专利名称：多孔结构化热传递制品的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及多孔结构化热传递制品。更具体地讲，本发明涉及成形的多孔金 属制品及其制造和使用方法。
背景技术：
一种用于散热部件的冷却系统包括可蒸发或沸腾的流体。然后使用外部装置将所 产生的蒸汽冷凝并返回至蒸发器。为了改善流体在蒸发器里的热传递，可以使用多孔结构 化热传递制品。多种多孔热传递制品是可供选择的，包括(例如)通过火焰或等离子体喷涂制成 的涂层。这些涂层通常是金属的，并通过多种方法涂敷于金属基底。采用这些方法，可能难 以控制孔隙度和均勻地涂覆三维基底。其它已知的涂层包括与有机粘结剂接合的传导性颗 粒。这些涂层通常具有较差的整体热导率，因此需要对厚度进行精确控制，而这种控制在具 有三维表面的基底上是难以进行的。已经设计了被动两相式或沸腾式热虹吸器，用来冷却诸如微处理器之类的热敏感 部件。热虹吸器是基于自然对流循环液体的被动热传递装置。它们能够避免常规换热器中 的液泵的成本及复杂性。
发明内容
随着集成电路及其它散热电子器件的大功率化和小型化，需要提高从这些散热部 件中散热的热传递速率。热虹吸器能够提供低成本高效益的方式来冷却这些部件。因此， 一直需要开发具有高热传递系数的多孔结构化热传递制品，这种制品能够以廉价和更高效 的方式制造热虹吸器及其它换热器。此外，一直需要可易于在制造过程中应用的低成本多 孔热传递制品。本发明提供多孔结构化热传递制品。更具体地说，本发明提供多孔金属制品及其 制造和使用方法。所述制品可被用作使装置(例如制冷系统和电子冷却系统)冷却的蒸发 器。在单相或两相热传递系统中均可使用所述多孔结构化热传递制品。在一些实施例中， 所述制品可以在用于使集成电路(例如微处理器)冷却的热虹吸器中用作蒸发器板。在其 它实施例中，所述制品可附接至诸如浸泡冷却的绝缘栅双极晶体管(IGBT)之类的装置。在一个方面，本发明提供一种多孔结构化热传递制品，其包括多个前体金属团 粒，所述前体金属团粒包括内部部分和外部部分，所述内部部分包括选自铝、铜、银以及它 们的合金的第一金属，所述外部部分包括合金，其中所述合金包含第一金属和选自铜、银、 硅和镁的第二金属，并且其中第一金属和第二金属不同；多个间隙元件，其设置于所述多个 前体金属团粒中的至少两个之间并使它们彼此相连，所述间隙元件包括所述外部部分的合 金；和多个金属粒子，其至少部分地嵌入于所述外部部分的合金中。在另一方面，本发明提供形成结构化热传递制品的方法，该方法包括提供热传递 涂层，其包括粘结剂和多个前体金属团粒，所述前体金属团粒包括内部部分和外部部分，所述内部部分包括熔融温度为Tmpl的第一金属，所述外部部分包括熔融温度为Tmp2的第二金 属；将多个金属粒子施加至所述涂层；以及将该组合物加热至低于Tmpl和Tmp2的温度以形成 包含第一金属和第二金属的合金，其使所述多个前体金属团粒彼此粘结，其中所述粘结形 成了多孔基体，并且其中所述多个金属粒子至少部分地嵌入所述基体的至少一部分中。除另有规定外，否则本文中所用的所有科技术语具有在本领域中所通常使用的含 义。本文中提供的定义是为了便于理解本文中经常使用的某些术语，不意味着限制本发明 的范围。如本文中所用 单数形式的“一个”、“一种”和“所述”涵盖具有多个指代物的实施例，除非上下文 中另有明确规定。如本说明书和所附权利要求书中所用，术语“或”通过以其包括“和/或” 的含义使用，除非上下文中另有明确规定；“长径比”指三维物体的最长尺寸(即“全长”)与正交于该全长尺寸的最长尺寸 (即“全宽”)之比；“有效孔隙度”指团粒中促成基体内流体流动或渗透的互连孔体积或空隙空间。有 效孔隙度不包括基体中可能存在的孤立孔。对本发明的结构化热传递制品的有效孔隙度的 测量不包括可能形成结构化热传递制品的一部分的非多孔基底或其它非多孔层；“精确成形的热传递复合体”指具有模制形状的热传递复合体，所述模制形状大致 为用于形成该模制形状的模腔的反像；以及“结构化热传递制品”指包括多个三维成形的热传递复合体的热传递制品；“基本上球形的”指具有介于约1与1. 5之间的长径比以及大体球形的形状的三维 物体；“基本上竖直”指与水平面呈接近于90度的取向；并且“单元密度”指每一规定体积中指定单元的数量。例如，若本发明中所述的多孔基 体包括100个前体金属团粒且占据1立方厘米的体积，则该前体金属团粒的单元密度将为 100个前体金属团粒/立方厘米。以上内容并非意图描述本发明的每种实施方式的每个公开的实施例。以下附图说 明和具体实施方式
