專利名稱：改進(jìn)的熱界面材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制由熱源如電子器件所產(chǎn)生的熱的系統(tǒng)。本發(fā)明尤其涉及一種可以使電子器件有效散熱的系統(tǒng)。另外，本發(fā)明涉及一種與電子器件熱量控制系統(tǒng)相結(jié)合的熱界面薄片制品。
背景技術(shù)：
更先進(jìn)的電子器件包含能夠增加處理速度和更高頻率的電子器件，這種電子器件具有較小的結(jié)構(gòu)和很復(fù)雜的功率要求，并且顯示出其它的技術(shù)先進(jìn)性，這些電子器件例如為微處理器、電子集成電路、電器部件和系統(tǒng)，以及其它的設(shè)備如高強(qiáng)度的光學(xué)設(shè)備，隨著這些更先進(jìn)電子器件的發(fā)展，可能會(huì)產(chǎn)生極高的溫度。然而微處理器、集成電路和其它先進(jìn)的電子器件，通常只能有效地工作在一定范圍的溫度下。在這些電子部件工作期間產(chǎn)生的過(guò)多的熱量不僅有損于器件本身的操作性能，而且還可能降低整個(gè)系統(tǒng)的操作性能和可靠性，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)故障。希望電子系統(tǒng)工作的環(huán)境條件例如在極端溫度下工作的范圍越來(lái)越大，這樣便加重了這些負(fù)面作用。
由于越來(lái)越需要排出在這些條件下微電子裝置產(chǎn)生的熱量，所以熱控制成為設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品的越來(lái)越重要的元素。如上所述，不管是電子設(shè)備的性能可靠性，還是預(yù)期的壽命，均與設(shè)備的器件溫度成反比。
例如降低裝置如典型的硅半導(dǎo)體的操作溫度則相當(dāng)于裝置的可靠性和預(yù)期壽命成指數(shù)增加。因此，為了盡量增加器件的壽命和可靠性，將裝置操作熱控制在由設(shè)計(jì)人控制的范圍內(nèi)是特別重要的。設(shè)計(jì)熱控制系統(tǒng)有助于達(dá)到此目的。
熱控制系統(tǒng)的一個(gè)元件是熱界面材料。作熱界面材料的典型用法是將計(jì)算機(jī)芯片熱傳導(dǎo)地連接于冷卻組件(即如上所述的吸熱裝置)，以便克服在吸熱器或者冷卻組件和芯片或者其它熱源之間的接觸熱阻和表面貼合的不一致性。通常，熱界面由高溫油脂、相變材料和帶組成。柔性石墨很適用于這種應(yīng)用，因?yàn)樗臒嶙璧停宜軌蚺c相連接的界面貼合，特別是在其中一個(gè)表面或者兩個(gè)表面都不是完全平的時(shí)。這種特性在溫度系統(tǒng)中是很重要的，因?yàn)楸M可能降低熱阻是頭等重要的。
雖然在下面將更詳細(xì)地說(shuō)明，但是制造用在熱界面上的柔性石墨工藝是眾所周知的，而且在Shane等人的美國(guó)專利NO.3404061中詳細(xì)說(shuō)明了典型的做法，該專利已作為參考包含在本文中。一般是，將天然片狀石墨加在酸性溶液中。在加入片狀石墨之后，沖洗該片狀石墨，然后干燥，隨后短時(shí)間暴露于高溫下，使石墨薄片分層。這樣便使得石墨薄片在垂直于石墨晶體平面的方向膨脹或者分層。該分層的石墨薄片外觀上為蠕蟲狀，因此通常稱為蠕蟲狀石墨。然后將該蠕蟲狀石墨壓縮成板或者薄片，使其密度接近理論密度，雖然對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用，約1.1g/cm3的密度被認(rèn)為是正常的密度，然后將該柔性石墨薄片切成適合于特定應(yīng)用的要求形狀。
石墨由碳原子的六方形陣列的或者網(wǎng)絡(luò)的平面層組成，這些六方形排列碳原子的平面層基本上是平的，并且是有方向的或者有序化的，基本上彼此平行并等距，碳原子的這些基本上平的平行的等距薄片或者層通常稱為“石墨苯層(graphene layers)”，或者稱為基平面，這些層連接在一起或者接合在一起，這些層形成的群排列在晶粒中，高度有序化的石墨由相當(dāng)大尺寸的晶粒組成晶粒彼此是高度平行的，或者高度有向的，并具有很有序的碳層。換言之，高度有序化石墨具有高度的有限晶粒取向。應(yīng)當(dāng)注意到，石墨具有各向異性結(jié)構(gòu)，因此表現(xiàn)出或者具有很多有高度方向性的特性，例如熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)。
簡(jiǎn)言之，石墨的特征在于碳原子的層狀結(jié)構(gòu)，即該結(jié)構(gòu)由碳原子的疊層或者分層構(gòu)成，這些碳原子由弱范得瓦耳力結(jié)合在一起。在研究石墨結(jié)構(gòu)時(shí)，通常應(yīng)注意到兩根軸線或者方向，即“c”軸線或者“c”方向和“a”軸線或者“a”方向。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，“c”軸線或者“c”方向可以看作為碳層的方向，而“a”軸線或者“a”方向可以看作為與碳層平行的方向，或者垂直于“c”方向的方向。適合于制造柔性石墨薄片的石墨通常為天然片狀石墨，具有高度的方向性。
