-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Die
Erfindung betrifft eine flexible Wärmeübertragungsvorrichtung.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Viele
Formen von thermischer Handhabung existieren heutzutage, von denen
alle von den Prinzipien der Leitung, Konvektion oder Strahlung zur
Bewegung von Wärme
abhängen.
Gute thermische Leitfähigkeit
ist erforderlich, um Wärmetransfer
weg von hochdichten elektronischen Komponenten und Bauteilen, wie
z.B. integrierten Schaltkreisen, zu ermöglichen. Thermisch hochleitfähige Materialien werden
herkömmlicherweise
in Wärmeübertragungsvorrichtungen
verwendet, um Wärme
aus Halbleiterschaltkreisen und -systemen abzuführen. Elementare Metalle sind
für die
in der heutigen Zeit verwendeten Halbleiterschaltkreissysteme nicht
zufriedenstellend. Dies hat zu der Verwendung von hochleitfähigen Wärmeübertragungsbauteilen
geführt,
die aus Verbundwerkstoffen oder Laminaten von verschiedenen Materialien
gebildet werden, aus denen unterschiedliche Strukturbauteile hergestellt
werden, welche die erwünschte
hohe thermische Leitfähigkeit, Festigkeit
und andere notwendige Eigenschaften besitzen.
-
Die
Wärmeübertragungsvorrichtung
wird physikalisch zwischen einer Wärmequelle, welche beträchtliche
Abfallwärme
erzeugt, und einer Wärmesenke
angeschlossen. Jedoch sind in vielen Fällen die Wärmequelle und die Wärmesenke
nicht in enger Nachbarschaft und einer oder beide können für die Verbindung
mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung
nicht leicht zugänglich
sein. In diesen Situationen ist es notwendig, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung
verformbar und flexibel ist. Derzeit erhältliche Wärmeübertragungsvorrichtungen, die
sehr hohe thermische Leitfähigkeiten
haben, relativ zur thermischen Leitfähigkeit von elementaren Metallen, sind
in diesen Situationen nicht leicht verwendbar.
-
Diese
Erfindung richtet sich auch auf Kostenangelegenheiten, um Wärme in räumlich eingeschränkten Bereichen
zu entfernen, wenn das thermische Management durch Leitung ein Material
erfordert, das leicht geformt werden kann, um einen niedrig dichten,
flexiblen, dünnen
Querschnitt für
die Bewegung und Umverteilung von Wärmebelastungen von wärmeempfindlichen
elektronischen Komponenten oder Systemen zu Bereichen zu ermöglichen, wo
Wärme abgegeben
werden kann.
-
EP-A-0
651 603 beschreibt eine Wärmeübertragungsvorrichtung
aus einem thermisch hochleitfähigen
Kernmaterial, eingeschlossen innerhalb eines dünnen Überzugs in der Form von dünnen flexiblen
Blättern.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung betrifft eine hoch flexible Wärmeübertragungsvorrichtung
für Anwendungen
für thermisches
Management, bei denen physikalischer Raum und/oder Zugänglichkeit
zwischen der Wärmequelle und
der Wärmesenke
ein Faktor ist. Die Wärmeübertragungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung weist thermisch hochleitfähiges Kernmaterial
wie in Anspruch 1 ausgeführt
auf, zusammengesetzt aus Graphit, vorzugsweise in der Form einer
flachen Platte oder Streifen, der zwischen zwei dünne und
vorzugsweise flexible metallverkleidete Blätter sandwichartig eingepackt
wird, um das Kernmaterial zwischen seinen einander gegenüberliegenden
Oberflächen
einzuschließen.
Die beiden metallverkleideten Blätter
werden miteinander verbunden, um eine einheitliche Wärmeübertragungsvorrichtung
zu bilden. Das Bindemittel ist vorzugsweise ein Klebstoff Die Geometrie
von jedem der metallverkleideten Blätter ist größer als die des Kernmaterials,
um eine Überlappung
auf jeder Seite davon zu bilden. Im bevorzugten Aufbau wird eines
der Verkleidungsblätter
auf eine Seite des Kernstreifens gelegt, wobei das andere Verkleidungsblatt
auf die gegenüberliegende
Seite des Kernstreifens gelegt wird, so dass ihre Überlappung
den Kernstreifen vollständig
einschließt,
wobei die Verkleidungsblätter
mit einem Klebstoff aneinander gebunden werden.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
eine Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen flexiblen Wärmeübertragungsvorrichtungen,
die in einer verbindenden Position zwischen einer Wärmequelle
und einer Wärmesenke gezeigt
ist.
