專利名稱：夾層熱處理裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱處理裝置(thermal solution)，其能管理來自熱源如電子器件元件的熱，以便散逸該熱源產(chǎn)生的熱，同時調(diào)解熱對器件用戶和其它器件元件的影響。
背景技術：
隨著越來越復雜的電子器件的發(fā)展，包括能夠提高處理速度和更高的頻率、具有更小尺寸和更復雜功率要求、并表現(xiàn)出其它技術先進性的那些器件，如電子和電氣元件中的微處理器和集成電路、高容量和響應記憶元件如硬盤驅(qū)動器、電磁源如在數(shù)字投影儀以及在其它器件如高功率光學器件中的燈泡，可能會產(chǎn)生相對極端的溫度。但是，微處理器、集成電路和其它復雜的電子元件一般只在一定的閾溫度范圍內(nèi)有效工作。這些元件工作過程中產(chǎn)生的過熱不僅損害它們自身的性能，而且降低了整個系統(tǒng)的性能和可靠性，并甚至可能導致系統(tǒng)故障。預期電子系統(tǒng)工作的環(huán)境條件包括溫度極限的范圍的不斷擴大加劇了過熱的負面影響。
隨著對微電子器件散熱需求的增加，熱管理成為電子產(chǎn)品設計中日益重要的因素。電子設備的性能可靠性和使用壽命均與設備的元件溫度成反比。例如，器件如典型的硅半導體的工作溫度的降低相當于器件處理速度、可靠性和使用壽命的增加。因此，為了使元件的壽命和可靠性最大化，由設計人員控制器件工作溫度在極限集合內(nèi)是極為重要的。
另外，對更小和更緊湊電子產(chǎn)品如筆記本電腦、移動電話、數(shù)字照相機和投影儀等日益增加的需求意味著熱源將靠近器件的外表面和靠近其它元件。因而，器件的外表面變熱，這對使用者來說是不舒服的或甚至危險的。此外，器件中一個元件產(chǎn)生的熱可能負面影響鄰近的元件。盡管一種可能的解決方案是絕緣熱源，但這不是令人滿意的解決方案，因為這樣做會使熱源產(chǎn)生的熱集中在熱源處，可能損害熱源。
例如，在一些筆記本電腦中，可產(chǎn)生大量熱的硬盤驅(qū)動器位于計算機一個稱為“手掌支撐”的下面，“手掌支撐”是在鍵盤和使用者之間的區(qū)域，在打字時使用者的手掌通常擱在這個地方。在較薄的筆記本電腦中，硬盤驅(qū)動器產(chǎn)生的熱可通過筆記本電腦外殼傳送到使用者的手掌上，引起不適和甚至疼痛。實際上，在一些筆記本電腦中，手掌支撐溫度經(jīng)測量高過40℃。同樣，產(chǎn)生熱的元件可使筆記本電腦的底部變熱，當將筆記本電腦放在使用者膝蓋上時，會造成使用者不適或甚至疼痛。這已經(jīng)成為筆記本電腦和其它便攜式設備制造商面對的一個重大問題，而為了獲得更高的便攜性，使器件更小的努力一直在繼續(xù)。
一類重量較輕并適用于從熱源如電子元件散熱的材料為通常稱為石墨的那些材料，但尤其是如下面描述的基于天然石墨和柔性石墨的那些石墨。這些材料是各向異性的，并允許散熱器件被設計成優(yōu)先在選擇方向上傳熱。石墨材料在重量上比金屬像銅和鋁輕得多，即使在與金屬元件結(jié)合使用時，當用于利用自身散逸熱時，石墨材料也能提供超過銅和鋁的許多優(yōu)點。
石墨由具有碳原子六角陣列或網(wǎng)絡的層面組成。六角排列碳原子的這些層面基本是平的，并被定向或有序化以便彼此基本平行和等距?；酒降钠叫械染嗟奶荚悠?qū)油ǔ７Q為石墨片(graphene)層或基面，它們被連接或結(jié)合到一起，其組被排列成微晶。高度有序的石墨由由相當大尺寸的微晶組成微晶彼此之間被高度排列或定向并具有次序良好的碳層。換句話說，高度有序的石墨具有高的優(yōu)選的微晶取向度。應注意到石墨具有各向異性結(jié)構，因此表現(xiàn)出或具有許多高度定向的性質(zhì)，例如熱和電傳導性和流體擴散性。
簡言之，石墨可被表征為碳的層狀結(jié)構，即由通過弱范德華力結(jié)合在一起的碳原子迭層或疊層組成的結(jié)構。在考慮石墨結(jié)構時，通常注明兩個軸或方向，即“c”軸或方向和“a”軸或方向。為簡單起見，“c”軸或方向可被認為是垂直于碳層的方向。“a”軸或方向可被認為是平行于碳層的方向或垂直于“c”方向的方向。適于制造柔性石墨片的石墨具有非常高的取向程度。
如上所述，固定碳原子的平行層到一起的結(jié)合力僅僅是弱范德華力?？商幚硖烊皇沟玫紝踊虔B層之間的間距被略微打開，以便在垂直于層的方向上即在“c”方向上提供顯著的膨脹，并因此形成碳層的層狀特征被基本保留的膨脹或擴大的石墨結(jié)構。
在不使用粘合劑的情況下，可將被大大膨脹和尤其被膨脹至最終厚度或“c”方向尺寸為初始“c”方向尺寸約80倍或更多倍的石墨片形成為膨脹石墨的粘著或整體片，例如網(wǎng)、紙、條、帶、箔、墊等(一般稱為“柔性石墨”)。在不使用任何粘合劑的情況下，通過壓縮將已膨脹至最終厚度或“c”尺寸為初始“c”方向尺寸約80倍或更多的石墨顆粒形成為整體柔性片被認為是可能的，因為有機械聯(lián)鎖或內(nèi)聚力，這在容積膨脹的石墨顆粒之間實現(xiàn)。
除了柔性外，如上所述，與天然石墨原材料相比，由于膨脹石墨顆粒和石墨層的取向因非常高的壓縮如輥壓而基本平行于層的相對面，因此還發(fā)現(xiàn)片材料在熱和電傳導性以及流體擴散性方面具有高的各向異性程度。這樣產(chǎn)生的片材料具有優(yōu)異的柔性、良好的強度和非常高的取向度。
簡言之，生產(chǎn)柔性的、無粘合劑的各向異性石墨片材料例如網(wǎng)、紙、條、帶、箔、墊等的方法包括在一定負荷下和沒有粘合劑時壓縮或壓實“c”方向尺寸為初始顆粒尺寸約80倍或更多倍的膨脹石墨顆粒以形成基本平的柔性整體石墨片。膨脹石墨顆粒在外觀上通常為蠕蟲狀，一旦被壓縮，將保持壓縮形變，并與相對的片主表面對齊。通過控制壓縮程度可改變片材料的密度和厚度。片材料的密度可在約0.04g/cm3至約2.0g/cm3的范圍內(nèi)。柔性石墨片材料由于石墨顆粒平行于片的主相對平行表面排列而表現(xiàn)出相當大的各向異性程度，當輥壓片材料增加取向時各向異性程度增加。在輥壓的各向異性片材料中，厚度即垂直于相對的平行片表面的方向構成“c”方向，沿長度和寬度延伸的方向即沿或平行于相對主表面的方向構成“a”方向，對于“c”和“a”方向，片的熱、電和流體擴散性質(zhì)大大不同，相差幾個量級。
