JP4849758B2 - Method for forming reinforced articles - Google Patents

Method for forming reinforced articles Download PDF

Info

Publication number
JP4849758B2
JP4849758B2 JP2001574342A JP2001574342A JP4849758B2 JP 4849758 B2 JP4849758 B2 JP 4849758B2 JP 2001574342 A JP2001574342 A JP 2001574342A JP 2001574342 A JP2001574342 A JP 2001574342A JP 4849758 B2 JP4849758 B2 JP 4849758B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mold assembly
filler
article
mold
polymer
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.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2001574342A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2003530244A (en
Inventor
マックロフ,ケヴィン,エー.
Original Assignee
クール オプションズ,インコーポレーテッド
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 クール オプションズ,インコーポレーテッド filed Critical クール オプションズ,インコーポレーテッド
Priority claimed from PCT/US2000/009103 external-priority patent/WO2001076844A1/en
Publication of JP2003530244A publication Critical patent/JP2003530244A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4849758B2 publication Critical patent/JP4849758B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/0013Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor using fillers dispersed in the moulding material, e.g. metal particles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/58Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising fillers only, e.g. particles, powder, beads, flakes, spheres
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29KINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
    • B29K2995/00Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds
    • B29K2995/0012Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds having particular thermal properties
    • B29K2995/0013Conductive

