专利名称：散热装置及使用楔形锁系统形成散热装置的方法
技术领域：
本发明大体上涉及将热解石墨(Thermo Pyrolytic Graphite,TPG)固定到金属材 料上以用作用于各种用途的散热装置的方法，且更具体而言，本发明涉及使用楔形锁系统 (wedge-lock system)将TPG元件可释放地固定到金属材料上以形成散热装置的方法。
背景技术：
现代嵌入式计算机系统在体积受约束的环境中包含热功率非常高的电气元件。体 积通常不随元件的功率耗散的增大而变化，这在元件温度的管理中带来重大挑战。在过去， 一直使用例如由高导热材料(例如铝及/或铜)构成的主动散热装置或被动散热装置等各 种直接冷却技术来管理上升的温度。然而，这些材料仅在向气流呈现相对大量的表面区域 时才足以胜任，这需要具有在实体上较大的散热装置结构，该较大的散热装置结构占用大 量的总可用体积。随着散热装置的实体大小的增大，材料快速地将热量排向散热装置的末 端(从而将热量暴露于气流)的能力会降低。已发现与传统的金属材料相比，热解石墨(TPG)材料具有在单一(X-Y)平面中提 供更好导热性的能力。此外，已发现与铜相比，TPG的总传导性提高。最近，已开发出一种利 用扩散结合工艺将TPG嵌入铝结构中的方法。尽管扩散结合工艺可使TPG材料与铝结构之 间进行非常好的热接触，然而其局限性在于需要专门的设备来在费时的工艺中形成TPG嵌 入结构，从而导致产品成本昂贵。有鉴于此，需要一种形成节省成本的产品的方法，在该方法中，将TPG固定到例如 铝结构等金属材料上来形成金属导热结构(即散热装置)，以在X-Y平面中提供有效的导热 性。另外，假如该方法是可容易再现的并且可使用许多不同类型的设备在许多不同的设施 中运行，则将较为有利。
发明内容
在一个方面，提出一种用于形成散热装置的方法。该方法包括形成至少一个TPG 元件，其中该至少一个TPG元件包括具有楔形表面的第一侧和具有平整表面的第二侧；在 该至少一个TPG元件上覆盖(layer over)金属材料，其中该金属材料被配置成与该至少一 个TPG元件的第一侧互补；以及施加压力，以将金属材料固定到该至少一个TPG元件上。在另一方面，提出一种用于形成散热装置的方法。该方法包括穿过至少一个TPG 元件形成至少一个孔，其中该至少一个TPG元件被配置成与至少一个可膨胀套管互补；穿 过金属材料形成至少一个孔，该至少一个孔被配置成大于该至少一个可膨胀套管；以及利 用固定件将该至少一个可膨胀套管插入金属材料中的该至少一个孔中。在又一方面，提出一种散热装置。该散热装置包括至少一个TPG元件，该至少一个 TPG元件包括具有楔形表面的第一侧与具有平整表面的第二侧。另外，该散热装置包括连接 至该至少一个TPG元件的第一侧的金属材料。在又一方面，提出一种散热装置。该散热装置包括至少一个TPG元件，该至少一个TPG元件包括第一侧，该第一侧具有穿过该至少一个TPG元件的至少一个孔；以及金属材 料，该金属材料连接至该至少一个TPG元件中的该至少一个孔的内表面。该至少一个TPG 元件被配置成与至少一个可膨胀套管互补。
图1描绘根据本公开内容的示范性方法的待被固定的TPG元件和金属材料；图2描绘图1所示的TPG元件的端部；图3描绘利用根据本公开内容的示范性方法所形成的示范性散热装置的分解图；图4描绘根据图3所示方法定位于TPG元件上的金属鳍片组件的立体图；图5描绘散热装置中的导热性的X-平面、Y-平面及Z-平面；以及图6描绘利用根据本公开内容的示范性方法所形成的示范性散热装置的分解图。