盡管已建議使用剝離石墨(即柔性石墨)的壓縮顆粒的片作為熱散布劑、熱界面和作為散熱器的組成部分用于散逸熱源產(chǎn)生的熱(參見例如美國專利6245400；6482520；6503626和6538892)，但還沒有充分解決“觸摸溫度”和鄰近元件加熱的問題，“觸摸溫度”即電子器件的外表面加熱到讓使用者不舒服或危險的程度。
此外，石墨材料的柔性特性使得難以用石墨材料形成復雜的結(jié)構或形狀。當材料用于例如圍繞器件元件安裝或安裝到不規(guī)則空間內(nèi)，或作為附著到石墨或金屬散熱器座的翅片時，需要這種復雜形狀。另外，石墨翅片附著到金屬座上也有問題，因為石墨不能以與金屬翅片相同的方式被焊接到合適位置上。
在電子元件中使用石墨的另一個問題是擔心單個的石墨顆?；蚱赡軙氖嵩蟿兟洌@可能是未被發(fā)現(xiàn)的。考慮石墨的電導率，這將有可能影響石墨材料位于的元件的工作。
因此，繼續(xù)需要電子器件熱處理裝置的改進設計，其能提供石墨元件的重量和熱優(yōu)勢，并具有可成形性和金屬元件的其它優(yōu)點。
發(fā)明公開內(nèi)容本發(fā)明提供一種熱處理裝置，其能散逸來自電子元件的熱，同時保護使用者或鄰近元件不受元件產(chǎn)生的熱的影響。本發(fā)明的熱處理裝置包括夾在非石墨材料尤其是金屬材料如鋁或銅之間的剝離石墨(有時稱為術語“柔性石墨”)壓縮顆粒的各向異性片。本文使用的術語“柔性石墨”還指熱解石墨的片，單獨地或作為疊層。作為本發(fā)明的熱處理裝置使用的柔性石墨片具有大大高于其貫通面(through-plane)熱導率的面內(nèi)熱導率。換句話說，本發(fā)明的熱處理裝置具有較高(大約10或更大)的熱各向異性比。熱各向異性比為面內(nèi)熱導率與貫通面熱導率的比。
通過在其它材料的層之間夾入柔性石墨材料，保持了石墨的熱性質(zhì)，同時提供了另外的益處，如成型性或可成形性和石墨包裹。例如，當非石墨外層包括塑料材料時，就防止了石墨剝落?？勺鳛榉鞘鈱邮褂玫钠渌牧习ǖ仭⒌鸷吞蓟?。但是，更優(yōu)選非石墨外層包括金屬材料如銅、鋁、鎂、鈦等，尤其是鋁。盡管鋁不像銅一樣導熱，但因為與銅相比其重量較輕而優(yōu)選鋁。
金屬外層的使用允許得到的結(jié)構能被模塑和/或成形為能滿足特殊空間需求的復雜形狀，并還利用金屬的各向同性性質(zhì)以更有效地散布熱到石墨芯內(nèi)，同時還阻止了石墨剝落。實際上，熟練技術人員能認識到，夾層外層不需要包括相同的材料；可使用不同的材料以最大化或優(yōu)化性能。
但是，在形成夾層熱處理裝置時，為外層選擇的材料的性質(zhì)和三個層的厚度對熱處理裝置的熱性能有顯著影響。例如，熱導率(以W/m°K計)和熱擴散即熱通過主體的擴散速度(以mm2/s計)可顯著受層性質(zhì)和厚度影響。因此，應優(yōu)選選擇用于非石墨外層的材料和組成本發(fā)明夾層的各個層的厚度，以便為與石墨芯結(jié)合的每個外層提供在約-10和約+7之間的稱為Fx的熱函數(shù)。
外層/石墨芯組合的熱函數(shù)可用下面的式確定Fx=log[(Y1xThick1xTc1Y2xThick2xTc2)x1/(100xd1d2)]]]>其中Y1為一個外層的楊氏模量，Y2為石墨芯的楊氏模量；Thick1為外層以毫米(mm)計的厚度，Thick2為石墨芯的厚度；Tc1為外層的熱導率，Tc2為石墨芯的熱導率；和d1為外層的密度，d2為石墨芯的密度。
當兩個外層和柔性石墨芯的熱函數(shù)在約-10和約+7之間時，本發(fā)明夾層的熱導率和熱擴散系數(shù)都可被優(yōu)化以提供有效的熱處理裝置。也就是說，從熱處理裝置上的一個位置到另一個的溫度梯度(表示為Δt)被最小化。盡管當Fx落在優(yōu)選范圍外時有時可得到較低的Δt，但這似乎是偶爾出現(xiàn)的，而不是如Fx范圍為約-10到約+7時所設計的。
可通過各種方法形成本發(fā)明的夾層。例如，可在外層與外層邊緣之間布置石墨片或片的疊層，外層的邊緣熔化到一起(例如在為塑料材料時)或焊接到一起(例如在為金屬時)。在可選方案中，外層的邊緣可被折疊到一起形成夾層，或可施加粘合劑到外層和/或石墨層的表面上以粘著外層到一起和/或到石墨上。
本發(fā)明的夾層熱處理裝置包括兩個主表面，其中一個與熱源的表面有效接觸，熱源如硬盤驅(qū)動器或數(shù)字投影儀中光源的外殼。熱處理裝置的面積大于熱處理裝置在熱源上接觸區(qū)域的面積，以便熱處理裝置的面內(nèi)熱導率用于散逸來自熱源的熱。最有利地，熱處理裝置的一個主表面(不必是與熱源接觸的同一主表面)還與散熱裝置如散熱器有效接觸，從而熱源產(chǎn)生的熱由于熱處理裝置較高的面內(nèi)熱導率而被散布通過該熱處理裝置并傳到散逸它的散熱器處。
由于石墨的較低貫穿厚度熱導率(或換言之，高的熱各向異性比)，熱源產(chǎn)生的熱不能容易地通過熱處理裝置傳遞。因此，當熱處理裝置位于熱源和熱源所處的器件的外表面之間，或在熱源和熱源所處的器件的另一個元件之間時，熱處理裝置降低或消除了從熱源到外表面或其它元件的熱流。本發(fā)明的熱處理裝置的可成形特性可使它即使在空間有限或熱處理裝置需要在器件中結(jié)構周圍或附近安裝的應用中也能使用。
另外，在本發(fā)明的熱處理裝置中使用柔性石墨/金屬夾層的另一益處在于本發(fā)明制品可阻擋電磁和射頻(EMI/RF)干擾。認為本發(fā)明的熱處理裝置除了執(zhí)行為其主要目的的散熱/屏蔽功能外，還將用于保護它所處的器件的元件不受EMI/RF干擾。
在本發(fā)明的另一實施方案中，熱處理裝置可具有熱界面材料，如熱油脂或石墨基熱界面，如在國際專利申請PCT/US02/40238中描述的那些和/或在商業(yè)上從Lakewood，Ohio的Advanced Energy TechnologyInc.得到的它的eGraf Hi-ThermTM產(chǎn)品系列可被插入在熱處理裝置和熱源之間以促進熱源和本發(fā)明熱處理裝置之間的傳熱。另外，可在熱源對本發(fā)明熱處理裝置的相對側(cè)布置可壓縮材料如橡膠或聚氨酯泡沫，以使熱源向熱處理裝置偏置，促進從熱源到本發(fā)明的熱處理裝置的傳熱。
