TWI458055B - 熱傳送總成 - Google Patents

Description

熱傳送總成

本發明有關一熱傳送總成，其包含彼此熱傳導接觸之二部件，詳言之為有關一熱傳送總成，其中至少二部件之一為塑膠件。本發明特別有關散熱裝置的界面表面之性質，如與熱產生電子裝置使用的散熱器。

此一熱傳送總成揭露於US－6651732－B2。此已知的熱傳送總成為一散熱總成，其由一包含熱導管組件之熱產生裝置及一散熱器構成，該散熱器為一具有整合袋以容納熱導管組件的塑膠件。US－6651732－B2中之總成的塑膠件為一射出成型模製之熱傳導彈性件。

在電子及電腦工業中，已知使用多種型式之電子裝置封裝及積體電路晶片，如由英特爾公司製造之PENTIUM中央處理單元晶片(CPU)及RAM(隨機存取記憶體)晶片。此些積體電路晶片在操作時產生大量的熱，其必須去除以防止對裝設有此裝置的系統操作上的不利影響。有數種習知的方法可冷卻熱產生組件及物件以防止裝置失效及過熱。通常，塊狀散熱器或熱分散器為與熱產生裝置之表面熱連通的放置以吸收熱並幫助由其散熱。

已知在界面的表面接觸重要的影響熱傳送總成的整體性能。現有熱傳送總成的問題如下。通常，因為製造的容限，接觸表面總是無法完全的平坦，而在熱產生表面及散熱裝置間產生間隙，故因此增加總成之整體熱阻性。再者， 表面的不規則性，例如因為研磨或其他處理步驟，在接觸件間產生微孔洞及間隙。此些在接觸表面間的不完美及間隙通常含有小氣泡。此皆導致不良的熱傳送接觸，降低在熱產生表面與散熱裝置間之橫越界面的熱傳送潛能，並導致橫越接觸界面的激烈的温度梯度。此在熱傳送潛能的降低對於熱傳送總成的性能非常重要，尤其是當二接觸件為塑膠件時。

在前述提及之US－6651732－B2中，於熱產生裝置與塑膠散熱器件間的表面接觸區域係藉由熱導管組件促進，該熱導管組件係包含於熱產生裝置整合穴袋中用以容納散熱器的熱導管組件。此促進表面接觸區域的解決手段補償不良之熱傳導接觸，但不能減少或解決此問題。為了減少不良熱傳導接觸的效用並使限制熱傳送潛能產生問題最小化，已有不同的嘗試將界面間隙與一熱傳導材料橋接而在散熱器表面與熱產生源表面間提供一緊密的。

詳言之，載入熱傳導陶瓷或其他填充劑之熱傳導糊、膜、黏合劑構成的有機基材材料如彈性體橡膠、熱塑材料、糊、油及油脂，已做為熱界面材料。熱傳導糊、油及油脂之施用基本上係與熱傳導材料塗抹至散熱器或其他電子組件，接著以機械方式使用夾具或螺絲固定散熱器於定位。此些材料部份在不平表面間呈現優良的膜形成及間隙填充特性，因此提供散熱器表面與熱產生源表面間的緊密接觸。此些性質通常與低黏度及/或低填充劑含量結合，導致過高的熱阻性及/或由散熱器與熱產生表面間滲出，造成在 二表面間的空氣孔洞，最後導致熱點。再者，經由機械固定器將過量的壓力置於散熱器上促使在散熱器與熱產生表面之表面間的滲漏。其他為因高量的填充劑載入而呈現高度熱傳導性，但通常亦具有非常高的黏性及太低的濕潤性及/或在散熱器表面與熱產生表面呈現不良的黏合性，且易於孔洞化並乾燥而最後導致點。其他的問題為部份的油會蒸發並再凝結於周圍微電路的敏感件上。此再凝結油導致沉積的形成，因此干擾微處理器的功用並實際上造成失效。