Description

【0001】
(発明の背景)
本発明は、一般に、複合材料から強化された物品を成形する改善された方法に関する。より詳細には、本発明は、容易に成形可能であり、知られている材料を用いたとしても従来技術の成形方法よりも数倍大きい伝導率をもたらす、熱伝導性および/または導電性の物品の成形方法に関する。また、本発明は、複合材料から構造的に改善され強化された物品を成形する方法を提供する。「強化された物品」という用語は、導電的であれ、熱伝導性であれ、高強度であれ、任意のタイプのフィラー材料が充填された物品を指すことを理解されたい。したがって、本発明の方法は、導電性の組成物、熱伝導性の組成物、および構造的に強化された組成物に関する。
【0002】
電子産業において、半導体装置パッケージ冷却のための熱散逸、接地応用分野などの、熱的および導電性の応用分野のために金属材料を用いることが良く知られている。ヒート・シンクなどのこれら応用分野のために、金属材料は、一般に、バルク金属から所望の形状に、工具で加工されるかまたは機械で加工される。しかしながら、そのような金属の伝導性物品は、一般に非常に重く、機械加工に費用がかかり、かつ腐食を受けやすい。さらに、機械加工された金属の熱散逸物品の幾何形状は、機械加工または工具加工プロセスに伴う固有の制限に非常に制限される。その結果として、例えば、特定の幾何形状が、単にその設計によってより良好な熱効率を実現するが、金属物品の機械加工における制限のために得ることができないことがわかっているとき特に、所望の形態に機械加工される金属材料の使用の要件は、構成部品設計に対する厳しい制限を与える。
【0003】
熱散逸物品の全体的な幾何形状を改善することで、たとえ材料が同一であっても、物品の全体性能を著しく高めることができることは、従来技術において広く知られている。したがって、改善されたヒート・シンク幾何形状およびより低コストに関する必要性は、バルク金属材料の機械加工の代わりを必要とした。この必要性を満たすために、必要な熱伝導率を提供するために、伝導性フィラー材料を含む成形された組成物を提供するための試みが、従来技術においてなされてきた。伝導性複合物を成形する能力は、より複雑な部品幾何形状の設計が、部品の改善された性能を実現することを可能にした。同様に、所与の物品の導電率も、それが成形できる場合、著しく改善することができる。例えば、形状および構成は、改善された導電率を実現するために、物品を成形することによって著しく改善することができる。さらに、高強度フィラー材料を有する高い構造完全性の成形可能な複合物も知られている。
【0004】
従来技術における試みは、窒化ボロン・グレインなどの顆粒状材料を添加されたポリマー・ベースのマトリクスを用いることを含む。同様に、フレーク状のフィラー材料を添加されたポリマー・ベースのマトリクスを提供する試みがなされた。実際に、これらの試みは、複雑な幾何形状に成形可能であるが、機械加工された金属部品における所望の性能レベルに依然として近づかない。フィラー材料、特に高アスペクト比のフィラー材料が、成形型内のベース・マトリクスの流路と平行に整列することは、当技術分野において知られている。したがって、これらの伝導性複合材料は、成形プロセス中のフィラー整列の問題のために、非常に正確に成形されなければならない。これは、フィラー材料が非対称であるとき、またはフィラーの長さに対する厚みのアスペクト比が1:1以上のときに問題である。正確な成形および設計であっても、流体乱流、すなわち複雑な製品の幾何形状による成形型との衝突という固有の問題は、非対称なフィラーの理想的な配置を不可能にして、したがって組成物の性能を望ましいものよりはるかに低下させる。この問題は、フィラーが10:1より大きいアスペクト比を有するときに悪化する。これは、40:1までのアスペクト比を有するフィラーが一般に用いられるので重大な問題である。
【0005】
さらに、熱伝達は、電気の伝達などの直接経路特性よりもむしろバルク特性であるので、組成物のマトリクス全体が満足ゆくものでなければならない。直接経路は、電気を伝導するのに必要である。しかしながら、熱は、本体の全体体積が伝達に関して使用されるバルクで伝達される。したがって、高い伝導性の狭い導管が、はるかに低い伝導性の本体を通して設けられているとしても、熱伝達は、本体の全体を通して一貫して限界に近い伝導性である本体ほど良好ではない。したがって、複合物本体のマトリクス全体の熱伝導性の一貫性は、全体としての高い熱伝導率にとって重要である。さらに、ポリマー・ベース内の充填されたフィラー材料、特に高アスペクト比のフィラーの適切な整列は、非常に重要である。複合物が導電率に関して用いられるとき、複合物の中のフィラーの配置はまた、フィラーにおける過剰な断続の数が電気伝達を不十分にするという点で非常に重要である。
【0006】
前述の観点から、熱伝導性および/または導電性である複合材料からなる強化された物品を成形する改善された方法が要求されている。同様に、より高い構造完全性のために、高い強度のフィラー材料を含む、または高い強度のフィラー材料で強化された複合材料の成形物品が要求されている。さらに、複合ポリマーおよびフィラー材料を用いること、すなわち、ベース・ポリマー・マトリクスを有するフィラー材料の適切な整列および配置を完全に利用することができる成形方法が要求されている。同様に、そのようなポリマーおよび高アスペクト比のフィラー組成物を複雑な製品幾何形状に容易に成形することを可能にするような方法が要求されている。同様に、純粋な金属伝導性材料と可能な限り近い熱的および電気的伝導性を示し、一方、製造コストが比較的低い物品を形成するための成形方法が要求されている。
【0007】
(発明の概要)
本発明は、伝導性プラスチック組成物から強化された物品を成形する従来技術の方法の利点を維持する。さらに、本発明は、現在までに知られている方法には見出されなかった新規な利点を提供し、そのような現在利用可能な方法の多くの欠点を解消する。
【0008】
本発明は、一般に、ヒート・シンク応用分野、特に熱が、装置故障を防ぐためにある領域から他の領域へ伝達されなければならない応用分野に特定の応用例を有する熱伝導性の物品を、熱伝導性のプラスチック複合材料から成形する新規かつ独特な方法を対象とする。さらに、本発明の方法は、物品が導電性である成形可能な部材を提供できるものとして、電子産業に特定の応用分野を有する物品を提供することができる。本発明の方法は、低い製造コストを依然として維持する一方、ポリマー材料、および高アスペクト比のフィラーなどの伝導性フィラーの複合材料を最も伝導性的に効率的な方法で成形することを可能とする。近い将来の応用分野に従って材料を選択することによって、高い熱伝導性および/または導電性を達成することができる。関連して、フィラーとして高強度の材料を選択すると、射出成形によってなど依然として成形可能である一方、高い構造完全性の成形強化物品を達成することができる。
【0009】
射出成形によってなど、熱伝導性、導電性、および/または構造的に強化された物品の成形方法が提供される。導電性のフィラーが用いられる場合、例えば導電性またはEMI遮蔽などの電気特性を有する物品を達成することができる。熱伝導性のフィラー材料が用いられる場合、熱伝導性の物品が達成される。炭素などの高い強度のフィラーが用いられる場合、構造的に強化された物品を本発明の方法によって達成することができる。同様に、多目的成形物品を提供するために、電気的、熱的、および強度特性の全てを示すフィラーを選択することが可能である。
【0010】
第1に、所望の構成の物品を形成することができる型アセンブリが提供される。次に、熱伝導性のフィラーを用いる熱的な応用分野に関して、熱を発生する表面との物品の初期的な接触位置が決定される。入口ゲートが、初期的な接触位置で型アセンブリに形成される。物品を通る最適な熱流路が決定される。熱的または電気流路の終端位置が決定される。非対称な伝導性フィラーを添加されたポリマーが、入口ゲートを介して型アセンブリに導入される。熱的または電気流路の終端位置の型アセンブリに、通気口が提供される。伝導性フィラーが流路と実質的に平行かつ流路と整列された状態で、ポリマーが型アセンブリ内に配置される。最後に、成形された物品が型アセンブリから排出される。本発明の成形方法により、物品の熱伝導率は、成形する物品本体内のフィラー材料を適切に整列することによって、従来の成形方法で実現される伝導率を数倍に増大することができる。導電性または高い強度のフィラーを使用するとき、前述の方法が用いられる。電気的なフィラーに関して、物品を通る所望の電気流路が決定され、適切な入口および出口ゲートが、フィラーが決定された電気流路に沿って整列されることを確実にするために、所望の経路を維持するように設定される。同様に、構造的フィラーを用いることができ、高い応力点が決定され、破損を防ぐために強化フィラーの適切な整列を確実にするように、ゲートおよび通気口が設定される。
【0011】
したがって、本発明の目的は、熱的に最適化された強化物品の成形方法を提供することである。
したがって、本発明の目的は、電気的に最適化された強化物品の成形方法を提供することである。
したがって、本発明の目的は、構造的に最適化された強化物品の成形方法を提供することである。
【0012】
本発明の目的は、ポリマーと、物品を通して最適な熱伝達のためにフィラーを配置しかつ整列する非対称の高アスペクト比のフィラー材料との強化物品の成形方法を提供することである。
本発明の目的は、ポリマーと、物品を通して最適な電気伝達のためにフィラーを配置しかつ整列する非対称の高アスペクト比のフィラー材料との強化物品の成形方法を提供することである。
本発明の目的は、ポリマーと、物品の最適な構造的強度のためにフィラーを配置しかつ整列する非対称の高アスペクト比のフィラー材料との強化物品の成形方法を提供することである。
【0013】
本発明のさらなる目的は、従来の方法より高い伝導率を達成し、一方、同じポリマーおよびフィラー組成物を用いる伝導性物品の成形方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、従来の方法より高い強度および構造的完全性を達成し、一方、同じポリマーおよびフィラー組成物を用いる伝導性物品の成形方法を提供することである。
【0014】
本発明の他の目的は、高アスペクト比のフィラーを有する強化された複合材料の物品を、複雑な部品幾何形状に成形する方法を提供することである。
本発明の特性である新規な特徴は、添付の特許請求の範囲に示される。しかしながら、さらなる目的および付随する利点とともに、本発明の好ましい実施形態が、添付の図面に関連する以下の詳細な説明を参照することで最も良く理解されるであろう。
【0015】
(好ましい実施形態の詳細な説明)
本発明は、強化された組成物の成形方法に関する。本発明は、熱的および電気的の両方に伝導性であり、かつ/または構造的に強化された物品を形成するために使用できることを理解されたい。本発明の方法によって実現される、熱的、電気的、または構造的な強化のタイプは、所与の応用分野および強化要件に適合するように特定の材料の選択によって達成される。
【0016】
本発明において、射出成形などによる強化された物品の成形方法は、フィラー材料で充填されたベース・ポリマー・マトリクスの複合材料を用い、フィラー材料は、好ましくは、細長いファイバ、ストランド、ライス、またはフレークのいずれかに形成された、アルミニウム、アルミナ、銅、マグネシウム、PITCHベースの炭素、および真鍮材料などの高アスペクト比のフィラーである。前述の材料は成形後、圧縮成形された物品で必要とされるものなどさらなる機械加工の必要なしに、いつでも使用できる状態となるネット・シェイプ成形物品のための熱的または電気的特性を達成するために好適となろう。図1に示されるように、容易に市販で入手可能な従来技術の複合材料2が示される。特に、この従来技術の複合材料2は、一般に、例えば非対称のフィラー材料8で充填された、ポリマーのベース・マトリクス4を示す。この組成物は、図示の明瞭性および容易性のために拡大された詳細で示される。
【0017】
理解されるように、熱伝導性である、導電性である、または構造を強化することができるフィラー8のポリマー・ベース・マトリクス4への充填は、材料に伝導性を与え、一方、材料を成形することができる。熱的な伝導体として用いられるとき、材料2は、例えば材料のX側からY側へ熱的に熱伝達しなければならない。この伝達の間、熱は、XからYへの経路を移動するために、熱伝導性フィラー部材から隣接する熱伝導性フィラー部材へ移動しなければならない。図1における選択されたフィラー8は、好ましくは、いくつかのフィラー部材間の境界面の数、ならびにそれらの間に存在する非伝導性ポリマーを低減するために、高アスペクト比のファイバまたはストランドである。熱が横切らなければならない境界面がより多くなり、かつ熱が通過しなければならないポリマーがより多くなると、熱伝導率がより低下するであろう。さらに、フィラー材料を多く充填しすぎると、ベース・ポリマーの濡れを妨げ、完成された成形製品内に望ましくない小さなエア・ポケットが生じる。
【0018】
図1の組成物の理想的な配置は、ポリマー・ベース・マトリクス4内の高アスペクト比のフィラー4を含む。熱が移動しなければならない境界面の全体数およびベース・ポリマーの体積を効果的に低減するために、高アスペクト比のフィラーを熱流路と可能な限り平行に整列することが重要である。図1は、ベース・ポリマー・マトリクスを有する実際的なフィラー8の配置を示し、フィラー8は、一般に、互いに平行に整列され、かつX側からY側への一般的な所望の熱流れ方向に整列される。しかしながら、図1に見られるように、A側からB側への横断方向の流路は、熱境界面の増大した数、および熱が移動しなければならない非伝導性ポリマーの増大した体積のために、非常に望ましくない。したがって、フィラー8は、熱的な伝導性物品と適正に整列される、すなわち、熱流路と平行に整列されることが重要である。一般の応用分野において、経路X−Yの熱伝導率は、フィラーの整列を横切る経路A−Bの熱伝導率の8倍であることが可能である。例えば、経路A−Bの熱伝導率は、2W/mKであることができ、一方、経路X−Yの熱伝導率は、16W/mKを超える。組成物が可能な限りの電気的な導電性または構造的に強化されたものにすることを試みるときに、同様の問題が発生する。
【0019】
熱もしくは電気フロー、または構造的な応力ラインと平行にかつ整列される強化フィラーを整列する目標は、成形される部品の幾何形状の複雑性のために、しばしば達成することが困難である。前に記載したように、伝導性プラスチック組成物を用いる主な理由の1つは、より良好な熱散逸および電気的なフローを達成するために、より複雑な幾何形状に成形可能であることである。したがって、伝導性ポリマー材料を成形するときに、一般に、入り組んだ部品幾何形状になる。本発明の成形方法は、熱的もしくは電気流路、または構造的な応力ラインに整列する必要があるフィラーを有する材料で、複雑な幾何形状を成形する問題を解決する。
【0020】
これらの入り組んだ幾何形状で、フィラーを充填したマトリクスのフローの乱れは、一般に、フィラー材料の衝突および不均一な整列の結果になる。平行に整列された高アスペクト比のフィラーは明らかに好ましいが、達成することはできない。さらに、フローの乱れおよび型の縁部との衝突は、しばしば高アスペクト比のフィラー、特にフィラーが20:1より大きいアスペクト比を有するときに、該フィラーを破壊する。図1は、ポリマー4内の隣接するフィラー8に実質的に整列されたフィラー8を有する実際的な組成物2を示す。図1は、フィラーを有する成形材料に関連する固有の問題のために、当技術分野で遭遇するものである。以下に詳細に論じるように、本発明の方法は、組成物の所望の強化を低下させることになる高アスペクト比のフィラー8の破壊を低減する、複雑な幾何形状の成形を可能にする。
【0021】
図2Aおよび2Bをまず参照すると、従来技術の成形プロセスを用いて成形された物品が示される。例えば、図2Aは、知られている熱伝導性の物品10の斜視図を示す。特に、熱伝導性の物品10は、ベース12と、それに接続された直立するフィン14とを有するヒート・シンクとして示される。このヒート・シンク10は、一般に、高温装置から熱を取り去る目的のために、半導体パッケージなどの装置(図示せず)の熱を発生する表面に取り付けられる。この熱散逸は、装置が過熱のために故障しないことを確実にするために、特に電子応用分野において重要である。
【0022】
ベース12の底表面20は、冷却されるべき半導体装置と熱的に連絡する同一面に配置される。一般に、冷却されるべき半導体装置は、一般に符号22で参照されるベース12の中央下に直接配置され、冷却するべき装置の周りで360度の熱拡散を達成する。成形された物品10の底面図である図2Bに示されるように、熱を発生する半導体装置22は、ベース12の概ね中央の領域に配置される。結果として、熱は、熱を発生する半導体装置が配置される中心領域22から外側に発散する。
【0023】
同様に図2Aおよび2Bは、成形材料が型内に導入されるとき、成形材料の一般的なフロー・パターンを示す。成形材料は、一般的に、フィン14内へ左から右へかつ上方への流れのために、物品の一端部の入口ゲート16に導入される。型穴内の空気を放出するために、一般に排出ピン(図示せず)に、各フィンの上部に通気口18がある。伝導性ポリマーを形成するための高アスペクト比のフィラーを有するベース・ポリマーは、複雑な幾何形状のヒート・シンクを形成するために一般的ではない。したがって、過去において、成形材料にフィラーを有さない成形材料の流れ方向は、まったくではないにしてもほとんど重要でない。さて、高アスペクト比のフィラーを用いて、ゲート位置および型穴内のフロー・パターンは、本発明の方法において処理されるとき非常に重要である。
【0024】
図2Aおよび2Bの物品は、16で示される入口ゲート位置により、成形材料のフロー・パターンで成形され、したがって、フィラー材料の向きの整列は、本質的に、概ね左から右への配置で示される矢印に平行である。しかしながら、フィラー材料8の水平配置および整列は、物品10の熱伝導率を著しく劣化させる。
【0025】
中心領域22に熱を発生する半導体装置を配置すると、熱は、当然、全ての方向に外側へ放射する傾向にある。図2Bに最も良く見られるように、左へまたは右へ移動するとき物品10の熱伝導率は、熱流路が、フィラー材料8の整列に平行になるので、一般に許容される。しかしながら、上方または下方に移動するとき、熱流路は、ポリマー4内のフィラー8の整列を横切り、したがって、熱は、さらなる境界面を横切らなければならない。その結果として、これらの方向における熱伝導率は著しく劣化される。熱伝達はバルク特性であるため、物品10の全体の熱伝導率は、ポリマー・ベース・マトリクス4内に充填されたフィラー材料8の伝導特性を完全に利用するには最適ではなく、また完全に利用することができない。導電性または構造的に強化するフィラーが用いられる場合、強化フィラーの作用の同様な劣化が生じる。
