專利名稱:散熱器以及使用該散熱器的電子裝置和光伏太陽(yáng)能面板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及低斷面裝置中的改進(jìn)的散熱，所述低斷面裝置例如平板顯示器、 筆記本計(jì)算機(jī)、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理等。更具體而言，本實(shí)用新型涉及用于促進(jìn)和改進(jìn)從低斷面裝置、特別是薄手持裝置散熱的設(shè)備和方法，在所述低斷面裝置中，所述裝置的殼體之內(nèi)的空間受到限制。此處所使用的術(shù)語(yǔ)“低斷面裝置”指的是主表面的表面積(即，主表面中的一個(gè)的長(zhǎng)度乘以寬度，以平方英寸測(cè)量)與平均厚度(以英寸計(jì))的比率至少為大約10 1英寸，更為常見(jiàn)的是大約15 :1英寸(當(dāng)然，普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到該計(jì)算基于例如打開(kāi)和使用中位置的手機(jī)或者筆記本計(jì)算機(jī)等以及不包括支架的平板顯示器等來(lái)進(jìn)行)。
背景技術(shù)：
讓例如平板顯示器之類的電子裝置和例如筆記本計(jì)算機(jī)、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理等等之類的便攜式裝置變得更小和更輕同時(shí)維持功能性已變成一個(gè)目標(biāo)。到目前為止，對(duì)于例如在一些位置只有3 mm厚的索尼OLED (有機(jī)發(fā)光二極管)11’’平板電視、只有1. 94 cm 厚(在閉合位置中)的蘋(píng)果公司的MacBook Air筆記本計(jì)算機(jī)、也由蘋(píng)果公司生產(chǎn)的只有 12. 3 mm厚的iPhone 3G個(gè)人數(shù)字助理、以及只有13. 9 mm厚(閉合位置中)的摩托羅拉公司的Motorazr V3手機(jī)之類的裝置中，這已經(jīng)達(dá)到了極致。此外，用于從太陽(yáng)能發(fā)電的光伏太陽(yáng)能板也被設(shè)計(jì)成盡可能薄。
制造更小和更薄的裝置的一個(gè)顯著的妨礙來(lái)自于熱管理。盡管許多裝置部件可以被有效地小型化，但是需要來(lái)給用戶提供所要求功能性的功率需求也在增長(zhǎng)，即使最基礎(chǔ)的手機(jī)也希望包括例如游戲、數(shù)碼相機(jī)(或攝像機(jī))、網(wǎng)絡(luò)接入等的特征。當(dāng)這些功率需求與該裝置之內(nèi)的空間缺乏相結(jié)合時(shí)，熱管理經(jīng)常是一個(gè)限制因素。
換言之，沒(méi)有有效的熱管理，裝置部件可能迅速地過(guò)熱，這可能導(dǎo)致間歇的或者甚至是災(zāi)難性的失效。為了制造魯棒性和長(zhǎng)壽命裝置，必須耗散來(lái)自產(chǎn)生熱的這些裝置部件中的熱，例如芯片組等，同時(shí)不顯著地增加空間需求。
在更大的電子裝置的更寬領(lǐng)域中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種熱管理技術(shù)。當(dāng)然，“臺(tái)式機(jī)”、 更大的電視機(jī)和一些更大的筆記本計(jì)算機(jī)設(shè)置了風(fēng)扇來(lái)使空氣運(yùn)動(dòng)掠過(guò)熱源以方便散熱。 此外，由于其各向異性(方向性散熱)，例如剝落的自然石墨片的壓縮顆粒片材(sheet)的散熱器已經(jīng)被極有利地用于散熱應(yīng)用中，甚至是更小的裝置。
例如，在美國(guó)專利No. 7，365，988中，Reis等描述了一種由剝落石墨的壓縮顆粒所形成的散熱器，該散熱器與閃光LED光源一起使用，所述閃光LED光源用于例如手機(jī)之類的手持裝置的相機(jī)(或攝像機(jī))中?；谑纳崞饕越档偷墓β仕教峁┝藴p小的操作溫度，提供了電子部件的改進(jìn)的光照和操作壽命。
在美國(guó)專利No. 7，292, 441中，Smalc等公開(kāi)了一種用于例如筆記本計(jì)算機(jī)之類的便攜式電子裝置的熱解決方案，在熱源和另一部件或者該裝置的外殼體之間定位該熱解決方案，該熱解決方案方便了來(lái)自熱源的熱耗散，同時(shí)屏蔽了第二部件或者外殼與熱源所產(chǎn)生的熱。Smalc等的熱解決方案包括剝落石墨的壓縮顆粒片材。
