专利名称：形成内嵌热解石墨的散热器的方法
形成内嵌热解石墨的散热器的方法发明 背景本公开大体涉及形成用以用作散热器的、内嵌热解石墨(TPG)的金属块的方法， 且更具体地涉及形成用以用作散热器的、具有嵌于其中的TPG元件的铝和/或铜材料的金 属块的方法。现代嵌入式计算机系统在体积受限的环境中包括非常高热功率的电气构件。当构 件的功率耗散增大时，体积通常不会改变，从而对构件温度的管理提出了重大挑战。在过 去，已经使用了各种各样的直接冷却技术，诸如由高导热性材料(诸如铝和/或铜)组成的 主动或被动散热器，来处理升高的温度。但是，这些材料只有在比较大量的表面积呈现于气 流时才是足够的，从而需要占用大量的总的可用容积的在物理上更大的散热器结构。当散 热器的物理大小增大时，材料的将热迅速传送到散热器的末端从而使热暴露于气流的能力 减弱。已经发现热解石墨(TPG)材料与传统的金属材料相比具有在单个(X-Y)平面中导 热的能力。另外，已经发现TPG与铜相比具有改进的整体传导性。最近，已经开发了一种使 用扩散结合工艺来将TPG材料嵌入铝结构中的方法。虽然扩散结合工艺会在TPG材料和铝 结构之间产生合适的热接触，但是扩散结合工艺具有限制，因为需要专门的装备来以耗时 的过程产生内嵌TPG的结构，从而导致昂贵的产品。因而，存在对这样的方法的需要生产具有嵌入金属结构(诸如铝结构)中的TPG 的成本有效的产品，以提供X-Y平面中的有效导热性。另外，如果该方法可容易地再生产， 且可使用许多各种类型的装备来在许多各种设施中执行该方法，则将是有利的。发明简述在一方面，提供了一种用于形成内嵌热解石墨(TPG)的散热器的方法。该方法包 括使至少一个TPG元件悬吊在模中。对该模填充金属材料，且对其加热，以使TPG元件结合 在金属材料内。使经结合的内嵌TPG的金属材料冷却。在另一方面，提供了一种用于形成内嵌热解石墨(TPG)的散热器的方法。该方法 包括获得泡沫块。将至少一个TPG元件放置到该泡沫块中。将具有至少一个TPG元件的泡 沫块放置到容器中，且对该容器填充型砂。对该泡沫块填充熔融金属材料。在另一方面，提供了一种用于形成内嵌热解石墨(TPG)的散热器的方法。该方法 包括将泡沫块分成至少两个部分。将至少一个TPG元件放置在泡沫块的该至少两个部分之 间。将泡沫块的该至少两个部分联接在一起，以形成具有TPG元件的单个块。将具有TPG 元件的单个块放置到容器中，且对该容器填充型砂。对该泡沫块填充熔融金属材料。附图简述
图1是根据本公开的第一实施例的、用于形成内嵌热解石墨(TPG)的散热器的方 法的示意图。图2是根据本公开的第二实施例的、用于将热解石墨(TPG)放置在其中的泡沫块 的示意图。图3是具有放置在其中的TPG元件的图2的泡沫块的示意图。
图4是放置在容器内的图3的具有TPG元件的泡沫块的示意图。图5描绘了根据本公开的第三实施例的、用于将热解石墨(TPG)放置在其中的泡 沫块的两个部分。发明详述本公开涉及形成内嵌热解石墨(TPG)的散热器和散热框(heatframe)。如本文所 用，“TPG”指的是任何石墨基材料-其中石墨对准一个方向，以便于进行最优的传热。该材 料典型地指的 是“准直(aligned)石墨”、“TPG”和“高定向热解石墨(HOPG) ”。TPG元件在 金属块的X-Y平面中提供改进的导热性。具体地，已经发现通过使用如本公开中所提供的 将TPG元件嵌入金属块中的方法，与传统的热解决方案相比，在诸如计算机系统的电气系 统的使用期间产生的温度可降低约10摄氏度或更多。这个改进的温度释放允许在相同的 体积的环境中使电气系统的功率容量几乎翻倍。另外，功率的增大可导致否则将可能得不 到支持的系统得到支持，或者，功率的增大可允许在具有更高的环境温度的环境中使用现 有系统。在一个实施例中，如图1-3中所描绘的那样，至少一个TPG元件10、12保持在模20 中，以将元件10、12嵌入金属块(未显示)中，以便于在散热器或散热框中使用。将TPG元 件10、12悬吊在模20中。对模20至少部分地填充金属材料(未显示)且进行加热，以将 TPG元件10、12结合在金属材料内。然后使经结合的内嵌TPG的金属材料冷却，以形成包含 嵌入的TPG元件10、12的金属块(即内嵌TPG的散热器)。可使用用于制造TPG元件的本领域已知的且由本文提供的教导引导的任何适当 的方法和/或装备获得TPG元件10、12。或者，TPG元件10、12可以商业方式从供应商处获 得，例如位于康涅狄格威尔顿的Momentive Performance Material公司。在一个实施例中，如图1所示，TPG元件10、12构造成平坦的TPG条。在一个特定 的实施例中，TPG元件10、12是具有90度边缘的平坦的TPG条。另外，虽然TPG元件10、12 的一个或多个尺寸可改变，但是一个实施例的TPG元件10、12具有约0. 06英寸的厚度。虽 然在图1中显示为平坦条，但是本领域技术人员应当理解，TPG元件10、12可在不偏离本公 开的情况下具有本领域已知的任何适当的构造。例如，TPG元件10、12可构造成任何适当 的形状，包括但不限于长方形或三角形，且包括但不限于有待用金属填充的中间孔。在一个实施例中，对TPG元件10、12镀覆金属基的涂层材料(未显示)。更具体 地，将诸如铝、铜、铁、银、金、镍、锌、锡或它们的组合的金属层施用到TPG元件10、12的外表 面上。在一个特定的实施例中，金属基的涂层材料是具有镍外涂层的铜涂层材料。金属基的涂层材料恰当地提供机械强度。金属基的涂层材料典型地为至少约 0. 001英寸厚。更恰当地，以从约0. 0005英寸至约0. 002英寸的量将金属基的涂层材料施 用到TPG元件10、12上，且进一步更恰当地，金属基的涂层材料具有从约0. 006英寸到约 0. 025英寸的厚度。金属基的涂层材料可以以本领域已知的任何型式施用到TPG元件10、12的外表面 上。例如，在一个实施例中，以交叉影线型式施用金属基的涂层材料。在一个备选实施例中， 以条纹状型式施用金属基的涂层材料。将至少一个TPG元件10、12悬吊在模20中。模20可为本领域已知的任何适当的 模。模20的尺寸至少部分地取决于待形成的金属块(即散热器)的期望尺寸。
当TPG元件10、12悬吊-且因此而“漂浮”在模20内时，可避免在高温加热过程 (例如下面描述的焊接过程)期间所经历的应力。恰当地，一个或多个元件10、12悬吊在模 20中。更具体地，如图1所示，两个TPG元件10、12悬吊在模20中。虽然图1中显示为包 括悬吊在模20中的两个TPG元件10、12，但是本领域中的且受本文提供的教导的引导的技 术人员应当理解，可悬吊不到两个或不止两个TPG元件10、12而不偏离本公开的范围。例 如，三个TPG元件可悬吊在模中，且甚至更恰当地，四个或更多个TPG元件可悬吊在模中。而 且，虽然在图1中显示了在模中处于特定的定向，但是本领域中的且受本文提供的教导的 引导的技术人员应当理解，可使用本领域已知的任何定向。在一个实施例中，使用至少一个栓钉(例如相应的栓钉30、32)来使TPG元件10、 12悬吊在模20中。恰当地，用于悬吊TPG元件10、12的栓钉30、32分别是金属栓钉，例如 包含钢的栓钉。一旦TPG元件10、12已经悬吊在模20内，就对模20至少部分地填充金属材料(未 显示)。在一个实施例中，金属材料包括铝和铜中的至少一种。铝和铜两者均已经显示了在 散热器中使用时提供高传导性。更具体地，如图3所示，当在散热器中使用时， 铝在“Z”平 面中提供良好的导热性。但是，如以上提到的那样，铝和铜单独都无法在X-Y平面中提供足 够的传热，且因而，本公开使TPG与铝和铜中的至少一种结合。在一个特定的实施例中，金属材料是粉末化金属材料。例如，金属材料可包括粉末 化的铝和/或粉末化的铜。在一个备选实施例中，金属材料包括液态或熔融金属材料，例如 液态铝和/或液态铜。在其中使用了熔融金属材料的一个特定的实施例中，使用适当的金属注射模制 (MIM)工艺来将熔融金属材料引入模20中。具体地，将待注射的金属材料加热到其液相线 温度以上，且然后通过MIM装备的注射室中的活塞的扩张将其推入模20(即模具)中。在 使用MIM工艺的一个备选实施例中，使用适当的摇溶式(thixotropic)注射模制方法来将 熔融金属材料引入到模20中。在此方法中，金属首先被加热到摇熔状态而非完全液态，然 后将该金属从注射室注射到模20中。在此方法中，通常使用螺钉而非活塞来将金属材料注 射到模20中。活塞和螺钉包括附连到驱动机构上的轴部分。该驱动机构典型地为马达，但 是也已经使用了液压机构。当使用粉末化金属材料来填充模20时，经填充的模20然后被加热，以使TPG元件 10、12结合在金属材料内。在一个特定的实施例中，使用烧结工艺来加热TPG元件10、12。 一般来说，烧结会加强粉末化金属材料，且通常导致密实化并导致粉末化金属材料中的再结晶。一旦结合之后，就使包含经结合的内嵌TPG的金属材料的模20冷却，以形成嵌入 有TPG的金属块(即内嵌TPG的散热器)。一般来说，模20和内嵌TPG的金属材料存储在 适当的位置，直到它们达到室温(约24°C )为止。在一个备选实施例中，如图2-4所描绘的那样，使用消失模铸造工艺来使金属块 灌注有TPG。在此实施例中，获得了泡沫块100(在图2中显示)。将至少一个TPG元件110 放置到泡沫块100(在图3中显示)中。将具有TPG元件110的泡沫块100放置到容器 200(在图4中显示)中，且对容器200至少部分地填充型砂(未显示)，使注入口 130、132 暴露。将熔融金属材料(未显示)倒入注入口中，从而代替泡沫且形成内嵌TPG的块。
如上所述，为了开始消失模铸造工艺，获得泡沫块100。恰当地，参照图2，泡沫块 100由中密度到高密度的泡沫制成。典型地，泡沫块100的尺寸将取决于期望的散热器而不 同。在一个实施例中，如图3所示，至少一个TPG元件110放置在形成或限定在泡沫块 100内的预切槽口 120中。典型地，槽口 120根据TPG元件110来进行大小设置。例如，在 一个实施例中，槽口 120为6〃 X0. 375" X0. 60〃。槽口 120可具有适于与TPG元件110 一起使用的本领域已知的任何形状。在一个实施例中，TPG元件110类似于上述TPG元件 10、12。在一个实施例中，TPG元件110是例如如上所述的平坦的TPG条，且因而，预切槽口 120是大小设置成以便允许TPG元件110在泡沫块100内滑动的矩形开口。虽然在图3中 显示为是矩形的预切槽口 120和平坦的TPG元件110，但是本领域技术人员应当理解，TPG 元件110可为本领域已知的任何适当的形状(如以上更加充分地描述的那样)，且预切槽口 120可为用于允许TPG元件110放置在其中的任何互补形状，而不偏离本公开的范围。另 外，本领域技术人员应当理解，槽口 120可并非是预切的，而是可通过这样的方式形成将 预热的TPG元件放在泡沫中，允许它们熔化泡沫，从而形成槽口 120 ；或者TPG元件110可 简单地楔在两块泡沫之间，而不偏离本公开的范围。在一个备选实施例中，如图5所示，泡沫块100包括至少两个部分300、302。可使 用用于分开泡沫材料的本领域已知的任何适当的装备来将泡沫块100分成任何适当数量 的部分300、302。第一部分300和第二部分302可为相等的，或者可为不相等的。例如，在 一个实施例中(未显示)，泡沫块100被分成第一部分300和第二部分302，其中，第二部分 302的体积是第一部分300的体积的两倍。此外，泡沫块100可被分成不止两个部分300、 302，例如，泡沫块100可被分成三个部分、四个部分，或者甚至五个或更多个部分，而不偏 离本公开的范围。当泡沫块100被分成部分300、302时，TPG元件110放置在部分300、302之间，且 然后联接部分300、302，以形成包含TPG元件110的单个泡沫块。可使用用于联接泡沫材料 的本领域已知的任何方式来联接部分300、302。例如，在一个实施例中，使用粘合剂领域已 知的任何粘合剂复合物来联接泡沫部分300、302。在一个备选实施例中，使用诸如螺钉或铆 钉的机械器件来联接部分300、302。回头参照图3，一旦TPG元件110已经放置在泡沫块100内，就将注入口 130、132 添加到泡沫块100。在一个实施例中，将具有注入口 130、132的泡沫块100浸入石膏(未显 示)中，以在泡沫块100周围形成硬壳。典型地，石膏对由泡沫块100形成的完成的金属块 的外表面提供更平滑的光洁度。现在参照图4，具有或不具有石膏壳的泡沫块100放置在容器200中，其中注入口 130、132位于容器200的顶部202处。使用注入口 130、132来提供用于熔融金属的入口，且 形成用于可在消失泡沫铸造工艺期间形成的气体的废气排放口。在一个实施例中，容器200是填砂的容器。填砂的容器200有利于保持熔融金属 的模，直到金属冷却和凝固为止。一旦泡沫块100已经放置在容器200内，就将熔融金属材料(例如以上描述的熔 融金属材料)倒入注入口 130、132中，使泡沫蒸发且形成内嵌TPG的块。一般而言，熔融金 属材料保留在容器200中，直到泡沫块100的所有泡沫都耗尽为止。这就产生了嵌入有TPG元件Iio的金属块(即内嵌TPG的散热器)。在一个实施例中，进一步从容器200中移除金属块，且将该金属块加工成用于用 作散热器的大小。在其中使用烧结、金属注射模制或消失泡沫铸造来产生嵌入有TPG元件110的金 属块的一个实施例中，金属块加工构造成具有热翅片(大体在图2中于2、4、6和8处显示)。 通过包括热翅片2、4、6、8，在热学方面暴露于周围环境的材料的表面积增大，以促进散热。 典型地，热翅片2、4、6、8的厚度是基本相等的，且两个相邻热翅片2、4、6、8之间的距离也是 恰当地相等的。但是，本领域技术人员应当理解，虽然图2显示了热翅片2、4、6、8具有基本 相同的厚度和基本相同的间距，但是热翅片2、4、6、8可具有不同的厚度，以及/或者可改变 热翅片2、4、6、8之间的间距，而不偏离本公开的范围。一个实施例中的热翅片2、4、6、8高 约0. 24英寸，厚约0. 024英寸，且相邻热翅片之间的间距为约0. 096英寸。在其中使用烧结、金属注射模制或消失泡沫铸造来产生嵌入有TPG元件110的金 属块的一个实施例中，可产生模具或泡沫块，以在注射熔融金属之前结合翅片或其它特征， 以便减少或消除加工步骤。在其中使用烧结、金属注射模制或消失泡沫铸造来产生嵌入有TPG元件110的金 属块的另一个实施例中，可产生模具或泡沫块，以在注射熔融金属之前结合更加复杂的特 征，以产生传导冷却式散热框。虽然已经关于各种具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将认 可，可利用在权利要求书的精神和范围内的修改来实践本发明。
权利要求
一种用于根据本公开的第一实施例形成内嵌热解石墨(TPG)的散热器的方法，所述方法包括将至少一个TPG元件悬吊在模中；对所述模填充金属材料；加热所述模，以使所述至少一个TPG元件结合在所述金属材料内，以产生内嵌TPG的散热器；以及冷却经结合的内嵌TPG的散热器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括将至少一个平坦的TPG条悬 吊在所述模中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括使用金属栓钉来悬吊所述 至少一个TPG元件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括对所述模填充选自铝、铜和 它们的组合组成的组的金属材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括对所述模填充粉末化金属 材料。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括对所述模填充液态金属材料。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，填充所述模包括金属注射模制。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，加热所述模包括烧结工艺。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括用金属镀覆所述至 少一个TPG元件。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括用选自铝、铜和它们的组 合组成的组的金属镀覆所述至少一个TPG元件。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模设计成进一步包括翅片特征和复 杂细节中的至少一个，以减少对所述内嵌TPG的散热器的加工。
12.一种用于根据本公开的第二实施例形成内嵌热解石墨(TPG)的散热器的方法，所 述方法包括获得泡沫块；将至少一个TPG元件放置到所述泡沫块中；将具有所述至少一个TPG元件的所述泡沫块放置到容器中；以及对所述容器填充型砂；以及对所述泡沫块填充熔融金属材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括将至少一个平坦的TPG条 放置到所述泡沫块中。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法包括对所述容器填充选自铝、 铜和它们的组合组成的组的熔融金属材料。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括从所述容器中移 除具有嵌于其中的所述至少一个TPG元件的所述金属块。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括加工所述金属块。
17.一种用于根据本公开的第三实施例形成内嵌热解石墨(TPG)的散热器的方法，所 述方法包括将泡沫块分成至少两个部分；将至少一个TPG元件放置在所述泡沫块的所述至少两个部分之间； 将所述泡沫块的所述至少两个部分联接在一起，以形成具有所述至少一个TPG元件的 单个块；将具有所述至少一个TPG元件的所述单个块放置到容器中；和 对所述容器填充型砂；以及 对所述泡沫块填充熔融金属材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括放置至少一个平坦的TPG^^ ο
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，使用粘合剂复合物来联接所述至少两 个部分。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括对所述容器填充选自由 铝、铜和它们的组合组成的组的熔融金属材料。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括从所述容器中移 除具有嵌于其中的所述至少一个TPG元件的所述金属块。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括加工所述金属块。
全文摘要
本公开涉及产生用于形成散热器的、具有嵌入的TPG元件的铝和/或铜材料块。该金属块在X-Y平面中具有改进的导热性。另外，可使用能够在许多各种设施中使用各种机器和装备来执行的方法来产生内嵌TPG的散热器。
文档编号B22C7/02GK101971310SQ200880124085
公开日2011年2月9日 申请日期2008年11月15日 优先权日2007年12月31日
发明者D·L·麦唐纳, D·S·斯拉顿 申请人:通用电气智能平台嵌入系统公司