熱傳導彈性體橡膠及熱塑性材料的例子中，此些材料基本上為鑄型為片材型式並模製為對應於散熱器與熱產生裝置之接觸表面的形狀。此結果預製成的片材接著施用至散熱器或熱產生裝置的接觸表面之表面。此片材必須為非軟以可複製部件之接觸表面。例如，WO02/059965描述一可壓縮相改變熱界面，可插入於熱產生組件之熱傳送表面與一散熱元件間。通常額外使用一熱傳導黏合材料。可替代地，此熱傳導材料層直接鑄型於散熱器或熱產生裝置的接觸表面，因此，除去熱傳導黏合材料的需求。接著，具熱傳導材料之界面表面層的散熱器及熱產生裝置藉由夾具或螺絲固定。此由預鑄膜或預切膜組成黏著於一部件之界面表面層解決油脂或相似者伴隨的問題，且通常與具有膜黏著或鑄型之具有緊密的接觸。

然而，為了提供與第二件的良好熱傳導接觸，在界面層上必須放置過量的壓力。再者，此些型式的材料不能提 供包含塑膠件之熱傳送總成的熱產生源與散熱器間最佳熱傳送所要求之與第二件適當的緊密接觸及/或以呈現不同的性能，此係歸因於熱傳導預切或預鑄膜厚度的變化及基於為固定散熱器之機械裝置或作動所施用至熱傳導膜的壓力量。

本發明的目的為減少或甚至完全除去前述的問題並提供一在至少一塑膠件與另一件的熱傳導接觸間具有良好熱連通的熱傳送總成，更詳言之為降低因熱接觸中表面不規則性及粗糙度的總成熱接觸阻力的敏感性並使總成的熱接觸阻力降低或不受微孔洞成形成的影響，但同時維持二件間的良好熱連通。

此目的可藉由一熱傳送總成達成，其包含為一塑膠件的第一件及一第二件，且第一件具有一第一表面區域與第二件之第二表面區域熱傳導接觸，其中該第一表面區域與該第二表面區域由一具有至少50W/m．K之熱傳導性的表面材料構成。

依本發明之熱傳送總成，僅有第一件為塑膠件或第一及第二件為塑膠件。依本發明之熱傳送總成，由一具有至少50W/m．K之熱傳導性的表面材料構成之塑膠件及另一件或二塑膠件的接觸表面區域的功效在於熱傳送總成的熱接觸阻力為低，並對二接觸表面的不規則性及粗糙度較不敏感且孔洞的形成較不嚴重。相較於在塑膠件上無金屬接觸表面區域或相等物的對應熱傳送總成，此結果導致大大的 改進本發明熱傳送總成之二部件間的熱聯通性，且在接觸表面界面處或接近處未進行任何特殊預防措施以減少表面粗糙度、表面不規則性及微孔洞。事實上，在本發明之總成中，二件的表面不規則性為難以補償的，特別是當具有至少50W/m‧K之熱傳導性的表面材料層為薄時，但不過在二件間的熱連通可顯著的由該層改進。且與習知技術之含有熱界面材料且在接觸表面界面或附近具有相同的程度的表面粗糙度、表面不規則性孔洞的熱傳送總成比較亦具有較佳的熱連通性。

具有至少50W/m‧K之熱傳導性的表面材料合宜的由金屬、一含金屬的塗層及/或一陶瓷材料構成。

在本發明的一實施例中，第一表面區域由一鍍金屬層、一含金屬的塗層及/或一陶瓷材料，且其中另一第二件為一金屬件。

在本發明的另一實施例中，第一件及第二件為塑膠件，且第一表面區域及第二表面區域的各自接觸表面為由鍍金屬層、一含金屬的塗層及/或一陶瓷材料構成。

本發明之熱傳送總成熱傳送總成可由做為不同功能之不同部件構成，假設共同功能為由一部份傳送熱至另一部件。合宜的一部件，可為第一件或第二件，為一被加熱件或一熱產生件，同時另一件為熱吸收件及/或散熱件。