更具体地举例说明示例性实施例。
图Ia和Ib是可用于制造所提供的热传递制品的实施例的两个带涂层的基底的透 视图。图加是用于制造所提供的结构化热传递制品的两个示例性前体金属团粒的侧视 图。图2b是图加中所示的两个示例性前体金属团粒的截面图。图2c是图加中所示的两个示例性前体金属团粒在采用所提供的方法形成间隙元 件将两个团粒连接在一起后的侧视图。图3是所提供的多孔结构化热传递制品实施例的一部分的示例性透视图。图4是示例性结构化热传递制品实施例的一部分的示例性截面侧视图。图5是具有带涂层的金钢石的示例性前体复合团粒的截面图。
图6a和6b是以不同放大倍数对所提供的多孔结构化热传递制品实施例进行的照 相描述。图7是用于制备基材的示例性装置的示意图，该基材可用于制备所提供制品的实 施例。图8是示出了示例性实施例的耐热性实验结果的曲线图。这些理想化的图不是按比例绘制的，目的仅是为了例示本发明的结构化热传递制 品而没有限制的意义。
具体实施例方式在以下的描述中，涉及了构成本说明书的一部分的一组附图，其中通过举例说明 的方式示出了若干具体的实施例。应当理解的是，在不脱离本发明范围或实质的情况下可 设想并实施其它的实施例。因此，以下具体实施方式
不能理解为具有限制的意义。除另指明外，否则在所有情况下，说明书和权利要求书中用来表述特征尺寸、数量 和物理特性的所有数字均应理解为由术语“约”来修饰。因此，除非另外指明，否则上述说 明书和所附权利要求书中给出的数值参数均为近似值，根据本领域技术人员利用本文所公 开的教导内容寻求获得的所需特性情况，这些近似值可有所不同。由端点表述的数值范围 包括该范围内所包含的所有数值(例如，1至5包括1、1. 5、2、2. 75、3、3. 80、4、和5)以及在 此范围内的任何范围。已经描述了可用作使装置(如制冷系统和电子冷却系统)冷却的蒸发器的结构化 热传递制品。在单相或两相热传递系统中均可使用所述热传递制品。在一些实施例中，它 们可在用于冷却集成电路(例如微处理器)的热虹吸器中用作沸腾板。在其它实施例中， 它们附接至诸如通过两相浸泡冷却的绝缘栅双极晶体管(IGBT)之类的发热装置。对于两 相热传递来说，与在以基本上水平的取向使用结构化热传递制品相比，在将其以或多或少 垂直的方向进行取向(基本上竖直)时通常效率要低。已经越来越普遍的情况是，以非水 平取向(S卩，基本上竖直)安装包括发热部件的台式计算机上的电路板，以及以这种取向将 诸如热虹吸器之类的冷却装置附接至所述部件。另外，为了提高冷却效率，很常见的是通过 在板表面上增加翅片或突出物来提高沸腾板或结构化热传递制品的表面积。这可能会增加 制造这种板或制品的成本费用。需要得到这样一种结构化热传递制品无论取向如何该热 传递制品都能够有效进行热传递，并且其制造成本低。一方面，本发明提供一种多孔结构化热传递制品，其包括多个前体金属团粒，所 述前体金属团粒包括内部部分和外部部分，所述内部部分包括选自铝、铜、银以及它们的合 金的第一金属，所述外部部分包括合金，所述合金包含所述第一金属和选自铜、银、硅和镁 的第二金属，其中第一金属和第二金属不同；多个间隙元件，其设置于所述多个前体金属团 粒中的至少两个之间并使它们彼此相连，所述间隙元件包括所述外部部分的合金；和多个 金属粒子，其至少部分地嵌入于所述外部部分的合金中。所谓嵌入，其意指在合金的至少一 部分与金属粒子之间存在着物理粘结。这种粘结可以是焊接、硬钎焊、软钎焊或本领域技术 人员已知的任何其它类型的冶金学上的粘结。这种粘结将金属粒子保持在适当的位置，并 且还使它们成为所提供制品的接合部分。