專利名稱：用于便攜式電子器件的熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱裝置(thermal solution),其能熱保護(hù)電子器件中的元件,從而防止或減少熱對器件元件的影響。
背景技術(shù)：
隨著越來越復(fù)雜的電子器件的發(fā)展，包括能夠提高處理速度和更高的頻率、具有更小尺寸和更復(fù)雜功率要求、并表現(xiàn)出其它技術(shù)先進(jìn)性的那些器件，如筆記本電腦、移動電話、個人數(shù)字助理(PDA)和相關(guān)的便攜式器件，以及在元件被彼此靠近排列的其它器件中，可能會產(chǎn)生相對極端的溫度。例如，功率放大器和數(shù)字信號處理器可產(chǎn)生大量的熱，尤其在移動電話中。但是，這些元件以及電池、微處理器、集成電路和其它復(fù)雜的電子元件一般只在一定的閾溫度范圍內(nèi)有效工作。這些元件工作過程中產(chǎn)生的過熱不僅會損害它們自身的性能，而且可能降低其它系統(tǒng)元件和整個系統(tǒng)的性能和可靠性，并甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障。預(yù)期電子系統(tǒng)工作的環(huán)境條件包括溫度極限的范圍的不斷擴(kuò)大加劇了過熱的負(fù)面影響。隨著對微電子器件散熱需求的增加，熱管理成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中日益重要的因素。電子器件的性能可靠性和使用壽命均與器件的元件溫度成反相關(guān)。例如，器件如典型的硅半導(dǎo)體的工作溫度，或類似地，半導(dǎo)體由于其它元件而暴露到的溫度的降低可能相當(dāng)于器件處理速度、可靠性和使用壽命的增加。因此，為了使元件的壽命和可靠性最大化，控制元件暴露到的溫度是極為重要的。盡管簡單地使電子器件中的熱產(chǎn)生元件絕熱是可行的，但這樣做可能是不利的。絕熱熱源將熱源產(chǎn)生的熱保持在產(chǎn)生熱的元件中和周圍。因此，它增加了該元件上的熱負(fù)荷，這可能降低元件的工作有效性或壽命。因此，系統(tǒng)中一個元件產(chǎn)生的熱需要從熱產(chǎn)生元件引導(dǎo)開或散開，并與器件的其它元件屏蔽開。一類重量較輕并適用于從熱源如電子元件散熱的材料為通常稱為石墨的那些材料，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。這些材料是各向異性的，并允許散熱器件被設(shè)計(jì)成優(yōu)先在選擇方向上傳熱。石墨材料在重量上輕得多，因此能提供超過銅或招的許多優(yōu)點(diǎn)。石墨由具有碳原子六角陣列或網(wǎng)絡(luò)的層面組成。六角排列碳原子的這些層面基本是平的，并被定向或有序化以便彼此基本平行和等距?；酒降钠叫械染嗟奶荚悠?qū)油ǔ７Q為石墨片(graphene)層或基面，它們被連接或結(jié)合到一起，其組被排列成微晶。高度有序的石墨由相當(dāng)大尺寸的微晶組成:微晶彼此之間被聞度排列或定向并具有次序良好的碳層。換句話說，聞度有序的石墨具有聞的優(yōu)選的微晶取向度。應(yīng)注意到石墨具有各向異性結(jié)構(gòu)，因此表現(xiàn)出或具有許多高度定向的性質(zhì)，例如熱和電傳導(dǎo)性和流體擴(kuò)散性。簡言之，石墨可被表征為碳的層狀結(jié)構(gòu)，即由通過弱范德華力結(jié)合在一起的碳原子迭層或疊層組成的結(jié)構(gòu)。在考慮石墨結(jié)構(gòu)時，通常注明兩個軸或方向，即“C”軸或方向和“a”軸或方向。為簡單起見，“c”軸或方向可被認(rèn)為是垂直于碳層的方向。“a”軸或方向可被認(rèn)為是平行于碳層的方向或垂直于“c”方向的方向。適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，固定碳原子的平行層到一起的結(jié)合力僅僅是弱范德華力?？商幚硖烊皇沟玫紝踊虔B層之間的間距被明顯打開，以便在垂直于層的方向上即在“c”方向上提供顯著的膨脹，并因此形成碳層的層狀特征被基本保留的膨脹或腫大的石墨結(jié)構(gòu)。