專利名稱：柔性散熱片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柔性聚合物散熱制品，包括卷筒式或帶式散熱制品，還涉及散熱制品的制備方法。
背景技術(shù)：
散熱片通過對(duì)流、輻射或進(jìn)一步傳導(dǎo)將熱能從發(fā)熱部件傳送到環(huán)境當(dāng)中。散熱片通常具有擴(kuò)展表面，以促進(jìn)熱向環(huán)境散失。鋁(或其它金屬，如銅)突起是散熱片的常見形式。這些突起具有剛性底座和擴(kuò)展表面翼片。金屬散熱片一般會(huì)導(dǎo)電，因而可能在電子器件中引起電磁干擾的問題。其它形式的金屬散熱片包括各種形狀的柔性銅箔，其一個(gè)或兩個(gè)主表面上任選具有絕緣涂層。陶瓷、金屬和燒結(jié)散熱片一般是剛性的。
導(dǎo)熱聚合物已經(jīng)用于熱交換器、電子器件、雙極板和熱界面材料。據(jù)介紹，由包含分散導(dǎo)熱顆粒的高模量熱塑性或環(huán)氧材料形成的注塑散熱片是復(fù)合散熱片，它由與金屬箔層壓在一起的聚合物翼片組成。非金屬散熱片可減少電磁場(chǎng)和射頻場(chǎng)的干擾問題。
發(fā)明概述簡(jiǎn)言之，本發(fā)明提供柔性散熱制品，其包括含有聚合物的底座和從底座伸出的許多聚合物突起，每個(gè)突起具有主尺寸和次尺寸。底座聚合物包含導(dǎo)熱顆粒，突起聚合物包含非球形導(dǎo)熱顆粒，所述顆?；旧贤黄鹬械闹鞒叽绶较?qū)R。柔性散熱片在底座部分和任選在從底座伸出的突起中具有一定的柔性。
另一方面，本發(fā)明提供了一種柔性散熱制品，它包括含有聚合物且具有第一表面和第二表面的底座，從底座第一表面伸出的許多聚合物突起(每個(gè)突起具有主尺寸和次尺寸)，靠近底座第二表面的金屬層，以及任選的靠近金屬層的熱界面材料，其中底座聚合物和突起聚合物包含導(dǎo)熱顆粒，任選地，熱界面材料具有與底座相連的表面，任選地，散熱制品以卷筒形式提供。
另一方面，本發(fā)明提供了柔性散熱片的制備方法，它包括提供含有許多導(dǎo)熱顆粒的第一聚合物組合物，提供包含許多非球形導(dǎo)熱顆粒的第二聚合物組合物，由第一和/或第二聚合物形成散熱底座，由第二聚合物和任選第一聚合物形成靠近散熱底座的許多細(xì)長(zhǎng)突起，任選地提供靠近底座第二表面的金屬層，任選地提供靠近底座或金屬層的熱界面材料，其中非球形導(dǎo)熱顆粒基本上沿突起的細(xì)長(zhǎng)方向?qū)R。
這里所用“主尺寸”是指最大顆粒尺寸，例如直徑、長(zhǎng)度、寬度、截面或厚度，“次尺寸”是指最小顆粒尺寸。這些尺寸可用已知的篩選技術(shù)或顆粒篩分設(shè)備直接測(cè)定或分類?！盎旧蠈?duì)齊”是指沿平行于主尺寸的軸+/-45°之內(nèi)的方向排列的顆粒多于沒有對(duì)齊或任意取向的顆粒，如通過X射線衍射沒有均勻取向的反射所示。在某些實(shí)施方式中，對(duì)齊程度更高?！盎旧项愃啤笔侵妇哂羞@樣的組合物，基本上相似的組合物至少約85重量％是相同的，基本上相似的組合物之間的任何差異約小于組合物中每種聚合物的15％。相反，本文中“不同”是指組合物的差異超過約15重量％?！盎旧舷嗨啤钡慕M合物可包含相同的材料，但含量可以不同。
本發(fā)明具有許多優(yōu)點(diǎn)，下面介紹其中的一些優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的散熱片一般采用體導(dǎo)熱系數(shù)至少約5，更宜至少約10，在某些情況下至少約20瓦/(米·開)[W/(m·K)]的材料，在聚合物突起高度約小于30mm下，散熱片意外地接近鋁散熱片的性能，盡管鋁的體導(dǎo)熱系數(shù)高得多，約為200W/(m·K)。雖然柔性散熱片中所用材料具有具體的體導(dǎo)熱系數(shù)，但所用非球形導(dǎo)熱顆粒的對(duì)齊可增加取向方向的導(dǎo)熱系數(shù)，使之超過該體導(dǎo)熱系數(shù)。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是散熱片的柔性。散熱片的底座可以是柔軟的，而聚合物突起既可以是柔軟的，也可以是相對(duì)堅(jiān)硬的。因此，本發(fā)明的散熱片可適合于貼合從粗糙表面到不平整表面，甚至到宏觀芯片尺寸的任何實(shí)際尺度的不平表面。
散熱片的柔性底座還允許將將散熱片放置到未完全共面的表面上，這樣單個(gè)柔性散熱制品可向一個(gè)以上的粘共面器件散熱。柔性還具有緩沖的益處，減少與散熱片直接或間接相連的組件和/或較大表面結(jié)構(gòu)受到的沖擊和震動(dòng)(即柔性散熱片為與之直接相連的芯片器件提供緩沖，又為與含有散熱片的芯片相連的印刷電路板提供緩沖)。與鋁散熱片相比，柔性散熱片還減少了噪聲的傳播，而鋁散熱片連接到振動(dòng)組件上時(shí)，會(huì)像音叉那樣傳播聲音。
散熱片可以卷筒形式提供(例如

圖1A所示內(nèi)徑約為12cm的柔性散熱片卷筒)，然后利用模切等技術(shù)切成任何所需形狀。散熱片還可包含熱界面材料層，它可以是導(dǎo)熱粘合劑層。突起的數(shù)量、位置、尺寸和底座厚度可任意變化，以適應(yīng)熱源的不同溫區(qū)。此外，片、橫條、翼片、箔、帆等可以任何組合形式用來導(dǎo)熱和引導(dǎo)氣流。聚合物突起可具有恒定或變化的高度和/或形狀。聚合物突起和可包含粘合劑的底座可通過各種工藝分別制備或同時(shí)制備。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)從下面對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述和如權(quán)利要求書中可以看出。以上對(duì)本說明書原理的概述不用來說明本說明書的每一個(gè)圖示實(shí)例或每一個(gè)實(shí)施方式。下面的圖和詳細(xì)描述利用所述的原理，更詳細(xì)地列舉了一些優(yōu)選實(shí)施方式。
附圖簡(jiǎn)述圖1A是本發(fā)明一種實(shí)施方式的卷筒形散熱制品的透視圖。
圖1B是本發(fā)明一種實(shí)施方式的散熱制品的側(cè)視截面圖。
圖2是本發(fā)明一種實(shí)施方式的方法所采用的三輥模塑設(shè)備的示意圖。
圖3是本發(fā)明另一種實(shí)施方式的方法所采用的型材擠出設(shè)備的示意圖。
圖4所示為本發(fā)明一種實(shí)施方式的散熱結(jié)構(gòu)。
圖5所示為本發(fā)明一種實(shí)施方式的中間加工階段的散熱片。
圖6所示為本發(fā)明另一種實(shí)施方式的散熱片結(jié)構(gòu)。
圖7是本發(fā)明一種實(shí)施方式的透視圖。
圖8是本發(fā)明另一種實(shí)施方式的透視圖。
圖9是本發(fā)明再一種實(shí)施方式的透視圖。
圖10為用來制備本發(fā)明實(shí)例的型材擠出模頭的視圖。
圖11是用圖10所示模頭制備的本發(fā)明另一實(shí)例。
圖12是突起圖案的示意圖。
圖13A所示為本發(fā)明一種實(shí)施方式的平玻璃基片的浸潤(rùn)能力，圖13B、13C和13D所示為三個(gè)比較例的浸潤(rùn)能力。
圖14A和14B所示為本發(fā)明一種實(shí)施方式的6英寸表玻璃基片的浸潤(rùn)能力，圖14C和14D所示為本發(fā)明一種實(shí)施方式的8英寸表玻璃基片的浸潤(rùn)能力。
圖15A和15B所示為比較例散熱片的6英寸表玻璃基片的浸潤(rùn)能力，圖15C和15D所示為比較例散熱片的8英寸表玻璃基片的浸潤(rùn)能力。
圖16所示為本發(fā)明的能適應(yīng)各種芯片高度的散熱片形狀的側(cè)視圖。
圖17是本發(fā)明一種實(shí)施方式的散熱制品的側(cè)視圖。
圖18是本發(fā)明一種實(shí)施方式的散熱制品的側(cè)視圖。
圖19是本發(fā)明一種實(shí)施方式的散熱制品的透視圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明提供柔性散熱制品，其包括含有聚合物的底座和從底座伸出的許多聚合物突起，每個(gè)突起具有主尺寸和次尺寸。底座聚合物包含導(dǎo)熱顆粒，突起聚合物包含非球形導(dǎo)熱顆粒，所述顆?；旧涎赝黄鸬闹鞒叽绶较?qū)R。熱流動(dòng)的主方向通常與突起的主尺寸相關(guān)。因此，可利用顆粒對(duì)齊來提高散熱片效率，使熱量比在顆粒任意排列的情況下更快地從熱源散開。一方面，優(yōu)選熱流動(dòng)方向的導(dǎo)熱系數(shù)比垂直于優(yōu)選方向的導(dǎo)熱系數(shù)至少約大5％，更宜至少約大10％(甚至更大)。另一方面，優(yōu)選熱流動(dòng)方向的導(dǎo)熱系數(shù)比垂直于優(yōu)選方向的導(dǎo)熱系數(shù)至少約大1.5-5倍(甚至更大)。
現(xiàn)在看圖1B，它示出了本發(fā)明一種實(shí)施方式的散熱制品20的側(cè)視截面圖。散熱制品20包含具有第一表面24和許多聚合物突起26的底座21。聚合物突起可以規(guī)則或不規(guī)則陣列排列。聚合物突起可以是分開的基本上豎直的柱形、錐形，或延伸的行列或橫條，或者它們的組合。各聚合物突起可以具有不同或變化的高度和/或形狀。聚合物突起可采用任何已知的排布形式，如六邊形或其它多邊形、對(duì)角線、正弦曲線、具有類似于松樹的下部凹陷細(xì)部的橫條/柱，等等。
聚合物突起26和底座21可由任何已知的聚合物制備，特別是可熔融加工或可擠出的聚合物。合適的例子包括熱塑性聚合物、彈性聚合物、熱固性聚合物和熱塑性彈性體。上述兩種或多種材料可組合使用，如形成層和共混物。此外，聚合物突起26和底座21可包含相同或不同的材料。熱固性聚合物可通過任何已知方法交聯(lián)，如利用化學(xué)試劑或熱介質(zhì)、催化劑、輻射、熱、光和它們的組合。一方面，聚合物的玻璃轉(zhuǎn)變溫度約低于25℃，更宜低于約10℃，甚至低于約0℃。也就是說，聚合物在室溫下不是完全堅(jiān)硬的，也不完全呈玻璃態(tài)。
在圖1B所示實(shí)施方式中，底座21與聚合物突起26整體形成，底座材料與突起材料可相同，也可不同。突起和底座聚合物可以相同、相似或不同。一方面，本發(fā)明突起和底座由基本上相似的聚合物組合物組成?！盎旧舷嗨啤笔侵妇哂羞@樣的組合物，基本上相似的組合物至少約有85重量％相同，更宜至少約有90重量％相同，在某些實(shí)施方式中至少約有95重量％相同?；旧舷嗨频慕M合物之間的任何差異約小于組合物中每種聚合物的15重量％，更宜約小于10重量％，在某些實(shí)施方式中約小于5重量％。相反，本文中“不同”是指組合物的差異超過約15重量％。突起和底座中選用的特定導(dǎo)熱顆粒及其用量可以相同、相似或不同。這種選擇可獨(dú)立地隨聚合物的選擇而變化。本發(fā)明的一方面，特定聚合物和顆粒是相同或相似的，以降低生產(chǎn)的復(fù)雜性。