具体实施例方式本公开内容涉及将热解石墨(TPG)固定到金属材料上以形成散热装置。如本文所 用，“TPG”是指任何石墨基材料，其中石墨沿一个方向对齐以实现最佳的热传递。这些材料 通常称为“对齐的石墨”、“TPG”及“高定向热解石墨(HOPG) ”。TPG元件在散热装置的X-Y 平面中提供改良的导热性。更具体而言，已发现与传统的热解决方案相比，通过利用本公开 内容所提供的将TPG元件固定到金属材料上的方法，可使因使用例如计算机系统等电气系 统所形成的温度降低约10°C或更多。此种改良的温度释放使电气系统的功率容量在相同的 体积环境中几乎加倍。此外，功率的增大可使得能够支持原本不能支持的系统，或可使现有 系统能够用于具有更高环境温度的环境中。如上所述，通过将TPG固定到金属材料上形成散热装置。可利用本领域已知的用 于制造TPG元件的任何适当的方法及/或设备并在本文所提出的教导的指导下获得TPG元 件。还可从例如位于美国 Wilton, Connecticut 的 Momentive Performance Material 公司 等供应商商购获得TPG元件。更具体而言，该方法大体上包括形成至少一个楔形TPG元件。在楔形TPG元件上 覆盖金属材料，并且金属材料被配置成与TPG元件的楔形表面侧互补。施加压力，以将金属 材料固定到楔形TPG元件上。如图1所示，TPG元件100被配置成楔形元件。更具体而言，楔形TPG元件100包 括条带，该条带包括具有楔形表面的第一侧10和具有平整表面的第二侧12。如图1所示， TPG元件100的第一侧10相对于中间表面34以约45度的角度在相对的第一表面30与第 二表面32上逐渐变窄。尽管在图1中显示为相对的表面，然而所属领域的技术人员应认识 到，在不背离本公开内容范围的情况下，第一表面30与第二表面32可相互直接接触。在特定实施例中，如图2所示，楔形TPG元件100在第一表面30处或附近的厚度 与在第二表面32处或附近的厚度不同。不受限制地，如图2所示，第一表面30的厚度约为 0. 060英寸，而第二表面32的厚度约为0. 050英寸。尽管在图2中显示为具有不同的厚度， 然而所属领域的技术人员应理解，在不背离本公开内容范围的情况下，第一表面30处或附 近的厚度可等于第二表面32处或附近的厚度。应注意，楔形TPG元件100的厚度可从一个 表面30至相对的表面32而变化(或不变化)，但是第一表面30的宽度与第二表面32的宽度可仍相等。此外，应理解，第一表面30可薄于第二表面32。还应认识到，在不背离本公开 内容范围的情况下，可有多于一个表面(即第一表面30)为楔形的。尽管TPG元件100的一个或多个尺寸可不同，然而在一个实施例中的TPG元件100 的厚度近似地为从约0. 05英寸至约0. 06英寸。形成至少一个TPG元件100以用于本公开内容的方法中。TPG元件100的尺寸、 TPG元件100的数量及/或相邻TPG元件100之间的间隔将取决于所期望的最终产品。然 而，通常，适于使用多于一个TPG元件100来形成散热装置(在图3中显示为500)。如上所述，该方法还包括将金属材料300覆盖到一个或多个TPG元件100上。金 属材料300通常由具有高导热性的材料制成。例如，金属材料300包括铝及/或铜。在一 个实施例中，金属材料300是铝。已显示的是，铝与铜二者在用于散热装置中时提供高的传 导性。更具体而言，铝在用于散热装置中时在“Z”平面(在图5中示出)中提供良好的导 热性。然而，如上所述，铝与铜独自无法在X-Y平面中提供足够的热传递，并且因此，本公开 内容已将TPG与铝及/或铜结合。在一个实施例中，金属材料300被配置成与TPG元件100的第一侧10互补。更具 体而言，如图1所示，金属材料300被覆盖或定位在TPG元件100的第一侧10上。此种配 置能够实现如下文所详述的锁固定系统。在一个实施例中，如图3所示，金属材料300包括金属鳍片组件302。金属鳍片组 件302提供更大的用于导热的表面区域，从而有利于从例如集成半导体电路(如CPU)等热 源元件(图未示出)进行更加高效率且有效的热释放。在特定实施例中，金属鳍片组件302 约为6英寸X5英寸且厚度约为0.3英寸。在一个实施例中，鳍片组件302包括多个鳍片 304，每一鳍片304具有约0. 24英寸的高度和约0. 024英寸的厚度。鳍片组件302的相邻 鳍片304之间的间隔约为0. 096英寸。所属领域的技术人员应理解，在不背离本公开内容 的范围的情况下，金属鳍片组件302的鳍片304可具有不同于上述的大小和间隔。在替代实施例中，金属材料300是经传导冷却的热框架(图未示出)，其旨在将热 传递到与冷壁接触而不是与空气接触的热框架(heatframe)的一个或多个边缘。