如上所述，使碳原子平行層保持在一起的結(jié)合力僅僅是弱范得瓦耳力?？梢蕴幚硖烊皇?，使得疊置的碳層或者分層的間隔可以顯著張開，從而在垂直于碳層的方向即在“c”方向形成明顯的膨脹，因而形成一種膨脹的或者隆起的石墨結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，基本上可以保持碳層的層狀特性。
可以不用粘接劑而將已經(jīng)極大膨脹的片狀特別是膨脹到其最后厚度或者“c”方向的尺寸比原來(lái)“c”方向尺寸約大80倍或更多倍的片狀石墨形成為粘接的或者整體的膨脹石墨薄片，例如卷帶、紙、條、帶、箔片、墊子等(通常稱為“柔性石墨”)?？梢哉J(rèn)為，不用任何粘接材料，采用壓縮方法，將已經(jīng)膨脹到其最后厚度或者“c”方向尺寸比原來(lái)“c”方向尺寸約大80倍或更多的石墨顆粒成形為整體的柔性石墨薄片是可能的。因?yàn)樵诖篌w積膨脹的石墨顆粒之間可以得到機(jī)械的相互鎖定或者附著。
除柔性而外，如上所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種薄片材對(duì)導(dǎo)熱性和導(dǎo)電具有高度的各向異性的特性，這是由于已膨脹石墨顆粒和基本上平行于石墨薄片兩個(gè)相對(duì)表面的石墨層的取向所致，由此導(dǎo)致很高的壓縮性，例如很高的滾壓性。由此生產(chǎn)的這種薄片材具有極好的柔性、很高的強(qiáng)度和高度的方向性。
簡(jiǎn)言之，制造柔性的無(wú)粘接劑的各向異性石墨薄片材例如卷帶、紙、條、帶、箔片、墊子等的工藝，包括在預(yù)定負(fù)載下不用粘接劑，壓縮或者壓實(shí)已膨脹的石墨顆粒，該石墨顆粒的“c”方向尺寸比原來(lái)顆粒的尺寸約大80倍或更多倍，從而可以形成基本上平的柔性的接成一體的石墨薄片。其外觀一般為蠕蟲狀的已膨脹石墨顆粒一旦被壓縮后，將保持這種壓縮狀態(tài)，并與石墨薄片的兩個(gè)相對(duì)主表面平行。通過(guò)控制壓縮程度可以改變薄片的密度和厚度。薄片的密度在約0.04-2.0g/cm3之間。柔性的石墨薄片材由于平行于薄片材兩個(gè)相對(duì)平行表面的石墨顆粒的取向而表現(xiàn)出顯著程度的各項(xiàng)異向性性，在滾壓薄片時(shí)，各向異性程度增加，從而增加了方向性。在滾壓各向異性薄片材時(shí)，厚度即垂直于兩個(gè)平行薄片表面的方向包含“c”方向，而沿長(zhǎng)度和寬度即沿或者平行于兩個(gè)相對(duì)主要表面的方向包含“a”方向，對(duì)于“c”方向和“a”方向，石墨薄片的導(dǎo)電特性差別若干數(shù)量級(jí)。
Tzeng等人的美國(guó)專利NO.6245400公開一種可脫開的襯有壓敏粘接劑的柔性石墨薄片制品，該制品具有很低的熱阻特性。該柔性石墨薄片包括柔性石墨底襯和底襯上的粘接劑底層、涂在粘接劑層上的壓敏粘接劑底層和涂在壓敏粘接劑層上的可脫開的襯面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改進(jìn)熱源和冷卻組件之間的熱傳導(dǎo)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種熱界面，該熱界面對(duì)于散熱部件和熱源具有降低的接觸熱阻和增加的熱傳導(dǎo)率。
具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的一實(shí)施例是一種熱界面材料，該界面包括柔性石墨薄片制品，該石墨薄片制品包括油。
本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種熱控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有外表面的熱源；熱界面，該界面包括含有油的柔性石墨薄片制品，該熱界面與熱源的外表面在操作上是連通的；具有集熱表面和散熱表面的散熱部件。該集熱表面在操作上與熱界面連通。在此實(shí)施例中，使集熱表面與熱界面在操作上連通可以將熱量從熱源中排散出去。
本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種熱控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括包含電子部件的熱源、熱界面和散熱器。在此實(shí)施例中，熱源具有外表面；該熱界面包括柔性石墨薄片制品，該制品具有兩個(gè)平表面，該表面沿平行于石墨薄片中的石墨晶體結(jié)構(gòu)平面方向延伸，熱界面平表面中的第一表面與熱源的外表面在操作上接觸。另外，該石墨薄片最好包含2％重量的油。在此實(shí)施例中，熱界面第一平表面的平面面積大于熱源外表面的面積。最后，散熱器具有集熱表面和至少一個(gè)散熱表面。該散熱器的集熱表面與熱界面平表面中的第二表面接觸。
本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種制造熱界面材料的方法，該方法包括提供柔性石墨薄片材料，該石墨薄片材料包括兩個(gè)平表面，該平表面延伸的方向平行于石墨薄片中的石墨晶體結(jié)構(gòu)的平面方向，并提供油；使油與上述石墨薄片接觸，直至約2-75％重量的油被吸收到熱界面材料中。