底座21和聚合物突起26的組合可稱作散熱片。聚合物突起26通?？删哂衅叫械膫?cè)壁(例如圓柱形)，或者具有稍稍漸縮的形狀35，以便于從模具中取出。圖1B所示突起具有主尺寸28(高)、次尺寸29(寬，在最窄漸縮處)和相鄰聚合物突起26之間的間距30。也就是說，高度大于截面寬度。一方面，聚合物突起可采用任何所需二維形狀，如平直和/或彎曲側(cè)壁，形成矩形、三角形、梯形、半球形、T形、“圣誕樹”形、反轉(zhuǎn)錨形和其它形狀，也可以是上面具體提到的形狀的組合，并任選帶有下部凹陷細(xì)部。另一方面，聚合物突起可采用任何所需三維形狀，如圓柱形、圓錐形、截頂圓錐形、棱錐形、截頂棱錐形、半球形、截頂半球形、矩形、方形、六邊形、八邊形、其它多邊形，等。技術(shù)人員知道哪種形狀適合于特定目的，哪種工藝更適合于特定形狀。此外，可組合運(yùn)用各種工藝形成混合形狀。
散熱制品20可采用一種或多種形狀。特定形狀的選擇可依據(jù)各種特性，包括表面積、成形體周圍的氣流、柔性、導(dǎo)熱性等。所得成形體的寬度可以是漸漸變小的。突起端部可具有任何形狀，如平面形、圓形、波浪形或不規(guī)則形狀。聚合物突起可具有相似或不同的高度。突起側(cè)面可具有任何與突起形狀相適應(yīng)的形狀，如平面形、凸形、凹形或不規(guī)則形狀。此外，突起可包含這樣的柱，頂部擴(kuò)大的表面積比突起最細(xì)部分至少寬10％，更宜至少寬15％。頂部可以是任何已知的形狀，如蘑菇形、釘形、傘形、帽形、燈泡形、反轉(zhuǎn)翼形、箭形、鉤形、雙鉤形或三鉤形，在整體形狀之外還可分別具有凸起或凹陷表面，頂部可以是對(duì)稱的，也可以是非對(duì)稱的。增加的頂部特征可幫助空氣在散熱片周圍流動(dòng)，增加表面積，從而改善散熱。這種突起可幫助或引導(dǎo)冷卻流體(如空氣、水或其它流體)的流動(dòng)，提高傳熱效率，或促進(jìn)突起周圍冷卻流體的利用。可讓冷卻流體更徹底地流過散熱結(jié)構(gòu)，以提高總散熱結(jié)構(gòu)的散熱性能，在冷卻介質(zhì)的利用上為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供更多的靈活性。也可這樣設(shè)計(jì)突起頂部的細(xì)部，使“新鮮”的冷卻介質(zhì)流過散熱結(jié)構(gòu)的特定部分。新鮮冷卻流體[空氣、水、3M公司生產(chǎn)的FluorinertTM氟化流體(St.Paul，MN)等]可流過散熱結(jié)構(gòu)的中間部分(或者任何所需部分或區(qū)域)，以補(bǔ)充/替換流走的冷卻介質(zhì)。例如，一方面可使冷卻流體這樣流動(dòng)，使得散熱結(jié)構(gòu)中間區(qū)域利用主要來自一個(gè)流動(dòng)方向的冷卻介質(zhì)，新鮮介質(zhì)進(jìn)入散熱片內(nèi)部空間區(qū)域(即聚合物突起形成的空間)，而最初從散熱結(jié)構(gòu)側(cè)面進(jìn)入的其它冷卻流體則流失。這種加入新鮮流體的方法可增加冷卻流體對(duì)散熱片的總流量，還能增加散熱結(jié)構(gòu)中冷卻流體的壓力。冷卻介質(zhì)在散熱片區(qū)域中的總流量越高，越能促進(jìn)總的傳熱，提高散熱性能。聚合物突起的引導(dǎo)流體的頂部也可以在高出周圍突起的突起上，可以具有延伸到較低突起上面、周圍或上方的細(xì)部，較低的突起可以具有這些附加的細(xì)部，也可不具有這些結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)變化提供了柔性散熱片，它具有主要用來散熱的聚合物突起，具有頂部細(xì)部以散熱和引導(dǎo)冷卻流體流動(dòng)的其它聚合物突起，以便促進(jìn)在特定結(jié)構(gòu)中所選的各種聚合物突起之間的散熱。
本發(fā)明一方面中，至少部分聚合物突起也可采用帶有展開帆的桅桿形狀。這些帆可包含在部分或全部桅桿的某個(gè)部位上，該帆可在柔性散熱片底座上延伸和/或延伸通過。帆增加了表面積，促進(jìn)了熱的散失。一方面，帆不與底座直接相連，因而對(duì)散熱片的彎曲剛性沒有負(fù)面影響。
另一方面，本發(fā)明的聚合物突起具有額外的細(xì)部，如帶有凹槽、陷窩、凹陷和/或肋。這些細(xì)部可用來改善流體在突起周圍的流動(dòng)。例如，所加表面細(xì)部可增加紊流。流動(dòng)越紊亂，從散熱片突起到周圍冷卻流體的傳熱越容易。對(duì)于特定的突起類型，附加的細(xì)部還能增加傳熱表面積。
任何已知的導(dǎo)熱顆粒均可用于本發(fā)明。這些顆粒包括碳黑、金剛石、碳纖維、涂有金屬或其它導(dǎo)熱材料如鎳的碳纖維、陶瓷纖維網(wǎng)，包括例如氮化硼、氧化鋁、碳化硅、氮化鋁、三水合鋁、氫氧化鎂等的陶瓷，諸如鋁這樣的金屬，鐵氧化物、銅、不銹鋼等，包括金屬箔。合適的顆?？删哂胁煌某叽?、類型(如六方、菱形、立方等晶型)、團(tuán)聚顆粒尺寸、縱橫比、增強(qiáng)顆粒表面物理性質(zhì)的表面涂層、pH特性(例如酸性、堿性，包括路易斯酸或路易斯堿顆粒)，以及顆粒混合物。可采用空心、實(shí)心或金屬涂層顆粒。當(dāng)然，聚合物突起26中的箔和/或網(wǎng)材料以顆粒而不是片的形式提供，而這種片或秋收稀疏平紋布可另外用在底座21中。也可選用顆粒來吸收或減少電磁和/或射頻(EMI/RFI)干擾。這種顆粒包括氧化物鐵和涂鎳的顆粒。聚合物突起和/或底座可包含稀疏平紋布，任意選自鎳或涂鎳稀疏平紋布、碳稀疏平紋布、涂鎳碳稀疏平紋布和它們組合。顆粒尺寸根據(jù)導(dǎo)熱性、在聚合物內(nèi)的適當(dāng)分布(宜均勻)以及顆粒的對(duì)齊情況進(jìn)行選擇。顆粒選擇和對(duì)齊在下文說明。一方面，所用顆粒的主尺寸至少約為5微米(μm)。非球形或細(xì)長(zhǎng)顆粒沿聚合物突起的主尺寸方向?qū)R，這些顆粒的縱橫比約大于1∶1(主尺寸∶次尺寸)，宜大于約1.25∶1或甚至1.5∶1。其它方面，細(xì)長(zhǎng)顆粒的縱橫比大于約2∶1，更宜大于約5∶1、10∶1，甚至更大。
聚合物突起26也可以具有柔性。在一種實(shí)施方式中，當(dāng)偏離發(fā)生在突起的最薄區(qū)域時(shí)，突起能夠偏離突起中心線至少約50％突起厚度(最薄區(qū)域處)，而不會(huì)斷裂、開裂或發(fā)生塑性變形。也就是說，圓錐形突起的一個(gè)特定實(shí)施方式在厚度較小的頂部區(qū)域(若為圓形截面則為直徑)比在厚度較大的底部偏離可以更大(如直徑)。
聚合物突起可具有任何有用的尺寸。最小有用尺寸使熱量從發(fā)熱表面散失。一般，最小高度至少約為0.5mm，更宜為至少約0.7mm，甚至為1mm。最大高度受到這些因素的限制，如預(yù)定用途、卷筒形式、生產(chǎn)的難易、散熱性和柔韌性(例如非常高的柔性突起可彎過來，限制冷卻流體的流動(dòng)，而較短的突起基本上保持垂直)。一般，在某些實(shí)施方式中最大高度小于約30mm，更宜小于約20mm或甚至15mm。隨著散熱片所用材料的導(dǎo)熱性增加，聚合物突起的最大有用高度也增加，有用高度超過30mm。聚合物突起的尺寸和間距宜有利于達(dá)到最佳傳熱，增加表面積通常能增加熱流動(dòng)，直到獲得最好大值。類似地，單位底面積上的聚合物突起越多，一般越能增加熱流動(dòng)，直到獲得最好大值。一般，為了冷卻流體的流動(dòng)，突起之間的間距至少約為0.5mm，更宜至少約為1mm。
在一種實(shí)施方式中，用于低功率應(yīng)用的散熱片中的聚合物突起的最大高度高達(dá)約15mm，最大柱直徑則獨(dú)立地高達(dá)約10mm，柱間間距也獨(dú)立地高達(dá)約7或8mm。如果尺寸再小，則熱性能下降；如果尺寸再大，則不能明顯提高性能，同時(shí)需要更多的原料，從而增加成本。更多的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)見Kraus和Bar-Cohen編著的《散熱片的設(shè)計(jì)與分析》(Design and Analysis of Heat Sinks，JohnWiley and Sons，Inc.，New York(1995)，p.p.239-271)。
一般，突起至少伸出底座以上半個(gè)底座厚度。底座厚度與突起高度之比選自至少0.5∶1，至少1∶1，至少1∶2，至少1∶3，至少1∶6，至少1∶8。
聚合物突起26包含非球形顆粒。這些顆粒是細(xì)長(zhǎng)的，并基本上沿每個(gè)突起的主尺寸方向?qū)R?？v橫比更高的顆粒的例子包括纖維、棒、針、須、橢圓體和薄片。
隨著聚合物共混合物的體導(dǎo)熱系數(shù)增加，較高的突起幫助散熱。隨著非球形顆粒的對(duì)齊，沿對(duì)齊方向的導(dǎo)熱系數(shù)增加，顆粒密度也增加，從而改善散熱。例如，沿氮化硼結(jié)晶X-Y平面的導(dǎo)熱系數(shù)大于沿該片晶厚度方向(Z方向)的導(dǎo)熱系數(shù)。氮化硼六方晶體結(jié)構(gòu)在Z方向的導(dǎo)熱系數(shù)為2.0W/(m·K)，而X-Y平面的導(dǎo)熱系數(shù)為400W/(m·K)，如R.F.Hill在《導(dǎo)熱環(huán)氧化合物填充劑的表征與性能》中所述(Characterization and Performance of ThermallyConductive Epoxy Compound Fillers，SMTA National Symposium“EmergingPackaging Technologies”，Research Triangle Park，NC，1996年11月18-21日)?？赏ㄟ^各種方法改進(jìn)取向，如減少聚合物基體的粘度，采用縱橫比更高的顆粒(如纖維)，在熔體形成時(shí)增加剪切，采用不同類型的顆粒的組合，如片晶和/或纖維以及通常呈球形的顆粒，以提高導(dǎo)熱系數(shù)，促進(jìn)對(duì)齊。取向情況可用任何已知的方法顯示，如X射線衍射。
