EP2539932A1 - Temperiersystem - Google Patents

Temperiersystem

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Publication number
EP2539932A1
EP2539932A1 EP11704801A EP11704801A EP2539932A1 EP 2539932 A1 EP2539932 A1 EP 2539932A1 EP 11704801 A EP11704801 A EP 11704801A EP 11704801 A EP11704801 A EP 11704801A EP 2539932 A1 EP2539932 A1 EP 2539932A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
film
laminated body
heat
thermal conductivity
tempering system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11704801A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Zach
Martin Reinthaler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Publication of EP2539932A1 publication Critical patent/EP2539932A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/25—Arrangements for cooling characterised by their materials
    • H10W40/251—Organics

Definitions

  • the invention relates to a tempering system according to the preamble of claim 1 and of claim 2.
  • a tempering system with an electronic component as the heat source is known.
  • a flexible film made of graphite expander is attached, which serves as a so-called heat spreader, ie for rapid heat distribution of local overheating of the component in the surface direction of the film.
  • the film has a high thermal conductivity in the surface direction, which is at least 20 times the thermal conductivity of its thickness direction. This strong aniosotropy of the thermal conductivity arises from the fact that, in the production of the film, the concertina or worm-shaped graphite expandate particles are aligned in the surface direction of the film.
  • Heat energy can thus be dissipated very rapidly in the surface direction of the film with the film, but not in the thickness direction of the film.
  • the heat is released to the environment thus on the front + sides of the film and moderately on the relatively large surface of the film, in this case, the relatively poor thermal conductivity in the thickness direction is a hindrance.
  • the use of large surfaces for heat dissipation is not very effective there.
  • a board with a variety of components from which the heat must be dissipated there is quickly a problem with the available space above the board.
  • such a film covers large parts of the board, so that it can come to heat accumulation elsewhere and also the parts in question are not accessible from above, e.g. for visual inspection or placements.
  • a layered body of a multiplicity of layers of graphite expanded material which are layered on top of each other and bonded to one another, said layer being produced by means of a flexible cutting section as described above.
  • Place film of graphite expander is mounted on the component.
  • it is arranged with the end faces of the stacked and bonded together films on one side of the interface film, while the other side of the interface film is connected to the heat source.
  • the heat energy emitted by the heat source thus initially spreads rapidly in the surface direction of the interface film and only then passes on to the layer body, which then conducts the heat energy from the one end faces of the layer foils to their further end faces and releases them from there to the environment.
  • An embodiment of the tempering system according to the invention is characterized in that the laminated body is compressed in at least one of the surface directions of the film to form the heat dissipator, wherein the contact surface is perpendicular to the at least one surface direction of the film, in which the laminated body is compressed.
  • a further embodiment of the tempering system according to the invention is characterized in that the heat dissipator has a density of 1.3-2.2 g / cm 3 , preferably of 1.6-2.0 g / cm 3 and a ratio of the heat conductivity of the heat dissipator in a surface direction extending substantially parallel to the contact surface for thermal conductivity of the heat sink in a direction of thickness substantially perpendicular to the contact surface is greater than 1 and less than 15, preferably greater than 1 and less than 10, more preferably greater than 1 and less than 5 ,
  • the thermal conductivity of the cherries abieiters in a compression direction of the film in which the laminated body is compressed be lower than the thermal conductivity of the film of the uncompressed composite in the compression direction or the same size as this.
  • Advantageous values of this thermal conductivity of the heat dissipator in the compression direction can be 20-450 W / (m K), preferably 25-400 W / (m K) and particularly preferably 30-300 W / (m K). Particular preference is given to values of the heat conductivity of the heat dissipator in the compression direction of 40-200 W / (m K), in particular 50-150 W / (m K).
  • the thermal conductivity of the cherriesabieiters perpendicular to the surface directions of the film of the uncompressed composite body may be greater than the thermal conductivity of the uncompressed composite in the same direction.
  • Advantageous values of this heat conductivity of the heat dissipator may be 150-450 W / (m K), preferably 200-370 W / (m K) and particularly preferably 250-350 W / (m K).
  • the heat dissipator has a density of 1.3 to 2.2 g / cm 3 , preferably of 1.6 to 2.0 g / cm 3 and particularly preferably of 1 to 7 to 9 g / cm 3 .
  • the laminate may be compressed from a density of 0.5-1.1 g / cm 3 of the starting film to the heat sink.
  • the heat sink may be compressed so much that it is stiff, making it easy to handle.
  • the heat-dissipator may have shaped cooling fins for the improved heat dissipation during the compression of the layered body.
  • the cooling fins may extend into the at least one surface direction in which the layered body is compressed.
  • the film may consist of compressed graphite expandate.
  • the film may consist of a Seal composed mixture of largely uniformly mixed with plastic particles and / or resin systems graphite expander exist to increase the stability of the film and the laminate formed therefrom and banksabieiters.
  • a plastic reinforcement can also be done by infiltration of a graphite foil with plastic.