同樣，在Siives等的美國(guó)專利No. 7，385，819以及Capp等的美國(guó)專利No. 7，306，847中，公開(kāi)了使用剝落石墨的壓縮顆粒片材，以改進(jìn)例如等離子顯示面板、液晶顯示裝置和今天使用的其他類型的顯示裝置之類的顯示裝置中的散熱。
盡管已經(jīng)提出了例如銅或者鋁之類的傳統(tǒng)散熱材料，但是這些材料顯著地增加了該裝置的重量，這是不利的。此外，由于例如銅和鋁之類的金屬是各向同性的，熱趨于很容易地沿著散熱器的厚度流動(dòng)，并導(dǎo)致在與熱源直接相對(duì)的位置中、在散熱器上出現(xiàn)熱點(diǎn)。這些熱點(diǎn)可能負(fù)面地影響所述裝置的殼體的接觸溫度、或者甚至是與溫度敏感部件相鄰的殼體的接觸溫度。
相應(yīng)地，用作用于電子裝置的散熱器的優(yōu)選材料由剝落石墨片的壓縮顆粒的一個(gè)或多個(gè)片材來(lái)形成。
在微米尺度上，天然石墨由碳原子的六邊形陣列或者網(wǎng)絡(luò)的層面所形成。這些六邊形布置的碳原子的層面大體上是扁平的，且取向成或者序列成大體上彼此平行且等距。 通常稱為石墨烯層或者基面的這些大體上扁平、平行、等距的碳原子的片或?qū)踊ミB或者結(jié)合在一起，且它們的組是以晶體來(lái)布置。高度有序的石墨材料包括相當(dāng)尺寸的晶體，該晶體相對(duì)于彼此高度對(duì)齊或者取向且具有良好有序的碳層。換言之，高度有序的石墨具有很高程度的優(yōu)選晶體取向。必須注意，以定義而言、石墨具有各向異性結(jié)構(gòu)，且因而呈現(xiàn)或者具有許多高度定向性的特征，例如導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及流體擴(kuò)散性。
簡(jiǎn)言之，天然石墨片的特征可在于碳的層疊結(jié)構(gòu)，即具有通過(guò)弱的范德華力而結(jié)合在一起的碳原子的疊置層或者疊層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)?？紤]到石墨的結(jié)構(gòu)，通常標(biāo)記兩個(gè)軸或方向，g卩，“C”軸或者方向以及“a”軸或者方向。為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，“C”軸或者方向可以考慮為垂直于碳層的方向?！癮”軸或者方向可以考慮為平行于碳層的方向或者垂直于“C”方向的方向。適于制造剝落石墨的壓縮顆粒片材的石墨具有很高程度的取向。
如上所述，將碳原子平行層保持在一起的結(jié)合力只是非常弱的范德華力。天然石墨可以被化學(xué)處理，這樣疊置的碳層或者疊層之間的間隔可以相當(dāng)可觀地打開(kāi)，以沿著垂直于所述層的方向提供顯著的膨脹，即沿著“C”方向，從而形成這樣的膨脹或者隆起的石墨結(jié)構(gòu)其中碳層的層疊特性被大體上保持。
天然石墨片可以在不使用粘合劑的情況下形成為粘合的或一體形成的膨脹石墨的片材，例如幅片(web)、紙、條、箔、帶等之類，所述天然石墨片已經(jīng)化學(xué)或者熱膨脹，且更為具體地膨脹成具有大約是原始的“C”方向尺寸的大約80倍或者更多倍的最終厚度或者 “C”方向尺寸。由于在體積膨脹的石墨顆粒之間實(shí)現(xiàn)的機(jī)械互鎖或者粘合的緣故，石墨顆粒通過(guò)壓縮形成到一體的柔性片材中而不使用任何粘接材料被認(rèn)為是可能的，所述石墨顆粒已經(jīng)膨脹以具有大約是原始的“C”方向尺寸的大約80倍或者更多倍的最終厚度或者“C” 尺寸。
除了柔性之外，如上所述的片材材料已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有很高程度的熱和導(dǎo)電性的各向異性，這是由于大致平行于從壓縮(例如輥軋?zhí)幚?所獲得的片材的相對(duì)表面的膨脹石墨顆粒的取向的緣故。這樣制造的片材材料具有優(yōu)良的柔性、良好的強(qiáng)度和非常高度的取向性。
簡(jiǎn)言之，制造柔性的各向異性膨脹天然石墨片材材料、例如幅片、紙、條、帶、箔等等的工藝包括在預(yù)定的載荷下壓縮或壓實(shí)，且如果需要，在沒(méi)有粘合劑的情況下，壓縮 “C”方向尺寸是原始顆粒的80倍或者更多倍的剝落(也稱為膨脹的)石墨顆粒，以形成大體扁平、柔性、一體形成的粘合石墨片材。一旦壓縮，通常外形是蠕蟲(chóng)狀或者蚓狀的膨脹石墨微粒顆粒保持壓縮永久變形且與所述片材的相對(duì)的主表面對(duì)齊。所述片層的性質(zhì)可以在壓縮步驟之前通過(guò)涂層和/或添加粘合劑或者添加劑來(lái)改變。參看授予Siane等的美國(guó)專利 No. 3，404，061。所述片材材料的密度和厚度可以通過(guò)控制壓縮程度而變化。通常在更致密的片材中發(fā)現(xiàn)更高的面內(nèi)強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。典型地，所述片材材料的密度將在1.1克每立方厘米(g/cc)到大約1.8 g/cc，或者甚至高達(dá)2.0 g/cc或者更高的范圍之內(nèi)。
