TW201938978A - 具有高橫向熱傳導係數之熱墊片 - Google Patents

具有高橫向熱傳導係數之熱墊片 Download PDF

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Abstract

一例示性被動傳熱裝置適合於將熱自一電子發熱器件傳遞至另一環境。一墊片具有橫向於該墊片之兩個主對置表面之諸多間隔分開孔。一導熱材料安置於該等孔內且填充該等孔以將熱自該兩個主表面之一者傳導至另一主表面。該導熱材料係具有實質上垂直於該兩個主對置表面對準之奈米粒子之一奈米複合材料。該導熱材料在安置於該等孔內時不具有會負面影響傳熱之界面邊界。

Description

具有高橫向熱傳導係數之熱墊片
本發明大體上係關於將熱自一發熱物體(例如主動半導體器件)帶走以防止器件處之非所要熱積聚。更具體而言，本發明係關於接合一待冷卻器件且促進熱自器件有效帶走之撓性片狀墊片。
越來越多電子電路利用積體電路(IC)或主動半導體器件來執行各種功能。隨著晶圓及/或印刷電路板上之此等器件之密度增大，由器件產生之熱亦增加。此導致使用散熱器來自器件帶走此熱以限制器件操作溫度。一類型之傳統散熱器由一金屬塊組成，其具有安裝至器件之一平坦表面及具有一不規則表面(例如鰭片)之一對置表面以最大化暴露於傳熱空氣或其他環境之表面積。然而，隨著此等器件每平方面積產生之熱量增加(歸因於器件密度增大)，需要自發熱器件更高效率帶走熱之改良結構。
本發明之一目的係滿足此需要。
一例示性被動傳熱裝置適合於將熱自一電子發熱器件傳遞至另一環境。一墊片具有橫向於該墊片之兩個主對置表面之諸多間隔分開孔。一導熱材料安置於該等孔內且填充該等孔以將熱自該兩個主表面之一者傳導至另一主表面。該導熱材料係具有實質上垂直於該兩個主對置表面對準之奈米粒子之一奈米複合材料。該導熱材料在安置於該等孔中時不具有會負面影響傳熱之內部界面邊界。
另一例示性裝置包含自其移除熱之一電子發熱器件、該例示性被動傳熱裝置及將該熱傳遞至其之一吸熱器。
一例示性方法用於製造適合於將熱自一電子發熱器件傳遞至另一環境之一被動傳熱裝置。製造具有橫向於兩個主對置表面之複數個間隔分開孔之一片狀墊片。將具有實質上垂直於該兩個主對置表面對準之奈米尺寸粒子(其較佳具有大縱橫比)之一導熱奈米複合材料注入至該等孔中，使得無界面邊界形成於安置於該等孔內之該材料內。該材料將熱自該兩個主表面之一者傳導至另一主表面。
圖1展示併入本發明之一實施例之一例示性裝置100之一側視圖。在此例示性實施例中，一發熱器件105 (例如一積體電路、固態雷射、主動天線元件等等)藉由複數個金屬接點115來安裝至一印刷電路板110。發熱器件105含有大量緊密間隔主動器件117，其等之各者促成由器件105產生之總熱量。此等器件117可產生導致一對應高熱負載之一非常高功率密度。一片狀墊片120具有安裝至發熱器件105之頂面之一底面且包含延伸於墊片120之兩個主表面之間且分佈於墊片120之整個面積中之複數個間隔分開傳熱元件125。墊片120之頂面鄰接一吸熱環境130，吸熱環境130可由另一傳熱元件及/或用於自發熱器件105帶走熱及/或自發熱器件105吸收熱之各種流體或液體組成。較佳地(但非排外地)，使用一3D列印方法來製造墊片120。
圖2展示例示性被動傳熱墊片120之一透視圖且圖3展示其之一分解部分。「被動」係指墊片中不存在一液體或氣體來完成傳熱。墊片120可由例如聚烯烴、聚胺基甲酸酯、聚酯及聚醯胺之熱塑性彈性體材料形成且具有其中複數個間隔分開孔210自一主表面橫穿至對置主表面之一瑞士乾酪結構。各孔210由具有高橫向熱傳導係數(即，具有沿垂直於墊片120之主表面之z軸之一高熱傳導係數)之一材料215填充。