【0026】
図3A、3B、4、および5を参照すると、本発明の成形方法が詳細に示されている。さて、図3Aおよび3Bを参照すると、物品100は、ベース112と、ベース112に接続された直立するフィン114とを備えている。例として、本発明は、熱伝導性の物品の成形に関して説明される。導電性または構造的に強化された物品の成形は、同じ方法を用いて実行される。ベース112の底表面120は、熱を発生する半導体装置(図示せず)と熱的に連絡する同一面に提供される。物品100の底面図を示す図3Aおよび3Bの両方を参照すると、半導体装置は、122として特定される領域で、物品100の実質的に中心の下に配置される。本発明によれば、入口型ゲートは、型穴(図示せず)内に成形材料を導入するために16で中心に設けられる。さらに、通気口が118に設けられ、ここで、例えば、成形された後、空気の放出を実現することと、型から物品100を出すことを助けることを同時に実現するために、排出ピン(図示せず)と排出ピンのまわりの間隔が備えられる。
【0027】
本発明によれば、中心に配置されたゲート116での成形材料の導入は、成形複合材料が、ゲート116から放射するパターンで外側かつ上方へフィン114まで流れることを可能にする。このフローの放射パターンは、ポリマー・ベース・マトリクス4内に充填された高アスペクト比のフィラー8を、それらと整列させる。結果として、フィラー8は、図3Bにおける矢印によって示されるように、外側へ放射するパターンで配向され、中心領域122に配置される熱を発生する半導体装置から出る熱の実際の熱放射経路に緊密に一致する。本発明によれば、フィラー8の放射パターンを、中心領域122からの熱の実際の熱フロー経路に緊密に一致することは、完全に複合ポリマー材料を利用、すなわち、それら内の高アスペクト比のフィラー8の高い伝導特性を利用する。
【0028】
図4は、図3Aおよび3Bに関連して上に示されたヒート・シンクと同様な方法で、電気的な接地プレートの成形方法を示す。図4において、実質的に平坦な接地プレート200は、中立接地接続などの電源と接触するための底表面を有する本体220で示されている。本発明によれば、プレート200は、中心領域222内に配置され、電源の中心になるように事前に決定された216で、中心で入口ゲートを設けることによって形成される。入口ゲート216とともに、中立接地接続から電気の実際の電気流路に緊密に一致する放射パターンで、外側に成形材料のフローを駆動するために、通気口が、プレート200の縁部212に設けられる。上述したように、成形複合材料の外側への放射フローは、高アスペクト比のフィラー8を、当然、電気的フローと整列させ、したがってフィラーの整列を流路と一致させる。
【0029】
本発明による構造的に強化された物品の成形方法は、上述の熱伝導性および導電性が強化された物品の成形と同様である。応力ラインが決定され、その後、構造的に強化するフィラー材料の所望の配置である所望のフィラー整列経路を決定することが確かめられる。入口ゲートは、物品の応力の作用を低減するように、型内のフィラー材料のソースを所望の位置に対応するよう設定するために配置される。出口ゲートまたは通気口は、同様に、注入成形可能な物品内のフィラーの経路および整列をさらに制御するために設けられる。構造的に強化された物品に関して、適切なフィラーは、炭素ファイバである。
【0030】
図5Aおよび5Bを参照すると、注入型アセンブリなどの型アセンブリは、本発明の方法で用いることが示される。図5Aは、型アセンブリ内の空洞302を備える本体306を有する型アセンブリの底部の半分300を示す。ゲート304は、型内への成形材料を導入するために、空洞302の底部に中心に配置される。ガイド・ピン308は、同様に、図5Bに示される上方の型の半分310の対応する開口312内に受容されるために提供される。図5Aおよび5Bに示される成形装置は、一般に、知られている型製造技術により製造することができる。しかしながら、上記で詳細に示したように、ゲート304の位置は、成形材料内の強化フィラーを有する成形材料の特性を完全に用いるために、本発明によって特に選択される。
【0031】
本発明に関連して、ソースから熱および/または電気を伝達するための強化された物品の成形方法が提供される。強化された高い構造的に完全性の物品の成形方法が、同様に提供される。第1に、所望の構成の物品を形成することができる型アセンブリが選択される。ソース表面に対する物品の接触位置が決定される。型アセンブリにおいて、入口ゲートが、熱または電気的ソースに接触する成形されるべき物品の表面の実質的な中心である位置に形成される。物品を通る最適な熱または電気流路が、その後、成形されるべき物品を通して流路の終端位置と同様に決定される。通気口が、流路の終端位置で型アセンブリに形成される。成形プロセスの一部として、伝導性の高アスペクト比のフィラーが充填されたポリマーが、事前選択された入口ゲートを介して型アセンブリ内に導入される。ポリマーは、ポリマー/フィラー組成物の伝導率を完全に最適化するために、伝導性フィラーが所定の熱流路と実質的に平行でありかつ熱流路と整列される状態で、型アセンブリ内に配置される。形成後、成形されかつ完成された物品は、型アセンブリから排出される。
【0032】
(実施例)
図5Aおよび5Bに示される成形装置が、図4に示される熱スプレッダーを形成するためにアセンブリされる。複合成形材料が、型の底部中心に配置された入口ゲートを介して、型内に導入される。使用される成形材料は、高アスペクト比のフィラー炭素フレークを有するベース・ポリマー・マトリクスを含み、フィラー炭素フレークは、2/1000から4/1000インチの厚みおよび40/1000インチの長さで、ほぼ10:1の最小アスペクト比を有する。成形後、炭素が、物品の縁部に外側に延びる放射パターンで完成された熱スプレッダー物品に整列された場所ではがれる。この放射パターンは、材料の熱伝導率を完全に用いるために、物品を通して熱の実際の流路に緊密に一致する。
【0033】
理解されるように、本発明は、本発明の方法を用いる構成および形状の広範なアレイを形成するために適合されることができる。これに関連して、型内のゲート位置および通気口の選択は、物品内に所望のフィラーを有効に整列する。本発明の方法は、同じポリマーおよびフィラーを用いたとしても、従来の方法で可能なよりも、より高い熱および導電率、ならびにより高い強度の物品を達成する。ベース材料およびフィラーは、完成された物品の所望の熱的、電気的、および構造的特性を最適化するために選択されることができる。
【0034】
様々な変更および修正が、本発明の精神を逸脱することなく図示された実施形態になされることができることは、当業者には理解されよう。全てのそのような修正および変更は、特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 高いアスペクト比のフィラーを添加されたポリマー・ベース・マトリクスの従来技術の強化組成物の断面図である。
【図2A】 当技術分野で知られている従来技術のゲートおよび通気口を用いるヒート・シンクの斜視図である。
【図2B】 図2Aにおけるヒート・シンクの底面図である。
【図3A】 本発明のゲートおよび通気口の成形方法を用いるヒート・シンクの斜視図である。
【図3B】 図3Aにおけるヒート・シンクの底面図である。
【図4】 本発明のゲートおよび通気口の成形方法を用いるヒート・スプレッダの斜視図である。
【図5A】 本発明の方法を用いる成形装置の底部の半分の斜視図である。
【図5B】 本発明の方法を用いる成形装置の上部の半分の斜視図である。
[0001]
(Background of the Invention)
The present invention generally relates to an improved method of forming reinforced articles from composite materials. More particularly, the present invention is a thermally and / or electrically conductive material that is easily moldable and provides a conductivity several times greater than prior art molding methods even with known materials. The present invention relates to a method for forming an article. The present invention also provides a method of forming a structurally improved and reinforced article from a composite material. It should be understood that the term “reinforced article” refers to an article filled with any type of filler material, whether conductive, thermally conductive, or high strength. Accordingly, the methods of the present invention relate to electrically conductive compositions, thermally conductive compositions, and structurally reinforced compositions.
[0002]
In the electronics industry, it is well known to use metallic materials for thermal and conductive applications such as heat dissipation for cooling semiconductor device packages, grounding applications. For these applications, such as heat sinks, metal materials are generally machined or machined from bulk metal to the desired shape. However, such metallic conductive articles are generally very heavy, expensive to machine and susceptible to corrosion. Furthermore, the geometry of machined metal heat dissipation articles is very limited to the inherent limitations associated with machining or tooling processes. As a result, the desired form, for example, especially when it is known that a particular geometry achieves better thermal efficiency by its design but cannot be obtained due to limitations in machining metal articles. The requirement for the use of metallic materials that are machined into a severe limit on component design.
[0003]
It is widely known in the prior art that improving the overall geometry of a heat dissipating article can significantly increase the overall performance of the article, even if the materials are the same. Thus, the need for improved heat sink geometry and lower cost required an alternative to machining bulk metal materials. In order to meet this need, attempts have been made in the prior art to provide shaped compositions comprising conductive filler materials in order to provide the necessary thermal conductivity. The ability to form conductive composites allowed more complex part geometry designs to achieve improved performance of the part. Similarly, the conductivity of a given article can be significantly improved if it can be molded. For example, the shape and configuration can be significantly improved by molding the article to achieve improved conductivity. In addition, moldable composites of high structural integrity with high strength filler materials are also known.
[0004]
Prior art attempts have included using a polymer-based matrix to which is added a granular material such as boron nitride grains. Similarly, attempts have been made to provide polymer-based matrices with the addition of flaky filler material. In fact, these attempts can be molded into complex geometries, but still do not approach the desired level of performance in machined metal parts. It is known in the art that filler materials, particularly high aspect ratio filler materials, are aligned parallel to the flow path of the base matrix in the mold. Therefore, these conductive composite materials must be molded very accurately due to filler alignment problems during the molding process. This is a problem when the filler material is asymmetric or when the aspect ratio of thickness to filler length is 1: 1 or greater. Even with precise molding and design, the inherent problem of fluid turbulence, i.e. collision with the mold due to complex product geometry, makes the ideal placement of asymmetric fillers impossible and thus the composition The performance of is much lower than desired. This problem is exacerbated when the filler has an aspect ratio greater than 10: 1. This is a serious problem because fillers with aspect ratios up to 40: 1 are commonly used.
[0005]
Furthermore, since heat transfer is a bulk property rather than a direct path property such as electricity transfer, the entire matrix of the composition must be satisfactory. A direct path is necessary to conduct electricity. However, heat is transferred in bulk where the entire volume of the body is used for transfer. Thus, even though a high conductivity narrow conduit is provided through the much lower conductivity body, heat transfer is not as good as a body that is consistently near-limit conductivity throughout the body. Thus, the consistency of thermal conductivity across the matrix of the composite body is important for overall high thermal conductivity. Furthermore, proper alignment of the filled filler material within the polymer base, especially the high aspect ratio filler, is very important. When the composite is used for electrical conductivity, the placement of the filler in the composite is also very important in that the number of excessive interruptions in the filler makes electrical transmission inadequate.