底座21可包含所選的一個(gè)或多個(gè)細(xì)部，以改進(jìn)底座的柔性。例如，凹痕、狹縫、槽、切口、凹口、孔、通孔、鉸鏈、厚度不同的區(qū)域，或者它們的任意組合，均可用來增加底座的柔性。底座的柔性可隨方向和不同設(shè)計(jì)而變化。例如，根據(jù)突起的設(shè)計(jì)，一個(gè)方向的柔性可以更高些，這些突起在單個(gè)整體元件中，或者在高比寬大的元件中，用以根據(jù)突起元件的設(shè)計(jì)提供不同的彎曲剛性。彎曲剛性也可在散熱制品20中的任何方向上，隨著許多突起縱橫比、曲率、波浪形狀、離底座的不同總高度等而變化。在圖16所示實(shí)施方式中，散熱片100利用其柔性與電路板112上各種高度的芯片110相貼合。雖然圖中顯示芯片110是較平的，但本發(fā)明的散熱片貼合具有凸起和凹陷表面的典型商用芯片。
在圖17所示實(shí)施方式中，散熱底座122適合用于電路板126上的芯片124。散熱片120具有較薄的底座區(qū)域，靠近芯片124的低功率區(qū)域；散熱片120也有較厚的底座區(qū)域，靠近芯片124的高功率區(qū)域。在圖18所示實(shí)施方式中，散熱片130有底座132，它適于與成形表面接觸。在所示實(shí)施例中，電路板136具有外露或封裝的芯片134，它可裝在底座132中，或者底座132可有空穴，它適于容納至少部分芯片或封裝器件。在圖19所示另一個(gè)實(shí)施方式中，底座142可延伸到芯片或封裝器件頂表面以外，任選地圍繞一個(gè)或多個(gè)芯片或封裝器件側(cè)面至少一部分。散熱片底座可以是波紋層或包含波紋層。散熱片底座可包含織構(gòu)表面或有輪廓的表面，以適應(yīng)有選擇的非均勻表面，或者一個(gè)或多個(gè)附加層，如背襯層。
現(xiàn)在看圖1B，任選在底座21的第二表面25上施加更多的層(例如22、34、36)。背襯層22可提供其它功能，如穩(wěn)定和/或增強(qiáng)散熱制品20，以抵抗拉伸，提高抗撕裂性，以及各種其它功能。例如，背襯層22可以是粘合劑或熱界面材料，熱界面材料本身也可以是粘合劑。任選背襯層34可用于類似目的，其中背襯層22可以是增強(qiáng)層。
背襯層22和/或34可用來將散熱制品20固定到發(fā)熱器件的表面上。如果當(dāng)該固定是粘合劑粘合時(shí)，則可用剝離襯墊36。例如，當(dāng)一卷散熱制品20本身卷起來，則可采用剝離襯墊36。因此，背襯層可包含一個(gè)或多個(gè)支撐聚合物突起的層。在一些實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)背襯層可與聚合物突起構(gòu)成整體?？捎萌魏我阎某尚喂に囆纬杀骋r，例如共擠出、涂敷和層壓。
任選粘合劑層通常包含選定材料，以粘合到發(fā)熱器件或安裝發(fā)熱器件的基底上。任何已知的粘合劑類型都可采用，如壓敏性、熱固性、熱塑性、熱熔性或其它熱粘合膜，輻射固化或可輻射固化、可溶劑活化或溶劑活化、低表面能粘合劑，以及上述粘合劑的條、島或?qū)拥鹊慕M合。任何已知的化學(xué)粘合劑均可采用，如環(huán)氧樹脂、聚氨酯、合成橡膠、天然橡膠、聚烯烴、硅氧烷、離聚物、氰酸酯、丙烯酸類及其組合、間斷區(qū)域或?qū)印＠?，高粘性粘合劑區(qū)域可與高導(dǎo)熱系數(shù)的熱界面材料區(qū)域間隔分布，如上所述。粘合劑可包含一種或多種已知的添加劑(通常為特定目的而加入，如增強(qiáng)絲)和導(dǎo)熱顆粒。添加劑的例子包括阻燃劑、增塑劑、增粘劑、加工助劑、抗靜電劑和油。有用的阻燃劑包括鹵化和非鹵化有機(jī)化合物、有機(jī)含磷化合物(如有機(jī)磷酸鹽)、無機(jī)化合物和具有固有阻燃性的聚合物。這些添加劑可加入或摻入粘合劑中，用以提高阻燃性。阻燃添加劑的性質(zhì)并不重要，可以采用單種添加劑，也可以采用兩種或兩種以上的阻燃添加劑的混合物。對(duì)這種阻燃添加劑的詳細(xì)解釋見美國專利6280845。就所選方面而言，這種阻燃添加劑的用量要使可燃性等級(jí)達(dá)到UL94等級(jí)中的V1和/或V0級(jí)。
背襯層22任選層壓或浸漬有粘合劑。根據(jù)用途，粘合劑可將散熱制品可剝離地或永久地粘合到表面上。舉例來說，可剝離粘合的粘合劑包括例如可再使用、可熱剝離、可拉伸剝離、可溶劑剝離的材料等。
任選熱界面材料層可包含相變材料、油脂或低共熔合金相變材料。相變材料是含有導(dǎo)熱填充劑的蠟基材料(通常為固體石蠟)。油脂可以是基于碳水化合物或基于硅氧烷酮的油脂。低共熔合金是相變或熔化溫度較低的金屬合金。它可由錫、銦、鉛、鎘、鉍、金、銀、銅等材料以任何組合形式制備，在終端應(yīng)用和所需生產(chǎn)應(yīng)用方法的溫度范圍內(nèi)提供所需流變性。熱界面材料可提供在相同材料的間斷區(qū)域，或者兩種或多種材料的間斷區(qū)域。底座和/或熱界面材料可以具有厚度變化。例如，這種厚度變化可改善一種或多種性質(zhì)，如熱流動(dòng)性、粘合性、表面浸潤(rùn)、接觸面積和柔性。一般希望改善其中的一種或多種性質(zhì)。一方面，底座在靠近聚合物突起下面的地方具有較薄的區(qū)域，而在聚合物突起之間具有較厚的區(qū)域，這樣底座的總體柔性得以保持，同時(shí)聚合物突起的導(dǎo)熱性則提高。在這種實(shí)施方式中，熱界面材料適應(yīng)底座下側(cè)的厚度變化，形成總體光滑的表面，用以與發(fā)熱組件接觸。這可通過提供允許更多來自熱源的熱量流動(dòng)的較薄區(qū)域和具有更大機(jī)械剝離粘合性的較厚區(qū)域改善熱流動(dòng)。
本發(fā)明的柔性散熱片還可減少散熱片與附著散熱片的結(jié)構(gòu)之間在熱膨脹系數(shù)(CTE)的差異所引起的應(yīng)力。例如，本發(fā)明散熱片的CTE可大于與散熱片相連的封裝件的CTE。由于應(yīng)力是CTE與模量的乘積，本發(fā)明柔性散熱片的低模量減少應(yīng)力。此外，上面介紹的緩沖特性(或者下面將要介紹的粘彈特性)使應(yīng)力隨時(shí)間松弛，這在已知的金屬散熱制品中是無法實(shí)現(xiàn)的。
柔性散熱片底座和/或聚合物突起中所用聚合物的楊氏模量在70°F(21℃)下測(cè)定時(shí)一般小于100,000psi(689MPa)，宜小于40000psi(276MPa)，最好小于15000psi(103MPa)。作為比較，鋁的模量約為10000000psi(68950MPa)。
本發(fā)明散熱片的柔性可在室溫下彎曲到半徑小于約30cm，更宜小于約10cm(在某些實(shí)施方式中小于約5cm或更小)，而不會(huì)對(duì)散熱片的功能造成明顯的負(fù)面影響。也就是說，散熱片不會(huì)開裂、打結(jié)或明顯塑性形變成在散熱片與發(fā)熱基底之間留下空隙的形狀，而鋁散熱片會(huì)永久彎曲或打結(jié)。另一方面，底座厚1-3mm的散熱片樣品會(huì)貼合約小于30cm的半徑，一個(gè)人無需幫助即可輕易地施力完成，所用力宜小于約350kPa，更宜小于約175kPa，最好更小。這種底座厚1-3mm的貼合性散熱片的剛度約低于100,000N/m。本發(fā)明的散熱片宜具有較小的彈性回復(fù)力，使得散熱片不會(huì)一施加就“彈回來”。
柔性散熱片中所用混有導(dǎo)熱填充劑的聚合物的彎曲模量在70°F(21℃)下測(cè)定(用單懸臂梁法，如ISO-6721-1)，一般約低于10GPa，更宜低于約7GPa，某些實(shí)施方式中低于約5、1GPa或甚至低于0.5GPa。測(cè)定了本發(fā)明的兩個(gè)散熱片原型，一個(gè)是彎曲模量約為47MPa(Tg為-16℃)的柔性更大的散熱片，一個(gè)是彎曲模量約為3400MPa(Tg為-60℃)的柔性更小的散熱片。剛度是本發(fā)明所用柔性的另一個(gè)量度。剛度通常隨厚度的立方而增加，因而彎曲模量較小的材料可用來形成較厚的底座，同時(shí)保持散熱片的柔性。本發(fā)明底座(厚1-3mm)的剛度宜低于約100,000N/m，更宜低于約50,000、40,000、30,000N/m或甚至低于約20000N/m。在其它實(shí)施方式中，底座材料的剛度低于約100,00N/m，更宜低于約5、1或甚至0.5N/m。相反，作為比較的聚合物散熱片底座(厚2.9mm)的剛度超過400,000N/m，彎曲模量約為7400MPa(Tg超過90℃)，作為對(duì)比的鋁散熱片底座(厚1.9mm)的剛度超過550,000N/m，彎曲模量約為95GPa。在測(cè)定機(jī)械性能之前除去柱子。
柔性散熱片底座和/或聚合物突起中所用聚合物的阻尼損耗因子(度量材料耗散振動(dòng)、沖擊能、聲音等的有效性)在70°F(21℃)下測(cè)定時(shí)，可根據(jù)最終應(yīng)用結(jié)構(gòu)和所用散熱片對(duì)附著散熱片的結(jié)構(gòu)的振動(dòng)衰減和/或沖擊衰減的增加程度而變化。為了連接到最終應(yīng)用結(jié)構(gòu)上時(shí)增加散熱片在典型操作溫度下的緩沖能力，損耗因子通常大于約0.01，宜大于約0.10，最好大于約0.30。作為比較，鋁的損耗因子在室溫下約為0.001。本發(fā)明的散熱片通常沒有放大或傳遞來自附近組件的振動(dòng)、蜂鳴或其它聲音。
本發(fā)明散熱片的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它能防止自身和附著它的結(jié)構(gòu)免受機(jī)械損害。柔性散熱片結(jié)構(gòu)的聚合物突起和底座的柔性允許彎折或撓曲、偏轉(zhuǎn)和/或吸收作用力(例如具有不同能量和持續(xù)時(shí)間的沖擊力、震動(dòng)力、振動(dòng)力)。例如，震動(dòng)力沒有多少傳遞到附著散熱片的發(fā)熱器件上，因而對(duì)散熱片和器件的損害最小。散熱片可作為附著散熱片的器件的振動(dòng)阻尼器或震動(dòng)隔離器，這與作為比較的金屬散熱片形成鮮明對(duì)比，后者會(huì)將所有的力傳遞到發(fā)熱器件上。在所需溫度和頻率下(例如70°F(21℃)和500Hz)，采用柔性散熱片后，與具有類似幾何形狀的對(duì)照鋁散熱片相比，在相同的力作用下，震動(dòng)、振動(dòng)和/或沖擊力的傳遞可減少至少約10％，宣至少25％，更宜至少50％。例如，重量已知的擺可對(duì)散熱片的突起部分施加已知量的沖擊能，傳遞到結(jié)構(gòu)中的能量可通過任何已知的方法測(cè)定?？梢詼y(cè)定突起因沖擊而產(chǎn)生的塑性形變。測(cè)定附著散熱片的發(fā)熱結(jié)構(gòu)受到的損害(例如芯片裂紋、應(yīng)力、底座從結(jié)構(gòu)上脫層等)和散熱片抵抗反復(fù)沖擊的能力。本發(fā)明的散熱片非常堅(jiān)固，在生產(chǎn)和/或使用環(huán)境中不容易受到?jīng)_擊力而破壞(永久塑性形變)。一方面，本發(fā)明的散熱片受到?jīng)_擊力后宜能夠回彈至在初始X-Y-Z空間位置50％的范圍內(nèi)(宜在25％，更宜在10％的范圍內(nèi))。本發(fā)明的散熱片不容易損壞與之偶然接觸的組件或結(jié)構(gòu)，它不會(huì)將很多沖擊力產(chǎn)生的機(jī)械能傳遞給附著其的結(jié)構(gòu)。此外，如果產(chǎn)生損壞，它多半也局限在柔性散熱片上。
