DE112013006784T5 - Thermally conductive seal and application for it - Google Patents
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Abstract
Es wird eine wärmeleitende Dichtung offenbart. Die wärmeleitende Dichtung (105) ist ein künstlicher Graphitfilm, der durch Vornehmen einer Wärmebehandlung an einem Polymerfilm erhalten wird und einen schaumförmigen Querschnitt aufweist. Die wärmeleitende Dichtung behält die Eigenschaften eines hoch kristallisierten Zustands, einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer langen Lebensdauer von künstlichem Graphit, und weist die Vorteile einer hohen Kompressibilität und eines geringen Wärmewiderstands auf. Sie kann auf verschiedene zu unterlegende Positionen mit unregelmäßigen und komplizierten Grenzflächen angewendet werden und kann mikroskopisch unebene Flächen so abdecken, dass sie ausreichend mit den Komponenten in Kontakt steht und die Leistungsfähigkeit der Wärmeleitung verbessert.It is disclosed a heat conductive seal. The thermally conductive gasket (105) is an artificial graphite film obtained by making a heat treatment on a polymer film and having a foam-like cross section. The thermally conductive gasket retains the properties of a highly crystallized state, a high heat conductivity and a long life of artificial graphite, and has the advantages of high compressibility and low heat resistance. It can be applied to various positions to be backed up with irregular and complicated interfaces, and can cover microscopically uneven surfaces so that they are sufficiently in contact with the components and improve the performance of the heat conduction.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Diese vorliegende Erfindung betrifft ein thermisch leitendes Material und genauer eine wärmeleitende Dichtung und eine Anwendung dafür.This present invention relates to a thermally conductive material, and more particularly to a thermally conductive seal and an application thereof.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIKGENERAL PRIOR ART
Künstliche Graphitfilme sind ein Filmmaterial aus hochreinem Graphit im kristallinen Zustand, die bei einer hohen Temperatur von etwa 3000° hergestellt werden. Sie verfügen über ein ausgezeichnetes Wärmeleitvermögen, sowohl in der Ebenenrichtung (> 1000 bis 1500 W/mK) als auch in der Dickenrichtung (etwa 10 W/mK). Diese Richtungsabhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit war für die Anwendung für z. B. Mobiltelefone und Tablet-PCs umfassend geeignet.Artificial graphite films are a film material of high-purity graphite in the crystalline state, which are produced at a high temperature of about 3000 °. They have excellent thermal conductivity, both in the plane direction (> 1000 to 1500 W / mK) and in the thickness direction (about 10 W / mK). This directional dependence of the thermal conductivity was for the application for z. B. mobile phones and tablet PCs comprehensively suitable.
Verglichen mit dem herkömmlichen thermisch leitenden Grenzflächenmaterial (z. B. pastenartiges thermisch leitendes Silikon und thermisch leitendes Phasenübergangsmaterial) wiesen künstliche Graphitfilme einige herausragende Merkmale auf, wie etwa eine hohe thermische Leitfähigkeit, eine lange Lebensdauer, einen einfachen Herstellungsprozess, und so weiter. Doch herkömmliche wärmeleitende Dichtungen, die aus künstlichen Graphitfilmen bestehen, befinden sich in einem festen Zustand mit schlechter Kompressibilität (nur 5 bis 10%). Als wärmeleitende Dichtungen an Grenzflächen können sie den Spalt von unterschiedlicher Größe zwischen dem Heizelement und dem Kühlelement nicht vollständig ausfüllen. Daher ist die Anwendung fester künstlicher Graphitfilme im Fall einer hohen Leistung oder einer großen Kontaktfläche stark eingeschränkt.Compared with the conventional thermally conductive interface material (eg, paste-like thermally conductive silicone and thermally conductive phase change material), artificial graphite films have some outstanding features such as high thermal conductivity, long life, simple manufacturing process, and so on. However, conventional heat-conducting gaskets made of artificial graphite films are in a solid state with poor compressibility (only 5 to 10%). As heat-conductive seals at interfaces they can not completely fill the gap of different size between the heating element and the cooling element. Therefore, the application of solid graphite artificial films is severely restricted in the case of high power or large contact area.