-
2 zeigt
eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen flexiblen
Wärmeübertragungsvorrichtung
und
-
3 zeigt
eine Aufsicht der Ausführungsform
aus 2, wobei das obere Verkleidungsblatt entfernt
ist, so dass der Streifen Kernmaterial, durchgehende Löcher, darunter
liegendes Verkleidungsmetall und das Klebemittel um die freigelegte
Grenze der Unterschicht herum freigelegt sind.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Mit
Bezugnahme auf die 1 bis 3 besteht
die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 vorzugsweise
aus einem nichtstrukturellen thermisch hochleitfähigen Kernmaterial in der Form
eines Streifens 12, der zwischen zwei einander gegenüberliegende
Verkleidungsblätter 13 und 14,
vorzugsweise in der Form von Folienstreifen, eingeschlossen oder eingebunden
wird. Die Verkleidungsblätter 13 und 14 werden
vorzugsweise unter Verwendung eines Bindemittels 15, wie
z.B. einem Klebstoff, miteinander verbunden. Alternativ kann Versieglung
ohne einen Klebstoff durch Bildung einer Diffusionsbindung durch
Aufbringen von ausreichendem Druck und/oder Temperatur zwischen
die Verkleidungsblätter 13 und 14 erreicht
werden. Die Verkleidungsblätter 13 und 14 sollten
durch Verbinden zumindest in ihrem Umfang um das Kernmaterial 12 herum
versiegelt werden.
-
Das
nichtstrukturelle thermisch hochleitfähige Kernmaterial 12 kann
ausgewählt
werden aus jedem Material, das eine hohe thermische Leitfähigkeit hat,
einschließlich
pyrolytischem Graphit, druckgehärtetem
pyrolytischem Graphit, thermischem pyrolytischem Graphit, hochgeordnetem
pyrolytischem Graphit, synthetischem Diamant, hochgeordnetem Bornitrid,
druckgehärtetem
Bornitrid, thermischem pyrolytischem Graphit, pyrolytischem Graphit,
hexagonalem Bornitrid und kubischem Bornitrid. Die thermische Leitfähigkeit
des thermisch hochleitfähigen Kernmaterials 12 in
der Ebene muss für
jedes der pyrolytischen Graphit-Kernmaterialien und synthetischen
Diamant größer sein
als 200 W/mK und vorzugsweise größer als
500 W/mK.
-
Das
Bindemittel 15 kann ausgewählt werden aus jeder herkömmlichen
organischen Klebstoffzusammensetzung, vorzugsweise aus einer acrylischen
oder thermisch härtenden
Epoxy-Verbindung oder jedem Thermoplasten, der stark genug ist,
um den Kernstreifen 12 zu sichern. Alternativ kann das Bindemittel
ein Material auf Metallbasis, wie z.B. ein Lot, Hartlötlegierung
sein, oder es kann durch eutektische Mischungen von zwei oder mehr
Metallen repräsentiert
werden.