本發(fā)明的散熱片可安裝而不大容易損壞發(fā)熱器件，因?yàn)槿嵝陨崞少N合器件尺寸，安裝期間在過大的作用力下會(huì)產(chǎn)生彈性形變或偏轉(zhuǎn)，而不會(huì)將任何過大的作用力傳遞給器件。相反，已知的散熱片是剛性的，會(huì)傳遞這些力，因而損壞器件的危險(xiǎn)性大得多。
表面浸潤(rùn)提高是本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的散熱片可貼合平整、不平整、起伏或其它表面，提供與發(fā)熱器件表面平整度無關(guān)的良好熱界面。一般，可用透明測(cè)試基片確定浸潤(rùn)性能。測(cè)試基片的例子包括平玻璃和各種直徑的表玻璃。一方面，綜合選擇底座厚度和粘合劑和/或熱界面材料厚度，使基片表面浸潤(rùn)至少約40％，更宜至少約70％。在其它實(shí)施方式中，綜合選擇底座厚度和粘合劑和/或熱界面材料厚度，使基片表面浸潤(rùn)至少約80％、90％甚至99％。
優(yōu)選界面中殘留的空氣或空隙最少，使表面界面之間形成緊密接觸。本發(fā)明散熱片的柔性和表面貼合性允許在散熱片底座與發(fā)熱表面之間使用薄得多的熱界面材料(帶、墊、環(huán)氧樹脂、油脂、漿狀物、合金相變材料、相變材料等)。較薄的熱界面材料可減少發(fā)熱結(jié)構(gòu)和柔性散熱片之間的熱阻，同時(shí)保持柔性散熱片與發(fā)熱結(jié)構(gòu)之間的緊密接觸。傳統(tǒng)的擠出鋁散熱片的平整度經(jīng)總指示偏差量(TIR)測(cè)定，通常在0.001-約0.005英寸/英寸長(zhǎng)度(0.025-0.127mm/mm長(zhǎng)度)之間。傳統(tǒng)非柔性散熱片的不平整度、散熱片之間存在的生產(chǎn)差異性和固有剛性要求熱界面材料較厚，以保證不平整散熱片引起的間隙能用熱界面材料填充。柔性散熱片結(jié)構(gòu)通過柔性和貼合性克服了這個(gè)缺陷，它很容易變平整或變光滑，與發(fā)熱結(jié)構(gòu)的表面配合得非常好。如果結(jié)構(gòu)表面不平整(例如，普通芯片器件的塑料或陶瓷封件存在TIR為1-9mil(0.025-0.229mm)的凹陷或凸起)，傳統(tǒng)高模量鋁擠出散熱片需要更厚的界面材料，或者貼合非常好的界面材料(如環(huán)氧樹脂或油脂)，以填補(bǔ)不平整剛性散熱片與不平整表面之間的不一致區(qū)域。當(dāng)然，這種厚熱界面材料區(qū)伴隨著更高的熱阻。
熱界面材料(例如環(huán)氧樹脂、油脂、相變材料、漿狀物、帶等)增加了材料成本和生產(chǎn)復(fù)雜性，因而增加了在發(fā)熱結(jié)構(gòu)上提供散熱片的總體系統(tǒng)成本。對(duì)于非柔性傳統(tǒng)散熱片，散熱片和施加散熱片的結(jié)構(gòu)越不平整，所需熱界面材料的量越大，以保證空隙得到填充。熱界面材料越厚，除了熱阻越高外，還有其它缺點(diǎn)。例如，油脂比較臟，容易污染結(jié)構(gòu)和散熱片表面，而且可能仍然需要夾子、螺絲或其它機(jī)械手段固定散熱片。因此，與本發(fā)明的柔性散熱片相比，為獲得類似的表面浸潤(rùn)性，典型的擠出鋁散熱片需要更多的熱界面材料(和更小的熱阻)。
用熱界面材料填充空隙還增加了在散熱片與發(fā)熱結(jié)構(gòu)之間夾帶空氣的可能性，這也減少了導(dǎo)熱性。更具體地，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.02W/(m·K)，而許多熱界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.1-20W/(m·K)，或甚至更高。因此，散熱片與結(jié)構(gòu)之間界面中的空氣增加了熱阻。本發(fā)明的柔性散熱片將該問題降至最小，因?yàn)樗N合發(fā)熱表面，并使空隙最小。
界面的浸潤(rùn)程度與熱阻的關(guān)系也可變化。用柔性散熱片而不加熱界面材料的組件具有較低浸潤(rùn)百分率(與具有界面材料的組件相比)，但在低功率應(yīng)用中仍能起作用，因?yàn)闊崃渴侵饾u流動(dòng)的。一般地，組件所需的浸潤(rùn)百分?jǐn)?shù)取決于下一些因素(1)芯片功率密度(W/in2)；(2)芯片或正在冷卻的發(fā)熱器件所需的操作溫度；(3)冷卻介質(zhì)的類型、溫度和通過散熱片突起結(jié)構(gòu)的流動(dòng)速率。假定冷卻介質(zhì)的流速和溫度固定，就對(duì)可能與正在冷卻(或正在加熱)的結(jié)構(gòu)接觸界面底座區(qū)域的總體熱流動(dòng)而言，發(fā)現(xiàn)隨著芯片功率的增加，散熱片底座和結(jié)構(gòu)之間界面上的浸潤(rùn)程度的影響變得越來越重要。隨著功率密度的增加，浸潤(rùn)百分?jǐn)?shù)會(huì)變得越來越重要。用本發(fā)明的柔性散熱片而不加輔助熱界面材料的原因包括(1)可能用于低成本結(jié)構(gòu)；(2)用于低功率密度應(yīng)用，不用界面材料所獲得的浸潤(rùn)程度可滿足系統(tǒng)所需的操作溫度范圍。在本發(fā)明散熱片底座中采用貼合性更強(qiáng)的聚合物可使熱界面材料的厚度減少或減至最小(甚至消除)，從而降低柔性散熱片的直接成本。例如，可用有機(jī)硅或氟聚合物彈性體這樣的軟性聚合物材料作為與發(fā)熱結(jié)構(gòu)直接接觸的底座材料。本發(fā)明的整個(gè)散熱制品也可用有機(jī)硅或氟聚合物彈性體作聚合物。這種結(jié)構(gòu)可能需要另外的機(jī)械夾具、稀疏平紋布或織物來固定就位，在應(yīng)用中可通過一定的壓力確保界面接觸良好。浸潤(rùn)程度隨著壓力而變化，所述壓力通常在2-50psi(13.8-345MPa)范圍之內(nèi)或更大。此種結(jié)構(gòu)包括在材料內(nèi)是以將散熱片固定就位的有一定的粘合性。
例如，底座尺寸約為1.5×1.5英寸(38×38mm)、TIR約為0.002-0.003英寸/英寸(0.005-0.008cm/cm)的典型擠出鋁散熱片需要約0.015-0.020英寸(0.038-0.051cm)的導(dǎo)熱帶(3M牌8815或3M 8820導(dǎo)熱面帶，購自3M公司，St.Paul，MN)，以便在平玻璃板(平整度約為0.001英寸/英寸(0.0025cm/cm))上獲得約70％以上的表面浸潤(rùn)。而底座尺寸相同的柔性散熱片只需厚約0.002-0.005英寸(0.05-0.13mm)的帶，就能在此玻璃板上獲得至少約75％的浸潤(rùn)。因此，本發(fā)明提供了柔性散熱片和更薄的熱界面，與擠出鋁散熱片和較厚熱界面帶的組合相比，減少了成本和熱阻。
柔性散熱制品還可包含增強(qiáng)層，其選擇用來改善一種或多種性能，如導(dǎo)熱性、機(jī)械強(qiáng)度和/或粘合性。此層可包含底涂料或增粘劑、稀疏平紋布(導(dǎo)熱聚合物、填充劑、鎳或涂鎳稀疏平紋布、碳稀疏平紋布、涂鎳碳稀疏平紋布、它們的組合和/或混合材料)、取向金屬絲、無規(guī)金屬絲網(wǎng)(如鋼絲棉等)、無紡網(wǎng)(陶瓷、金屬等)或箔(鋁、銅等)。稀疏平紋布可以嵌在一些對(duì)底座導(dǎo)熱性較高的材料的底座的內(nèi)部、外部或部分嵌在其中，對(duì)柔性散熱片(例如金屬絲在柔性聚合物中)的柔性沒有明顯負(fù)面影響，從而可改善散熱片的散熱性能。與沒有內(nèi)部傳熱特征的類似結(jié)構(gòu)散熱片相比，增加內(nèi)部傳熱特征的散熱片的柔性可使彎曲剛性約增加小于20倍，宜小于約10倍，更宜小于約5倍，在某些實(shí)施方式中小于約2倍。這種散熱性宜用于在散熱片底座下有局部熱點(diǎn)的應(yīng)用。
粘合劑(或熱界面材料)可包含導(dǎo)熱顆粒，所述顆?？蓪⒄澈蟿┖?或熱界面基體橋連，并穿過基體露出，且隨著顆粒尺寸的增加而露出越多。因此，顆粒包含在粘合劑和/或熱界面材料中，在熱源基底和散熱制品20之間的通路上增加了導(dǎo)熱性。這些顆粒具有足夠的尺寸，可撞擊附近的散熱制品20的底座21，從而壓在第二表面25里面或上面。這些顆粒任選撞擊底座反面的粘合劑表面。此外，在使用時(shí)放置散熱制品時(shí)，這些顆粒可壓在熱源基底的里面或上面。一般，將這些顆粒的尺寸增加到與粘合劑的厚度相同可增加基底和散熱片之間的導(dǎo)熱性。
顆粒尺寸的選擇取決于應(yīng)用。例如，主尺寸至少約1-2μm和約30μm或以下，宜在約5-20μm之間的顆粒適合于這樣一些制品，如油脂、相變材料、液體，和帶，如其中粘合層在25-100μm范圍內(nèi)(如在中央處理單元和散熱片之間存在)。大于約20-30μm，如50-250μm的顆粒用在較厚的產(chǎn)品中，如有機(jī)硅墊，其中冷熱基底之間存在較大的間隙。此外，顆粒尺寸不同的材料的組合也可采用。一般，較大的顆?？捎脕碓黾芋w導(dǎo)熱系數(shù)，其限制是使基底分開而不形成細(xì)小間隙的這種顆粒的最大尺寸。顆粒的次尺寸大致等于(對(duì)于一般球形顆粒)或小于(對(duì)于針狀顆粒、纖維、板等)主尺寸。
當(dāng)至少有一些選定顆粒在散熱制品固定過程中能夠發(fā)生塑性變形時(shí)，這些顆粒的尺寸甚至可以比上面提到的尺寸更大。
在一種實(shí)施方式中，散熱制品可受熱并用壓板或模頭重新形成新的形狀，壓板或模頭的形狀可使散熱制品貼合熱源芯片封裝件或器件。因此，散熱制品就這一點(diǎn)而言是可熱塑性再成形的，適用于具有所需形狀的各種芯片和/或芯片封裝件。例如，通過本發(fā)明散熱制品的底座和/或粘合劑和/或熱界面材料的再成形，它們很容易適應(yīng)具有弓形、不平整或者不完全平整的表面的芯片。這種類型的再成形特別可用于不平整或彎曲程度較大的封裝件(發(fā)熱器件)。