最后，本發(fā)明的另一實(shí)施例是一種排散來(lái)自熱源的熱量的方法，該方法包括采用本發(fā)明的熱界面材料和熱控制系統(tǒng)。
在上述實(shí)施例中，熱界面最好包含各向異性的柔性石墨薄片，該石墨薄片的平面面積大于熱源外表面面積。另外，在上述實(shí)施例中，所說(shuō)的油是礦物油。


下面參考附圖進(jìn)行說(shuō)明，由此技術(shù)人員可以明顯看出本發(fā)明的其它一些目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是本發(fā)明的熱控制系統(tǒng)的實(shí)施例的透視圖，用虛線示出熱源。
圖2是圖1所示的熱控制系統(tǒng)的底部透視圖。
圖3是圖1所示的熱控制系統(tǒng)的側(cè)視平面圖。
圖4是本發(fā)明熱控制系統(tǒng)另一實(shí)施例的頂視透視圖。
具體實(shí)施例方式
如上所述，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種熱界面材料，該材料可以用在熱控制系統(tǒng)中。該熱界面材料是含有油的柔性石墨薄片制品。
石墨是碳的一種晶體形態(tài)，包含在平分層平面中由共價(jià)鍵結(jié)合的原子，在分層平面之間具有弱結(jié)合。在制取源材料例如上述柔性石墨薄片時(shí)，通常用插層劑處理石墨顆粒例如天然石墨片，例如用硫酸溶液和硝酸溶液進(jìn)行處理，與石墨的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)，形成石墨和插層劑的化合物。然后將已處理的石墨顆粒稱為“有插層劑的石墨顆粒”。在受到高溫作用時(shí)，石墨中的插層劑分解和蒸發(fā)，使得加插層劑石墨的顆粒在尺寸上發(fā)生膨脹，沿“c”方向即沿石墨晶體平面的方向以褶皺方式膨脹，膨脹到比原來(lái)約大80倍或者更多倍。分層的石墨顆粒在外觀上為蠕蟲狀，因此通常稱為蠕蟲狀石墨。然后將這種蠕蟲狀石墨一起壓成柔性石墨薄片，與原來(lái)的片狀石墨不同，這種柔性薄片可以成形和切成不同的形狀，由于機(jī)械壓實(shí)而具有少量的橫向開孔。
適合用在本發(fā)明中的柔性石墨薄片的石墨原料包括高度石墨化的含碳材料，這種含碳材料可以加入有機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸以及鹵素，然后在受熱時(shí)發(fā)生膨脹。這種高石墨化的含碳材料最好具有約1.0的石墨化程度。按照本文的用法，術(shù)語(yǔ)“石墨化程度”是指下面公式中的值gg=3.45·d(002)0.095]]>式中d(002)是晶體結(jié)構(gòu)中碳的石墨層之間的距離，該距離用埃做單位。石墨層之間的間距用標(biāo)準(zhǔn)的x射線衍射技術(shù)測(cè)量。測(cè)量對(duì)應(yīng)于(002)、(004)和(006)米勒指數(shù)的衍射峰位置，然后應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的最小平方法算出間距，這種方法可以盡量降低所有這些峰的總誤差，高度石墨化含碳材料的顆粒包括各個(gè)地方的天然石墨以及其它的含碳材料，例如用化學(xué)蒸汽沉積法等形成的碳。天然石墨是最好的。
本發(fā)明用的柔性石墨薄片的石墨原料可以包括非碳成分，只要原料的晶體結(jié)構(gòu)可以保持要求的石墨化程度，而且它們能夠分層。一般說(shuō)來(lái)，這樣的含碳材料適合于用在本發(fā)明中，即這種材料的晶體結(jié)構(gòu)具有要求的石墨化程度，并可以分層。這種石墨的灰份最好小于20％。用于本發(fā)明的石墨最好具有至少約94％的純度。在最優(yōu)選實(shí)施例中，所用的石墨其純度至少約98％。
在Shane等的美國(guó)專利NO.3404061中說(shuō)明一種制造石墨薄片的普通方法，該專利已作為參考文獻(xiàn)包含在本文中。在Shane等方法的一般作法是，使石墨片分散在溶液中，從而使得到天然片狀石墨插層化，該溶液包括例如硝酸和硫酸的混合溶液，最好每100份重量的片狀石墨添加約20-300份重量的插層溶液(pph)。該插層溶液包含在這種技術(shù)中已知的氧化劑和其它插層劑。例子包括包含氧化劑和氧化混合物的插層劑，例如插層溶液包含硝酸、氯酸鉀、鉻酸、高錳酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、過(guò)鉻酸等，或者包含混合物，例如濃縮的硝酸和氯酸鹽、鉻酸和硫酸、鉻酸和磷酸、硫酸和硝酸，或者強(qiáng)有機(jī)酸的混合物，例如三氟乙酸和在有機(jī)酸中可溶的強(qiáng)氧化劑。還可以采用電位來(lái)引起石墨的氧化。電解氧化時(shí)可以加入到石墨晶體中的化學(xué)物包括硫酸以及其它的酸。
在優(yōu)選實(shí)施例中，插層劑是硫酸或者硫酸和磷酸與氧化劑即硝酸、過(guò)鉻酸、鉻酸、高錳酸鉀、過(guò)氧化氫、碘酸或者過(guò)碘酸的混合溶液等，雖然不是太好，但是插層溶液可以包括金屬鹵化物例如三氯化鐵以及與硫酸混合的三氯化鐵，或者鹵化物例如溴和硫酸中的溴或者有機(jī)溶劑中的溴。