[0006]
In view of the foregoing, there is a need for improved methods of forming reinforced articles made of composite materials that are thermally conductive and / or conductive. Similarly, there is a need for composite molded articles that contain or are reinforced with high strength filler materials for higher structural integrity. Furthermore, there is a need for a molding method that uses composite polymers and filler materials, i.e., can fully utilize the proper alignment and placement of filler materials with a base polymer matrix. Similarly, there is a need for a method that allows such polymers and high aspect ratio filler compositions to be easily formed into complex product geometries. Similarly, there is a need for a molding method to form articles that exhibit thermal and electrical conductivity as close as possible to pure metal conductive materials, while having relatively low manufacturing costs.
[0007]
(Summary of Invention)
The present invention maintains the advantages of prior art methods of forming reinforced articles from conductive plastic compositions. Furthermore, the present invention provides new advantages not found in the methods known to date and eliminates many of the disadvantages of such currently available methods.
[0008]
The present invention generally relates to thermally conductive articles having application specific to heat sink applications, particularly those where heat must be transferred from one area to another to prevent equipment failure. It is directed to a new and unique method of molding from conductive plastic composite materials. Furthermore, the method of the present invention can provide an article having a particular field of application in the electronics industry, as the article can provide a moldable member that is conductive. The method of the present invention allows polymer materials and composites of conductive fillers such as high aspect ratio fillers to be molded in the most conductively efficient manner while still maintaining low manufacturing costs. . By selecting materials according to the application field in the near future, high thermal and / or electrical conductivity can be achieved. Relatedly, the selection of high strength materials as fillers can achieve molded structural articles with high structural integrity while still being moldable, such as by injection molding.
[0009]
A method of molding a thermally, electrically and / or structurally reinforced article is provided, such as by injection molding. If conductive fillers are used, articles having electrical properties such as conductivity or EMI shielding can be achieved. When a thermally conductive filler material is used, a thermally conductive article is achieved. When high strength fillers such as carbon are used, structurally reinforced articles can be achieved by the method of the present invention. Similarly, fillers that exhibit all electrical, thermal, and strength properties can be selected to provide a multipurpose molded article.
[0010]
First, a mold assembly is provided that can form an article of a desired configuration. Next, for thermal applications using thermally conductive fillers, the initial contact position of the article with the heat generating surface is determined. An entrance gate is formed in the mold assembly at an initial contact location. An optimal heat flow path through the article is determined. The end position of the thermal or electrical flow path is determined. A polymer doped with an asymmetric conductive filler is introduced into the mold assembly through an inlet gate. A vent is provided in the mold assembly at the end of the thermal or electrical flow path. The polymer is placed in the mold assembly with the conductive filler substantially parallel to the flow path and aligned with the flow path. Finally, the molded article is ejected from the mold assembly. With the molding method of the present invention, the thermal conductivity of the article can be increased several times that achieved by conventional molding methods by appropriately aligning the filler material within the article body to be molded. When using conductive or high strength fillers, the methods described above are used. With respect to the electrical filler, the desired electrical flow path through the article is determined and the appropriate inlet and outlet gates are selected to ensure that the filler is aligned along the determined electrical flow path. Set to maintain route. Similarly, structural fillers can be used, high stress points are determined, and gates and vents are set to ensure proper alignment of the reinforced filler to prevent breakage.
[0011]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for forming a thermally optimized reinforced article.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide an electrically optimized method for forming a reinforced article.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of forming a reinforced article that is structurally optimized.
[0012]
It is an object of the present invention to provide a method of forming a reinforced article with a polymer and an asymmetric high aspect ratio filler material that places and aligns the filler for optimal heat transfer through the article.
It is an object of the present invention to provide a method of forming a reinforced article of a polymer and an asymmetric high aspect ratio filler material that places and aligns the filler for optimal electrical transfer through the article.
It is an object of the present invention to provide a method of forming a reinforced article of a polymer and an asymmetric high aspect ratio filler material that places and aligns the filler for optimal structural strength of the article.
[0013]
It is a further object of the present invention to provide a method for forming a conductive article that achieves a higher conductivity than conventional methods while using the same polymer and filler composition.
It is a further object of the present invention to provide a method for molding conductive articles that achieves higher strength and structural integrity than conventional methods while using the same polymer and filler composition.
[0014]
It is another object of the present invention to provide a method of forming a reinforced composite article having a high aspect ratio filler into a complex part geometry.
The novel features that are characteristic of the invention are set forth in the appended claims. However, along with further objects and attendant advantages, preferred embodiments of the present invention will be best understood by reference to the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which:
[0015]
Detailed Description of Preferred Embodiments
The present invention relates to a method of forming a reinforced composition. It should be understood that the present invention can be used to form articles that are both thermally and electrically conductive and / or structurally reinforced. The type of thermal, electrical, or structural reinforcement realized by the method of the present invention is achieved by the selection of a specific material to suit a given application field and reinforcement requirements.
[0016]
In the present invention, a method for forming a reinforced article, such as by injection molding, uses a base polymer matrix composite material filled with a filler material, which is preferably an elongated fiber, strand, rice or flake. High aspect ratio fillers such as aluminum, alumina, copper, magnesium, PITCH-based carbon, and brass materials formed in any of the above. The aforementioned materials achieve thermal or electrical properties for net-shaped molded articles that are ready to use after molding without the need for further machining, such as that required for compression molded articles. Therefore, it will be suitable. As shown in FIG. 1, a prior art composite 2 that is readily commercially available is shown. In particular, this prior art composite 2 generally exhibits a polymer base matrix 4 filled, for example, with an asymmetric filler material 8. This composition is shown in expanded detail for clarity and ease of illustration.