  • Thermoplastics, thermosets or elastomers can advantageously be used as plastics, in particular fluoropolymer, PE, PVC, PP, PVDF, PEEK, benzoaxins, phenolic resin, furan resin and / or epoxy resins.
  • metal particles into the film production as particles. This can additionally improve the thermal conductivity.
  • metal particles Cu, Al and their alloys can be used.
  • the layered body may be formed from a film coiled in the form of a cylinder spiral, thereby providing a compact layered body which can not fall apart into different individual layers of the film.
  • the laminated body may be formed from a plurality of superimposed individual graphite expander-containing films or sheets, which may preferably be glued or pressed together.
  • a metal foil may be introduced and compressed at least between individual individual layers of the film and / or partially.
  • Cu, Al, Ag, Au and their alloys are suitable as metal foil.
  • the temperature control system may preferably contain an electronic or electrical component as the heat source.
  • a heat dissipator described in detail above and below in the case of an electronic and / or electrical components can be used both for rapid distribution of local excess heat and for avoiding Hot spots as well as to dissipate heat energy of the component to the environment.
  • FIG. 2 shows a cross section through the central axis of the layered body from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a cross section through a Wärmabieiter.
  • Fig. 5 is a schematic side view of a tempering system according to the invention.
  • a cylinder-shaped laminated body 1 shown in FIG. 1 is wound from a sheet 2 of expanded graphite.
  • some individual layers of the laminated body 1 are identified by the reference numeral 3.
  • the production of graphite expandate is well known, for example from US Pat. No. 3,404,061 A or DE 103 41 255 B4.
  • the graphite expandate thus obtained consists of worm-shaped or accordion-shaped aggregates.
  • the graphite expander is then compacted under the direction of a pressure, so that the layer planes of the graphite preferably arrange perpendicular to the direction of action of the pressure and the individual units interlock with each other.
  • a flexible sheet of graphite expanded material can be obtained, which, for example, can be wound up.
  • a film suitable for use herein is manufactured and sold by the Applicant or its affiliates under the trademark SIGRAFLEX. In the embodiment of FIG.
  • the graphite expander film 2 is wound with a density of 0.7 g / cm 3 , a thickness of 0.5 mm, a width of 7 mm and a length of 90 cm to the laminated body 1.
  • a density of 0.7 g / cm 3 a density of 0.7 g / cm 3 , a thickness of 0.5 mm, a width of 7 mm and a length of 90 cm to the laminated body 1.
  • FIGS. 1 and 2 only some of the spiral windings of the laminated body 1 have been indicated in FIGS. 1 and 2.
  • the film 2 has in its surface directions, ie in the height direction marked Z in FIG. 1 and the circumferential direction of the layered body 1 marked U, a high thermal conductivity, typically around 180 W / (m K). In a radius direction designated R in FIG. 2, which in the cross section of FIG. 2 corresponds to the thickness direction of the film 2, it has a significantly lower thermal conductivity than in the surface directions, typically around 5 W / (m K).
  • the layers 3 are wound on one another in the surface directions Z, U of the film 2 extending surfaces 3a, 3b.
  • the laminated body 1 is inserted into a mold or die and then pressed together by means of a punch in the Z direction, ie in one of the surface directions of the laminated body 1, whereby the layers 3 be compressed and partially fold, as indicated schematically in Fig. 3.
  • the direction in which the laminated body 1 is compressed is also referred to as the compression direction K.
  • the sauceabieiter 4 can be compressed instead of the cylindrical shape shown here in other forms, for example, a cuboid or square with rounded corners.
  • the thermal diverter 4 then typically has a thermal conductivity in the compression direction K or thickness direction D of 60 W / (m K). Perpendicular to the compression direction K, ie in the R direction of the layer body or inassinhchtung F of the heat sink 4, however, the thermal conductivity of the heat sink 4 increases significantly.
  • the heat dissipator 4 then typically has a thermal conductivity in its surface direction F, ie perpendicular to the compression direction K, of 260 W / (m K).
  • the Wärmabieiter 4 due to its uniform thermal conductivity in its thickness direction D and its surface directions F for a local heat surpluses quickly distribute in its surface directions F, on the other hand also quickly derive heat energy from a heat source and quickly dissipate the heat energy dissipated to the environment.
  • a heat dissipator 5 from FIG. 4 substantially corresponds to the heat dissipator 4 shown in FIG. 3, so that in the following, the same reference numerals are used for the same elements and, above all, the differences are discussed.
  • the heat dissipator 5 has no upper, smooth surface in FIG. 4, but rather cooling fins 6 for enlarging the heat-effective surface.
  • the cooling fins 6 can be easily produced by pressing the laminated body 1 in which e.g. the pressure stamp, with which the laminated body 1 is pressed into the die, has a negative shape corresponding to the cooling fins 6. Since the heat conductivity of the heat dissipater 5 in its surface directions F is greater than the thermal conductivity of the unpressed film 2 in its thickness direction (R direction in FIG. 2), fast heat energy can be dissipated on all sides of the cooling fins 6.
  • cooling fins 6 may advantageously be formed of metal.
  • the temperature control system 7 has a heat source designed as an electronic IC component 8, which is soldered to a circuit board 10 in a known manner with connection pins 9.