插層溶液的量約20-150pph，通常約50-120pph。在片狀石墨中加入插層劑后，將過(guò)量的溶液從石墨片中排出，然后用水洗石墨片。
或者可以將插層溶液的量限制在約10-50pph，這樣，便不需要美國(guó)專利NO.4895713中說(shuō)明的水洗步驟，該專利已作為參考文獻(xiàn)包含在本文中。
用插層溶液處理過(guò)的片狀石墨顆?？梢赃x擇性與還原性有機(jī)試劑接觸例如混合。這種有機(jī)試劑選自醇類、糖類、醛類和酯類，這些有機(jī)試劑可以在約25-125℃間的溫度下與氧化插層溶液的表面膜發(fā)生反應(yīng)。有機(jī)還原試劑在分層時(shí)可以增加膨脹體積(也稱為“蠕蟲狀體積”)，稱為膨脹助劑，特別適合的有機(jī)試劑包括十六醇、十八醇、1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10癸二酰、癸醛、1-丙醇、1，3丙二酰、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、馬鈴薯淀粉、乙二醇一硬酸酯、二乙二醇二苯甲酸酯、丙二醇一硬酸酯、甘醇一硬酸酯、二甲基osylate、二乙基osylate、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗壞血酸和木質(zhì)素衍生的化合物例如木素磺酸鈉。有機(jī)還原試劑的量為片狀石墨顆粒重量的約0.5-4％比較合適。
可以加入到插層溶液中或者在加入插層液前添加到片狀石墨中的其它類型膨脹助劑是羧酸，這種助劑可與上述有機(jī)還原劑協(xié)同操作。在本文中的膨脹助劑最好能夠充分溶解在插層溶液中，以便改善膨脹。更嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，最好是排它性地應(yīng)用包含碳、氫和氧的這類有機(jī)試劑。適用于膨脹助劑的羧酸可以選自芳香族的、脂肪族的或者環(huán)脂肪族的、直鏈或者支鏈的、飽和和非飽和的單羧酸、二羧酸和聚羧酸，這些羧酸具有至少一個(gè)碳原子，最好達(dá)到約15個(gè)碳原子，這些羧酸可溶解在插層溶液中，其量達(dá)到可以有效使分層的一個(gè)或者多個(gè)方面得到顯著改進(jìn)?？梢詰?yīng)用適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑來(lái)改進(jìn)有機(jī)膨脹助劑在插層溶液中的溶解性。
飽和脂肪羧酸的代表性例子是分子式H(CH2)nCOOH表示的酸，在該分子式中，n是0-約5，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。硫酸、硝酸和其它的已知水性插層劑能夠分解甲酸，最后分解成水和二氧化碳。因此，甲酸和其它靈敏的膨脹助劑最好在片狀石墨浸入水性插層劑之前與片狀石墨接觸。代表性的二羧酸是具有2-12個(gè)碳原子的脂肪二羧酸，具體是草酸、延胡索酸、丙二酸、馬來(lái)酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊二羧酸、1，6-己二羧酸、1，10-癸烷二羧酸、環(huán)己烷-1，4-二羧酸和芳香二羧酸例如苯二甲酸或者對(duì)苯二酸。代表性的環(huán)脂肪酸是環(huán)己烷羧酸，代表性的芳香羧酸是苯甲酸、萘酸、鄰氨基苯甲酸、對(duì)氨基苯甲酸、鄰-，間-和對(duì)-甲苯酸、甲氧基苯甲酸和乙氧基苯甲酸、乙酰乙酸氨基苯甲酸和乙酰氨基苯甲酸、苯乙酸和萘酸。
插層溶液是水溶液，最好包括約0.2-10％的羧酸膨脹助劑，該量可以有效增強(qiáng)分層作用。在浸入水性插層溶液之前使甲酸接觸片狀石墨的實(shí)施例中，可以用適當(dāng)裝置與石墨混合，例如用V-混合器混合，混合的量約為片狀石墨重量的0.2-10％。
在片狀石墨加入插層劑之后，將插層劑包裹的片狀石墨與有機(jī)還原劑混合，隨后將該混合物暴露在約25-125℃的溫度下，使該還原劑與包裹的插層劑進(jìn)行反應(yīng)。加熱的時(shí)間長(zhǎng)到約20小時(shí)，在上述溫度范圍內(nèi)，對(duì)于較高的溫度可以達(dá)到較短的加熱時(shí)間例如約為10分鐘。在較高溫下，可以采用半個(gè)小時(shí)的時(shí)間或者更少的時(shí)間，例如約10-25分鐘。
由此處理過(guò)的石墨顆粒有時(shí)稱為“加入插層劑的石墨顆?！?。在受到高溫例如至少約160℃溫度作用下，特別是在約700-1000℃或更高溫度的作用下，加插層劑的石墨顆粒便膨脹，沿“c”方向即沿垂直于石墨顆粒晶面的方向以蠕蟲狀的方式膨脹，膨脹到超過(guò)原來(lái)體積的80-1000倍或者更多倍。這種膨脹的即分層的石墨顆粒在外觀上為蠕蟲狀，因此通常稱為蠕蟲狀石墨。然后在將這種蠕蟲狀石墨一起壓縮成柔性石墨薄片，這種柔性石墨薄片和原來(lái)的片狀石墨不同，可以切割成各種形狀，并且如下面說(shuō)明的，由于機(jī)械壓實(shí)而具有小的橫向開孔。
