熱傳輸組件的製作方法

2023-05-25 21:09:26

專利名稱：熱傳輸組件的製作方法
熱傳輸組件
本發明涉及一種熱傳輸組件，所述熱傳輸組件包含兩個彼此導熱接觸
的部件；更具體地，本發明涉及一種熱傳輸組件，其中，兩個部件中的至 少一個是塑料部件。本發明具體涉及與生熱電子器件結合使用的散熱裝置 諸如散熱器的界面表面性質。
由US-6651732-B2巳知上述熱傳輸組件。已知的熱傳輸組件是散熱組 件，其由含有熱導管構件的生熱器件和散熱器組成，所述散熱器是具有用 於容納所述熱導管構件的整體罩(integral pocket)的塑料部件。在US-6651732-B2的組件中的塑料部件是注射模製的導熱彈性部件。
在電子和計算機工業中，己知採用各種類型的電子器件封裝和集成電 路晶片，諸如由Intel Corporation製造的PENTIUM中央處理單元晶片 (CPU)和RAM (隨機存取存儲器)晶片。這些集成電路晶片在操作過 程中產生大量熱量，這些必須被除去以防止對安裝有該器件的系統的操作 造成不利影響。有數種已知方法用於冷卻生熱構件和物體，以避免失效失 效和過熱。通常，塊狀(block)散熱器和散熱片以與生熱器件的表面熱連 通(thermal communication)的方式放置，從而吸收熱量並幫助其散熱。
已知界面處的接觸表面決定性地影響熱傳輸組件的總體性能。現有熱 傳輸組件的問題如下。 一般而言，由於製造的公差，接觸表面總是無法完 全平坦，因而在生熱表面和散熱裝置之間產生間隙，從而提高了該組件的 總的熱阻。而且，例如由於研磨或其他處理步驟而產生的表面不規則會使 在接觸部件之間產生微孔隙和間隙。接觸面之間的這些缺陷和間隙通常含 有小氣囊。這些都會導致不良導熱接觸、降低在生熱表面和散熱裝置之間 的穿過界面的熱傳輸能力，並且導致在接觸界面上的尖銳的溫度梯度。這 種熱傳輸能力的降低可能對於熱傳輸組件的性能是非常關鍵的，特別在兩 個接觸部件中的一個是塑料部件的情況下。在以上引用的專利US-6651732-B2中，通過用於容納散熱器所包含的 熱導管構件的生熱器件裝置整體罩所包含的熱導管構件，來提高生熱器件 和塑料散熱器部分之間的表面接觸區域。這種提高表面接觸面積的解決方 案彌補了不良導熱接觸，但不能減少或解決該問題。
為了減少不良導熱接觸的影響並使有限的熱傳輸能力產生的問題最小 化，已有不同的嘗試用導熱材料橋接界面間隙，從而在散熱器表面與生熱 源表面之間提供緊密接觸。
具體地，由有機基體材料和添加的導熱陶瓷或其他填料組成的導熱 糊、膜、粘合劑己被用作熱接口材料，所述有機基體材料諸如為彈性橡 膠、熱塑料材料、糊、油和油脂。導熱糊、油和油脂通常通過如下施用 將導熱材料抹到散熱器或其他電子部件上，然後通過使用夾具或螺釘的機 械方式使所述散熱器定位。這些材料中的一些具有出眾的成膜性和在不平 表面之間的間隙填充特性，因而在散熱器表面與生熱源表面之間提供緊密 接觸。這些性質通常與低粘度和/或低填料含量結合，從而導致過高的熱阻 性和/或從散熱器和生熱表面之間有效滲出，因而在兩個表面之間形成空氣 孔隙，最後導致熱點。而且，通過機械緊固件在散熱器上施加過量壓力會 加速在散熱器和生熱表面之間的這種滲漏。其他的則表明由於較高填料加 載量導致較高的導熱性，但是通常還具有非常高的粘度、過低的潤溼性和/ 或對散熱器的表面和生熱表面的不良粘附，因而易於出現孔隙並乾燥，最 終導致熱點。其他問題在於，油中的一些會蒸發並且在周圍微電路的敏感 部件上重新凝結。重新凝結的油會導致沉積形成從而幹擾微處理器的功 能，最終造成故障。
在導熱彈性橡膠和熱塑料材料的案例中，這些材料通常澆鑄成片型， 並模切成與散熱器和生熱器件的接觸表面的形狀相應的形狀。然後，將所 得預成型片材施用到散熱器或生熱器件的接觸表面的表面上。該片材必須 非常柔軟，足以複製該部件的接觸表面。例如，WO 02/059965描述了一種 可壓縮相變熱界面，其可插入生熱構件和散熱構件的熱傳輸表面之間。通 常，額外使用導熱粘合材料。或者，將導熱材料層直接澆鑄到散熱器或生 熱器件的接觸表面，從而消除對導熱粘合材料的需求。然後通過夾具或螺釘將散熱器和生熱器件與導熱材料的界面表面層固定。由粘附到一個部件 上的預澆鑄膜或預切膜組成的界面表面層解決了與油脂以及類似物相關的 問題，通常與膜粘附到或澆鑄到其上的部件形成緊密接觸。
然而，為了提供與第二部件的良好導熱接觸，必須在界面層上施加過 量壓力。而且，這些類型的材料不會提供熱傳輸組件(包括塑料部件)中 的散熱器和生熱源之間的最佳熱傳輸所需的與第二部件的適當緊密接觸並 且/或者這些類型的材料由於導熱預切或預澆鑄膜的厚度的變化以及由於基 於用於固定散熱器的機械裝置或動作所施加到導熱膜上的壓力大小而呈現 不同的性能。
本發明的目的在於減少或甚至完全消除上述問題，並且提供一種在與 另一個部件導熱接觸的至少一個塑料部件之間具有良好的熱連通的熱傳輸
組件；更具體對於以熱接觸方式的表面的不規則性和粗糙度使組件接觸熱 阻(thermal contact resistance)的敏感性降低並且/或者使組件的接觸熱阻 降低並且對微孔隙形成的不那麼苛刻同時兩個部件之間仍具有良好的熱連
通o
這個目的採用如下熱傳輸組件實現，所述熱傳輸組件包括作為塑料部 件的第一部件，以及第二部件，其中，在所述第一部件上的第一表面區域 與所述第二部件的第二表面區域導熱接觸，其中，所述第一表面區域和所
述第二表面區域由導熱率為至少50 W/nvK的表面材料構成。
在根據本發明的熱傳輸組件中，要麼僅僅第一部件是塑料部件，要麼 第一部件和第二部件二者都是塑料部件。在根據本發明的熱傳輸組件中， 由導熱率為至少50 W/m，K的表面材料構成塑料部件和其他部件或兩個塑 料部件的接觸表面區域，其作用在於，熱傳導組件的接觸熱阻較低並且對 於兩個接觸表面的不規則性和粗糙度不那麼敏感以及對孔隙的形成不那麼 苛刻。與塑料部件上沒有金屬接觸表面區域或等同物的相應熱傳輸組件相 比，這個作用導致用於本發明的熱傳輸組件的兩個部件之間的熱連通大大 改善了，而不需在接觸表面界面上或附近採取任何特定預防措施來降低表 面粗糙度、表面不規則性和微孔隙。實際上，在根據本發明的組件中，兩 個部件的表面不規則性難以彌補，特別是在導熱率為至少50 W/nvK的表面材料層很薄的情況a下，然而該層顯著改善了所述兩個部件之間的熱連 通。與含有本領域己知的熱界面材料同時在接觸表面界面上或附近具有相 同程度的表面粗糙度、表面不規則性和孔隙的相應熱傳輸組件相比，該熱 連通也是更好的。
導熱率為至少50 W/m，K的表面材料適於由金屬、含金屬塗層和/或陶 瓷材料組成。
在本發明的一個實施方式中，第一表面區域由金屬化層、含金屬塗層 和/或陶瓷材料構成，並且另外的第二部件是金屬部件。
在本發明的另一實施方式中，第一部件和第二部件都是塑料部件，接 觸表面(第一表面區域和第二表面區域)中的每一個由金屬化層、含金屬 塗層和/或陶瓷材料構成
根據本發明的熱傳輸組件可以由起到不同功能作用的不同部件組成， 前提條件是共同的功能是將熱量從一個部件傳遞到其他部件。適當地，一 個部件(第一部件或第二部件)是被加熱部件或生熱部件，而其餘部件是 吸熱部件和/或散熱部件。
適於用在根據本發明的熱傳輸組件中的被加熱部件的實例是照明結構 中的金屬部件。上述金屬部件可以由照明元件要麼通過接觸加熱和/或通過 感應加熱。適於用在根據本發明的熱傳輸組件中的生熱部件的實例是電子 部件，諸如集成電路晶片。