另外，為了提高熱處理裝置的機械堅韌性和易加工性，并還能進一步阻擋或防護熱從熱源被傳遞到器件的外表面或其它器件元件上，可在熱處理裝置上覆蓋一層相對不導熱的材料，如塑料類Mylar材料或其它樹脂或類似材料。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供同時從電子器件元件散逸熱和屏蔽鄰近結(jié)構不受熱影響的改進熱處理裝置。
本發(fā)明的另一個目的是提供具有足夠高的熱各向異性比的熱處理裝置，以有效地用于散熱，同時避免向鄰近結(jié)構的傳熱。
本發(fā)明的另一目的是提供熱函數(shù)在約-10和約+7之間的熱處理裝置。
本發(fā)明的又一個目的是提供可成形的熱處理裝置，其在可用空間有限的環(huán)境中既提供散熱又提供熱封閉。
通過為電子器件(如筆記本電腦)提供熱散逸和屏蔽系統(tǒng)可獲得在閱讀下面說明書時對熟練技術人員顯而易見的這些和其它目的，其中該系統(tǒng)包括具有第一元件(如硬盤驅(qū)動器)的電子器件，該第一元件包括傳遞熱到電子元件(如筆記本電腦外殼)外表面和/或器件的第二元件(如筆記本電腦芯片組)的熱源；具有兩個主表面的熱處理裝置，定位該熱處理裝置使得它的一個主表面與第一元件有效接觸，以致于將它夾在第一元件和第一元件向其傳熱的電子元件的外表面和/或第二元件之間，其中該熱處理裝置包括夾在外層尤其是金屬如鋁之間的至少一個柔性石墨片。該熱處理裝置優(yōu)選具有至少約140W/m°K的面內(nèi)熱導率，更優(yōu)選至少約200W/m°K，和不大于約12W/m°K的貫通面熱導率，更優(yōu)選不大于約10W/m°K。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方案中，應優(yōu)選選擇用于非石墨外層的材料和組成本發(fā)明夾層的單層的厚度，以便為與石墨芯結(jié)合的每個外層提供在約-10和約+7之間的稱為Fx的熱函數(shù)，F(xiàn)x用下式確定Fx=log[(Y1xThick1xTc1Y2xThick2xTc2)x1/(100xd1d2)]]]>其中Y1為一個外層的楊氏模量，Y2為石墨芯的楊氏模量；Thick1為外層以毫米(mm)計的厚度，Thick2為石墨芯的厚度；Tc1為外層的熱導率，Tc2為石墨芯的熱導率；和d1為外層的密度，d2為石墨芯的密度。
有利地，本發(fā)明的系統(tǒng)還包括散熱器件，如散熱器、熱管、熱板或它們的組合，散熱器件位于不直接鄰近第一元件的位置，而且其中熱處理裝置的一個主表面與散熱器件有效接觸。
在本發(fā)明的另一實施方案中，熱處理裝置可在其上具有保護涂層，如塑料。最優(yōu)選地，該保護涂層具有小于至少一個柔性石墨片的貫通面熱導率的熱導率。傳熱材料如熱界面材料還可以位于熱處理裝置和第一元件之間。另外，可安置偏置材料如可壓縮墊以將第一元件和熱處理偏置在一起。
應認識到，上面的概括性描述和下面的詳細描述都提供了本發(fā)明的實施方案，并用于提供理解本發(fā)明所要求的特性和特征的概觀和框架。包括附圖以提供對本發(fā)明的進一步理解，并結(jié)合在本說明書中和構成本說明書的一部分。


了本發(fā)明的各種實施方案，并和說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理和實施。
圖1為被布置以橋接熱源和散熱器的本發(fā)明熱處理裝置的第一種圖2a為頂板被卸去的筆記本電腦的立體圖。
圖2b為原位放置到圖2a的筆記本電腦中的圖1熱處理裝置實施方案的立體圖。
圖3為圖1熱處理裝置的端橫截面圖。
實施本發(fā)明的最佳方式如所述，本發(fā)明的熱處理裝置為內(nèi)芯由剝離石墨(常稱為柔性石墨)壓縮顆粒的片形成的夾層。石墨為碳的結(jié)晶形式，該碳包含用面間較弱鍵在平的層狀平面中共價鍵合的原子。通過用插層劑如硫酸和硝酸的溶液處理石墨顆粒如天然石墨薄片，石墨的晶體結(jié)構反應形成石墨和插層劑的化合物。處理的石墨顆粒在下文中被稱為“插層石墨的顆粒”。當暴露于高溫時，石墨內(nèi)的插層劑分解并蒸發(fā)，致使插層石墨的顆粒在“c”方向上即在垂直于石墨晶面的方向上以摺狀形式在尺寸上膨脹至其初始體積的約80倍或更多倍。剝離的石墨顆粒在外觀上為蠕蟲狀，因此常稱為蠕蟲。該蠕蟲可被壓縮到一起成為與原始石墨薄片不同的可成形和切割成各種形狀的柔性片。
適用于本發(fā)明的石墨原材料包括能插層有機和無機酸以及鹵素然后在受熱時膨脹的高度石墨化碳質(zhì)材料。這些高度石墨化的碳質(zhì)材料最優(yōu)選具有約1.0的石墨化程度。本公開中使用的術語“石墨化程度”是指按照下式的值gg=3.45-d(002)0.095]]>其中d(002)為以單位埃測得的晶體結(jié)構中碳的石墨層之間的間距。石墨層之間的間距d通過標準X-射線衍射技術測得。測量對應于(002)、(004)和(006)米勒指數(shù)的衍射峰的位置，并使用標準最小二乘法導出間距，這使所有這些峰的總誤差最小。高度石墨化碳質(zhì)材料的例子包括來自各種源的天然石墨，以及其它碳質(zhì)材料，如通過化學氣相沉積、聚合物高溫熱解或由熔融金屬溶液結(jié)晶等制備的石墨。天然石墨是最優(yōu)選的。
本發(fā)明中包括的用于形成柔性石墨材料的石墨原材料可包含非石墨組分，只要原材料的晶體結(jié)構保持所需的石墨化程度并且它們能剝離即可。通常，晶體結(jié)構具有所需的石墨化程度并可被剝離的任何含碳材料都適用于本發(fā)明。這種石墨優(yōu)選具有至少約80wt％的純度。更優(yōu)選地，用于本發(fā)明的石墨將具有至少約94％的純度。在最優(yōu)選的實施方案中，使用的石墨將具有至少約98％的純度。