Zum Beispiel ist wie in
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNGBRIEF SUMMARY OF THE INVENTION
Angesichts dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine wärmeleitende Dichtung und ihre Anwendung bereitzustellen, um die Nachteile (d. h., die geringe Kompressibilität und die Druckverformbarkeit) der herkömmlichen Ausführungen zu überwinden.In view of this, it is an object of the present invention to provide a thermally conductive gasket and its application to overcome the disadvantages (i.e., low compressibility and compressive deformability) of the prior art designs.
Zur Erfüllung der obigen Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine wärmeleitende Dichtung, die aus künstlichen Graphitfilmen besteht, bereit, wobei der Querschnitt der wärmeleitenden Dichtung schaumartig ist.To achieve the above object, the present invention provides a thermally conductive gasket made of artificial graphite films, wherein the cross section of the thermally conductive gasket is foam-like.
Optional kann die wärmeleitende Dichtung aus schaumartigen künstlichen Graphitfilmen hergestellt sein, die durch eine Wärmebehandlung von Polymerfilmen erhalten wurden.Optionally, the heat-conducting gasket may be made of foam-like artificial graphite films obtained by heat-treating polymer films.
Vorzugsweise werden die Polymerfilme aus wenigstens einem aus Polybenzoxadiazol, Polyimid, Poly(p-phenylenvinylen), Polybenzimidazol, Polybenzoxazol, Polybenzbisoxazol, Polythiazol, Polybenzthiazol, Polybenzbisthiazol, und Polyamid gewählt.Preferably, the polymer films are selected from at least one of polybenzoxadiazole, polyimide, poly (p-phenylenevinylene), polybenzimidazole, polybenzoxazole, polybenzbisoxazole, polythiazole, polybenzothiazole, polybenzbisthiazole, and polyamide.
Optional beträgt das Kompressionsverhältnis der wärmeleitenden Dichtung 30 bis 80%.Optionally, the compression ratio of the heat conductive seal is 30 to 80%.
Vorzugsweise beträgt das Kompressionsverhältnis der wärmeleitenden Dichtung 50 bis 7%.Preferably, the compression ratio of the heat conductive seal is 50 to 7%.
Optional weist die wärmeleitende Dichtung nach ihrem Zusammendrücken in der Dickenrichtung eine glatte Oberfläche und einen schaumartigen Querschnitt auf.Optionally, the heat-conductive gasket after compression in the thickness direction has a smooth surface and a foam-like cross section.
Vorzugsweise beträgt das Kompressionsverhältnis der zusammengedrückten wärmeleitenden Dichtung 20 bis 40%.Preferably, the compression ratio of the compressed heat conductive gasket is 20 to 40%.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner eine Anwendung der wärmeleitenden Dichtung bereit, wobei die wärmeleitende Dichtung in einem Spalt an einer Wärmeleitungs-Grenzfläche zwischen verschiedenen Elementen angeordnet wird und die wärmeleitende Dichtung, die den Spalt ausfüllt, dann zusammengepresst wird.The present invention further provides an application of the heat conductive gasket wherein the heat conductive gasket is placed in a gap at a heat conduction interface between different elements and the heat conductive gasket filling the gap is then compressed.
Optional kann die wärmeleitende Dichtung den Spalt an der Wärmeleitungs-Grenzfläche zwischen einer Fläche eines Heizelement und einer Fläche eines Kühlelements ausfüllen. Wenn die wärmeleitende Dichtung durch Zusammendrücken in der Dickenrichtung verformt ist, werden die beiden Seiten der wärmeleitenden Dichtung in einem engen Kontakt mit der Fläche des Heizelements bzw. der Fläche des Kühlelements stehen.Optionally, the heat-conducting gasket may fill the gap at the heat-conducting interface between a surface of a heating element and a surface of a cooling element. When the thermally conductive gasket is deformed by compression in the thickness direction, the two sides of the heat conductive gasket will be in close contact with the surface of the heating element and the surface of the cooling element, respectively.