可用的前体金属团粒的平均直径通常为至少1微 米(ym)。在一些实施例中，前体金属团粒的平均直径为至少5μπι。在又一些实施例中，前体金属团粒的平均直径可以为至少10 μ m。可用于制造所提供制品的前体金属团粒的平均 直径可不大于ΙΟΟμπι。在一些实施例中，前体金属团粒的平均直径不大于50 μ m。在又一 些实施例中，前体金属团粒的平均直径不大于30 μ m。所提供的前体金属团粒的长径比范围 可以是1至2。在其它实施例中，前体金属团粒可以是椭圆形的，长径比可大于1.5。在进 一步的实施例中，前体金属团粒可以是多面体(如立方八面体)或其它无规形状的团粒，包 括(例如)薄片形、芯片形、粒子形、板状、圆柱形和针状团粒。如果前体金属团粒是非球形 的，则团粒的“直径”指每个团粒的最短轴的尺寸，而“平均直径”指群体中各团粒直径(即， 每个团粒的最短轴的尺寸)的平均值。前体金属团粒可包括内部部分和外部部分，所述内部部分包括选自铝、铜、银以及 它们的合金的第一金属，所述外部部分包括合金，所述合金包含所述第一金属和选自铜、 银、硅和镁的第二金属。第一金属和第二金属是不同的。在一些实施例中，外部部分均勻地 涂敷于内部部分上，从而该外部部分具有均一的厚度。在其它实施例中，外涂层的厚度可有 所不同。在一些优选的实施例中，外部部分覆盖内部部分的大部分外表面。在一些实施例 中，外部部分覆盖内部部分的外表面的90%以上。在进一步的实施例中，外部部分完全覆盖 内部部分的外表面。可以由三维多孔基体中连接在一起的大量前体金属团粒形成所提供的 多孔结构化热传递制品。前体金属团粒中每一者均可连接1、2、3、4、5或更多个其它前体金 属团粒，从而形成三维多孔基体。用于形成外部部分的材料量可以相对重量或厚度来表示。例如，在一些实施例中， 外部部分占金属团粒前体的约10重量百分比(重量％)。外部部分通常占金属团粒前体的 约0. 05重量％至约30重量％。在其它实施例中，外部部分的平均厚度范围是约0. 001 μ m 至约0. 5 μ m。在一些实施例中，外部部分的平均厚度范围是约0. 01 μ m至约0. 05 μ m。一种 具有铜内部部分和银外部部分的示例性的可用前体金属团粒可以商品名“SILVER COATED COPPER POWDER #107”得自 Ferro Corp. (Plainfield,New Jersey)。其它可用的前体金属 团粒包括(例如)包覆镁的铝粒子。可以采用本领域技术人员已知的任何方法形成前体金 属团粒，这些方法包括(例如)物理气相沉积(参见例如美国专利公布2005/0095189 (Brey 等人))、等离子体沉积、化学镀、电镀或浸镀。可将多个间隙元件设置在多个前体金属团粒中的至少两个之间并使它们彼此相 连。间隙元件可以包含所述外部部分的合金。间隙元件可通过这样来形成让前体金属团 粒经受高温，使得前体金属团粒的内部部分与外部部分的金属形成合金，所述合金将团粒 粘结在一起。这种方法被称为等温再固化。在一些实施例中，可以形成熔点比形成合金的 各金属低的共晶。共晶的形成可以是暂时性的，因为等温再固化过程期间的扩散可引起各 金属的界面的组成连续变化。在一些实施例中，等温再固化过程在还原或真空炉中发生，例 如用得自 Hayes (Cranston，Rhode Island)的 VCT 型真空炉。热传递多孔金属涂层及其制造和使用方法已经在(例如)美国专利公布 No. 2007/0102070 (Tuma等)中有所公开。这些涂层在受热形成内部合金和外部合金之前作 为所提供制品及方法的前体可以是适用的。可用于制造所提供制品及方法的实施例的结构 化热传递制品已经在(例如)美国专利No. 7，360，581 (Tuma等)中有所公开。所提供的多孔结构化热传递制品包括至少部分地嵌入外部部分的合金中的多个 金属粒子。这些粒子可包含铜或其它金属，并且可具有多种尺寸和形状。举例来说，在一些实施例中，所述粒子可源自金属泡沫、薄片或纤维或金属纤维束或编织物。所述粒子在制 品表面上的填充量可以是约0. 002g/cm2至约0. 