-
Die
Verkleidung oder Folienstreifen 13 und 14 sind
vorzugsweise rechtwinklig in ihrer Geometrie (obwohl nicht darauf
eingeschränkt)
und zusammengesetzt aus einem Metallblatt mit vorzugsweise hoher
Leitfähigkeit,
wie z.B. Aluminium, Kupfer, Silber, Gold, Nickel, Beryllium, Zinn,
Blei und Stahl, oder einer Legierung davon oder einem Komposit,
wie z.B. Kovar, Kupfer-Wolfram, Kupfer-Molybdän, Invar, Aluminium-Beryllium
und Zinn-Blei. Alternativ können die
Folienstreifen 13 und 14 aus organischem Material
gebildet sein, d. h. einem Kunststoff Mylar, Kapton, Polyamid oder
einem Paralyn, oder können
zusammengesetzt sein aus einem Polymer-Verbundstoff wie z.B. glasfaserorganischen
Verbundstoffen, kohlenfaserorganischen Verbundstoffen oder kevlarfaserorganischen
Verbundstoffen. Für
die Flexibilität sollten
die Folienstreifen 13 und 14 dünn sein, relativ zur Dicke
des Kernmaterials 12, wobei jedes der Verkleidungsblätter eine
Dicke von zwischen etwa 2 Mikron und 2 Millimetern und vorzugsweise
eine maximale Dicke in der Größenordnung
von 10–25
Mil hat. Das Volumenanteilsverhältnis
von Kernmaterial 12 zu den Verkleidungsblättern, einschließlich dem
Bindemittel 15, falls angewendet, sollte zwischen etwa
5 und 95% sein. Die Folienstreifen 13 und 14 sollten
etwas größer in der
Größe relativ
zu dem Kernstreifen 12 sein, sowohl in der Breite als auch
in der Länge, so
dass wie in 3 gezeigt eine Überlappung
existiert, welche das vollständige
Umhüllen
des Kernstreifens 12 vereinfacht. Der Verbindungsklebstoff 15 kann über die
vollständige
Fläche
der inneren Oberfläche
von jedem Metallfolienstreifen 13 und 14 auf jede
der angrenzenden Seiten 16 und 17 beschichtet werden,
so dass das Klebstoffmaterial 12 keine Luftlücken oder
Löcher
zwischen dem Kernstreifen 12 und den Folienstreifen 13 und 14 zulässt. Alternativ können die
Metallfolien lediglich um den überlappenden
Umfang herum, der sich von dem Folienstreifen 12 an erstreckt,
beschichtet werden. Der Bindungsklebstoff laminiert die Metallfolienstreifen
beim Zusammenbau aneinander, um eine integrierte Struktur zu bilden,
in welcher der pyrolytische Graphitkernstreifen 12 vollständig eingeschlossen
ist und durch die Metallfolienstreifen 13 und 14 getragen
wird.
-
Der
Kernstreifen 12 stellt den primären oder einzigen thermischen
Pfad für
die Wärmebewegung zur
Verfügung.
Die Oberflächenblätter 13 und 14 stellen
Schutz für
den Kernstreifen zur Verfügung
und wirken als eine Barriere, die sicherstellt, dass das Kernmaterial 12 keine
zerstörenden
Teilchen oder Gase in die Umwelt entlässt. Die Verkleidungsblätter 13 und 14 erhöhen auch
die Einfachheit der Handhabung der Wärmeübertragungsvorrichtung 10,
unabhängig
von der Kernmaterialzusammensetzung 12, so dass thermisch
sehr hoch leitfähige
Kernmaterialien in Anwendungen verwendet werden können, wo Platz
das vorherrschende Problem ist.
-
Das
bevorzugte Kernmaterial 12 ist pyrolytischer Graphit und
insbesondere ein gehärteter
pyrolytischer Graphit, der dem Fachmann als thermischer pyrolytischer
Graphit „TPG" bekannt ist, oder
alternativ ein komprimierter gehärteter
pyrolytischer Graphit „CAPG". Diese unterschiedlichen
Graphitmaterialien werden kommerziell hergestellt und sind erhältlich von
Advanced Ceramics Corporation in Cleveland Ohio. Herkömmliche
hoch leifähige
Graphit-verstärkte
Verbundstoffe haben thermische Leitfähigkeit in der Ebene in der
Größenordnung
von 300 W/m-K. CAPG und TPG können
Leitfähigkeiten
gut oberhalb von 1500 W/m-K zur Verfügung stellen.
-
Die
Flexibilität
des Kernstreifens 12 ist abhängig davon, wie dünn er ist.