Optional ist die Höhe des Spalts an der Wärmeleitungs-Grenzfläche zwischen verschiedenen Elementen geringer als 0,2 mm. Optionally, the height of the gap at the heat conduction interface between different elements is less than 0.2 mm.
Die wärmeleitende Dichtung, die durch die vorliegende Erfindung offenbart wird, weist die Merkmale von künstlichem Graphit (d. h., einen hochkristallinen Zustand, eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine lange Lebensdauer), aber auch eine hohe Kompressibilität auf. Zudem weist sie wie thermisch leitendes Silikon und ein thermisch leitendes Phasenübergangsmaterial einen geringen thermischen Widerstand auf, ohne dass mögliche Gefahren im Hinblick auf die Alterung, die Silizium-Migration, die Lebensdauer und die Haltbarkeit bestehen. Als thermisch leitendes Grenzflächenmaterial bietet sie breite Perspektiven im Hinblick auf die gewerbliche Anwendung.The thermally conductive gasket disclosed by the present invention has the features of artificial graphite (i.e., high crystalline state, high thermal conductivity and long life) but also high compressibility. In addition, like thermally conductive silicon and a thermally conductive phase change material, it has low thermal resistance without the potential hazards of aging, silicon migration, lifetime, and durability. As a thermally conductive interface material, it offers broad prospects for commercial application.
Die wärmeleitende Dichtung ist auf jede Art von Zwischenräume bildenden Stellen an unregelmäßigen und komplizierten Grenzflächen anwendbar und kann raue Flächen im Mikrobereich abdecken, wodurch ermöglicht wird, dass die Elemente in einen vollständigen Kontakt gebracht werden. Folglich wird die Leistungsfähigkeit der Wärmeleitung erhöht. Die wärmeleitende Dichtung ist insbesondere zur Anwendung bei einer räumlich beschränkten Wärmeleitung geeignet. Darüber hinaus verfügt sie über einen einfachen Montageprozess und eine steuerbare Dicke und überwindet sie auch den Nachteil (d. h., die schlechte Kompressibilität) von festen künstlichen Graphitfilmen, was alles den künstlichen Graphitfilm zu einer idealen wärmeleitenden Dichtung macht.The thermally conductive seal is applicable to any type of interstitial sites at irregular and complicated interfaces, and can cover rough micro-area surfaces, thereby allowing the elements to be brought into complete contact. Consequently, the performance of the heat conduction is increased. The thermally conductive seal is particularly suitable for use in a spatially limited heat conduction. Moreover, it has a simple assembly process and a controllable thickness and also overcomes the drawback (i.e., the poor compressibility) of solid graphite artificial films, all making the artificial graphite film an ideal thermally conductive seal.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG ANSCHAULICHER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF ILLUSTRATIVE EMBODIMENTS
Um die Aufgaben, technischen Lösungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung zu verdeutlichen, wird nachstehend eine ausführliche Beschreibung gegeben werden, wobei eine bestimmte Ausführungsform mit den beiliegenden Zeichnungen kombiniert wird.In order to clarify the objects, technical solutions and advantages of the present invention, a detailed description will be given below, a particular embodiment being combined with the accompanying drawings.