Shane等在美國專利3404061中描述了制造石墨片的常用方法，本文引入其公開內(nèi)容作為參考。在Shane等人的方法的典型實施中，通過在包含例如硝酸和硫酸的混合物的溶液中分散天然石墨薄片來插層該薄片，有利地，插層劑溶液的用量為每100重量份石墨薄片(pph)約20至約300重量份。插層溶液包含本領域中已知的氧化和其它插層劑。例子包括包含氧化劑和氧化混合物的那些，如包含硝酸、氯酸鉀、鉻酸、高錳酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、高氯酸等的溶液，或混合物，例如濃硝酸和氯酸鹽、鉻酸和磷酸、硫酸和硝酸、或強有機酸如三氟乙酸和可溶于有機酸的強氧化劑的混合物?；蛘?，可使用電勢引起石墨的氧化?？墒褂秒娊庋趸胧w的化學物質(zhì)包括硫酸以及其它酸。
在一種優(yōu)選實施方案中，插層劑為硫酸，或硫酸和磷酸，與氧化劑如硝酸、高氯酸、鉻酸、高錳酸鉀、過氧化氫、碘酸或高碘酸等的混合物的溶液。雖然較不優(yōu)選，但插層溶液可包含金屬鹵化物如氯化鐵，以及氯化鐵與硫酸或鹵化物如溴混合作為溴和硫酸或溴在有機溶劑中的溶液。
插層溶液的量可為約20至約350pph，更典型地約40至約160pph。在薄片被插層后，從薄片中排出任何多余的溶液并用水洗滌薄片。或者，插層溶液的量可被限制到約10至約40pph之間，這允許省去洗滌步驟，美國專利4895713中教導和描述了這一點，本文也引入其公開內(nèi)容作為參考。
用插層溶液處理的石墨薄片的顆?？扇芜x地例如通過混合與還原有機添加劑接觸，該有機添加劑選自醇、糖、醛和酯，它們在25℃至125℃范圍內(nèi)的溫度下與氧化插層溶液的表面薄膜反應。合適的具體有機添加劑包括十六醇、十八烷醇、1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10-癸二醇、癸醛、1-丙醇、1，3-丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、馬鈴薯淀粉、硬脂酸乙二醇酯、二苯甲酸二甘醇酯、單硬脂酸丙二醇酯、單硬脂酸甘油酯、草酸二甲酯、草酸二乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗壞血酸和木質(zhì)素衍生化合物，如木素硫酸鈉。有機還原劑的量合適地為大約0.5到4％，按石墨薄片顆粒重量計。
使用在插層前、過程中或之后即刻施加的膨脹助劑也可提供改進。在這些改進中，可降低剝離溫度和提高膨脹體積(也稱為“蠕蟲體積”)。在本文中，膨脹助劑將有利地為在插層溶液中充分可溶以獲得膨脹改進的有機材料。更精確地，可使用包含碳、氫和氧(優(yōu)選不包含)的這類有機材料。發(fā)現(xiàn)羧酸尤其有效。用作膨脹助劑的合適羧酸可選自芳族、脂肪族或環(huán)脂族、直鏈或支鏈、飽和與不飽和的一元羧酸、二羧酸和具有至少1個碳原子并優(yōu)選直到約15個碳原子的多羧酸，其可在插層溶液中溶解有效的量以提供剝離的一個或多個方面的適度改善?？墒褂煤线m的有機溶劑改善有機膨脹助劑在插層溶液中的溶解度。
飽和脂肪族羧酸的典型例子為如具有式H(CH2)nCOOH的那些酸，其中n為從0至約5的數(shù)，包括甲酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。還可以使用酐或反應性羧酸衍生物如烷基酯代替羧酸。烷基酯的代表為甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已知的水溶性插層劑有將甲酸最終分解成水和二氧化碳的能力。因此，在插層劑水溶液中沉浸薄片前可有利地使甲酸和其它敏感膨脹助劑與石墨薄片接觸。二羧酸的代表為具有2-12個碳原子的脂肪族二羧酸，尤其是草酸、富馬酸、丙二酸、馬來酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊二羧酸、1，6-己二羧酸、1，10-癸二羧酸、環(huán)己烷-1，4-二羧酸，和芳族二羧酸，如鄰苯二甲酸或?qū)Ρ蕉姿?。烷基酯的代表為草酸二甲酯和草酸二乙酯。環(huán)脂族酸的代表為環(huán)己烷羧酸，芳香族羧酸的代表為苯甲酸、萘酸、鄰氨基苯甲酸、對-氨基苯甲酸、水楊酸、鄰-、間-和對-甲苯酸、甲氧基苯甲酸和乙氧基苯甲酸、乙酰乙酰胺苯甲酸和乙酰胺苯甲酸、苯乙酸和萘酸。羥基芳族酸的代表為羥基苯甲酸、3-羥基-1-萘酸、3-羥基-2-萘酸、4-羥基-2-萘酸、5-羥基-1-萘酸、5-羥基-2-萘酸、6-羥基-2-萘酸和7-羥基-2-萘酸。多羧酸中最主要的是檸檬酸。
插層溶液將為含水的，并優(yōu)選包含量約1-10％的膨脹助劑，該量能有效地增強剝離。在沉浸到插層水溶液前或后使膨脹助劑與石墨薄片接觸的實施方案中，可通過合適的方式如V-混合器混合膨脹助劑和石墨，一般其量為石墨薄片重量的約0.2％至約10％。
在插層石墨薄片后，接著混合插層劑涂覆的插層石墨薄片與有機還原劑，并暴露混合物到25℃至125℃范圍內(nèi)的溫度下以促進還原劑和插層劑涂層的反應。加熱期最高約20小時，對于在上述范圍內(nèi)的較高溫度，加熱期較短，例如至少約10分鐘。在較高溫度下可使用一個半小時或更少的時間，例如大約10-25分鐘。
這樣處理的石墨顆粒有時被稱為“插層石墨的顆?！?。當暴露于高溫例如至少約160℃和尤其約700℃-1000℃和更高的溫度時，插層石墨的顆粒在“c”方向上即在垂直于組成石墨顆粒晶面的方向上以摺狀形式在尺寸上膨脹至其初始體積的約80-1000倍或更多倍。膨脹的即剝離的石墨顆粒在外觀上為蠕蟲狀，并因此常稱為蠕蟲。該蠕蟲可被壓縮到一起成為與原始石墨薄片不同的可成形和切割成各種形狀的柔性片。
柔性石墨片和箔是粘在一起的，具有良好的處理強度，并例如通過輥壓適當?shù)貕嚎s至約0.075mm至3.75mm的厚度和約0.1-1.5g/立方厘米(g/cm3)的典型密度。如美國專利5902762(本文引入作為參考)所述，可使約1.5-30wt％的陶瓷添加劑與插層石墨薄片混合以在最終的柔性石墨產(chǎn)品中提供增強的樹脂浸漬。添加劑包括長度為約0.15-1.5毫米的陶瓷纖維顆粒。顆粒的寬度適當?shù)貫榧s0.04至0.004mm。陶瓷纖維顆粒為非反應性的，不會粘著到石墨上，并在直到約1100℃、優(yōu)選約1400℃或更高的溫度下穩(wěn)定。合適的陶瓷纖維顆粒由碎石英玻璃纖維、碳和石墨纖維、氧化鋯、氮化硼、碳化硅和氧化鎂纖維、天然存在的礦物纖維如偏硅酸鈣纖維、硅酸鋁鈣纖維、氧化鋁纖維等形成。