经传导冷 却的热框架在本领域中是已知的并且可从例如位于Morrisville，North Carolina的商业 供应商Simon Industries公司商购获得。除TPG元件100和金属材料300夕卜，在一些实施例(如图3与图4所示)中，热隔 板400以一种配置形式被覆盖到TPG元件100 (或条带保持板200，当使用时)上，使得TPG 元件100定位于热隔板400与金属材料300之间。热隔板400用于将热源元件(图未示 出)连接至散热装置500。此外，热隔板400能够将热扩散到金属材料300的边缘。通常，热隔板400被配置成与热源元件互补，如下所述。热隔板400可由与上述金 属材料300相同的材料或不同的材料制成。适用于提供热隔板400的材料包括例如金属材 料(包括铝及/或铜)。在一个实施例中，热隔板400是铜。如上所述，热隔板400通常被配置成与热源元件互补。一般地，热源元件是电气热 源元件，例如集成半导体电路或CPU。如上所述，在热源元件(例如CPU)的使用期间，会产 生大量的热，这些热必须释放到外部环境以防止热源元件出现过热及/或故障。例如，集成 电路可耗散约30瓦或更大的热功率，这使芯片(die)的温度超过约100°C。必须释放此种 热以防止集成电路出现过热。
如图3与图4所示，在一个实施例中，一旦被覆盖，TPG元件100和金属材料300便 被连接至条带保持板200。更具体而言，TPG元件100的第二侧12(图1所示)的扁平表面 连接至平坦的条带保持板200。举例来说，在一个如图3所示的实施例中，TPG元件100利 用机械连接装置(例如一个或多个螺钉120)附装至条带保持板200上。尽管在图3中显 示为螺钉，然而所属领域的技术人员应理解，TPG元件100可利用本领域已知的任何适当的 机械连接装置连接至条带保持板200。一般地，提供条带保持板200，以抵靠金属材料300向TPG元件100施加力，从而 将TPG元件100与金属材料300之间的热界面减到最小，并且进一步增加散热装置500的
结构支撑和强度。通常，条带保持板200是由铝及/或铜制成。在一个实施例中，条带保持板200是 由铝制成。在一个实施例中，本公开内容的方法包括对TPG元件100的第一侧10涂敷金属基 涂料。更具体而言，在使用时，通常对TPG元件100的面向金属材料300的第一侧10涂敷 金属基涂料。对TPG元件100的第一侧10涂敷例如铝、铜、铁、银、金、镍、锌、锡或其组合等 金属的层。在特定实施例中，金属基涂料是具有镍外层的铜涂料。在替代实施例中，使用铟 涂层作为金属基涂料。金属基涂料适当地提供机械强度。金属基涂料通常具有至少约0. 001英寸的厚 度。更适当地，金属基涂料具有从约0. 006英寸至约0. 025英寸的厚度。可以本领域已知的任何适当的图案对TPG元件100的第一侧10涂敷金属基涂料。 例如，在一个实施例中，以交叉阴影线图案涂敷金属基涂料。在替代实施例中，则以条带形 图案涂敷金属基涂料。除金属基涂料外，在一个实施例中，该方法包括对TPG元件100的第一侧10涂敷 热界面材料20。更具体而言，如图1所示，总体上指示为20的热界面材料适当地设置于金属 材料300与TPG元件100之间。可期望热界面材料20减小散热装置500中的两个元件之间 (例如TPG元件100的第一侧10与金属材料300之间)的热阻。一种示范性的适当热界面 材料20是可从位于美国Chanhassen，Minnesota的Bergquist公司商购获得的Bergquist TIC4000。本公开内容的方法包括将TPG元件100 (及保持板200，当使用时)固定到金属材 料300(及热隔板400，当使用时)上，以形成散热装置500。适当地，对TPG元件100和金 属材料300进行固定以形成散热装置500，散热装置500被配置成有利于使热从热源元件向 热隔板400 (当使用时)、然后通过TPG元件100和金属材料300传导至周围环境。适当地，固定步骤包括向楔形锁金属材料300和TPG元件100 —同施加压力。可 利用本领域已知的任何适当的手段来施加压力。压力的量将通常取决于所使用的金属材料 和要被锁紧在一起的TPG元件100的尺寸及/或数量。如上所述，利用本公开内容的方法，TPG元件100被可释放地固定到金属材料300 上。也就是说，本公开内容中所使用的用于固定的楔形锁系统使得能够以方便且容易的方 式拆卸和重新组装散热装置500。在一个替代实施例中，进一步利用导热粘合剂(图未示出)将TPG元件100固定到 金属材料300上。通常，对TPG元件100和金属材料300中的至少一者以及热隔板400 (当