[0017]
As will be appreciated, the filling of the polymer base matrix 4 with filler 8 that is thermally conductive, conductive, or capable of strengthening the structure imparts conductivity to the material, while Can be molded. When used as a thermal conductor, the material 2 must thermally transfer heat, for example from the X side to the Y side of the material. During this transfer, heat must move from the thermally conductive filler member to the adjacent thermally conductive filler member in order to travel the path from X to Y. The selected filler 8 in FIG. 1 is preferably a high aspect ratio fiber or strand to reduce the number of interfaces between several filler members, as well as the non-conductive polymer present between them. is there. The more the interface that heat must traverse, and the more polymer that heat must pass through, the lower the thermal conductivity. Furthermore, overfilling with filler material can prevent wetting of the base polymer, resulting in undesirable small air pockets in the finished molded product.
[0018]
The ideal arrangement of the composition of FIG. 1 includes a high aspect ratio filler 4 within a polymer base matrix 4. In order to effectively reduce the total number of interfaces through which heat must travel and the volume of the base polymer, it is important to align the high aspect ratio filler as parallel as possible with the heat flow path. FIG. 1 shows a practical filler 8 arrangement with a base polymer matrix, the fillers 8 being generally aligned parallel to each other and in a general desired heat flow direction from the X side to the Y side. Aligned. However, as can be seen in FIG. 1, the transverse flow path from the A side to the B side is due to the increased number of thermal interfaces and the increased volume of non-conducting polymer to which heat must travel. Very undesirable. Therefore, it is important that the filler 8 is properly aligned with the thermally conductive article, i.e. aligned parallel to the heat flow path. In general applications, the thermal conductivity of path XY can be eight times the thermal conductivity of paths AB across the filler alignment. For example, the thermal conductivity of path AB can be 2 W / mK, while the thermal conductivity of path XY exceeds 16 W / mK. Similar problems arise when attempting to make the composition as electrically conductive or structurally reinforced as possible.
[0019]
The goal of aligning reinforcing fillers aligned and parallel to thermal or electrical flow, or structural stress lines, is often difficult to achieve due to the geometric complexity of the parts being molded. As previously described, one of the main reasons for using conductive plastic compositions is that they can be molded into more complex geometries to achieve better heat dissipation and electrical flow. is there. Thus, when forming a conductive polymer material, it is generally an intricate part geometry. The forming method of the present invention solves the problem of forming complex geometries with materials having fillers that need to be aligned to thermal or electrical flow paths or structural stress lines.
[0020]
With these intricate geometries, turbulence of the filler-filled matrix generally results in filler material impingement and non-uniform alignment. Highly ordered fillers aligned in parallel are clearly preferred, but cannot be achieved. Furthermore, flow disturbances and collisions with the mold edges often break high fillers, particularly when they have an aspect ratio greater than 20: 1. FIG. 1 shows a practical composition 2 having fillers 8 substantially aligned with adjacent fillers 8 in polymer 4. FIG. 1 is encountered in the art because of the inherent problems associated with molding materials having fillers. As will be discussed in detail below, the method of the present invention allows the formation of complex geometries that reduce fracture of the high aspect ratio filler 8 that would reduce the desired reinforcement of the composition.
[0021]
Referring first to FIGS. 2A and 2B, an article molded using a prior art molding process is shown. For example, FIG. 2A shows a perspective view of a known thermally conductive article 10. In particular, the thermally conductive article 10 is shown as a heat sink having a base 12 and upstanding fins 14 connected thereto. The heat sink 10 is typically attached to a heat generating surface of a device (not shown) such as a semiconductor package for the purpose of removing heat from the high temperature device. This heat dissipation is particularly important in the field of electronic applications to ensure that the device does not fail due to overheating.
[0022]
The bottom surface 20 of the base 12 is disposed on the same surface that is in thermal communication with the semiconductor device to be cooled. In general, the semiconductor device to be cooled is placed directly under the center of the base 12, generally referred to by reference numeral 22, and achieves 360 degrees of thermal diffusion around the device to be cooled. As shown in FIG. 2B, which is a bottom view of the molded article 10, the semiconductor device 22 that generates heat is disposed in a substantially central region of the base 12. As a result, heat is dissipated outward from the central region 22 where the heat generating semiconductor device is disposed.
[0023]
Similarly, FIGS. 2A and 2B show the general flow pattern of the molding material as it is introduced into the mold. Molding material is generally introduced into an inlet gate 16 at one end of the article for flow from left to right and upward into the fins 14. There is a vent 18 at the top of each fin, typically on a discharge pin (not shown), to release air in the mold cavity. Base polymers with high aspect ratio fillers to form conductive polymers are not common for forming heat sinks with complex geometries. Thus, in the past, the flow direction of a molding material that does not have a filler in the molding material is of little importance if not all. Now, with high aspect ratio fillers, the gate pattern and flow pattern in the mold cavity are very important when processed in the method of the present invention.
[0024]
The articles of FIGS. 2A and 2B are molded with a flow pattern of molding material, with an inlet gate location indicated at 16, so the filler material orientation alignment is essentially shown in a left-to-right arrangement. Parallel to the arrow. However, the horizontal placement and alignment of the filler material 8 significantly degrades the thermal conductivity of the article 10.
[0025]
When a semiconductor device that generates heat is arranged in the central region 22, the heat naturally tends to radiate outward in all directions. As best seen in FIG. 2B, the thermal conductivity of the article 10 when moving to the left or right is generally acceptable because the heat flow path is parallel to the alignment of the filler material 8. However, when moving up or down, the heat flow path crosses the alignment of the filler 8 in the polymer 4 and therefore heat must cross the further interface. As a result, the thermal conductivity in these directions is significantly degraded. Since heat transfer is a bulk property, the overall thermal conductivity of the article 10 is not optimal to fully utilize the conductivity properties of the filler material 8 filled in the polymer base matrix 4 and is completely It cannot be used. When fillers that are conductively or structurally reinforced are used, similar degradation of the effect of the reinforced filler occurs.
[0026]
