专利名称：用于便携式电子器件的热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热装置(thermal solution),其能热保护电子器件中的元件,从而防止或减少热对器件元件的影响。
背景技术：
随着越来越复杂的电子器件的发展，包括能够提高处理速度和更高的频率、具有更小尺寸和更复杂功率要求、并表现出其它技术先进性的那些器件，如笔记本电脑、移动电话、个人数字助理(PDA)和相关的便携式器件，以及在元件被彼此靠近排列的其它器件中，可能会产生相对极端的温度。例如，功率放大器和数字信号处理器可产生大量的热，尤其在移动电话中。但是，这些元件以及电池、微处理器、集成电路和其它复杂的电子元件一般只在一定的阈温度范围内有效工作。这些元件工作过程中产生的过热不仅会损害它们自身的性能，而且可能降低其它系统元件和整个系统的性能和可靠性，并甚至可能导致系统故障。预期电子系统工作的环境条件包括温度极限的范围的不断扩大加剧了过热的负面影响。随着对微电子器件散热需求的增加，热管理成为电子产品设计中日益重要的因素。电子器件的性能可靠性和使用寿命均与器件的元件温度成反相关。例如，器件如典型的硅半导体的工作温度，或类似地，半导体由于其它元件而暴露到的温度的降低可能相当于器件处理速度、可靠性和使用寿命的增加。因此，为了使元件的寿命和可靠性最大化，控制元件暴露到的温度是极为重要的。尽管简单地使电子器件中的热产生元件绝热是可行的，但这样做可能是不利的。绝热热源将热源产生的热保持在产生热的元件中和周围。因此，它增加了该元件上的热负荷，这可能降低元件的工作有效性或寿命。因此，系统中一个元件产生的热需要从热产生元件引导开或散开，并与器件的其它元件屏蔽开。一类重量较轻并适用于从热源如电子元件散热的材料为通常称为石墨的那些材料，但尤其是如下面描述的基于天然石墨和柔性石墨的那些石墨。这些材料是各向异性的，并允许散热器件被设计成优先在选择方向上传热。石墨材料在重量上轻得多，因此能提供超过铜或招的许多优点。石墨由具有碳原子六角阵列或网络的层面组成。六角排列碳原子的这些层面基本是平的，并被定向或有序化以便彼此基本平行和等距。基本平的平行等距的碳原子片或层通常称为石墨片(graphene)层或基面，它们被连接或结合到一起，其组被排列成微晶。高度有序的石墨由相当大尺寸的微晶组成:微晶彼此之间被闻度排列或定向并具有次序良好的碳层。换句话说，闻度有序的石墨具有闻的优选的微晶取向度。应注意到石墨具有各向异性结构，因此表现出或具有许多高度定向的性质，例如热和电传导性和流体扩散性。简言之，石墨可被表征为碳的层状结构，即由通过弱范德华力结合在一起的碳原子迭层或叠层组成的结构。在考虑石墨结构时，通常注明两个轴或方向，即“C”轴或方向和“a”轴或方向。为简单起见，“c”轴或方向可被认为是垂直于碳层的方向。“a”轴或方向可被认为是平行于碳层的方向或垂直于“c”方向的方向。适于制造柔性石墨片的石墨具有非常高的取向程度。如上所述，固定碳原子的平行层到一起的结合力仅仅是弱范德华力。可处理天然石墨使得迭碳层或叠层之间的间距被明显打开，以便在垂直于层的方向上即在“c”方向上提供显著的膨胀，并因此形成碳层的层状特征被基本保留的膨胀或肿大的石墨结构。在不使用粘合剂的情况下，可将被大大膨胀和尤其被膨胀至最终厚度或“c”方向尺寸为初始“c”方向尺寸约80倍或更多倍的石墨片形成为膨胀石墨的粘着或整体片，例如网、纸、条、带、箔、垫等(一般称为“柔性石墨”)。在不使用任何粘合剂的情况下，通过压缩将已膨胀至最终厚度或“c”尺寸为初始“c”方向尺寸约80倍或更多的石墨颗粒形成为整体柔性片被认为是可能的，因为有机械互锁或内聚力，这在容积膨胀的石墨颗粒之间实现。除了柔性外，还发现由于膨胀石墨颗粒和石墨层的取向因非常高的压缩如辊压而基本平行于片的相对面，上述片材料在热和电传导性以及流体扩散性方面具有和天然石墨原材料相当的高的各向异性程度。这样产生的片材料具有优异的柔性、良好的强度和非常高的取向度。简言之，生产柔性的、无粘合剂的各向异性石墨片材料例如网、纸、条、带、箔、垫等的方法包括在预定负荷下和没有粘合剂时压缩或压实“c”方向尺寸为初始颗粒尺寸约80倍或更多倍的膨胀石墨颗粒以形成基本平的柔性整体石墨片。膨胀石墨颗粒在外观上通常为蠕虫状或蚯蚓状，一旦被压缩，将保持压缩形变，并与相对的片主表面对齐。通过控制压缩程度可改变片材料的密度和厚度。片材料的密度可在约0.04g/cm3至约2.0g/cm3的范围内。柔性石墨片材料由于石墨颗粒平行于片的主相对平行表面排列而表现出相当大的各向异性程度，当辊压片材料增加取向时各向异性程度增加。在辊压的各向异性片材料中，厚度即垂直于相对的平行片表面的方向构成“c”方向，沿长度和宽度延伸的方向即沿或平行于相对主表面的方向构成“a”方向,对于“c”和“a”方向，片的热、电和流体扩散性质大大不同，有数量级的差异。尽管已建议使用剥离石墨(即柔性石墨)的压缩颗粒的片作为热散布剂、热界面和作为散热器的组成部分用于散逸热源产生的热(参见例如美国专利6245400 ；6482520 ；6503626和6538892)，但还没有充分解决“触觉温度”和邻近元件加热的问题，“触觉温度”即电子器件的外表面加热到让使用者不舒服或危险的程度。因此，继续需要用于便携式或小型化器件如笔记本电脑、移动电话和PDA的电子元件的热装置的改进设计，其中需要阻止来自一个元件的热影响相邻的元件，同时热又被散失或散逸。
发明内容
本发明提供一种热装置，其能散逸来自热产生电子元件的热，同时保护其它尤其是邻近元件不受热产生元件产生的热的影响。本发明的热装置包括剥离石墨(本文中也称为“柔性石墨”)压缩颗粒的至少一个各向异性片。本文使用的术语“柔性石墨”还指热解石墨的片，单独地或作为叠层。作为本发明的热装置使用的柔性石墨片具有大大高于其面间热导率的面内热导率。换句话说，本发明的热装置具有较高(大约10或更大)的热各向异性比。热各向异性比为面内热导率与面间热导率的比。热装置包括两个主表面，其中一个与热源的表面有效接触，热源如硬盘驱动器或处理器(在电子热管理工业中使用的术语“有效接触”和“直接有效接触”是指散热器、热界面、散热片(heat sink)等处于适当位置，从而来自热源的热被转移到这类散热器、热界面、散热片等上面)。热装置的面积大于热装置在热源上接触区域的面积，以便热装置的面内热导率用于散逸或散发来自热源的热。或者，本发明的热装置可排列在器件中，从而使器件的一个或多个元件被保护不受器件内产生的热的影响，即使在热装置不与热源有效接触或直接有效接触。由于较低的贯穿厚度热导率(或换言之，高的热各向异性比)，产生的热不能容易地通过热装置的厚度(即在两个主表面之间的方向上)传递。因此，当热装置位于热源和热源所处的器件的另一个元件之间时，热装置降低或消除了从热源到该其它元件的热流。本发明的热装置的顺应(conformable)特性可使它即使在空间受限的应用如移动电话、PDA等中也能使用。另外，使用柔性石墨材料作为本发明的热装置的另一益处在于石墨材料阻挡电磁和射频(EMI/RF)干扰的能力。认为本发明的热装置除了执行为其主要目的的散热/热屏蔽功能外，还将用于保护它所处的器件的元件不受EMI/RF干扰。在本发明的另一实施方案中，热装置可具有层压或涂在其上的铝或其它各向同性导体如铜的层，以便它们被夹在热装置和器件元件之间提高热装置的易加工性和机械坚韧性，并改进热装置的传热和EMI/RF屏蔽特性。同样，热界面材料如热油脂或石墨基热界面，如在国际专利申请PCT/US02/40238中描述的那些和/或在商业上从Lakewood，Ohio的Advanced Energy Technology Inc.得到的它的eGraf H1-Therm 产品系列，可被插入在热装置和热源之间以促进热源和本发明热装置之间的传热。在又一实施方案中，可在热装置的一个表面上使用反射材料，然后将热装置放在移动电话或PDA的小键盘下面以保护小键盘和使用者不受器件内产生的热的影响，并提高小键盘的可见度。本发明的还一实施方案将热装置放在器件的印刷电路板(“PCB”)的层之间，以便保护PCB —侧上的元件(与PCB为一体或靠近它)不受在PCB另一侧处或上产生的热的影响。另外，为了提高热装置的机械坚韧性和易加工性，并还能进一步阻挡或屏蔽热被传递到受保护元件上，可在热装置上覆盖相对不导热的材料层，如塑料失IVh Ure材料或其它树脂或类似材料。在热装置的一个或二个主表面上使用铝、塑料等的层可具有更多的优点。尽管并不认为这样有充分根据，但担心在电子器件内使用石墨元件可由于石墨颗粒从石墨元件上剥落而引起问题。铝、塑料等还可用于或协作包住石墨热装置，从而消除了石墨剥落的任何实际可能性。因此，本发明的一个目的是提供用于保护电子器件的元件不受器件内产生或存在的热的影响的改进热装置。本发明的另一个目的是提供具有足够高的热各向异性比的热装置，以有效地用于散热，同时避免到邻近结构的传热。本发明的又一个目的是提供顺序性的热装置，其在可用空间有限的环境中既提供散热又提供热封闭(或屏蔽)。通过为电子器件(如笔记本电脑、移动电话、PDA或其它便携式器件)提供热散逸和屏蔽系统可获得在阅读下面说明书时对熟练技术人员显而易见的这些和其它目的，其中器件包括产生热的第一元件(如功率放大器、数字信号处理器或硬盘驱动器)，热潜在可能被传递到器件的第二元件(如电池、芯片组或液晶显示器或其它类型的显示面板)；和热装置，具有两个主表面，定位热装置使得它的一个主表面与第一元件有效接触，以致于将它夹在第一元件和第二元件之间，其中热装置包括至少一个柔性石墨片。“有效接触”是指来自热源的热被转移到热装置，即使在热源和热装置之间没有直接物理接触。热装置优选具有至少约140W/m° K的面内热导率，更优选至少约200W/m° K，和不大于约12W/m° K的面间热导率，更优选不大于约10W/m° K。在最优选的实施方案中，本发明的系统还包括散热器件，如散热片、热管、热板或它们的组合，散热器件位于不直接邻近第一元件的位置，而且其中热装置的一个主表面与散热器件有效接触。在本发明的另一实施方案中，热装置可在其上具有保护涂层，如塑料。最优选地，保护涂层具有小于至少一个柔性石墨片的面间热导率的热导率。传热材料如金属或热界面还可以位于热装置和第一元件之间。应认识到，上面的概括性描述和下面的详细描述都提供了本发明的实施方案，并用于提供理解本发明所声称的特性和特征的概观或框架。包括附图以提供本发明的进一步理解，并结合在本说明书中和构成本说明书的一部分。
了本发明的各种实施方案，并和说明书一起用于解释本发明的原理和实施。
图1为被布置以桥接热源和散热器的本发明热装置的第一种实施方案的透视图。图2a为部分盖被卸去的移动电话的透视图。图2b为原位放置到图2a的移动电话中的图1热装置实施方案的透视图。图3具有塑料和铝覆层的本发明热装置的第二种实施方案的横截面图。图4为其中包含有多个本发明的热装置的实施方案的移动电话的分解横截面图。
具体实施例方式如所述，本发明的热装置由剥离石墨(常称为柔性石墨)压缩颗粒的片形成。石墨为碳的结晶形式，包含在平的层状平面中共价键合的原子，其中面之间具有较弱的结合。通过用如硫酸和硝酸溶液的插层剂处理石墨颗粒如天然石墨薄片，石墨的晶体结构反应形成石墨和插层剂的化合物。处理的石墨颗粒在下文中被称为“插层石墨的颗粒”。当暴露于高温时，石墨内的插层剂分解并蒸发，致使插层石墨的颗粒在“c”方向上即在垂直于石墨晶面的方向上以摺状形式在尺寸上膨胀至其初始体积的约80倍或更多倍。剥离的石墨颗粒在外观上为蠕虫状，因此常称为蠕虫。蠕虫可被压缩到一起成为与原始石墨薄片不同的可成形和切割成各种形状的柔性片。适用于本发明的石墨原材料包括能插层有机和无机酸以及卤素然后在受热时膨胀的高度石墨化碳质材料。这些高度石墨化的碳质材料最优选具有约1.0的石墨化程度。本公开中使用的术语“石墨化程度”是指按照下式的值g:
权利要求
1.一种移动电话，包括: 包括热源的第一元件和第一元件向其传递热的第二元件； 插入第一元件和第二元件之间的热装置； 其中热装置包括至少一个剥离石墨压缩颗粒的片，所述片具有至少140W/m° K的面内热导率，和不大于12W/m° K的面间热导率，所述片热屏蔽第二元件以防第一元件产生的热，其中热装置的各向异性的性质单独促进由第一元件的热散逸。
2.权利要求1的移动电话，其中热装置还包括在其上面的保护涂层。
3.权利要求2的移动电话，其中保护涂层具有小于至少一个柔性石墨片的面间热导率的热导率。
4.权利要求1的移动电话，其中传热材料位于热装置和第一元件之间。
5.权利要求4的移动电话，其中所述传热材料包括金属或热界面。
6.权利要求1的移动电话，其中第一元件包括功率放大器或数字信号处理器。
7.权利要求1的移动电话，其中第二元件包括电池。
8.权利要求1的移动电话，其中第二元件包括小键盘。
9.权利要求8的移动电话，其中在所述热装置和小键盘之间放置反射材料。
10.权利要求1的移动电话，其中第二元件包括移动电话的壳。
11.权利要求1的移动电话，其中第二元件包括显示器。
12.权利要求11的移动电话，其中显示器是液晶显示器。
13.权利要求1的移动电话，其中热装置整合入印刷电路板中。
14.权利要求1的移动电话，其中至少一个剥离石墨压缩颗粒的片的面间热导率不大于约 6W/m。K。
全文摘要
一种用于便携式电子器件的热装置，位于电子器件的热源和另一元件之间，其中热装置有利于从热源散热，同时保护第二元件不受热源产生的热的影响。
文档编号H04M1/02GK103078975SQ20131001555
公开日2013年5月1日 申请日期2006年7月7日 优先权日2005年7月7日
发明者M.D.斯马尔克, G.D.希弗斯, R.A.雷诺三世 申请人:格拉弗技术国际控股有限公司