上述插層和剝離石墨薄片的方法可通過在石墨化溫度即在約3000℃和以上范圍內(nèi)的溫度下預處理石墨薄片和通過在插層劑中包含潤滑添加劑有益地得到增強，這描述在國際專利申請PCT/US02/39749中。
石墨薄片的預處理或退火能在隨后對薄片進行插層和剝離時產(chǎn)生顯著增加的膨脹(即直到300％或更大的膨脹體積的增加)。實際上，理想地，與沒有退火步驟的類似處理相比，膨脹的增加為至少約50％。用于退火步驟的溫度應不明顯低于3000℃，因為即使低100℃的溫度也導致大大減小的膨脹。
使本發(fā)明的退火進行足以在插層和隨后的剝離時產(chǎn)生具有提高膨脹程度的薄片的一段時間。典型地，需要的時間為1小時或更多，優(yōu)選1-3小時，并最有利地在惰性環(huán)境中進行。為了最大的有益結(jié)果，還對退火的石墨薄片進行本領域中已知的其它處理以增加膨脹程度-即在有機還原劑、插層助劑如有機酸存在時的插層和插層后的表面活性劑洗滌。此外，為了最大的有益結(jié)果，可重復插層步驟。
可在感應爐或石墨化領域中已知和認可的其它這類裝置中進行本發(fā)明的退火步驟；對于這里使用的在3000℃范圍內(nèi)的溫度，是石墨化工藝中遇到的范圍的高端。
由于觀察到使用經(jīng)過預插層退火的石墨產(chǎn)生的蠕蟲有時可“凝集”在一起，這會負面影響面積重量均勻性，因此非常需要有助于“自由流動”蠕蟲形成的添加劑。加入潤滑添加劑到插層溶液中有助于蠕蟲沿壓縮裝置床的更均勻分布(如常規(guī)用于壓縮(或“壓延”)石墨蠕蟲成為柔性石墨片的壓延機臺的床)。得到的片因此具有較高的面積重量均勻性和更大的抗拉強度。潤滑添加劑優(yōu)選為長鏈烴，更優(yōu)選具有至少約10個碳的烴。也可使用具有長鏈烴基的其它有機化合物，即使存在其它官能團。
更優(yōu)選地，潤滑添加劑為油，最優(yōu)選礦物油，尤其考慮到礦物油不易于發(fā)臭和有味的事實，這對長期貯存來說是重要的考慮因素。應注意到上述的某些膨脹助劑也滿足潤滑添加劑的定義。當這些材料用作膨脹助劑時，沒有必要在插層劑中包括單獨的潤滑添加劑。
潤滑添加劑在插層劑中的存在量為至少約1.4pph，更優(yōu)選至少約1.8pph。盡管包含潤滑添加劑的上限不像下限一樣關鍵，但包括含量大于約4pph的潤滑添加劑似乎沒有任何明顯的額外益處。
固化后有時還有利地用樹脂和吸收樹脂處理柔性石墨片，增強柔性石墨片的防潮性和處理強度即剛度以及“固定”片的形貌。合適的樹脂含量優(yōu)選至少約5wt％，更優(yōu)選約10-35wt％，適當?shù)刈罡叩郊s60wt％。發(fā)現(xiàn)尤其適用于本發(fā)明實施的樹脂包括丙烯酸-、環(huán)氧-和酚醛-基樹脂體系，氟基聚合物，或它們的混合物。合適的環(huán)氧樹脂體系包括基于雙酚A的二環(huán)氧甘油醚(DGEBA)和其它多官能樹脂體系的那些；可使用的酚醛樹脂包括甲階酚醛樹脂和清漆酚醛樹脂。任選地，除了樹脂外或代替樹脂用纖維和/或鹽浸漬柔性石墨。另外，可與樹脂體系一起使用反應性或非反應性添加劑以改變性質(zhì)(如粘性、材料流動性、疏水性等)。為了最大化樹脂浸漬的材料的熱導率，可在高溫和壓力下固化樹脂。更特別地，在至少約90℃的溫度和至少約7兆帕(MPa)的壓力下固化將產(chǎn)生具有優(yōu)良熱導率的石墨材料(實際上，可獲得超過用銅觀察到的那些的面內(nèi)熱導率)。
或者，本發(fā)明的柔性石墨片可利用重新研磨的柔性石墨片的顆粒而不是新膨脹的蠕蟲，這在國際專利申請PCT/US02/16730中有討論。片可為新形成的片材料、回收的片材料、廢片材料或任何其它合適的來源。
另外本發(fā)明的方法可使用原始材料和回收材料的混合物。
回收材料的源材料可為已按上述壓縮成形的片或片修整部分，或已用例如預壓延輥壓縮但還未用樹脂浸漬的片。此外，源材料可為已用樹脂浸漬但還未固化的片或片修整部分，或已用樹脂浸漬并且固化的片或片修整部分。源材料還可為回收的柔性石墨質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池元件如流場板或電極。可按原樣使用各種石墨源的每一種或與天然石墨薄片混合。
一旦得到柔性石墨片的源材料，然后就可利用已知的方法或設備如噴射磨、空氣磨、混合機等粉碎產(chǎn)生顆粒。優(yōu)選地，大部分顆粒具有能使它們通過20目美國篩的直徑；更優(yōu)選大部分(大于約20％，最優(yōu)選大于約50％)將不能通過80目美國篩。最優(yōu)選顆粒具有不大于約20目的粒徑。在正被粉碎時，可能需要冷卻樹脂浸漬的柔性石墨片以避免粉碎過程中對樹脂體系的熱損害。
可選擇粉碎顆粒的尺寸以便平衡石墨制品的機械加工性和可成形性與所需的熱特性。因此，較小的顆粒將產(chǎn)生更易于加工和/或成形的石墨制品，而較大的顆粒將產(chǎn)生具有較高各向異性的石墨制品，和因此具有更大的面內(nèi)電導率和熱導率。
如果源材料已用樹脂浸漬，則優(yōu)選從顆粒中除去樹脂。下面進一步描述樹脂除去的細節(jié)。
一旦源材料被粉碎，則除去任何樹脂，然后重新膨脹。可通過使用上述的插層和剝離方法和Shane等人的美國專利3404061和Greinke等人的美國專利4895713中描述的那些進行重新膨脹。
典型地，在插層后，通過在爐中加熱插層顆粒剝離顆粒。在這個剝離步驟中，插層的天然石墨薄片可被加入到回收的插層顆粒中。優(yōu)選地，在重新膨脹步驟中，顆粒被膨脹至具有在至少約100cc/g和直到約350cc/g或更大范圍內(nèi)的比體積。最后，在重新膨脹后，可將重新膨脹的顆粒壓縮成柔性片，這在下文中描述。
如果已用樹脂浸漬原材料，則應優(yōu)選至少部分地從顆粒除去樹脂。該除去步驟應發(fā)生在粉碎步驟和重新膨脹步驟之間。
在一種實施方案中，除去步驟包括加熱包含樹脂的重新研磨顆粒，如在明火上。更具體地，可加熱浸漬樹脂到至少約250℃的溫度以實現(xiàn)樹脂除去。在該加熱步驟中，應小心避免樹脂分解產(chǎn)物的急驟蒸發(fā)；這可通過在空氣中小心加熱或通過在惰性氣氛中加熱來實現(xiàn)。優(yōu)選地，加熱應在從約400℃至約800℃的范圍內(nèi)持續(xù)在從至少約10直到約150分鐘范圍內(nèi)的時間或更長。
另外，與不除去樹脂的類似方法相比，樹脂除去步驟可產(chǎn)生由模塑方法產(chǎn)生的制品的提高抗拉強度。樹脂除去步驟還是有利的，因為當樹脂與插層化學物質(zhì)混合時，在某些情況下在膨脹步驟(即插層和剝離)中可能形成有毒副產(chǎn)物。
因此，通過在膨脹步驟前除去樹脂，可得到優(yōu)良產(chǎn)品，如上述的提高強度特征。提高的強度特征部分是由于膨脹增加的結(jié)果。由于顆粒中存在樹脂，膨脹可能被限制。
除了強度特征和環(huán)境關注外，考慮到樹脂可能與酸產(chǎn)生失控的放熱反應方面的問題而在插層前除去樹脂。
考慮到上述這些，優(yōu)選除去大部分樹脂。更優(yōu)選地，除去大于約75％的樹脂。最優(yōu)選地，除去大約99％的樹脂。
在優(yōu)選的實施方案中，一旦柔性石墨片被粉碎，就將它成形為所需的形狀然后固化(當用樹脂浸漬時)。或者，可在被粉碎前固化片，但優(yōu)選粉碎后固化。
任選地，用于形成本發(fā)明熱處理裝置的柔性石墨層可作為疊層使用，在疊層之間有或沒有粘合劑。疊層堆中可包括非石墨層，但這可能必需使用粘合劑，這是不利的，因為會減緩沿疊層堆面的散熱。這種非石墨層可包括金屬、塑料或其它非金屬如玻璃纖維或陶瓷。
如上所述，這樣形成的剝離石墨壓縮顆粒的片在性質(zhì)上是各向異性的；也就是說，與貫通片或“c”方向相比，片的熱導率在面內(nèi)或“a”方向上較大。這樣，石墨片的各向異性特性就沿熱處理裝置的平面方向(即在沿石墨片的“a”方向上)引導熱。這種片通常在面內(nèi)方向上具有至少約140W/m°K，更優(yōu)選至少約200W/m°K，和最優(yōu)選至少約250W/m°K的熱導率，并且在貫通面方向上，熱導率不大于約12W/m°K，更優(yōu)選不大于約10W/m°K，和最優(yōu)選不大于約6W/m°K。因此，熱處理裝置具有不小于約10的各向異性比(即面內(nèi)熱導率和貫通面熱導率的比)。
可通過改變用于形成熱處理裝置的柔性石墨片的石墨片(graphene)層的方向排列來控制疊層面內(nèi)和貫通面方向上的熱導率值，包括如果被用于形成疊層，或通過在它被成形后改變疊層本身的石墨片(graphene)層的方向排列。這樣，熱處理裝置的面內(nèi)熱導率增加，而熱處理裝置的貫通面熱導率降低，這導致熱各向異性比增加。
獲得這種石墨片(graphene)層方向排列的方法之一是通過施加壓力到元件柔性石墨片上，施加壓力通過壓延片(即通過施加剪切力)或通過模壓或反壓(即通過施加壓縮)，在產(chǎn)生方向排列時壓延更有效。例如，與1.1g/cc相比，通過壓延片至1.7g/cc的密度，面內(nèi)熱導率從約240W/m°K增加到約450W/m°K或更高，貫通面熱導率按比例降低，于是提高了單個片以及由此形成的任何疊層的熱各向異性比。
或者，如果形成疊層，則構成疊層的全部石墨片(graphene)層的方向排列得到提高，如通過施加壓力，產(chǎn)生大于構成疊層的元件柔性石墨片起始密度的密度。實際上，按照這種方式，可得到至少約1.4g/cc、更優(yōu)選至少約1.6g/cc和直到約2.0g/cc的層壓制品的最終密度?？赏ㄟ^常規(guī)方式加壓，如通過模壓或壓延。優(yōu)選至少約60MPa的壓力，為獲得高至2.0g/cc的密度，需要至少約550MPa的壓力，更優(yōu)選至少約700MPa。
令人驚奇地是，提高石墨片(graphene)層的方向排列可提高石墨疊層的面內(nèi)熱導率至等于或甚至大于純銅熱導率的熱導率，而密度保持為純銅密度的一小部分。另外，與非“排列的”疊層相比，得到的排列的疊層還表現(xiàn)出提高的強度。
一旦將柔性石墨材料成形，不管是單一片還是疊層，然后都將它夾在兩個外層之間。最優(yōu)選地，夾層的石墨芯厚度在約0.05和約2mm之間。
如上所述，外層材料可包括塑料材料或陶瓷，但更優(yōu)選金屬，和最優(yōu)選鋁。除了鋁外，選擇的外層可包括銅、鎂、鈦、氮化鈦、氮化硼和碳化硅。這些外層在厚度上應各自不超過約10mm，更優(yōu)選厚度不超過約7.5mm，以保持本發(fā)明的夾層實際上盡可能地薄。實際上，外層的厚度最優(yōu)選在約0.02mm和約4mm之間。
如上所述，可通過在石墨芯周圍熔化/焊接/焊結(jié)外層到一起，或使用粘合劑，或通過在外層本身周圍折疊或卷邊，從而在外層之間包裹石墨材料來形成夾層。在最優(yōu)選的實施方案中，外層彼此被粘著，只在兩個外層彼此會合的地方施加粘合劑，以避免外層和石墨芯之間傳熱的減小。
如上所述，形成夾層熱處理裝置，使用的為外層選擇的材料和三個層的厚度能夠為與石墨芯結(jié)合的每個外層提供在約-10和約+7之間的稱為Fx的熱函數(shù)，F(xiàn)x用下式確定Fx=log[(Y1xThick1xTc1Y2xThick2xTc2)x1/(100xd1d2)]]]>其中Y1為一個外層的楊氏模量，Y2為石墨芯的楊氏模量；Thick1為外層以毫米(mm)計的厚度，Thick2為石墨芯的厚度；Tc1為外層的熱導率，Tc2為石墨芯的熱導率；和d1為外層的密度，d2為石墨芯的密度。
按照這種方式，本發(fā)明夾層的熱導率和熱擴散可得到優(yōu)化，從而使Δt最小和提供有效的熱處理裝置。
現(xiàn)在參考附圖，尤其是圖1和3，顯示了本發(fā)明的熱處理裝置的一種實施方案，通常用數(shù)字10來表示。如圖3所示，熱處理裝置10包括具有主表面10a和10b的夾層，并包括夾在外層30和40之間的剝離石墨壓縮顆粒的片20。使熱處理裝置10的主表面10a和10b的一個大小位置設置為與熱源有效接觸，熱源表示為100，如電子元件，像筆記本電腦的硬盤驅(qū)動器或移動電話的芯片組，以便熱源100產(chǎn)生的熱散逸到熱處理裝置10內(nèi)。與熱源100接觸的主表面10a或10b的面積大于與熱源100的接觸面積，從而熱處理裝置10散布來自熱源100的熱。
