热提升装置的制作方法

专利名称：热提升装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来将电子器件中的热源和散热器件之间的间隙桥接连接的热提升装置。更具体地，本发明的热提升装置包含由膨胀石墨压缩颗粒形成的注入树脂石墨制品。
背景技术：
随着越来越多的精密复杂的电子器件的发展，包括那些能提高处理速度和更高的频率具，有较小尺寸和更复杂的动力装备，以及体现其它技术改进，例如电子和电学部件中的微处理器和集成电路，象便携式电脑、手机、掌上电脑(PDA)、数码相机等；高容量及相应记忆部件，例如硬盘；电磁源，例如数字放映机中的电灯泡；以及诸如高能光学器件的其它器件，都能产生相对极高的温度。事实上，安装于交通工具仪表板上的电子器件也能产生高温。在这些部件运行过程中产生的过多热量不仅妨碍其本身的性能，而且也能降低整个系统的性能和可靠性，甚至造成系统故障。电子器件日益期待在更宽范围的外部环境中运行，包括极限温度，其加剧了过多高量的负面影响。
随着从微电子器件中散热需要的不断增加，热管理在电子产品设计中的重要性逐渐增加。电子装置的性能可靠性和预期寿命都与装置的部件温度反向相关。例如，诸如典型硅半导体的器件其工作温度降低能引起该器件处理速度、可靠性和预期寿命的提高。因此，为使部件的寿命期限和可靠性最大化，将器件的操作温度控制在设计者设定的范围内是极为重要的。
通常公知石墨是一种重量相对轻、适用于从诸如电子部件热源散热的材料，但特殊的石墨是如下文所述的天然石墨和柔性石墨。这些材料是各向异性的，并可使散热器件设计成在选定方向上优先传热。石墨材料比诸如铜和铝的金属材料轻很多，而且当其本身用于散热时，即使与金属材料结合使用，也具有优于铜或铝的许多优点。
例如Tzeng在美国专利第6,482,520号中讲解了一种基于石墨的热管理系统，其包括由石墨制品形成的热壑，其形成为具有热量聚集表面和至少一个散热表面。Krassowski和Chen在国际专利第PCT/US02/38061号中将Tzeng的理念进一步发展，他们在其中讲解了在石墨基中的高导热插件的应用。事实上，已经提出了将膨胀石墨压缩颗粒(即柔性石墨)用于散热器、热界面及吸热器的构成部分以散发热源产生的热量(参见，例如，美国专利第6,245,400；6,482,520；6,503,626；和6,538,892号)。
但是，从电子器件上有效散热方面出现的一个问题在于，在一些电子器件中，尤其在便携式器件例如便携式电脑、掌上电脑(PDA)、手机等中的空间需求和限制。在这些器件中，放置热壑或其它散热器件与热源直接有效接触是不可行的。在热源和散热器件间往往存在间隙，尤其在出于功能性需要热源位于线路板上，而为了进行有效散热散热器件位于电子装置表面的情况下。尽管在某些情况下可使用常规填缝剂或类似物，但热源和散热器件间的间隙对于普通填缝剂来说往往太大而不能使用。例如，缝隙的范围可为约15mm至约50mm，甚至高达65mm。同样，在这些情况下缝隙可能太小而不能使用常规的导热器件，另外，其通常没有足够的接触面积为热源和热壑之间的缝隙桥接(而且在任何情况下都是费用昂贵的)。在这些情况下，需要一种象热壑一样将热量从热源有效传递到散热器件的方法。
因此，一直需要提供一种热提升装置，在常规填缝剂等无效时，其能够将热源和散热器件之间的间隙桥接连接。
石墨是由碳原子的六边形排列或网状结构的层面构成的。这些碳原子的六边形层面十分平坦且是定向和整齐的，使得相互间高度平行和等距。该高度平坦、平行等距的碳原子片或层，通常指石墨层或基面，连接或结合在一起，其聚集体形成微晶。高度有序的石墨由相当大尺寸的微晶组成该微晶相互之间高度地对齐或定向并具有有序的碳层。换句话说，高度有序的石墨具有高程度的首选微晶定向性。值得注意的是石墨具有各向异性结构，因而显示出或具有许多高度方向性，如导热性和导电性及流体扩散。
简而言之，石墨可以碳的叠层结构为特征，即结构是由通过弱的范德华力结合在一起的碳原子叠层或薄片组成。考虑石墨结构通常注意两个轴或方向，即“c”轴或方向和“a”轴或方向。简单而言，该“c”轴或方向可认为是垂直于碳层的方向。“a”轴或方向可认为是平行于碳层的方向或垂直于“c”轴的方向。适于制造柔性石墨片材的石墨具有很高水平方向性。