可適於用於本發明之熱傳送總成的加熱件為照明結構的金屬件。此金屬件經由照明元件藉接觸加熱及/或感應加 熱而加熱。可適於用於本發明之熱傳送總成的熱產生件為電子組件，如積體電路晶片。

較佳地，一部件為熱產生裝置，及另一部件為一散熱裝置或散熱器。本文定義的散熱裝置為一設置與加熱或熱產生件熱連通的部件且能夠由加熱或熱產生件吸收熱並將吸收的熱逸散至環境中。合宜地，此散熱裝置包含冷卻元件如鯺片、柱或針以幫助熱逸散。

有數種習知方法可冷卻熱產生組件及物件以避免裝置失效及過熱，如前文述及。一塊狀散熱器或熱分散器為最普及之與物件的熱產生表面熱連通且吸收熱並將熱逸散。此一散熱器基本上包括一具數個獨立冷卻元件的基座元件，冷卻元件如鯺片、柱或針，以助於熱的逸散。冷卻元件的幾何形狀的設計為用以增加散熱器的總表面區域，該區域與用周圍空氣接觸以使熱的逸散最佳。使用此等最適之幾何構形的鯺片、柱或針與未具此等冷卻元件如一平坦熱分散器相比可大大的促進熱逸散。

合宜地，熱傳送總成包含一熱產生裝置如塑膠件、或塑膠件之一。此熱產生裝置有利地在接觸表面區域包含鍍金屬層或可替代的熱傳導表面層，在此區域無界面導電性限制，因而若在接觸表面區域無此層則此界面區域必須具有一高電阻。

在本發明之一較佳實施例中，熱傳送總成包含一散熱裝置為塑膠件，或塑膠件之一。塑膠件為散熱裝置的優點在於散熱裝置可以簡單的方法產生非常複雜的形狀而提供 一促進的散熱表面區域。

依本發明之熱傳送總成，此熱產生裝置合宜的為一電子組件，如一電腦晶片、或一照明元件如一置於金屬核心PCB上的LED、一白熱灯、一省電灯或任何由LED電子操作的灯、或此灯的外殼。

本發明之熱傳送總成的塑膠件，合適地由熱傳導塑膠組成物組成，較佳的塑膠組成物具有一至少0.5W/m‧K的熱傳導性。此塑膠組成物的熱傳導性可高至40Wm‧K或更高，雖然一般的熱傳導填充劑難以達成。此熱傳導性較佳為在1.0-30W/m‧K.之範圍間，且更佳為在2.0-25W/m‧K範圍間或在3.0-20W/m‧K之範圍間尤佳。

合宜地，在本發明之熱傳送總成的塑膠件由含有聚合物及熱傳導填充劑的塑膠組成物製成。合宜地，在塑膠件中的塑膠組成物包含30-90wt%之聚合物及10-70wt%之熱傳導材料，較佳為40-80wt%之聚合物及20-60wt%之熱傳導材料，其中wt%為相對塑膠組成物的總重。已注意到10wt.%的量已足以使一型熱傳導材料達到至少0.5W/m‧K的遍及平面的熱傳導性，如使用特定等級的石墨，因此對於其他者如樹脂碳纖維、氮化硼及特殊的玻璃纖維，需要較高wt.%。達到所要求量的使用量可由熟於此項技術人士經由例行的實驗製造熱傳導聚合物組成物而決定。

合宜地，此聚合物為一熱塑性聚合物或一熱固性聚合物。合適之熱固性聚合物包括熱固性聚酯樹脂及熱固性環氧樹脂。

較佳地，此聚合物包含一熱塑性聚合物。此熱塑性聚合物適宜為一非晶形、一半結晶或一液態結晶之聚合物，一彈性體或其等之組合。液態結晶聚合物為較佳，因為其高度結晶的性質及能力可提供填充劑材料的良好基材。液態結晶聚合物的例示包括熱塑性芳香族聚酯。

合適之熱塑性聚合物為例如聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸酸酯、丙烯腈、乙烯類、聚碳酸酯、聚酯類、聚醯胺、聚苯硫醚、聚氧化二苯、聚碸、聚芳基化物、聚亞胺、聚醚醚酮(PEEK)、與聚醚亞胺、及其等之混合物與共聚物。