10g/cm2、约0. 02g/cm2至约0. 08g/cm2或甚 至约0. 02g/cm2至约0. 06g/cm2。所述粒子可具有约0. 5mm至约40mm长、约Imm至约20mm 长或甚至约Imm至约IOmm长的平均尺寸。所述粒子可具有约10 μ m至约200 μ m直径、约 15 μ m至约100 μ m直径、约50 μ m至约100 μ m直径或约25 μ m至约150 μ m直径的平均尺 寸。所述粒子可以为基本上球形、基本上类球体或为规则或不规则固态多面体的大体形状。 所述粒子也可以呈其它无规成形的团粒形状，包括(例如)纤维、薄片、碎片、板、圆柱和针 状的团粒。所述粒子的长径比可为约1、约2、约5、约10、约20、约50、约100、约200、约300 或甚至更高。在一些实施例中，本发明的多孔结构化热传递制品的金属团粒密度范围是约IO6 至IO11个前体金属团粒/立方厘米。在一些实施例中，本发明的多孔结构化热传递制品的 金属团粒密度范围是约IO7至IO9个前体金属团粒/立方厘米。本发明的结构化热传递制 品的有效孔隙度范围通常可以为10%至60%。在一些实施例中，结构化热传递制品的有效 孔隙度可以为至少20%。在进一步的实施例中，结构化热传递制品的有效孔隙度可以为至 少 30%。另一方面，本发明提供一种多孔结构化热传递制品，其包括多个复合团粒，所述 复合团粒包括内部部分和外部部分，所述内部部分包括金钢石和选自铝、铜、银以及它们的 合金的第一金属，所述外部部分包括合金，所述合金包含所述第一金属和选自铜、银、硅和 镁的第二金属，其中第一金属和第二金属不同；多个间隙元件，其设置在多个前体金属团粒 之间并使它们彼此相连，所述间隙元件包括所述外部部分的合金；和多个金属粒子，其至少 部分地嵌入所述外部部分的合金中。虽然不希望受任何理论的约束，但据信包封的金钢石 的热导率能提高结构化热传递制品的性能。在一些实施例中，可将金钢石(包覆或未包覆 的)与所述多个前体金属团粒(有或者没有内部金钢石)混合，以形成具有前体金属团粒 与金钢石以间隙元件保持在一起的混合物的结构化热传递制品。其它材料也可以被包封或 使之与前体金属团粒混合，这些材料包括(例如)多晶金钢石、合成金钢石、多晶金钢石复 合片(PDC)、纯金钢石以及它们的组合。包覆金钢石的中间涂层可包含任何已知的碳化物形 成物，包括(例如)铬、钴、锰、钼、镍、硅、钽、钛、钨、钒、锆，以及它们的合金。可以采用本领 域中已知的任何技术对金钢石施加中间涂层，这些技术包括(例如)物理气相沉积、化学气 相沉积、熔盐沉积(参见例如EP 0 786 506 Al (Karas等人))、熔盐电解和机械镀覆。在一 些实施例中，包覆金钢石的中间涂层包括多个层。转到附图，图Ia和Ib是基底的透视图，该基底具有热传递涂层，并且可用于制造 所提供制品的实施例。如图Ia所示，可以将热传递涂层涂敷于具有三维表面的基底10。三 维表面可包括的一系列突出物(如翅片20)或可增大蒸发器表面积的其它结构。图Ib是 可用于制备所提供制品的实施例的基底40的透视图。如图Ib所示，基底40包括多个成形 的热传递复合体90。该热传递复合体包括多个前体金属团粒。这些基底没有进行加热或经 历等温再固化以便可用于制备所提供的多孔结构化热传递制品的实施例。图2a_2c示出了可用于形成所提供的多孔结构化热传递制品的顺序。图中是显示 两个示例性前体金属团粒相连的简化表示。通常由在三维多孔基体中连在一起的大量前体 金属团粒形成可用于制备所提供的多孔结构化热传递制品的实施例的基底。
