帶導熱件的散熱器的製作方法

2023-08-08 22:10:41 2

專利名稱：帶導熱件的散熱器的製作方法
技術領域：
本發明是共同未決的Reis等人的美國專利申請序列號11/267933的部分繼續案，該美國專利申請於2005年11月4日提交，標題為「散熱電路組件」，本文通過引用將其結合進來。
本發明大體上涉及由各向異性的石墨平面材料製成的散熱器，具體地說涉及這種包括導熱件(via)的散熱器，導熱件有助於將熱量傳遞出散熱器的厚度。
背景技術：
早前已經提出過利用石墨散熱器去除來自分散的熱源的熱量。散熱器的一個表面貼靠在分散的熱源上，熱量從熱源移動到散熱器中。之後熱量經由散熱器進行傳導，並通過傳導或輻射而從散熱器的兩面消散到較冷的相鄰的表面上，或通過對流而消散到空氣中。具有高平面熱導率的厚的石墨散熱器，其具有大的熱傳導橫截面面積，並且可比相同材料製成的薄的散熱器散去更多的熱量。然而，具有高平面熱導率的石墨材料，其具有相對較低的厚度方向的熱導率。這種低的厚度方向的熱導率阻止了經由石墨厚度的熱流，並且不能通過散熱器實現最大的熱傳遞。
這個問題可通過在石墨散熱器上，於熱源位置埋置導熱件來實現。這種導熱件由各向同性的材料製成，這種材料具有比石墨的厚度方向的熱導率更高的熱導率。備選的導熱件材料包括金、銀、銅、鋁等，以及其各種合金。導熱件通常是圓形的，並且加工成使其直徑足以幾乎覆蓋整個熱源的表面那麼大。導熱件的末端與熱源相接觸，並且熱量流入導熱件並穿過導熱件。熱量經由導熱件外徑傳遞到石墨中。導熱件有效地將熱量傳遞出石墨的厚度，並使石墨散熱器的整個厚度可用於最大的熱傳遞。在受讓給Krassowski等人，並受讓給本發明受讓人的美國專利No.6,758,263中顯示了之前關於石墨散熱器中使用導熱件的一個示例，該專利的細節通過引用而結合在本文中。
由高平面熱導率的石墨製成，並包括導熱件的厚的石墨散熱器是比同等的全石墨、全銅或全鋁的散熱器更有效的散熱器，並且其通常比全銅或全鋁的散熱器更輕。
使用散熱器的一個特殊的應用是結合印刷電路板。印刷電路板通常由絕緣材料例如玻璃纖維迭片(稱為FR4板)、聚四氟乙烯等材料製成。在這種板的其中一個表面上，或在絕緣材料層之間具有通常由銅組成的電路。這些電路通常由照相平版印刷、陰極濺鍍、絲網印刷等方法來形成(對於設置在層之間的電路，會在迭片形成之前將電路敷設到絕緣材料上。另外，諸如LED、處理器等部件可設置在電路板的表面上，與表面上的電路相接觸。這種部件可能產生大量的熱量，為了使其運轉可靠，並且達到其預期的性能水平，必須將這些熱量散去。
由於這些發熱部件，印刷電路板必須幫助消散的熱量可能是極大量的。目前正在研究所謂的「散熱板」，在這種散熱板中，將一層散熱材料如銅或鋁及其合金與絕緣材料層壓在與電路和發熱部件相對的表面或層面中，以用作電子部件所產生的熱量的散熱器。重要的是須將散熱器定位成使得至少一層絕緣材料將散熱器和電路分開，因為散熱材料通常是電傳導的，並且如果它們接觸的話可能會干擾電路的操作。
目前有幾種商業可用的「散熱板」，有時候稱為金屬芯印刷電路板(MCPCB)，例如來自Bergquist公司的Insulated Metal SubstrateTM散熱板，來自Thermagon的T-CladTM散熱板，來自Denka的HITT Plate板和來自TT電子公司的AnothermTM板。這些散熱板在前三個情況下通過用熱傳導顆粒填充絕緣層，或者在或AnothermTM方案的情況下，通過位於鋁散熱層的頂面上的薄的陽極氧化層而使用了熱傳導的絕緣層。然而，熱傳導顆粒的使用是昂貴的，並且後續的層必須足夠厚，以保證其是沒有針孔，這增加了設計中的熱阻。這種方案的另一限制起因於缺乏製造架構或非平面電路結構的適應性，以及絕緣材料覆蓋散熱層整個表面的實際情況。使用陽極氧化作為絕緣層試圖克服某些問題，但是迫使使用鋁作為其散熱層，因為銅是不能陽極氧化的。因為鋁的熱導率遠小於銅，所以這可能是一個熱缺陷。然而，所有前面的方案都可能遇到錫焊困難，因為在印刷電路板和部件操作期間利用的相同的散熱特性抑制了裝配工藝過程，這種裝配工藝過程需要錫焊的點熱源(例如熱杆粘接)。
為了克服某些，但不是所有這些問題，可以在單獨的工藝過程中將傳統的印刷電路板與單獨的金屬散熱層結合起來。在這種裝置中，可將印刷電路板設計成具有導熱件(通常鍍有銅的鑽孔)，從而更好地將熱量傳導出印刷電路板的未填充的絕緣層，但是這些只是用於不需要部件至部件的電絕緣的應用場合。
而且，傳統的散熱材料如銅或鋁還極大地增加了板的重量，這是不合適的，並且這些材料的熱膨脹係數(CTE)並不與玻璃纖維迭片的熱膨脹係數相匹配，導致了由於熱作用而引起的印刷電路板上的物理性應力，並且可能導致脫層或破裂。
另外，因為這些板上的散熱層由各向同性的、薄(相對於其長度和寬度而言)的金屬材料組成，所以熱量傾向於流經散熱器的厚度，並導致在與熱源直接相對的位置產生過熱點。
另一類在工業上稱為「柔性電路」的電路組件，其具有相似的熱管理問題。通過在用作絕緣層的聚合體材料例如聚醯亞胺或聚酯的表面上提供電路，諸如上述銅電路，從而形成柔性電路。如名稱所示，這些電路材料是可彎曲的，並且甚至可以電路卷材形式來提供，這些電路卷材可以在後面與銅或鋁等散熱層相結合。雖然非常薄，但是柔性電路中的絕緣層仍然增加了給定設計中的熱阻，並且受到印刷電路板中所觀察到的相同問題的困擾。導熱件的使用仍然局限於如之前所述的電絕緣應用。並且明顯的是，剛性金屬層例如銅或鋁的使用並不會讓人們利用柔性電路的撓性，這種特性對於終端用戶的應用是很重要的。
由膨化(exfoliated)石墨的壓縮顆粒層形成的散熱器的使用可以彌補使用銅或鋁散熱器所遭遇的許多缺陷，因為同銅比較，這種石墨材料提供了減少80％的重量的優勢，同時能夠匹配或甚至超過銅在平面方向上的熱導率，平面方向的熱導率是印刷電路板經表面散熱所需要的。另外，石墨具有基本上為零的平面方向上的CTE，以及比銅或鋁更低的硬度，所以降低了在石墨絕緣介質上的熱應力。
雖然膨化石墨的壓縮顆粒層甚至可以具有用於柔性電路的撓性，但是增加基於石墨的散熱層並不能抵消散熱器位置引起的所有缺點，使得一層或多層絕緣材料將散熱器與發熱部件分開，降低了從部件到散熱層之間的熱傳遞。
由柔性石墨片組成的一層或多層的迭片在本領域中是已知的。這些結構可在例如襯墊製造中找到用途。參見受讓給霍華德的美國專利4,961,991。霍華德公開了包含金屬片或塑料片的各種層壓結構，這些金屬片或塑料片粘接在柔性的石墨片之間。霍華德揭示了可通過在金屬絲網的雙面上冷加工柔性的石墨片，之後將石墨壓接在金屬絲網上，從而準備好這種結構。霍華德還揭示了將被覆織物的聚合樹脂放置在兩片柔性石墨之間，同時加熱到足以軟化聚合樹脂的溫度，從而將被覆織物的聚合樹脂粘接在兩片柔性石墨之間，生產出柔性的石墨迭片。類似地，Hirschvogel的美國專利5,509,993公開了通過一種工藝過程準備的柔性石墨/金屬迭片，這種工藝過程包括將表面活性劑敷設到其中一個要粘接的表面上的第一步驟。Mercuri的美國專利5,192,605也可由柔性的石墨片粘接在芯材料上而形成迭片，芯材料可以是金屬、玻璃纖維或碳。在通過砑光輥供給芯材料和柔性石墨以形成迭片之前，Mercuri將環氧樹脂塗層和熱塑劑顆粒沉降在芯材料上，並使之硬化。
除了其在襯墊材料上的用途之外，石墨迭片還可用作熱傳遞或冷卻裝置。各種實心結構用作熱交換器的用途在本領域中是已知的。例如，Banks的美國專利5,316,080和5,224,030揭示了金剛石和氣體衍生的石墨纖維加上合適的粘接劑而用作熱交換器裝置的用途。這種裝置用於被動地傳導從熱源如半導體至散熱片的熱量。
在美國專利6,758,263中，Krassowski和Chen揭示了將高傳導率的插入物結合到散熱部件例如石墨散熱片中，從而從熱源通過部件厚度，並在平面方向上傳遞熱量。然而在Krassowski和Chen的說明書中沒有描述經由相對非傳導材料層，例如電路組件的絕緣層而傳遞來自熱源的熱量。
如所述，優選用作本發明散熱器材料的石墨材料是膨化石墨的壓縮顆粒片材，其通常稱為柔性石墨片材。
以下是石墨和通常對其加工以形成柔性石墨片材的方式的簡要描述。從微觀規模看，石墨是由碳原子的六邊形陣列或網狀結構的層面組成。這些六邊形設置的碳原子層面基本上是平的，並且定向或排序成基本上相互平行並且等距。這種基本平直、平行、等距的碳原子片材或碳原子層通常稱為石墨層或基面，其連結或粘接在一起，並且其分組設置成微晶形式。非常有序的石墨材料由相當大尺寸的微晶組成，這些微晶彼此相對高度對準或定向，並具有非常有序的碳層。換句話說，非常有序的石墨具有高度優選的微晶取向。應該注意，根據定義，石墨擁有各項異性的結構，從而展現或擁有許多與方向高度相關性的特徵，例如熱導率和電導率以及流體擴散性。
簡單地說，石墨可表徵為碳的層壓結構，即由碳原子層疊層或層片組成的結構，這些碳原子通過弱的範德瓦爾斯力而連接在一起。在考慮石墨結構時，通常標記兩個軸或方向，即「c」軸或方向和「a」軸或方向。為了簡便起見，可認為「c」軸或方向是垂直於碳層的方向。「a」軸或方向可認為是平行於碳層的方向或與「c」方向垂直的方向。適合於製造柔性石墨片的石墨擁有非常高度的微晶取向。
如上所述，將平行的碳原子層保持在一起的粘接力只是弱的範德瓦爾斯力。天然石墨可進行化學處理，使得層疊的碳層或層片之間的間隙能夠適當地張開，從而可在垂直於層的方向，即「c」方向上提供顯著的膨脹，並從而形成一種基本保持了碳層的層壓特徵的擴張或膨脹的石墨結構。