此外，熱處理裝置10的主表面10a和10b的一個可與散熱器件110有效接觸，散熱器件110如散熱器、熱管、熱板等。散熱器件110可在與熱源100相同的任何一個主表面10a或10b上接觸熱處理裝置10。由于熱處理裝置10的石墨芯20的各向異性特性，來自熱源100的熱借此被散布到散熱器件110上，從而散逸產(chǎn)生的熱。按照這種方式，熱處理裝置用于作為散布熱源100產(chǎn)生的熱的熱散布器，包括散布熱到散熱器件110上。
但是，由于熱處理裝置10的較高熱各向異性比，來自熱源100的熱不能通過熱處理裝置10的面從與熱源100有效接觸的主表面10a或10b的一個有效傳遞到另外一個上。因此，當在熱源10和外表面之間布置熱處理裝置10時，熱不能被有效地傳遞到熱源10所處的器件(如筆記本電腦或移動電話)的外表面，從而降低了這類外表面的溫度(在有些情況下降低10℃或更多)。
同樣，當在熱源10和其它元件之間布置熱處理裝置10時，熱不能被有效地傳遞到熱源10所處的器件(如筆記本電腦或移動電話)內(nèi)的其它元件上，從而降低了這類其它元件受到的溫度。
圖2a和2b說明了熱處理裝置10在筆記本電腦120中的定位以實現(xiàn)本發(fā)明設計的有利方面。如圖2a所示，筆記本電腦120可在其保護外殼下面具有許多元件，包括一個或多個熱產(chǎn)生元件，用122表示。另外，筆記本電腦120可具有散熱元件，如散熱器124。但由于空間限制，不總是能靠近熱產(chǎn)生元件122設置散熱器124。
但是，在圖2b中，熱處理裝置10位于筆記本電腦120中，以便覆蓋熱產(chǎn)生元件122和散熱器124兩者。因此，熱現(xiàn)在可從熱產(chǎn)生元件122流到散熱器124散逸。此外，由于熱處理裝置10的較低貫通面熱導率，熱不能通過熱處理裝置10有效地流動，防止了熱處理裝置10屏蔽的環(huán)境的過熱。如果使用較各向同性的材料如銅或鋁而沒有石墨芯，則這將是不可能的。
此外，由于熱處理裝置10的金屬外層30和40的可成形特性，因此熱處理裝置10可被成形，以便符合筆記本電腦120內(nèi)元件的外形，如圖2b所示，這樣就不需要非常多的附加空間。
如果需要，可向熱處理裝置10上施加保護涂層以提高熱處理裝置10的熱屏蔽效應。合適的保護涂層可包括足以實現(xiàn)所述目的任何合適材料，如熱塑性材料像聚乙烯、聚酯或聚酰亞胺。
可通過幾種不同的方法將保護涂層施加到熱處理裝置10上。例如，一旦形成熱處理裝置10，則可將形成保護涂層的材料涂覆到單獨熱處理裝置10上。為此，可通過熟練技術人員熟悉的各種涂覆方法施加保護涂層，如噴涂、輥涂和熱層壓。還可通過機械制圖和層壓施加保護涂層。
通常，對于大多數(shù)應用，涂覆方法將保護涂層具有足夠強度地粘著到熱處理裝置10上。但是，如果需要，或?qū)τ谙鄬Ψ钦持员Ｗo涂料，如Mylar聚酯材料和Kapton聚酰亞胺材料(都可在商業(yè)上從E.I.du Pont de Nemours和Company of Wilmington，Delware得到)，可在熱處理裝置10和保護涂層之間施加粘合劑層。合適的粘合劑為可幫助保護涂層粘著到熱處理裝置10上的那些，如丙烯酸或乳膠粘合劑。
實施例實施例I通過測量熱導率(Tc)，表示為W/m°K，和熱擴散系數(shù)(Td)，表示為mm2/s，比較了本發(fā)明夾層幾種實施方案的熱特性和經(jīng)常用作電子設備熱處理裝置的幾種材料的熱特性。每種被測試樣品的總厚度都為1.3mm，并包括(1)柔性石墨；(2)銅；(3)鋁；(4)氮化鋁；(5)由0.5mm銅、1.2mm柔性石墨材料(1)和0.5mm銅形成的夾層；(6)由0.5mm鋁、1.2mm柔性石墨材料(1)和0.5mm鋁形成的夾層；和(7)由0.5mm氮化鋁、1.2mm柔性石墨材料(1)和0.5mm氮化鋁形成的夾層。
結(jié)果列在表I中表I


實施例II通過測量熱導率(Tc)，表示為W/m°K，和熱擴散系數(shù)(Td)，表示為mm2/s，比較了本發(fā)明夾層不同實施方案的熱特性和經(jīng)常用作電子設備熱處理裝置的幾種材料的熱特性。每種被測試樣品的總厚度都為1.5mm，并包括(1)鋁；(2)硅；(3)柔性石墨；(4)由0.1mm鋁、1.3mm硅和0.1mm鋁形成的夾層；(5)由0.1mm硅、1.3mm鋁和0.1mm硅形成的夾層；(6)由0.1mm鋁、1.3mm柔性石墨材料(3)和0.1mm鋁形成的夾層；和(7)由0.1mm柔性石墨材料(3)、1.3mm鋁和0.1mm柔性石墨材料(3)形成的夾層。
結(jié)果列在表II中表II

實施例III使用具有不同熱導率的石墨材料制備一系列夾層熱處理裝置。在每種情況下，夾層都為1.55mm厚、15mm寬和400mm長。使夾層經(jīng)受200噸的壓力以消除層之間的空氣。在內(nèi)部離夾層一個邊20mm處放置10瓦熱源，在內(nèi)部離與熱源相對的夾層邊20mm處放置第一個熱電偶，在離第一個熱電偶200mm處放置第二個熱電偶。然后計算每種樣品的熱導率和熱擴散系數(shù)，測試的樣品為(1)由0.05mm鋁、1.45mm熱導率為200W/m°K的石墨和0.05mm鋁形成的夾層；(2)由0.05mm鋁、1.45mm熱導率為400W/m°K的石墨和0.05mm鋁形成的夾層；(3)由0.05mm鋁、1.45mm熱導率為500W/m°K的石墨和0.05mm鋁形成的夾層；(4)由0.05mm鋁、1.45mm熱導率為800W/m°K的石墨疊層和0.05mm鋁形成的夾層；(5)由0.05mm鋁、1.45mm熱導率為1000W/m°K的石墨疊層和0.05mm鋁形成的夾層。
結(jié)果列在表III中表III

實施例IV使用不同厚度的鋁作為外層制備一系列夾層熱處理裝置，以說明外層厚度對熱特性的影響。在每種情況下，夾層都為15mm寬和400mm長。使夾層經(jīng)受200噸的壓力以消除層之間的空氣。在內(nèi)部離夾層一個邊20mm處放置10瓦熱源，在內(nèi)部離與熱源相對的夾層邊20mm處放置第一個熱電偶，在離第一個熱電偶200mm處放置第二個熱電偶。然后計算每種樣品的熱導率和熱擴散系數(shù)，測試的樣品為(1)由0.1mm鋁、1.45mm熱導率為200W/m°K的柔性石墨和0.1mm鋁形成的夾層；
(2)由1mm鋁、1.45mm熱導率為200W/m°K的柔性石墨和1mm鋁形成的夾層；(3)由3mm鋁、1.45mm熱導率為200W/m°K的柔性石墨和3mm鋁形成的夾層。
