DE3874244T2

DE3874244T2 - Thermisch leitende vorrichtung.

Info

Publication number: DE3874244T2
Application number: DE8888305793T
Authority: DE
Inventors: Mark S Dentini; Joe A Fulton; Sungho Jin; Mottine, Jr; Lloyd Shepherd; Richard Curry Sherwood
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1987-07-02
Filing date: 1988-06-24
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2008-06-25
Also published as: DE3874244D1; KR890003272A; EP0297793A2; US4838347A; EP0297793A3; JPH0671054B2; CA1286793C; KR0127314B1; EP0297793B1; ES2034234T3; JPS6459840A

Description

Hintergrund der Erfindung

Feld der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Ableitung von Wärme von einem Wärme erzeugenden Teil.

Stand der Technik

In der elektronischen Industrie, insbesondere wo eine hohe Leistung und/oder eine hohe Gerätedichte verwendet werden ist es oft notwendig, Einrichtungen zur Ableitung der von oder bei diesen Einrichtungen erzeugten Wärme vorzusehen. Ohne solche Wärmeableitung kann die Lebensdauer dieser Vorrichtungen schädlich und katastrophal beeinträchtigt werden. Bisher wurde die Wärmeableitung mittels eines Luftstromes über die zu kühlende Vorrichtung bewerkstelligt und/oder die Vorrichtung wurde mit einer Wärmesenke in Kontakt gebracht, die mit Kühlrippen zur Vergrößerung der Oberfläche und daher der Wirksamkeit der Wärmeableitung versehen sein kann. Im allgemeinen sind diese Wärmesenken als starre metallische Körper oder als starre, die Wärme leitende Keramiken ausgeführt worden. Es sind auch bei Wärme leitende partikelgefüllte Elastomere verwendet worden, um die Wärme von gewissen Vorrichtungen abzuleiten.
US-A-4 654 754 offenbart eine thermische Verbindung, die zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke angeordnet ist und eine elektrisch isolierende Matte aus nachgiebig verformbarem elastomerischem Material aufweist, das mit thermisch leitenden Partikeln gefüllt ist. Die Matte weist eine Mehrzahl von erhabenen Abschnitten mit einem Luftzwischenraum dazwischen auf, der die seitliche Ausdehnung dieser Mehrzahl von erhabenen Abschnitten ermöglicht, wenn das Elastomermaterial durch den an die thermische Verbindung angelegten Druck deformiert wird.
Wo jedoch die zu kühlende Vorrichtung in einer Umschließung oder einem Gehäuse montiert ist, oder wo es zu Variationen im Abstand zwischen der Vorrichtung und der Umschließung oder der Wärmesenke kommt, ist es oft schwierig, gute thermische Leitung der Wärme von der Vorrichtung zu der Wärmesenke oder dem Gehäuse zu schaffen, um die Wärme von der Vorrichtung abzuleiten und den Aufbau übermäßiger Wärme innerhalb des Gehäuses zu vermeiden. Ein Problem war die Schwierigkeit der Herstellung eines guten Kontakts zwischen der Vorrichtung und der für die Wärmeableitung verwendeten Einrichtung, ohne übermäßigen Druck auf die Vorrichtung auszuüben.

Zusammenfassung der Erfindung

Wir haben nunmehr ein höchst kompressibles, thermisch leitfähiges Teil entwickelt, welches in wirksamer Weise Wärme von der Wärmequelle wegleiten kann, wenn es unter Druck benachbart der Wärmequelle angeordnet wird.
Das kompressible, thermisch leitende Teil weist ein Polymer auf, welches mit thermisch leitenden, magnetisch ausgerichteten Partikeln gefüllt ist, so daß mindestens unter Kompression ein thermischer Weg durch das Teil in seiner Dicke existiert.
Die magnetische Ausrichtung der Partikel bildet eine Mehrzahl von Säulen, die sich durch die Dicke des Teil erstrecken und worin auf mindestens einer Oberfläche die Säulen sich von der Oberfläche nach außen erstrecken, um eine Mehrzahl von fingerartigen Vorsprüngen zu bilden.
Wir haben überraschenderweise festgestellt, daß diese magnetisch ausgerichteten, thermisch leitfähigen Partikel in einer Polymermatrix zu bedeutend größerer thermischer Leitfähigkeit durch die Dicke des Polymers führt (typischerweise mindestens die zweifach Leitfähigkeit für die größtenteils verwendete Volumenbeladung) oder verglichen mit Strukturen der gleichen Partikel oder Partikelbeladung, jedoch ohne magnetische Ausrichtung.
Gemäß Erfindung ist eine Vorrichtung wie in Anspruch 1 und ein Verfahren wie in Anspruch 10 vorgesehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine Darstellung einer elektronischen Vorrichtung, welche die neue Einrichtung zur Ableitung von Wärme von der Vorrichtung aufweist;
Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt durch einen kompressiblen thermischen Leiter, der in der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
Fig. 3 und 4 sind schematische Querschnitte anderer Ausführungsformen eines kompressiblen thermisch leitfähigen Teils.