柔性石墨薄片或箔片是粘著的，具有良好的處理強(qiáng)度，并適合于采用例如滾壓法壓縮成厚度約為0.075-3.75cm的厚度，其典型的密度約為0.1-1.5g/cm3，可以將約1.5-30％重量的陶瓷加入劑與加插層劑的片狀石墨混合，如美國(guó)專利NO.5902762(已作為參考文獻(xiàn)包含在本文中)所述。以便在最后的柔性石墨制品中提高樹脂浸潤(rùn)性。加入劑包括長(zhǎng)度約為0.15-1.5mm的陶瓷纖維顆粒。該顆粒的寬度在約0.04-0.004mm比較合適。該陶瓷纖維顆粒是非反應(yīng)性的顆粒，不能粘附在石墨上，而且在1100℃最好在約1400℃或更高的溫度下是穩(wěn)定的。實(shí)用的陶瓷纖維顆粒用浸解的石英玻璃纖維、碳纖維和石墨纖維、氧化鋯纖維、氮化硼纖維、碳化硅纖維和氧化鎂纖維、天然存在的礦物纖維例如偏硅酸鈣纖維、鈣鋁硅酸鹽纖維、氧化鋁纖維等形成。
現(xiàn)在參看附圖，圖中示出本發(fā)明制造的熱控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)總的用編號(hào)10表示。應(yīng)當(dāng)注意到，為了簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在所有附圖中，不是系統(tǒng)10的所有部件或者器件都被表示出來(lái)和/或標(biāo)注出來(lái)。另外，按照本發(fā)明的用法，術(shù)語(yǔ)“向上”、“向下”、“頂部”、“底部”等是指在圖3和圖4所示的方向時(shí)的熱控制系統(tǒng)10。然而技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，該熱控制系統(tǒng)10在使用時(shí)可以采用任何特定的方向。
該熱控制系統(tǒng)10預(yù)定用來(lái)促使熱量從熱源具體是從電子器件100上散去。電子器件100可以包括電子器件或部件，這些器件可以產(chǎn)生足夠大的熱量，這些器件如果不散熱將干擾電子器件100的操作，或者干擾電子器件100是一個(gè)元件的電子系統(tǒng)的操作。電子器件100可以包括微處理器或者計(jì)算機(jī)芯片、集成電路、光學(xué)裝置例如激光或者場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的控制電路或者其部件，或者其它類似的電子元件。電子器件100包括至少一個(gè)表面100a(稱為“外表面”)，熱量將從該表面散去，該表面可以用作為從電子器件100上散熱的熱源。
下面參考圖1、2和3，本發(fā)明的熱控制系統(tǒng)10包括熱界面20。該熱界面的主要作用是與電子器件100的外表面100a形成充分的導(dǎo)熱結(jié)合，而不需要施加很不希望的壓力。取決于熱控制系統(tǒng)10其它組成的特性，熱界面20的第二作用是增加電子器件100表面100a的有效表面積，從而有利于電子器件100的散熱。如上所述，有效的熱傳導(dǎo)(即很低的熱阻)對(duì)于電子器件的操作性和壽命是很重要的。
為此，熱界面20最好包括柔性石墨薄片。所謂柔性石墨薄片是指一種壓縮的分層石墨薄片，特別是天然石墨薄片?；蛘?，該柔性石墨薄片可以通過(guò)高聚合物膜的熱解來(lái)生產(chǎn)。如上所述，石墨是一種碳的結(jié)晶形態(tài)，包括在平的分層平面上共價(jià)鍵結(jié)合的而在平面之間具有弱結(jié)合力的原子。通過(guò)處理石墨顆粒例如處理天然片狀石墨顆粒，加入例如硫酸和硝酸溶液，則石墨的晶體結(jié)構(gòu)將發(fā)生反應(yīng)，形成石墨和插層劑的化合物。處理過(guò)的石墨顆粒稱為“加插層劑的石墨顆粒”。在受到高溫作用時(shí)，加插層劑的顆粒在尺寸上在一個(gè)方向膨脹，即沿“c”方向即在垂直于石墨晶體表面的方向以褶皺形式膨脹，膨脹到比原來(lái)體積大80倍或更多倍。分層的石墨顆粒在外觀上為蠕蟲狀，因此通常稱為蠕蟲狀石墨。然后將該蠕蟲狀石墨壓縮成柔性石墨薄片，該石墨薄片和原來(lái)的片狀石墨不同，可以形成和切割成各種各樣的形狀。
在按需要制造出柔性石墨薄片以后，可以將其切割成形成熱界面20的尺寸。依據(jù)其應(yīng)用，還可將所需尺寸的許多柔性石墨薄片用壓敏粘接劑例如丙烯酸粘接劑層合在一起，形成一種疊層，由此形成熱界面20，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，(使用中間粘合劑)所層合的層數(shù)越多，則所需的熱特性則越降低，因此熱界面20最好只有一層柔性石墨薄片。
包含本發(fā)明的熱界面的柔性石墨薄片其厚度較好在0.05-1.0mm之間，最好在0.1-0.5mm之間?？梢杂迷诒景l(fā)明中的一種石墨薄片產(chǎn)品可以從Graftech Inc.，Lakewood公司買到，其商品名為eGrafTM注冊(cè)商標(biāo)。另一種實(shí)用的柔性石墨薄片是熱解石墨薄片，例如可以從日本Matsushita Electric Components Company Ltd.，Ceramicdivision買到，其商品名為Panasonic PGS。