Die Dicke des Kernstreifens 12 kann von 1 Ångström bis zu ¼" Dicke variieren,
hat jedoch vorzugsweise eine Dicke von zwischen etwa 2 Mikron und
2 Millimetern.
-
Die
Verkleidungsblätter 13 und 14 und
Kern 12 können
integral gebildet werden durch Ablegen der Verkleidungsblätter 13 und 14 über einander
gegenüberliegende
Oberflächen
des Kernmaterials 12, um die gegenüberliegenden Oberflächen der
Wärmeübertragungsvorrichtung 10 zu
bilden, unter Verwendung jedes herkömmlich bekannten Beschichtungsverfahrens,
wie z.B. chemischer Dampfablagerung, physikalischer Dampfablagerung,
Plasmadampfablagerung, Elektroplattieren, stromloses Plattieren,
Eintauchen und Aufsprühen.
Der Aufbau kann nachfolgend auf die Beschichtungsoperation durch Zuschneiden
oder Abschneiden von überschüssigem Material
fertig gestellt werden, um die Endform herzustellen. Alternativ
können
Streifen von Verkleidungsblättern 13 und 14 auf
die einander gegenüberliegenden
Seiten des Kerns 12 übereinander
gelegt werden, wobei die Blätter 13 und 14 unter
Druck und/oder Temperatur miteinander verbunden werden, um eine
Diffusionsbindung zwischen den Verkleidungsblättern 13 und 14 und
vorzugsweise der Peripherie des Kernmaterials 12 zu bilden.
Die gleiche Fertigstellungsoperation des Zuschneidens oder Abschneidens
kann verwendet werden, um die Endform zu bilden.
-
Wenn
ein Klebstoff eingesetzt wird, kann er durch Bemalen, Aufsprühen oder
Eintauchen des Klebstoffs auf die einander gegenüberliegenden Innenoberflächen der
Verkleidungsblätter 12 und 13 aufgebracht
werden.
-
In 1 ist
die zusammengesetzte Wärmeübertragungsvorrichtung 10 in
physikalischer Verbindung zwischen einer Wärmequelle 2 und einer
Wärmesenke 3 gezeigt,
die durch einen wesentlichen Abstand voneinander getrennt sein können und
in Bereichen, die nicht leicht zugänglich sind. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 10 ist
leicht biegbar und so geformt, dass sie durch jede herkömmliche
Vorrichtung unter Verwendung einer Klammer oder eines Bolzens oder
durch Schweißen
oder Löten
zum Befestigen der Wärmeübertragungsvorrichtung 10 mit der
entsprechenden Wärmequelle 2 und
der Wärmesenke 3 verbunden
werden kann.
-
Die
Grenzfläche
zwischen den Metallverkleidungsblättern 13 und 14 und
dem Kernmaterial 12 erlaubt physikalischen Kontakt über das
Bindemittel. In der Ausführungsform
von 2 und 3 sind durchgehende Löcher 20 gezeigt,
die im Abstand voneinander durch das Kernmaterial hindurchgehen, um
einen Strukturpfad zwischen den gegenüberliegenden Verkleidungsblättern zur
Verfügung
zu stellen. Dieses Einbringen von durchgängigen Löchern 20 ist sehr
wichtig, da sie die Tendenz des laminierten Wärmeübertragungsaufbaus 10 zur
Delaminierung minimieren. Zusätzlich
kann, wenn kein Klebstoffverwendet wird, das Paar aus flexiblen
Verkleidungsblättern,
egal ob aus Metall oder aus organischer Zusammensetzung, unter Druck
und/oder Temperatur verbunden werden, um einen integrierten Wärmeübertragungskörper zu
bilden, wobei die Verkleidungsblätter 13 und 14 eine
Diffusionsbindung zwischen den Verkleidungsblättern und der Umfangskante
des Kerns 12 und an den hindurchgehenden Lochstellen bilden.
Die durchgehenden Löcher 20 können, falls
gewünscht,
mit einem Material gefüllt werden,
das zu der Zusammensetzung der Verkleidungsblätter korrespondiert, oder mit
jeder anderen gewünschten
Materialzusammensetzung, um ein festes Volumen zur Verfügung zu
stellen, welches strukturelle Unterstützung zur Verfügung stellt.
Zusätzlich
können
die gefüllten
durchgehenden Löcher 20 dazu
verwendet werden, eingefädelte
Befestigungen und/oder Ausrichtungsstifte zu tragen.