Referring to FIGS. 3A, 3B, 4, and 5, the molding method of the present invention is shown in detail. Referring now to FIGS. 3A and 3B, the article 100 includes a base 112 and upstanding fins 114 connected to the base 112. By way of example, the present invention will be described with respect to forming a thermally conductive article. Molding of conductive or structurally reinforced articles is performed using the same method. The bottom surface 120 of the base 112 is provided on the same surface that is in thermal communication with a semiconductor device (not shown) that generates heat. Referring to both FIGS. 3A and 3B, which show bottom views of the article 100, the semiconductor device is positioned substantially below the center of the article 100 in the region identified as 122. FIG. In accordance with the present invention, an inlet mold gate is centrally provided at 16 for introducing molding material into a mold cavity (not shown). In addition, a vent is provided in 118, where, for example, after being molded, a discharge pin (see figure) is provided to simultaneously achieve the release of air and to help eject the article 100 from the mold. (Not shown) and a space around the discharge pin.
[0027]
In accordance with the present invention, the introduction of molding material at the centrally located gate 116 allows the molding composite material to flow outwardly and upwardly to the fins 114 in a pattern emanating from the gate 116. This flow radiation pattern aligns high aspect ratio fillers 8 filled in the polymer base matrix 4 with them. As a result, the filler 8 is oriented in an outward radiating pattern, as shown by the arrows in FIG. 3B, and is in close proximity to the actual thermal radiation path of heat exiting the semiconductor device that generates heat disposed in the central region 122 Matches. According to the present invention, closely matching the radiation pattern of the filler 8 to the actual heat flow path of heat from the central region 122 utilizes fully composite polymer materials, ie, high aspect ratios within them. The high conductive properties of the filler 8 are used.
[0028]
FIG. 4 illustrates a method for forming an electrical ground plate in a manner similar to the heat sink shown above in connection with FIGS. 3A and 3B. In FIG. 4, a substantially flat ground plate 200 is shown with a body 220 having a bottom surface for contacting a power source, such as a neutral ground connection. In accordance with the present invention, the plate 200 is formed by providing an entrance gate at the center, at 216, which is located in the center region 222 and predetermined 216 to be the center of the power source. Along with the inlet gate 216, a vent is provided at the edge 212 of the plate 200 to drive the flow of molding material outward in a radiation pattern that closely matches the actual electrical flow path of electricity from the neutral ground connection. . As described above, the radiant flow outward of the molded composite material naturally aligns the high aspect ratio filler 8 with the electrical flow and thus matches the filler alignment with the flow path.
[0029]
The method of forming a structurally reinforced article according to the present invention is similar to the forming of an article with enhanced thermal and electrical conductivity as described above. The stress line is determined and then verified to determine the desired filler alignment path, which is the desired placement of the structurally reinforcing filler material. The inlet gate is positioned to set the source of filler material in the mold to correspond to the desired location so as to reduce the effects of article stress. An exit gate or vent is similarly provided to further control the path and alignment of the filler within the castable article. For structurally reinforced articles, a suitable filler is carbon fiber.
[0030]
Referring to FIGS. 5A and 5B, a mold assembly, such as an injection mold assembly, is shown for use in the method of the present invention. FIG. 5A shows a bottom half 300 of the mold assembly having a body 306 with a cavity 302 in the mold assembly. A gate 304 is centrally located at the bottom of the cavity 302 to introduce molding material into the mold. Guide pins 308 are similarly provided to be received in corresponding openings 312 of the upper mold half 310 shown in FIG. 5B. The molding apparatus shown in FIGS. 5A and 5B can generally be manufactured by known mold manufacturing techniques. However, as detailed above, the location of the gate 304 is specifically selected by the present invention to fully utilize the properties of the molding material with the reinforcing filler in the molding material.
[0031]
In connection with the present invention, a method of forming an enhanced article for transferring heat and / or electricity from a source is provided. A method of forming a reinforced high structural integrity article is also provided. First, a mold assembly is selected that can form an article of the desired configuration. The contact position of the article with the source surface is determined. In the mold assembly, the inlet gate is formed at a location that is substantially the center of the surface of the article to be molded that contacts the heat or electrical source. The optimal thermal or electrical flow path through the article is then determined through the article to be molded as well as the end location of the flow path. A vent is formed in the mold assembly at the end of the flow path. As part of the molding process, a polymer filled with a conductive high aspect ratio filler is introduced into the mold assembly via a preselected inlet gate. The polymer is placed in the mold assembly with the conductive filler substantially parallel to and aligned with the predetermined heat flow path to fully optimize the conductivity of the polymer / filler composition. Is done. After formation, the molded and completed article is ejected from the mold assembly.
[0032]
(Example)
The forming apparatus shown in FIGS. 5A and 5B is assembled to form the heat spreader shown in FIG. The composite molding material is introduced into the mold through an inlet gate located in the center of the bottom of the mold. The molding material used comprises a base polymer matrix with high aspect ratio filler carbon flakes, the filler carbon flakes having a thickness of 2/1000 to 4/1000 inches and a length of 40/1000 inches, approximately It has a minimum aspect ratio of 10: 1. After molding, the carbon is peeled off at locations aligned with the heat spreader article completed in a radial pattern extending outwardly at the edges of the article. This radiation pattern closely matches the actual flow path of heat through the article in order to fully use the thermal conductivity of the material.
[0033]
As will be appreciated, the present invention can be adapted to form a wide array of configurations and shapes using the method of the present invention. In this regard, the choice of gate location and vent in the mold effectively aligns the desired filler within the article. The method of the present invention achieves higher thermal and electrical conductivity and higher strength articles than is possible with conventional methods, even with the same polymer and filler. Base materials and fillers can be selected to optimize the desired thermal, electrical, and structural properties of the finished article.
[0034]
Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made to the illustrated embodiments without departing from the spirit of the invention. All such modifications and changes are intended to be included within the scope of the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a prior art reinforcing composition of a polymer base matrix doped with a high aspect ratio filler.
FIG. 2A is a perspective view of a heat sink using a prior art gate and vent known in the art.
FIG. 2B is a bottom view of the heat sink in FIG. 2A.
FIG. 3A is a perspective view of a heat sink using the gate and vent molding method of the present invention.
FIG. 3B is a bottom view of the heat sink in FIG. 3A.
FIG. 4 is a perspective view of a heat spreader using the gate and vent molding method of the present invention.
FIG. 5A is a perspective view of the bottom half of a molding apparatus using the method of the present invention.
FIG. 5B is a perspective view of the upper half of the molding apparatus using the method of the present invention.