Die vorliegende Erfindung verwendet als Rohmaterial Polymerfilme, woran eine Hochtemperatur-Wärmebehandlung vorgenommen wird, um schaumartige künstliche Graphitfilme zu erhalten. Da die schaumartigen künstlichen Graphitfilme nicht durch Walzen bearbeitet werden, sind sie locker und erfüllen sie daher die Anwendungsanforderungen der wärmeleitenden Dichtung.The present invention uses as a raw material polymer films, to which a high-temperature heat treatment is performed to obtain foam-like artificial graphite films. Since the foam-like artificial graphite films are not processed by rolling, they are loose and therefore meet the application requirements of the heat-conductive seal.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die bestimmten Vorgänge der Hochtemperatur-Wärmebehandlung die folgenden sein: die Rohmaterialfilme werden eine Stunde lang bei einer Temperatur von 400 bis 1200°C in einem trägen Gas angeordnet; dann werden sie eine weitere Stunde lang bei einer Temperatur von 1200 bis 3200°C in einem trägen Gas angeordnet. Durch Abkühlen auf Raumtemperatur werden schließlich die schaumartigen künstlichen Graphitfilme (d. h. die wärmeleitenden Dichtungen) erhalten. Es sollte angemerkt werden, dass es das Ziel der Hochtemperatur-Wärmebehandlung ist, die Polymerfilme zu einer Schaumform zu verkohlen, weshalb die Temperatur der Wärmebehandlung nicht definiert ist und für die Verkohlung der Polymerfilme auch andere Hochtemperatur-Wärmebehandlungsvorgänge eingesetzt werden können.According to one embodiment of the invention, the specific processes of the high-temperature heat treatment may be as follows: the raw material films are placed in an inert gas at a temperature of 400 to 1200 ° C for one hour; then they are placed for a further hour at a temperature of 1200 to 3200 ° C in an inert gas. By cooling to room temperature, finally, the foam-like artificial graphite films (i.e., the heat-conductive seals) are obtained. It should be noted that the goal of the high-temperature heat treatment is to carbonize the polymer films into a foam mold, for which reason the temperature of the heat treatment is undefined and other high-temperature heat treatment operations can be used for charring the polymer films.
Die Polymerfilme, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen POD (Polybenxoxadiazol), PI (Polyimid), PPV (Poly(p-phenylenvinylen)), PBI (Polybenzimidazol), PBO (Polybenzoxazol), PBBO (Polybenzbisoxazol); PT (Polythiazol), PBT (Polybenzthiazol), PBBT (Polybenzbisthiazol); und PA (Polyamid). Vorzugsweise kann wenigstens einer der oben angeführten wärmebeständigen aromatischen Polymerfilme gewählt werden.The polymer films which can be used in the present invention include POD (polybenzoxadiazole), PI (polyimide), PPV (poly (p-phenylenevinylene)), PBI (polybenzimidazole), PBO (polybenzoxazole), PBBO (polybenzbisoxazole); PT (polythiazole), PBT (polybenzothiazole), PBBT (polybenzbisthiazole); and PA (polyamide). Preferably, at least one of the above-mentioned heat-resistant aromatic polymer films can be selected.
Das Kompressionsverhältnis der schaumartigen künstlichen Graphitfilme, die durch die Hochtemperatur-Wärmebehandlung erhalten werden, beträgt 30 bis 80%. Das hohe Kompressionsverhältnis kann die Flächenanpassbarkeit der wärmeleitenden Dichtungen erhöhen, so dass sie daher auf die Flächen von verschiedenen Elementen und auf Spalte mit verschiedenen Formen und Höhen anwendbar sein werden.The compression ratio of the foam-like artificial graphite films, obtained by the high-temperature heat treatment is 30 to 80%. The high compression ratio can increase the surface conformability of the heat-conducting seals, so that they will therefore be applicable to the surfaces of different elements and to gaps of different shapes and heights.
Vorzugsweise kann das Kompressionsverhältnis der schaumartigen künstlichen Graphitfilme, die durch die Hochtemperatur-Wärmebehandlung erhalten werden, auch 50 bis 70% betragen.Preferably, the compression ratio of the foam-like artificial graphite films obtained by the high-temperature heat treatment may also be 50 to 70%.