優選地， 一個部件是生熱器件，其他部件是散熱裝置或散熱器。散熱 裝置在本文中被定義為，與被加熱部件或生熱部件以熱連通方式放置並且 能夠從被加熱部件或生熱部件中吸收熱量和向環境消散吸收的熱量的部 件。適當地，散熱裝置包括冷卻構件，諸如翅片、柱或釘，以協助散熱。
如上所述，有數種已知方法用於冷卻生熱構件和物體，以避免器件失 效和過熱。通常，塊狀散熱器或散熱片以與物體的生熱表面熱連通的方式 放置，從而吸收來自該物體的生熱表面的熱量並散熱。上述散熱器通常包 括基礎構件，所述基礎構件帶有多個單獨的冷卻構件，諸如翅片、柱或 釘，以協助散熱。冷卻構件的幾何形狀被設計成增加散熱器的與環境空氣 接觸的總表面積，以使散熱最佳。與沒有上述額外冷卻構件的裝置(諸如平坦散熱片)相比，使用具有最佳幾何結構的上述翅片、柱或釘會大大提 高熱消散。
適當地，熱傳輸組件包括作為塑料部件或塑料部件之一的生熱器件。 生熱器件有利地包括在接觸表面區域上的金屬化層或者導熱表面層，在該 接觸表面區域，對界面導電率沒有限制，然而在界面區域必須具有高電阻 的接觸表面區域處，沒有這種層。
在本發明的優選實施方式中，熱傳輸組件包括散熱裝置作為塑料部件 或塑料部件之一。散熱裝置是塑料部件的優點在於，可以採用更簡單的工 藝製成具有非常複雜形狀的散熱裝置，從而增加散熱表面區域。
在根據本發明的熱傳輸組件中，生熱器件適於為電子部件，諸如計算
機晶片；或照明元件，諸如安裝在金屬芯PCB上的LED、白熾燈、節能 燈和通過LED電子設備操作的任意燈；或上述燈用殼體。
在根據本發明的熱傳輸組件中，塑料部件適於由導熱塑料組合物構 成，優選由導熱率為至少0.5 W/m，K的塑料組合物構成。塑料組合物的導 熱率可以高達40 W/nrK或甚至更高，但這難以採用大多數常規導熱填料 實現。更優選地，導熱率在1.0-30 W/nvK的範圍內，還要更優選在2.0-25 W/m'K的範圍內，甚至在3.0-20 W/nvK的範圍內。
適當地，在根據本發明的熱傳輸組件中，塑料部件由含有聚合物和導 熱填料的塑料組合物製成。
適當地，塑料部件中的塑料組合物包含30-90 wt。/。的聚合物和10-70 wty。的導熱材料，優選包含40-80 wtM的聚合物和20-60 wty。的導熱材料， 其中wtn/。是相對於塑料組合物的總重。應注意到，對於某種類型的導熱材 料(諸如對於特定等級的石墨)，10wt。/。的含量足以獲得至少0.5 W/m-K 的過面導熱率(through plane thermal conductivity)，而對於諸如瀝青碳纖 維、氮化硼以及特別是玻璃纖維的其他材料，需要遠遠更高的wt%。製造 導熱聚合物組合物的普通技術人員通過常規實驗就可以確定獲得所需水平 必須的用量。
適當地，聚合物是熱塑性聚合物或熱固性聚合物。適當的熱固性聚合 物包括熱固性聚酯樹脂和熱固性環氧樹脂。優選地，聚合物包括熱塑性聚合物。熱塑性聚合物適於為無定型、半 結晶或液晶聚合物，彈性體，或其組合。液晶聚合物是優選的，這是因為 其具有高度結晶性質並且能夠為填料材料提供良好的基質。液晶聚合物的 實例包括熱塑料芳族聚酯。
適當的熱塑性聚合物例如為聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸樹脂、丙烯腈樹 脂、乙烯基樹脂、聚碳酸酯、聚酯、聚醯胺、聚苯硫醚、聚苯醚、聚碸、 聚丙烯酸酯、聚醯亞胺、聚醚醚酮和聚醚亞胺及其混合物和共聚物。
適當的導熱填料選自由如下組成的組礬土、氮化硼、金屬屑和纖維 (如銅屑和鋼纖維)、碳(如碳纖維和膨脹石墨)及其組合。
在本發明的優選實施方式中，導熱填料包括氮化硼。氮化硼作為塑料 組合物中的導熱填料的優點在於，它賦予高導熱率，同時保持良好的電絕 緣性質。
在本發明的另一優選實施方式中，導熱填料包括石墨，更具體包括膨 脹石墨。石墨作為塑料組合物中的導熱填料的優點在於，它在非常低的重 量百分率下即可賦予高導熱率。
導熱填料可以是顆粒粉末、粒子、晶須、纖維或任何其他適當形式。
粒子可以具有各種結構。例如，粒子可以具有片形、盤形、米粒形、細條 形、六邊形或球形。適當地，導熱纖維包括玻璃纖維、金屬纖維和/或碳纖
維。適當的碳纖維，也被稱為石墨纖維，包括PITCH基碳纖維和PAN基
碳纖維。
對導熱材料的選擇取決於對導熱組件的進一步要求，必須使用的用量 取決於導熱材料的類型和塑料部件所需要的導熱水平。
正如在McCullough的美國專利6，251 ,978和6,048,919中所述，具有 低縱橫比和具有高縱橫比的導熱材料，即導熱填料和纖維二者，都包含在 塑料組合物中，上述專利文獻公開的內容通過引用插入本文。
在根據本發明的熱傳輸組件中，塑料部件包括導熱層，使得塑料部件 的接觸表面由金屬、含金屬塗層和/或陶瓷材料構成。
塑料部件可以是任何由上述塑料組合物、採用適於由上述塑料組合物 製造塑料部件的任何方法(諸如擠出或注塑)可得到的塑料部件。塑料部件上的金屬化層可由任何適於為塑料部件提供金屬化層的金屬 化工藝得到。
適當地，在塑料部件上施用金屬化層的工藝包括通過無電鍍
(electroless plating)、濺射和金屬氣相沉積的塗布以及金屬化。
適當地，金屬化工藝與選擇性刻蝕工藝組合，從而除去金屬層的不起 作用的部分。優選的選擇取決於製備塑料部件所用塑料組合物的類型。塑 料組合物適於為惰性聚合物組合物、預活化的聚合物組合物或二者的組 合。惰性聚合物組合物例如在採用適當添加劑進行表面改性後可被金屬 化。上述組合物與預活化的塑料組合物不同，其不能在化學金屬化浴中金 屬化，也不能通過活化轉化成可電鍍的金屬組合物。
預活化聚合物組合物在本文中被理解為其本身不能在化學金屬化浴中 金屬化的塑料組合物，但該組合物包含可以活化從而將該組合物轉化成可 鍍金屬組合物的催化添加劑。可鍍金屬組合物在本文中被理解為可以在化 學金屬化浴中金屬化的組合物。可以對上述預活化的聚合物組合物施加選 擇性活化以產生活化區域，從而通過在化學金屬化浴中金屬化僅對預先選 擇的區域金屬化。
可用在預活化聚合物組合物中的催化添加劑可以是任何適於用在金屬 化模製聚合物製品領域中的催化添加劑。適當的催化添加劑例如包括含鈀 添加劑(其可以通過化學活化工藝活化)以及金屬-有機和金屬氧化物添加 劑，諸如具有尖晶石結構的混雜金屬氧化物(其可以通過諸如IR和UV激 光的電磁輻射照射活化)。上述含鈀添加劑以及金屬-有機和金屬氧化物添 加劑的實例是本領域已知的。例如在美國專利申請2004/0241422中對適當 的具有尖晶石結構的混雜金屬氧化物進行了描述。
適當的預活化聚合物組合物的實例例如為Ticona的Vectra 820i或 Vectra 820iPD LDS; Degussa的Vestodur CL 2230或CL3230 PBT; BASF 的Ultramid 4380 LS ; Lanxass的Pocan TP710-004 PBT/PET。
在優選的方式中，塑料部件由以2-K模製工藝注射模製的預活化聚合 物組合物和惰性聚合物組合物的組合構成。對由上述2-K模製工藝得到的 模製部件的表面進行活化導致對預活化的聚合物組合物的選擇性活化。對上述活化部件進行金屬化得到已在注射模製工藝中限定的金屬化層圖案。 這具有如下優點塑料部件可以僅在接觸表面被金屬化。 在另一優選方式中，塑料部件完全被金屬化層覆蓋。
在根據本發明的熱傳輸組件中，塑料部件中的導熱層適於具有在寬範