  • IC component an electronic component
  • other corresponding electronic or electrical components can also serve as a heat source.
  • Such components have in common that they in operation, especially when used in computers, controls, microprocessor controls, light emitting diodes, etc., heat, and this heat energy must be dissipated.
  • clock frequencies in the field of processor technology cooling of such components or entire groups of components is becoming increasingly important.
  • an advantageous heat dissipator 4 according to the embodiment in Fig. 3 in a conventional manner with a perpendicular to the surface directions Z, U of the film 2 of the uncompressed composite body 1, in Fig. 5 lower surface 4a flush with the upper upper surface of the component 8 glued, preferably by means of a planteleitklebers.
  • the heat dissipater 4 may advantageously be provided on a contact surface 4a with an adhesive film in order to be easily adhered to the component 8.
  • an adhesive film can also be mounted on a top in Fig.
  • the heat generated during operation of the component 8 due to the good thermal conductivity of the Vietnamese abieiters 4 in the thickness direction D is rapidly dissipated via the contact surface 4a of the banksabieiters 4 in the Vietnamese abieiter 4 and because of its good thermal conductivity in its surface direction F there quickly and evenly distributed. Because of its good thermal conductivity in the thickness direction D, the thermal energy introduced into the heat dissipator 4 is also quickly transported to the heat dissipation surface 4b of the heat dissipater 4 facing away from the component 8, where it is released over a large area to the environment.
  • the front surfaces adjoining the surfaces 4a, 4b of the heat dissipator 4 can also be used for heat dissipation to the environment. Thus, the probability of local heat overheating or heat build-up in the component 8 as well as in the heat dissipator 4 is reduced, even completely prevented during normal operation.
  • the heat dissipator 5 shown in FIG. 4 can also be used, whereby the speed of heat emission to the environment can be further increased.
  • the low aniosotropy of the thermal conductivity of the heat dissipator 4 or 5 allows an advantageous use of the above-described slaughter abieiter 4 and 5 as a heat sink for electronic and / or electrical components for rapid distribution of local excess heat and avoid hot spots and for the dissipation of heat energy to the Surroundings. It is also possible, instead of a laminated body 1 wound from the graphite expandable film 2, to use a layered body of individual graphite expanded sheets or sheets which are laid on one another in a planar manner and which can advantageously be pressed or glued together. This layered body is then also advantageously compressed in one or both surface directions of the graph itexpandatfolien or plates to a townabieiter. Again, a variety of differently shaped, advantageously flat heat sinks can be provided.
  • its end faces may advantageously be sealed with a lacquer or a film in order to avoid detachment of graphite particles.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Temperiersystem (7) mit einer Wärmequelle (8) und einem mit einer Kontaktfläche (4a) darauf angebrachten Wärmeableiter (4, 5), der aus einem aus mehreren Schichten (3) einer Graphitexpandat enthaltenden Folie (2) gebildeten Schichtkörper (1) gebildet ist, wobei die Schichten (3) mit in Flächenrichtungen (Z, U) der Folie (2) verlaufenden Oberflächen (3a, 3b) aufeinander geschichtet sind und die Wärmeleitfähigkeit der Folie (2) in ihren Flächenrichtungen (Z, U) größer ist als in ihrer Dickenrichtung (R). Erfindungsgemäß ist der Schichtkörper (1) zur Bildung des Wärmeableiters (4, 5) in mindestens eine der Flächenrichtungen (Z, U) der Folie (2) komprimiert, wobei die Kontaktfläche (4a) senkrecht zu der mindestens einen Flächenrichtung (Z, U) der Folie (2) verläuft, in welche der Schichtkörper (1) komprimiert ist.

Description

Temperiersystem
Die Erfindung betrifft ein Temperiersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2.
Aus der US 6,482,520 B1 ist ein Temperiersystem mit einem elektronischen Bauteil als Hitzequelle bekannt. Auf einer Wärmeabführungsseite des Bauteils ist eine flexible Folie aus Graphitexpandat angebracht, welche als sogenannter Heat- Spreader dient, also zur schnellen Wärmeverteilung von lokalen Überhitzungen des Bauteils in Flächenrichtung der Folie. Hierzu weist die Folie eine hohe Wärmeleitfähigkeit in Flächenrichtung auf, welche mindestens das 20-fache der Wärmeleitfähigkeit ihrer Dickenrichtung beträgt. Diese starke Aniosotropie der Wärmeleitfähigkeit entsteht dadurch, dass bei der Herstellung der Folie die Ziehharmonika- bzw. würmchenförmigen Graphitexpandatpartikel in Flächenrichtung der Folie ausgerichtet werden. Mit der Folie kann somit vor allem Wärmeenergie sehr schnell in Flächenrichtung der Folie abgeführt werden, nicht aber in Dickenrichtung der Folie. Die Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgt somit über die Stirn- +seiten der Folie und mäßig über die relativ große Oberfläche der Folie, hierbei ist die relative schlechte Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung hinderlich. Die Ausnutzung der großen Oberflächen für die Wärmeableitung ist dort wenig effektiv. Besonders bei einer Platine mit einer Vielzahl von Bauteilen, von denen die Wärme abgeführt werden muss, gibt es schnell ein Problem mit dem zur Verfügung stehenden Platz über der Platine. Zudem verdeckt eine solche Folie große Teile der Platine, so dass es an anderen Stellen zu Wärmestauungen kommen kann und die betreffenden Teile zudem nicht von oben zugänglich sind, z.B. zur Sichtprüfung oder als Platzierungen für Stecker.