图加是用于制备可用于生产所提供的多孔结构化热传递制品的基底的两个示例 性前体金属团粒的侧视图。在诸如图加所示的实施例中，前体金属团粒200和200'的尺 寸可大致相同。在其它实施例中，前体金属团粒的尺寸可有所不同。前体金属团粒可以是 基本上球形的，如图加所示。图2b是图加中所示的两个示例性前体金属团粒200和200'的截面图。如图2b 所示，每个前体金属团粒包括内部部分250和250'以及外部部分240和MO'。在一些实 施例中，内部部分250和250包含选自铝、铜、银及其合金的金属。在一些实施例中，外部部 分240和MO'包含选自铜、银、镁及其合金的金属。在进一步的实施例中，内部部分具有 熔融温度为Tmpl的金属，外部部分具有熔融温度为Tmp2的金属，并且在加热至低于Tmpl或Tmp2 的温度后，形成包含内部部分的金属及外部部分的金属的合金。在一些实施例中，根据热导 率和/或合金形成特性选择前体金属团粒的内部部分及外部部分中的金属。图2c是图加和2b中所示的两个示例性前体金属团粒200和200'连在一起形成 结构体沈0的侧视图。如图2c所示，采用本发明方法形成间隙元件270而连接两个团粒。图3是经历等温再固化后的热传递复合体(基底已除去)的一部分的透视图。如 图3所示，该热传递复合体360的部分包括多个金属团粒300，它们以间隙元件370彼此连 接而形成三维多孔基体。图4是可用于制备所提供制品的实施例的基底实施例的部分460的示例性截面侧 视图。如图4所示，基底实施例的部分460包括许多精确成形的热传递复合体490和495， 各具有锥体形状，固定于可选的基底480。复合体490的截面视图部分地遮挡了位于复合 体490后面的复合体495的下部的视图。然而应该理解的是，复合体490和495具有相似 的形状和尺寸。经历等温再固化之后，复合体可包括彼此以间隙元件470连接的多个前体 金属团粒400。可以在等温再固化之前将金属粒子添加至复合体以制备所提供制品。如上所述，部分460描述了可用于制备所提供制品的基底的示例性实施例，其具 有精确成形的热传递复合体490和495。在其它实施例中，热传递复合体不是精确成形的， 而仅仅是三维成形的。三维形状在形状和/或尺寸上可以是无规的，或者在形状和/或尺 寸上可以是一致的。在一些实施例中，热传递复合体包括在不使用模具的情况下通过将前 体金属团粒在粘结剂中的不同尺寸的“小滴”滴落到表面上而形成的无规的形状和尺寸。所 述表面可以成为结构化热传递制品的一体部分(即基底)，或者在形成之后可以从所述表 面上除去结构化热制品。图5是内部部分中包括带涂层的金钢石的示例性前体金属团粒的截面图。如图5 所示，前体金属团粒的内部部分包括金钢石阳2、中间涂层5M和第一金属550。外部部分 540包括第二金属。包覆金钢石的中间涂层可包含任何已知的碳化物形成物，包括(例如) 铬、钴、锰、钼、镍、硅、钽、钛、钨、钒、锆，以及它们的合金。可以采用本领域中已知的任何技 术给金钢石涂敷中间涂层，这些技术包括(例如)物理气相沉积、化学气相沉积、熔盐沉积 (参见例如EP 0 786 506 Al (Karas等))、熔盐电解和机械镀覆。在一些实施例中，包覆金 钢石的中间涂层包括多个层。图6a和6b是所提供装置的实施例的不同放大倍数的显微照片。图6a示出了板 形式的多孔结构化热传递制品，该板具有已嵌入了细小的铜粒子的多孔热传递复合体。图 6b是该制品的放大图，更清楚地示出了至少部分地嵌入于制品外部部分的合金中的金属粒子。这些粒子约2mm长，直径为75 μ m，长径比约沈。本发明还提供形成结构化热传递制品的方法，该方法包括提供热传递涂层，其包 括粘结剂和多个前体金属团粒，所述前体金属团粒包括内部部分和外部部分，所述内部部 分包括熔融温度为Tmpl的第一金属，所述外部部分包括熔融温度为Tmp2的第二金属；将多个 金属粒子施加至所述涂层；以及将该组合物加热至低于Tmpl和Tmp2的温度以形成包含第一 金属和第二金属的合金，其使所述多个前体金属团粒彼此粘结，其中所述粘结形成了多孔 基体，并且其中所述多个金属粒子至少部分地嵌入所述基体的至少一部分中。图7是用于形成结构化热传递制品的示例性装置的示意图，包括提供包括粘结剂 和多个前体金属团粒的热传递涂层。如图7所示，包含前体金属团粒和粘结剂的浆料700 靠压力或重力流出给料槽702到生产工具704上面，填入其中的腔体(未显示)内。如果 浆料700没有完全填满腔体，那么所得到的结构化热传递制品就会在热传递复合体的表面 上和/或在热传递复合体的内部具有空隙或小缺陷。