本發(fā)明散熱片的貼合性和可再成形特性為終端用戶的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了很好的組裝選擇。例如，終端用戶可以從一卷本發(fā)明散熱材料開始，它本身貼合封裝件“A”，而終端用戶也可從同一卷散熱材料按不同的底座尺寸切割，用于封裝件“B”。此外，最終應(yīng)用可包括底座之內(nèi)或上面的槽或狹縫，以增加貼合程度。具體地說，可將印刷電路板上相互靠近的兩個(gè)或多個(gè)器件橋連，這些器件具有不同的高度，使散熱片貼合獨(dú)特封裝件，如Heat Slug Ball GridArray(HSBGA)封裝件，該封裝件用金屬條幫助封裝芯片散熱，并沉入或浮出典型的焊球網(wǎng)格陣列(BGA)塑料封裝形式。本發(fā)明的散熱片可獨(dú)立熱壓在選定區(qū)域中，以貼合器件，如用于上面提到的同一PCB上的封裝件“C”。散熱材料的另一個(gè)區(qū)域可懸掛在封裝件邊緣上，提供額外的熱流動(dòng)和芯片散熱通道。
本發(fā)明基于片的散熱片還提供了這樣的散熱結(jié)構(gòu)，對(duì)于預(yù)定應(yīng)用，它成本低、性能好。由于器件越多產(chǎn)生熱越多，低成本散熱片提供了在各種功率密度、器件壽命和環(huán)境條件下散熱的手段。例如，預(yù)期壽命較低的器件可采用低成本散熱片來達(dá)到，其散熱性能合適，此時(shí)器件壽命不需要通過采用昂貴的散熱片來顯著提高。在另一個(gè)實(shí)例中，在使用環(huán)境條件中要求減少高溫峰可采用具有貼合性的柔性散熱片，甚至在本發(fā)明之前沒有用過散熱片來達(dá)到。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，散熱片可包含雙層粘合劑結(jié)構(gòu)。聚合物突起和任選底座內(nèi)層包含粘合劑，該粘合劑固化成在使用散熱制品使用的常規(guī)溫度下沒有粘性的組合物。底座包含外層，該外層包含在使用散熱制品的常規(guī)溫度下保持粘性的粘合劑層，如壓敏粘合劑(PSA)。壓敏粘合劑是指在使用溫度下具有正常粘性，受壓后即粘合到表面上的粘合劑。
適用于此實(shí)施方式的材料的一個(gè)實(shí)例是結(jié)構(gòu)性粘合劑或結(jié)構(gòu)性混合粘合劑。這里所用結(jié)構(gòu)性粘合劑是指基本上完全固化后不能流動(dòng)且/或呈熱固性的粘合劑。結(jié)構(gòu)性混合粘合劑在固化之前或部分固化之后具有第一階段，例如PSA階段，然后可進(jìn)一步固化到第二階段，例如基本完全固化之后的結(jié)構(gòu)性階段。在此情況下，散熱制品也可以是雙層或多層體系，底座上的至少一個(gè)外層宜仍為PSA，而聚合物突起和底座內(nèi)層包含固化結(jié)構(gòu)性粘合劑。
聚合物突起可包含固化或結(jié)構(gòu)性粘合劑區(qū)域，而底座包含PSA層或結(jié)構(gòu)性粘合劑層。一方面，這兩個(gè)區(qū)域都包含大致類似的前體組合物，這些組合物將要固化到不同程度。聚合物突起固化后，宜具有非粘性表面，而底座上與聚合物突起相反的一面固化程度低一些。
可在模具或工具的空穴中提供粘合劑，由粘合劑形成聚合物突起。粘合劑可以是基于溶劑或基于水的粘合劑，因而當(dāng)溶劑或水干燥去除后，粘合劑保持模具的形狀。粘合劑也可以基本上不含溶劑(100％固體)，它聚合或固化形成模具或工具的形狀。在固化聚合物突起區(qū)域之前或之后，通過涂敷或?qū)訅合嗤?、類似或不同的粘合劑，可為干燥、固化或聚合的粘合劑提供底座。如果底座上需要PSA區(qū)域，則聚合物突起區(qū)域的固化程度可以控制得大一些。另一方面，散熱片底座和聚合物突起固化形成結(jié)構(gòu)性粘合劑。然后可在底座上形成另一層，如上述熱界面材料層。使用熱熔結(jié)構(gòu)性粘合劑和PSA經(jīng)共擠出，可形成雙層或多層散熱片。
可用于這些實(shí)施方式的材料包括環(huán)氧粘合劑與另一種粘合劑，如丙烯酸酯類、有機(jī)硅、聚酯和/或聚烯烴粘合劑、有機(jī)硅和丙烯酸酯粘合劑，以及合適的已知固化劑的組合。
本發(fā)明的散熱制品可用任何已知的方法制備。一方面，宜采用能使導(dǎo)熱顆粒對(duì)齊的方法。例如，合適的工藝包括真空成形、熱成形、壓塑、連續(xù)模塑(復(fù)制)、型材擠出(通過模塑)、注塑、壓花和冷成形。下面介紹目前優(yōu)選的方法，用它們可以形成底座，通過擠出復(fù)制或型材擠出可在底座的至少一個(gè)面上形成聚合物突起。
現(xiàn)在看圖2，在所示方法示意圖中，三輥模塑設(shè)備200包含擠出機(jī)，與適合將一個(gè)或多個(gè)熔融聚合物材料層210出到模輥230中的擠出模頭205。在此實(shí)施方式中，模輥230的外圓柱面上有所需的表面圖案，當(dāng)熔融聚合物材料210通過模輥230的圓柱面時(shí)，圖案就轉(zhuǎn)印到熔融聚合物材料210上。在圖示實(shí)施方式中，模輥230的表面具有許多排列好的空穴260，它們可用來形成許多聚合物突起270。空穴260可根據(jù)需要排列，也可具有所需的尺寸和形狀，以便用聚合物材料210形成合適的表面柱結(jié)構(gòu)。在一種實(shí)施方式中，將足夠附加量的熔融聚合物材料210擠入模輥230，至少形成部分背襯層。
模輥230可旋轉(zhuǎn)，與相對(duì)的輥220一起形成輥隙250。此輥隙250可幫助熔融聚合物材料210流入空穴260。輥隙250的寬度可以調(diào)節(jié)，以有助由聚合物材料210形成選定厚度的背襯層。任選將背襯層242同時(shí)送入輥隙250。根據(jù)彈性材料的組成和聚合物突起270的幾何形狀，背襯層242可用來有效地將散熱制品280從模輥230中送出并可形成散熱制品280的整體部分。此外，散熱制品280從模輥230出來后可從第三輥240上繞過。在此方法中，全部三只輥220、230和240的溫度均可獨(dú)立地有選擇地加以控制，完成以聚合物材料210所需的冷卻。
模輥230可以是用于連續(xù)加工(如片、帶或圓柱形鼓帶狀物)或間歇加工(如注塑或壓塑)的模輥類型。當(dāng)制備用于形成聚合物突起270的模輥230時(shí)，模輥230的空穴260可以任何合適的方式形成，如化學(xué)、電學(xué)和機(jī)械加工或成形工藝中的一種或多種。例子包括鉆孔、機(jī)械加工、激光鉆孔、電子束鉆孔、水力噴射機(jī)械加工、鑄造、蝕刻、模具沖孔、金剛石轉(zhuǎn)孔、雕花等。模輥也可由帶間隔金屬絲的刻槽金屬絲或?yàn)殚g隔板所分隔的刻槽板組成。空穴的排布決定了散熱制品的間距和取向。聚合物突起270的形狀通常對(duì)應(yīng)于空穴260的形狀。模穴可在與施加熔融聚合物材料的表面相反的一端開口，以便于聚合物材料注入空穴。如果空穴封閉，可對(duì)空穴抽真空，使得熔融聚合物材料基本上填滿整個(gè)空穴?；蛘?，封閉空穴可比形成的柱結(jié)構(gòu)長(zhǎng)，這樣注入的材料可將空氣壓縮在空穴中。模具空穴用來便于剝離表面柱結(jié)構(gòu)，因而可包含傾斜側(cè)壁，或者在空穴壁上包含剝離涂層。模具表面也可包含選定的剝離涂層，以便于聚合物材料底層從模具上剝離。在一些實(shí)施方式中，空穴可與輥表面形成一角度，即不是與表面切線垂直。
模具可用合適的材料形成，從剛性材料到柔性材料。模具組件可用金屬、陶瓷、聚合物材料或它們的組合形成，如金屬輥與聚合物外殼，其中空穴在外殼材料中。形成模具的材料必須具有足夠的整體性和耐久性，以便經(jīng)受住用來形成底層和表面外形的具體可流動(dòng)聚合物材料帶來的熱能。此外，形成模具的材料宜允許空穴由各種方法形成，該材料價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)，能穩(wěn)定地產(chǎn)生質(zhì)量合格的材料，便于改變加工參數(shù)。
熔融聚合物材料可流進(jìn)模輥空穴，并在模輥表面流動(dòng)形成覆蓋材料層，或者可使用組成相同或不同的分開的聚合物材料流形成覆蓋材料層。為便于熔融聚合物材料流動(dòng)，聚合物材料通常要加熱到合適的溫度，然后涂布到空穴當(dāng)中。涂布可用任何傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行，如壓延貼合、流延涂布、幕涂、口模式涂布、擠出、凹版涂布、刮涂、噴涂等。圖2示出了單擠出機(jī)和擠出模頭的布置。但是，用兩個(gè)(或多個(gè))擠出機(jī)和相關(guān)的模頭可同時(shí)將多種聚合物材料擠出到輥隙250中，得到多組分(例如層狀、條紋狀或混合的)層壓覆蓋材料。
在相對(duì)輥220與模輥230之間施加壓力，也可幫助熔融聚合物材料210流入模輥230。當(dāng)背襯層242包含多孔材料時(shí)，三輥模塑設(shè)備200可用來控制熔融聚合物材料210的深入程度。用此設(shè)備可控制熔融聚合物材料210的量，使之僅穿透背襯層242的表面涂層，或者穿透在加入聚合物材料210反面上的的多孔背襯層242，以部分、基本上或完全包封背襯層242。熔融聚合物材料210滲入多孔背襯層242也可通過熔融聚合物210的溫度、輥隙250中聚合物材料210的量和/或擠出機(jī)流動(dòng)速率以及模輥空穴的線速控制。在施加聚合物材料之前對(duì)空穴抽真空，也有助于熔融聚合物材料210流入模輥230中。
熔融聚合物材料210涂布在空穴260當(dāng)中和模輥230的表面上之后，冷卻聚合物材料，使之固化形成所需的外表面外形(例如聚合物突起260)。然后將固化的聚合物材料與模輥230分開。聚合物材料210冷卻和固化后，常常稍有收縮，這有利于該材料(例如，表面突起結(jié)構(gòu)與底座或額外的背襯層)和整體膜層自圖1所示模具上剝離。可冷卻局部或整個(gè)模具，以有助于表面柱結(jié)構(gòu)和底座或另外的背襯層的固化。冷卻可用任何已知的方法直接或間接進(jìn)行，如用水、空氣、其它傳熱流體或其它冷卻過程。
某些模塑方法可采用可固化或熱固性聚合物，如上面介紹的結(jié)構(gòu)性混合實(shí)施方式。當(dāng)采用這種樹脂時(shí)，樹脂一般可以未固化或未聚合和/或熔融狀態(tài)的液體施加到模具上。樹脂涂布到模具上之后，可發(fā)生聚合或固化，并冷卻(如果需要的話)，直到樹脂成固態(tài)。一般，聚合方法涉及固化時(shí)間或者置于能源中，或者二者，以便于聚合。能源可以是熱或其它輻射能，如電子束、紫外線或可見光。樹脂固化后，將其從模具上取下。在一些實(shí)施方式中，將聚合物突起從模穴中取出后，宜進(jìn)一步聚合或固化熱固性樹脂。合適的熱固性樹脂的例子包括蜜胺樹脂、甲醛樹脂、丙烯酸酯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、有機(jī)硅樹脂、氟聚合物樹脂等。