經過化學膨脹或熱膨脹，尤其膨脹到最終尺寸或「c」方向尺寸大約為原始「c」方向尺寸80倍或以上的石墨片，其可以在粘接或結合的膨脹的石墨片中不使用粘接劑的條件下形成，這些粘接劑例如織物、紙張、條、膠帶等(通常稱為「柔性石墨」)。
在沒有使用任何粘接材料的條件下，通過壓縮而將已經膨脹到最終尺寸或「c」方向尺寸大約為原始「c」方向尺寸80倍或以上的石墨顆粒整合到柔性片材中，這由於體積膨脹的石墨顆粒之間獲得的機械聯鎖或粘接而被認為是可行的。
除了柔性之外，如上所述還發現片材由於膨脹的石墨顆粒基本平行於片材的相對面的微晶取向而擁有與熱導率和電導率以及流體擴散性相關的高度的各向異性，其雖然較少，但可比擬於天然石墨的原材料，片材通過非常高的壓縮例如滾軋加工而成。這樣所生產的片材具有優良的柔性，良好的強度和非常高的粘度或微晶取向。目前存在對更完全地利用這些特性的加工過程的需求。
簡要地說，生產諸如織物、紙張、條帶、膠帶、箔、蓆子等柔性無粘接劑的各向異性的石墨片材的過程，其包括在預定的負載下，並在缺乏粘接劑的條件下，對「c」方向尺寸大約為原始顆粒「c」方向尺寸80倍或以上的膨脹的石墨顆粒進行壓縮或壓擠，從而形成基本平直的、柔韌的、完整的石墨片。外觀上通常蠕蟲狀或蚓狀的膨脹的石墨顆粒一旦壓縮，其將保持壓縮形變，並與片材的相對的主表面對準。通過在壓縮步驟之前敷設和/或添加粘接劑或添加劑可改變片材的特性。參見Shane等人的美國專利3,404,061。通過控制壓縮的程度可改變片材的密度和厚度。
在需要嵌入或模製表面花紋的情況下，較低的密度是有優勢的，並且較低的密度有助於獲得良好的花紋。然而，更密實的片材通常優選較高的平面強度和熱導率。通常，片材的密度將大約在0.04g/cm3至1.9g/cm3之間的範圍內。
上述製成的柔性石墨片材通常展示了由於石墨顆粒與片材相對的主平行面平行對準而引起的恰當程度的各向異性，當片材為提高密度而進行滾軋加工時，各向異性的程度會增加。在滾軋的各向異性的片材中，厚度方向，即與相對的、平行的片材表面垂直的方向包括「c」方向，而沿著長度和寬度，即沿著相對的主表面或與相對的主表面平行的方向，其包括「a」方向，並且片材在「c」和「a」方向上的熱屬性是極其不同的，通常相差幾個等級。

發明內容
因此，本發明的一個目的是為石墨散熱器中的導熱件提供改進的結構。
本發明的另一目的是提供製造這種包括導熱件的散熱器的改進的方法。
並且本發明的還一目的是提供一種帶凸緣的導熱件，其具有與石墨散熱器的其中一個主表面相結合的凸緣，用於改進導熱件和石墨散熱器之間的熱傳遞。
並且本發明的另一目的是提供一種利用廉價的推擠螺母來製造帶導熱件的散熱器的低成本方法。
本發明的另一目的是提供構造石墨散熱器的結構和方法，這種石墨散熱器具有齊平的導熱件。
本發明的另一目的是提供一種帶有導熱件和一層覆層的石墨散熱器，從而為散熱器的安裝提供了結構完整性。
本發明的又一目的是提供對導熱件和石墨散熱器進行共鍛的方法。
通過結合附圖閱讀以下說明書，本領域中的技術人員將很容易明晰本發明的其它目的、特徵和優勢。


圖1是根據本發明的電路組件的局部剖切的透視圖，其具有位於其一個表面上的散熱層以及位於散熱層和發熱部件之間的熱通道，發熱部件定位在電路組件的第二表面上。
圖2A-2C是圖1電路組件的熱通道不同的備選設計的局部橫截面圖，其顯示了沿著圖1的剖面線2-2的橫截面圖，並且分別顯示了延伸到電路組件的第二表面上方、與電路組件的第二表面齊平和陷入電路組件的第二表面的熱通道。
圖3是根據本發明的柔性電路的局部剖切的透視圖，其具有位於其一個表面上的散熱層以及位於散熱層和發熱部件之間的多個熱通道，發熱部件定位在柔性電路的第二表面上。
圖4是根據本發明的電路組件的局部橫截面圖，其具有位於其一個表面上的散熱層以及位於散熱層和發熱部件之間的熱通道，發熱部件定位在電路組件的第二表面上，其中熱通道與發熱部件是整體的。
圖5是根據本發明的電路組件的局部橫截面圖，其具有位於其一個表面上的散熱層以及位於散熱層和發熱部件之間的熱通道，發熱部件定位在電路組件的第二表面上，其中熱通道延伸到散熱層之外，並支撐輔助的散熱層。
圖6A是根據本發明的電路組件的底平面圖，其具有伸長的基本熱收集通道。
圖6B是圖6A的電路組件的頂部平面圖。
圖7是石墨散熱器的正面局部橫截面圖，熱鉚釘類型的導熱件利用推擠螺母而安裝在石墨散熱器上。
圖7A是與圖7相似的視圖，其顯示了可選的位於推擠螺母下面的墊片的用途。
圖8是圖7的帶凸緣的導熱件的平面圖。
圖9是圖8的帶凸緣的導熱件的正面圖。
圖10是圖7的推擠螺母的平面圖。
圖11是圖10的推擠螺母的正面橫截面圖。
圖12是圖7的石墨平面元件的部分平面圖，其顯示了衝切的導熱件，其接受帶凸緣的導熱件。
圖13是以橫截面顯示的圖7和12的石墨平面元件的正面圖。
圖14是在帶凸緣的導熱件經由衝切孔而壓配合到石墨平面元件中之後，從而產生蘑菇狀的石墨圓角的正面橫截面圖。直接定位在石墨平面元件和導熱件上面的是衝頭，其將用於壓縮石墨圓角。
圖15是本發明另一實施例的正面局部橫截面圖，其利用具有兩個凸緣的導熱件，一端各一個凸緣。這個示例中顯示了熱源定位在下面凸緣上，但可定位在這個導熱件的任一凸緣上。如圖15橫截面部分所示，導熱件由兩個部分組成，一個包括杆部和下面凸緣，第二部分是上面凸緣。
圖15A是與圖15相似的視圖，其顯示了帶雙凸緣的導熱件的備選變型。
圖16是圖15的杆部和下面凸緣的平面圖。
圖17是圖16的杆部和下凸緣的正面圖。
圖18是上凸緣在其與圖15的導熱件裝配之前的平面圖。
圖19是圖18的上凸緣的正面橫截面圖。
圖20是與圖14幾分相似的視圖，其顯示了圖17的帶凸緣的導熱件的杆部已經壓縮到石墨平面元件中，從而形成蘑菇狀的石墨圓角。圖中顯示了衝頭位於導熱件上方位置，其準備向下移動以壓縮石墨圓角。
圖21是帶凸緣的導熱件的備選結構的平面圖。
圖22是圖21的帶凸緣的導熱件的正面圖。
圖23是第二凸緣的平面圖，其具有用於圖21和22的帶凸緣的導熱件的直孔。
圖24是圖23的第二凸緣的正面橫截面圖。
圖25是本發明另一實施例的正面局部截面圖，其具有與石墨平面元件的主平面齊平的導熱件。
圖26是圖25的導熱件的平面圖，其是各端具有倒角邊的圓盤形狀。
圖27是圖26的導熱件的正面圖。
圖28是用於將圖26和27的導熱件埋置在石墨平面元件中，從而形成圖25所示的散熱器結構的固定器的正面局部橫截面分解圖。圖28從上至下顯示了衝頭，導熱件，上半模，石墨散熱器，和下半模。
圖29是圖28的固定器在衝頭迫使導熱件穿過上半模並進入石墨散熱器中之後的正面橫截面圖。
圖30是用於壓縮石墨散熱器的環狀凸起部的壓機的兩個壓板的正面分解截面圖，石墨散熱器具有齊平的導熱件。
圖31是上面具有表面層的石墨散熱器的正面橫截面圖。
圖32是與圖25相似的視圖，其顯示了裝配好的石墨散熱器，其具有表面層，並包括齊平的導熱件，且具有顯示位於其上面的熱源。
圖33是與圖25相似的視圖，其顯示了存在於散熱器的一種使用模式下的安裝模式。
圖34是與圖33相似的視圖，其顯示其中兩個螺釘穿過石墨平面元件，從而造成石墨散熱器彎曲的另一安裝模式。
圖35是與圖34相似的本發明改進的實施例的視圖，其中已經將鍍層添加到石墨散熱器上，並且安裝孔延伸穿過鍍層，其為石墨散熱器提供了結構完整性，從而最大程度地減小了其任何彎曲。
圖36是石墨平面元件的正面橫截面圖，其具有埋置在石墨平面元件中的齊平型導熱件，其將由圖28和29中所示的工藝過程成形。
圖37是用於對導熱件和石墨平面元件進行共鍛的衝模的分解圖。這兩個半模分開，並且石墨散熱器顯示處於這兩個半模之間。
圖38是圖37的衝模組件的另一視圖，其顯示了兩個半模已經合在一起，對導熱件和石墨平面元件進行共鍛，從而導致導熱件和石墨平面元件的橫向擴展。
圖39是由圖37和38所示的工藝過程對石墨平面元件進行共鍛的正面橫截面圖。如相對圖36所示，導熱件和石墨平面元件由於其鍛造原因而已經發生了橫向擴展。
具體實施例方式
本發明提供優選的用於製造具有導熱件的石墨散熱器的結構和方法。在一個實施例中，提供了帶凸緣的導熱件，其具有至少一個與石墨散熱器的石墨平面元件的其中一個主平面相結合的凸緣。這種帶凸緣的導熱件可通過使用推擠螺母或使用第二凸緣而連接在石墨散熱器上，推擠螺母或第二凸緣剛性地連接在導熱件的杆部上。這樣，這種帶凸緣的導熱件包括至少一個凸緣，和第二凸緣或推擠螺母，其在石墨散熱器元件的表面上延伸。在另一實施例中，提供了齊平的導熱件，其在最終位置與石墨散熱器元件的主平面是齊平的。本發明提供了用於製造這兩個實施例的各種優選的技術。
這兩個實施例最好包括其中將導熱件的杆部壓配合到穿過石墨平面元件的形狀相似但略微較小的開孔中，從而在杆部和穿過石墨平面元件的開孔之間提供緊密配合的製造方法。
這種石墨散熱器的一個特殊的應用是其在印刷電路板的電路組件上的用途。當在發熱部件尤其發光二極體和散熱層之間提供熱通道，即導熱件時，電路組件上的散熱層的散熱功能將獲得極大的改進。實際上，通過使用這種熱通道，基於石墨的散熱層的使用可改進散熱性能，甚至可與使用鋁或銅散熱器相比，同時增加了減輕重量的優勢。
術語″電路組件″意味著一種包括定位在絕緣材料上的一個或多個電子電路，並且可包括迭片，一個或多個電路夾在絕緣材料層之間。電路組件的特定示例是熟練技術工人所熟悉的印刷電路板和柔性電路。
在描述本發明改良目前材料的方法之前，將對石墨和其形成柔性片材進行簡要描述，其將成為用於形成本發明產品的主要的散熱器。