由于平行于所述片材的主相對(duì)平行表面的石墨顆粒的對(duì)齊的緣故，由如上所述的天然石墨片材材料典型地顯示了可觀程度的各向異性，各向異性的程度在片材材料被輥軋擠壓以增加密度時(shí)增力Π。在被輥軋擠壓的各向異性片材材料中，厚度(即，垂直于相對(duì)的、平行的片材表面的方向)包括“C”方向，而沿著長(zhǎng)度和寬度變化的方向(即沿著或者平行于相對(duì)的主表面的方向)包括“a”方向，并且對(duì)于“C”和“a”方向，所述片材的熱特性以典型的數(shù)量級(jí)而非常不同。
但是，即使在通過(guò)如上所述的石墨片材所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)良散熱性的情況下，如果要開(kāi)發(fā)更小和更薄的裝置，也需要進(jìn)一步的散熱改進(jìn)，其具有改進(jìn)的和額外的功能。因此，所需要的是用于在低斷面電子裝置中的熱管理和/或熱耗散的機(jī)構(gòu)，所述低斷面電子裝置例如為平板顯示器、筆記本計(jì)算機(jī)、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理等，所述機(jī)構(gòu)利用膨脹石墨片的壓縮顆粒片材的獨(dú)特散熱能力來(lái)提供改進(jìn)的散熱。

實(shí)用新型內(nèi)容

在本實(shí)用新型的一方面中，提供了一種散熱器，所述散熱器包括第一層，所述第一層包括至少一個(gè)剝落石墨的壓縮顆粒片材，其具有兩個(gè)主表面；以及第二層，所述第二層包括具有兩個(gè)主表面的金屬箔，所述金屬箔的第一主表面在其上具有表面結(jié)構(gòu)；其中所述石墨層的第一主表面的表面積的至少大約25%與所述金屬箔層的第二主表面熱連接，進(jìn)一步地，其中所述金屬箔層的所述第一主表面上的表面結(jié)構(gòu)的高度不大于所述散熱器的第一層厚度的大約10倍，且增加了氣流的渦流、增加散熱表面積、或者既增加氣流渦流也增加散熱表面積。
有利地，所述散熱器的第一層，即石墨層的厚度為大約0.05 mm至大約2.0 mm，且面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為至少大約150 W/m-K。在一個(gè)實(shí)施例中，散熱器的第二層(即金屬箔層)的厚度大約為0.025 mm到大約1.0 mm，且金屬箔由鋁、銅、鋼或者其組合所形成。
在另一實(shí)施例中，本實(shí)用新型包括電子裝置，例如低斷面電子裝置，所述電子裝置包括如上所述的散熱器和將空氣流引導(dǎo)掠過(guò)所述散熱器的所述第二層的所述表面結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)。
優(yōu)選地，將空氣引導(dǎo)掠過(guò)第二層的表面結(jié)構(gòu)的所述機(jī)構(gòu)包括風(fēng)扇，最為優(yōu)選地是包括擴(kuò)散器的風(fēng)扇，所述擴(kuò)散器將空氣流引導(dǎo)掠過(guò)散熱器，以便與沒(méi)有擴(kuò)散器的風(fēng)扇相比改進(jìn)散熱。
在再一實(shí)施例中，所述散熱器的第一層的第二主表面與熱源的表面熱連接。確實(shí)有利地，第一層的第二主表面的表面積大于所述熱源的該部分的表面積，所述散熱器的所述第一層的所述第二主表面與所述熱源的該部分熱連接。