7使用时)涂敷该粘合剂。更具体而言，可一般利用本领域已知的任何方法，以半固体状态 (例如以糊剂或凝胶状形式)涂敷该粘合剂。在一个实施例中，导热粘合剂是可从位于美国Visalia，Califirbia的Arctic Silver, Inc.商购获得的Arctic Silver Epoxy0所使用的粘合剂的量将通常取决于具体 的散热装置配置。在一个实施例中，利用注射器和抹刀来涂敷约1. 5mL的粘合剂，以在TPG 元件100、金属材料300及热隔板400上将粘合剂涂抹成薄层。在另一实施例中，如图6所示，至少一个TPG元件700被配置成包含至少一个孔 750，该至少一个孔750的大小与可膨胀套管900互补。如本文所用，可膨胀套管900可为 本领域已知的任何适当的可膨胀套管。此外，用于使可膨胀套管900膨胀的具体方法可为 本领域已知的用于使可膨胀套管900膨胀的任何方法。可膨胀套管900的大小及/或尺寸 将通常取决于至少一个孔750的大小和具体散热装置配置及/或尺寸。另外，金属材料600包含至少一个孔610，该至少一个孔610的大小足够大于TPG 元件700中的孔750，使得可膨胀套管900在膨胀时压靠在TPG元件700的而不是金属材料 600的内表面上。可膨胀套管900的形状使得当紧固件740插入其中时，其外表面会膨胀。 在一个实施例中，如图6所示，穿过可膨胀套管900插入渐缩形螺钉740。此外，将渐缩形螺 钉740穿过可膨胀套管900、穿过具有大到足以容置渐缩形螺钉740的孔820的保持板800 并且插入螺母742中。当渐缩形螺钉740被旋紧时，可膨胀套管900的外表面(本文中也 称为壁)会膨胀而压靠在TPG元件700的内表面上，从而减小热界面。在一个实施例中，可膨胀套管900的外表面涂覆有热界面材料(图未示出)。热 界面材料填补可膨胀套管900的外表面中的缺陷，以形成具有较低热阻的热界面。在一个 实施例中，热界面材料是可从位于美国Chanhassen，Minnesota的Bergquist商购获得的 TIC-4000，并且以条带形的图案涂敷于可膨胀套管900。尽管已对本发明的各种具体实施例进行了说明，但本领域的技术人员将认识到可 在权利要求所述的精神与范围内对本发明作出修改。
权利要求
一种用于形成散热装置的方法，所述方法包括形成至少一个热解石墨(TPG)元件，所述至少一个热解石墨元件包括具有楔形表面的第一侧和具有平整表面的第二侧；在所述至少一个热解石墨元件上覆盖金属材料，所述金属材料被配置成与所述至少一个热解石墨元件的第一侧互补；以及施加压力，以将所述金属材料固定到所述至少一个热解石墨元件上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个热解石墨元件被形成为条带。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成多个热解石墨元件。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个热解石墨元件附装至条带保 持板上，所述条带保持板附装至所述热解石墨元件的第二侧上。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个热解石墨元件还利用导热粘 合剂附装至所述金属材料上。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述至少一个热解石墨元件上覆盖选自 铝、铜及其组合的所述金属材料。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述至少一个热解石墨元件上覆盖包含 金属鳍片组件的所述金属材料。