較佳地，材料215係一高熱傳導奈米複合材料。奈米複合物由優先對準及定向於熱塑性彈性體纖絲中之高熱傳導係數之大縱橫比奈米粒子(例如一尺寸係另一尺寸之10倍至10,000倍之粒子)組成，諸如碳奈米管(CNT)紗線、石墨烯纖維、金屬奈米線(Ag、Au、Cu)及陶瓷奈米晶鬚(AlN、SiC、Al2 O3 、石墨)。一態樣歸於例示性材料218 (材料215之一者)之放大圖中所展示之縱向對準(垂直於墊片之主表面)之奈米粒子217。另一態樣係：將材料215安置於各自孔內以消除沿z軸之界面邊界。本發明之一態樣歸於以下認知：將各自孔內之材料215安置於連續多個水平層中(平行於墊片之主表面來安置層)(諸如藉由逐層3D列印或逐層沈積)導致出現於相鄰形成層之間的界面處之界面邊界。儘管一連續多層沈積不會減小平面內熱傳導係數(即，沿平行於界面邊界之平面之熱傳導係數)，但多個界面邊界顯著減小橫向熱傳導係數(即，垂直於界面邊界層之熱傳導係數)。因此，期望製造墊片120及其孔210且接著用材料215填充各自孔210，使得針對各孔，在一個步驟中實質上一次性插入所有材料215以消除橫向於z軸之任何界面邊界之形成存在。界面邊界係指形成於兩個遠端面之間的傳導元件215內之不連續邊界，該兩個遠端面實質上與墊片材料205之各自兩個主表面齊平。所製備之熱墊片之厚度可在自約50微米(0.002英寸)至超過300微米(0.012英寸)之範圍內。
圖4係展示不同材料215之熱傳導係數與導體面積分率(墊片120之一表面上之傳熱元件215之總面積:墊片之一表面之總表面積)的一曲線圖400。右下插圖展示具有曲線圖中之對應各自曲線405、410、415、420及425之石墨烯纖維、瀝青石墨纖維、銅、碳奈米管(CNT)濕紡及CNT紗線酸處理(AT)材料之代表性熱傳導係數(以每米克耳文之瓦特數(W/mK)為單位)。此等曲線圖表示不具有內部界面不連續性之各自材料之值。作為用於解譯曲線圖之一實例，使用瀝青石墨纖維材料來製造之一墊片在0.5導體面積分率(其意謂墊片之一主表面之表面積之一半由瀝青石墨纖維之面積佔據)處具有約500 W/mK之一熱傳導係數。針對相同面積分率，石墨烯纖維具有約1,500 W/mK之一熱傳導係數。
圖5描繪用於製造例示性傳熱墊片120之一例示性裝置500。在接收材料215之前，可藉由一3D列印程序來製造墊片120以形成具有介層孔(通孔)之一聚合物膜。一線軸505含有用於插入至墊片材料中之各自孔中之材料215 (較佳為奈米粒子複合材料)之一連續纖絲510。一進給控制器515控制纖絲之進給且包含摩擦進給纖絲穿過一導管525內之一中空部之進給輥520。導引纖絲穿過一噴嘴530，噴嘴530可為一經加熱之高度垂直擠壓噴嘴，其液化纖絲且在一個連續步驟中使液體材料215「噴射」或流動至一各自孔210中以維持奈米粒子對準。因此，材料作為一個有效層沈積於孔內以避免在最終安置於孔內之材料內形成任何界面不連續面。接著，材料在孔內固化。可預見重複此程序以用材料填充各個孔；墊片或進給控制器/噴嘴可在各個孔上方移動及定位。可用於填充介層孔或孔之一例示性熱塑性奈米複合纖絲直徑可在自0.5mm (0.02英寸)至超過3mm (0.012英寸)之範圍內。可期望填充介層孔或孔，使得無過量材料自墊片突出。若存在略微過填充，則可砂磨或磨光墊片表面以移除過填充材料且提供具有光滑平坦表面之一填充墊片。
儘管本文中已詳細描繪及描述本發明之例示性實施方案，但熟習技術者應明白，可在不背離本發明之精神之情況下進行各種修改、新增、替代及其類似者。本發明之範疇由以下申請專利範圍界定。
100‧‧‧裝置
105‧‧‧發熱器件
110‧‧‧印刷電路板
115‧‧‧金屬接點
117‧‧‧主動器件
120‧‧‧墊片
125‧‧‧傳熱元件
130‧‧‧吸熱環境
205‧‧‧墊片材料
210‧‧‧孔
215‧‧‧材料/傳熱元件/傳導元件
217‧‧‧奈米粒子
218‧‧‧材料
400‧‧‧曲線圖
405‧‧‧曲線
410‧‧‧曲線
415‧‧‧曲線
420‧‧‧曲線
425‧‧‧曲線
500‧‧‧裝置
505‧‧‧線軸
510‧‧‧纖絲
515‧‧‧進給控制器
520‧‧‧進給輥
525‧‧‧導管
530‧‧‧噴嘴
將自[實施方式]、專利申請範圍及附圖明白本發明之例示性實施方案之特徵，其中：
圖1係併入本發明之一實施例之一例示性裝置之一側視圖。
圖2係根據本發明之一實施例之一例示性傳熱墊片之一透視圖及導熱元件之一者之一放大圖。
圖3展示例示性傳熱墊片之一分解部分。
圖4係展示不同材料之熱傳導係數與傳熱元件在墊片之總面積中之相對面積的一曲線圖。
圖5描繪根據本發明之一實施例之用於製造例示性傳熱墊片之一例示性裝置。