把浆料引至生产工具的其它方式包括 模具涂布和真空落锤锻模涂布。由于种种原因，优选精密控制浆料的粘度。例如，如果粘度 太高，则将难以把浆料施加到生产工具上。生产工具704可以是束带、片材、涂布辊、安装在涂布辊上的套筒或模具。在一些 优选的实施例中，生产工具704是涂布辊。通常情况下，涂布辊的直径在25厘米与45厘米 之间，由诸如金属之类的刚性材料构造。一旦将生产工具704安装到涂布机上，则可由电动 马达提供动力。生产工具704在其表面上具有至少一种指定形状的预定阵列，其是热传递复合体 的预定阵列和指定形状的反像。可以由金属制备用于所述方法的生产工具，但也可以使 用塑料工具。生产工具可以由金属制成，并且可通过雕刻、铣切、将多个以所需构型加工 的金属部件组装成束或其他机械手段，或通过电铸来制造。这些技术在Encyclopedia of Polymer Science and Technology,第 8 卷，John Wiley & Sons, Inc. (1968),第 651-665 页和美国专利No. 3，689，346 (Rowland)中有进一步的描述。在有些情况下，可以用原始工 具复制成塑料生产工具。与金属工具相比，塑料工具的优点是成本低。可以将诸如聚丙烯 之类的热塑性树脂在其熔融温度下压印到金属工具上面，然后淬火得到金属工具的热塑性 复制品。然后可以将这种塑料复制品作为生产工具使用。基底706离开退绕工位708，然后越过惰辊710和压料辊712以获得适当的张力。 压料辊712还将背衬706压靠浆料700，从而使浆料润湿背衬706以形成中间制品。在中间 制品离开生产工具704之前利用能量源714使浆料干燥。干燥后，结构化热传递制品离开 生产工具704后热传递复合体的指定形状基本上不变。因此，结构化热传递制品是生产工 具704的反像复制品。结构化热传递制品716离开生产工具604，用金属粒子进行处理，穿 过等温再固化烘箱718。也可以根据以下方法制备所提供的多孔结构化热传递制品。首先，可以将含有前 体金属团粒和粘结剂的混合物的浆料引至具有正面和背面的背衬。浆料可以润湿背衬的正 面以形成中间制品。其次，可将中间制品引至生产工具。第三，在中间制品离开生产工具的 外表面之前至少部分地干燥浆料。第四，将金属离子施加至该中间制品。最后，将中间制品 加热至发生等温再固化的温度，形成结构化热传递制品。所述步骤可以连续的方式进行，从 而提供制备结构化热传递制品的有效方法。第二种方法类似于第一种方法，不同之处在于在第二种方法中，最初将浆料涂敷至背衬而不是施加至生产工具。在一些优选的实施例中，可用于制备所提供的多孔结构化热传递制品的结构包括 以预定图案的形式布置的多个热传递复合体。至少一些复合体可以是精确成形的研磨复合 体。在一些实施例中，复合体具有基本相同的高度。可用的结构在每平方厘米的表面积上 通常包括至少约1，200个复合体。可用的结构的平均厚度范围通常是约20至约1，000 μ m。 在一些实施例中，可用的结构的平均厚度范围是约50至约500 μ m。热传递复合体可以具有多种形状，包括(例如)立方形、圆柱形、棱柱形、矩形、棱 锥形、截棱锥、圆锥形、截圆锥、十字形、具有平顶面的柱形、半球形以及它们的组合。热传递 复合体也可在尺寸上有所不同。热传递复合体的平均高度范围通常是约20至约1，000 μ m。 在一些实施例中，热传递复合体的平均高度范围是约50至约500 μ m。在一些实施例中，采 用多种形状和/或尺寸形成热传递复合体。可根据需要以手动或机械方式将金属粒子添加到先前施加的复合体的顶面和复 合体之间来实现所需的密度和取向。例如，可称量粒子以获得所需的量，然后以随机的方式 将其用手施加至先前施加的复合体的顶面。或者，可通过机械手段在规定位置处将粒子插 入先前施加的复合体。所提供的结构化热传递制品可用在冷却系统中，例如用在诸如热虹 吸器之类的被动式冷却系统中。可以将该结构化热传递制品直接应用于发热装置或与发热 装置热连通的散热装置。所提供的结构化热传递制品在至少lOW/cm2的热通量下可具有至 少3瓦特/每平方厘米/摄氏度(W/cm2/°C)的热传递系数。