Claims (23)

熱を発生する物体の表面から熱を伝達するための熱伝導性の物品を所望の最終的な形状で成形する方法であって、
前記所望の最終的な形状に対応した形状の型穴を有する型アセンブリを用意するステップを含み、前記型アセンブリは、成形された物品における前記熱を発生する物体の表面との接触位置に対応する位置に入口ゲートを有し、成形された物品における前記接触位置を始点とする設計上の熱流路の終端位置に対応する位置に通気口を有し、前記方法はさらに、
前記入口ゲートを介して前記型アセンブリの前記型穴内に熱伝導性フィラーを添加されたポリマーを導入するステップであって、前記ポリマーが前記型穴内を前記入口ゲートから前記通気口に向かって導かれることにより、前記熱伝導性フィラーが前記ポリマー内で前記設計上の熱流路に沿って、前記入口ゲートから前記通気口へ放射状に配置される、ステップと、
前記型アセンブリから所望の最終的な形状に成形された物品を排出するステップとを含む方法。
A method of forming a thermally conductive article in a desired final shape for transferring heat from the surface of a body that generates heat, comprising:
Providing a mold assembly having a mold cavity of a shape corresponding to the desired final shape, the mold assembly corresponding to a position of contact with a surface of the object generating heat in the molded article. An inlet gate at a position, and a vent at a position corresponding to a design heat channel end position starting from the contact position in the molded article, the method further comprising:
Introducing a polymer with a thermally conductive filler added into the mold cavity of the mold assembly through the inlet gate, the polymer being guided through the mold cavity from the inlet gate toward the vent. The thermally conductive filler is disposed radially from the inlet gate to the vent along the designed thermal flow path in the polymer; and
Discharging the molded article from the mold assembly into a desired final shape.
前記熱伝導性フィラーは細長い熱伝導性ファイバである請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein the thermally conductive filler is an elongated thermally conductive fiber. 前記熱伝導性フィラーはフレーク状の材料である請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein the thermally conductive filler is a flaky material. 前記熱伝導性フィラーはライス状の材料である請求項1に記載の方法。  The method according to claim 1, wherein the thermally conductive filler is a rice-like material. 前記熱伝導性フィラーは炭素材料である請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein the thermally conductive filler is a carbon material. 前記熱伝導性フィラーはアルミニウム材料である請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein the thermally conductive filler is an aluminum material. 前記熱伝導性フィラーは、アルミニウム、アルミナ、銅、マグネシウム、および真鍮からなるグループから選択される請求項1に記載の方法。  The method of claim 1, wherein the thermally conductive filler is selected from the group consisting of aluminum, alumina, copper, magnesium, and brass. 電源から電気を伝達するための導電性の物品を所望の最終的な形状で成形する方法であって、
前記所望の最終的な形状に対応した形状の型穴を有する型アセンブリを用意するステップを含み、前記型アセンブリは、成形された物品における前記電源との接触位置に対応する位置に入口ゲートを有し、成形された物品における前記接触位置を始点とする設計上の電気流路の終端位置に対応する位置に通気口を有し、前記方法はさらに、
前記入口ゲートを介して前記型アセンブリの前記型穴内に導電性フィラーを添加されたポリマーを導入するステップであって、前記ポリマーが前記型穴内を前記入口ゲートから前記通気口に向かって導かれることにより、前記導電性フィラーが、前記ポリマー内で前記設計上の電気流路に沿って、前記入口ゲートから前記通気口へ放射状に配置される、ステップと、
前記型アセンブリから所望の最終的な形状に成形された物品を排出するステップとを含む方法。
A method of forming a conductive article for transmitting electricity from a power source in a desired final shape,
Providing a mold assembly having a mold cavity having a shape corresponding to the desired final shape, the mold assembly having an entrance gate at a position corresponding to a position of contact with the power source in the molded article. A vent in a position corresponding to a terminal position of the designed electrical flow path starting from the contact position in the molded article, and the method further includes:
Introducing a polymer doped with a conductive filler into the mold cavity of the mold assembly through the inlet gate, the polymer being guided from the inlet gate toward the vent through the mold cavity; The conductive filler is disposed radially from the inlet gate to the vent along the designed electrical flow path in the polymer; and
Discharging the molded article from the mold assembly into a desired final shape.
前記導電性フィラーは細長い導電性ファイバである請求項8に記載の方法。  The method of claim 8, wherein the conductive filler is an elongated conductive fiber. 前記導電性フィラーはフレーク状の材料である請求項8に記載の方法。  The method according to claim 8, wherein the conductive filler is a flaky material. 前記導電性フィラーはライス状の材料である請求項8に記載の方法。  The method according to claim 8, wherein the conductive filler is a rice-like material. 前記導電性フィラーは炭素材料である請求項8に記載の方法。  The method according to claim 8, wherein the conductive filler is a carbon material. 前記導電性フィラーはアルミニウム材料である請求項8に記載の方法。  The method according to claim 8, wherein the conductive filler is an aluminum material. 前記導電性フィラーは、アルミニウム、アルミナ、銅、マグネシウム、および真鍮からなるグループから選択される請求項8に記載の方法。  The method of claim 8, wherein the conductive filler is selected from the group consisting of aluminum, alumina, copper, magnesium, and brass. 構造的に強化された物品を所望の最終的な形状に成形する方法であって、
前記所望の最終的な形状に対応した形状の型穴を有する型アセンブリを用意するステップを含み、前記型アセンブリは、成形された物品における設計上の応力点に対して物品を構造的に強化するための設計上のフィラー整列経路の開始位置に対応する位置に入口ゲートを有し、前記設計上のフィラー整列経路の終端位置に対応する位置に通気口を有し、前記方法はさらに、
前記入口ゲートを介して、前記型アセンブリの前記型穴内に、物品を構造的に強化するための強化フィラーを添加されたポリマーを導入するステップであって、前記ポリマーが前記型穴内を前記入口ゲートから前記通気口に向かって導かれることにより、前記強化フィラーが前記ポリマー内で前記設計上のフィラー整列経路に沿って、前記入口ゲートから前記通気口へ放射状に配置される、ステップと、
前記型アセンブリから所望の最終的な形状に成形された物品を排出するステップとを含む方法。
A method of forming a structurally reinforced article into a desired final shape, comprising:
Providing a mold assembly having a mold cavity shaped to correspond to the desired final shape, the mold assembly structurally strengthening the article against design stress points in the molded article An inlet gate at a position corresponding to a starting position of the designed filler alignment path, and a vent at a position corresponding to an end position of the designed filler alignment path, the method further comprising:
Introducing a polymer, to which a reinforcing filler for structurally reinforcing an article is added, into the mold cavity of the mold assembly via the inlet gate, the polymer passing through the mold cavity in the inlet gate; The reinforcing filler is disposed radially from the inlet gate to the vent along the designed filler alignment path in the polymer by being directed toward the vent from
Discharging the molded article from the mold assembly into a desired final shape.
前記強化フィラーは細長いファイバである請求項15に記載の方法。  The method of claim 15, wherein the reinforcing filler is an elongated fiber. 前記強化フィラーはフレーク状の材料である請求項15に記載の方法。  The method of claim 15, wherein the reinforcing filler is a flaky material. 前記強化フィラーはライス状の材料である請求項15に記載の方法。  The method of claim 15, wherein the reinforcing filler is a rice-like material. 前記強化フィラーは炭素材料である請求項15に記載の方法。  The method of claim 15, wherein the reinforcing filler is a carbon material. 前記強化フィラーはアルミニウム材料である請求項15に記載の方法。  The method of claim 15, wherein the reinforcing filler is an aluminum material. 前記強化フィラーは、アルミニウム、アルミナ、銅、マグネシウム、炭素、および真鍮からなるグループから選択される請求項15に記載の方法。  The method of claim 15, wherein the reinforcing filler is selected from the group consisting of aluminum, alumina, copper, magnesium, carbon, and brass. 熱を発生する物体の表面から熱を伝達するための熱伝導性の物品を所望の最終的な形状で成形するために使用される型アセンブリを製造する方法であって、
前記所望の最終的な形状に対応した形状の型穴を有する型アセンブリを用意するステップと、
前記物品と前記熱を発生する物体の表面との接触位置に対応する、前記型アセンブリ上の第1の位置を決定するステップと、
前記物品内における、前記接触位置を始点とする所望の設計上の熱流路を設計するステップと、
前記所望の設計上の熱流路の終端位置に対応する、前記型アセンブリ上の第2の位置を決定するステップと、
前記第1の位置において前記型アセンブリに入口ゲートを形成するステップと、
前記第2の位置において前記型アセンブリに通気口を形成するステップと
を含む方法。
A method of manufacturing a mold assembly that is used to mold a thermally conductive article for transferring heat from a surface of a body that generates heat in a desired final shape, comprising:
Providing a mold assembly having a mold cavity of a shape corresponding to the desired final shape;
Determining a first position on the mold assembly corresponding to a contact position between the article and the surface of the object generating the heat;
Designing a desired design heat flow path starting from the contact position in the article;
Determining a second position on the mold assembly corresponding to the desired design thermal flow path termination position;
Forming an entrance gate in the mold assembly at the first location;
Forming a vent in the mold assembly at the second location.
電源から電気を伝達するための導電性の物品を所望の最終的な形状で成形するために使用される型アセンブリを製造する方法であって、
前記所望の最終的な形状に対応した形状の型穴を有する型アセンブリを用意するステップと、
前記物品と前記電源との接触位置に対応する、前記型アセンブリ上の第1の位置を決定するステップと、
前記物品内における、前記接触位置を始点とする所望の設計上の電気流路を設計するステップと、
前記所望の設計上の電気流路の終端位置に対応する、前記型アセンブリ上の第2の位置を決定するステップと、
前記第1の位置において前記型アセンブリに入口ゲートを形成するステップと、
前記第2の位置において前記型アセンブリに通気口を形成するステップと
を含む方法。
A method of manufacturing a mold assembly used to form a conductive article for transferring electricity from a power source in a desired final shape, comprising:
Providing a mold assembly having a mold cavity of a shape corresponding to the desired final shape;
Determining a first position on the mold assembly corresponding to a contact position between the article and the power source;
Designing a desired design electrical flow path starting from the contact position in the article;
Determining a second position on the mold assembly that corresponds to an end position of the electrical flow path on the desired design;
Forming an entrance gate in the mold assembly at the first location;
Forming a vent in the mold assembly at the second location.
JP2001574342A 2000-04-06 2000-04-06 Method for forming reinforced articles Expired - Fee Related JP4849758B2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2000/009103 WO2001076844A1 (en) 1999-02-12 2000-04-06 Method of molding a reinforced article