Ausführliche Beschreibung

Gemäß Fig. 1 ist eine elektronische Vorrichtung 1 dargestellt, welche eine Mehrzahl von Wärme produzierenden elektronischen Vorrichtungen 2 aufweist, die benachbart und im Abstand voneinander gestapelt sind. Eine kompressible nachgiebige thermisch leitfähige Platte 3 liegt an Teilen der elektronischen Vorrichtung 2 an und ein Metallgehäuse 4 umgibt die Vorrichtung und liegt an der thermisch leitfähigen Platte 3 an. Mindestens ein Teil des Gehäuses 4 liegt mit Druck an einer Hauptfläche der Platte 3 an und komprimiert diese, um es der Wärme von der Vorrichtung 2 zu ermöglichen, durch die Platte 3 auf das Gehäuse zu gelangen und von dort in die Atmosphäre abgegeben zu werden. Die Vorrichtung kann ein nicht gezeigtes Gebläse zur Unterstützung der Kühlung aufweisen. Es versteht sich, daß anstelle des Gehäuses jede Art von Wärmesenke oder Wärmeverteilungseinrichtung verwendet werden kann. In einer Vorrichtung, wie in Fig. 1 gezeigt, gibt es generell starke Schwankungen des Abstandes zwischen der Gehäuseoberfläche und den verschiedenen darin untergebrachten Vorrichtungen. Dies läßt den Bedarf nach einem höchstkompressiblen, jedoch thermisch leitfähigen Teil entstehen, wie die hier beschriebene thermisch leitfähige Platte, um alle Vorrichtungen effektiv zu kühlen.
In Fig. 2 ist eine thermisch leitende Platte 21 dargestellt, die eine kompressible nachgiebige biegsame Polymermatrix 22 aufweist, in welcher eine Anordnung von thermisch leitenden magnetischen Partikeln 23 eingebettet ist. Die Partikel 23 sind, wie gezeigt, in voneinander getrennten Säulen 24 ausgerichtet. Die Partikel 23 innerhalb einer Säule 24 liegen einander an oder sind in anderer Weise genügend dicht gepackt, so daß sie mindestens unter Kompression Wärme entlang der Säulenlängsachse von einer Hauptfläche der Platte zur anderen leiten. Die eine Hauptfläche 25 der Platte 21 ist im wesentlichen eben. Die andere Hauptfläche 26 der Platte 21 ist mit einer Mehrzahl von fingerartigen Vorsprüngen 27 versehen, welche die Säulen 24 der thermisch leitenden Partikel 23 in die Polymermatrix 22 eingebettet enthalten. Die Vorsprünge können sich zu solcher Länge erstrecken, daß sie mindestens unter einem anliegenden Druck deformiert werden und angrenzende Vorsprünge einander überlappen oder alternativ kürzer werden. Das Überlappen der Vorsprünge ermöglicht die Wärmeleitung seitlich durch die Platte, wie auch durch die Plattendicke hindurch, während weiterhin eine hohe Kompressibilität der Platte mit minimal anliegendem Druck geboten wird. Je größer die Höhe des Vorsprungs (vor dem Absenken der Vorsprünge) um so mehr ist im allgemeinen die Kompressibilität des Teils für eine gegebene anliegende Kraft. Gegebenenfalls kann die Basis der Platte 21 ein thermisch leitendes Gitter 28 aufweisen, welches entweder eingebettet ist oder auf der ebenen Seite 25 liegt. Das Gitter ist vorzugsweise aus einem magnetischen Material hergestellt und wirkt nicht nur zur Verstärkung der seitlichen thermischen Leitfähigkeit, sondern ist auch bei der Bildung einer gleichförmigen Anordnung von Säulen von magnetischen Partikeln in der Platte 21 behilflich.
Das Polymer ist beliebig, jedoch vorzugsweise geschmeidig und nachgiebig, wenn mit den thermisch leitfähigen Partikeln beladen. Beispiele von geeigneten Polymeren sind Silikonelastomere sowie flexible Epoxyharze und Polyurethane. Ein wärmeaushärtender Silikonelastomer ist generell das bevorzugte polymerische Material. Der mit Partikel beladene Polymer kann ferner durch irgendein allgemein bekanntes technisches Verfahren einschließlich Gießen, Ziehen und Extrusion geformt werden und kann Schaumstoff oder als fester Körper vorliegen.