Um diesen Nachteil zu überwinden, wird dort ein Schichtkörper aus einer Vielzahl aufeinander geschichteten und miteinander verklebten Folien aus Graphitexpandat vorgeschlagen, welcher mittels einer oben beschriebenen flexiblen Schnitt- Stellenfolie aus Graphitexpandat auf dem Bauteil angebracht wird. Um eine möglichst gute Wärmeableitung durch den Schichtkörper sicher zu stellen, wird er mit den Stirnseiten der aufeinander geschichteten und miteinander verklebten Folien auf der einen Seite der Schnittstellenfolie angeordnet, während die andere Seite der Schnittstellenfolie mit der Wärmequelle verbunden ist. Die von der Wärmequelle abgegebene Wärmeenergie breitet sich somit zunächst schnell in Flächenrichtung der Schnittstellenfolie aus und geht erst dann auf den Schichtkörper über, der die Wärmeenergie dann von den einen Stirnseiten der Schichtfolien zu deren weiteren Stirnseiten leitet und von dort an die Umgebung abgibt.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Temperiersystem bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile überwindet und eine schnelle und effektive Wärmeableitung bei geringem Platzbedarf ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Temperiersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausgestaltungen des Temperiersystems sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Ausführung des Temperiersystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkörper zur Bildung des Wärmeabieiters in mindestens eine der Flächenrichtungen der Folie komprimiert ist, wobei die Kontaktfläche senkrecht zu der mindestens einen Flächenrichtung der Folie verläuft, in welche der Schichtkörper komprimiert ist. Eine weitere erfindungsgemäße Ausführung des Temperiersystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabieiter eine Dichte von 1 ,3-2,2 g/cm3, bevorzugt von 1 ,6-2,0 g/cm3 aufweist und ein Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters in einer im wesentlichen parallel zur Kontaktfläche verlaufenden Flächenrichtung zur Wärmeleitfähigkeit des Wärme- ableiters in einer im wesentlichen senkrecht zur Kontaktfläche verlaufenden Dickenrichtung größer als 1 und kleiner als 15, bevorzugt größer als 1 und kleiner als 10, besonders bevorzugt größer als 1 und kleiner als 5 ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Temperiersystems kann die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters in eine Kompressionsrichtung der Folie, in welche der Schichtkörper komprimiert ist, geringer sein als die Wärmeleitfähigkeit der Folie des unkomprimierten Schichtkörpers in Kompressionsrichtung oder gleichgroß wie diese. Vorteilhafte Werte dieser Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters in Kompressionsrichtung können 20-450 W/(m K), bevorzugt 25-400 W/(m K) und besonders bevorzugt 30-300 W/(m K) betragen. Besonders bevorzugt sind Werte der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters in Kompressionsrichtung von 40-200 W/(m K), insbesondere 50-150 W/(m K).
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Temperiersystems kann die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters senkrecht zu den Flächenrichtungen der Folie des unkomprimierten Schichtkörpers größer sein als die Wärmeleitfähigkeit des unkomprimierten Schichtkörpers in dieselbe Richtung. Vorteilhafte Werte dieser Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters können 150-450 W/(m K), bevorzugt 200-370 W/(m K) und besonders bevorzugt 250-350 W/(m K) betragen.
Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn der Wärmeabieiter eine Dichte von 1 ,3- 2,2 g/cm3, bevorzugt von 1 ,6-2,0 g/cm3 und besonders bevorzugt von 1 ,7- 1 ,9 g/cm3 aufweist. In einer vorteilhaften Ausführung kann der Schichtkörper von einer Dichte von 0,5-1 ,1 g/cm3 der Ausgangsfolie zu dem Wärmeabieiter komprimiert sein.
Vorteilhaft kann der Wärmeabieiter so stark komprimiert sein, dass er steif ist, wodurch er leicht zu handhaben ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Temperiersystems kann der Wärmeablei- ter bei der Komprimierung des Schichtkörpers geformte Kühlrippen zur verbesserten Wärmeableitung aufweisen. Vorteilhaft können die Kühlrippen sich in die mindestens eine Flächenrichtung, in die der Schichtkörper komprimiert ist, erstrecken.
Fertigungstechnisch vorteilhaft kann die Folie aus verdichtetem Graphitexpandat bestehen. In einer alternativen Ausführung kann die Folie aus einem vor der Ver- dichtung gebildeten Gemisch aus weitgehend gleichmäßig mit Kunststoffpartikeln und/oder Harzsystemen vermischtem Graphitexpandat bestehen, um die Stabilität der Folie und des daraus gebildeten Schichtkörpers und Wärmeabieiters zu erhöhen. Eine Kunststoffverstärkung kann auch durch Infiltration einer Graphitfolie mit Kunststoff erfolgen. Vorteilhaft können als Kunststoffe Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere verwendet werden, insbesondere Fluorpolymer, PE, PVC, PP, PVDF, PEEK, Benzoaxine, Phenolharz, Furanharz und/oder Epoxidharze.