在不使用粘合劑的情況下，可將被大大膨脹和尤其被膨脹至最終厚度或“c”方向尺寸為初始“c”方向尺寸約80倍或更多倍的石墨片形成為膨脹石墨的粘著或整體片，例如網(wǎng)、紙、條、帶、箔、墊等(一般稱為“柔性石墨”)。在不使用任何粘合劑的情況下，通過壓縮將已膨脹至最終厚度或“c”尺寸為初始“c”方向尺寸約80倍或更多的石墨顆粒形成為整體柔性片被認(rèn)為是可能的，因?yàn)橛袡C(jī)械互鎖或內(nèi)聚力，這在容積膨脹的石墨顆粒之間實(shí)現(xiàn)。除了柔性外，還發(fā)現(xiàn)由于膨脹石墨顆粒和石墨層的取向因非常高的壓縮如輥壓而基本平行于片的相對面，上述片材料在熱和電傳導(dǎo)性以及流體擴(kuò)散性方面具有和天然石墨原材料相當(dāng)?shù)母叩母飨虍愋猿潭?。這樣產(chǎn)生的片材料具有優(yōu)異的柔性、良好的強(qiáng)度和非常高的取向度。簡言之，生產(chǎn)柔性的、無粘合劑的各向異性石墨片材料例如網(wǎng)、紙、條、帶、箔、墊等的方法包括在預(yù)定負(fù)荷下和沒有粘合劑時壓縮或壓實(shí)“c”方向尺寸為初始顆粒尺寸約80倍或更多倍的膨脹石墨顆粒以形成基本平的柔性整體石墨片。膨脹石墨顆粒在外觀上通常為蠕蟲狀或蚯蚓狀，一旦被壓縮，將保持壓縮形變，并與相對的片主表面對齊。通過控制壓縮程度可改變片材料的密度和厚度。片材料的密度可在約0.04g/cm3至約2.0g/cm3的范圍內(nèi)。柔性石墨片材料由于石墨顆粒平行于片的主相對平行表面排列而表現(xiàn)出相當(dāng)大的各向異性程度，當(dāng)輥壓片材料增加取向時各向異性程度增加。在輥壓的各向異性片材料中，厚度即垂直于相對的平行片表面的方向構(gòu)成“c”方向，沿長度和寬度延伸的方向即沿或平行于相對主表面的方向構(gòu)成“a”方向,對于“c”和“a”方向，片的熱、電和流體擴(kuò)散性質(zhì)大大不同，有數(shù)量級的差異。盡管已建議使用剝離石墨(即柔性石墨)的壓縮顆粒的片作為熱散布劑、熱界面和作為散熱器的組成部分用于散逸熱源產(chǎn)生的熱(參見例如美國專利6245400 ；6482520 ；6503626和6538892)，但還沒有充分解決“觸覺溫度”和鄰近元件加熱的問題，“觸覺溫度”即電子器件的外表面加熱到讓使用者不舒服或危險的程度。因此，繼續(xù)需要用于便攜式或小型化器件如筆記本電腦、移動電話和PDA的電子元件的熱裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)，其中需要阻止來自一個元件的熱影響相鄰的元件，同時熱又被散失或散逸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種熱裝置，其能散逸來自熱產(chǎn)生電子元件的熱，同時保護(hù)其它尤其是鄰近元件不受熱產(chǎn)生元件產(chǎn)生的熱的影響。本發(fā)明的熱裝置包括剝離石墨(本文中也稱為“柔性石墨”)壓縮顆粒的至少一個各向異性片。本文使用的術(shù)語“柔性石墨”還指熱解石墨的片，單獨(dú)地或作為疊層。作為本發(fā)明的熱裝置使用的柔性石墨片具有大大高于其面間熱導(dǎo)率的面內(nèi)熱導(dǎo)率。換句話說，本發(fā)明的熱裝置具有較高(大約10或更大)的熱各向異性比。熱各向異性比為面內(nèi)熱導(dǎo)率與面間熱導(dǎo)率的比。熱裝置包括兩個主表面，其中一個與熱源的表面有效接觸，熱源如硬盤驅(qū)動器或處理器(在電子熱管理工業(yè)中使用的術(shù)語“有效接觸”和“直接有效接觸”是指散熱器、熱界面、散熱片(heat sink)等處于適當(dāng)位置，從而來自熱源的熱被轉(zhuǎn)移到這類散熱器、熱界面、散熱片等上面)。熱裝置的面積大于熱裝置在熱源上接觸區(qū)域的面積，以便熱裝置的面內(nèi)熱導(dǎo)率用于散逸或散發(fā)來自熱源的熱?；蛘撸景l(fā)明的熱裝置可排列在器件中，從而使器件的一個或多個元件被保護(hù)不受器件內(nèi)產(chǎn)生的熱的影響，即使在熱裝置不與熱源有效接觸或直接有效接觸。由于較低的貫穿厚度熱導(dǎo)率(或換言之，高的熱各向異性比)，產(chǎn)生的熱不能容易地通過熱裝置的厚度(即在兩個主表面之間的方向上)傳遞。因此，當(dāng)熱裝置位于熱源和熱源所處的器件的另一個元件之間時，熱裝置降低或消除了從熱源到該其它元件的熱流。