石墨是微晶形式的碳，其包括在平的層面上利用層面之間的弱的粘接力而共價連接的原子。通過利用嵌入劑，例如硫酸和硝酸溶液對石墨顆粒，例如天然的石墨片進行處理，石墨的晶體結構發生反應，從而形成石墨和嵌入劑的複合物。處理後的石墨顆粒在後文中稱為″嵌入的石墨顆粒″。當暴露於高溫下，石墨中的嵌入劑發生分解和揮發，導致嵌入的石墨顆粒尺寸在″c″方向上以折式插孔的方式膨脹為大約原始體積的80倍或以上，″c″方向即垂直於石墨的晶體平面的方向。膨化的石墨顆粒在外表上是蠕蟲狀的，並因此一般稱為蠕蟲石墨。蠕蟲石墨可壓縮在一起形成柔性片材，其不同於原始石墨片，可形成並切割成各種形狀。
適用於本發明的石墨原材料包括高石墨化的碳質材料，其能夠嵌入有機和無機的酸以及滷素，之後在暴露於受熱時發生膨脹。這些高石墨化的碳質材料最好具有大約1.0的石墨化程度。如本說明書中所用術語″石墨化程度″指根據公式計算出的值gg=3.45-d(002)0.095]]>其中d(002)是在晶體結構中以埃單位測量的碳的石墨層之間的間距。石墨層之間的間距d在通過標準的X射線衍射技術進行測量。對應於(002)，(004)和(006)密勒指數的衍射峰值的位置經過測量，並且採用標準的最小二乘法導出可使所有這些峰值的總誤差減少到最小的間距。高石墨化程度的碳質材料的例子包括各種來源的天然石墨，以及碳質材料例如由化學汽相澱積，聚合體的高溫熱裂解，或熔融金屬溶液結晶等方法而準備好的石墨。天然石墨是最優選的。
用於本發明的石墨原材料可包含非石墨成分，只要原材料的晶體結構保持所需的石墨化程度，並且能夠膨化即可。通常其晶體結構具有所需石墨化程度並可進行膨化的任何含碳材料都可適用於本發明。這種石墨優選具有重量百分比至少大約80％的純度。更優選的是，本發明採用的石墨將具有至少大約94％的純度。在最優選的實施例中，採用的石墨將具有至少大約98％的純度。
Shane等人在美國專利No.3,404,061中描述了一種用於製造石墨片的普遍方法，其說明書通過引用而結合在本文中。在Shane等人的方法的典型實例中，通過將石墨片分散在包括例如硝酸和硫酸的混合物的溶液中，可使嵌入天然的石墨片，硝酸和硫酸的比例優選每100份重量的石墨片大約20到大約300份重量的嵌入劑溶液(pph)。嵌入劑溶液包括本領域中已知的氧化劑和其它嵌入劑。示例包括那些包含氧化劑和氧化混合物的嵌入劑，例如溶液包含硝酸、氯酸鉀、鉻酸、高錳酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、高氯酸鹽等或混合物，例如濃縮的硝酸和氯酸鹽、鉻酸和磷酸、硫酸和硝酸或混合物強的有機酸，例如三氟乙酸，以及可溶於有機酸中的強的氧化劑。作為備選，電勢可用於引起石墨的氧化。利用電解氧化可引入石墨結晶的化學物質包括硫酸以及其它酸。
在優選的實施例中，嵌入劑是硫酸，或硫酸和磷酸，以及氧化劑即硝酸、高氯酸、鉻酸、高錳酸鉀、過氧化氫、碘酸或高碘酸等混合物的溶液。雖然不是優選的，但是嵌入劑溶液可包含金屬滷化物，例如氯化鐵和混合硫酸的氯化鐵，或滷化物，例如溴、溴和硫酸的溶液或有機溶劑中的溴。
嵌入劑溶液的數量可在大約20至大約350pph範圍內，更典型地為大約40至大約160pph。在嵌入石墨片之後，從石墨片中吸取任何過量的溶液，並對石墨片用水清洗。作為備選，嵌入劑溶液的數量可限制在大約10和大約40pph之間，如美國專利No.4,895,713中所述，這允許消除清洗步驟，其說明書通過引用而結合在本文中。
利用嵌入劑溶液處理後的石墨片的顆粒可選地通過例如混合而與有機還原劑相接觸，有機還原劑可選自醇、糖、醛和酯，其在25℃和125℃的溫度範圍內會與氧化的嵌入劑溶液的表面膜發生反應。合適的特定的有機試劑包括十六醇、十八烷醇、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、聚丙二醇、右旋糖、果糖、乳糖、蔗糖、馬鈴薯澱粉、乙二醇一硬脂酸、二苯甲酸二甘醇酯、丙二醇一硬脂酸、甘油硬脂酸酯、二甲基醯胺、二乙基醯胺、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗壞血酸和木素化合物例如木質磺酸鈉。有機還原劑的數量合適於重量大約為石墨片顆粒的0.5到4％。
在嵌入之前、期間或之後應用的膨脹助劑還可提供改進之處。這些改進可包括降低膨化溫度和增加膨脹體積(也稱為″蠕蟲體積″)。本文中的膨脹助劑將優選為可充分溶於嵌入劑溶液中以改善膨脹性能的有機材料。更狹義上講，可採用的這類有機材料包括碳、最好不包含氫和氧。羧酸發現是特別有效的。用作膨脹助劑的合適的類羧酸可選自芳香族、脂肪族或環脂化合物，直鏈或支鏈、飽和和不飽和的單羥基酸、聯羧基酸和聚碳酸酯酸，其具有至少1個碳原子，並且最好高達大約15個碳原子，其可有效數量地溶於嵌入劑溶液，從而可觀地改善一個或多個膨化方面。合適的有機溶劑可用於改良有機膨脹助劑在嵌入劑溶液中的可溶性。
飽和的脂族羧酸的典型示例是諸如那些配方為H(CH2)nCOOH的酸，其中n大約是從0至5的數字，這些酸包括甲酸、醋酸、丙酸鹽、奶油、戊醇、正己醇等等。除了羧酸以外，還可採用酐或起反應的羧酸派生物例如烷基酯。烷基酯的代表是甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸以及其它己知水性嵌入劑具有將甲酸最終分解成水和二氧化碳的能力。為此，甲酸以及其它敏感的膨脹助劑優選在石墨片浸漬到水性嵌入劑之前與石墨片接觸。二羧酸的代表性實例是具有2-12個碳原子的脂肪族的二羧酸，尤其酢漿草酸、反丁烯二酸酸、丙二酸、順丁烯二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊二醇酸，1，6-己二酸，1，10-癸二酸，環己烷-1，4-二羧酸和芳香族二羧酸例如鄰苯二甲酸或對苯二甲酸。烷基酯的代表性實例是二甲基甲醯胺和二乙基甲醯胺。脂環族酸的代表性實例是環己烷類羧酸，並且芳香族類羧酸的代表性實例是安息香酸、萘甲酸、鄰氨基苯酸、對氨基苯酸、水楊酸、鄰、間、對苯二甲酸，甲氧基苯甲酸和乙氧基苯甲酸、乙酞乙酸胺基苯甲酸和乙酸胺基苯甲酸、苯乙酸和茶甲酸。羚基芳族酸的代表性實例是羚基苯甲酸(naphthoic)、3-羥基-1-茶甲酸、3-羚基-2-茶甲酸、4-舟基-2-茶甲酸、5-羚基-1-茶甲酸、5-羚基-2-茶甲酸、6-羥基-2-茶甲酸和7-羚基-2-茶甲酸。多脂酸中突出的是檸檬酸。
嵌入劑溶液通常是水性的，並且最好含有約1-10％用量的膨脹助劑，此用量作用以加強膨化。在一個實施例中，膨脹助劑在石墨片用水性嵌入劑溶液浸漬之前或之後與石墨片接觸，膨脹助劑可以與石墨以合適的方式例如用V型攪拌機混合，一般以石墨片的重量比約0.2％-約10％的用量相混合。
在插入石墨片之後，接著將塗覆嵌入劑的經嵌入的石墨片和有機還原劑相混合，混合物暴露於25℃-125℃範圍內的溫度下以促進還原劑和嵌入塗層的反應。加熱時段不超過約20小時，其中較短的加熱時段(例如至少約10分鐘)在高於上述範圍的溫度內進行。可以在更高溫度下採用一個半小時或更少的時間例如10到25分鐘。
這樣處理的石墨顆粒有時稱為「嵌入的石墨顆粒」。在暴露於例如至少約160℃的高溫和很多情況下約700℃-1000℃以及更高溫度下，嵌入的石墨顆粒以摺狀方式在c方向上，即在垂直於石墨顆粒構成的晶體平面的方向上膨脹到相當於其原來體積的80-1000倍或更高倍數。經膨脹的、即膨化後的石墨顆粒是蠕蟲狀外觀，並因此通常稱為蠕蟲。所述蠕蟲可以壓縮在一起形成柔性片材，其不同於初始的石墨片，其可以形成和切成不同形狀。
柔性石墨片材和箔是內聚的，具有良好的加工強度，並可進行適當的壓縮，例如通過滾壓而形成大約0.075mm-3.75mm的厚度，並且通常密度大約為0.1-1.9克每立方釐米(g/cm3)。如在美國專利5,902,762中所述(其通過引用而結合在本文中)，可以向嵌入的石墨片摻混重量比約1.5-30％的陶瓷添加劑，以便在最終柔性石墨產物中提供強化的樹脂浸漬作用。添加劑包括具有長度約0.15-1.5毫米的陶瓷纖維顆粒。合適的顆粒寬度大約為0.04-0.004mm。陶瓷纖維顆粒不與石墨反應，且不附著於石墨上，並在高達約1100℃，優選約1400℃或更高的溫度下是穩定的。合適的陶瓷纖維顆粒是由浸漬的石英玻璃纖維、碳纖維和石墨纖維、氧化錯、氮化硼、碳化矽和氧化鎂纖維，天然存在的礦物纖維例如偏矽酸鈣纖維、矽酸鋁鈣纖維、氧化鋁纖維等加工成型的。
如在國際專利申請No.PCT/US02/39749中所述，可通過在石墨化溫度，即在大約3000℃和以上範圍的溫度下對石墨片的預處理，並通過嵌入潤滑劑可有利地增強上述用於嵌入和剝落石墨片的方法，其說明書通過引用而結合在本文中。
當石墨片接下來經歷嵌入和膨化處理時，石墨片的預處理或退火可導致顯著增加的膨脹(即提高到高達300％或更大的膨脹體積)。實際上，同沒有經過退火步驟相似的處理工藝比較而言，膨脹增加至少大約50％。退火步驟所採用的溫度將不會顯著低於3000℃，因為即使低100℃的溫度都可能導致膨脹極大地減小。
本發明的退火處理需執行一段時間，其足以導致石墨片在進行嵌入處理和後續膨化處理時，具有增強程度的膨脹度。通常所需要的時間為1小時或更多，優選1至3個小時，並且最好在惰性環境下執行。為了達到最有效的結果，退火的石墨片還將經曆本領域中己知的其它工藝，以增強膨脹度，即在存在有機還原劑，嵌入助劑例如有機酸的條件下進行嵌入處理，並在嵌入處理之後用表面活性劑清洗。此外，為了達到最有效的結果，可以重複嵌入步驟。
本發明退火步驟可在感應爐或其它在石墨化領域中己知並熟悉的裝置中進行；對於這裡所採用的3000℃範圍內的溫度，其是在石墨化工藝中所遇到的溫度範圍內的高端溫度。
因為已經觀察到，利用受到過嵌入前退火處理的石墨所生產出的蠕蟲石墨有時可能會″結塊″，這可能對區域重量的均勻性造成負面影響，有助於使蠕蟲石墨″自由流動″的添加劑是極其需要的。將潤滑的添加劑添加到嵌入劑溶液中促進了蠕蟲石墨在壓縮裝置的底床(例如砑光機的底床)上的更均勻分布，這種壓縮裝置通常用於將石墨蠕蟲壓縮(或″砑光″)到柔性石墨片中。因此最終的片材具有更高的區域重量均勻性和更大的抗拉強度。潤滑的添加劑優選是長鏈烴，更好的是具有至少大約10個碳的碳氫化合物。其它具有長鏈烴群的有機化合物，即使存在其它原子團也是可以採用的。
潤滑的添加劑更優選為油，礦物油是最好的，尤其考慮到礦物油較少可能發生酸敗和發出氣味，這是長期貯藏非常重要的考慮因素。應該注意上面詳述的某些膨脹助劑也可滿足潤滑的添加劑的定義。當這些材料用作膨脹助劑時，其可能並不需要在嵌入劑包括單獨的潤滑的添加劑。
潤滑的添加劑以至少大約1.4pph，最好至少大約1.8pph的用量而存在於嵌入劑中。雖然所包含的潤滑的添加劑的上限並不如下限那麼關鍵，但是並不見得包括超過大約4pph水平的潤滑的添加劑有任何顯著增大的優勢。
如Reynolds，Norley和Greinke的美國專利No.6,673,289中所述，如果需要，本發明的柔性石墨片可利用重新研磨的柔性石墨片的顆粒，而非新膨脹的蠕蟲石墨，其說明書通過引用而結合在本文中。這些片材可以是新近形成的片材、再循環的片材、刮研的片材或任何其它合適的來源。
同樣可使用本發明的工藝來混和純淨的原材料和再循環的材料。
用於再循環材料的源材料可以是片材或如上所述經過壓縮模製的片材經修整後的部分，或者是利用預砑光滾筒壓縮過，但還未用樹脂浸漬過的片材。此外，源材料可以是已經用樹脂浸漬過，但還未固化的片材或經修整後的片材部分，或者是已經用樹脂浸漬過並且固化後的片材或經修整後的片材部分。源材料還可以是再循環的柔性石墨質子交換膜(PEM)燃料電池部件，例如流場板或電極。各種石墨源都可用作天然石墨片或和天然石墨片混合。
一旦獲得柔性石墨片的源材料，即可通過己知的工藝或裝置例如噴磨機、空氣碾機、混合器等等對其進行碎磨，以產生顆粒。顆粒大部分優選具有使其穿過20U.S.網孔的直徑；而主要部分(超過大約20％，更優選超過大約50％)不超過80U.S.網孔則更好。顆粒最好具有不超過大約20U.S.網孔的粒徑。當柔性石墨片磨碎而用樹脂浸漬時需要對其進行冷卻，以避免在磨碎工藝期間對樹脂系統造成熱破壞。
磨碎顆粒的尺寸可選擇成使石墨物質的可加工性和成型性能與所需的熱特性達成平衡。因而，小的顆粒將導致更容易加工和/或成形的石墨物質，而大的顆粒將導致具有較高的各向異性，並因而具有更大的平面電導率和熱導率的石墨物質。
一旦磨碎源材料，即可對其進行再膨脹。通過利用上述嵌入和膨化工藝以及Shane等人的美國專利No.3,404,061和Greinke等人的美國專利No.4,895,713中所述的那些工藝可發生再膨脹。
通常，在嵌入之後，通過爐內加熱嵌入的顆粒可使顆粒剝落。在這剝落步驟期間，可將嵌入的天然石墨片添加到再循環嵌入的顆粒中。優選地，在再膨脹步驟期間，顆粒膨脹到具有範圍至少在大約100cc/g至高達大約350cc/g或更大的比容。最後，在再膨脹步驟之後，可將再膨脹的顆粒壓縮到柔性片材中，如下文所述。
根據本發明，上述預備的石墨片(其通常具有大約0.075mm至大約10mm的厚度，但其可根據例如所採用的壓縮度而改變)可用樹脂進行處理，並且被吸收的樹脂在硬化之後將增強片材的防潮性能和操作強度即剛性，以及″固定″片材的形態。在環氧樹脂浸漬的石墨片中的樹脂用量應該足以保證最後裝配和固化的分層結構是密室和凝聚的，而對增密後的石墨結構相關聯的各向異性的熱導率沒有造成負面影響。合適的樹脂含量優選重量比為至少約5％，更優選約10-35％和合適地高達約60％。
在本發明的實踐中發現特別有用的樹脂包括丙烯酸樹脂、環氧樹脂和酚醛基樹脂體系、氟代基聚合物或其混合物。合適的環氧樹脂體系包括基於二環氧甘油醚或雙酚(DGEBA)的那些和其它的多官能樹脂體系；可以採用的酚醛樹脂包括甲階酚醛樹脂和酚醛清漆樹脂。可選地，除了樹脂或替代樹脂，柔性石墨還可用纖維和/或鹽進行浸漬。另外，可利用相對樹脂體系活性或非活性的添加劑來修改屬性(例如粘性、材料流動性、疏水性等等)。
在Mercuri、Capp、Warddrip和Weber的美國專利No.6,706,400中顯示了一類用於連續地形成樹脂浸漬且壓縮的柔性石墨材料的裝置，其說明書通過引用而結合在本文中。
有利的是，膨化石墨的壓縮顆粒的片材在壓縮步驟(例如砑光)之後進行樹脂浸漬，浸漬後的材料切成尺寸合適的物件，並放置在壓力機中，樹脂在壓力機中在高溫下固化。另外，柔性石墨片可採用迭片的形式，其可通過在壓力機將單個的石墨片堆疊在一起而準備好。
壓力機中所採用的溫度應該足以確保石墨結構在固化壓力下增密，同時不會對結構的熱屬性造成負面影響。這通常將需要至少大約90℃的溫度，並且一般高達大約200℃。固化最好在大約150℃至200℃溫度下進行。固化所採用的壓力將是所利用溫度的函數，但將足以確保石墨結構增密，而不會對結構的熱屬性造成負面影響。為了便於製造，將通常利用使結構增密到所需程度所需要的最小壓力。這種壓力通常為至少大約7百萬帕斯卡(MP，相當於大約1000磅每平方英寸)，並且不需要超過大約35MP(相當於大約5000psi)，更普遍地在大約7至大約21MP(1000至3000psi)之間。固化時間可根據所採用的樹脂體系和溫度和壓力而改變，但通常在大約0.5小時至2小時的範圍內。在完成固化之後，可看出材料具有至少大約1.8g/cm3，並且通常在大約1.8g/cm3至2.0g/cm3之間的密度。
有利的是，柔性石墨片本身呈現一種迭片形式，存在於浸漬片材中的樹脂可用作迭片的粘合劑。然而，根據本發明的另一實施例，在柔性片材堆迭和固化之前，砑光的、浸漬的柔性石墨片被覆有粘合劑。合適的膠粘劑包括環氧樹脂、丙烯酸樹脂和酚醛基樹脂。在本發明的實踐中發現特別有效的酚醛樹脂包括酚醛基樹脂體系，包括可溶酚醛樹酯和酚醛樹脂塑料。
雖然通過砑光或澆鑄而形成石墨片是形成本發明實踐中有效的石墨材料最普遍的方法，但是還可採用其它成形方法。
在溫度和壓力下固化的本發明的石墨/樹脂成分提供了基於石墨的複合材料，其具有達到或超過銅的平面熱導率，而只有銅重量的一部分。更具體地說，該複合材料展現了至少大約300W/m°K的平面熱導率，以及小於大約15W/m°K，且最好小於大約10W/m°K的透過平面的熱導率。
現在參看附圖，尤其圖1，標號10標示了電路組件，其包含根據本發明的帶有導熱件的石墨散熱器。電路組件10包括至少絕緣層20和散熱層30，其中散熱層30與絕緣層20相鄰。散熱層30最好包括至少一個層如上述準備的膨化石墨的壓縮顆粒。電路組件10通常是印刷電路板或柔性電路，但還可包括例如絕緣層20上的導電墨水印刷或絲印的圖樣。
電路組件10上面通常還包括常規由銅形成的電路40，其通過照相平版、濺射、絲印等方法而敷設到絕緣層20上。如上所述，電路40還可由導電墨水形成，其通過例如印刷或絲印工序而敷設到絕緣層20上。
絕緣層20可以是印刷電路板工業中傳統的那些，例如最好成形成迭片形式的玻璃纖維和樹脂(FR-4)；聚四氟乙烯(聚四氟乙烯)，商業可用的Tefl商標材料；和膨脹的PTFE，有時稱為PTFE，以及前面樹脂浸漬的或吸取的變體。另外，絕緣層20可以是聚合體，例如用於形成柔性電路的聚醯亞胺或聚脂。絕緣層20還可包括陶瓷材料，例如氮化鋁、氧化鋁或礬土，其呈現為離散的層形式，或者通過例如陽極處理、汽相澱積或火焰噴塗工藝爾敷設到襯底層(例如散熱層30)上；使用陽極處理與散熱層30是鋁的情況特別相關。
另外，在某些情況下，還需要至少部分地封裝散熱層30，或者在散熱層30的表面上提供覆層，以防止顆粒材料從散熱層30上脫落下來。例如，感覺某些石墨材料易於脫落。無論是否是真的，提供用以抑制脫落的聚合材料的覆層(通常小於20微米厚度)例如聚酯薄膜材料可減輕這種感覺。在這種情況下，聚合材料可用作電路組件10的絕緣層20，因為所使用的材料可以是電絕緣的，並且足夠薄而不會顯著地幹涉散熱層30的熱傳導。作為備選，陽極化處理的鋁層還可用於抑制脫落，這種陽極化處理層也可用作絕緣層20。
散熱層30優選大約0.25mm至大約25mm的厚度，更優選大約0.5mm至大約14mm的厚度，並且包括至少一個石墨片。有利的是，散熱層30可以是高達十個或更多個石墨片的迭片，從而提供所需的散熱能力。石墨成分可用於至少部分地，並且在優選的實施例中完全地替代銅或其它金屬作為電路組件的散熱器。
令人驚訝的是，當散熱層30通過例如著色變成黑色時，尤其當由一片或多片膨化石墨的壓縮顆粒形成時，可觀測改進的熱阻。換句話說，在那些石墨散熱層30不貼靠絕緣層20的表面是黑色的情況下，降低了發熱部件的熱通道的有效的熱阻。雖然該現象的精確原因不詳，但是使石墨散熱層30變黑改進了散熱層30放熱能力，從而改進了散熱層30輻射熱量的性能。
