bei der eutektischen Zusammensetzung mit etwa 12,6 Gewichtsprozent
Si).
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In
einer Ausführungsform
kann die Verwendung von Kupfer in dem Aluminiumbindemittel auch dazu
führen,
dass die gesamte thermische Leitfähigkeit des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials
zunimmt, was die Leistungsfähigkeit
einer Wärmeübertragungsvorrichtung
beim Abführen
von Wärme
weg von einer heißen
Quelle vergrößert. In
einer anderen Ausführungsform
umfasst die Matrix eine Al-Cu Legierung mit 32 Gewichtsprozent Cu,
um einen Schmelzpunkt von etwa 448°C zu erreichen. Andere Metalle
können
auch benutzt werden, um die gesamte thermische Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials
zu vergrößern. Beispielsweise
schmilzt eine Metallmatrix aus Al-Ag mit einem Ag-Anteil bei etwa
26 Gewichtsprozent bei etwa 567°C
und führt
zu einer Zunahme ihrer thermischen Leitfähigkeit. Ein anderes Beispiel
ist Al-Li-Matrix mit Li-Anteil von etwa 7 Gewichtsprozent, die bei
etwa 598°C
schmilzt.
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Zusätzlich zum
Verwenden einer Aluminiumlegierung mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt kann
die Metallmatrix in einer Ausführungsform
auch verschiedene Elemente enthalten, die einen Gesamtschmelzpunkt
der Matrix verringert. Geeignete Elemente zum Verringern des Schmelzpunkts
der Matrix umfassen Mn, Ni, Sn und Zn. In einer anderen Ausführungsform
enthalten andere Materialien von Interesse, die in dem Kompositmaterial
nach der Erfindung verwendet werden können, Fe, Cu, Legierungen davon
und dergleichen, sie sind jedoch nicht darauf beschränkt.
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Verfahren
zum Herstellen des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials:
In einer Ausführungsform,
wie in den 1A bis 1C veranschaulicht, sind
die Teilchen aus pyrolytischem Graphit mit zufälligen Größen und/oder zufälligen Formen
in dem nicht kohlenstoffartigen, isotropen Material zufällig verteilt,
beispielsweise in der Metallmatrix des Kompositmaterials. Wie bekannt,
weist pyrolytisches Graphit eine außergewöhnliche thermische Leitfähigkeit auf,
d.h. von 300 bis etwa 1700 W/m·K
(bis etwa 1800 W/m·K)
in einer Richtung entlang einer Länge in der Ebene des pyrolytischen
Graphits, d.h. in der Richtung parallel zu den Graphitschichten
oder Fasern des Wärmeverteilers.
Wie in den 1A bis 1C veranschaulicht,
werden die Teilchen aus pyrolytischem Graphit so gezeigt, dass sie
eine zufällige
Orientierung innerhalb des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials
aufweisen, wobei die ab Richtung der einzelnen Teile aus pyrolytischem
Graphit in einer zufälligen
Richtung entlang der xy Achsen sind.
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In
einer Ausführungsform
des Verfahrens wird eine gewünschte
Menge mit Teilen aus pyrolytischem Graphit in einer erwärmten Schmelzform
angeordnet. Im nächsten
Schritt wird geschmolzenes Metall (wie etwa Aluminium)/Legierung
(oder ein anderes, geeignetes, nicht kohlenstoffartiges, isotropes Material)
auf die Teile aus pyrolytischem Graphit aufgebracht und füllt im Wesentlichen
die Leerräume zwischen
den Teilen, um so eine verdichtete Masse auszubilden. In noch einer
anderen Ausführungsform kann – zum Erzielen
eines variablen Gradienten der thermischen Leitfähigkeit in der Matrix – das Hinzufügen von
Teilen aus pyrolytischem Graphit und geschmolzenen Aluminium in
Stufen ausgeführt
werden, wobei die Größe, Form
und/oder Menge (Konzentration) der in jeder Stufe hinzugefügten Teile
aus pyrolytischem Graphit gesteuert werden, um die thermische Leitfähigkeit
in verschiedenen Abschnitten der Wärmeübertragungsmatrix zu variieren.
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In
einer Ausführungsform
wird, nachdem eine verdichtete Masse oder Matrix ausgebildet ist, die
Masse dann bearbeitet, beschnitten oder in gewünschte Dicken oder Formen in
Abhängigkeit
von der letztendlichen Anwendung aufgeschnitten. In einer Ausführungsform
wird die Wärmeübertragungsmatrix
in Streifen oder Blätter
(sheets) geschnitten, die eine von 0,5 mm bis 2 cm reichenden Dicke
aufweisen. In einer zweiten Ausführungsform
werden Blätter
aus der verdichteten Wärmeübertragungsmatrix
ausgebildet mit einer endgültigen
Dicke von 1 mm bis 0,5 cm.