Für die Anwendung brauchbare Partikel sind vorzugsweise sphärisch, jedoch nicht hinsichtlich ihrer Gestalt begrenzt und können selbst in Form von Flocken vorliegen. Geeignete partikelförmige Materialien, die thermisch leitend und magnetisch sind, sind Metalle, wie Nickel, Kobalt, Eisen und deren magnetische Legierungen. Andere geeignete magnetische, thermisch leitende Partikel schließen magnetische, thermisch leitende Keramiken, Oxide und intermetallische Verbindungen ein, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Bevorzugte partikel sind häufig zusammengesetzte Materialien, beispielsweise Nickel mit einem Überzug aus Kupfer, um die thermische Leitung zu vergrößern, und einen zweiten Überzug aus relativ trägem Metall, beispielsweise Silber, um das Kupfer von der Oxidation zu Schützen. Alternativ kann das zusammengesetzte Partikel einen nichtmagnetischen Kern mit einer magnetischen Beschichtung aufweisen. Auch kann zusätzlich zu den magnetischen Partikeln das thermisch leitende Teil nichtmagnetische thermisch leitende Partikel einschließen, beispielsweise nichtmagnetische Metalle, z.B. Kupfer oder Keramik, wie Tonerde und Beryllmineral.
Um die bevorzugte Säulenstruktur zu erzielen, werden die partikel durch Anlage eines magnetischen Feldes in dem Polymer während des Aushärtens des Polymers zueinander ausgerichtet.
Die Dicke der Platte ist nicht kritisch und hängt von der speziellen Anwendung ab, d.h. wo es aufgelegt wird und von dem maximalen und/oder minimalen Druck, der beim Gebrauch angewendet wird. Typische Dicken für den Hauptkörper der Platte reichen von 1 bis 100 mil mit Vorsprüngen, die sich davon erstrecken und zusätzlich 5 bis 500 mil ergeben (1 mil = 0,025 mm). Die Länge der Vorsprünge ist mindestens gleich einem Vielfachen der Partikeldurchmesser, so daß mindestens einige Partikel in dem Vorsprung inkorporiert sind.
Für gewisse Anwendungen, wenn die Gesamtfläche der Platte innerhalb des Gehäuses groß ist, beispielsweise mehrere Quadratmeter beträgt und/oder wenn es eine signifikante Schwankung in der Oberflächengleichförmigkeit der zu kühlenden Vorrichtung oder Vorrichtungen und/oder dem ableitenden Medium oder dem Gehäuse gibt, ist es äußerst wichtig, daß die Platte im höchsten Maße bei kleinen anliegenden Drücken kompressibel ist, um genügend Kontaktfläche der Platte und dem Vorrichtungsableitungsmedium sicherzustellen, zwischen dem die Platte zwischengefügt ist. Generell werden Deformationen in der Größenordnung von 10 bis 50 % der ursprünglichen Gesamtdicke der Platte bei anliegendem Druck von typischerweise ungefähr 10 psi erreicht (1 psi = 6.894,757 Pa). Eine derartige Platte kann beispielsweise durch Verwendung eines Silikonelastomers als polymerische Matrix erzielt werden, die bis ungefähr 50 Vol% mit im wesentlichen sphärischen, auf Nickel basierenden Partikeln beladen ist, die eine Partikelgröße von 1 bis 10 mil aufweisen, die zueinander ausgerichtet sind, um die gewünschte Säulenstruktur zu bilden.
Fig. 3 und 4 zeigen alternative Strukturen des neuen thermisch leitfähigen Plattenmaterials. Es wird darauf hingewiesen, daß das Plattenmaterial andere Anwendungen zusätzlich zur Wärmeübertragung haben kann, beispielsweise als Dichtmaterial und als elektrischer Leiter, so um eine Grundebene zu bilden, wenn die thermisch leitenden Partikel auch einen elektrisch leitenden Weg bilden. Man kann auch einen anderen thermischen Leiter, z.B. eine Metallfolie oder Blech zwischen die magnetisch ausgerichtete thermisch leitfähige Polymerplatte und/oder die zu kühlende Vorrichtung und den Wärmeableiter schieben. Dies könnte die thermische Leitung verbessern. Auch könnte die Polymerplatte zwischen wärmeerzeugenden Vorrichtungen Verwendung finden, wenn auch eine seitliche thermische Leitung zu den Kanten der Platte gegeben ist, um die Wärmezerstreuung zu fördern.
Die folgende Tabelle liefert einen Vergleich der Eigenschaften zwischen einer 175 mil starken thermisch leitfähigen Siliziumelastomerplatte, die zu 30 Vol% mit drei mil Durchschnittsdurchmesser großen, mit Gold beschichteten Nickelkugeln gefüllt ist, die zur Bildung der Struktur mit Vorsprüngen, wie mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben, ausgerichtet worden sind, ohne das gegebenenfalls angewendete Gitter, und einem ähnlichen Material, welches nicht die Vorsprünge aufweist, aber im wesentlichen eben auf beiden Hauptflächen ist. Tabelle I. Vergleich zwischen der neuen thermisch leitenden Platte und einer ähnlichen Platte ohne Vorsprünge Verschiebung (bei 5 psi) (Verringerung der Dicke) % Deformation (bei 5 psi) R(Z-Richtung Kontaktwiderstand 25 x 50 mil Aufsatzfläche) Thermische Leitfähigkeit Watt/mºC
Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist die mit Vorsprüngen versehene Struktur ausgeprägt mehr deformierbar als ihr ebener Widerpart und überraschenderweise zeigt sich eine vergleichbare thermische Leitfähigkeit im Verhältnis zu dem flachen Gegenüber.
Bei der Herstellung kann die hohe Dichte und Gestalt der thermisch leitfähigen Vorsprünge dadurch gesteuert werden, daß ein oder mehrere der Verfahren oder Materialparameter eingestellt werden, beispielsweise die Magnetfeldrichtung und/oder Stärke, die Viskosität des Elastomer und die Partikelbeladung.
Ein Verfahren zur Herstellung einer im höchsten Maße dauerhaften, kompressiblen und thermisch leitfähigen Platte besteht in der Bildung einer Zusammensetzung aus zwei oder drei diskreten Schichten. Eine derartige Platte ist in Fig. 3 gezeigt. Die erste Schicht 30 sorgt für eine Basis zur Stützung der zweiten Schicht 31. Die zweite Schicht 31 bildet die fingerartigen Vorsprünge 32 und die gegebenenfalls dritte Schicht 33 deckt die Vorsprünge 32 ab, um die Dauerhaftigkeit zu vergrößern und auch die seitliche Leitfähigkeit zu verbessern. Die Schichten 31 und 32 sind in der endgültigen Vorrichtung monolitisch, wobei die Schicht 33 auf der Spitze der Vorsprünge liegt. Diese Sandwichstruktur kann in einem Rahmen gehalten werden, der entlang des Randes der Zusammensetzung läuft. Es wird darauf hingewiesen, daß die Vorsprünge in einem Winkel außer der senkrechten Richtung zum Basismaterial gebildet werden können. Dies würde die Leichtigkeit und Gleichförmigkeit in der Zusammendrückung der Platte verbessern.
Beispielsweise bestehen alle drei Schichten aus dem gleichen Vorläufermaterial, z.B. Nickelpartikel, die mit ungefähr 25 Mikron Kupfer beschichtet sind, um die thermische Leitfähigkeit zu verbessern und mit ungefähr 0,6 Mikron eines relativ trägen Metalls, beispielsweise Silber oder Gold, um die Oxidation des Kupfers zu verhindern. Partikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße in einem Bereich von ungefähr 7 bis 10 mil werden verwendet. Wärmehärtbare Silikonelastomere, die einen Längungsfaktor vor Bruch von mindestens 350 %, eine Shore-A-Härte von weniger als 50 Durometer und eine Zugstärke von mindestens 85 Pfund/Zoll werden bevorzugt. Ein Beispiel eines derartigen Elastomer ist Dow Corning Silastic E.
Die erste und dritte Schicht werden mit einer hohen Partikelbeladung hergestellt, d.h. ungefähr 50 Vol%. Die erste Schicht ist auf eine Dicke von typischerweise 15 bis 25 mil gezogen und die Partikel werden zur Bildung von Säulenmustern ausgerichtet, und zwar mittels eines magnetischen Feldes von ungefähr 300 Oersted während zweier Minuten bei einer partiellen Wärmeaushärtung bei 110ºC. Die zweite Schicht wird über die zweite partiell ausgehärtete erste Schicht mit einer Dicke von 20 mil gezogen. Die zweite Schicht hat generell eine Partikelbeladung von zwischen 30 und 50 Vol%. Diese Schicht wird zur Bildung der Vorsprünge gezogen, wobei ein magnetisches Feld von ungefähr 1100 Oersted verwendet wird, wobei die Vorsprungshöhe durch die Größe des magnetischen Spalts gesteuert wird. Diese Zusammensetzung wird in einem magnetischen Feld bei ungefähr 100ºC während 15 Minuten aushärten lassen. Die dritte Schicht wird in der gleichen Weise wie die erste Schicht hergestellt und über die Zusammensetzung der ersten beiden Schichten angelegt. Alle Abschnitte der Zusammensetzung werden dann zusätzlich für ungefähr 10 Stunden aushärten lassen, vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre, z.B. Stickstoff oder Argon bei ungefähr 140ºC. Es wird darauf hingewiesen, daß in der Anwendung zwei oder mehrere Platten mit Vorsprüngen auf einer Oberfläche miteinander gekoppelt werden können oder eine Platte kann über sich selbst gefaltet werden, so daß die äußeren Oberflächen beide eben sind, beide die Vorsprünge aufweisen oder der eine flach und der andere die Vorsprünge hat.