散熱層30並不需要是平面的，而是可以包括一個或多個″彎曲″，從而形成三維的形狀。這在需要電路組件10位於與散熱層30不同平面上的情況下是特別的優勢。例如在液晶顯示器(″LCD顯示器″)可採用這種裝置，這種情況下，LED安裝在有限空間(即LCD顯示器的厚度)的電路組件10的平面上，並且散熱層30垂直於LED安裝平面而延伸。
實際上，在本發明的一個實施例中，散熱層30具有比絕緣層20和其上面的任何電路40更大的表面面積。這樣，絕緣層20和發熱部件50以及電路40可位於一個表面(例如用於側邊照亮的LCD顯示器的LED表面)上，而散熱層30可如上所述延伸到另一平面(例如帶大約90度彎曲的垂直平面，如LCD顯示器的後部平面)，並從而將熱量散布到其它平面上，以用於補充散熱。
石墨/絕緣材料迭片可在形成電路組件層板時通過傳統方法，例如利用傳統的膠粘劑將絕緣層20和散熱層30層壓在一起而成形。
作為備選，石墨/絕緣材料迭片可在壓力固化石墨材料時形成預壓縮的堆疊形式。浸漬的石墨片中的環氧聚合物在固化時足以黏附地將結構的非石墨材料以及浸漬的石墨層粘合起來。在任何情況下，在優選的實施例中，石墨複合物用作電路組件10的散熱層30，以替換所謂″金屬背襯″的印刷電路板或柔性電路中的銅或鋁散熱器。
如上所述，形成電路組件10的中心部分的絕緣材料20具有兩個主表面20a和20b。散熱層30鄰接絕緣材料20的其中一個表面20a；另一表面20b定位在至少一個發熱部件50上，並且通常是多個發熱部件50a，50b，50c等等，例如LED、晶片或其它熟練的技術工人所熟悉的部件。發熱部件50定位成使其與電路40定位在電路組件10的表面20b上的部分相接觸，部件50定位在表面20b上。
某些製造商的LED包括幫助耗散LED本身熱量的散熱嵌片。這些散熱嵌片通常並不被認為是電中性的。因此，當超過其中一個這種LED定位在電路組件10上時，必須謹慎考慮以避免在組件的兩個或多個LED上的嵌片之間發生電短路；因而相應的LED必須是電絕緣的。
為了促進發熱部件50至散熱層30的熱傳遞，熱通道60，也稱為導熱件或簡單地稱為通孔60，其延伸穿過散熱層30，與發熱部件50相鄰。有利的是，導熱件60還穿過位於各發熱部件50和散熱層30之間的電路組件10。導熱件60包括高熱導率材料，例如銅或其合金的嵌片或″鉚釘″，但是也可使用其它高熱導率材料，如鋁或膨化石墨的壓縮顆粒。″高的熱導率″意味著導熱件60在發熱部件50和散熱層30之間的方向上的熱導率大於絕緣層30厚度方向上的熱導率；導熱件60的熱導率優選為至少大約100W/m°K，更優選為至少大約200W/m°K，並且大於350W/m°K甚至更好。各導熱件60可採用任何特殊的橫截面形狀，但導熱件60最通常是圓柱形的形狀。
導熱件60可以是單獨的整體元件，但是還可以包括不止一個工件，例如壓配合或通過其它方式連接在一起的一對分開的部分，如以下進一步參看圖7-27所述。另外，出於定位考慮，有利的是導熱件60具有位於相鄰絕緣層一側的肩部或階梯部。如果需要電絕緣，那麼可將絕緣層，例如陽極化處理的鋁、氮化鋁、氧化鋁或礬土放置在導熱件60的某些或所有表面上，如將礬土火焰噴塗或氣相沉澱在銅上，或通過使用陽極化處理的鋁作為導熱件60。另外，導熱件60的表面可保持錫焊能力，或者可電鍍成可焊的，從而便於將發熱部件50連接到導熱件60上。
各導熱件60延伸到散熱層30中，並和散熱層30發生熱接觸。
例如，利用熱粘合劑或壓配合，例如所謂″速度螺帽″，或壓鉚螺母可將導熱件60裝配到散熱層30的凹槽或孔中，以確保在導熱件60和散熱層30之間的良好的熱接觸，並確保導熱件60經由散熱層30的厚度進行的熱傳遞。一種將導熱件60裝配到散熱層30中，使其建立充分的熱接觸的合適的方式是迫使導熱件60穿過散熱層30的開孔，其具有小於導熱件60的直徑，如下圖14，20，30和36所示；通過這種方式，迫使導熱件60穿過開孔的作用提供了這兩者之間的壓配合。作為備選，散熱層30中的孔可通過將導熱件60本身用作衝頭而成形。膨化石墨的壓縮顆粒片材的性質允許在不會對熱通道60或散熱層30造成不合適的損傷的條件下實現這種配合。
類似地，導熱件60需要處於與發熱部件50保持良好的熱接觸。因而，導熱件60需要熱連接在發熱部件50上或利用焊料、熱油脂、熱粘合劑如環氧樹脂、膨化石墨的壓縮顆粒片材等而粘附在發熱部件50上。這樣，導熱件60最好穿過電路組件10，並暴露於電路組件10的表面上，發熱部件50定位在該表面上。因而，在這個實施例中，導熱件60具有的長度大致等於絕緣層20和散熱層30的結合厚度加上導熱件60從絕緣層20或散熱層30延伸出來的任何距離，如圖2A所示。作為備選，導熱件或熱傳導的絕緣材料可用於傳遞發熱部件至導熱件60的熱量，導熱件60隻穿過散熱層30而在散熱層30的厚度方向上消散熱量；因此，在這種情況下，導熱件60的長度將近似等於散熱層30的厚度，加上導熱件60從散熱層30的表面延伸出來的任何距離。
為了提供在導熱件60和發熱部件50之間的良好的熱接觸，導熱件60可延伸到絕緣層20的表面20b上面，如圖2A所示。作為備選，根據發熱部件50的性質和提供在導熱件60和發熱部件50之間熱接觸的優選方法，導熱件60可與絕緣層20的表面20b齊平，如圖2B中所示，或者相對於絕緣層20的表面20b凹陷進去，如圖2C中所示。
一種用於提供在導熱件60和散熱層30之間的良好熱接觸的優勢方法是使用″鉚釘″類型的導熱件60，如以下參看圖7-27所述。這樣，按照與壓縮鉚釘而將襯底密封起來的相同的方式可將鉚釘型式的導熱件60壓縮或迫使其密封散熱層30的外表面(即沒有緊貼在絕緣層上的表面)，從而在這兩者之間產生良好的熱連接。
如上所述，散熱層30有利地層壓或粘附在絕緣層20上。然而，可以構想導熱件60的使用可允許在散熱層30和絕緣層20之間存在間隙，以優化散熱性能。換句話說，因為在發熱部件50和散熱層30之間的熱傳遞主要通過導熱件60，這與主要通過絕緣層20相反，所以並不需要散熱層30和絕緣層20接觸。因而，在散熱層30和絕緣層20之間通過例如使用墊片等等(未顯示)可提供高達大約1mm或甚至更大的間隙。這樣，假定散熱層30保持和導熱件60的熱接觸，那麼將暴露更大的散熱層30的表面區域，並且從中可散去更多的熱量。簡單地說，在這個實施例中，散熱層30用作散熱器和散熱翅。
在圖4所示的備選實施例中，導熱件60可與發熱部件50構成整體。例如，LED如果用作發熱部件50，那麼其可具有從中延伸出來的高熱導率的嵌片或鉚釘，之後其可穿過電路組件10並與散熱層30(例如，如上所述通過壓配合或鉚釘型式的連接)保持熱接觸，以促進LED至散熱層30的熱擴散。
在圖6A和6B中所示的本發明的另一實施例中，導熱件60可位於穿過散熱層30的收集棒62上，收集棒62包括具有單獨的導熱件裝置64a，64b，64c等等的伸長的部件，這些導熱件從中延伸出來，並向上穿過絕緣層20，如圖6B中所示。作為備選，收集棒可穿過絕緣層20，而單獨的導熱件裝置穿過散熱層30(未顯示)。
在本發明的另一實施例中，如圖5所示，導熱件60可穿過並超過散熱層30，從而用作其它熱擴散層30a，30b，30c等等，例如散熱層或散熱翅的支撐。換句話說，如果空間容許，導熱件60可穿過散熱層30，然後可使其它散熱層或散熱翅30a，30b，30c等等(最好也是由膨化石墨的壓縮顆粒片材形成的)保持與導熱件60的熱接觸，而在補充的層或翅30a，30b，30c等等之間的空隙提供了補充的散熱作用。墊片(未顯示)可用於保持層30a，30b，30c等等之間的間隔。
如圖3所示，本發明在電路組件是柔性電路100時特別有用。由於柔性電路100的性質的原因，傳統的散熱器材料是不恰實際的，其同膨化石墨壓縮片的比較而言相對較剛性。然而，使用一個或多個膨化石墨的壓縮片作為散熱層30將有效地經由導熱件60散開發熱部件50的熱量，而沒有嚴重地影響到其柔性。此外，因為各導熱件60通常是離散的物件，即使多個導熱件60a，60b，60c等等基本上都不會影響柔性。
因此，通過使用本發明，可以將電路組件中的有效的熱擴散實現到迄今沒有達到過的程度，即使在柔性電路和甚至熱源是LED的情況下也是如此。
帶凸緣的導熱件圖7-27顯示了用於帶凸緣的導熱件的結構，並顯示了將帶凸緣的導熱件和石墨平面元件裝配起來的方法。
1、低成本的熱鉚釘在某些應用中，容許或必須使導熱件伸出散熱器的表面以上。另外，在某些應用中，必須減少散熱器的成本，同時仍要最大限度底增加穿過散熱器的熱流量。通過利用散熱器中的帶凸緣的鉚釘型式的導熱件可滿足這些相衝突的目標，如圖7所示。
在圖7中，總體上用標號100標示熱管理系統。系統100包括各向異性的石墨平面元件102，其具有第一及第二相反面向的平面104和106，並具有限定在該平面之間的厚度108。平面元件102具有平行於平面104和106的相對較高的熱導率和穿過厚度108方向的相對較低的熱導率。平面元件102具有限定在平面104和106之間的圓形腔或孔110，腔110由圓柱形的內腔壁112限定。鉚釘型式的導熱件114具有圓柱形的杆部116，其穿過腔110並緊密地與內腔壁112相接合。導熱件114還包括從杆部116側向延伸的凸緣118，其與石墨平面元件102的第一平面104緊密結合。
如之前所述，導熱件114最好由各向同性材料構成，使得來自熱源例如120的熱量可通過導熱件114傳導到平面元件102的厚度108中。導熱件114最好由選自金、銀、銅、鋁和其合金的一種材料構成。各向異性的石墨平面元件102最好由膨化石墨的壓縮顆粒製成。