如上所述，维持碳原子平行层聚集的结合力仅是弱的范德华力。可以处理天然石墨使其叠置碳层或薄片间的间隙略微打开，从而在垂直于碳层的方向上，即在“c”方向上提供显著的膨胀，由此形成膨胀或扩大的石墨结构，其中充分保留了碳层的片状特性。
无需在膨化石墨的粘着或结合层之中使用粘合剂就能够形成极大膨胀的片状石墨，更特别地，膨胀的最终厚度或“c”方向尺寸是原“c”方向尺寸的约80倍或更多，例如，网状、纸状、条状、带状、叶片状、小垫状等(典型地称为“柔性石墨”)。可以确信的是，由于获自大量膨胀的石墨颗粒间的机械联锁或结合，无需使用任何粘结物质，通过压缩可使得膨胀的最终厚度或“c”方向尺寸是原“c”方向尺寸的约80倍或更多的石墨颗粒形成结合的柔性片材是可能的。
除了弹性，还发现上述片状材料在很高的压力如辊压下，由于膨胀的石墨颗粒和石墨层的方向性与相对层面大致平行，在导热性和导电性及流体扩散方面具有高水平的各向异性，这些与天然石墨原材料相当。由此制备的片材具有极好的弹性、良好的强度和很高水平的方向性。
简而言之，制备弹性、无粘合剂的各向异性石墨片材，例如网状、纸状、条状、带状、叶片状、小垫状等的方法包括在预定的负荷及无粘合剂的条件下进行压缩或压紧，从而使具有“c”方向厚度是原颗粒的约80倍或更多的膨胀的石墨颗粒形成相当平坦、有弹性、结合的石墨片。外观通常是虫状或蠕虫状的该膨化石墨颗粒一旦被压缩，将保持压缩形变并与该片材相对的主表面对齐排列。可通过控制压缩程度来改变片材的密度和厚度。片材的厚度可以在约0.04g/cm3至约2.0g/cm3的范围内。由于石墨颗粒平行于主要相对该片材平行平面的整齐排列，使该柔性石墨片材显示出可观程度的各向异性，随着片材在辊压下各向异性程度的增加其方向性增加。在辊压的各向异性片材中，受尺寸的影响，片材在″c″和″a″方向，其厚度，即垂直于相对的平行片表面包括″c″方向的方向，和沿着长度和宽度，即沿着或平行于相对主表面包括″a″方向的方向，以及热、电和流体扩散特性有很大不同。

发明内容
本发明提供由膨胀石墨压缩颗粒形成的石墨基热提升装置。更明确地，本发明的热提升装置是由注入环氧树脂的石墨制品在升高的温度和压力下压缩(如通过砑光机)然后固化形成的。得到的材料显示出意想不到的机械和热学特性并具有良好的机械加工性。该热学特性表现为石墨制品可以有效地将热量从热源传递到诸如热壑的散热器件中。因为此热传递的功效，由热源产生的热量被散发到预期的更大范围。
本发明的热提升装置包括膨胀石墨压缩颗粒(有时用专业术语“柔性石墨”表示)。本文中使用的术语“柔性石墨”也指单层或叠层热解石墨。本发明的热提升装置中使用的柔性石墨制品具有的平面内导热系数比其穿过平面导热系数高很多。换句话说，本发明的制品具有相对高的(约10或更大)各向异性比率。该各向异性比率是平面内导热系数对穿过平面导热系数的比率。
通过形成柔性石墨热提升装置，可提供一种热提升装置制品来有效地桥接连接热源和散热器件间的间隙。此外，本发明的热提升装置可被塑造成适合需要的形状，并提供直接的导热通道实现最佳热传导。
本发明的热提升装置包括两个有效表面，其中之一设置为有效接触热源，如电子器件中的硬盘或电子芯片。实际上可将热提升装置置于直接与热源接触；或者，可将热界面等材料置于热提升装置和热源之间。本发明的热提升装置的第二有效平面设置为有效接触散热器件，如热壑的底部。可保持在热提升装置和热壑间的直接接触，或有热界面置于其间。
由于本发明的热提升装置由各向异性的柔性石墨形成，因此可将热提升装置中的高热传导率的平面排列成可以使热量以尽可能有效的方式在热源和散热器件间传导。例如，在如铜或铝的各向同性材料中，来自热源的热量延着金属材料的整个表面均等传导。但使用各向异性柔性石墨热提升装置可以将热量首先定向为从一个热提升装置的主表面至另一个。
本发明的热提升装置被制成使热源和散热器件间的热传递最优化，尽管最通常的形状是矩形块，其有效面包括该热提升装置的两个相反的表面。通常，通过夹子或其它固定器件在每个器件上施加压力来保持热提升装置和热源和/或散热器件间的接触。由于会降低热传递，因此粘结剂不合需要，尽管有些时候可以使用粘结剂，如果它们是导热的或以足够薄的薄层使用以将低热量在热提升装置和热源间以及在热提升装置和热壑间传递中的热损耗量。
因此，本发明的一个目的是提供一种便于使热量从电子器件的部件传递到散热器件的热提升装置。
本发明的另一个目的是提供一种热提升装置，其具有足够高的热各向异性比率，从而能够有效地使热源到散热制品或材料间的热量传递最优化。