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In
noch einer anderen Verfahrensausführungsform wird ein Wärmeübertragungs-Kompositmaterial
ausgebildet, wie in 2 veranschaulicht. In dieser
Ausführungsform
werden Stücke
oder Teile aus pyrolytischem Graphit zwischen Schichten von nicht
kohlenstoffartigen Blätter
angeordnet, die geschichteten Blätter
werden in einer Heißpresse,
die eine verdichtete Matrix ausbildet, angeordnet. In einer Ausführungsform
werden geschichtete Blätter (Teile
aus pyrolytischem Graphit zwischen Aluminium-Blättern)
in einer Heißpresse
angeordnet und auf eine Temperatur von mindestens 400°C, beispielsweise
450 bis 500°C,
erhitzt. Dann wird ein isostatischer Druck von mindestens 300 psi
und eine Temperatur von 450 bis 500°C eingestellt, wodurch eine verdichtete
Masse oder Matrix ausgebildet wird. In einer Ausführungsform
wird das isostatische Pressen bei mindestens 500 psi ausgeführt.
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Die
Anzahl der nicht kohlenstoffartigen Blätter, wie etwa Aluminium, die
Dicke der Blätter
oder Lager (Pallets), die Menge, die Größe, Form und Verteilung der
Teile aus pyrolytischem Graphit zwischen dem Blatt kann in Abhängigkeit
von der endgültigen Anwendung – und ebenso
vom Typ des verfügbaren Teils
aus pyrolytischem Graphit variiert werden. In einer Ausführungsform
sind die Teile aus pyrolytischem Graphit zwischen den Blättern geschichtet
angeordnet, so dass mindestens ein Teil aus pyrolytischem Graphit
für jede
Schicht eines Aluminiumbogens vorhanden ist.
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In
einer Ausführungsform
werden Bögen
einer Aluminiumfolie mit eine Dicke von 10 Mikron und 2 mm verwendet.
In einer zweiten Ausführungsform werden
Aluminium-Blätter mit
einer Dicke von 10-25 mils verwendet. In einer dritten Ausführungsform
wird eine geeignete Menge von Aluminiumbögen verwendet für eine Matrix
des endgültigen
Kompositmaterials, die eine endgültige
Dicke von 1 mm bis 0,5 cm aufweist. In einer Ausführungsform
weisen die Aluminium-Blätter
eine nominale Dicke, die von 1/32'' bis zu
5/18'' reicht, auf. In
einer zweiten Ausführungsform
sind die Aluminium-Blätter 0,025'' dick.
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Wie
in 2 veranschaulicht, sind die Teile aus pyrolytischem
Graphit innerhalb des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials
in einer schichtweisen Orientierung verteilt, wobei die Stücke aus
pyrolytischem Graphit so angeordnet sind, dass die Ebene mit der
hohen Leitfähigkeit
parallel zu der Ebene der Blätter
aus der Aluminiumlegierung liegt. In einer Ausführungsform, wie in 3A veranschaulicht, werden
die PG Stücke
in einer versetzten Art und Weise zwischen Blättern aus Metallen angeordnet, so
dass die thermische Leitfähigkeit über einen
Querschnitt des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials (die
Richtung senkrecht zu der Ebene der Blätter) relativ gleichförmig ist.
In einer anderen Ausführungsform,
wie in 3B veranschaulicht, weisen die
PG Stücke
variierende Formen und Geometrien auf, beispielsweise kleine Quadrate,
Stücke
oder Klumpen, usw., in Abhängigkeit
von der Verfügbarkeit
des Materials. In einer Ausführungsform
(nicht gezeigt) wird eine Vielzahl von Stücken aus pyrolytischem Graphit mit
relativ gleichförmigen
Größen und
Formen zwischen Schichten aus Aluminium (oder Aluminiumlegierungen)
angeordnet.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
einer schichtweise angeordneten Matrix der 2 kann ein
variabler Gradient der thermischen Leitfähigkeit in dem Wärmeü bertragungs-Kompositmaterial
selektiv ausgebildet werden, indem mehrere und/oder dickere PG Stücke zwischen
den Aluminium-Blättern
angeordnet werden, zur nachfolgenden Verwendung in einem Bereich,
der dichter an der Wärmequelle
erwartet wird, und weniger Stücke
oder dünnere/kleinere
PG Stücke
zwischen den Aluminium-Blättern zur
nachfolgenden Verwendung in einem Bereich, der weiter von der Wärmequelle
entfernt ist. Dieser Aspekt der Erfindung kann vorteilhaft sein, wenn
es wünschenswert
ist, die Wärme
von einem sehr lokalisierten Bereich (beispielsweise einem "heißen Punkt") zu einem Wärmeverteiler
mit relativ größerer Oberfläche zu verteilen.
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In
einer Ausführungsform
mit einer zufälligen Verteilung
der Teile aus pyrolytischem Graphit in einem nicht kohlenstoffartigen,
isotropen Materialmatrix, ist die (a-b) planare Oberfläche der
Teile aus pyrolytischem Graphit in dem Kompositmaterial zufällig, d.h.
die a-b Richtung ist zufällig
verteilt und nicht gleichförmig/parallel,
so wie das der Fall ist bei den Wärmemanagementlösungen aus
dem Stand der Technik, die pyrolytisches Graphit einsetzen.