Alternativ oder zusätzlich können des Weiteren vorteilhaft als Partikel Metallpartikel bei der Folienherstellung eingebracht werden. Dies kann die Wärmeleitfähigkeit zusätzlich verbessern. Als Metallpartikel können Cu, AI und deren Legierungen eingesetzt werden.
In einer Ausführung der Erfindung kann der der Schichtkörper aus einer zylinderspiralförmig aufgewickelten Folie gebildet sein, wodurch ein kompakter Schichtkörper bereitgestellt wird, der nicht in unterschiedliche Einzellagen der Folie auseinanderfallen kann. In einer alternativen Ausführung der Erfindung kann der Schichtkörper aus einer Vielzahl von aufeinander gelegten einzelnen, Graphitexpandat enthaltenden Folien oder Platten gebildet sein, welche bevorzugt miteinander verklebt oder verpresst sein können.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann zumindest zwischen einzelnen Einzellagen der Folie und/oder teilbereichsweise eine Metallfolie eingebracht und komprimiert sein. Als Metallfolie kommen vorteilhaft insbesondere Cu, AI, Ag, Au und deren Legierungen in Frage.
Bevorzugt kann das Temperiersystem als Wärmequelle ein elektronisches oder elektrisches Bauteil enthalten.
In einer vorteilhaften Ausführung kann ein oben und nachfolgend detailliert beschriebener Wärmeabieiter bei einem elektronischen und/oder elektrische Bauteile sowohl zur schnellen Verteilung lokaler Überschusswärme, zur Vermeidung von Hot Spots als auch zur Ableitung von Wärmeenergie des Bauteils an die Umgebung verwendet werden.
Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schichtkörper zur Herstellung eines Wärmeabieiters;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Mittelachse des Schichtkörpers aus Fig. 1 ;
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Wärmabieiter;
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen alternativen Wärmeabieiter;
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Temperiersystems.
Ein in Fig. 1 gezeigter zylinderförmiger Schichtkörper 1 ist aus einer Folie 2 aus Graphitexpandat gewickelt. Exemplarisch sind einige einzelne Schichten des Schichtkörpers 1 mit der Bezugsziffer 3 gekennzeichnet.
Die Herstellung von Graphitexpandat ist hinlänglich bekannt, beispielsweise aus der US 3,404,061 A oder DE 103 41 255 B4. Das so erhaltene Graphitexpandat besteht aus wurm- bzw. ziehharmonikaförmigen Aggregaten. Das Graphitexpandat wird dann unter gerichteter Einwirkung eines Drucks verdichtet, so dass sich die Schichtebenen des Graphits bevorzugt senkrecht zur Einwirkungsrichtung des Drucks anordnen und sich die einzelnen Aggregate untereinander verhaken. Hierdurch kann eine flexible Folie aus Graphitexpandat erhalten werden, welche z.B. aufwickelbar ist. Eine für die vorliegende Verwendung geeignete Folie wird von der Anmelderin bzw. deren verbundenen Unternehmen unter dem Markennamen SIGRAFLEX hergestellt und vertrieben. Bei der Ausführung nach Fig. 3 wird die Graphitexpandat-Folie 2 mit einer Dichte von 0,7 g/cm3, einer Dicke von 0,5 mm, einer Breite von 7 mm und einer Länge von 90 cm zum Schichtkörper 1 gewickelt. Zum besseren Verständnis wurden in Fig. 1 und 2 lediglich einige der spiralförmigen Wicklungen des Schichtkörpers 1 angedeutet.
Die Folie 2 weist in ihren Flächenrichtungen, also in der in Fig. 1 mit Z gekennzeichneten Höhenrichtung und mit U gekennzeichneten Umfangsrichtung des Schichtkörpers 1 eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, typischerweise um die 180 W/(m K). In einer in Fig. 2 mit R bezeichnete Radiusrichtung, welche im Querschnitt von Fig. 2 der Dickenrichtung der Folie 2 entspricht, weist diese eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als in den Flächenrichtungen auf, typischerweise um die 5 W/(m K). Die Schichten 3 sind mit in den Flächenrichtungen Z, U der Folie 2 verlaufenden Oberflächen 3a, 3b aufeinander gewickelt.