Claims (16)

  1. 一種適合於將熱自一電子發熱器件傳遞至另一環境之被動傳熱裝置，該裝置包括： 一非金屬墊片，其具有橫向於兩個主對置表面之複數個間隔分開孔； 導熱材料，其安置於該等孔內且填充該等孔以將熱自該兩個主表面之一者傳導至另一主表面，該導熱材料係具有實質上垂直於該兩個主對置表面對準之奈米粒子之一奈米複合材料，該導熱材料不具有內部界面邊界。
  2. 如請求項1之被動傳熱裝置，其中該導熱材料具有比銅高之一熱傳導係數。
  3. 如請求項2之被動傳熱裝置，其中該導熱材料由瀝青石墨纖維及石墨烯纖維之一者組成。
  4. 如請求項1之被動傳熱裝置，其在該墊片之該兩個主表面之一者上之該導熱材料之總表面積係該一主表面之總表面積之一半時具有大於100 W/mK之一有效熱傳導係數。
  5. 如請求項1之被動傳熱裝置，其中該墊片之該兩個主表面之一者呈平面以接合該電子發熱器件之一表面。
  6. 一種電子裝置，其包括： 一電子發熱器件，其具有一平坦表面； 一片狀墊片，其具有橫向於兩個主對置表面之複數個間隔分開孔，該兩個主對置表面之一者接合該平坦表面； 導熱材料，其安置於該等孔內且填充該等孔以將熱自該一主表面傳導至該兩個對置主表面之另一主表面，該導熱材料係具有實質上垂直於該兩個主對置表面對準之奈米粒子之一奈米複合材料，該導熱材料不具有界面邊界； 一吸熱器，其接合該另一主表面且接受自該電子發熱器件經由該導熱材料傳遞之熱，以藉此將熱自該電子發熱器件帶走。
  7. 如請求項6之電子裝置，其中該導熱材料具有比銅高之一熱傳導係數。
  8. 如請求項7之電子裝置，其中該導熱材料由瀝青石墨纖維及石墨烯纖維之一者組成。
  9. 如請求項6之電子裝置，其在該墊片之該兩個主表面之一者上之該導熱材料之總表面積係該一主表面之總表面積之一半時具有大於100 W/mK之一有效熱傳導係數。
  10. 一種用於製造適合於將熱自一電子發熱器件傳遞至另一環境之一被動傳熱裝置之方法，該方法包括以下步驟： 製造具有橫向於兩個主對置表面之複數個間隔分開孔之一片狀墊片； 將具有實質上垂直於該兩個主對置表面對準之奈米粒子之一導熱奈米複合材料注入至該等孔中，使得無界面邊界形成於安置於該等孔內之該材料內，該材料將熱自該兩個主表面之一者傳導至另一主表面。
  11. 如請求項10之方法，其中該注入步驟包括：液化導熱奈米複合材料之一纖絲且用該液化材料填充各個孔，使得該孔內之該材料之全部以一單層步驟形成以消除該材料中之界面邊界之可能性。
  12. 如請求項11之方法，其中藉由加熱擠壓該纖絲來執行該液化。
  13. 如請求項10之方法，其中該導熱材料具有比銅高之一熱傳導係數。
  14. 如請求項12之方法，其中該注入材料由瀝青石墨纖維及石墨烯纖維之一者組成。
  15. 如請求項10之方法，其包含以下步驟：當該墊片之該兩個主表面之一者上之該導熱材料之總表面積係該一主表面之總表面積之一半時，依大於100 W/mK之一有效熱傳導係數傳遞熱。
  16. 如請求項10之方法，其中將該墊片製造為該墊片之該兩個主表面之一者呈平面以接合該電子發熱器件之一表面。
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