在一些实施例中，所提供的结 构化热传递制品在至少lOW/cm2的热通量下的热传递系数为至少6W/cm2/°C。诸如氢氟醚 之类的无色透明、具有良好的毒理性质且环境友好的流体可用于促进热传递。NOVEC工程 流体(如得自 3M Company (St. Paul,MN.)的 HFE-7000、HFE-7100、HFE_7200 和 HFE-711PA) 是可用于具有所提供的结构化热传递制品的系统的流体。也可以使用更常见但环境友好性 较差的流体，如氢氟烃致冷剂，例如HFC-13^或HFC-M5fa。也可使用氢氟烯烃致冷剂，如 HF0-1234yf。还可考虑的是，诸如丙烷或丁烷之类的烃致冷剂可用作热传递流体。通过以下实例进一步说明本发明的结构化热传递制品的优点和其它实施例，但在 这些实例中列举的具体材料及其量以及其它条件和细节不应被视为是对本发明的结构化 热传递制品的不当限制。例如，用于形成前体金属团粒的金属可有所不同。除另有说明外， 否则所有的份数和百分数均以重量计。实例材料前体金属团粒包含325目以下的铜粒子，所述铜粒子上有利用美国专利公布 2005/0095189 Al中所述的方法溅涂的银。所得到的粒子含有0. 4-0. 9重量％的Ag。这些 铜粒子的来源是Chem Copp铜粉 1700FPM(American Chemet Corporation,Deerfield, II) 使用下述方法制备结构化热传递制品并进行沸腾实验。热传递制品的制备比较例热传递制品的基底由5. Ocm直径的机械加工的铜盘(0. 3cm厚)制成。这些盘 的一个表面具有Imm的热电偶凹槽，所述凹槽被机械加工成约2mm深，并终止于盘中心 线。该表面还被磨平并抛光。将前体金属团粒与13重量％的扩散泵油(Dow 704，由DowChemical (Midland Michigan, USA)制造)混合。采用常规的手动丝网印刷技术和聚合物 目筛网(45-180W IM EllF 0.5 30d STD，由 kfar (Thai Switzerland)制造)，将此菜料施 加到铜盘裸露的一侧的中心25mm直径的范围上。所得到的涂层每平方厘米含有0. 052g前 体金属团粒。实例 1如上所述制备包含前体金属团粒的热传递涂层。通过切碎一块铜毛件(#706，由 Palmer Engineered Products (Springfield OH)制造)制备直径为 75 μ m 且长度为 2mm 的 铜微粒。手动将这些铜纤维以密度约0. 025g/cm2施加至包含前体金属团粒的热传递涂层 的圆形区的顶面。把比较例和实例1两者均放入真空炉中。将压力降至0. OOlmm汞柱以下，同时以 约14°C /分钟将炉温升高到300°C，并在300°C保持15分钟以除油。然后以约14°C /分钟 将炉子加热到850°C，在该温度下保持一小时，然后让其冷却至接近室温，此后打破真空和 取出部件。液池沸腾设立能够快速测试多个结构化热传递制品的装置。该装置包括顶帽形状的铜基 座，该铜基座具有40mm直径的底部，IOmm高，此处直径减小到25mm。总高为20mm。将25mm 直径的表面磨平并抛光。将云母加热器(Minco HM6807R3.9L12T1)螺栓连接至40mm直径 的表面。所述装置还包括将前述铜基座加热器组件保持在绝缘面顶面的组件架，抛光面 朝上。该组件架还保持不锈钢铠装热电偶平行于抛光面且高出抛光面约2mm，并且终止于 其中心线。将热传递制品设置在抛光面顶面上，在界面上有基于金钢石的热界面油脂(3M developmental TIM AHS-1055M)。其以这样的方式应用以轴向应力将热电偶插入该热传 递制品上的热电偶凹槽，以确保在热电偶顶端有良好的热接触。这提供了散热器温度Tsink。 凸轮锁紧机构使该组件贴靠25mm直径的带垫圈的玻璃管(密封至铜盘)并施加所需的压 力，从而获得良好的热界面。玻璃管与气冷式冷凝器相连，该冷凝器在顶端与环境压力相通。使用与上述装置类似的装置在结构化热传递制品在垂直平面上取向时对其进行 测试。