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003530244A JP2003530244A (en) 2003-10-14
JP4849758B2 true JP4849758B2 (en) 2012-01-11

Family

ID=45540528

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001574342A Expired - Fee Related JP4849758B2 (en) 2000-04-06 2000-04-06 Method for forming reinforced articles

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP4849758B2 (en)
KR (1) KR100685799B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5740097B2 (en) * 2010-04-15 2015-06-24 株式会社カネカ High heat conductive resin molding for heat sink

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003530244A (en) 2003-10-14
KR20020089436A (en) 2002-11-29
KR100685799B1 (en) 2007-02-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100450831B1 (en) Thermally conductive composite material
US7311140B2 (en) Heat sink assembly with overmolded carbon matrix
US6835347B2 (en) Method of forming a highly thermally conductive and high strength article
US6503964B2 (en) Polymer composition with metal coated carbon flakes
US20010048172A1 (en) Polymer composition with boron nitride coated carbon flakes
KR101408978B1 (en) Resin heat sink
KR102312067B1 (en) Dielectric Resonator Antenna System
CN108352611A (en) Broad band multilayer medium resonator antenna and the method for manufacturing broad band multilayer medium resonator antenna
CN107501673A (en) Heat-conductive composite material and preparation method thereof
EP3412733B1 (en) Thermally conductive molded resin article
EP1292435B1 (en) Method of molding a reinforced article
US20010048397A1 (en) Composite molded antenna assembly
AU2000242030A1 (en) Method of molding a reinforced article
US6139783A (en) Method of molding a thermally conductive article
CN1492799A (en) Injection molded heat dissipation device
JP4849758B2 (en) Method for forming reinforced articles
US20040104502A1 (en) Method of forming a thermally conductive article using metal injection molding material with high and low aspect ratio filler
JP7107766B2 (en) Electronics
WO2020038554A1 (en) Forming a semiconductor device with heat conduction layers formed by laser direct structuring
JP7164019B2 (en) cooling structure
EP3929975A1 (en) Cooling structure
EP3923320A1 (en) Cooling structure
KR20230156884A (en) thermal conductive sheet
KR20200142913A (en) Tower Shaped Heatsink including graphite and LED lingting apparatus having the same
JP2023536573A (en) Thermal Filler Particles, Thermally Conductive Compositions, and Assemblies Containing Them

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20050722

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050727

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20051027

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070219

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20070518

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20070918

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080109

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20071217

A911 Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20080204

A912 Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912

Effective date: 20080516

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20101130

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110831

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20111018

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20141028

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees