附加了导热性能的树脂基材料 制造的热处置器件或散热片 【技术领域】
该发明涉及热处置结构，更具体涉及散热片和由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的相关的散热器件，树脂基材料包括铸模时在基础树脂内均质的微导热性粉末、微导热性纤维或它们的组合物(combination)。该制造方法得到在EMF或电子光谱范围内可用的导热部件或材料。
该专利申请要求2003年4月14日申请的美国临时专利申请60/462,072和2003年6月16日申请的美国临时专利申请60/478,775地优先权，在这里将它们整体引入作为参考。
该专利申请是INT01-002CIP的部分继续申请，INT01-002CIP是在2002年12月4日申请的序列号为10/309,429的美国专利申请，将其整体引入作为参考，INT01-002CIP又是案卷号INT01-002的部分继续申请，INT01-002是在2002年2月14日申请的序列号为10/075,778的美国专利申请，其要求2001年9月7日申请的美国临时专利申请序列号60/317,808、2001年2月16日申请的序列号60/269,414和2001年2月15日申请的序列号60/317,808的优先权。
背景技术
现代的电气系统引起许多热处置问题。例如，由于IR损耗，以非常高的开关速度工作的集成电路产生大量的热。该热量必须从集成电路器件有效地移出以维持高速性能以及避免器件损坏。另外，由于IR高电流开关产生大量的热损耗，因此热量必须从器件散逸以避免器件损坏。电源定向电路例如DC-DC转换器、电源电路等也产生显著的热量，该热量必须散逸以保护电源器件。
从集成电路、开关晶体管或电源定向电路移出热量的典型方法是使用散热片。散热片是粘贴在发热器件上的一种结构，以便于热能从热产生器传导出并传导至散热片。此外，散热片以一定速率散逸该热能以充分维持热能从发热器件产生进入散热片。结果，该散热片使器件的温度维持在一水平处，在该水平避免降低性能或灾难性故障。通常散热片由金属构成。
例如，由于铝具有良好的热传导性和较轻的重量，所以该金属常常用作散热片材料。例如，一般散热片被粘贴到IC或晶体管器件的金属接头上以便于在器件和散热片之间获得好的热通路。此外，散热片结构一般构造为大的表面积，例如利用大量的平行翼片以便于散热片提供用于通过对流散热的大表面。
另一种类型的热处置器件是热导管。热导管是包含少量液体的导管。来自热源例如电子设备的热量使液体汽化。由于该液体汽化，液体吸收来自热源的汽化的潜热。蒸气从热源经过导管到达导管的冷却端。在导管的冷却端，蒸汽冷凝至液态完成热传递。具有代表性的热导管由金属构成且可还包括芯吸材料的衬料。热导管常常与散热片连接以形成热传递系统，热导管从热源传导走热量，以及散热片的结构用于增强热导管冷凝端处的热传递。
由金属形成散热片或热导管结构的现有作法有许多缺点。这些缺点是金属的材料和制造成本，特别是铜以及金属的重量。因此，通过改变散热片和/或热导管的成分降低系统成本和重量是本发明的主要目的。
多项现有技术的发明涉及导热树脂成分和结构。Schneck的美国专利6,565,772教导一种包括树脂、促进剂和导热颗粒的导热树脂。在汽车制造中该导热树脂被应用到隐蔽的焊接瑕疵处。Tobita的美国专利6,451,418描述了一种由导热树脂材料构建的基板或芯片封装。该导热树脂材料包括在基板的厚度方向中取向的聚苯并咪唑纤维(polybenzasolfiber)。Cross等人的美国专利6,284,817揭露了包括氧化铝和氧化锌颗粒的导热树脂基材料。该材料被用于将封装的晶体管焊接到铝散热片的一个实施例中。Shimizu等人的美国专利6,597,063示出用于半导体电源器件的封装。在一个实施例中高导热树脂形成电源器件和散热片之间。Krassowski等人的美国专利申请2003/0183379教导合成的散热片，包括石墨基座和导热塑料翼片。该导热塑料在树脂基中包括石墨薄片。
【发明内容】
本发明的一个主要目的是提供一种有效的散热器件。
本发明的另一目的是提供一种形成散热器件的方法。
本发明的另一目的是提供一种由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的散热片或热导管。
本发明的再一目的是提供一种由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的散热片或热导管，其中通过改变附加了导热性能的树脂基材料的成分可以调节散热片或热导管的热特性。
本发明的再一目的是提供一种由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的散热片或热导管，其中通过在附加了导热性能的树脂基材料上形成金属层可以改变热特性或可以改变视觉特性。
本发明的再一目的是提供制造由附加了导热性能的树脂基材料形成的散热片或热导管的方法，上述材料引入各种形式的材料。
本发明的再一目的是提供一种制造由附加了导热性能的树脂基材料形成的散热片或热导管的方法，其中该材料呈织物状态。
依照本发明的目的，获得一种散热器件。该器件包括体区、在该体区第一侧面上的附着表面以及该体区第二侧面上的对流表面。体区、附着表面和对流表面包括附加了导热性能的树脂基材料，在树脂基质中该材料进一步包括导热材料。
同样依照本发明的目的，获得了一种热导管器件。该热导管器件包括导管(conduit)，上述导管包括附加了导热性能的树脂基材料，该树脂材料包括在树脂基质内的导热材料。通过导管可汽化的液体被密封在热导管内。
同样依照本发明的目的，获得了一种电气系统器件。该器件包括电功率器件和散热器件。该散热器件包括附加了导热性能的树脂基材料，在树脂基质中该材料包括导热材料。
同样依照本发明的目的，获得了一种形成散热器件的方法。该方法包括提供附加了导热性能的树脂基材料，在树脂基质中该材料包括导热材料。该附加了导热性能的树脂基材料被铸模成散热器件。
同样依照本发明的目的，获得了一种组合灯和散热片器件。该器件包括灯、连接灯的第一端子、连接灯的第二端子和散热片。第一和第二以及散热片包括附加了导热性能的树脂基材料。
【附图说明】
在附图中，示出了形成材料的部分说明：
图1a和1b说明本发明的第一优选实施例，该实施例示出包括附加了导热性能的树脂基材料的散热片或热处置器件。图1a说明包括一系列平行翼片的散热片。图1b说明包括针或杆阵列的针形散热片。
图2说明附加了导热性能的树脂基材料的第一优选实施例，其中该导热材料包括粉末。
图3说明附加了导热性能的树脂基材料的第二优选实施例，其中该导热材料包括微导纤维。
图4说明附加了导热性能的树脂基材料的第三优选实施例，其中该导热材料包括导热粉末和微导纤维。
图5a和5b说明第四优选实施例，其中导热的类纤维材料是由附加了导热性能的树脂基材料构成。
图6说明本发明的第二优选实施例，进一步示出具有上覆金属层的附加了导热性能的树脂基散热片。
图7说明引入附加了导热性能的树脂基的散热片的电气系统。
图8说明引入附加了导热性能的树脂基的散热片的电气系统，该散热片具有液体冷却机构。
图9说明通过喷射模塑法形成附加了导热性能的树脂基散热片的第一优选实施例的方法。
图10说明通过挤压成形形成附加了导热性能的树脂基散热片的第二优选实施例的方法。
图11说明本发明的第五优选实施例，示出由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的热导管。
图12说明本发明的第六优选实施例，示出用于LED的散热片。
【具体实施方式】
本发明涉及由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的散热片和其它热处置器件，上述材料包括铸模时在基础树脂内均质的微导粉末、微导纤维或它们的组合物。
本发明的附加了导热性能的树脂基材料是装载有导热材料的基础树脂，因而它使所有的基础树脂变为导体而不是绝热体。该树脂使得铸模部分具有结构的整体性。在铸模工艺期间在基础树脂内使微导粉末、微导纤维或它们的组合物均质，以提供电气连续性。
可以铸模、挤压等附加了导热性能的树脂基材料，以提供几乎任何所需的形状或尺寸。也可以切割、冲压或真空压制该铸模的附加了导热性能的树脂基材料，由注模或压出胶片或棒料(barstock)、过铸模(over-molding)、层压、碾磨等形成用以提供所需的形状和尺寸。利用附加了导热性能的树脂基材料制造的散热片或其它热处置器件的导热特性依赖于附加了导热性能的树脂基材料的成分，可以调节装载的成分或掺杂的参数以帮助获得所需材料的结构特性、电特性或其它的物理特性。用于制造散热片或其它的热处置器件选择的材料利用例如注模、过铸模、热固(thermo-set)、固态侵入(protrusion)、挤压成形等铸模技术和或方法相互均质。涉及2D、3D、4D和5D型号的特性、铸模和电特性包括物理和电性的优点，在铸模部件或形成的材料内与导热网络结合的实有部件和物理聚合物的铸模工艺期间可以获得该优点。
通过将这些材料成形为所需的形状和尺寸，在散热器件的制造中利用附加了导热性能的树脂基材料显著地降低了材料、设计和用于保持消除严格容限的制造工艺的成本。利用常规的形成方法例如注模、过铸模或挤压成形等，该散热片或其它的热处置器件可以制造成不定的形状和尺寸。当注模时，附加了导热性能的树脂基材料一般不排它地用于生成所需的范围在5和25欧姆每平方之间的可用电阻率，但是通过改变掺杂的参数和/或树脂选择可以获得其它的电阻率。
附加了导热性能的树脂基材料包括微导粉末、微导纤维或它们的任意组合物，在铸模工艺期间，在基础树脂内使上述材料相互均质，容易生产低成本、导电、小公差地制造部件或电路。微导粉末可以是碳、石墨、胺类等和/或金属粉末例如镍、铜、银或电镀等。利用碳或其它形式的粉末例如石墨等可以产生额外的低能级的电子交换，并且当与微导纤维结合使用时，在又用作铸模设备润滑剂的生产电导率的纤维微导网内生成微填充物元件(microfillerelement)。微导纤维可以是镀镍的碳纤维、不锈钢纤维、铜纤维、银纤维等或者它们的组合物。结构材料是例如任何聚合树脂的材料。这里给出由GEPLASTICS、Pittsfield、MA制造的聚合树脂、由GEPLASTICS、Pittsfield、MA制造的其它系列的塑料、由其它生产商制造的其它系列的塑料、由GESILICONES、Waterford、NY制造的硅树脂或由其它生产商制造的其它挠性树脂基的橡胶化合物，作为结构材料的例子，而不是作为详细清单，
利用常规的铸模方法例如注模或再注模或挤压成型来制造所需的形状和尺寸，可以铸模装载微导粉末、微导纤维或它们的组合物的树脂基结构的材料。也可以将附加了导热性能的树脂基的铸模材料冲压、切割或碾磨成所需的以形成散热片所需的形状因素。在载荷基础树脂内掺杂的成分和与微导体结合的方向性可以影响散热器件的电气特性和结构特性，以及可以通过模具设计、门控和或伸出设计(protrusiondesign(s))和或在铸模工艺本身期间精确地控制。另外，可以选择树脂基以获得所需的热特性例如很高的熔点或很大的比导热率。
用随机的或连续的网纹微不锈钢纤维或其它的导热纤维可以制造树脂基的夹层板，形成相同材料的织物。可以将网纹导热纤维层压成材料例如特氟隆、聚酯或任何树脂基的增韧剂或固体材料，当将它们在纤维含量、取向和形状离散地设计时，将产生非常高的导热挠性类织物材料。这样的类织物材料也可以用于形成散热片或其它的热处置器件，与其它树脂材料例如橡胶或塑料一样可将上述散热片或热处置器件嵌入个人的衣服。当利用导热纤维作为与层压部件或类织物材料一样的嵌入导体时，该纤维可具有在约3和12微米之间的直径，典型地在约8和12微米之间或约10微米的范围内，具有可以是无缝或重迭的长度。
现在参看图1a和1b，说明本发明的第一优选实施例。以下示出并论述本发明的几个重要部件。现在参看图1a，本发明的该实施例10示出包括附加了导热性能的树脂基材料的散热片12或热处置器件。该散热片器件12包括体区13、在体区的第一面上的附着表面15和在体区的第二面上的对流表面14。体区13、附着表面15和对流表面14每个由附加了导热性能的树脂基材料形成。在该散热片例子中，通过间隔18隔开的一系列平行翼片14用于提供将热量从散热片12传输出去的对流表面。附着表面15具有平坦的布局以给热产生器件提供最佳的接触面积。然而，由于附加了导热性能的树脂基材料的塑模性，任何布局可用于形成附着表面15。中间层、机械装置或导热粘接剂可用于将散热片12的附着表面15和热产生器件键合在一起。散热片12的体区13提供热聚集，以暂时性存储从热产生器件传递至散热片12的热能。对流表面14和18优选定向远离热产生器件。对流表面14和18优选包括将热能有效释放到周围空气或液体的表面布局。优选，对流表面26包括所示的翼片，通过对流以增加用于热传递的表面积。
现在参看图1b，说明另一个散热片22。在该例中，通过间隔26隔开的翼片24或杆阵列形成作为散热片22的对流表面。附着面25、体区23和对流表面24又由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成。可以以非常低的成本制造散热片器件12和22。翼片14和24与贴附到热产生源的有限附着表面15和25相比提供较大的对流表面。
现在参看图7，示出示范的散热片装置。将散热片80贴附到集成电路78上，以便于集成电路78和散热片的附着表面84热接触。中间层、机械装置或导热粘接剂可用于将散热片80和热产生器件78键合在一起。散热片80的体区82提供热聚集，以暂时性存储从热产生器件传递至散热片12的热能。然后通过对流表面86将存储在散热片80中的热能释放到周围环境中。因此在热产生器件78和散热片80之间的模件导热率允许热能即热量从集成电路或模件78传递到散热片80，并且接着传递到周围环境中。图7中，该实施例用空气88作为周围环境。通过增加风扇90迫使空气88越过对流表面86可进一步增强该方法，并且因此增加了热传递的速率。现在参看图8，在液体冷却系统100中可以用液体110代替空气，例如冷却水。
在该例中，通过允许散热片的对流表面108接收液体110的最佳方位的结构112容纳液体110。通过容纳结构112可以保护热产生器件102以避免直接接触液体110。附加了导热性能的树脂基散热片不透湿气。因此象冷却液110一样可以将散热片106和108暴露到外部环境中。
由附加了导热性能的树脂基材料制造的如图1a和1b中所示的散热片12和22同样显示出极好的导热性。均匀分布在基础树脂内的现有导热材料，可将散热结构的导热性提高到足够高的水平。另外，附加了导热性能的树脂基材料给将进行大量热循环的可靠散热器件提供足够的结构稳定性。此外，依赖于选择的基础树脂的类型，可以将散热片特制成希望的环境特性。
附加了导热性能的树脂基材料具有代表性地包括微粉末的导体颗粒和/或在基础树脂基质内混合均匀的微纤维的组合物。图2示出在基础树脂基质30内具有导体颗粒34粉末的导体载荷树脂材料32的范例的剖面图。在该例子中，粉末中导体颗粒34的直径D在约3和12微米之间。
图3示出在基础树脂基质30内具有导体纤维38的导体载荷树脂材料36的范例的剖面图。导体纤维38具有在约3和12微米之间的直径，典型地在10微米的范围内或在约8和12微米之间，并且具有在约2和14毫米的长度。用于这些导体颗粒34或导体纤维38的导体可以是不锈钢、镍、铜、银或其它合适的金属或导热纤维或它们的组合物。在基础树脂内将这些导体颗粒和或纤维混合均匀。如上述所述，附加了传导性能的树脂基材料具有在5和25欧姆每平方之间的电阻率，通过改变掺杂的参数和/或树脂选择可以获得其它的电阻率。为了实现该电阻率，导体材料的重量在该例子中导体颗粒34或导体纤维38与基础树脂基质30的重量比在约0.20和0.40之间，并且优选是约0.30。纤维的重量与基础树脂的重量比为0.30、直径为8-11微米和长度为4-6mm的不锈钢纤维将产生在任何EMF光谱内有效的非常高的传导性参数。现在参看图4，说明本发明的另一优选实施例，在铸模工艺期间导热材料包括相互均匀分布在基础树脂基质30内的导热粉末34和微导纤维38的组合物。
现在参看图5a和5b，说明附加了导热性能的树脂材料的优选成分。附加了导热性能的树脂材料可以形成纤维或织物，然后将上述纤维和织物编织或交织成导热织物。附加了导热性能的树脂材料被形成为所示可以编织的线。图5a示出导热织物42，其中以纤维或织物的二维织物46和50将该纤维编织在一起。图5b示出导热织物42′，其中该纤维以网状排列形成。在网状排列中，将一条或多条连续的导热纤维的线以任意方式相互套入。
最后的导热结构或织物42见图5a和42′见图5b可以制造成很薄、厚、坚硬的、挠性的或固体的形式。
同样地，除类织物以外的导热材料可以用编织或网状的微不锈钢纤维或其它微导纤维制造。这些交织的或网状的导热织物也可以夹层层压一层或多层材料例如聚酯、特氟隆、凯夫拉尔(Kevlar)或任何其它所需的树脂基材料。然后可将该导热织物切割成所需的形状和尺寸。
现在参看图6，说明本发明的第二优选实施例。这里散热器件60包括用附加了导热性能的树脂基材料制造的散热片64。散热片64又以附着表面68、对流表面70和在它们中间的体区66为特色。作为添加的部件，在附加了导热性能的树脂基散热片64上形成金属层72。可添加金属层72以改变热特性或合成的散热片的外观。可将金属层72叠置形成在附着表面68上以改变在散热片64和未示出的热产生器件之间的热导特性。可选择地，金属层72可叠置形成在对流表面70上通过翼片70以改变散热片64到环境介质的热传递特性。最后，金属层72可叠置形成在所示的所有的附加了导热性能的树脂基散热片64上。
金属层72可通过电镀或涂布形成。如果形成的方法是金属电镀，那么附加了导热性能的树脂基材料的树脂基结构材料是一种可以金属电镀的金属。可以用金属层电镀的聚合树脂有很多种。例如，GEPlastics、SUPEC、VALOX、ULTEM、CYCOLAC、UGIKRAL、STYRON、CYCOLOY是一些可以被金属电镀的树脂基材料。例如可以通过电镀或物理气相沉积形成金属层72。
加载了微导粉末或纤维的载荷树脂基结构材料可以以多种方式任意一种形成散热片。附加了导热性能的树脂基材料可以被铸模、切割或碾磨以形成散热片。现在参看图9，作为第一优选的方法，示出用于形成散热片126的喷射模塑顺序120的简化示意图。该模子包括上部122和下部124。
通过注入开口128将加传导性的混和树脂基材料125注入进模槽125中直至添满模槽125，接着关闭入口128的阀门130。然后通过热反应固化均质的导热材料。最后，分离模子的上部122和下部124以及移出整个导热散热片126。
现在参看图10，示出由附加了传导性能的树脂基材料形成散热片166的第二优选方法140。在该例中，通过挤压形成散热片。附加了导热性能的树脂基材料被放置在挤压单元140的送料斗148中。接着用活塞、推进器、模子压制或其它装置160穿过挤压开口152挤压该热熔化的或化学引起固化的附加了导热性能的树脂基材料，上述挤压开口152使热熔化的固化或化学引起固化的附加了导热性能的树脂基材料成型为所需的形状。接着通过化学反应或热反应将附加了导热性能的树脂基材料全面固化为硬化或易挠状态并且为使用做好准备。由附加了导热性能的树脂基材料形成散热片器件的可选择的方法包括过铸模、层压、碾磨、冲压或切割。在已经固化成块或片状的附加了导热性能的树脂基材料上进行碾磨和切割。
现在参看图11，本发明的第五优选实施例说明根据本发明由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的热导管204。在所示的热导管部件的范例中，热源被热连接到热涂布器(heatspreader)212。热导管204用于将热量从热涂布器212传导到散热片216，热量最后散逸到周围环境中。根据本发明，热涂布器212、热导管204和散热片216全部可以由这里描述的附加了导热性能的树脂基材料铸模而成。特别地，热导管包括附加了导热性能的树脂基材料的外部导管220。外部导管220将少量的可汽化液体例如乙二醇密封在导管204的内部224。在工作期间，来自热源的热能使可汽化的液体汽化成汽态。在汽化工艺期间，液体分子吸收来自热能源的汽化潜热。
接着可汽化的液体将热从热源传递到散热片216。在散热片处，将热能从可汽化的液体传出并且传递进散热片216，由此释放汽化的潜热并导致液体冷凝。接着散热片216将该热能释放到周围环境中。可选择地，在冷凝端末端没有散热片或翼片状的机械装置热导管可设计成适当地尺寸以将热传递进周围环境中。
利用节省空间的小导管，热导管204允许热量从热源传出。该技术利于热产生器件例如微处置器或电源在限定的空间范围中例如膝上型计算机中使用。如果热导管204以垂直方式定向，那么冷凝的液体仅仅流过热导管204末端的热源。在其它的方向中，芯吸层228可以添加到导管220中。芯吸层228用来将少量的可汽化液体存储在热导管204中。在热事件期间，可汽化液体将芯吸层留在受热末端。在导管的冷却末端，汽化物冷凝回液体并且将其存储在芯吸层228中。如果使用，芯吸层228优选包括烧结粉末、有槽管(groovedtube)和/或筛孔(screenmesh)。
现在参看图12，说明本发明的第六优选实施例300。在该例中，用于一组灯314的散热片304，更具体，一组由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的发光二极管(LED)器件314。在更优选的例子中，由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的散热片部分(section)308也用作LED器件314的一个电接线端子。第二电气端子312也由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成。在该例中，将第一端子308、第二端子312和散热片翼片322被过铸模在LED器件314上。在另一优选例304′中，通过绝缘层326将第一端子308和第二端子312与散热片330电隔离。然而，绝缘层326导热。
在该例中，由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的第一和第二端子首先被铸模到LED的阳极/阴极，接着由附加了导热性能的树脂基材料铸模而成的散热片330也被过铸模到LED-端子组件308、312和314上。当与金属端子和散热片系统相比时，两个实施例都表明节省高成本和降低高重量。
现在可概括本发明的优点。获得一种有效的散热器件。该散热器件由附加了导热性能的树脂基材料形成以减少制造和材料成本。该散热器件由附加了导热性能的树脂基材料形成，其中通过改变材料的成分可以调节散热片的热特性。通过添加覆盖散热片的金属层可以改变由附加了导热性能的树脂基材料形成的散热器件的热特性。由附加了导热性能的树脂基材料制造散热器件的方法引入各种形态的材料。获得了一种由附加了导热性能的树脂基织物制造散热器件的方法。
如优选实施例中所示，与现有技术相比，本发明的新方法和器件提供一种有效的和可制造的方案。
虽然参考优选实施例已特别的示出和描述了本发明，但本领域技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可以在形式上和细节上进行各种改变。