增强制品的模制方法

专利名称：增强制品的模制方法
技术领域：
本发明涉及一种由复合材料模制增强制品的改进方法。更具体地说，本发明涉及一种容易模制的导热和/或导电制品的模制方法，所得的传导性也数倍大于即使使用己知材料，用已有技术模制方法生产的制品。本发明也提供一种由复合材料模制结构增强制品的方法。这里术语“增强制品”意指含有任意类型的可导电或导热或具有高强度填料的制品。因此本发明的方法涉及导电组合物、导热组合物和结构加强组合物。
背景技术：
在电子工业中，已知金属材料可使用在导热和导电用途上，如用于半导体装置封装降温的散热、接地等用途。用于例如热沉的用途，金属材料一般需将整块金属用工具加工或机械加工成所需结构。但是，这种金属传导制品一般很重、机械加工昂贵且易于腐蚀。而且，机械加工的金属散热制品的几何构型很大程度上受到机械加工和工具加工固有局限性的限制。因此，需要使用加工成所需构型的金属材料，很大程度上限制了元件的设计，尤其例如当仅依靠其设计，就能使得某一几何构型能获得更好的热效率时，却因为加工金属制品的局限性而不能实现。
广为人知的是，在已有技术中改进散热制品的整体几何构型能在很大程度上提高制品的整体性能，即使所用的材料是一样的。因此改进散热器的几何构型和降低成本的需求，使得有必要寻找能代替对整块金属材料进行加工的方法。为了满足这一需求，在已有技术中已经作了一些努力，要提供一种其内包含能提供必要导热性的导热填料的模制组合物。模制导热性组合物的能力使得对更复杂几何构型部件的设计成为可能，以此来提高部件的性能。类似地，如果能够进行模制的话，也可以很大程度上提高给定制品的导电性。例如，通过模制制品来提高其导电性就可以大大改进其形状和构型。而且，也知道可以使用高强度填料来制造具有高结构完整性的复合材料部件。
已有技术中的努力包括使用载有粒状材料如氮化硼颗粒的聚合物基体。也作了提供载有片状填料的聚合物基体的尝试。这些努力确实均可模制成复杂的几何构型，但是仍旧没能使所需的性能达到金属加工部件的性能。在本技术中已知填料尤其是高纵横比的填料，可以在模具中沿基体的流路平行排列。因此，这些传导性复合材料由于涉及到模制过程中填料的排列方式，故必须以极高的精度进行模制。当填料颗粒非对称或其长度比厚度的纵横比大于1∶1时，这一点就需要注意。即使是精确的模制和设计，由复杂产品几何构型导致的模制材料在模具中流动的紊乱以及和模具碰撞的固有问题，不可能将非对称填料理想地定位，这样就导致组合物性能远低于所需的性能。在当填料具有大于10∶1的纵横比时，这一问题更加严重。又因为通常使用的填料具有高达40∶1的纵横比，所以这一点尤其需要关注。
而且，因为热传导是个整体性质，而不是像电流传导那样是某一方向上的性质，组合物整个基体必须是令人满意的。导电只需要沿一个方向的路径，但是热是整体传导的，物体的整个体积均用于传热。因此，即使在较低传导体中提供了高传导性的狭窄通道，热传导也不会好于经过整体的热传导。因此，复合体整个基体热传导的连贯性对于高的整体热传导是必要的。而且，在聚合物基体内所含填料，尤其是高纵横比填料的正确排列极其重要。当复合物用于电传导时，其内填料的排列也很重要，因为填料中存在过多中断的话，会导致电传输的下降。
从上述观点来看，需要一种改进的具有导热和/或导电性复合材料增强制品的模制方法。也需要能够形成为了更高结构完整性的含有高强度填料的加强复合材料制品。而且，需要研制一种能充分利用复合聚合物和填料性能的制品的模制方法，即在聚合物基体中填料要能正确排列和定位。也需要一种容易将聚合物和高纵横比填料组合物模制成复杂几何构型产品的方法。还需要一种能形成具有尽可能与纯金属传导材料性能接近的导热和导电性能，而制造成本较低的制品的模制方法。

发明内容
本发明保留了已有技术方法中由传导性塑料组合物模制增强制品的优点。而且，本发明还提供了在目前已知方法中未知的新优点，并克服了目前现有技术中的许多缺点。
本发明一般涉及到在散热器用途尤其是需将热量从一区域传递到另一区域、为避免装置发生故障的用途中可以使用的导热塑料复合材料模制导热制品的新颖和独特的方法。而且，本发明的方法可以提供在电子工业具有特定用途的制品，因为它能提供可模制的导电部件。本发明的方法可以将聚合物材料和填料，如高纵横比填料的复合材料以最具传导效率、但同时仍旧保持低制造成本的方式进行模制。根据要使用的用途进行材料选择，可以获得高导热和/或导电性能。与此相关，选择高强度的材料如填料，可以通过例如注射模制获得具有高结构完整性但同时仍有可模制性能的模制增强制品。
模制方法例如注射模制方法，可以提供一种导热、导电和/或结构加强的制品。例如，若使用导电填料，就能获得具有电性能例如导电性或EMI屏蔽的制品。若使用导热填料，就能获得导热制品。若使用高强度填料如碳，用本发明的方法可以获得结构增强制品。也可以选择能同时呈现电、热和强度性能的填料，制得多用途模制制品。
首先提供一种能用于形成具有所需构型制品的模具组件。对于使用导热填料的热用途，就要确定制品使用时在制品上和发热表面接触的初始位置。在模具组件中，在该接触的初始位置处形成一进料口。要确定制品使用时经过制品的最佳热量流路。要确定制品使用时热量流路或电流流路的终止位置。将加有非对称填料的聚合物通过进料口引入模具组件中。在模具组件中热量流路或电流流路终止的位置设置一通气口。将聚合物定位在模具组件中，此时传导性填料基本平行并沿流路方向排列。最后，用本发明的模制方法将模制制品从模具组件中顶出。由于在模制制品内正确地排列了填料，所得制品的热传导性比由常规方法制得的制品可增加好几倍。当使用导电或高强度填料时，也可使用上述方法。至于导电填料，先确定制品使用时经过制品所需的电流流路，设置进料口和出料口，维持所需的流路，确保所述填料沿所定的电流流路排列。类似地，确定了制品使用时的高应力部位，设置好进料口和通气口以确保加强填料正确排列以防出现断裂的情况下，可使用结构填料。
本发明的目的是提供一种优化导热性能的增强制品的模制方法。
本发明的目的是提供一种优化导电性能的增强制品的模制方法。
本发明的目的是提供一种优化结构性能的增强制品的模制方法。
本发明的目的是提供一种模制聚合物和非对称高纵横比填料并在制品中定位和排列填料来优化制品热传递的增强制品的方法。
本发明的目的是提供一种模制聚合物和非对称高纵横比填料并在制品中定位和排列填料来优化制品电传导的增强制品的方法。
本发明的目的是提供一种模制将聚合物和非对称高纵横比填料并在制品中定位和排列填料来优化制品结构强度的增强制品的方法。
本发明更进一步的目的是提供一种使用相同聚合物和填料组合物，比已有方法能获得传导性更高的传导性制品的模制方法。
本发明更进一步的目的是提供一种使用相同聚合物和填料组合物，比已有方法能获得强度和结构完整性更高的传导性制品的模制方法。
本发明另外一个目的是提供一种将含有高纵横比填料的加强复合材料模制成具有复杂局部几何构型制品的方法。


本发明所特有的新技术特征将在所附权利要求书中叙述。但是本发明的一些优选实施方式以及进一步的目的和有关优点，将结合如下附图进行详细地说明，以便于透彻理解。
图1是已有技术中含有高纵横比填料的聚合物基体加强组合物的截面图。
图2A是使用本领域所知的已有技术设置进料口和通气口的方法模制的散热器的透视图。
图2B是图2A散热器的底视图。
图3A是使用本发明设置进料口和通气口的方法模制的散热器的透视图。
图3B是图3A散热器的底视图。
图4是使用本发明设置进料口和通气口的方法模制的散热器的透视图。
图5A是使用本发明的方法制造的模制装置下半部分的透视图。
图5B是使用本发明的方法制造的模制装置上半部分的透视图。
具体实施例方式
本发明涉及一种模制加强组合物的方法。应当理解，本方法可用于形成能提高导热、导电性能和/或结构增强程度的制品。本发明方法所实现的提高类型如热、电或结构，可以通过选择能适应给定用途和所需提高类型的某种材料来获得。
在本发明的模制方法例如通过注射模制中，增强制品使用的是加有填料的聚合物基体的复合材料，所述填料适宜为具有高纵横比的填料如铝、氧化铝、铜、镁、PITCH基碳和黄铜材料，呈伸长的纤维状、线状、米粒状或薄片状。上述材料应适于获得具有网状脉络的模制制品的导热或导电性能，所述具有网状脉络的模制制品是指模制好以后无需进一步进行加工就可使用，而这是通常压模制品所需的。如图1所示，显示了一种可购得的已有技术的复合材料2。具体地说，此已有技术复合材料2通常为含有非对称填料8的聚合物4基体。为了显示的清楚和方便，图中以放大的方式显示了此组合物。
不难理解，在使材料可进行模制的同时，在聚合物基体4中加有可导热、导电或结构增强的填料8会使材料具有传导性。当用作热传导体时，材料2必须能将热量例如从材料的X边传导至Y边。在此传导过程中，热量必须沿X向Y的路径从导热填料件向邻近的导热填料件传递，图1中所选的填料件8适宜为具有高纵横比的纤维或线，以减少填料件之间以及它与存在于其间的非传导性聚合物之间的界面数。热量必须经过的界面越多，热量必属经过的聚合物越多，热传导性聚合物之间的界面数目。热量必须经过的界面越多，热量必须经过的聚合物越多，热传导性能就越差。而且，过多的填料含量会使基体聚合物与填料间的润湿差，导致在模制成型的产品中出现小气泡。
图1组合物理想的排列方式，包括在聚合物基体4中高纵横比的填料8。其关键是要将高纵横比的填料沿着热量流路尽可能平行的排列成行，以有效地降低界面的总数和热量需传递经过的基体聚合物体积。图1说明了填料8在基体聚合物中现实的排列方式，其中填料8一般相互平行排列，并从X边向Y边沿通常所需的热流方向排列。但是如图1所示，由A边到B边的横向流路是很不合适的，因为热界面的数量增多，且热量必须传递经过的非传导性聚合物体积也增大。因此关键是将填料8在导热制品中正确地排列，即和热量流路平行。在通常用途中，填料沿X-Y流路排列的热传导是沿A-B流路的热传导的8倍。例如，沿A-B流路的热传导为2W/m°K，而沿X-Y流路的热传导则大于16W/m°K。在制造具有尽可能大导电性能和尽可能增强的结构时，也会遇到类似的问题。
使填料平行排列并沿热流或电流或者结构应力线排列的目标，通常因为模制部件几何形状的复杂性很难达到。前已述及，使用传导性塑料组合物最基本的原因是它可以模制成比较复杂的几何构型，获得较好的散热性和导电性。因此当模制传导性聚合材料时通常会遇到复杂的部件几何构型。本发明的模制方法解决了用含有的沿热量流路或电流流路或结构应力线排列的所需填料的材料模制复杂几何构型的问题。
因为制品具有复杂构型，产生的含填料的基体流动的紊乱方向，通常会导致填料的相互碰撞和不均匀排列。虽然明显需要高纵横比填料的平行排列，但这是不可能达到的。而且，基体流的紊乱以及和模具的碰撞通常会使高纵横比的填料断裂，尤其当它具有大于20∶1的纵横比时。图1说明了在聚合物4中填料8和邻近的填料8相互排列的实际组合物2的情况。图1就是在本领域中通常遇到的情况，这是由于模制其内有填料的材料时所固有的问题。如下文即将详细说明的，本发明的方法可以模制复杂几何构型的制品，其中高纵横比填料8的断裂减少，而断裂会导致组合物所需的加强降低。
首先参照图2A和2B，显示了使用已有技术模制方法模制的制品。例如，图2A显示了已知的一种导热制品10的透视图。导热制品10具体显示为具有基底12和其上连接的突出肋片14的散热器。此散热器10通常装在一个装置如半导体包装(未显示)的产生热量的表面上。用来将热量从产生热的装置传递掉。这个散热是很重要的，尤其在电子应用领域，以确保装置不会因为过热而出现故障。
将基底12的底表面与需要冷却的半导体装置平置进行传热接触。通常，要冷却的半导体装置固定在基底12中心的下面，一般如22所示，使热量能在需冷却的装置上进行360度热传递。如图1B，模制制品10的底视图所示，半导体发热装置22被固定在基底12的中心区域。因此，热量就会从装有半导体发热装置的中心区域22向外发散。
图2A和2B也显示了在将要模制的材料引入模具时模制材料的典型流动模式。要模制的材料一般从制品一端的进料口16引入，并由左至右流动，再向上进入肋片14。在每个肋片顶部有通气口18，通常在顶除器插销(未显示)处，用来释放模具空腔内的空气。用于形成传导性聚合物的含高纵横比填料的基体聚合物通常不用于形成复杂几何构型的散热器。因此在过去，其内没有填料的模制材料的流动方向很少受到关注。但现在，因为使用了高纵横比填料，进料口的位置和模具空腔内的流动模式是本发明方法要处理的重要关键。
因为模制图2A和2B的制品时，进料口的位置在16，模制材料的流动模式以及因而填料的取向排列基本上平行于由左向右的箭头方向。但填料6的水平排列和方向将严重影响制品10的热传导性能。
在制品底面的中心区域22固定半导体发热装置时，热量自然是向各个方向往外辐射。如图2B所示，当热流从左到右传递时，制品10的热传导通常认为是好的，因为热量流路和填料8的排列方向平行。但是，当热流向上或向下传递时，热量流路相对于填料8和聚合物4的排列方向是垂直的，这样就要求横向经过更多的界面。因此，在这方向上热传导被严重降低。因为热传递是整体性质，制品10的整体热传导性能并不是最佳的，没有充分利用到聚合物基体4内含有的填料的传导性能。若使用导电或结构加强填料，同样存在类似的加强填料效果的降低。
现在试看图3A、3B、4和5，在此详细显示了本发明的模制方法。试看图3A和3B，制品100有基底112和其上连接的肋片114。作为例子，试以导热制品的模制进行说明。而导电和结构增强制品的模制是以相同方法进行的。基底112的底表面120上平置一个半导体发热装置(未显示)作传热接触。同时试看显示制品100底视图的图3A和3B，一个半导体装置固定在制品100的中心下面标为122的区域。在本发明中，进料口位于中心116处，用于将模制材料引入模具空腔(未显示)内。而通气口位于118处，在那里有例如顶除插销(未显示)和围绕它的间隙，同时用来排除空气并在制品形成后帮助从模具中取出制品100。
在本发明中，在位于中心的进料口116引入模制复合材料，使其从进料口116辐射地向外向上流动，进入肋片114。这种辐射形式的流动模式使聚合物基体4中含有的高纵横比填料8按此流向进行排列。因此填料8如图3B箭头所示呈向外辐射模式的方向取向，结果尽可能符合从固定在中心区域122的半导体发热装置散热的实际热传递路径。在本发明中，使填料8的辐射式流动模式尽可能符合来自中心区域122的热量的实际热量流路，就可以充分利用此符合聚合物材料，即其内高纵横比填料8的高传导性能。
图4显示了和上述图3A和3B显示的散热器类似的方式模制的导电接地金属板。在图4中，基本平的接地金属板200，例如用于中性点接地，显示为具有和电源接触的底面的主体212。在本发明中，金属板200是通过在216处在中心提供进料口，它是预先确定固定在中心区域222的电源的中心。在金属板200的四个边缘212上提供了通气口，这些通气口和进料口216结合起来促使模制材料以辐射模式向外流动，就尽可能符合来自中性点接地的实际的电流路径。如上所述，模制复合材料的向外辐射流动，可使高纵横比填料8沿电流方向排列，这样就使填料排列方向符合流路方向。
本发明模制结构增强制品的方法和模制上述导热和导电增强制品的方法类似。先要确定制品使用时的应力线，然后就可确定所需填料排列路径，即确定的结构加强填料所需的定位情况。确定进料口的位置，供填料源进入模具之用，以符合所需的填料定位来降低应力对制品的有害影响。出料口或通气口用于进一步控制喷射模制制品内填料的路径和排列方式。对于结构增强制品，合适的填料为碳纤维。
现在试看图5A和5B，图中显示了本发明所用的模具组件，如注模组件。图5A显示了具有其内有空腔302的模体306的模具组件的底部一半300。材料口304位于空腔302底部的中心，用于将模制材料引入模具。此下半部也备有引导插销308，用于接受图5B所示的模具上半部310对应的通孔312。图5A和5B所示的模具装置通常可以根据已有的模具制造技术制造。但是如上所详细叙述的，要根据本发明选择进料口304的位置使得能充分利用含加强填料的模制材料的性能。
在本发明中，提供了模制用于从一个源传热和/或导电的增强制品的方法。也提供了模制加强结构完整性制品的方法。首先，选择能形成所需构型的制品的模具组件。确定制品在使用时和源表面要接触的位置。模具组件中，在将要和热源或电源接触的制品表面的中心位置，设置一个进料口。然后确定最适宜的经过要模制的制品的热量流路或电量流路以及这些流路终止的位置。通风口则形成于模具组件中流路终止的位置。作为模制方法的一个步骤，将加有传导性高纵横比填料的聚合物通过预先选择的进料口引入模具组件中。将聚合物在模具组件中定位，务必使传导性填料基本平行并沿预先确定的热量流路方向排列，使聚合物/填料组合物的传导性达到最佳。模制成形之后，将模制完成的制品从模具组件中顶出。
实施例将图5A和5B所示的制模装置组装用来形成图4所示的散热片。通过位于模具底部中心的进料口将复合模制材料引入模具内。所用的模制材料是含有高纵横比填料碳片的基本聚合物基体，所述填料碳片为2/1000～4/1000英尺厚，40/1000英尺长，最小纵横比约为10∶1。模制成形以后，在散热片中排列成行的碳片是向外辐射模式延伸至制品的边缘。这种辐射模式很符合热量经过制品的实际流路，能充分利用材料的热传导性。
可以理解，通过使用本发明的方法，可以形成形状和构型范围宽的填料排列阵列。在此方面中，模具中进料口位置和通气口位置的选择将会有效地使填料按制品所要求的方式排列。即使是使用相同的聚合物和填料，本发明方法获得的制品比用已有方法制造的制品具有更高的导热性和导电性和更高的强度。可以选择基本材料和填料来使所得制品的所需导热、导电和结构性能最佳。
本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明精神的条件下，可以对本发明所述的具体实施方式
作出各种变化和修改。所有这些修改和变化均包括在所附的权利要求书中。
权利要求
1.一种用于从发热表面传递热量的具有网状脉络的可模制导热制品的模制方法，所述方法包括如下步骤提供一种能形成所需构型制品的模具组件；在所述模具组件内提供模具空腔；确定所述制品使用时在其上和所述发热表面接触的初始位置；在模具组件中接触的初始位置处形成进料口；确定经过所述制品使用时的最佳热量流路；确定所述热量流路的终止位置；将加有非对称填料的聚合物通过所述进料口引入所述模具空腔；在所述的终止位置对所述模具组件排气；通过所述聚合物在模具空腔中的流动，固定所述聚合物中所述传导性填料的位置，使之和所述热量流路方向基本上平行并排列成行；将模制成形后的具有网状脉络的制品从所述模具组件中顶出。
2.权利要求1所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供细长的传导性纤维作为所述传导性填料。
3.权利要求1所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供薄片状材料作为作为所述传导性填料。
4.权利要求1所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供米粒状材料作为所述传导性填料。
5.权利要求1所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供碳材料作为所述传导性填料。
6.权利要求1所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供铝材料作为所述传导性填料。
7.权利要求1所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供选自铝、氧化铝、铜、镁和黄铜中的所述传导性材料。
8.一种模制用于由电源传递电流的导电制品的方法，所述方法包括如下步骤提供一种能形成所需构型的制品的模具组件；确定所述制品使用时在其上和所述电源接触的初始位置；在模具组件中接触的初始位置处形成进料口；确定经过所述制品使用时的最佳电流流路；确定所述电流流路的终止位置；将加有导电填料的聚合物通过所述进料口引入所述模具组件；在所述的终止位置对所述模具组件排气；固定所述聚合物在模具组件中的位置，而所述传导性填料和所述电流流路基本上平行并排列成行；将模制成形后的制品从所述模具组件中顶出。
9.权利要求8所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供细长的传导性纤维作为所述传导性填料。
10.权利要求8所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供薄片状材料作为作为所述传导性填料。
11.权利要求8所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供米粒状材料作为所述传导性填料。
12.权利要求8所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供铝材料作为所述传导性填料。
13.权利要求8所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供铝材料作为所述传导性填料。
14.权利要求8所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供选自铝、氧化铝、铜、镁和黄铜中的所述传导性材料。
15.一种模制结构增强制品的方法，所述方法包括如下步骤提供一种能形成所需构型的制品的模具组件；根据所述制品使用时的应力部位确定所需填料的排列路径；在模具组件中所述填料排列路径的开始位置形成进料口；确定所述填料经过所述制品的最佳定位，使制品的结构完整性最佳；将加有结构加强填料的聚合物通过所述进料口引入所述模具组件；在所述填料排列路径的终止位置对所述模具组件排气；固定所述聚合物在模具组件中的位置，而所述传导性填料和所述填料排列路径基本上平行并排列成行；将模制成形后的制品从所述模具组件中顶出。
16.权利要求15所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供细长的传导性纤维作为所述传导性填料。
17.权利要求15所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供薄片状材料作为作为所述传导性填料。
18.权利要求15所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供米粒状材料作为所述传导性填料。
19.权利要求15所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供铝材料作为所述传导性填料。
20.权利要求15所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供铝材料作为所述传导性填料。
21.权利要求15所述的方法，其特征为所述方法进一步包括如下步骤提供选自铝、氧化铝、铜、镁和黄铜中的所述传导性材料。
全文摘要
一种能使热传递、电导和/或结构完整性优化的增强制品(100)的模制方法。首先提供能形成具有所需结构制品的模具组件，该制品包括底板(112)和直立的肋片(114)。模制制品(100)中填料所需的定位可根据制品(100)的热、电和结构方面的要求进行确定。在模具组件上设有进料口(116)和通气口(118)，以确保填料定位在听需位置。通过进料口(116)将加有加强填料的聚合物引入模具组件内。通过模制将聚合物定位在模具组件中，此时加强填料与流路完全平行并排列成行。底板(112)的底面(120)用于平置安装在所示区域(122)的发热装置作传热接触。
文档编号B29C45/00GK1452541SQ00819532
公开日2003年10月29日 申请日期2000年4月6日 优先权日1999年2月12日
发明者K·A·麦卡洛 申请人:酷选择股份有限公司