如圖7中所示，鉚釘型式導熱件114的帶凸緣的末端118從石墨平面元件102的一側突出來，而杆部116從石墨平面元件102的另一側突出來。鉚釘型式的導熱件114尺寸加工成可使杆部116的直徑大到足以覆蓋接近熱源120的整個表面。
通過在導熱件114的杆部116上按壓商業上可用的推擠螺母122可將帶凸緣的導熱件114保持在石墨平面元件102的合適位置。推擠螺母122不需要由與導熱件114相同的材料製成，因為其並不有助於熱傳遞；其唯一目的是將鉚釘型式導熱件114保持在和石墨平面元件102的合適位置上。推擠螺母122的內徑略微小於杆部116的外徑，使得推擠螺母和導熱件114的杆部116形成緊密接觸。導熱件114的上端或自由端124與熱源120接觸，並且熱量從熱源120流入導熱件114的杆部116和凸緣118。熱量通過杆部116的外徑和凸緣118的內表面126而傳遞到石墨平面元件102中。因為凸緣118與石墨平面元件102中與熱源120相對的第一邊104相接觸，所以最大限度地增加了至石墨平面元件102的熱傳遞。
應該懂得在熱源120和杆部116的自由端124之間存在接觸區域，其可稱為限定在熱源120上的熱傳導的接觸區域。接觸區域最好小於杆部116的末端124的區域，但是熱源可以適度地大於杆部116的末端124的區域，並且基本上仍可獲得本發明的優勢。
推擠螺母122收緊在杆部116上，並通過摩擦與其相結合。推擠螺母122貼切與與石墨平面元件102的第二平面106相結合，使得石墨平面元件102嵌入在凸緣118和推擠螺母122之間。在圖7所示的示例中，杆部116的自由端124整個地延伸並穿過推擠螺母122。
鉚接凸緣118的直徑和厚度將選擇成可確保至石墨平面元件102的良好的熱傳遞。凸緣118的直徑還應該足夠大，使得凸緣118在壓下推擠螺母122時不會在石墨平面元件102中產生過大壓力或切口。如果推擠螺母122的外徑不能增加到足以防止石墨平面元件102由於過大壓力而受損的程度，那麼如圖7A中所示，在螺母122的下面可使用大直徑的墊片128。因為墊片128主要用於機械目的(即不傳導熱量)，所以其可鬆弛地裝配在鉚釘杆部116上，並且不需要由與導熱件114相同的材料製成。
圖8和9分別顯示了詳細的導熱件114的平面圖和正面圖。圖10和11分別顯示了推擠螺母122的平面圖和正面圖。
為了使用鉚釘型式的導熱件114，最好將孔110衝切到石墨平面元件102中，如最好在圖12中所示。衝切產生了孔徑，其具有與之關聯的較大誤差。為了確保在導熱件114和石墨平面元件102之間的良好的熱傳遞，衝切孔110的直徑130最好選擇成使得最大的成品孔仍然略微小於導熱件114的杆部116的外徑。
如最好在圖14中所示，在孔110衝切到石墨平面元件102中之後，推擠導熱件114的杆部116使其穿過孔110，在圖14所示的情況下是向上推擠杆部。因為導熱件114的杆部116具有比孔110略大的直徑，所以石墨將在杆部116周圍成蘑菇狀隆起，產生環狀的蘑菇狀的突出部132。
為了確保良好的熱傳遞，之後通過利用圖14中所示的衝頭134壓制蘑菇狀的突出部132而將這種蘑菇狀的突出部132強制壓平，使其與或石墨平面元件102的頂面或第二平面106齊平。衝頭134具有圓柱形的凹腔136，其尺寸略大於鉚釘杆部116的外徑。
在壓平蘑菇狀的突出部132之後，將推擠螺母122放置在杆部116的自由端124上，並迫使杆部116沿著石墨平面元件下降到至如圖7最終組件中所示的位置。另一與圖14所示衝頭134相似的衝頭(未顯示)具有大的容納推擠螺母122的高出區域的凹腔，其可用於實現推擠螺母122在杆部116上的定位。應該使用足夠的力將石墨平面元件102牢固地夾在推擠螺母122和鉚接凸緣118之間，從而確保經由鉚接凸緣118的良好的熱傳遞。
雖然在圖7-14所示的示例中，孔110是圓形的，並且杆部116也是圓形的或圓柱形的，但是應該懂得還可使用其它橫截面形狀。更具體地說，孔110可描述為其橫截面形狀具有與平面元件102的平面平行的最大的橫截面尺寸，在所示的情況下最大的橫截面尺寸圖12所示的直徑130。類似地，導熱件114的杆部116可描述為具有與孔110的橫截面形狀互補的橫截面形狀，並具有最小的橫截面尺寸，在這個示例中為杆部116的外徑，其大於孔110的最大的橫截面尺寸130。作為備選，如果孔110大於杆部116，那麼其之間的間隙將填滿熱傳導的油脂等，從而使石墨平面元件102和導熱件114之間的熱傳遞最大化。
2、帶雙凸緣的導熱件如所述，在某些應用必須使導熱件突出到石墨散熱器元件的表面以上，使其可接觸到熱源。另外，在極高性能的應用中，重要的是儘可能地減小在導熱件和周圍石墨材料之間的熱阻。這可通過引入圓形的，帶凸緣的導熱件和墊片組件來實現，其還可稱為帶雙凸緣的導熱件，如圖15中所示。
在圖15中，本發明的一個備選實施例包括大體上由標號200指定的熱管理系統。熱管理系統200包括與之前參看圖7所述的石墨平面元件102相似的石墨平面元件202。石墨平面元件202相應地具有第一和第二相對的主平面204和206。在表面204和206之間限定了厚度208。由內壁212限定的孔210被限定成穿過石墨平面元件202。系統200包括導熱件214，其在這種情況下由第一和第二部分215和217組成。第一部分215包括杆部216和第一凸緣218。
在這種情況下，導熱件214通過第二部分217而保持在與石墨平面元件202裝配在一起的位置，第二部分217也稱為墊片或第二凸緣217。第二凸緣217由與杆部216及導熱件214的第一部分215的第一凸緣218相同的材料製成。
圖18和19中分別顯示了第二凸緣217的詳細平面圖和橫截面圖。第二凸緣217具有內徑219，其選擇成略微小於杆部216的外徑，使得第二凸緣217的內徑219與杆部216形成緊密接觸，其中第二凸緣217壓配合在杆部216上。第二凸緣217的外徑最好與第一凸緣218的外徑大致相同。杆部216的長度221加工成可使石墨平面元件202壓縮在第一和第二凸緣218和217之間，使得第一和第二凸緣218和217與石墨平面元件202形成緊密的熱傳導結合。
雖然導熱件214的第一及第二部分215和217描述為最好通過第二部分217壓配合在第一部分215上而進行裝配，但是應該懂得還可以利用其它裝配技術。例如，第二部分217可通過冷縮配合而裝配在杆部216上，或者將這兩部分焊接在一起。
在圖15-19所示的實施例中，杆部216具有杆部軸肩223，其限定在杆部上，並背向第一凸緣218。類似地，第二凸緣217的內孔219具有限定在其上的凸緣軸肩225，其與杆部軸肩223互補並鄰接在杆部軸肩223上。
圖15A中，其顯示了帶雙凸緣的熱管理系統的一個備選實施例，其大體上由標號200A表示。除了修改了第二凸緣217A的設計以外，熱管理系統200A與圖15的熱管理系統200是相同的，第二凸緣217A是帽子形狀，並具有盲孔而不是帶通孔的墊片形狀。圖15的熱管理系統200上面的其它細節描述同等地適用於圖15A的熱管理系統200A。
利用圖15-19帶雙凸緣的導熱件214，熱源例如220可與第一凸緣218或第二凸緣217接觸。杆部216最好具有至少與熱源220的外徑或最大尺寸同樣大的直徑，從而有助於在熱源220和導熱件214之間實現經由整個接觸區域的有效的熱傳遞。
利用圖15-19帶雙凸緣的導熱件214可將熱量經由杆部216的外徑和凸緣218和217的內表面而轉移到石墨平面元件202中。這種設計中所固有的在導熱件214和石墨平面元件202之間的大量的接觸表面可最大限度增加至石墨平面元件202熱傳遞，與圖7的帶單個凸緣的導熱件形成對比，其只通過杆部和一個凸緣來傳遞熱量。
當第二凸緣217與導熱件214的第一部分215裝配起來時，軸肩225和223相互貼靠在一起。杆部216的大直徑部分的長度227選擇成小於石墨平面元件202的厚度208，從而確保將第二凸緣217壓縮到第一部分215之上，並使軸肩223和225鄰接，在凸緣218和217之間的環狀的石墨區域將處於壓縮狀態。這確保了從凸緣218和217至石墨平面元件202的良好的熱傳遞。
圖20顯示了導熱件214的第一部分215安裝在石墨平面元件202中的合適位置。石墨平面元件202將具有按照與上面參照圖12，針對石墨平面元件102所述相似的方法衝切出來的孔210。同樣，衝切的孔210的直徑選擇成可使最大的成品孔略微小於杆部216的較大部分的可能的最小直徑。如圖20所示，再次將導熱件214的第一部分215向上推擠到石墨平面元件202的孔210中，而形成環狀的蘑菇狀突出部232。為了確保良好的熱傳遞，通過使用圖20所示的衝頭234將這種蘑菇狀突出部232壓平，使其與石墨平面元件202的頂面206齊平。同樣，衝頭234具有圓柱形的凹腔136，其尺寸略大於杆部216的最大外徑。
在將蘑菇狀的突出部232壓平之後，將第二凸緣217放置在杆部216的末端，並施加足夠的壓力，使第二凸緣217向下推擠到杆部216上，直到軸肩223和225彼此貼靠在一起。
凸緣218和217的直徑和厚度將選擇成可確保至石墨平面元件202的良好的熱傳遞。這些直徑還應該足夠大，使得當將第二凸緣217下壓到杆部216上時，凸緣218和217不會在石墨平面元件中產生過大的壓力或切口。