本發(fā)明柔性散熱片的另一個(gè)制備方法簡(jiǎn)要示于圖3，而產(chǎn)品示于圖4、5和6。一般，此方法包括首先由擠出機(jī)31經(jīng)模頭32擠出聚合物30，此模頭的成形斷面對(duì)應(yīng)于所需聚合物突起的截面形狀。一個(gè)有用的形狀示于圖4，其中底座33和細(xì)長(zhǎng)間隔34突出在底座33的上表面上，具有所需的截面形狀。在圖3中，聚合物30繞輥35移動(dòng)，通過充滿冷卻液(例如水)的驟冷罐36，然后由切割器38沿長(zhǎng)度方向在間隔位置橫向切割肋34(沒有切穿底座33的整個(gè)厚度)，在肋34上形成分立的聚合物突起37(見圖5)，其長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于聚合物突起的所需形狀。切割器38可包含任何已知工具，如往復(fù)刀片或旋轉(zhuǎn)刀片、激光或水力噴射。
一方面，切割肋34之后，聚合物30的底座33在以不同表面速度驅(qū)動(dòng)的第一對(duì)夾隙40、41和第二對(duì)夾隙42、43之間以至少約1.25∶1的拉伸比，宜以約2甚至4∶1的拉伸比縱向拉伸。在此情況下，加熱輥41，使底座33在拉伸前變熱，冷卻輥42，以穩(wěn)定拉伸后的底座33。這種拉伸過程在肋34上分立的聚合物突起37之間形成空隙，這些突起隨后變成完成的散熱片中的聚合物突起。或者，可選用切割器38除去部分材料，在相鄰的聚合物突起之間留下所需的空間。
圖4所示為作為本發(fā)明一個(gè)方面的型材擠出橫條。底座33支撐著橫條34。在圖5中，圖4所示散熱橫條制品經(jīng)過橫向切割，形成分立的聚合物突起37。在圖6中，圖5所示散熱橫條制品經(jīng)過拉伸，使分立的聚合物突起37分開，或者圖4所示散熱橫條制品經(jīng)過橫向切割，然后除去部分材料，形成分立的聚合物突起37。
在柔性散熱片的一方面，肋34的相鄰邊緣之間宜相隔至少約0.50毫米(mm)，更宜相隔約0.6-1.0mm。用底座拉伸方法將聚合物突起分開到一定程度，使足夠的冷卻流體能夠從散熱片中的聚合物突起周圍流過。一方面，突起之間相隔至少約0.10mm，宜相隔約0.6-1.0mm。
本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)通過下面的實(shí)施例進(jìn)一步說明，但這些實(shí)施例所列舉的具體材料及其用量，以及其它條件和細(xì)節(jié)不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明的不適當(dāng)限制。
實(shí)施例測(cè)試方法1)冷卻性能用可變電源(E3611A DC電源，購自惠普，Palo Alto，CA)驅(qū)動(dòng)10歐姆電阻器，產(chǎn)生連續(xù)熱流動(dòng)。此熱量散發(fā)到散熱片上，散熱片又用設(shè)定在高檔的風(fēng)扇(3M 961離子化鼓風(fēng)機(jī)，購自3M Electrical Specialties Division，Austin，TX)冷卻，風(fēng)扇直接向散熱片吹周圍空氣。在非常靠近電阻器表面的地方安裝K型熱電偶，測(cè)定器件溫度。整個(gè)器件松散地安置在苯酚箱中，以幫助電阻器四面絕緣，并允許重復(fù)定位。在測(cè)試過程中，電源的電壓和電流分別預(yù)設(shè)為4.0伏和0.4安。風(fēng)扇設(shè)定在“高速”檔(氣流速度約為600-700英尺/分鐘(183-213m/min))，距離苯酚箱右邊緣10cm(4英寸)，稍稍向下傾斜。每個(gè)散熱片樣品的底面積為1平方厘米，除非實(shí)施例中另有說明，每個(gè)樣品用大小與樣品一樣的3M8805導(dǎo)熱粘合劑轉(zhuǎn)移帶(購自3M公司，St.Paul，MN)安裝到電阻器上。
在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，先測(cè)定器件沒有安裝樣品，也沒有用風(fēng)扇冷卻時(shí)的基線溫度T1。將風(fēng)扇設(shè)定到高檔時(shí)測(cè)定第二基線讀數(shù)T2，然后測(cè)定風(fēng)扇處于“高檔”且樣品安裝到時(shí)的讀數(shù)T3。一般，測(cè)定之間時(shí)間間隔20分鐘，以便讓溫度穩(wěn)定下來。
記錄溫度，根據(jù)下式計(jì)算有樣品和沒有樣品時(shí)的溫差(ΔT)ΔT＝(T2-T3)2)浸潤(rùn)能力用導(dǎo)熱帶(2mil 9882，購自3M公司，St.Paul，MN)將樣品安裝到凹形表玻璃的凹面上。或者，用導(dǎo)熱帶(5mil 8805，購自3M公司，St.Paul，MN)將樣品安裝到平玻璃上。然后用平臺(tái)掃描儀從下面(透過玻璃)對(duì)安裝好的樣品進(jìn)行成像。用商業(yè)軟件(Image Pro Plus，購自Media Cybernetics，SilverSprings，MD)測(cè)定灰度圖像中的暗區(qū)面積，從而確定浸潤(rùn)程度。浸潤(rùn)能力(％)計(jì)算如下％浸潤(rùn)＝暗區(qū)總面積/樣品總面積×100該軟件提供圖像中強(qiáng)度(灰色強(qiáng)度)的頻率分布，輸出圖像強(qiáng)度頻率分布圖。此外，可用軟件進(jìn)行1/4色調(diào)增強(qiáng)，以改善強(qiáng)度級(jí)別，增加圖像對(duì)比度，但不會(huì)明顯改變浸潤(rùn)百分?jǐn)?shù)。
3)顆粒取向用Bruker General Area Detector Diffraction System(GADDS)微型衍射儀收集X射線透射幾何數(shù)據(jù)，采用銅K輻射，用HiStar 2D探測(cè)器記錄散射輻射(購自Bruker AXS Inc.，Madison，WI)。衍射儀配有300μm入射光束準(zhǔn)直儀和石墨入射光束單色儀。探測(cè)器位于中央，散射角為0度(2)，樣品距離探測(cè)器6cm。樣品不傾斜。X射線發(fā)生器的設(shè)置為50kV和50mA。對(duì)于每個(gè)2D圖像，石墨(002)衍射面產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度是各向異性的，觀察到離散的銳反射，表明存在明顯的取向(即石墨顆?；旧蠈?duì)齊)。非取向(不規(guī)則)分布的顆粒所產(chǎn)生的衍射強(qiáng)度是各向同性的，觀察到強(qiáng)度均勻的連續(xù)環(huán)。所測(cè)樣品由較多的基本上對(duì)齊的顆粒組成，也有一些沒有對(duì)齊(甚至不規(guī)則排列)的顆粒。優(yōu)選具有較高含量的對(duì)齊顆粒的散熱片。用石墨(002)的最大方位角軌跡測(cè)量石墨顆粒的對(duì)齊程度。方位角軌跡用ORIGIN(購自O(shè)riginLab Corp.，Northampton，MA)進(jìn)行曲線擬合。峰擬合采用高斯峰模型和線性背景模型。石墨對(duì)齊程度可看作方位角軌跡的最大值的半高寬度(FWHM)。報(bào)道值的單位為度，后面跟著根據(jù)兩次測(cè)量值(2D圖像中相隔180度)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。理論上全程為0-180度，數(shù)值越低表明對(duì)齊程度越高。
顆粒取向也可通過剖開樣品，然后數(shù)顆粒的方法測(cè)定，任選借助于已知的圖像處理技術(shù)。
材料
實(shí)施例1用圖2所示方法和設(shè)備制備柔性散熱制品。
將聚合物a粒料送入單螺桿擠出機(jī)(KTS-125型，購自Killion Extruders，Inc.，Cedar Grove，NJ)，并進(jìn)行熔融加工。擠出機(jī)的直徑約為3.2cm(1.25英寸)，螺桿速度為80rpm，溫度分布從約100℃升至約250℃。通過擠出機(jī)將聚合物A樹脂送入250℃的加熱頸管，最終送入加熱250℃、寬15.2cm(6英寸)的片材模頭，最大模唇開口為0.102cm(0.040英寸)。在17.2MPa(2500psi)的壓力下將樹脂連續(xù)從片材模頭上排出，形成熔融聚合物片。
現(xiàn)在看圖2，將上面形成的熔融聚合物片210送入夾隙220和定形輥230之間的輥隙212中，這兩個(gè)輥屬于一組水平的三個(gè)溫度受到控制、直徑為30.5cm(12英寸)的旋轉(zhuǎn)圓柱輥，轉(zhuǎn)速為0.61m(2英尺)/min。這組輥中的全部三個(gè)輥都是拋光鍍鉻鋼。
用0.24MPa(35psi)的壓力將夾隙220推向定形輥230。定形輥230提供含有空穴的表面，空穴直徑約2mm，深約16mm，排列成六邊形陣列(同一橫排上的空穴中心距離約3mm；兩相鄰橫排之間的距離從一排孔中心測(cè)量到相鄰排孔中心，約為2.6mm；相鄰橫排中空穴之間的偏移距離為1.5mm)。將定形輥和夾輥加熱到32℃。
將熔融聚合物片210送入輥隙的同時(shí)，將Fabric Scrim同時(shí)送入水平輥組中的夾輥220與定形輥230之間的輥隙212，并因此放轉(zhuǎn)進(jìn)入該輥隙?？椢锵∈杵郊y布250轉(zhuǎn)進(jìn)輥隙時(shí)，一些熔融聚合物滲入，并牢固地熔融粘合在織物上，形成層壓物。當(dāng)熔融聚合物通過輥隙240的表面固化時(shí)，輥隙220松開層壓物，使之繞定形輥230進(jìn)入輥隙240。這樣形成的制品具有來自模輥的圖案，然后從輥隙240上剝離，除去織物稀疏平紋布背襯，得到在表面上含有聚合物突起的散熱制品。散熱制品底座的總厚度為0.6cm，聚合物突起(柱)的主尺寸(高度)約為0.5cm。
測(cè)定上面制備的散熱制品的冷卻性能。樣品底面積為1.3cm×1.3cm。電阻器沒有冷卻時(shí)的溫度為63℃(T1)，在風(fēng)扇冷卻時(shí)為47℃(T2)。冷卻性能的測(cè)定結(jié)果為T3＝39.6℃，ΔT＝7.4℃。經(jīng)X射線衍射測(cè)定觀察到明顯的顆粒取向(36.5度(3.3標(biāo)準(zhǔn)偏差))。
實(shí)施例2圖7所示兩個(gè)柔性散熱制品(2A和2B)由聚合物C和聚合物D通過熔融復(fù)制制備，采用有機(jī)硅模具。
圖7所示用來制備散熱制品的有機(jī)硅模具通過在市售鋁散熱片上澆鑄有機(jī)硅樹脂來制備。此樹脂在室溫下固化一夜，從散熱片上取下固化樹脂，得到有機(jī)硅模具。
一塊或兩塊長(zhǎng)1.18cm(3英寸)、寬1.18cm(3英寸)、厚0.32cm(1/8英寸)的聚合物C(制備散熱制品2A)或聚合物D(制備散熱制品2B)板排列在模具上，然后夾在涂有硅氧烷的紙質(zhì)襯墊之間，在190℃(374°F)和454.5kg(0.5噸)的壓力下熔融壓制10秒鐘，接著在冷壓機(jī)上驟冷30秒鐘。熔融加工之前，有時(shí)在硅酮模具的表面上施加一薄層脫模，以便于散熱制品從模具上剝離。
實(shí)施例2A和2B中的散熱制品如圖7所示，每個(gè)制品有一個(gè)方形直邊聚合物突起的方形基體結(jié)構(gòu)，突起寬約1.8mm(0.071英寸)，長(zhǎng)約1.8mm(0.071英寸)，高約3.5mm(0.138英寸)，中心-中心間距約4mm(0.16英寸)，底座厚約1mm(0.039英寸)。
對(duì)散熱制品2A和2B進(jìn)行冷卻性能測(cè)試，并用9882粘合劑測(cè)定散熱制品2A在凹形表玻璃上的表面浸潤(rùn)能力。其浸潤(rùn)能力不及后面的樣品，因?yàn)檫@種早期原型樣品的底座表面是粗糙的，并使用了可得到的最薄的熱轉(zhuǎn)移帶。結(jié)果列在下面表1中。電阻器沒有冷卻時(shí)的溫度為71.5℃(T1)，用風(fēng)扇冷卻時(shí)的溫度為49.3℃(T2)。經(jīng)X射線衍射測(cè)定觀察到明顯的顆粒取向(42.5度(2.4標(biāo)準(zhǔn)偏差))。
實(shí)施例3按照實(shí)施例2所述方法制備圖8所示散熱制品，采用有機(jī)硅模具和聚合物C。有機(jī)硅模具用市售鋁散熱片制備。
所得散熱制品具有聚合物突起的方形基體結(jié)構(gòu)，聚合物突起一側(cè)漸縮。頂端的突起收縮側(cè)的寬度約為1.6mm(0.63英寸)，而突起與底座相連之處寬約2.2mm(0.87英寸)。突起直邊寬約2.5mm(0.098英寸)。每個(gè)突起的高度約為9mm(0.35英寸)，突起的中心-中心間距約5mm(0.2英寸)。散熱制品底座厚約1.7mm(0.067英寸)。
對(duì)散熱制品進(jìn)行冷卻性能測(cè)試，并用9882粘合劑測(cè)定它在凹面上的浸潤(rùn)能力。其浸潤(rùn)能力不及后面的樣品，因?yàn)檫@種早期原型樣品的底座表面是粗糙的，并使用了可得到的最薄的熱轉(zhuǎn)移帶。結(jié)果列在下面表1中。電阻器沒有冷卻時(shí)的溫度為71.5℃(T1)，用風(fēng)扇冷卻時(shí)的溫度為49.3℃(T2)。經(jīng)X射線衍射測(cè)定觀察到明顯的顆粒取向(38.9度(0.8標(biāo)準(zhǔn)偏差))。
實(shí)施例4A、4B和4C按照實(shí)施例2所述熔融復(fù)制方法制備圖9所示三個(gè)柔性散熱制品(4A、4B和4C)，不同之處是用結(jié)構(gòu)性鋁板代替有機(jī)硅模具。除了聚合物C(用來制備散熱制品4A)和聚合物D(用來制備散熱制品4B)外，還采用聚合物E(用來制備散熱制品4C)。
所得散熱制品具有波浪形圖案，它由具有漸縮邊的橫條形聚合物突起(以下稱橫條)在約1mm(0.039英寸)厚的底座上形成。橫條從底座的1mm(0.039英寸)漸縮到頂峰的0.2mm(0.008英寸)。每個(gè)橫條的高度約為2mm(0.079英寸)。
對(duì)散熱制品進(jìn)行冷卻性能測(cè)試。結(jié)果列在下面表1中。電阻器沒有冷卻時(shí)的溫度為71.5℃(T1)，用風(fēng)扇冷卻時(shí)的溫度為49.3℃(T2)。未測(cè)定顆粒取向。
實(shí)施例5通過型材擠出制備圖11所示柔性散熱制品。
將聚合物C的粒料送入3區(qū)、25.4mm(1英寸)的單螺桿擠出機(jī)中(購自Haake Corp.，Karlsruhe，Germany)，操作速度為40rpm。用清洗化合物清潔擠出機(jī)。單螺桿擠出機(jī)各區(qū)設(shè)定的溫度如下1區(qū)170℃(338°F)，區(qū)2200℃(392°F)，機(jī)筒3210℃(410°F)。聚合物C經(jīng)擠出機(jī)加工后，進(jìn)入具有圖10所示形狀的型材模頭，其中底座厚度A為0.76mm，突起高度B約為6.35mm，橫條總體寬度C為22.1mm，突起D寬0.76mm，相鄰?fù)黄饳M條之間的間距E約為1.0mm。在至少100psi(0.69MPa)的壓力下將聚合物連續(xù)從模頭上排出，并加以引導(dǎo)，形成連續(xù)筆直的散熱制品。從型材模頭擠出的橫條用水沖，使聚合物從模頭一出來就驟冷。
所得散熱制品具有直邊橫條在約1-2mm厚的底座上形成的圖案。橫條突起高約5.5mm(0.217英寸)。相鄰翼片之間的距離約為0.5mm(0.02英寸)。
對(duì)散熱制品進(jìn)行冷卻性能測(cè)試。結(jié)果列在下面表1中。電阻器沒有冷卻時(shí)的溫度為71.5℃(T1)，用風(fēng)扇冷卻時(shí)的溫度為49.3℃(T2)。經(jīng)X射線衍射測(cè)定觀察到明顯的顆粒取向(47.5度(2.0標(biāo)準(zhǔn)偏差))。
比較例A和B測(cè)定了兩個(gè)鋁散熱片(A和B)的冷卻性能。CE-A的總體高度為4mm，有16個(gè)柱，而CE-B的總體高度為10mm，有9個(gè)柱。
表1 材料和性能
每個(gè)散熱片的底面積約為1.3cm×1.3cm，“NT”表示未測(cè)定。
實(shí)施例6根據(jù)實(shí)施例5所述步驟，用型材擠出制備圖11所示兩個(gè)柔性散熱制品(6A和6B)。用聚合物B制備散熱制品6A，用聚合物C制備散熱制品6B(如實(shí)施例5所制)。每個(gè)制品底座厚約2mm。
對(duì)散熱制品進(jìn)行冷卻性能測(cè)試。結(jié)果列在下面表2中。電阻器用風(fēng)扇冷卻時(shí)的溫度為53.4℃(T2)。
表2 材料和冷卻性能
實(shí)施例7用熱壓機(jī)制備聚合物突起呈方形圖案的7個(gè)散熱制品。
通過9mm厚的有機(jī)硅模具鉆孔，制備孔呈方形圖案的模具。每個(gè)聚合物突起為柱形，它具有下表3所示的所需柱尺寸和間距。
將樹脂粒料放在模具上。將硅氧烷剝離紙放在模具上沒有覆蓋粒料的那一面的粒料上。然后將“夾心”結(jié)構(gòu)放在加熱壓板上(193.5℃(380°F))。使193.5℃的第二壓板與該結(jié)構(gòu)接觸。約30秒鐘后，在8.27MPa(1200psi)的壓力下壓約30秒鐘，將壓板壓在一起。
從有機(jī)硅酮模具上取下所得散熱制品，測(cè)定其冷卻性能。所用樹脂、柱直徑、相鄰柱中心之間的距離和冷卻性能列于下面表3。散熱制品底座厚度在1-2mm之間。柱直徑(mm)記作PD，DBC是相鄰柱的中心之間的距離(mm)。
表3 材料、間距和冷卻性能
實(shí)施例8用熱壓機(jī)制備12個(gè)具有聚合物突起的散熱制品，所述突起排列成六邊形圖案，如圖12所示。
如實(shí)施例7所述制備模具，不同之處是呈六邊形圖案，其中每個(gè)突起是柱形，具有所需柱尺寸和間距，具體見下面表4。散熱制品根據(jù)實(shí)施例7所述步驟形成。
所得散熱制品從模具上取下，進(jìn)行冷卻性能測(cè)定。所用樹脂、柱直徑、柱中心之間的距離和冷卻性能列于下面表4。散熱制品底座厚度在1-2mm之間。電阻器用風(fēng)扇冷卻時(shí)的溫度為47℃(T2)。在表4中，PD是柱直徑，D2是同一橫排上相鄰柱之間的距離，D3是相鄰兩橫排柱子之間的距離，D4是相鄰兩橫排柱子之間的偏移距離。所有的距離都以毫米為單位。
表4 材料、尺寸和性能
實(shí)施例9使用壓機(jī)和各種重量比的樹脂聚合物C和聚合物B的共混物制備9個(gè)具有六邊形圖案的散熱制品。
如實(shí)施例8所述制備模具，得到所需柱尺寸和間距，具體見下面表5。散熱制品根據(jù)實(shí)施例7所述步驟形成。各種樹脂預(yù)先在雙螺桿擠出機(jī)中共混，然后形成粒料。
所得散熱制品從模具上取下，進(jìn)行冷卻性能測(cè)定。所用聚合物C/聚合物B之重量比、柱直徑、柱中心之間的距離、散熱制品底座厚度和冷卻性能列于下面表5。電阻器用風(fēng)扇冷卻時(shí)的溫度為47℃(T2)。在表5中，所用比例是聚合物C與聚合物B的重量比。
表4 材料、尺寸和性能
實(shí)施例10-14和比較例C-J按照上述方法，用平玻璃和兩塊表玻璃測(cè)試基片以及8805粘合劑測(cè)定浸潤(rùn)能力。第一塊是6英寸(150mm)小表玻璃(Shallow Form Watch Glass，凹面、透明、退火鈉鈣玻璃蓋，邊緣經(jīng)火拋光，以目錄號(hào)66112-209購自VWRScientific Products，Minneapolis，MN)，第二塊是8英寸(200mm)大表玻璃(VWR，目錄號(hào)661122-242)。每種尺寸的玻璃凹凸兩面均用。實(shí)施例10中和比較例C-E的的柔性散熱片尺寸約為38×38mm。在實(shí)施例11-14中測(cè)定本發(fā)明的柔性散熱片，其尺寸為27mm×27mm，柱高6.5mm；比較例F-J使用市售鋁散熱片(27mm×27mm，柱高10mm)。結(jié)果示于下表和圖13-15。圖13A可與圖13B-D所示鋁散熱片作比較。圖14A(本發(fā)明)可與圖15(傳統(tǒng))比較。類似地，圖14和15中對(duì)應(yīng)的B、C和D可作比較。圖14c用1/4色調(diào)增強(qiáng)的對(duì)比度，來改善圖像，表明這對(duì)浸潤(rùn)百分?jǐn)?shù)沒有明顯改變。比較表中數(shù)據(jù)和/或圖，顯著表明本發(fā)明的浸潤(rùn)優(yōu)點(diǎn)。
表6 浸潤(rùn)能力
在不偏離本發(fā)明范圍和原則的情況下，本發(fā)明的各種改進(jìn)和變化形式對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不受上述示例性實(shí)施方式的限制。
權(quán)利要求
1.一種柔性散熱制品，它包括包含聚合物的底座；從底座伸出的許多聚合物突起的，每個(gè)突起具有主尺寸和次尺寸；其中底座聚合物包含導(dǎo)熱顆粒；突起聚合物包含非球形導(dǎo)熱顆粒，所述顆?；旧涎赝黄鸬闹鞒叽绶较?qū)R，散熱片的柔性在室溫下允許它彎曲到半徑約小于30cm，而不對(duì)散熱功能造成顯著負(fù)面影響。
2.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于突起和底座由基本上相似的聚合物組合物構(gòu)成，所述組合物任選地包含一種或多種粘合劑。
3.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于突起和底座由不同的聚合物組合物構(gòu)成，所述組合物任選地包含一種或多種粘合劑，且所述組合物任選地是可固化的。
4.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于突起中的顆粒和底座中的顆粒基本上是類似的顆粒。
5.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于突起和底座包含相同組成的顆粒。