合適之熱傳導填充劑為選自下列組成組群：氧化鋁、氮化硼、金屬薄片及纖維如銅薄片及不銹鋼纖維、碳如碳纖維及膨脹石墨、及其等之組合。

在本發明一較佳實施例中，熱傳導填充劑包含氮化硼。氮化硼在塑膠組成物中做為熱傳導填充劑的優點為其賦予高熱傳導性同時維持良好的絕緣性質。

在本發明一較佳實施例中，熱傳導填充劑包含石墨，特別是膨脹之石墨。石墨在塑膠組成物中做為熱傳導填充劑的優點為其在一非常低的重量百分比即可賦予高熱傳導性。

此熱傳導填充劑形式可為顆粒粉末、粒子、細絲、纖維、或其他合適形式。此粒子可具有多種結構。例如，粒子可具有薄片、盤狀、米粒、股、六角形、或似球體形狀。合宜地，此熱傳導纖維包含玻璃纖維、金屬纖維及碳纖維。合適之碳-纖維，亦已知為石墨纖維，包括PITCH-系碳纖維 及PAN-系碳纖維。

熱傳導材料的選擇依熱傳總成的進一步需求而定且必需的使用量依熱傳導材料的型式及塑膠件要求的熱傳導量而定。

較佳地，高及低長寬比的熱傳導材料，亦即熱傳導填充劑及纖維，皆可包含於塑膠組成物中，如述於McCullough之美國專利第6,251,978及6,048,919號，其等揭露併入本文參考。

在本發明之熱傳送總成中，塑膠件包含一熱傳導層，故塑膠件的接觸表面由金屬、含金屬的塗層及/或一陶瓷材料構成。

此塑膠件可為任何如前述之塑膠組成物使用任何適於由一塑膠組成物製成塑膠件的方法而得到之塑膠件，如擠壓或射出成型模製。

在塑膠件上的鍍金屬層可由任何適宜在塑膠件上提供鍍金屬層之鍍金屬化作用達成。

在塑膠件施用鍍金屬層的合宜方法包括塗覆及以無電電鍍、濺鍍或金屬氣相沉積的鍍金屬方法。

合宜地，鍍金屬作用與一選定的蝕刻作用併用以除去無功能之部份鍍金屬層。較佳的選擇將依用於製造塑膠件的塑膠組成物型式而定。此塑膠組成物適宜為一不活化聚合物組成物、一預活化聚合物組成物或二者之組合。一不活化聚合物組成物可金屬化，例如，在以合適之添加劑的表面改質作用後。此一組成物，不同於預活化塑膠組成物， 不能在一化學鍍金屬浴中鍍金屬或藉由活化作用轉換為一可電鍍金屬組成物。

本文之預活化聚合物組成物需瞭解為一本身在化學鍍金屬浴中不能電鍍金屬的塑膠組成物，但包含一可被活化之催化添加劑，故轉換組成物為一可電鍍金屬之組成物。本文之可電鍍金屬之組成物需瞭解為一可在化學鍍金屬浴鍍上金屬的組成物。在預活化聚合物組成物中可使用選擇的活化作用以產生一活化區域，故藉由化學鍍金屬浴中鍍金屬時僅於預選定處鍍上金屬。

可用於預活化聚合物組成物之催化添加劑可為任何適用於鍍金屬之模製聚合物物件的催化添加劑。合適之催化添加劑包括例如含鈀添加劑，其可以化學活化製程活化，及金屬-有機與金屬氧化物添加劑，如金屬氧化物與尖晶石結構的混合，其可藉由電磁輻射曝光而活化，如以IR或UV-雷射。此含鈀添加劑及金屬-有機與金屬氧化物添加劑本身的例示在此技術領域中為已知的。合適之金屬氧化物與尖晶石結構的混合為述於例如，美國專利申請案第200410241422號。