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述至少一个热解石墨元件上覆盖包含 经传导冷却的热框架的所述金属材料。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在所述至少一个热解石墨元件的第二 侧上覆盖热隔板，所述至少一个热解石墨元件位于所述热隔板与所述金属材料之间。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述至少一个热解石墨元件的第二侧上 覆盖由以下材料构成的所述热隔板所述材料选自铝、铜及其组合。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在覆盖所述金属材料之前，对所述至 少一个热解石墨元件的第一侧涂敷金属基涂料。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在所述金属材料与所述至少一个热 解石墨元件之间涂敷热界面材料。
13.一种用于形成散热装置的方法，所述方法包括穿过至少一个热解石墨(TPG)元件形成至少一个孔，其中，所述至少一个热解石墨元 件被配置成与至少一个可膨胀套管互补；穿过金属材料形成至少一个孔，所述至少一个孔被配置成大于所述至少一个可膨胀套 管；以及利用紧固件将所述至少一个可膨胀套管插入所述金属材料中的所述至少一个孔中。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述至少一个热解石墨元件上覆盖选 自铝、铜及其组合的所述金属材料。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述至少一个热解石墨元件上覆盖包 括金属鳍片组件的所述金属材料。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述至少一个热解石墨元件上覆盖包 括经传导冷却的热框架的所述金属材料。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括在安装所述至少一个可膨胀套管之前，对所述至少一个热解石墨元件的表面涂敷金属基涂料。
18.一种散热装置，包括至少一个热解石墨(TPG)元件，所述至少一个热解石墨元件包括具有楔形表面的第一 侧与具有平整表面的相对的第二侧；以及金属材料，所述金属材料连接至所述至少一个热解石墨元件的第一侧。
19.如权利要求18所述的散热装置，其特征在于还包括连接至所述至少一个热解石墨 元件的第二侧的条带保持板。
20.如权利要求18所述的散热装置，其特征在于，在所述金属材料与所述至少一个热 解石墨元件之间设置热界面材料。
21.一种散热装置，包括至少一个热解石墨(TPG)元件，所述至少一个热解石墨元件包括第一侧，所述第一侧 具有穿过所述至少一个热解石墨元件的至少一个孔，其中，所述至少一个热解石墨元件被 配置成与至少一个可膨胀套管互补；以及金属材料，所述金属材料连接至所述至少一个热解石墨元件中的所述至少一个孔的内表面。
22.如权利要求21所述的散热装置，其特征在于还包括设置于所述金属材料、所述至 少一个热解石墨元件及所述至少一个可膨胀套管之间的热界面材料。
全文摘要
本公开内容涉及一种散热装置及一种用于形成散热装置的方法。在一个实施例中，一种用于形成散热装置的方法包括形成至少一个热解石墨(TPG)元件。该至少一个TPG元件包括具有楔形表面的第一侧和具有平整表面的第二侧。该方法还包括在该至少一个TPG元件上覆盖金属材料，该金属被配置成与该至少一个TPG元件的第一侧互补；以及，施加压力以将金属材料固定到该至少一个TPG元件上。
文档编号H01L23/373GK101911270SQ200880124023
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月14日 优先权日2007年12月28日
发明者D·L·麦唐纳, D·S·斯拉顿 申请人:通用电气智能平台有限公司