本发明的再一个目的是提供一种热提升装置，其可被造成多种形状，并可在不实用的可用空间环境中提供热传递。
通过提供用于将电子器件中的热源和散热器件之间的间隙桥接连接的热提升装置，能够实现这些目的以及其它对于阅读以下说明书的本领域技术人员来说显而易见的目的，该热提升装置包括具有两个有效表面的柔性石墨制品，其中一个表面与热源的表面有效接触，而另一个与散热器件的表面有效接触。本发明还包括一种用于电子部件的散热系统，其包括本发明的热提升装置与热源和散热器件的结合。
本发明的热提升装置优选由柔性石墨制品形成，其包括至少一片在升高温度下加压固化的注入树脂的柔性石墨。例如，可在至少约90℃的温度及在至少约7Mpa的压力下将柔性石墨片加压固化，得到的密度大于约1.85g/cm3。在一个优选实施方案中，热提升装置的导热系数表现出各向异性的特点，且在一个平面内至少约为300W/m°K。最优选地，该各向异性导热系数以至少15的系数在具有较高导热系数的平面与具有较低导热系数的平面间变化。
该柔性石墨片优选具有至少约3％重量比，更优选约5％至约35％重量比的树脂含量。
本发明的热提升装置应做成与散热器件有效接触的热提升装置有效表面的尺寸和形状通常与同热提升装置接触的散热器件的表面相符。相反地，与热源有效接触的热提升装置的有效表面在尺寸上应大于同热提升装置接触的热源的表面是有利的。
可以理解，前文的一般描述和以下的详细说明一样展现本发明的实施方案，并用来提供理解本发明所提出的权利要求本质和特征的概观和基本结构。本说明书包含附图以提供对本发明的进一步理解，且编入并构成说明书的一部分。该


本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来解释本发明的原理和实施。

图1A和1B为本发明的热提升装置第一实施方案的透视图。
图2为便携式电脑部分侧视图，其具有被置于便携式电脑和散热器件之间的图1A和1B所示的本发明的热提升装置。
具体实施例方式
如上所述，本发明的热提升装置是由膨胀石墨压缩颗粒形成，通常称为柔性石墨。石墨是碳的晶体状态，含有平坦的分层的平面内共价键结合的原子，在平面间为弱键结合。通过使用插入剂(intercalant)，例如硫酸或硝酸来处理石墨颗粒，如天然片状石墨，该石墨的晶体结构发生反应形成石墨和该插入剂的化合物。下文中该处理的石墨颗粒被称为“经插入的石墨颗粒”。当暴露于高温下时，该石墨中的插入剂分解并挥发，使插入石墨颗粒的尺寸以折叠状方式在“c”方向膨胀到其最初体积的约80倍或更多，即在垂直于石墨晶面的方向上。片状石墨颗粒外表为蠕虫状，并因此称为“蠕虫”。该蠕虫可以压合成柔性片材，其不同于原始片状石墨，能被加工成形并切割成各种形状。
适用于本发明的石墨原材料包括能够插入有机酸、无机酸和卤素从而当受热时膨胀的高含碳石墨材料。这些高含碳材料最优选具有约1.0石墨化程度。本公开中使用的术语“石墨化程度”指根据下式确定的数值
g=3.45-d(002)0.095]]>其中d(002)是以埃为单位测量的石墨晶体结构中碳层间的间距。该石墨层间的间距d是通过标准X-射线衍射技术测量的。测量了(002)，(004)和(006)Miller指数相关衍射峰位，并使用标准最小平方技术导出使所有这些峰的总误差最小化的间距。高碳石墨材料的例子包括各种来源的天然石墨，以及其它含碳材料，如通过化学蒸发沉积制备的石墨、聚合物高温分解物或熔化金属溶液结晶化物等。最优选为天然石墨。
只要原料的晶体结构保持所需的石墨化水平且其能够膨胀，本发明使用的石墨原料可包括非石墨成分。通常，晶体结构具备所需的石墨化水平并可被膨胀的任何含碳材料均适用于本发明。此石墨优选具有至少约80重量比的纯度。更优选地，本发明使用的石墨具有至少约94％的纯度。在最优选的实施方案中，该使用的石墨具有至少约98％的纯度。
制造石墨片的常规方法由Shane等人在美国专利第3,404,061号中描述，该公开在此引用作为参考。在Shane等人方法的典型实践中，通过将石墨片分散于含有例如硝酸和硫酸混合物的溶液中来进行天然石墨片的插入，有利地，以每100重量份石墨片(pph)约20至300重量份插入溶液的水平进行。该插入溶液含有本领域公知的氧化剂和其它插入试剂。例子包括那些含氧化剂和氧化混合物的物质，例如含硝酸溶液、氯酸钾、铬酸、高锰酸钾、铬酸钾、重铬酸钾、高氯酸等，或其混合物例如浓硝酸和氯酸盐、铬酸和磷酸、硫酸和硝酸，或强有机酸混合物例如三氟乙酸，以及能溶于有机酸的强氧化剂。另外，可使用电势实现石墨的氧化。使用包括硫酸以及其它酸的电解氧化可将化学元素引入石墨晶体中。