Um die starke Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit des Schichtkörpers 1 der Folie 2 zu verringern, wird der Schichtkörper 1 in eine Pressform oder Matrize eingesetzt und dann mittels eines Stempels in Z-Richtung, also in eine der Flächenrichtungen des Schichtkörpers 1 , zusammengepresst, wodurch die Schichten 3 gestaucht werden und sich teilweise zusammenfalten, wie in Fig. 3 schematisch angedeutet. Die Richtung, in der der Schichtkörper 1 komprimiert wird, wird auch als Kompressionsrichtung K bezeichnet. Hierdurch entsteht ein Wärmeabieiter 4 mit einer Dichte von 1 ,8 g/cm3, einer Dicke von 3 mm (in Dickenrichtung D) und einem Durchmesser von 22,5 mm. Der Wärmeabieiter 4 kann anstelle der vorliegend dargestellten zylindrischen Form auch in andere Formen komprimiert werden, beispielsweise zu einem Quader oder mit quadratischer Fläche mit abgerundeten Ecken.
Durch die Komprimierung nimmt die Wärmeleitfähigkeit des Schichtkörpers 1 in Kompressionsrichtung K deutlich von den oben genannten Werten der Folie 2 in dieser Flächenrichtung ab, der Wärmeabieiter 4 hat dann typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit in Kompressionsrichtung K bzw. Dickenrichtung D von 60 W/(m K). Senkrecht zur Kompressionsrichtung K, also in R-Richtung des Schicht- körpers bzw. in Flächenhchtung F des Wärmeableiters 4 hingegen nimmt die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeableiters 4 deutlich zu. Der Wärmeabieiter 4 hat dann typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit in seine Flächenrichtung F, also senkrecht zur Kompressionsrichtung K, von 260 W/(m K).
Auch wenn die Wärmeleitfähigkeit in Kompressionsrichtung K bzw. Dickenrichtung D des Wärmeableiters 4 deutlich niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit der Folie 2 des unkomprimierten Schichtkörpers 1 in diese Richtung, so ist die Wärmeleitfähigkeit in diese Richtung deutlich höher, vorliegend um fast das 10fache, als bei der bekannten Verwendung einer Graphitexpandatfolie, wie in der
US 6,482,520 B1 beschrieben. Die Anisotropie zwischen der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeableiters 4 in seine Flächenrichtungen senkrecht zur Kompressionsrichtung K und seiner Wärmeleitfähigkeit in Kompressionsrichtung K bzw. Dickenrichtung D kann somit deutlich verringert werden. Im Vergleich zu dem in der US 6,482,520 B1 definierten Quotient mit einem dort angegebenen Mindestwert von 20 beträgt der entsprechend definierte Quotient zwischen der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeableiters 4 in seine Flächenrichtungen senkrecht zur Kompressionsrichtung K und seiner Wärmeleitfähigkeit in Kompressionsrichtung K im vorliegenden Fall nunmehr 4,3 (260 W/(m K) zu 60 W/(m K)).
Deshalb kann der Wärmabieiter 4 aufgrund seiner gleichmäßigeren Wärmeleitfähigkeit in seiner Dickenrichtung D und seinen Flächenrichtungen F zum einen lokale Wärmeüberschüsse schnell in seine Flächenrichtungen F verteilen, zum anderen aber auch Wärmeenergie schnell aus einer Wärmequelle ableiten und die abgeleitete Wärmeenergie schnell an die Umgebung abgeben.
Neben der geringeren Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit in Flächenrichtung F und Dickenrichtung D des Wärmeableiters 4 ergibt sich aufgrund seiner Komprimierung als weiterer Vorteil ein fester, formstabiler Wärmabieiter 4, der einfach zu handhaben ist und wesentlich umfangreichere Gestaltungsmöglichkeiten der Form und Dicke aufweist als eine herkömmliche Graphitfolie. Ein Wärmeableiter 5 aus Fig. 4 entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 3 gezeigten Wärmeabieiter 4, so dass im nachfolgenden für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden und vor allem auf die Unterschiede eingegangen wird.
Im Gegensatz zu dem in Fig. 3 gezeigten Wärmeableiter 4 weist der Wärmeableiter 5 keine in Fig. 4 obere, glatte Oberfläche auf, sondern Kühlrippen 6 zur Vergrößerung der wärmwirksamen Oberfläche. Die Kühlrippen 6 können auf einfache Weise beim Pressen des Schichtkörpers 1 hergestellt werden, in dem z.B. der Druckstempel, mit dem der Schichtkörper 1 in die Matrize gepresst wird, eine den Kühlrippen 6 entsprechende Negativform aufweist. Da die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters 5 in seine Flächenrichtungen F größer ist als die Wärmeleitfähigkeit der ungepressten Folie 2 in ihre Dickenrichtung (R-Richtung in Fig. 2), kann an allen Seiten der Kühlrippen 6 schnelle Wärmeenergie abgegeben werden.
Alternativ können die Kühlrippen 6 vorteilhaft aus Metall ausgebildet sein.
Ein Beispiel für eine vorteilhafte Verwendung des Wärmeabieiters 4 und ein erfindungsgemäßes Temperiersystem 7 zeigt Fig. 5. Das Temperiersystem 7 weist eine als elektronisches IC-Bauteil 8 ausgebildete Wärmequelle auf, welche in bekannter Weise mit Anschlusspins 9 an einer Platine 10 angelötet ist. Anstelle eines IC-Bauteils können auch andere entsprechende elektronische oder elektrische Bauteile als Wärmequelle dienen. Derartigen Bauteilen ist gemein, dass sie sich im Betrieb, gerade bei Verwendung in Computern, Steuerungen, Mikroprozessorsteuerungen, Leuchtdioden etc., erhitzen, und diese Wärmeenergie abgeführt werden muss. Insbesondere bei den zunehmend steigenden Taktfrequenzen im Bereich der Prozessortechnik wird eine Kühlung solcher Bauteile oder ganzer Bauteilgruppen immer wichtiger.