結(jié)果列在表IV中表IV

實施例V制備一系列的夾層熱處理裝置，其中一個外層具有不同的厚度，以便說明熱函數(shù)對Δt的影響。在每種情況下，夾層都為15mm寬和400mm長。使夾層經(jīng)受200噸的壓力以消除層之間的空氣。在內(nèi)部離夾層一個邊20mm處放置10瓦熱源，在內(nèi)部離與熱源相對的夾層邊20mm處放置第一個熱電偶，在離第一個熱電偶200mm處放置第二個熱電偶。然后計算每種樣品的熱導率和熱擴散系數(shù)。使用夾在鋁層之間的熱導率為200W/m°K的1.45mm柔性石墨測試樣品。結(jié)果列在表V中表V

因此，通過利用本發(fā)明，熱屏蔽和熱散布電子器件元件產(chǎn)生的熱，以便散熱和降低器件的“觸摸溫度”和減少傳遞到鄰近元件的熱。這些功能用較傳統(tǒng)的散熱材料像銅或鋁不能實現(xiàn)，由于它們的各向同性特性，因此它們確實很少能降低觸摸溫度或減少傳遞到鄰近元件的熱。可用于降低觸摸溫度和減少傳遞到鄰近元件的熱的絕熱材料不能散熱，并導致熱源元件周圍的熱聚集。
本申請中提到的所有引用專利、專利申請和公布都被引入作為參考。
顯然，這樣被描述的本發(fā)明可按多種方式變化。這種變化不被認為是脫離本發(fā)明的精神和范圍，并且對于本領域技術人員明顯的所有這種改變都意欲包括在下面的權利要求的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種用于電子器件的熱散逸和屏蔽系統(tǒng)，包括包括外表面和第一元件的電子器件，第一元件包括熱源；包括兩個主表面的熱處理裝置，定位該熱處理裝置使得它的一個主表面與第一元件有效接觸，從而使它被插在第一元件和該電子器件的外表面之間，其中該熱處理裝置包括夾在兩個外層之間的至少一個柔性石墨片。
2.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述外層包括選自塑料、金屬和其復合材料或組合的材料。
3.權利要求2的系統(tǒng)，其中所述外層的至少一個包括鋁。
4.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述與石墨芯結(jié)合的每個外層的稱為Fx的熱函數(shù)在約-10和約+7之間，F(xiàn)x用下式確定Fx=log[(Y1xThick1xTc1Y2xThick2xTc2)x1/(100xd1d2)]]]>其中Y1為一個外層的楊氏模量，Y2為石墨芯的楊氏模量；Thick1為外層以mm計的厚度，Thick2為石墨芯的厚度；Tc1為外層的熱導率，Tc2為石墨芯的熱導率；和d1為外層的密度，d2為石墨芯的密度。
5.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述電子器件還包括位于不直接鄰近第一元件的位置處的散熱器件，并且其中所述熱處理裝置的一個主表面與該散熱器件有效接觸。
6.權利要求5的系統(tǒng)，其中所述散熱器件包括散熱器、熱管、熱板或它們的任意組合。
7.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述熱處理裝置具有至少約140W/m°K的面內(nèi)熱導率。
8.權利要求7的系統(tǒng)，其中所述熱處理裝置具有不大于約12W/m°K的貫通面熱導率。
9.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述熱處理裝置在其上面還包括保護涂層。
10.權利要求9的系統(tǒng)，其中所述保護涂層具有小于所述至少一個柔性石墨片的貫通面熱導率的熱導率。
11.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述傳熱材料位于所述熱處理裝置和第一元件之間。
12.權利要求1的系統(tǒng)，其中所述電子器件為筆記本電腦，并且所述外表面包括筆記本電腦外殼的一部分。
13.一種用于電子器件的熱散逸和屏蔽系統(tǒng)，包括包括兩個主表面的熱處理裝置，該熱處理裝置包括夾在兩個外層之間的至少一個柔性石墨片。
14.權利要求13的系統(tǒng)，其中所述外層包括選自塑料、金屬和其復合材料或組合的材料。
15.權利要求14的系統(tǒng)，其中所述外層的至少一個包括鋁。
16.權利要求13的系統(tǒng)，其中所述與石墨芯結(jié)合的每個外層的稱為Fx的熱函數(shù)在約-10和約+7之間，F(xiàn)x用下式確定Fx=log[(Y1xThick1xTc1Y2xThick2xTc2)x1/(100xd1d2)]]]>其中Y1為一個外層的楊氏模量，Y2為石墨芯的楊氏模量；Thick1為外層以mm計的厚度，Thick2為石墨芯的厚度；Tc1為外層的熱導率，Tc2為石墨芯的熱導率；和d1為外層的密度，d2為石墨芯的密度。
17.權利要求13的系統(tǒng)，其中所述熱處理裝置具有至少約140W/m°K的面內(nèi)熱導率。
18.權利要求17的系統(tǒng)，其中所述熱處理裝置具有不大于約12W/m°K的貫通面熱導率。
19.權利要求13的系統(tǒng)，其中所述熱處理裝置在其上面還包括保護涂層。
20.權利要求19的系統(tǒng)，其中所述保護涂層具有小于所述至少一個柔性石墨片的貫通面熱導率的熱導率。
21.權利要求13的系統(tǒng)，其中所述傳熱材料位于所述熱處理裝置和第一元件之間。
22.權利要求21的系統(tǒng)，其中所述傳熱材料包括金屬或熱界面。
全文摘要
一種用于電子器件的熱處理裝置(10)，其位于熱源(100)和電子器件的外表面和/或電子器件的另一元件之間，其中該熱處理裝置(10)有助于從熱源(100)散熱，同時保護外表面和/或第二元件不受熱源(100)產(chǎn)生的熱的影響。
文檔編號H01L23/373GK1874889SQ200480032712
公開日2006年12月6日 申請日期2004年10月6日 優(yōu)先權日2003年11月4日
發(fā)明者藤原紀久夫, 戶澤正章, G·D·希弗斯, J·諾爾利, R·A·雷諾三世 申請人:先進能源科技公司