在一个优选实施方案中，该插入试剂是硫酸或硫酸和磷酸同一种氧化剂，即硝酸、高氯酸、铬酸、高锰酸钾、过氧化氢、碘酸或高碘酸等的混合物溶液。尽管较不优选，该插入试剂可含有金属卤化物，如三氯化铁及三氯化铁与硫酸混合物；或卤素，如溴和硫酸溶液中的溴，或有机溶剂中的溴。
插入溶液量的范围可为约20至约350pph，尤其是约40至约160pph。在片材被插入后，过量的溶液从片材中排出，片材用水洗涤。另外，如美国专利第4,895,713号中所教导和描述的，插入溶液的量可限制在约10和约40pph之间，既可取消洗涤步骤，该公布也引入本文作为参考。
经插入溶液处理的片状石墨颗粒可选择与还原性有机试剂接触，如混合，该试剂选自醇类、糖类、醛类和酯类，其在25℃至125℃的温度范围与氧化插入溶液的表层起反应。适合的特殊有机试剂包括十六烷醇、十八醇、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、聚丙烯乙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、马铃薯淀粉、乙二醇单硬脂酸酯、二苯甲酸二甘醇酯、丙二醇单硬脂酸酯、丙三醇单硬脂酸酯、二乙基过羟基酯(dimethyl oxylate)、二甲基过羟基酯(diethyl oxylate)、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗坏血酸和原自木质素化合物，例如木质素磺酸钠。有机还原剂的量适于约0.5至4％石墨片颗粒的重量。
在插入反应之前、之中或之后使用膨胀助剂也能提供改进。这些改进能降低膨胀温度以及增加膨胀体积(也指“蠕虫体积”)。有利地，本章的膨胀助剂为充分溶于插入溶液达成膨胀改进的有机材料。更详尽地，可优选使用专有的含碳、氢、氧类有机材料。已发现羧酸特别有效。用作膨胀助剂的适合的羧酸可选自具有至少一个碳原子，优选具有多达约15个碳原子的直链或支链、饱和或不饱和的芳香族、脂肪族或脂环族一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸，其以在一个或多个膨胀方向提供可测量的改进的有效量可溶于插入溶液。可使用适合的有机溶剂来提高有机膨胀助剂在插入溶液中的溶解性。
饱和脂肪羧酸的代表性例子为例如分子式为H(CH2)nCOOH的羧酸，其中n为0到约5的数字，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。也可以使用酸酐或活性羧酸衍生物诸如烷基酯来代替羧酸。代表性的烷基酯为甲酸甲酯或甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已知的水性插入剂能够分解甲酸最终成为水和二氧化碳。由于这个原因，甲酸和其它敏感膨胀助剂在石墨片浸入水性插入剂之前与石墨片接触是有利的。代表性的二元羧酸是具有2-12个碳原子的脂肪族二元羧酸，尤其是草酸、延胡索酸、丙二酸、马来酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊烷基二羧酸、1，6-己烷基二羧酸、1，10-癸烷基二羧酸、环己胺-1，4-二羧酸和芳香族二羧酸，如邻苯二甲酸或对苯二甲酸。代表性的烷基酯是二甲基过羟基酯和二乙基过羟基酯。代表性的脂环族酸是环己烷基羧酸，而芳香族羧酸是苯甲酸、萘甲酸、邻氨基苯甲酸、p-氨基苯甲酸、水杨酸、o-，m-和p-甲苯基甲酸(tolyl acids)、甲氧基和乙氧基苯甲酸、乙酰乙酰氨基苯甲酸和，乙酰氨基苯甲酸、苯基乙酸和萘甲酸。代表性的羟基芳香族酸是羟基苯甲酸、3-羟基-1-萘甲酸、3-羟基-2-萘甲酸、4-羟基-2-萘甲酸、5-羟基-1-萘甲酸、5-羟基-2-萘甲酸、6-羟基-2-萘甲酸和7-羟基-2-萘甲酸。柠檬酸是多元羧酸中最优选的。
插入溶液是水性的并优选含有数量为约1到10％的膨胀助剂，该量能有效加强膨胀。在助剂与石墨片接触是在该片浸入水性插入溶液之前或之后的实施方案中，该助剂可以适当方式与石墨混合，例如通过V-搅拌机，特别地，以片状石墨重量的约0.2％到约10％的量混合。
在石墨片进行插入后，并在该插入的石墨片与有机还原剂混合之后，将该混合物暴露于25°到125℃的温度范围之中来促进还原剂和插入剂涂层的反应。加热周期长达约20小时，对于上述范围的较高温度，使用较短的加热周期，如至少约10分钟。在较高温度可使用半小时或更短的时间，如定为10到25分钟。
由此处理的石墨颗粒有时称为“插入的石墨颗粒”。当暴露于高温中，如至少约为160℃的温度，尤其是约700℃至1000℃或更高，该插入石墨颗粒在c-方向，即在垂直于组成的石墨颗粒晶面方向，以折叠状方式膨胀约为其初始体积的约80到1000或更多倍。该膨胀的石墨颗粒，即膨胀石墨颗粒具有蠕虫状外观，因此通常称为蠕虫。该蠕虫可以被压合成柔性片，不同于原始片状石墨，其能被加工和切割成各种形状。
将柔性石墨片和金属薄片通过良好的结合力粘合，并通过例如辊式压制法适当压缩至厚度约为0.075mm至3.75mm，典型密度约为0.1至1.5克每立方厘米(g/cm3)。如美国专利第5,902,762号(其在本文中引用作为参考)中所述，可将约1.5-30％重量比的陶瓷添加剂与插入石墨片混合，从而对最终的柔性石墨产品提供强化的树脂注入作用。添加剂包括具有约0.15至1.5毫米长度的陶瓷纤维颗粒。颗粒的宽度适于为约0.04至0.004mm。该陶瓷纤维对于石墨是无反应活性和无粘结的，且在高达约1100℃，优选约1400℃或更高的温度下是稳定的。适合的陶瓷纤维颗粒由浸软石英玻璃纤维、碳和石墨纤维、氧化锆、氮化硼、碳化硅和氧化镁纤维、天然形成的矿物纤维如硅酸钙纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维等形成。
如国际申请第PCT/US02/39749号中描述的，通过在石墨化温度，即约3000℃及更高的温度范围，对片状石墨进行预处理，并通过向插入剂中引入润滑添加剂，可有利地加强上述片状石墨插入和膨胀方法。
该片状石墨的预处理或退火的结果是在随后进行片材的插入和膨胀时其膨胀的极度增加(即膨胀体积增加高达300％或更多)。事实上，与未经退火步骤的同样过程比较，理想的膨胀增加至少为约50％。退火步骤使用的温度不能显著低于3000℃，因为即使100℃的降低会造成膨胀的很大减少。
进行本发明的退火步骤的时间周期为足以使片材在插入反应和随后的膨胀反应产生的膨胀水平增强。特别地，需要1小时或更多的时间，优选1到3小时，且在惰性环境中进行是最有利的。为使有益效果最大化，还可对退火的石墨片进行本领域公知的其它处理以加强膨胀程度 即在有机还原剂和诸如有机酸的插入助剂中进行插入反应，并在插入反应后用表面活性剂洗涤。此外，为使有益效果最大化，可重复进行插入步骤。
本发明的退火步骤可在感应电炉或其它在石墨化领域公知及采用的类似装置中进行；此处使用的温度为3000℃范围内，其是石墨化过程中遇到的最高温度。
由于已发现使用在插入反应前进行退火的石墨生产的蠕虫有时会在一起″结块″，其可对局部的重量均匀产生负面影响，因此非常需要一种有助于形成“自由流动”蠕虫的添加剂。向插入溶液中添加润滑添加剂有利于使蠕虫更均匀分散穿过压缩装置的机床(例如通常用于压缩的砑光机台或″砑光″)将石墨蠕虫变成柔性石墨片。由此得到的片材具有更高的局部重量均匀度和更高的拉伸强度。该润滑添加剂优选为长链烃，更优选具有至少约10个碳的烃。也可使用其它具有长链烃基基团的有机化合物，即使其存在其它官能团。
更优选地，该润滑添加剂为一种油，特别考虑到矿物油不易腐败变质的特性，其为长期贮存的重要考谅，最优选为矿物油。值得注意的是以上详述的某些膨胀助剂也附和润滑添加剂的界定。当这些物质用作膨胀助剂时，在插入剂中没必要包括其它润滑添加剂。
插入剂中存在的润滑添加剂的量至少约为1.4pph，更优选至少约为1.8pph。尽管含有润滑添加剂的上限没有其下限要求的严格，但包含的润滑添加剂高于约4pph水平不会显示额外的重大优点。
由此处理的石墨颗粒有时称为“插入石墨颗粒”。当暴露于高温中，如至少约为160℃的温度，尤其是约700℃至1200℃或更高，该插入石墨颗粒在c-方向，即在垂直于组成的石墨颗粒晶面方向，以折叠状方式膨胀约为其初始体积的约80到1000或更多倍。该膨胀的石墨颗粒，即膨胀石墨颗粒具有蠕虫状外观，因此通常称为蠕虫。如在下文中描述的，该蠕虫可以被压合成为柔性制品，不同于原始石墨片，其能被加工和切割成各种形状，并通过变形机械挤压获得很小的横向开口。
通过良好的结合力将柔性石墨制品粘合，并通过例如辊式压制法适当压缩至厚度约为0.075mm至3.75mm，典型密度约为0.1至1.5克每立方厘米(g/cm3)。如美国专利第5,902,762号(其在本文中引用作为参考)所述，可将约1.5-30％重量比的陶瓷添加剂与插入石墨片混合，从而对最终的柔性石墨产品提供强化的树脂注入作用。添加剂包括具有约0.15至1.5毫米长度的陶瓷纤维颗粒。颗粒的宽度适于为约0.04至0.004mm。该陶瓷纤维对于石墨是无反应活性和无粘结的，且在高达约1100℃，优选约1400℃或更高的温度下是稳定的。适合的陶瓷纤维颗粒由浸软石英玻璃纤维、碳和石墨纤维、氧化锆、氮化硼、碳化硅和氧化镁纤维、天然形成的矿物纤维如硅酸钙纤维、硅酸钙铝纤维、氧化铝纤维等形成。
如上文所述，柔性石墨材料用树脂进行处理，而吸收的树脂在凝固后增强了柔性石墨的防潮性和操作强度，即硬度，以及制品形态的“固定”。适合的树脂含量优选为至少约5％重量比，更优选为约10至35％重量比，并适于高达约60％重量比。发现特别适用于本发明的树脂包括丙烯酸-、环氧-和酚-基树脂系列、氟基聚合物或其混合物。适合的环氧树脂系列包括那些基于二环氧甘油醚或双酚A(DGEBA)及其它多功能树脂系列，可以使用的酚类树脂包括甲阶酚醛树脂和酚醛清漆环氧酚醛树脂。任选地，在树脂之外或代替树脂，可用纤维或盐类注入柔性石墨。此外，可将反应活性或无反应活性的添加剂与树脂体系一起使用来改变特性(如粘性、物流、疏水性等)。
另外，如国际申请第PCT/US02/16730号中所述，本发明的柔性石墨片可利用重新研磨的柔性石墨片颗粒而不是新膨胀的蠕虫。该片材可以是新形成的片材、再循环片材、废料片材及其它任何适当的来源。
本发明的方法也可使用原始材料和再循环材料的混合物。
再循环材料的原材料可以是如上文所述的被压塑过的片材或片材的修整部分，或用例如前-压延辊(pre-calendering rolls)压缩过的片材，但其尚未注入树脂。此外，原材料可以是被注入树脂但还没凝固的片材或片材的修整部分，或是被注入树脂并已凝固的片材或片材的修整部分。原材料还可以是再循环的柔性石墨质子交换膜PEM燃料电池部件，例如流场板或电极。各种石墨来源中的每一个可作为天然片状石墨使用或与其结合使用。
一旦柔性石墨片的原材料是可用的，可以用公知的方法，例如喷射磨机、气磨机(air mill)、搅拌机等，将其粉碎制造颗粒。优选地，多数颗粒具有能够通过20 U.S.目的直径；更优选多数部分(多于约20％，最优选多于约50％)不能通过80 U.S.目。最优选颗粒具有不大于约20目的粒径。用来粉碎的石墨柔性片，当其已被注入树脂时，将其冷却是有益的，可以避免在粉碎操作过程中对树脂体系造成热损伤。
可选择粉碎颗粒的尺寸使得石墨产品的机械加工性和可成型性与希望的热能特性取得平衡。因此，较小颗粒使石墨产品易于加工和/或成型，而较大颗粒使石墨产品具有较高各向异性，并因此具有较高的面内导电和导热系数。
一旦原材料被粉碎，既可对其进行再膨胀。可以使用上述插入和膨胀方法进行再膨胀，也可使用Shane等在美国专利第3,404,061号和Greinke等在美国专利第4,895,713号中的描述进行。
特别地，在颗粒的插入反应后在熔炉中通过加热被插入的颗粒进行膨胀。在此膨胀步骤中，可将插入的天然石墨片加入再循环插入颗粒中。优选地，在再膨胀步骤，颗粒被膨胀到具有范围为至少约100cc/g和多至350cc/g或更大的特定体积。最后，如上文所述，在再膨胀步骤后，该再膨胀颗粒可被压缩成柔性片。
如果原材料被注入过树脂，优选从颗粒中至少部分除去树脂。此除去步骤应在粉碎步骤合再膨胀步骤之间进行。
根据以上说明书制备的石墨柔性材料也通常被称为膨胀石墨压缩颗粒。由于材料是注入树脂的，须将片材中的树脂在片材用于例如电子热管理的指定用途之前固化。
在微观水平上，柔性石墨材料事实上包含独立的石墨层。这些柔性石墨材料中的独立石墨层不是充分紧密堆叠的，且由于适当的晶体堆积顺序，其具有与单独石墨晶体相同程度的方向性。因此，此材料在片材平面内与纯独立石墨晶体相比具有降低的导热系数。例如，石墨单晶呈现出2000W/m°K的平面内导热系数和10的平面外导热系数。上述种类的柔性石墨片典型呈现出约100-250W/m°K的平面内导热系数和约6-9W/m°K的平面外导热系数。
根据本发明，将上述制备的注入树脂柔性石墨材料压缩成需要的厚度和形状，通常厚度约0.35mm至0.5mm，此时经注入的柔性垫具有约1.4g/cm3到约1.9g/cm3的密度。
在典型的树脂注入操作步骤中，柔性石墨材料通过一容器并注入来自例如喷雾口的液体树脂，使用真空室使该树脂体系“浸透小垫”是有利的。典型的但不是必须的，将树脂体系溶化以利于应用到柔性石墨中。随后优选将树脂干燥，以降低树脂和注入树脂制品的粘着。
在国际申请第WO 00/64808号中公开了一种用来连续形成注入树脂及压缩柔性石墨材料的器件，该公开在此引用作为参考。
压缩步骤(如通过砑光机)后，将注入材料切割成适当尺寸的块并置于一定压力下，在其中以升高的温度固化。该温度足以保证在固化压力下使层状结构凝固，同时该结构的热量特性不会有不利的影响。通常，这需要至少约90℃，且通常高达约200℃。最优选地，在约150℃至200℃的温度凝固。固化使用的压力在某种程度上是所使用温度决定的，但应足以保证该片状结构凝固而对其热量特性不会有不利的影响。通常为方便制造，使用使该结构达到所需硬化程度的所需最小压力。此压力通常为至少约7兆帕(Mpa，等于约1000磅每平方英寸)，且不能高于约35Mpa(等于约5000psi)，且更通常约7至约21Mpa(1000 to 3000psi)。固化时间随使用的树脂系列、温度和压力而改变，但通常范围为约0.5小时至2小时。固化完成后，认为该复合材料具有至少约1.8g/cm3的密度，且通常约1.8g/cm3至2.0g/cm3的密度。
尽管通过calendaring(应为calendering砑光)或模铸形成片材是形成可在本发明实践中应用的柔性石墨材料的最常规方法，但也可使用其它构造方法。例如，可将膨胀石墨颗粒压模入网模或近似网模中。由此，如果最终应用需要一种具备一定形状或外形的制品，例如热壑或散热器，可将该形状或外形在注入树脂之前或之后压模入该膨胀石墨颗粒中。然后可在具有同样形状的模具中进行固化；事实上，在优选实施方案中，压缩和固化应在同一模具中进行。由此可有效加工成最终形状。
同样，在压模的原位进行插入石墨颗粒的膨胀是可行的，而不是将石墨颗粒通过火焰，随后是压缩、注入树脂和固化。
本发明的温度-固化和压力-固化石墨/树脂复合物首次提供了一种石墨基复合物，其以一小部分铜的重量具有相当或超过铜的平面内导热系数，且其显示出约300W/m°K或更高的平面内导热系数，以及至少约15的各向异性比率(即在一平面和具有较高导热系数的平面间，以及一平面与具有较低导热系数的平面间导热系数以至少15的系数变化。)可将本发明的热提升装置形成为所需形状。另外，可将本发明的热提升装置形成单个柔性石墨制品的叠层结构，最优选地，形成叠层间含有或没有粘合剂的多层柔性石墨片。在叠层堆中可包括非石墨层，尽管这可能造成必须使用粘合剂，这会是不利的，因为其能减缓穿过叠层堆平面的热发散。此非石墨层可包括金属、塑料或其它诸如玻璃纤维或陶瓷的非金属。
如上文所述，由此形成的膨胀石墨颗粒压缩片有各向异性的特性；即该片材在平面内或“a”方向导热系数高于穿过片间或“c”方向的。这样，石墨片的各向异性特性引导热量延热提升装置平面的方向传导(即在延石墨片的“a”方向)。这样的片材通常在平面内方向具有至少约140，更优选至少约200，最优选至少约300W/m°K的导热系数，而在穿过平面方向具有不高于约20，更优选不高于约10，最优选不高于约6W/m°K的导热系数。因此，该热提升装置具有不低于约10且最优选至少约15的热量各向异性比率(即平面内导热系数对穿过平面导热系数的比值)。
本发明热提升装置紧靠散热器件的有效表面截面的外形和面积应尽可能与散热器件底部截面的形状和面积紧密符合，以便于热提升装置和散热器件间的热传递。该紧靠热源的热提升装置的有效表面截面的外形和面积可大于与热提升装置相对紧靠的热源表面。这使得一些热量分散穿过热提升装置，而更多热量从热源通过热提升装置散发到热壑或其它散热器件。
现在参照附图，特别是图1A和1B，说明并普遍用数字10标明了本发明热提升装置的一个实施方案。热提升装置10包含一个具有有效平面10a和10b的石墨块，其形成为膨胀石墨压缩颗粒的叠层结构(构成叠层的单片未显示)。如图2所示，热提升装置10的一个有效表面10b设置为与热源100有效接触，而另一有效表面10a与例如热壑110的散热器件有效接触，从而使热源100产生的热量通过热提升装置10传递到散热器件110并通过其散发。
因此，通过使用本发明，即使在热源和散热器件间的间隙过大而不能使用常规填缝剂等桥接之处也可实现有效散热。这些功能不能通过例如铜或铝的传统材料实现，因为其高密度不适合于重量敏感的应用。
本申请中涉及的所有引用专利、专利申请和专利公布全部结合作为参考。
如此描述了本发明，显然其可改变为多种方式。此种改变不应被当作偏离本发明的精神和范围，且对本领域技术人员来说是显而易见的所有此类修改将包含于以下的权利要求范围之中。
权利要求
1.一种用于在电子器件中桥接连接热源和散热器件之间的空隙的热提升装置，所述热提升装置包括具有两个有效表面的柔性石墨制品，其中一个表面与该热源的表面有效接触，另一个表面与该散热器件的表面有效接触。
2.根据权利要求1所述的热提升装置，其中所述柔性石墨制品包括至少一片在升高的温度下加压固化的注入树脂的柔性石墨。
3.根据权利要求2所述的热提升装置，其中所述柔性石墨片在至少约90℃的温度及至少约7Mpa的压力下加压固化。
4.根据权利要求1所述的热提升装置，其展示出的导热系数具有各向异性特性，且在一个平面中至少约为300W/m°K。
5.根据权利要求4所述的热提升装置，其中所述各向异性导热系数以至少15的系数在具有较高导热系数的平面与具有较低导热系数的平面之间变化。
6.根据权利要求2所述的热提升装置，其中所述压力固化的柔性石墨片的密度大于约1.85g/cm3。
7.根据权利要求2所述的热提升装置，其中所述柔性石墨片的树脂含量至少约为3％重量比。
8.根据权利要求7所述的热提升装置，其中所述柔性石墨片的树脂含量约为5％至约35％重量比。
9.根据权利要求1所述的热提升装置，其中所述与散热器件有效接触的热提升装置的有效表面的尺寸和形状通常与同热提升装置接触的散热器件的表面大致相当。
10.根据权利要求9所述的热提升装置，其中所述与热源有效接触的热提升装置的有效表面的尺寸大于同热提升装置接触的热源的表面。
11.一种用于电子部件的散热系统，所述系统包括热源和散热器件，以及置于热源和散热器件之间的热提升装置，该热提升装置包括具有两个有效表面的柔性石墨制品，其中一个表面与该热源的表面有效接触，另一个表面与该散热器件的表面有效接触。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述柔性石墨制品包括至少一片在升高的温度下加压固化的注入树脂的柔性石墨。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述柔性石墨片在至少约90℃的温度及至少约7Mpa的压力下加压固化。
14.根据权利要求11所述的系统，其展示的导热系数具有各向异性特性，且在一个平面中至少约为300W/m°K。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述各向异性导热系数以至少15的系数在具有较高导热系数的平面与具有较低导热系数的平面之间变化。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述压力固化的柔性石墨片的密度大于约1.85g/cm3。
17.根据权利要求12所述的系统，其中所述柔性石墨片的树脂含量至少约为3％重量比。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述柔性石墨片的树脂含量约为5％至约35％重量比。
19.根据权利要求11所述的系统，其中所述与散热器件有效接触的热提升装置的有效表面的尺寸和形状通常与同热提升装置接触的散热器件的表面大致相当。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述与热源有效接触的热提升装置有效表面的尺寸大于同热提升装置接触的热源的表面。
全文摘要
一种用于在电子器件中桥接连接热源和散热器件之间的空隙的热提升装置(10)，所述热提升装置包括具有两个有效表面(10a、10b)的柔性石墨制品，其中一个表面与该热源(100)的表面有效接触，另一个表面与该散热器件(110)的表面有效接触。
文档编号B32B9/00GK101084704SQ200580031450
公开日2007年12月5日 申请日期2005年9月13日 优先权日2004年9月17日
发明者J·P·卡普, 陈桂, D·S·弗凯蒂 申请人:先进能源科技公司