Um die vom Bauteil 8 erzeugte Wärme abzuführen, ist ein vorteilhafter Wärmeableiter 4 gemäß der Ausführung in Fig. 3 in an sich bekannter Weise mit einer senkrecht zu den Flächenrichtungen Z, U der Folie 2 des unkomprimierten Schichtkörpers 1 verlaufenden, in Fig. 5 unteren Oberfläche 4a bündig auf die obere Ober- fläche des Bauteils 8 angeklebt, bevorzugt mittels eines Wärmeleitklebers. Hierzu kann der Wärmeabieiter 4 vorteilhaft auf einer Kontaktfläche 4a mit einer Klebefolie versehen sein, um einfach am Bauteil 8 angeklebt werden zu können. In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführung kann auch auf einer in Fig. 5 oberen Wärmeabgabefläche 4b des Wärmeabieiters 4 eine Klebefolie angebracht sein, um den Wärmeabieiter 4 zusätzlich an einem das Bauteil 8 und/oder die Platine 10 umgebenden Gehäuse oder an einem zusätzlichen, an sich bekannten Kühlkörper befestigt zu werden. Alternativ wird statt der Klebeverbindung eine Klemmverbindung genutzt.
Zunächst wird die im Betrieb erzeugte Wärme des Bauteils 8 aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters 4 in Dickenrichtung D schnell über die Kontaktfläche 4a des Wärmeabieiters 4 in den Wärmeabieiter 4 abgeleitet und aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit in seiner Flächenrichtung F dort schnell und gleichmäßig verteilt. Wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung D wird die in den Wärmeabieiter 4 eingetragene Wärmeenergie auch schnell auf die dem Bauteil 8 abgewandte Wärmeabgabefläche 4b des Wärmeabieiters 4 transportiert, wo sie großflächig an die Umgebung abgegeben wird. Zudem können auch die an die Oberflächen 4a, 4b des Wärmeabieiters 4 angrenzenden Stirnflächen zur Wärmableitung an die Umgebung verwendet werden. Es wird somit die Wahrscheinlichkeit lokaler Wärmeüberhitzungen oder Wärmestaus im Bauteil 8 wie auch im Wärmeabieiter 4 verringert, im Normalbetrieb sogar ganz verhindert.
Anstelle des in Fig. 5 gezeigten Wärmeabieiters aus Fig. 3 kann auch der in Fig. 4 gezeigte Wärmeabieiter 5 verwendet werden, wodurch sich die Geschwindigkeit der Wärmeabgabe an die Umgebung nochmals steigern lässt.
Die geringe Aniosotropie der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters 4 bzw. 5 ermöglicht eine vorteilhafte Verwendung der oben beschriebenen Wärmeabieiter 4 bzw. 5 als Kühlkörper für elektronische und/oder elektrische Bauteile zur schnellen Verteilung lokaler Überschusswärme und Vermeidung von Hot Spots als auch zur Ableitung der Wärmeenergie an die Umgebung. Auch kann anstelle eines aus der Graphitexpandatfolie 2 aufgewickelten Schichtkörpers 1 ein Schichtkörper aus flächig aufeinander gelegten einzelnen Graphit- expandatfolien oder -platten verwendet werden, welche vorteilhaft miteinander verpresst oder verklebt werden können. Dieser Schichtkörper wird dann ebenfalls vorteilhaft in einer oder beide Flächenrichtung der Graph itexpandatfolien oder -platten zu einem Wärmeabieiter komprimiert. Auch hier können eine Vielzahl von unterschiedlich geformten, vorteilhaft flächigen Wärmeableitern bereitgestellt werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, beim Aufwickeln bzw. Laminieren eines Schichtkörpers eine Metallfolie 1 1 zwischen die Graphitexpandat-Folie einzufügen, wie in Fig. 3 dargestellt, wodurch vorteilhaft eine zusätzliche Wärmeleitung in Kompressionsrichtung erreicht werden kann.
Um die Stabilität des Wärmeabieiters 4, 5 zu erhöhen, können seine Stirnseiten vorteilhaft mit einem Lack oder einer Folie versiegelt werden, um eine Ablösung von Graphitpartikeln zu vermeiden.