圖21-24顯示了帶雙凸緣的導熱件214A的第二設計，其同樣包括第一部分215A和第二部分217A。同圖16-17比較的唯一區別是在這個實施例中，杆部216A中沒有加工出軸肩。相反，杆部216A是直圓柱形的杆部，在其上端具有輕微的倒角。類似地，第二凸緣217A具有直圓柱形的孔219A。杆部216A的直徑略大於第二凸緣217A的內徑219A，因而提供了在杆部216A和第二墊片217A之間的過盈配合。在組裝時，實心衝頭(未顯示)用於迫使第二凸緣217A下壓到杆部216A上。當第二凸緣217A的上表面229與杆部216A的上端231齊平時運動停止。為了控制石墨平面元件在第一及第二凸緣218A和217A之間的壓縮量，需控制杆部216A的長度233和第二凸緣217A的厚度235。
3、齊平的導熱件上面所述的導熱件都具有一個或兩個凸緣突出到石墨平面元件的表面之上。然而，在某些應用中，散熱器必須具有完全齊平的面，也就是說沒有任何導熱件部分可突出到散熱器的表面以上。利用如圖25所示埋置到石墨散熱器中的導熱件，可實現這些目的。
圖25顯示了熱管理系統300，其包括具有第一和第二主平面面304和306的石墨平面元件302。石墨平面元件302具有限定在表面304和306之間的厚度308。由內壁310限定的孔312被限定成穿過石墨平面元件302的厚度。
導熱件314容納在孔310中。在這個實施例中，導熱件314是如最好在圖26和27中所示圓盤形狀，在其上端和下端320和322具有倒角316和318。如以下進一步所述，在圖25所示的圓盤形的導熱件314埋置在石墨平面元件302中的這種結構中，石墨材料緊緊地裝配在圓盤形的導熱件314並與導熱件314的倒角316和318重疊。導熱件314分別使其上端和下端320和322與石墨平面元件302的第二主表面306和第一主表面304齊平。這種結構增強了在導熱件314和石墨平面元件302之間的熱傳遞，並提供其之間的機械結合。
圓盤形的導熱件314具有與石墨平面元件302的厚度308基本相等的厚度。
圖28，29和30是顯示將圓盤形的導熱件314埋置到石墨平面元件302中的方法的順序圖。同樣石墨平面元件302具有衝切出的孔310。衝切孔310的尺寸選擇成可使最大可能的成品孔所包含的給定的公差略微小於圓盤形的導熱件314的外徑。在埋置工藝過程中，導熱件314將伸長並且放大孔310。
圖28顯示了埋置固定器324的分解圖，其包括上半模和下半模326和328以及衝頭330。
上半模326中具有通孔332，而下半模328中具有部分孔334。
孔332和334的直徑是相等的，並且略大於導熱件314的外徑。對準導向器(未顯示)用於使上半模和下半模部分326和328中的孔332和334與石墨平面元件302中的衝切孔310對準。止動件336定位在下半模328中。止動件336的上端338與下半模328的頂面340齊平，並且止動件的直徑小於圓盤形的導熱件314的直徑，使得環狀的空腔342包圍止動件336。衝頭330具有與圓盤形的導熱件314相同的外徑，並且用於將導熱件314下壓到合適位置。
固定器324的操作最好見圖29中所示。石墨平面元件302對準並夾緊在上半模和下半模326和328之間。一旦夾緊在合適位置，薄的石墨材料輪緣(未顯示)延伸到半模326和328的孔332和334中。
導熱件314放置在上半模326的孔332中，衝頭330位於其後。對衝頭施加壓力，強制導熱件314向下穿過突出的石墨材料。某些突出的石墨材料被切斷，而某些被壓縮在導熱件314的周圍。導熱件314停靠在止動件336的末端338上，與石墨平面元件302的下表面304齊平。切下的石墨材料的廢料344匯集在止動件336周圍的環形間隙342中。
當半模326和328分開，並且與圓盤形的導熱件314裝配起來的石墨平面元件302從固定器上拆卸下來時，由導熱件314壓縮的石墨材料形成了周邊的凸起部346和348，其臨近圓盤形的導熱件314的倒角邊316和318。
為了使這些凸起部346和348平整，然而將組件302，314放置在壓力機的上壓板和下壓板之間，如圖30中所示的，並對組件302，314施加壓力。這個壓力應該大於1500psi，並小於10,000psi，其是石墨材料的最小的壓縮強度。壓力壓縮凸起部346和348，使其與盤狀導熱件314的端面320和322齊平，並且擠壓抵靠在導熱件314的倒角邊316和318上的石墨材料，從而將導熱件314緊緊地鎖定在石墨平面元件302的合適位置。結果是圖25中所示的散熱元件302，314。
盤狀導熱件314的倒角邊316和318大致可描述為限定在導熱件314上的凹腔。如圖25中所示，石墨平面元件302的石墨材料重疊在凹腔或倒角邊316和318上。
現在參看圖31和32，這個相同的工藝過程還可用於在其上面製作帶薄的表面層354的散熱器。表面層354通常由例如聚酯薄膜、鋁、銅或相似的材料組成。在這種情況下，在衝切孔310之前將表面層354應用到石墨平面元件302上。之後將孔310衝切到石墨平面元件302和表面層354中。孔徑310和導熱件314的外徑必須選擇成可使得穿過表面層的孔完全包圍熱源例如320，其與導熱件314保持接觸。導致如圖32所示帶有表面層354的裝配組件的剩餘步驟如上面結合圖28-30所述。這導致了散熱器，其埋置的導熱件被表面層354的孔暴露出導熱件的兩側，如圖32所示。這容許在導熱件314和熱源320之間的直接接觸，同時在石墨平面元件302的所有暴露的區域上提供了表面層354。
表面層354大致可描述為一種比石墨平面元件302的厚度308更薄，並且覆蓋在石墨平面元件302的相對的主平面304和306上的表面層。
帶鍍層的散熱器和齊平的導熱件圖33是與圖25相似的視圖。箭頭356代表安裝負載，其將散熱器的盤狀導熱件314壓制在熱源320上，使得沒有負載作用到石墨平面元件302本身上。石墨平面元件302仍保持為平直的，並且在石墨平面元件302和導熱件314之間保持良好的接觸，而且在導熱件314和石墨平面元件302之間的熱傳遞是優良的。
然而，如圖34所示，通常還必須使安裝孔例如358和360穿過石墨平面元件302，並且將螺釘放置在孔358和360附近，如箭頭362和364所示，該螺釘對會石墨平面元件302施加螺釘安裝負載。現在安裝負載直接作用於石墨平面元件302上。由石墨平面元件302相對較低的彈性模量，典型的安裝負載，例如由箭頭362和364所示的負載可造成石墨平面元件302如圖34中所示彎曲，並且使石墨平面元件302的部分在366所示區域脫離導熱件314，從而導致在石墨平面元件302和導熱件314之間打開了間隙。這導致了在導熱件314和石墨平面元件302之間的熱傳遞削弱，以及散熱器的散熱性能的顯著下降。甚至如圖34中所示的適度的安裝負載也足以使石墨平面元件302永久地彎曲。
為了克服這個問題，可將一層薄的連續的相對堅硬的材料368塗鍍到石墨平面元件302的下邊304上，如圖35中所示。鍍層材料可包括銅、鋁等等。和其合金。例如，最小厚度為0.003英寸的鋁片是鍍層的典型選擇。鍍層368利用粘合劑例如Ashland Aroset 3250而粘附在石墨平面元件302的表面304，以及導熱件314的下端322上。一旦粘附，就衝切出或鑽出穿過鍍層和石墨平面材料302的安裝螺釘孔358和360。注意鍍層368在導熱件314的下端面322上是連續的，並且只有穿過鍍層的孔眼用於穿過石墨材料302的安裝螺釘孔358和360。當如圖3示意性地所示，將帶鍍層的散熱器壓縮在熱源302上時，散熱器仍是平的，並且在性能上不會由於在導熱件314和石墨平面元件302的材料之間形成的間隙而下降。
共鍛的齊平的導熱件圖36-39包括顯示了與上面參看圖25-35所述相似的帶齊平的導熱件的散熱器的另一變型的系列圖。
在某些極高性能的應用中，重要的是最大限度地減小在盤狀導熱件和周圍石墨材料302之間的熱阻。這可在將導熱件嵌入到石墨平面元件中之後，通過對導熱件和周圍石墨材料進行共鍛來實現。共鍛將導致導熱件和石墨平面材料的塑性變形，並且將導致導熱件材料儘可能緊密地連接在周圍石墨材料上，並將這些材料之間的熱阻減少到最小。
首先，如上面參看圖28-30所述將石墨平面元件302和盤狀導熱件314裝配在一起。這導致了如圖36所示的結構，其具有在盤狀導熱件314的上面和下面延伸的環狀的石墨材料的凸起部346和348。
為了對石墨和導熱件材料進行共鍛，將圖36中所示的組件302，314放置在閉腔鍛模368中，其由圖37所示的上半模和下半模370和372組成。空腔374和376分別加工在半模370和372中，並且匹配的止動面378和380分別形成了空腔374和376的邊緣。由兩個空腔部分374和376形成的空腔的整個深度小於原始石墨材料302或原始盤狀導熱件314的厚度。閉腔的尺寸選擇成當導熱件314和石墨平面元件302發生塑性變形時，空腔將足夠大，以容許這些材料流入並填充該空腔，如圖38中所示。止動面378和380控制可允許的塑性變形量。止動面378和380加工成一旦其彼此接觸，那麼鍛造負載就傳遞到止動面上，從而導熱件314或石墨平面材料302不會發生進一步的塑性變形。
圖38中顯示了導熱件314和石墨平面元件302的這種共鍛。作用於鍛模368上的最小的力必須足以確保石墨平面元件302的石墨材料和導熱件314的材料同時發生塑性變形。這造成導熱件314和石墨垂直地壓縮，並水平地流動。
圖39中顯示了最終共鍛的散熱器。在共鍛期間的塑性流動導致導熱件314和石墨平面元件302之間的緊密接觸，並且最大程度地減小了這兩種材料之間的熱阻。在共鍛之後，如上面參照圖31和32所述，可將表面層應用於散熱器，並且/或者如上面關於圖35所述敷設鍍層。
所有引用的專利、專利申請和出版物通過引用而結合在本文中。