采用本發(fā)明熱界面20的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其貼合性好。因?yàn)殡娮悠骷?00的外表面100a一般由金屬材料或者陶瓷材料或者其它的類似材料構(gòu)成，所以外表面100a的表面一般不是很平滑的(即使用眼睛看起來(lái)似乎是平滑的，或者摸起來(lái)是平滑的)，但是在表面上還是存在一些表面的形變和凹凸不平，或者具有“峰”和“谷”。這樣，便在熱界面的表面和散熱器和/或熱源之間形成起熱絕緣作用的空氣間隙。
因?yàn)檫@種表面形變，所以在與也有表面變形的金屬的(例如銅)或者其它類型的散熱器(例如石墨散熱器)形成牢靠的導(dǎo)熱接觸時(shí)，如果不施加很大的壓力，進(jìn)行導(dǎo)熱接觸是很難的。
在過(guò)去，在散熱器和熱源之間為了達(dá)到金屬與金屬的接觸，通常需要施加的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)50英鎊/英寸1。這種壓力很容易損壞電子器件100。
為了克服此問(wèn)題，可以采用本發(fā)明的熱界面。本發(fā)明的熱界面包括含有油的柔性石墨薄片，油/石墨薄片組合提高了貼合性，因此降低了傳熱熱阻。不受到任何理論約束，油可以取代存在于相應(yīng)連通部分的空氣。另外這種油可使石墨變“柔”，而且能使熱源/冷卻組件的表面變形和凹凸不平更為改善。
在本發(fā)明中使用的油包括各種各樣的物質(zhì)，例如包括礦物油、植物油、動(dòng)物油、香精油、石油、合成油例如硅油及這些油的混合物。用于本發(fā)明的礦物油包括例如鏈烷礦物油、環(huán)烷礦物油、中間基的礦物油等等。用在本發(fā)明中的礦物油通常是石油提煉的，包括脂肪族油、芳香族油和混合油。用在本發(fā)明中的具體礦物油包括中性油、中等比重的中性油、比重重的中性油、光亮油和普通的潤(rùn)滑劑例如發(fā)電機(jī)油和醫(yī)用油例如精煉的石蠟油。用在本發(fā)明中的植物油主要是從種子和果核中提煉出來(lái)，包括菜籽油、芥子酸含量很低的菜籽油(canola油)、大豆油、玉米油、棉籽油、亞麻籽油、橄欖油、桐油、花生油、meadowfoam油、葵花籽油、大豆油、紅花油、gogoba油、棕櫚油、蓖麻油、可可核油等。例如可以從原生改性油廠取得植物油，或者該植物油可以用水洗方法、精煉方法、酯化方法、水解方法等進(jìn)行改性。用在本發(fā)明中的動(dòng)物油包含魚油、魚肝油、油酸等。用在本發(fā)明中的香精油包括從植物的花、莖和葉子提煉出的液體，經(jīng)常用整個(gè)植物提煉。這種油包括通常用在化妝品中的油。另外，傳統(tǒng)的食用油可以用在本發(fā)明中。這些油從果實(shí)或者種子和植物得到，最普通的是玉米油、可可果核油、大豆油、橄欖油、棉子油和紅花油。這些油具有不同的飽和程度。最后，合成油可以用在本發(fā)明中。合成油是酯類油、聚α-烯烴低聚物或者烷化苯。
對(duì)本發(fā)明用油的主要要求包括在室溫下液體的穩(wěn)定性，使得油可以由石墨薄片吸收，并且其導(dǎo)熱性高于在石墨薄片中毛細(xì)孔中存在的空氣。在更廣泛意義上講，用在本發(fā)明中的油應(yīng)是導(dǎo)熱性高于空氣的可以由石墨薄片吸收的液體。
用在本發(fā)明中的油在37.8℃下，其黏度約為1-400厘泊比較好，最好約為2-200厘泊，最好約為10-50厘泊。
在石墨薄片中存在的油量約在2-75％重量之間比較好，更好約為10-55％重量，最好在約15-40％重量。在優(yōu)選實(shí)施例中，油被加到這樣的程度，使得石墨薄片的毛細(xì)孔基本上由油充滿。換言之，當(dāng)油被吸收到石墨薄片中時(shí)，用油代替了毛細(xì)孔中存在的空氣。由于不同的石墨薄片具有各種量的毛細(xì)孔，而且不同的油具有不同的重量，所以在石墨薄片中存在的油的重量百分?jǐn)?shù)可以變化。
最好采用擴(kuò)散法、清漬法、浸沒(méi)法或者任何其它的合適方法，將油加到石墨薄片上。石墨薄片的表面吸收油，形成一種沒(méi)有明顯油性或油質(zhì)的表面。
因?yàn)楸景l(fā)明的熱界面20更容易貼合電子器件100外表面100a以及散熱器的表面形狀，所以可以在電子器件100和具有表面形態(tài)的散熱器之間達(dá)到良好的熱接觸。
本發(fā)明的熱界面20可以用若干種方法粘接在或者裝在電子器件100的外表面100a上。例如，可以采用壓敏的熱觸發(fā)的粘接劑薄層將熱界面20裝在電子器件100上。另外，當(dāng)采用散熱器時(shí)，該熱界面20可以加在散熱器和電子器件100之間。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看出，可以用其它的同樣有效的方法將熱界面20粘接或者裝在電子器件100上。
參考圖4，本發(fā)明的熱控制系統(tǒng)10最好還包括散熱器制品30，該散熱器成形為具有可以形成集熱表面30a和至少一個(gè)散熱表面32。當(dāng)熱散熱器30的集熱表面30a與熱源即電子器件100的外表面接觸時(shí)，熱量便經(jīng)散熱器30的至少一個(gè)散熱表面32散去外表面30a上的熱。