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In
einer Ausführungsform
mit einer zufälligen Verteilung
von pyrolytischem Graphit in einer nicht kohlenstoffartigen, isotropen
Materialmatrix weist das Wärmeübertragungs-Kompositmaterial
nach der Erfindung eine relativ gleichförmige thermische Leitfähigkeit
auf, die von 100 bis 1000 W/m·K
in einer beliebigen Richtung des Kompositmaterials reicht. Wie hierin
verwendet, bedeutet "relativ
gleichförmig", dass die thermische
Leitfähigkeit
zwischen zwei beliebigen Punkten innerhalb der Matrix weniger als 25%
variiert. In einer Ausführungsform
weist das Wärmeübertragungs-Kompositmaterial
eine Variation der thermischen Leitfähigkeit von weniger als 10% zwischen
zwei beliebigen Punkten innerhalb der Matrix auf.
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In
einer Ausführungsform,
wobei die Zubereitung (Konzentration, Größe, Form, Verteilung usw.)
sorgfältig
gesteuert wird, kann die thermische Leitfähigkeit in dem Kompositmaterial
konfektioniert werden, um dazu beizutragen, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
an den einer bestimmten Wärmequelle
anzupassen. Dies kann dadurch vorteilhaft sein, dass wenn der Wärmeverteiler
und die Wärmequelle
sich mit vergleichbaren Raten ausdehnen und kontrahieren können, verhindert
wird, dass die Verbindung zwischen der Wärmequelle und dem Wärmeverteiler
nicht beeinträchtig
wird.
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Anwendungen
der Wärmeübertragungsmatrix:
Die Wärmeübertragungsmatrix
nach der Erfindung kann in Verbindung mit einer Vielzahl von Wärmequellen
(von denen in den Figuren keine gezeigt sind, weil derartige Wärmequellen,
die durch CPUs typifiziert werden, dem Fachmann wohlbekannt sind) eingesetzt
werden. Da sie nicht dahingehend beschränkt sind, können die Wärmeverteiler nach der vorliegenden
Erfindung dazu verwendet werden, um Wärme von einer Vielzahl von
Geräten
zu übertragen oder
zu leiten, wo ein relativ preiswerter Wärmeverteiler, der leicht in
eine große
Form ausgebildet werden kann, gewünscht wird.
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Zusätzlich zu
der hierin offenbarten Anwendung kann die vorliegende Erfindung
zusammen mit einem Kühlsystem
zum Übertragen
von Wärme
weg von einer Wärmequelle
eingesetzt werden.
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Anwendungen
des Wärmeübertragungs-Kompositmaterials:
Die Wärmeübertragungsmatrix
nach der Erfindung kann in beliebigen Geräten, Systemen und Verfahren
zum Übertragen
von Wärme
weg von einer Wärmequelle
verwendet werden. In einer Ausführungsform
wird die Wärmeübertragungsmatrix
dazu verwendet, um Wärmeverteiler zur
Verwendung in elektronischen Geräten
und/oder Geräten
mit integrierten Schaltkreisen ("IC"), wie etwa Mikroprozessoren,
Speichergeräten,
usw. auszubilden.
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BEISPIELE:
Hierin werden Beispiele bereitgestellt, um die Erfindung zu veranschaulichen,
jedoch nicht mit der Absicht, den Schutzumfang der Erfindung zu
begrenzen.
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Beispiel
1: Teile aus pyrolytischem Graphit (TPG) von GE Advanced Ceramics
in Strongsville, OH, werden in eine Stahlpressform, die mit einem Bornitrid-Ablösehilfsmittel
besprüht
worden ist, eingefüllt.
Geschmolzenes Al-Si mit einem Schmelzpunkt von etwa 577°C wird in
die Gießform
gefüllt, während sie
gleichzeitig gepresst und durch eine rotierende Stahlvorrichtung
mit den anderen Teilen gemischt wird. Die geschmolzene Legierung,
die beide Teile aus pyrolytischem Graphit benetzte, füllt im wesentlichen
alle Leerräume
zwischen Teilen, um einen Wärmeverteiler
mit einer verdichteten Masse zu erzeugen. Die gemessene thermische
Leitfähigkeit
des resultierenden Wärmeverteilers
beträgt
etwa 600 W/m·K.
Es sollte angemerkt werden, dass die Leistungsfähigkeit des Geräts in einer
solchen Weise entwickelt werden kann, dass die thermische Volumen-Leistungsfähigkeit
oder die lokale Leistungsfähigkeit
konfektioniert werden kann durch Variieren der Verhältnisse
der hyperleitfähigen
Medien.
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Während die
Erfindung mit Verweis auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist,
werden die Fachmänner
verstehen, dass verschiedene Veränderungen
ausgeführt
werden können
und Äquivalente
für Elemente
davon ersetzt werden können,
ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Es ist beabsichtigt,
dass die Erfindung nicht auf die bestimmte, als bester Modus zum
Ausführen
dieser Erfindung offenbarte Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die innerhalb des
Schutzumfangs der beigefügten
Patentansprüche
fallen. Alle hierin angeführten
Fundstellen werden ausdrücklich
durch Verweis hierin mit eingeschlossen.