合宜之預活化聚合物組成物的範圍例如，Ticona公司之Vectra 820i或Vectra 820iPD LDS；Degussa公司之Vestodur CL 2230或CL3230 PBT，BASF公司之Ultramid 4380 LS，Lanxass公司之Pocan TP710-004 PST/PET。

在一較佳之模式中，此塑膠件由預活化聚合物組成物與一不活化之聚合物組成物組成，以一2-K模製方法射出成 型。由此2-K模製方法形成的模製件的表面活化作用導致預活化聚合物組成物的選擇性活化作用。此一活化件的鍍金屬化導致一鍍金屬層圖案在射出成型製程中已限定。此優點為可鍍金屬的塑膠件僅在接觸表面。

在另一較佳模式，此塑膠件完全以鍍金屬層覆蓋。

本發明之熱傳送總成中在塑膠件之熱傳導層具有一可在大範圍變化的厚度。合適的厚度在0.01-1000μm範圍間，尤以在0.1-100μm範圍間為宜，且更佳為在1-10μm。一較大的熱傳導層之最小厚度為利於一與另一件之更佳熱傳導接觸並減少熱傳送的表面阻力。

合宜地，此熱傳導層由具有50-400W/m‧K或更高之熱傳導性的材料組成。較佳地，熱傳導性為至少100W/m‧K，尤以至少150W/m‧K為佳，且更佳為至少200W/m‧K。

且較佳地，此在塑膠件上的熱傳導層由一鍍金屬層組成。此提供與另一件的最佳熱傳導接觸及熱傳送之最低表面阻力。

此鍍金屬層較佳包含或甚至完全由下列組成之組群中金屬組成：鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鉻(Cr)及其等之混合物。

此含有塗層的金屬合宜的為一鎳銅塗層。

在塑膠件具有一鍍金屬層或任何另一具有熱傳導性為至少50W/m-K之表面材料、或可合用之具有鍍金屬層或一可替代表面材料的二塑膠件後，此塑膠件與另一件、一金屬件或一具鍍金屬層之第二塑膠件總成，故此塑膠件與另 一件為彼此經由鍍金屬層接觸，或可合用的經由鍍金屬層接觸。在鍍金屬層與金屬件間或二鍍金屬層間的接觸導致在低熱抗熱性的良好熱接觸，而不需要在件上的高壓施用。高壓的施用通常不可能，但低壓具有亦可使件之整體性更佳的保持之進一步優點。

Claims (10)

1. 一種熱傳送總成，其包含為一塑膠件的第一件及一第二件，且第一件具有一第一表面區域與第二件之第二表面區域熱傳導接觸，其中該第一表面區域由一鍍金屬層構成，該第二表面區域由一具有至少50W/m‧K之熱傳導性的表面材料構成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱傳送總成，其中該第二表面區域之表面材料由金屬、一含金屬的塗層及/或一陶瓷材料組成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之熱傳送總成，其中該第二件為一金屬件。
4. 如申請專利範圍第1項所述之熱傳送總成，其中該第一件及該第二件為塑膠件且該第一表面區域及該第二表面區域各自由一鍍金屬層組成。
5. 如申請專利範圍第3項所述之熱傳送總成，其中該鍍金屬層具有0.01-1000μm厚度。
6. 如申請專利範圍第3項所述之熱傳送總成，其中該鍍金屬層包含由下列組成之組群中金屬：鎳(Ni)、鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鉻(Cr)及其等之混合物。
7. 如申請專利範圍第1項所述之熱傳送總成，其中該第一件或該第二件為一熱產生裝置且另一件為一散熱裝置。
8. 如申請專利範圍第7項所述之熱傳送總成，其中該熱產生裝置為一電子組件或一照光部件。
9. 如申請專利範圍第7項所述之熱傳送總成，其中該散熱 裝置包含冷卻元件。
10. 如申請專利範圍第1至9項任一項所述之熱傳送總成，其中該塑膠件由一具有熱傳導為至少1W/m‧K的塑膠組成物組成，較佳為在2-20W/m‧K的組成物。