该装置使用丙烯酸类树脂壳体代替前述玻璃管。这样建立了邻近沸腾表面的大约 15cm3的圆柱形室，一通道从所述沸腾表面径向向上伸至气冷式冷凝器。然后通过前述组件的顶端加入约15mL的3M NOVEC工程流体HFE-7000 (可得自3M Company (St. Paul, MN))，以在热传递制品顶上形成液池。使用插入玻璃管中处于液体上方 且在冷凝器下方的热电偶测量流体饱和温度Tsat。τ自动数据采集系统对加热器施加直流电 压V。最初将电压设定成达到大约Q = SOW的功率。然后以IOW递增的方式提高功率，直到 Tsink超过预设限，表示已经达到临界或干涸热通量。在提高到下一增量之前，记录加热器电 压V和电流I。然后根据测试盘的带涂层表面的面积η D2/4，用这些来计算对加热器的热 通量Q〃
权利要求
1.一种多孔结构化热传递制品，其包括多个前体金属团粒，其包括内部部分和外部部分，所述内部部分包含选自铝、铜、银以 及它们的合金的第一金属，所述外部部分包括合金，所述合金包含所述第一金属和选自铜、 银、硅和镁的第二金属，其中所述第一金属和所述第二金属不同；多个间隙元件，其设置于所述多个前体金属团粒中的至少两个之间并使它们彼此相 连，所述间隙元件包括所述外部部分的合金；和多个金属粒子，其至少部分地嵌入所述外部部分的合金中。
2.根据权利要求1所述的制品，其中所述第一金属包含铜或铝。
3.根据权利要求1所述的制品，其中所述间隙元件包括银和铜的合金或铝和镁的合金。
4.根据权利要求1所述的制品，其中所述内部部分还包括金钢石。
5.根据权利要求4所述的制品，其中所述金钢石包含中间涂层，所述中间涂层包含选 自铬、钴、锰、钼、镍、硅、钽、钛、钨、钒、锆以及它们的合金的碳化物形成物，其中所述第一金 属附连至所述中间涂层。
6.根据权利要求1所述的制品，其中所述前体金属团粒具有5至50微米的平均直径范围。
7.根据权利要求1所述的制品，其中所述粒子包含铜。
8.根据权利要求1所述的制品，其中所述粒子在所述制品的表面上的填充量为约0.02 至 0. 06g/cm2o
9.根据权利要求1所述的制品，其中所述粒子具有约Imm至约IOmm长和约25μ m至约 100 μ m直径的平均尺寸。
10.根据权利要求1所述的制品，其中所述粒子的长径比大于20。
11.一种冷却系统，其包括根据权利要求1所述的结构化热传递制品。
12.根据权利要求11所述的冷却系统，其包括热虹吸器。
13.一种电子器件，其包括冷却系统，所述冷却系统包括根据权利要求1所述的结构化 热传递制品。
14.根据权利要求13所述的电子器件，其中所述器件是微处理器、绝缘栅双极晶体管 或它们的组合。
15.根据权利要求13所述的电子器件，其中所述结构化热传递制品的取向基本上垂直 于水平面。
16.一种形成结构化热传递制品的方法，该方法包括提供热传递涂层，所述热传递涂层包括粘结剂和多个前体金属团粒，所述前体金属团 粒包括内部部分，所述内部部分包括熔融温度为Tmpl的第一金属，和 外部部分，所述外部部分包括熔融温度为Tmp2的第二金属； 将多个金属粒子施加至所述涂层；以及将所述组合物加热至低于Tmpl和Tmp2的温度以形成包含所述第一金属和所述第二金属 的合金，所述合金使所述多个前体金属团粒彼此粘结，其中所述粘结形成了多孔基体，并且 其中所述多个金属粒子至少部分地嵌入所述基体的至少一部分中。
全文摘要
本发明提供了一种多孔结构化热传递制品，其包括多个前体金属团粒和设置在所述多个前体金属团粒之间并使它们彼此相连的多个间隙元件以及至少部分地嵌入所述间隙元件中的多个金属粒子。所述前体金属团粒包括内部部分和外部部分，所述内部部分包括第一金属，所述外部部分包括合金，所述合金包含所述第一金属和第二金属。所述间隙元件包括所述外部部分的所述合金。
文档编号C23C26/02GK102066865SQ200980123215
公开日2011年5月18日 申请日期2009年3月25日 优先权日2008年4月24日
发明者菲利普·E·图玛 申请人:3M创新有限公司