Die wärmeleitende Dichtung wird zuerst in dem Spalt an der Wärmeleitungs-Grenzfläche zwischen verschiedenen Elementen angeordnet, und dann wird die wärmeleitende Dichtung, die den Spalt ausfüllt, verdichtet. Das Kompressionsverhältnis der verdichteten wärmeleitenden Dichtung beträgt 20 bis 40%. Die wärmeleitende Dichtung bedeckt die im Mikrobereich raue Fläche, wodurch ermöglicht wird, dass die Elemente vollständig in Kontakt gebracht werden und folglich die Leistungsfähigkeit der Wärmeleitung erhöht wird.The thermally conductive gasket is first placed in the gap at the heat conduction interface between various elements, and then the thermally conductive gasket filling the gap is compressed. The compression ratio of the compressed thermally conductive seal is 20 to 40%. The heat-conductive gasket covers the micro-area rough surface, allowing the elements to be completely brought into contact, thus increasing the efficiency of heat conduction.
Vorzugsweise weisen die Spalte an der Wärmeleitungs-Grenzfläche zwischen verschiedenen Elementen unterschiedliche Größen auf, und ist die wärmeleitende Dichtung, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, insbesondere auf jene mit einer Höhe von weniger als 0,2 mm anwendbar.Preferably, the gaps have different sizes at the heat conduction interface between different elements, and the heat conducting seal provided by the present invention is particularly applicable to those having a height of less than 0.2 mm.
Es sollte angemerkt werden, dass die wärmeleitende Dichtung in dem Spalt durch Ausüben eines Drucks auf die Elemente verdichtet werden kann. Daher weist die wärmeleitende Dichtung, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, nicht nur einen einfachen Herstellungsprozess auf, sondern wird sie auch bequem angewendet.It should be noted that the thermally conductive seal in the gap can be densified by applying a pressure to the elements. Therefore, the heat-conductive gasket provided by the present invention not only has a simple manufacturing process but is also conveniently applied.
Im Besonderen wird ein schaumartiger künstlicher Graphitfilm mit einer Dicke von etwa 0,1 mm und einem Kompressionsverhältnis von etwa 60% gewählt und dann zu einer wärmeleitenden Dichtung mit einer Breite von 20 mm und einer Länge von 40 mm geschnitten und dann an die Kontaktfläche zwischen der gedruckten Schaltplatte bestromter Elemente und dem Kühlelement angelegt. Wenn keine wärmeleitende Dichtung vorhanden ist und die gedruckte Schaltplatte direkt mit dem Kühlelement in Kontakt steht, beträgt die höchste Temperatur des Heißpunkts der gedruckten Schaltplatte 90°C. Wenn eine wärmeleitende Dichtung aus dem schaumartigen künstlichen Graphitfilm vorhanden ist, wird die Temperatur des Heißpunkts auf 54°C fallen.Specifically, a foam-like artificial graphite film having a thickness of about 0.1 mm and a compression ratio of about 60% is selected and then cut into a heat-conductive gasket having a width of 20 mm and a length of 40 mm and then attached to the contact surface between the printed circuit board energized elements and the cooling element applied. If there is no thermally conductive gasket and the printed circuit board is in direct contact with the cooling element, the highest hot plate temperature of the printed circuit board is 90 ° C. If there is a thermally conductive gasket made of the foam-like graphite artificial film, the temperature of the hot spot will drop to 54 ° C.
Das Kühlelement kann aus einem beliebigen aus rippenartigen Kühlelementen mit Gebläse oder ohne Gebläse für Computerchips, Metallguss-Kühlkammern oder -kästen, die in bestromten elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, und Metall- oder Nichtmetallaufbauteilen, die als Kühlelement in mobilen elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, gewählt werden.The cooling element may be selected from any one of fin-type cooling elements with or without fans for computer chips, cast metal cooling chambers or boxes used in energized electronic devices, and metal or non-metal parts used as a cooling element in mobile electronic devices ,
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Oberfläche der wärmeleitenden Dichtung ein thermisch leitender Klebstoff hinzugefügt werden, was zu einem engen Kontakt zwischen der wärmeleitenden Dichtung und der Fläche der Elemente führen wird, um einen Austausch der wärmeleitenden Dichtung zu verhindern.According to another embodiment of the invention, a thermally conductive adhesive may be added to the surface of the thermally conductive seal, which will result in intimate contact between the thermally conductive seal and the surface of the elements to prevent replacement of the thermally conductive seal.
Optional kann der thermisch leitende Klebstoff aus einem beliebigen aus thermisch leitenden Epoxidharzklebstoffen, Acrylharz-thermisch leitenden Epoxidharzklebstoffen und thermisch leitenden Klebstoffen auf Silikonbasis gewählt werden.Optionally, the thermally conductive adhesive may be selected from any of thermally conductive epoxy adhesives, acrylic resin thermally conductive epoxy adhesives, and silicone based thermally conductive adhesives.
Wie oben angegeben behält die wärmeleitende Dichtung, die durch die vorliegende Erfindung offenbart wird, nicht nur die Merkmale von künstlichem Graphit (d. h., einen hochkristallinen Zustand, eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine lange Lebensdauer), sondern weist sie auch eine hohe Kompressibilität auf. Zudem weist sie wie thermisch leitendes Silikon und thermisch leitendes Phasenübergangsmaterial einen geringen thermischen Widerstand auf, ohne dass mögliche Gefahren im Hinblick auf die Alterung, die Silizium-Migration, die Lebensdauer und die Haltbarkeit bestehen. Als thermisch leitendes Grenzflächenmaterial wird sie breite Perspektiven im Hinblick auf die gewerbliche Anwendung bieten.As stated above, the heat-conductive gasket disclosed by the present invention not only retains the features of artificial graphite (i.e., highly crystalline state, high thermal conductivity, and long life), but also has high compressibility. In addition, like thermally conductive silicon and thermally conductive phase change material, it has low thermal resistance without the potential hazards of aging, silicon migration, lifetime, and durability. As a thermally conductive interface material, it will offer broad prospects for commercial application.
Die wärmeleitende Dichtung ist auf jede Art von Zwischenräume bildenden Stellen an unregelmäßigen und komplizierten Grenzflächen anwendbar und kann Flächen, die im Mikrobereich rau sind, abdecken, wodurch ermöglicht wird, dass die Elemente in einen vollständigen Kontakt gebracht werden. Folglich wird die Leistungsfähigkeit der Wärmeleitung erhöht. Die wärmeleitende Dichtung ist insbesondere zur Anwendung bei einer räumlich beschränkten Wärmeleitung geeignet. Darüber hinaus verfügt sie über einen einfachen Montageprozess und eine steuerbare Dicke und überwindet sie auch den Nachteil (d. h., die schlechte Kompressibilität) von festen künstlichen Graphitfilmen, was alles den künstlichen Graphitfilm zu einer idealen wärmeleitenden Dichtung macht.The thermally conductive gasket is applicable to any kind of interstitial sites at irregular and complicated interfaces, and can cover surfaces which are rough in the micro region, thereby enabling the elements to be brought into complete contact. Consequently, the performance of the heat conduction is increased. The thermally conductive seal is particularly suitable for use in a spatially limited heat conduction. Moreover, it has a simple assembly process and a controllable thickness and also overcomes the drawback (i.e., the poor compressibility) of solid graphite artificial films, all making the artificial graphite film an ideal thermally conductive seal.
Schließlich sollten Fachleute verstehen, dass die obigen Ausführungsformen lediglich zur Erläuterung der technischen Lösungen der Erfindung, aber nicht zur Beschränkung dienen, und dass alle beliebigen Abwandlungen, Ersetzungen und Änderungen innerhalb des Geists und der Grundsätze der vorliegenden Erfindung in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen sollten.Finally, it should be understood by those skilled in the art that the above embodiments are merely illustrative of the technical solutions of the invention, not limitation, and that any modifications, substitutions, and alterations within the spirit and principles of the present invention should fall within the scope of the present invention ,
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