圍內變化的厚度。適當地，所述厚度在0.01-1000/xm的範圍內，優選在 0.1-100/mi的範圍內，還要更優選在l-10/mi的範圍內。導熱層的最小厚度 較大有利於獲得與其他部件甚至更佳的導熱接觸和對於熱傳輸的低的表面 阻抗。
適當地，導熱層由導熱率在50-400 W/m，K或甚至更高的範圍內的材 料構成。優選地，導熱率為至少100W/m，K，更優選為至少150W/nvK， 甚至更優選為至少200W/nvK。
還優選地，塑料製品上的導熱層由金屬化層構成。這提供了與其他部 件的最佳導熱接觸和對於熱傳輸的最低表面阻抗。
金屬化層適於包括或甚至完全由選自如下組的金屬組成鎳(Ni)、 鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、鉻(Cr)及其混合物。
含金屬塗層適於為鎳銅塗層。
在為塑料部件提供金屬化層或導熱率為至少50W/nrK的任何其他表 面材料以後，或者可行的話在為兩個塑料部件提供金屬化層或表面材料 後，將塑料部件與其他部件(金屬部件或具有金屬化層的第二塑料部件) 組裝，使得塑料部件和其它部件彼此之間通過金屬化層接觸，或者可行的 話通過多個金屬化層接觸。金屬化層和金屬部件之間的接觸或者兩個金屬 化層之間的接觸導致具有低熱阻的良好熱接觸，而不需在部件上施加高的 壓力。施加高的壓力通常不可行，並且低的壓力的額外優點在於，部件的 完整性也被更好的保持了。
權利要求
1.一種熱傳輸組件，其包括第一部件和第二部件，所述第一部件是塑料部件，並且所述熱傳輸組件具有處於所述第一部件上的、與所述第二部件的第二表面區域導熱接觸的第一表面區域，其中，所述第一表面區域和所述第二表面區域由導熱率為至少50W/m·K的表面材料構成。
2. 如權利要求1所述的熱傳輸組件，其中，所述表面材料由金屬、含 金屬塗層和/或陶瓷材料組成。
3. 如權利要求1或2所述的熱傳輸組件，其中，所述塑料部件的所述 第一表面區域表面由金屬化層、含金屬塗層和/或陶瓷材料構成，所述第二 部件是金屬部件。
4. 如權利要求1或2所述的熱傳輸組件，其中，所述第一部件和所述 第二部件都是塑料部件，所述第一表面區域和所述第二表面區域中的一個 由金屬化層、含金屬塗層和/或陶瓷材料構成。
5. 如權利要求3或4所述的熱傳輸組件，其中，所述金屬化層具有 0.01-1000/mi的厚度。
6. 如權利要求3-5中任意一項所述的熱傳輸組件，其中，所述金屬化 層包括選自由如下組成的組的金屬鎳(Ni)、鋁(A1)、銅(Cu)、銀(Ag)、金 (Au)、鉻(Cr)及其混合物。
7. 如權利要求1-6中任意一項所述的熱傳輸組件，其中，所述第一部 件或所述第二部件是生熱器件，所述第一部件或所述第二部件中的另一部 件是散熱裝置。
8. 如權利要求7所述的熱傳輸組件，其中，所述生熱器件是電子部件 或照明元件。
9. 如權利要求7或8所述的熱傳輸組件，其中，所述散熱裝置包括冷 卻構件。
10. 如權利要求1-9中任意一項所述的熱傳輸組件，其中，所述塑料 組件由導熱率為至少1 W/nrK、優選在2-20 W/nrK範圍內的塑料組合物 構成。
全文摘要
本發明涉及一種熱傳輸組件，這種熱傳輸組件包括為塑料部件的第一部件和第二部件，在所述第一部件上的第一表面區域與所述第二部件的第二表面區域導熱接觸，其中，所述第一表面區域和所述第二表面區域由導熱率為至少50W/m·K的表面材料構成。
文檔編號H01L23/373GK101601130SQ200880003965
公開日2009年12月9日 申請日期2008年1月29日 優先權日2007年2月2日
發明者弗拉其蘇斯·維門達奧範, 羅伯特·翰德裡克·凱薩琳娜·簡瑟恩, 雅各布·科恩 申請人:帝斯曼智慧財產權資產管理有限公司