上面的細節描述意圖使本領域中的技術人員實踐本發明。本文並不意圖詳細介紹技術工人閱讀本說明書時將明晰的所有可能的變型和改型。然而，所有這些改型和變型都包含在以下權利要求所限定的本發明的範圍內。除非上下文中特別規定以外，否則權利要求意圖覆蓋有效地實現本發明目的的任何布局或順序中所示的元件和步驟。
權利要求
1.一種用於裝配熱管理系統的方法，其包括(a)形成穿過各向異性的石墨平面元件厚度的孔，所述平面元件具有第一和第二相面對的主平面，所述孔具有橫截面形式，其具有與所述平面元件的平面平行的最大的橫截面尺寸；(b)提供由各向同性材料構成的導熱件，所述導熱件具有與所述孔的橫截面形狀互補的橫截面形狀，並且具有比所述孔的最大橫截面尺寸更大的最小的橫截面尺寸；和(c)將導熱件壓配合到所述石墨平面元件的孔中，從而在所述導熱件和所述石墨平面元件之間產生緊密配合，使得來自熱源的熱量可經由所述導熱件傳導至所述平面元件的厚度中。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述石墨平面元件通過壓縮膨化石墨的顆粒而形成。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述導熱件由選自金、銀、銅、鋁和其合金的材料組中的材料構成。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述孔和所述導熱件的橫截面形狀是圓形的。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟(a)中，孔的成形包括衝切孔。
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟(b)中，導熱件包括杆部和第一凸緣，所述杆部包括最小的橫截面尺寸；和在步驟(c)中，所述杆部壓配合到所述孔中，直到所述凸緣與所述石墨平面元件的其中一個主平面相結合。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於還包括在步驟(c)期間，石墨在所述杆部周圍向上隆起成蘑菇狀，從而產生蘑菇狀的凸起部；和迫使蘑菇狀的凸起部下降，使其與所述石墨平面元件中的另一主平面齊平，所述主平面與所述導熱件的凸緣相對。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於還包括將第二凸緣緊密地配合在所述杆部中與第一凸緣相對的自由端上，並對所述第一及第二凸緣之間的石墨平面元件進行壓縮。
9.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於還包括將推擠螺母壓制在所述杆部中與所述第一凸緣相對的自由端上，使得所述推擠螺母與所述石墨平面元件相結合，從而將所述導熱件牢固地保持在所述石墨平面元件的孔中。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在步驟(b)中，所述導熱件具有與所述石墨平面元件的厚度基本相等的厚度。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於還包括在步驟(b)中，導熱件採用具有倒角邊的圓柱形圓盤的形狀；在步驟(c)期間，所述石墨平面元件在所述導熱件的倒角邊附近凸起而形成周邊的凸起部；和在步驟(c)之後，對所述周邊的凸起部進行壓縮，使得所述導熱件與所述石墨平面元件的兩個主平面齊平。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於還包括在所述壓縮步驟期間，對所述導熱件和石墨平面元件進行共鍛，從而使所述導熱件和所述石墨平面元件同時發生塑性變形。
13.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於還包括在壓縮步驟之後，鍍其中一個所述主平面，並利用鍍層覆蓋所述導熱件。
14.一種熱管理系統包括各向異性的石墨平面元件，其具有第一及第二相對的主平面；和由各向同性的材料構成的導熱件，所述導熱件埋置在所述石墨平面元件中，並使第一和第二裸露端分別與所述石墨平面元件的第一和第二相對的主平面齊平，所述導熱件具有限定在其上面的凹腔，並且所述石墨平面元件重疊在所述凹腔上。
15.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，所述各向異性的石墨平面元件包括壓縮的膨化石墨顆粒。
16.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，所述導熱件由選自金、銀、銅、鋁和其合金的材料組中的材料構成。
17.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，所述凹腔包括各位於所述導熱件第一及第二末端上的周邊倒角。
18.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，所述石墨平面元件和所述導熱件的凹腔的重疊增強了在所述石墨平面元件和所述導熱件之間的熱傳遞。
19.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，所述石墨平面元件和所述導熱件的凹腔的重疊提供了在所述導熱件和所述石墨之間的機械結合。
20.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於，所述導熱件是圓柱形的形狀。
21.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於還包括比所述石墨平面元件的厚度更薄，並覆蓋在所述石墨平面元件的相對的主平面上的表面層，所述導熱件的第一和第二裸露端與所述表面層齊平。
22.根據權利要求14所述的系統，其特徵在於還包括粘附在所述第一主平面上，並覆蓋所述導熱件第一末端的鍍層。
23.根據權利要求22所述的系統，其特徵在於，還包括穿過所述鍍層和所述石墨平面元件的安裝螺釘孔。
24.一種熱管理系統包括各向異性的石墨平面元件，其具有第一和第二相對的主平面，並且具有限定在所述平面之間的厚度，所述平面元件具有與所述平面平行的相對較高的熱導率，並具有厚度方向的相對較低的熱導率，所述平面元件具有限定在所述平面之間的空腔，所述空腔由內腔壁限定；和導熱件，其具有穿過所述空腔，並與所述內腔壁緊密結合的杆部；從所述杆部側向延伸出來，並與所述平面元件的其中一個平面緊密結合的凸緣；和所述導熱件由各向同性的材料構成，使得來自熱源的熱量可經由所述導熱件傳導至所述平面元件的厚度中。
25.根據權利要求24所述的系統，其特徵在於，所述各向異性的石墨平面元件包括壓縮的膨化石墨顆粒。
26.根據權利要求24所述的系統，其特徵在於，所述導熱件由選自金、銀、銅、鋁和其合金的材料組中的材料構成。
27.根據權利要求24所述的系統，其特徵在於還包括接收在所述杆部上並與其摩擦結合的推擠螺母，所述螺母與所述平面中的另一個緊貼地結合，其中，所述平面中的另一個不同於與所述凸緣結合的所述平面中的一個，使得所述平面元件嵌入在所述凸緣和所述螺母之間。
28.根據權利要求27所述的系統，其特徵在於，所述螺母由與導熱件不同的材料製成。
29.根據權利要求27所述的系統，其特徵在於還包括熱源，其上面限定了熱傳導的接觸區域，所述接觸區域與杆部中的與所述凸緣相對的末端相接觸，所述接觸區域小於所述杆部的末端區域。
30.根據權利要求27所述的系統，其特徵在於，所述杆部具有與所述凸緣相對的自由端，所述自由端整個地穿過推擠螺母而延伸。
31.根據權利要求27所述的系統，其特徵在於還包括寬鬆地容納在所述杆部周圍，並夾緊在所述推擠螺母和所述石墨平面元件之間的墊片。
32.根據權利要求24所述的系統，其特徵在於還包括連接在所述杆部上，位於與所述第一凸緣相對的所述杆部一端附近的第二凸緣，所述第二凸緣具有緊密地容納在所述杆部周圍的內孔；和具有環狀部分的石墨平面元件，所述環狀部分包圍壓縮在所述第一和第二凸緣之間的空腔，使得所述第一和第二凸緣與所述石墨平面元件保持緊密的熱傳導結合。
33.根據權利要求32所述的系統，其特徵在於所述第二凸緣壓配合在所述杆部上。
34.根據權利要求32所述的系統，其特徵在於，所述杆部具有限定在其上面，並背向所述第一凸緣的杆部軸肩；和所述第二凸緣的內孔具有限定在其上的凸緣軸肩，其與所述杆部軸肩互補並鄰靠所述杆部軸肩。
35.根據權利要求32所述的系統，其特徵在於，所述杆部具有恆定直徑的直圓柱形的外表面，並且所述第二凸緣的內孔是直圓柱形的內孔；和所述第二凸緣與相對所述第一凸緣的所述杆部的末端齊平。
全文摘要
本文提供了石墨散熱器的結構和製造方法，石墨散熱器具有貫通的導熱件。本文公開了具有一個或兩個凸緣的導熱件，如齊平的導熱件。提供的石墨散熱器具有覆蓋石墨材料的表面層。為了提高結構的完整性，提供了具有鍍層的石墨散熱器。本文還公開了對石墨散熱器元件和放置在該元件中的金屬導熱件進行共鍛的方法。
文檔編號G12B15/06GK1960619SQ200610144559
公開日2007年5月9日 申請日期2006年11月3日 優先權日2005年11月4日
發明者B·E·雷斯, M·D·斯馬, B·J·拉塞, G·S·科斯亞克, M·G·格茨, P·斯坎達庫馬蘭, M·法拉斯蒂斯 申請人:先進能源科技公司