本發(fā)明的熱裝置的順應(yīng)(conformable)特性可使它即使在空間受限的應(yīng)用如移動電話、PDA等中也能使用。另外，使用柔性石墨材料作為本發(fā)明的熱裝置的另一益處在于石墨材料阻擋電磁和射頻(EMI/RF)干擾的能力。認(rèn)為本發(fā)明的熱裝置除了執(zhí)行為其主要目的的散熱/熱屏蔽功能外，還將用于保護(hù)它所處的器件的元件不受EMI/RF干擾。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，熱裝置可具有層壓或涂在其上的鋁或其它各向同性導(dǎo)體如銅的層，以便它們被夾在熱裝置和器件元件之間提高熱裝置的易加工性和機(jī)械堅(jiān)韌性，并改進(jìn)熱裝置的傳熱和EMI/RF屏蔽特性。同樣，熱界面材料如熱油脂或石墨基熱界面，如在國際專利申請PCT/US02/40238中描述的那些和/或在商業(yè)上從Lakewood，Ohio的Advanced Energy Technology Inc.得到的它的eGraf H1-Therm 產(chǎn)品系列，可被插入在熱裝置和熱源之間以促進(jìn)熱源和本發(fā)明熱裝置之間的傳熱。在又一實(shí)施方案中，可在熱裝置的一個表面上使用反射材料，然后將熱裝置放在移動電話或PDA的小鍵盤下面以保護(hù)小鍵盤和使用者不受器件內(nèi)產(chǎn)生的熱的影響，并提高小鍵盤的可見度。本發(fā)明的還一實(shí)施方案將熱裝置放在器件的印刷電路板(“PCB”)的層之間，以便保護(hù)PCB —側(cè)上的元件(與PCB為一體或靠近它)不受在PCB另一側(cè)處或上產(chǎn)生的熱的影響。另外，為了提高熱裝置的機(jī)械堅(jiān)韌性和易加工性，并還能進(jìn)一步阻擋或屏蔽熱被傳遞到受保護(hù)元件上，可在熱裝置上覆蓋相對不導(dǎo)熱的材料層，如塑料失IVh Ure材料或其它樹脂或類似材料。在熱裝置的一個或二個主表面上使用鋁、塑料等的層可具有更多的優(yōu)點(diǎn)。盡管并不認(rèn)為這樣有充分根據(jù)，但擔(dān)心在電子器件內(nèi)使用石墨元件可由于石墨顆粒從石墨元件上剝落而引起問題。鋁、塑料等還可用于或協(xié)作包住石墨熱裝置，從而消除了石墨剝落的任何實(shí)際可能性。因此，本發(fā)明的一個目的是提供用于保護(hù)電子器件的元件不受器件內(nèi)產(chǎn)生或存在的熱的影響的改進(jìn)熱裝置。本發(fā)明的另一個目的是提供具有足夠高的熱各向異性比的熱裝置，以有效地用于散熱，同時避免到鄰近結(jié)構(gòu)的傳熱。本發(fā)明的又一個目的是提供順序性的熱裝置，其在可用空間有限的環(huán)境中既提供散熱又提供熱封閉(或屏蔽)。通過為電子器件(如筆記本電腦、移動電話、PDA或其它便攜式器件)提供熱散逸和屏蔽系統(tǒng)可獲得在閱讀下面說明書時對熟練技術(shù)人員顯而易見的這些和其它目的，其中器件包括產(chǎn)生熱的第一元件(如功率放大器、數(shù)字信號處理器或硬盤驅(qū)動器)，熱潛在可能被傳遞到器件的第二元件(如電池、芯片組或液晶顯示器或其它類型的顯示面板)；和熱裝置，具有兩個主表面，定位熱裝置使得它的一個主表面與第一元件有效接觸，以致于將它夾在第一元件和第二元件之間，其中熱裝置包括至少一個柔性石墨片。“有效接觸”是指來自熱源的熱被轉(zhuǎn)移到熱裝置，即使在熱源和熱裝置之間沒有直接物理接觸。熱裝置優(yōu)選具有至少約140W/m° K的面內(nèi)熱導(dǎo)率，更優(yōu)選至少約200W/m° K，和不大于約12W/m° K的面間熱導(dǎo)率，更優(yōu)選不大于約10W/m° K。在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明的系統(tǒng)還包括散熱器件，如散熱片、熱管、熱板或它們的組合，散熱器件位于不直接鄰近第一元件的位置，而且其中熱裝置的一個主表面與散熱器件有效接觸。在本發(fā)明的另一實(shí)施方案中，熱裝置可在其上具有保護(hù)涂層，如塑料。最優(yōu)選地，保護(hù)涂層具有小于至少一個柔性石墨片的面間熱導(dǎo)率的熱導(dǎo)率。傳熱材料如金屬或熱界面還可以位于熱裝置和第一元件之間。應(yīng)認(rèn)識到，上面的概括性描述和下面的詳細(xì)描述都提供了本發(fā)明的實(shí)施方案，并用于提供理解本發(fā)明所聲稱的特性和特征的概觀或框架。包括附圖以提供本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并結(jié)合在本說明書中和構(gòu)成本說明書的一部分。