Claims

1. Vorrichtung mit folgenden Merkmalen:

ein Wärme erzeugendes Teil,

eine kompressible biegsame Platte (21) weist ein Basisteil mit einer Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten Säulen (24) aus magnetisch ausgerichteten, thermisch leitfähigen Partikeln (23) über die Dicke der Platte und eine Mehrzahl von fingerartigen Vorsprüngen (27) auf, welche die Partikel enthalten und sich nach außen von mindestens einer Oberfläche des Basisteils erstrecken, wobei die Partikel in einer Polymermatrix (22) sind, die Platte benachbart dem Wärme erzeugenden Teil (2) angeordnet ist, um so die Übertragung von Wärme von dem Teil durch die Platte zu ermöglichen, und

eine Einrichtung zum Zusammenpressen der Platte.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer ein Elastomer ist und daß die magnetisch ausgerichteten Partikel ein magnetisches Material aufweisen, welches aus der Gruppe bestehend aus einem Metall, einer Metallegierung, einem Oxid und einer intermetallischen Verbindung ausgewählt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer ein wärmehärtendes Silikon ist und daß die Partikel ein Mitglied der Gruppe ausgewählt aus Nickel und einer Nickellegierung umfassen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel zusammengesetzt sind und einen magnetischen Kern, ein im höchsten Maße thermisch leitfähiges Material um den Kern und eine gegenüber Oxidation widerstandsfähige, thermisch leitfähige Schicht um das thermisch leitfähige Metall aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelgröße der magnetisch ausgerichteten Partikel von 0,025 mm bis 0,25 mm (1 bis 10 mil) reicht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermisch leitfähige Schicht an der Platte anliegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch leitfähige Schicht an den Vorsprüngen anliegt und thermisch leitfähige Partikel umfaßt, die in einer polymerischen Matrix verteilt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte um mindestens 10 % ihrer ursprünglichen Dicke unter einem Druck von 68,94 kPa (10 psi) verformbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil eine Dicke von 0,025 mm bis 2,54 mm (1 bis 100 mil) aufweist und daß die Vorsprünge sich von 0,127 mm bis 12,7 mm (5 bis 500 mil) hiervon abheben.

10. Verfahren der Herstellung einer thermisch leitfähigen kompressiblen Platte mit folgenden Schritten:

Bilden einer Basisschicht eines partiell ausgehärteten Elastomers mit darin dispergierten Partikeln, die magnetisch ausgerichtet worden sind, so daß im Abstand voneinander Säulen der Partikel innerhalb des Elastomers gebildet werden;

danach Bildung einer zweiten Schicht über der ersten Schicht in der Weise, daß die zweite Schicht davon abstehende, fingerartige Vorsprünge aufweist, wobei die zweite Schicht mit den Vorsprüngen in einem polymerischen Elastomer dispergierte magnetische Partikel aufweist, die Vorsprünge durch Anlage eines magnetischen Feldes solcher Größe an der Platte gebildet werden, daß die Vorsprünge veranlaßt werden, sich zu bilden und

Aushärtenlassen des Polymers, während dieses unter dem Einfluß des Feldes steht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Schicht über den Vorsprüngen gebildet wird und daß diese dritte Schicht ähnlich der Basisschicht ausgebildet ist.