6.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于非球形顆粒是細(xì)長(zhǎng)的，縱橫比任選地大于約1.25-1。
7.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于散熱片底座中的聚合物的彎曲模量約小于7GPa。
8.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于導(dǎo)熱顆粒選自碳黑、碳纖維、涂層碳纖維、金剛石、陶瓷纖維網(wǎng)、陶瓷氮化硼、氧化鋁、碳化硅、氮化鋁、三水合鋁、氫氧化鎂、金屬、金屬箔和它們的組合。
9.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于選擇顆粒減少電磁和/或射頻干擾，所述顆粒任選地選自鐵氧化物和涂鎳的顆粒。
10.如權(quán)利要求1所述的制品，它還包含金屬層和/或稀疏平紋布，選來減少EMI、RFI和/或?qū)嵝?，所述稀疏平紋布任選地選自鎳或涂鎳稀疏平紋布、碳稀疏平紋布、涂鎳碳稀疏平紋布和它們的組合。
11.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于聚合物材料的一個(gè)或多個(gè)表面包含金屬層和/或樹脂涂層。
12.如權(quán)利要求1所述的制品，它還包含施涂在散熱制品底座上的增粘劑。
13.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于所述突起至少能偏離至突起厚度的約50％，而不會(huì)斷裂。
14.如權(quán)利要求1所述的制品，適合于貼合在多個(gè)高度含有芯片和/或含有表面平整度不同的器件的電路板。
15.如權(quán)利要求1所述的制品，它還在成型的底座上包含細(xì)部，用以將散熱制品機(jī)械固定到發(fā)熱器件或包含這種器件的結(jié)構(gòu)上。
16.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于底座適于接觸成型表面。
17.如權(quán)利要求1所述的制品，它還包含靠近底座的熱界面材料，所述熱界面材料任選地是可固化的。
18.如權(quán)利要求17所述的制品，其特征在于熱界面材料包含壓敏粘合劑、熱熔粘合劑、低表面能粘合劑、環(huán)氧樹脂、熱粘合膜、相變材料、油脂和低共熔合金相變材料中的兩種或多種。
19.如權(quán)利要求18所述的制品，其特征在于熱界面材料在兩種或多種材料的間斷區(qū)提供。
20.如權(quán)利要求19所述的制品，其特征在于熱界面材料包含厚度變化。
21.如權(quán)利要求20所述的制品，其特征在于選擇厚度變化以改善選自熱流動(dòng)、粘合性、表面浸潤(rùn)、接觸面積和柔性中的一種或多種性質(zhì)。
22.如權(quán)利要求17所述的制品，其特征在于熱界面材料包含導(dǎo)電粘合劑。
23.如權(quán)利要求22所述的制品，其特征在于粘合劑可屏蔽EMI/RFI。
24.如權(quán)利要求22所述的制品，其特征在于可綜合選擇底座厚度和粘合劑厚度，以提供至少約40％的測(cè)試基片表面浸潤(rùn)。
25.如權(quán)利要求22所述的制品，其特征在于粘合劑還包含具有足夠尺寸的導(dǎo)熱顆粒，它與基片和散熱制品之間不含導(dǎo)熱顆粒的粘合劑相比可提高導(dǎo)熱性，所述任選地顆粒地包含在粘合劑中，可撞擊底座，并任選撞擊底座背面的粘合劑表面。
26.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于選擇柱形以提供一個(gè)或多個(gè)特征，所述特征選自向的氣流和增加表面積。
27.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于散熱制品是可熱塑性再成形的。
28.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于底座和/或突起包含兩種或多種聚合物的共混物，所述聚合物任選地包含一種或多種粘合劑。
29.如權(quán)利要求1所述的制品，它還在底座和/或突起聚合物組合物中包含一種或多種添加劑和/或填充劑。
30.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于底座包含波紋層，它可形成表面。
31.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于底座包含適于提高其柔性的細(xì)部。
32.如權(quán)利要求31所述的制品，其特征在于柔性細(xì)部選自凹痕、狹縫、槽、切口、凹口、孔或它們的任意組合。
33.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于散熱制品的UL-94可燃性等級(jí)為V1和/或V0。
34.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于它以卷筒形式提供。
35.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于底座厚度與突起高度之比選自至少1∶2，至少1∶3，至少1∶6和至少1∶8。
36.如權(quán)利要求1所述的制品，其特征在于突起具有漸縮形狀。
37.一種柔性散熱制品，它包括包含聚合物且具有第一表面和第二表面的底座；從底座第一表面伸出的許多聚合物突起，每個(gè)突起具有主尺寸和次尺寸；靠近底座第二表面的金屬層；任選的靠近金屬層的熱界面材料；其中底座聚合物和突起聚合物包含導(dǎo)熱顆粒；任選地，熱界面材料具有與底座相連的表面；任選地，散熱制品以卷筒形式提供。
38.如權(quán)利要求37所述的制品，其特征在于熱界面材料在兩種或多種材料的間斷區(qū)提供。
39.如權(quán)利要求38所述的制品，其特征在于熱界面材料包含壓敏粘合劑、熱熔粘合劑、低表面能粘合劑、環(huán)氧樹脂、熱粘合膜、相變材料、油脂和低共熔合金相變材料中的兩種或多種。
40.如權(quán)利要求37所述的制品，其特征在于熱界面材料包含厚度變化。
41.如權(quán)利要求40所述的制品，其特征在于選擇厚度變化以改善選自熱流動(dòng)、粘合性、表面浸潤(rùn)、接觸面積和柔性中的一種或多種性質(zhì)。
42.如權(quán)利要求37所述的制品，其特征在于熱界面材料包含導(dǎo)電粘合劑，所述粘合劑任選地可屏蔽EMI/RFI。
43.如權(quán)利要求42所述的制品，其特征在于可綜合選擇底座厚度和粘合劑厚度，以提供至少約40％的測(cè)試基片表面浸潤(rùn)。
44.如權(quán)利要求42所述的制品，其特征在于粘合劑還包含具有足夠尺寸的導(dǎo)熱顆粒，它與基片和散熱制品之間不含導(dǎo)熱顆粒的粘合劑相比可提高導(dǎo)熱性，任選地，所述顆粒地包含在粘合劑中，可撞擊底座，并任選撞擊底座背面的粘合劑表面。
45.如權(quán)利要求42所述的制品，其特征在于粘合劑還包含主尺寸至少約1μm的導(dǎo)熱顆粒。
46.一種柔性散熱片的制備方法，它包括提供含有許多導(dǎo)熱顆粒的第一聚合物組合物；提供包含許多非球形導(dǎo)熱顆粒的第二聚合物組合物；由第一和/或第二聚合物形成散熱底座；由第二聚合物和任選第一聚合物形成靠近散熱底座的許多細(xì)長(zhǎng)突起；任選地提供靠近底座第二表面的金屬層；任選地提供靠近底座或金屬層的熱界面材料；其中非球形導(dǎo)熱顆粒基本上沿突起的細(xì)長(zhǎng)方向?qū)R。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于第一和第二聚合物組合物基本上相似，所述組合物任選地包含一種或多種粘合劑。
48.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于第一和第二聚合物組合物在一個(gè)步驟提供。
49.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于第一和第二聚合物組合物以層狀膜的形式提供。
50.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于通過將層狀膜流延到模具中形成底座和突起，所述模具任選地地具有橫條和/或柱形的空穴。
51.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于這樣形成底座和突起，即通過成型模頭擠出層狀膜，形成橫條形突起，并任選地將橫條突起分離成柱子。
52.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于將熱界面材料層層壓到底座上。
53.如權(quán)利要求46所述的方法，它還包含固化第一和/或第二聚合物組合物和/或熱界面材料。
54.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于熱界面材料層包含粘合劑，所述方法還包括在熱界面材料層附近提供剝離襯墊。
55.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于第一和/或第二成形操作包括型材擠出和/或擠出復(fù)制。
56.如權(quán)利要求46所述的方法，它還包括提供適于提高底座柔性的柔性細(xì)部，所述柔性細(xì)部選自凹痕、狹縫、槽、切口、凹口、孔或它們的任意組合。
57.如權(quán)利要求46所述的方法，它還包括形成一卷散熱片。
全文摘要
提供柔性散熱制品，其包括含有聚合物的底座和從底座伸出的許多聚合物突起，每個(gè)突起具有主尺寸和次尺寸。底座包含導(dǎo)熱顆粒，突起包含非球形導(dǎo)熱顆粒，所述顆?；旧涎赝黄鸬闹鞒叽绶较?qū)R。導(dǎo)熱界面材料靠近底座。還提供了一種柔性散熱制品，它包含含有聚合物且具有第一表面和第二表面的底座，從底座第一表面伸出的許多聚合物突起(每個(gè)突起具有主尺寸和次尺寸)，以及靠近底座第二表面的金屬層，其中底座和突起包含導(dǎo)熱顆粒。還提供了柔性散熱片的制備方法。
文檔編號(hào)C08K3/10GK1748011SQ200380109722
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2003年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
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