Claims

Ansprüche
1 . Temperiersystem (7) mit einer Wärmequelle (8) und einem mit einer Kontaktfläche (4a) darauf angebrachten Wärmeabieiter (4, 5), der aus einem aus mehreren Schichten (3) einer Graphitexpandat enthaltenden Folie (2) gebildeten Schichtkörper (1 ) gebildet ist, wobei die Schichten (3) mit in Flächenrichtungen (Z, U) der Folie (2) verlaufenden Oberflächen (3a, 3b) aufeinander geschichtet sind und die Wärmeleitfähigkeit der Folie (2) in ihren Flächenrichtungen (Z, U) größer ist als in ihrer Dickenrichtung (R), dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkörper (1 ) zur Bildung des Wärmeabieiters (4, 5) in mindestens eine der Flächenrichtungen (Z, U) der Folie (2) komprimiert ist, wobei die Kontaktfläche (4a) senkrecht zu der mindestens einen Flächenrichtung (Z, U) der Folie (2) verläuft, in welche der Schichtkörper (1 ) komprimiert ist.
2. Temperiersystem (7) mit einer Wärmequelle (8) und einem mit einer Kontaktfläche (4a) darauf angebrachten Wärmeabieiter (4, 5), der aus einem aus mehreren Schichten (3) einer Graphitexpandat enthaltenden Folie (2) Schichtkörper (1 ) gebildet ist, wobei die Schichten (3) mit in Flächenrichtungen (Z, U) der Folie (2) verlaufenden Oberflächen (3a, 3b) aufeinander geschichtet sind und die Wärmeleitfähigkeit der Folie (2) in ihren Flächenrichtungen (Z, U) größer ist als in ihrer Dickenrichtung (R), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabieiter (4, 5) eine Dichte von 1 ,3-2,2 g/cm3, bevorzugt von 1 ,6-2,0 g/cm3 aufweist und ein Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters (4, 5) in einer im wesentlichen parallel zur Kontaktfläche (4a) verlaufenden Flächenrichtung (R, F) zur Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiter (4, 5) in einer im wesentlichen senkrecht zur Kontaktfläche (4a) verlaufenden Dickenrichtung (Z, D) größer als 1 und kleiner als 15, bevorzugt größer als 1 und kleiner als 10, besonders bevorzugt größer als 1 und kleiner als 5 ist.
3. Temperiersystem (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters (4, 5) in eine Kompressionsrichtung (K) der Folie (2), in welche der Schichtkörper (1 ) komprimiert ist, geringer ist als die Wärmeleitfähigkeit der Folie (2) des unkomprimierten Schichtkörpers (1 ) in Kompressionsrichtung (K) oder gleichgroß.
4. Temperiersystem (7) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters (4, 5) in Kompressionsrichtung (K) 20- 450 W/(m K), bevorzugt 30-300 W/(m K) und besonders bevorzugt 50-150 W/(m K) beträgt.
5. Temperiersystem (7) nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Wärme- ableiters (4, 5) senkrecht zu den Flächenrichtungen (Z, U) der Folie (2) des unkomprimierten Schichtkörpers (1 ) größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des unkomprimierten Schichtkörpers (1 ) in dieselbe Richtung.
6. Temperiersystem (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeabieiters (4, 5) senkrecht zu den Flächenrichtungen (Z, U) der Folie (2) des unkomprimierten Schichtkörpers (1 ) 150-450 W/(m K), bevorzugt 200-370 W/(m K) und besonders bevorzugt 250-350 W/(m K) beträgt.
7. Temperiersystem (7) nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabieiter (4, 5) eine Dichte von 1 ,3-2,2 g/cm3, bevorzugt von 1 ,6-2,0 g/cm3 und besonders bevorzugt von 1 ,7-1 ,9 g/cm3 aufweist.
8. Temperiersystem (7) nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkörper (1 ) von einer Dichte von 0,5-1 ,1 g/cm3 zu dem Wärmeabieiter (4, 5) komprimiert ist.
9. Temperiersystem (7) nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabieiter (4, 5) steif ist.
10. Tempenersystenn (7) nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabieiter (4, 5) bei der Komprimierung des Schichtkörpers (1 ) geformte Kühlrippen (6) aufweist.
1 1 . Temperiersystem (7) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kühlrippen (6) in die mindestens eine Flächenrichtung (Z), in die der Schichtkörper (1 ) komprimiert ist, erstrecken.
12. Temperiersystem (7) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (2) aus verdichtetem Graphitexpandat besteht.
13. Temperiersystem (7) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (2) aus einem vor der Verdichtung gebildeten Gemisch aus weitgehend gleichmäßig mit Kunststoffpartikeln und/oder Harzsystemen vermischtem Graphitexpandat oder mit Kunststoff infiltrierter Graphitfolie besteht.
14. Temperiersystem (7) nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Folienherstellung Metallpartikel zwischen Graphitexpandat eingebracht sind.
15. Temperiersystem (7) nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkörper (1 ) aus einer zylinderspiralförmig aufgewickelten Folie (2) gebildet ist.
16. Temperiersystem (7) nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkörper (1 ) aus einer Vielzahl von aufeinander gelegten einzelnen, Graphitexpandat enthaltenden Folien (2) gebildet ist.
17. Temperiersystem (7) nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwischen einzelnen Einzellagen der Folie und/oder teilbereichsweise eine Metallfolie eingebracht und zusammen mit der Folie komprimiert ist.
18. Tennpenersystenn (7) nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (8) ein elektronisches oder elektrisches Bauteil ist.
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