了本發(fā)明的各種實(shí)施方案，并和說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理和實(shí)施。

圖1為被布置以橋接熱源和散熱器的本發(fā)明熱裝置的第一種實(shí)施方案的透視圖。圖2a為部分蓋被卸去的移動電話的透視圖。圖2b為原位放置到圖2a的移動電話中的圖1熱裝置實(shí)施方案的透視圖。圖3具有塑料和鋁覆層的本發(fā)明熱裝置的第二種實(shí)施方案的橫截面圖。圖4為其中包含有多個本發(fā)明的熱裝置的實(shí)施方案的移動電話的分解橫截面圖。
具體實(shí)施例方式如所述，本發(fā)明的熱裝置由剝離石墨(常稱為柔性石墨)壓縮顆粒的片形成。石墨為碳的結(jié)晶形式，包含在平的層狀平面中共價鍵合的原子，其中面之間具有較弱的結(jié)合。通過用如硫酸和硝酸溶液的插層劑處理石墨顆粒如天然石墨薄片，石墨的晶體結(jié)構(gòu)反應(yīng)形成石墨和插層劑的化合物。處理的石墨顆粒在下文中被稱為“插層石墨的顆粒”。當(dāng)暴露于高溫時，石墨內(nèi)的插層劑分解并蒸發(fā)，致使插層石墨的顆粒在“c”方向上即在垂直于石墨晶面的方向上以摺狀形式在尺寸上膨脹至其初始體積的約80倍或更多倍。剝離的石墨顆粒在外觀上為蠕蟲狀，因此常稱為蠕蟲。蠕蟲可被壓縮到一起成為與原始石墨薄片不同的可成形和切割成各種形狀的柔性片。適用于本發(fā)明的石墨原材料包括能插層有機(jī)和無機(jī)酸以及鹵素然后在受熱時膨脹的高度石墨化碳質(zhì)材料。這些高度石墨化的碳質(zhì)材料最優(yōu)選具有約1.0的石墨化程度。本公開中使用的術(shù)語“石墨化程度”是指按照下式的值g:
權(quán)利要求
1.一種移動電話，包括: 包括熱源的第一元件和第一元件向其傳遞熱的第二元件； 插入第一元件和第二元件之間的熱裝置； 其中熱裝置包括至少一個剝離石墨壓縮顆粒的片，所述片具有至少140W/m° K的面內(nèi)熱導(dǎo)率，和不大于12W/m° K的面間熱導(dǎo)率，所述片熱屏蔽第二元件以防第一元件產(chǎn)生的熱，其中熱裝置的各向異性的性質(zhì)單獨(dú)促進(jìn)由第一元件的熱散逸。
2.權(quán)利要求1的移動電話，其中熱裝置還包括在其上面的保護(hù)涂層。
3.權(quán)利要求2的移動電話，其中保護(hù)涂層具有小于至少一個柔性石墨片的面間熱導(dǎo)率的熱導(dǎo)率。
4.權(quán)利要求1的移動電話，其中傳熱材料位于熱裝置和第一元件之間。
5.權(quán)利要求4的移動電話，其中所述傳熱材料包括金屬或熱界面。
6.權(quán)利要求1的移動電話，其中第一元件包括功率放大器或數(shù)字信號處理器。
7.權(quán)利要求1的移動電話，其中第二元件包括電池。
8.權(quán)利要求1的移動電話，其中第二元件包括小鍵盤。
9.權(quán)利要求8的移動電話，其中在所述熱裝置和小鍵盤之間放置反射材料。
10.權(quán)利要求1的移動電話，其中第二元件包括移動電話的殼。
11.權(quán)利要求1的移動電話，其中第二元件包括顯示器。
12.權(quán)利要求11的移動電話，其中顯示器是液晶顯示器。
13.權(quán)利要求1的移動電話，其中熱裝置整合入印刷電路板中。
14.權(quán)利要求1的移動電話，其中至少一個剝離石墨壓縮顆粒的片的面間熱導(dǎo)率不大于約 6W/m。K。
全文摘要
一種用于便攜式電子器件的熱裝置，位于電子器件的熱源和另一元件之間，其中熱裝置有利于從熱源散熱，同時保護(hù)第二元件不受熱源產(chǎn)生的熱的影響。
文檔編號H04M1/02GK103078975SQ20131001555
公開日2013年5月1日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月7日
發(fā)明者M.D.斯馬爾克, G.D.希弗斯, R.A.雷諾三世 申請人:格拉弗技術(shù)國際控股有限公司