本實(shí)用新型還包括一種電子裝置，包括(a)散熱器，其包括(i )第一層，所述第一層包括至少一個(gè)剝落石墨的壓縮顆粒片材，其具有兩個(gè)主表面；以及(ii )第二層，所述第二層包括具有兩個(gè)主表面的金屬箔，所述第二層的第一主表面在其上具有表面結(jié)構(gòu)；其中，所述第一層的第一主表面的表面積的至少大約25%粘接到、附接到所述第二層的第二主表面、或者與所述第二層的第二主表面相接觸，所述第二層的第一主表面上的表面結(jié)構(gòu)的高度不大于所述第一層厚度的大約10倍；以及(b)機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)將空氣引導(dǎo)掠過(guò)所述散熱器的第二層的表面結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型還包括一種光伏太陽(yáng)能面板，包括散熱器，所述散熱器包括(a)第一層，所述第一層包括至少一個(gè)剝落石墨的壓縮顆粒片材，其具有兩個(gè)主表面；以及(b)第二層，所述第二層包括具有兩個(gè)主表面的金屬箔，所述第二層的第一主表面在其上具有表面結(jié)構(gòu)；
其中，所述第一層的第一主表面的表面積的至少大約25%粘接到、附接到所述第二層的第二主表面、或者與所述第二層的第二主表面相接觸，所述第二層的第一主表面上的表面結(jié)構(gòu)的高度不大于所述第一層厚度的大約10倍。
在閱讀了下述公開(kāi)并結(jié)合附圖時(shí)，本實(shí)用新型的其他和另外的實(shí)施例、特征和優(yōu)點(diǎn)將對(duì)普通技術(shù)人員而言是顯而易見(jiàn)的。


圖1是本實(shí)用新型的散熱器的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)平面剖視圖；
圖2是圖1的散熱器的部分剖視俯視透視圖，其顯示了第二層上的表面結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例；
圖3是本實(shí)用新型的散熱器的另一實(shí)施例的部分剖視俯視透視圖，其顯示了第二層上的表面結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例；
圖4是本實(shí)用新型的散熱器的又一實(shí)施例的部分剖視俯視透視圖，其顯示了第二層上的表面結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例；
圖5是本實(shí)用新型的散熱器的再一實(shí)施例的俯視透視圖，其顯示了第二層上的表面結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例；
圖6是本實(shí)用新型的散熱器的另一實(shí)施例的側(cè)平面剖視圖，其顯示了第二層上的表面結(jié)構(gòu)的又一實(shí)施例；
圖7是本實(shí)用新型的散熱器的再一實(shí)施例的俯視透視圖，其顯示了第二層上的表面結(jié)構(gòu)的再一實(shí)施例；
圖8是本實(shí)用新型的散熱器的另一實(shí)施例的俯視透視圖，其顯示了第二層上的表面結(jié)構(gòu)的另一實(shí)施例；
圖9是本實(shí)用新型的散熱器的一個(gè)實(shí)施例的俯視圖，所述散熱器與風(fēng)扇和擴(kuò)散器相組合；
圖10是手機(jī)的部分側(cè)平面圖，其具有與風(fēng)扇和擴(kuò)散器相組合的本實(shí)用新型的散熱器的一個(gè)實(shí)施例；以及
圖11是FB-DIMM存儲(chǔ)器模塊的部分側(cè)平面圖，其具有安裝到其上的本實(shí)用新型的散熱器的實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
[0040]現(xiàn)在參照附圖(為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，在附圖中不是每幅圖中都用附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)所有的元件)，本實(shí)用新型基于這樣的發(fā)現(xiàn)低斷面電子裝置(例如平板顯示器、諸如筆記本計(jì)算機(jī)、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理等之類的便攜式電子裝置、或者光伏太陽(yáng)能面板)的熱操作可以通過(guò)添加復(fù)合散熱器從熱具有顯著改進(jìn)，所述復(fù)合散熱器用附圖標(biāo)記10來(lái)標(biāo)識(shí)，由至少一個(gè)剝落石墨的壓縮顆粒片材作為第一層20以及在其上具有表面結(jié)構(gòu)32的金屬箔作為第二層 30來(lái)形成，表面結(jié)構(gòu)32提供了改進(jìn)的用于散熱和/或增加的氣流渦流的表面區(qū)域。用附圖標(biāo)記100指示的電子裝置能夠以顯著增加的功率水平操作，從而提供了改進(jìn)的功能性，同時(shí)仍然在明顯降低的操作溫度下操作。