本文所說(shuō)的散熱表面是指散熱器30的表面積，從外表面100a傳送(在存在熱界面20時(shí)通過(guò)該熱界面?zhèn)魉?到散熱器30上的熱量從該散熱表面散到環(huán)境中。散熱器30的至少一個(gè)散熱表面32通常是可以采用例如風(fēng)扇(未示出)使空氣或者其它冷卻流體流過(guò)散熱器30的散熱器30的表面。為了盡量增加從散熱器30傳送到冷卻流體的熱量，散熱器30的該至少一個(gè)散熱表面32應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)和/或成形為具有盡可能大的表面。
例如如圖4所示，該散熱器30的至少一個(gè)散熱表面32包括翅片32a，該翅片形成在散熱器30的表面上，對(duì)著集熱表面30a，使得熱量從集熱表面30a傳送到翅片32a，此時(shí)，穿過(guò)翅片32a的空氣或者其它冷卻流體可以從翅片32a吸收熱量，由此帶走該熱量(進(jìn)而帶離電子器件100)。設(shè)計(jì)人員可以選擇翅片32a的數(shù)目、尺寸和形狀，以便在冷卻流和表面積之間達(dá)到平衡。例如，更多的翅片將會(huì)增加表面積，而且各個(gè)翅片變得更薄，其間的空間也更小，但是這樣可能影響冷卻流體的流動(dòng)；同樣，較少的大翅片32其空間變得較大，這樣會(huì)得到更大的熱對(duì)流效率，但是面積變小。
下面的例子進(jìn)一步說(shuō)明了本發(fā)明，但是該例子不以任何方式限制本發(fā)明。
例子將加插層劑的天然片狀石墨進(jìn)行分層，得到熱界面材料，再將得到的界面材料壓縮和滾壓成厚度為0.254mm的石墨薄片。在接觸壓力為16磅/英寸2的條件下測(cè)量該材料的熱特性。其接觸熱阻是1.09cm2°K/W，熱導(dǎo)率為5.2W/m°K。然后，在熱界面材料上均勻涂上輕質(zhì)礦物油，使油浸入界面材料。由石墨薄片吸收的油的重量為總重量的50％。這種材料的接觸熱阻降低到0.79cm2°K/W(提高28％)，而熱導(dǎo)率增加到6.13W/m°K(提高18％)。
所有在本申請(qǐng)中引用的專利和公開物均作為參考包含在本文中。
雖然已經(jīng)說(shuō)明本發(fā)明，但是可以明顯看出，本發(fā)明可以以很多方式變化，這種變化不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為超出本發(fā)明的精神和范圍，技術(shù)人員可以明顯看出所有這些變化均包含在以下權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱界面材料，其包括柔性石墨薄片制品，該薄片制品包含油。
2.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該油是礦物油、植物油、合成油、香精油、食用油、動(dòng)物油和這些油的混合油。
3.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該油是礦物油。
4.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該油存在的量占該柔性石墨薄片制品重量的2-75％。
5.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該油存在的量占該柔性石墨薄片材料重量的約10-55％。
6.如權(quán)利要求3所述的熱界面材料，其特征在于，該礦物油存在的量為占該柔性石墨薄片制品重量的約2-75％。
7.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該柔性石墨薄片的厚度約為0.05-1.0mm。
8.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該油的黏度約為1-400厘泊。
9.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，其特征在于，該柔性石墨薄片是各向異性的。
10.一種熱控制系統(tǒng)，其包括(1)具有外表面的熱源；(2)熱界面，該界面包括含有油的柔性石墨薄片制品，該熱界面與該熱源的外表面在操作上連通；(3)散熱部件，該散熱部件具有集熱表面和散熱表面，該集熱表面與該熱界面在操作上連通；其中，在操作上與熱界面連通的該集熱表面可以散去來(lái)自該熱源的熱量。
11.如權(quán)利要求10所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該油是礦物油、植物油、合成油、香精油、食用油、動(dòng)物油以及這些油的混合物。
12.如權(quán)利要求10所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該油是礦物油。
13.如權(quán)利要求10所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該熱源是電子器件。
14.如權(quán)利要求10所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該柔性石墨薄片制品是各向異性的。
15.如權(quán)利要求10所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該熱界面的平面面積大于該熱源的該外表面的面積。
16.如權(quán)利要求10所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，通過(guò)壓縮天然石墨的分層顆粒形成該柔性石墨薄片制品。
17.如權(quán)利要求10所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該熱界面材料的厚度約為0.05-1.0mm。
18.一種熱控制系統(tǒng)，包括(a)熱源，該熱源包括電子器件，該熱源具有外表面；(b)熱界面，該熱界面具有各向異性的柔性石墨薄片制品，該制品具有兩個(gè)平行的平表面，該平表面沿平行于該薄片中的石墨晶體結(jié)構(gòu)的平面方向延伸，該熱界面的第一平表面在操作上與該熱源的該外表面接觸，其中，該石墨薄片包括重量百分比為至少2％的礦物油；該熱界面的該第一平表面的平面面積大于該熱源的該外表面的面積；(c)散熱器，其包括集熱表面和至少一個(gè)散熱表面，該散熱器的該集熱表面在操作上與熱界面的第二平表面接觸。
19.如權(quán)利要求18所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該石墨薄片包含約2-75％重量的礦物油。
20.如權(quán)利要求18所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該石墨薄片包括約10-55％重量的礦物油。
21.如權(quán)利要求18所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該礦物油的黏度約為10-50厘泊。
22.一種制造熱界面材料的方法，其包括以下步驟(a)提供柔性石墨薄片材并提供油；(b)使上述油接觸該石墨薄片，直至約2-75％重量的油被吸收到該熱界面材料中。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該油是礦物油、植物油、合成油、香精油、食用油、動(dòng)物油和這些油的混合物。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該油是礦物油。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，約2-75％重量的礦物油被吸收到熱界面材料中。
26.一種接權(quán)利要求22制成的熱界面材料。
27.一種按權(quán)利要求25制成的熱界面材料。
28.一種除去來(lái)自熱源的熱量的方法，其包括(a)提供一散熱器，并提供一熱界面，該熱界面包括各向異性的柔性石墨薄片制品，該制品具有第一和第二平行的平表面，并具有結(jié)合到該石墨薄片中的約2-75％重量的礦物油；(b)使該熱界面的第一平行表面與該熱源形成熱傳導(dǎo)接合，并使該熱界面的第二平行表面與該散熱器形成熱傳導(dǎo)接合；和(c)將來(lái)自該熱源的熱量經(jīng)該熱界面?zhèn)鲗?dǎo)到該散熱器。
29.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，該油包括酯類油。
30.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，該油包括聚α-烯烴低聚物。
31.如權(quán)利要求1所述的熱界面材料，該油包括烷化苯。
32.如權(quán)利要求10所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該油包括酯類油。
33.如權(quán)利要求10所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該油包括聚α-烯烴低聚物。
34.如權(quán)利要求10所述的熱控制系統(tǒng)，其特征在于，該油包括烷化苯。
35.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該油包括酯類油。
36.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該油包括聚α-烯烴低聚物。
37.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該油包括烷化苯。
全文摘要
一種熱界面(20)和一種作為熱控制系統(tǒng)(10)的一部分的熱界面，該熱界面包括熱源(100)和冷卻組件(30)。該熱源(100)具有外表面(100a)；該熱界面(20)是柔性石墨薄片制品，該制品具有兩個(gè)平行的平表面，該石墨界面(20)的第一平表面在操作上與熱源(100)的外表面接觸，而該第二平表面與冷卻組件(30)接觸。該石墨薄片包含油。
文檔編號(hào)F28F13/00GK1622879SQ02828343
公開日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2002年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月26日
發(fā)明者R·A·格雷恩克, D·W·克拉索夫斯基 申請(qǐng)人:先進(jìn)能源科技公司