在描述本實(shí)用新型改進(jìn)當(dāng)前材料的方式之前，將按次序地簡(jiǎn)單描述天然石墨及其形成為柔性片材(將作為用于形成本實(shí)用新型的產(chǎn)品的散熱器10的第一層20)。
天然石墨是碳的晶體形式，包括處于扁平的分層平面中共價(jià)鍵結(jié)合的原子，所述平面之間具有弱的結(jié)合。通過(guò)用例如硫酸和硝酸溶液的插入劑(intercalant)處理天然石墨片，石墨的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)以形成石墨和插入劑的復(fù)合物(或化合物)。被處理的石墨顆粒此后稱為“夾層石墨顆粒”。在暴露給高溫時(shí)，石墨之內(nèi)的插入劑分解且揮發(fā)，導(dǎo)致夾層石墨顆粒尺寸在“C”方向上(即垂直于石墨的晶面的方向)以手風(fēng)琴狀方式膨脹到其原始體積的大約80倍或者更多倍。剝落石墨顆粒外形是蠕蟲(chóng)狀的，且因此通常稱為蠕蟲(chóng)(worm)。 該蠕蟲(chóng)可以被壓縮在一起形成柔性片材，與原始的石墨片不同，所述柔性片材能夠被形成和切為各種形狀。
適于用在本實(shí)用新型中的天然石墨原材料包括高石墨化碳質(zhì)材料，其能夠插入有機(jī)和無(wú)機(jī)酸以及商素、然后在暴露給熱時(shí)膨脹。最優(yōu)選地，這些高度石墨化的碳質(zhì)材料具有大約為1.0的石墨化度。如此公開(kāi)中所使用，術(shù)語(yǔ)“石墨化度”指的是根據(jù)下述公式所獲得的值
權(quán)利要求
1.一種散熱器，包括(a)第一層，所述第一層包括至少一個(gè)剝落石墨的壓縮顆粒片材，其具有兩個(gè)主表面；以及(b)第二層，所述第二層包括具有兩個(gè)主表面的金屬箔，所述金屬箔層的第一主表面在其上具有表面結(jié)構(gòu)；其中，所述石墨層的第一主表面的表面積的至少大約25%粘接到、附接到所述金屬箔層的第二主表面、或者與所述金屬箔層的第二主表面相接觸，所述金屬箔層的第一主表面上的表面結(jié)構(gòu)包括凸起結(jié)構(gòu)，所述凸起結(jié)構(gòu)的高度不大于所述第一層厚度的大約10倍。
2.一種電子裝置，包括(a)散熱器，其包括(i)第一層，所述第一層包括至少一個(gè)剝落石墨的壓縮顆粒片材，其具有兩個(gè)主表面；以及(ii)第二層，所述第二層包括具有兩個(gè)主表面的金屬箔，所述第二層的第一主表面在其上具有表面結(jié)構(gòu)；其中，所述第一層的第一主表面的表面積的至少大約25%粘接到、附接到所述第二層的第二主表面、或者與所述第二層的第二主表面相接觸，所述第二層的第一主表面上的表面結(jié)構(gòu)的高度不大于所述第一層厚度的大約10倍；以及(b)機(jī)構(gòu)，所述機(jī)構(gòu)將空氣引導(dǎo)掠過(guò)所述散熱器的第二層的表面結(jié)構(gòu)。
3.一種光伏太陽(yáng)能面板，包括 散熱器，所述散熱器包括(a)第一層，所述第一層包括至少一個(gè)剝落石墨的壓縮顆粒片材，其具有兩個(gè)主表面；以及(b)第二層，所述第二層包括具有兩個(gè)主表面的金屬箔，所述第二層的第一主表面在其上具有表面結(jié)構(gòu)；其中，所述第一層的第一主表面的表面積的至少大約25%粘接到、附接到所述第二層的第二主表面、或者與所述第二層的第二主表面相接觸，所述第二層的第一主表面上的表面結(jié)構(gòu)的高度不大于所述第一層厚度的大約10倍。
專利摘要
一種用于電子裝置的散熱器，其包括第一層，所述第一層由至少一個(gè)剝落石墨的壓縮顆粒片材形成，其具有兩個(gè)主表面；以及第二層，所述第二層由具有兩個(gè)主表面的金屬箔形成，所述金屬箔的第一主表面在其上具有表面結(jié)構(gòu)，其中，所述石墨層的第一主表面和所述金屬箔層的第二主表面彼此熱連接，所述金屬箔的第一主表面上的表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生氣流渦流，增加散熱表面積，或者既產(chǎn)生氣流渦流也增加散熱表面積。
文檔編號(hào)H05K7/20GKCN202135433SQ200890100396
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2008年7月10日
發(fā)明者E. 里斯 B. 申請(qǐng)人:格拉弗技術(shù)國(guó)際控股有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan