專利名稱：多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品。更具體地講，本發(fā)明涉及成形的多孔金 屬制品及其制造和使用方法。
背景技術(shù)：
一種用于散熱部件的冷卻系統(tǒng)包括可蒸發(fā)或沸騰的流體。然后使用外部裝置將所 產(chǎn)生的蒸汽冷凝并返回至蒸發(fā)器。為了改善流體在蒸發(fā)器里的熱傳遞，可以使用多孔結(jié)構(gòu) 化熱傳遞制品。多種多孔熱傳遞制品是可供選擇的，包括(例如)通過火焰或等離子體噴涂制成 的涂層。這些涂層通常是金屬的，并通過多種方法涂敷于金屬基底。采用這些方法，可能難 以控制孔隙度和均勻地涂覆三維基底。其它已知的涂層包括與有機(jī)粘結(jié)劑接合的傳導(dǎo)性顆 粒。這些涂層通常具有較差的整體熱導(dǎo)率，因此需要對厚度進(jìn)行精確控制，而這種控制在具 有三維表面的基底上是難以進(jìn)行的。已經(jīng)設(shè)計了被動兩相式或沸騰式熱虹吸器，用來冷卻諸如微處理器之類的熱敏感 部件。熱虹吸器是基于自然對流循環(huán)液體的被動熱傳遞裝置。它們能夠避免常規(guī)換熱器中 的液泵的成本及復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
隨著集成電路及其它散熱電子器件的大功率化和小型化，需要提高從這些散熱部 件中散熱的熱傳遞速率。熱虹吸器能夠提供低成本高效益的方式來冷卻這些部件。因此， 一直需要開發(fā)具有高熱傳遞系數(shù)的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品，這種制品能夠以廉價和更高效 的方式制造熱虹吸器及其它換熱器。此外，一直需要可易于在制造過程中應(yīng)用的低成本多 孔熱傳遞制品。本發(fā)明提供多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品。更具體地說，本發(fā)明提供多孔金屬制品及其 制造和使用方法。所述制品可被用作使裝置(例如制冷系統(tǒng)和電子冷卻系統(tǒng))冷卻的蒸發(fā) 器。在單相或兩相熱傳遞系統(tǒng)中均可使用所述多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品。在一些實施例中， 所述制品可以在用于使集成電路(例如微處理器)冷卻的熱虹吸器中用作蒸發(fā)器板。在其 它實施例中，所述制品可附接至諸如浸泡冷卻的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)之類的裝置。在一個方面，本發(fā)明提供一種多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品，其包括多個前體金屬團(tuán) 粒，所述前體金屬團(tuán)粒包括內(nèi)部部分和外部部分，所述內(nèi)部部分包括選自鋁、銅、銀以及它 們的合金的第一金屬，所述外部部分包括合金，其中所述合金包含第一金屬和選自銅、銀、 硅和鎂的第二金屬，并且其中第一金屬和第二金屬不同；多個間隙元件，其設(shè)置于所述多個 前體金屬團(tuán)粒中的至少兩個之間并使它們彼此相連，所述間隙元件包括所述外部部分的合 金；和多個金屬粒子，其至少部分地嵌入于所述外部部分的合金中。在另一方面，本發(fā)明提供形成結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的方法，該方法包括提供熱傳遞 涂層，其包括粘結(jié)劑和多個前體金屬團(tuán)粒，所述前體金屬團(tuán)粒包括內(nèi)部部分和外部部分，所述內(nèi)部部分包括熔融溫度為Tmpl的第一金屬，所述外部部分包括熔融溫度為Tmp2的第二金 屬；將多個金屬粒子施加至所述涂層；以及將該組合物加熱至低于Tmpl和Tmp2的溫度以形成 包含第一金屬和第二金屬的合金，其使所述多個前體金屬團(tuán)粒彼此粘結(jié)，其中所述粘結(jié)形 成了多孔基體，并且其中所述多個金屬粒子至少部分地嵌入所述基體的至少一部分中。除另有規(guī)定外，否則本文中所用的所有科技術(shù)語具有在本領(lǐng)域中所通常使用的含 義。本文中提供的定義是為了便于理解本文中經(jīng)常使用的某些術(shù)語，不意味著限制本發(fā)明 的范圍。如本文中所用 單數(shù)形式的“一個”、“一種”和“所述”涵蓋具有多個指代物的實施例，除非上下文 中另有明確規(guī)定。如本說明書和所附權(quán)利要求書中所用，術(shù)語“或”通過以其包括“和/或” 的含義使用，除非上下文中另有明確規(guī)定；“長徑比”指三維物體的最長尺寸(即“全長”)與正交于該全長尺寸的最長尺寸 (即“全寬”)之比；“有效孔隙度”指團(tuán)粒中促成基體內(nèi)流體流動或滲透的互連孔體積或空隙空間。有 效孔隙度不包括基體中可能存在的孤立孔。對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的有效孔隙度的 測量不包括可能形成結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的一部分的非多孔基底或其它非多孔層；“精確成形的熱傳遞復(fù)合體”指具有模制形狀的熱傳遞復(fù)合體，所述模制形狀大致 為用于形成該模制形狀的模腔的反像；以及“結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品”指包括多個三維成形的熱傳遞復(fù)合體的熱傳遞制品；“基本上球形的”指具有介于約1與1. 5之間的長徑比以及大體球形的形狀的三維 物體；“基本上豎直”指與水平面呈接近于90度的取向；并且“單元密度”指每一規(guī)定體積中指定單元的數(shù)量。例如，若本發(fā)明中所述的多孔基 體包括100個前體金屬團(tuán)粒且占據(jù)1立方厘米的體積，則該前體金屬團(tuán)粒的單元密度將為 100個前體金屬團(tuán)粒/立方厘米。以上內(nèi)容并非意圖描述本發(fā)明的每種實施方式的每個公開的實施例。以下附圖說 明和具體實施方式
更具體地舉例說明示例性實施例。


圖Ia和Ib是可用于制造所提供的熱傳遞制品的實施例的兩個帶涂層的基底的透 視圖。圖加是用于制造所提供的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的兩個示例性前體金屬團(tuán)粒的側(cè)視 圖。圖2b是圖加中所示的兩個示例性前體金屬團(tuán)粒的截面圖。圖2c是圖加中所示的兩個示例性前體金屬團(tuán)粒在采用所提供的方法形成間隙元 件將兩個團(tuán)粒連接在一起后的側(cè)視圖。圖3是所提供的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品實施例的一部分的示例性透視圖。圖4是示例性結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品實施例的一部分的示例性截面?zhèn)纫晥D。圖5是具有帶涂層的金鋼石的示例性前體復(fù)合團(tuán)粒的截面圖。
圖6a和6b是以不同放大倍數(shù)對所提供的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品實施例進(jìn)行的照 相描述。圖7是用于制備基材的示例性裝置的示意圖，該基材可用于制備所提供制品的實 施例。圖8是示出了示例性實施例的耐熱性實驗結(jié)果的曲線圖。這些理想化的圖不是按比例繪制的，目的僅是為了例示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制 品而沒有限制的意義。
具體實施例方式在以下的描述中，涉及了構(gòu)成本說明書的一部分的一組附圖，其中通過舉例說明 的方式示出了若干具體的實施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離本發(fā)明范圍或?qū)嵸|(zhì)的情況下可 設(shè)想并實施其它的實施例。因此，以下具體實施方式
不能理解為具有限制的意義。除另指明外，否則在所有情況下，說明書和權(quán)利要求書中用來表述特征尺寸、數(shù)量 和物理特性的所有數(shù)字均應(yīng)理解為由術(shù)語“約”來修飾。因此，除非另外指明，否則上述說 明書和所附權(quán)利要求書中給出的數(shù)值參數(shù)均為近似值，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員利用本文所公 開的教導(dǎo)內(nèi)容尋求獲得的所需特性情況，這些近似值可有所不同。由端點表述的數(shù)值范圍 包括該范圍內(nèi)所包含的所有數(shù)值(例如，1至5包括1、1. 5、2、2. 75、3、3. 80、4、和5)以及在 此范圍內(nèi)的任何范圍。已經(jīng)描述了可用作使裝置(如制冷系統(tǒng)和電子冷卻系統(tǒng))冷卻的蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)化 熱傳遞制品。在單相或兩相熱傳遞系統(tǒng)中均可使用所述熱傳遞制品。在一些實施例中，它 們可在用于冷卻集成電路(例如微處理器)的熱虹吸器中用作沸騰板。在其它實施例中， 它們附接至諸如通過兩相浸泡冷卻的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)之類的發(fā)熱裝置。對于兩 相熱傳遞來說，與在以基本上水平的取向使用結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品相比，在將其以或多或少 垂直的方向進(jìn)行取向(基本上豎直)時通常效率要低。已經(jīng)越來越普遍的情況是，以非水 平取向(S卩，基本上豎直)安裝包括發(fā)熱部件的臺式計算機(jī)上的電路板，以及以這種取向?qū)?諸如熱虹吸器之類的冷卻裝置附接至所述部件。另外，為了提高冷卻效率，很常見的是通過 在板表面上增加翅片或突出物來提高沸騰板或結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的表面積。這可能會增加 制造這種板或制品的成本費(fèi)用。需要得到這樣一種結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品無論取向如何該熱 傳遞制品都能夠有效進(jìn)行熱傳遞，并且其制造成本低。一方面，本發(fā)明提供一種多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品，其包括多個前體金屬團(tuán)粒，所 述前體金屬團(tuán)粒包括內(nèi)部部分和外部部分，所述內(nèi)部部分包括選自鋁、銅、銀以及它們的合 金的第一金屬，所述外部部分包括合金，所述合金包含所述第一金屬和選自銅、銀、硅和鎂 的第二金屬，其中第一金屬和第二金屬不同；多個間隙元件，其設(shè)置于所述多個前體金屬團(tuán) 粒中的至少兩個之間并使它們彼此相連，所述間隙元件包括所述外部部分的合金；和多個 金屬粒子，其至少部分地嵌入于所述外部部分的合金中。所謂嵌入，其意指在合金的至少一 部分與金屬粒子之間存在著物理粘結(jié)。這種粘結(jié)可以是焊接、硬釬焊、軟釬焊或本領(lǐng)域技術(shù) 人員已知的任何其它類型的冶金學(xué)上的粘結(jié)。這種粘結(jié)將金屬粒子保持在適當(dāng)?shù)奈恢茫?且還使它們成為所提供制品的接合部分。可用的前體金屬團(tuán)粒的平均直徑通常為至少1微 米(ym)。在一些實施例中，前體金屬團(tuán)粒的平均直徑為至少5μπι。在又一些實施例中，前體金屬團(tuán)粒的平均直徑可以為至少10 μ m?？捎糜谥圃焖峁┲破返那绑w金屬團(tuán)粒的平均 直徑可不大于ΙΟΟμπι。在一些實施例中，前體金屬團(tuán)粒的平均直徑不大于50 μ m。在又一 些實施例中，前體金屬團(tuán)粒的平均直徑不大于30 μ m。所提供的前體金屬團(tuán)粒的長徑比范圍 可以是1至2。在其它實施例中，前體金屬團(tuán)?？梢允菣E圓形的，長徑比可大于1.5。在進(jìn) 一步的實施例中，前體金屬團(tuán)?？梢允嵌嗝骟w(如立方八面體)或其它無規(guī)形狀的團(tuán)粒，包 括(例如)薄片形、芯片形、粒子形、板狀、圓柱形和針狀團(tuán)粒。如果前體金屬團(tuán)粒是非球形 的，則團(tuán)粒的“直徑”指每個團(tuán)粒的最短軸的尺寸，而“平均直徑”指群體中各團(tuán)粒直徑(即， 每個團(tuán)粒的最短軸的尺寸)的平均值。前體金屬團(tuán)?？砂▋?nèi)部部分和外部部分，所述內(nèi)部部分包括選自鋁、銅、銀以及 它們的合金的第一金屬，所述外部部分包括合金，所述合金包含所述第一金屬和選自銅、 銀、硅和鎂的第二金屬。第一金屬和第二金屬是不同的。在一些實施例中，外部部分均勻地 涂敷于內(nèi)部部分上，從而該外部部分具有均一的厚度。在其它實施例中，外涂層的厚度可有 所不同。在一些優(yōu)選的實施例中，外部部分覆蓋內(nèi)部部分的大部分外表面。在一些實施例 中，外部部分覆蓋內(nèi)部部分的外表面的90%以上。在進(jìn)一步的實施例中，外部部分完全覆蓋 內(nèi)部部分的外表面?？梢杂扇S多孔基體中連接在一起的大量前體金屬團(tuán)粒形成所提供的 多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品。前體金屬團(tuán)粒中每一者均可連接1、2、3、4、5或更多個其它前體金 屬團(tuán)粒，從而形成三維多孔基體。用于形成外部部分的材料量可以相對重量或厚度來表示。例如，在一些實施例中， 外部部分占金屬團(tuán)粒前體的約10重量百分比(重量％)。外部部分通常占金屬團(tuán)粒前體的 約0. 05重量％至約30重量％。在其它實施例中，外部部分的平均厚度范圍是約0. 001 μ m 至約0. 5 μ m。在一些實施例中，外部部分的平均厚度范圍是約0. 01 μ m至約0. 05 μ m。一種 具有銅內(nèi)部部分和銀外部部分的示例性的可用前體金屬團(tuán)?？梢陨唐访癝ILVER COATED COPPER POWDER #107”得自 Ferro Corp. (Plainfield,New Jersey)。其它可用的前體金屬 團(tuán)粒包括(例如)包覆鎂的鋁粒子?？梢圆捎帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何方法形成前體金 屬團(tuán)粒，這些方法包括(例如)物理氣相沉積(參見例如美國專利公布2005/0095189 (Brey 等人))、等離子體沉積、化學(xué)鍍、電鍍或浸鍍?？蓪⒍鄠€間隙元件設(shè)置在多個前體金屬團(tuán)粒中的至少兩個之間并使它們彼此相 連。間隙元件可以包含所述外部部分的合金。間隙元件可通過這樣來形成讓前體金屬團(tuán) 粒經(jīng)受高溫，使得前體金屬團(tuán)粒的內(nèi)部部分與外部部分的金屬形成合金，所述合金將團(tuán)粒 粘結(jié)在一起。這種方法被稱為等溫再固化。在一些實施例中，可以形成熔點比形成合金的 各金屬低的共晶。共晶的形成可以是暫時性的，因為等溫再固化過程期間的擴(kuò)散可引起各 金屬的界面的組成連續(xù)變化。在一些實施例中，等溫再固化過程在還原或真空爐中發(fā)生，例 如用得自 Hayes (Cranston，Rhode Island)的 VCT 型真空爐。熱傳遞多孔金屬涂層及其制造和使用方法已經(jīng)在(例如)美國專利公布 No. 2007/0102070 (Tuma等)中有所公開。這些涂層在受熱形成內(nèi)部合金和外部合金之前作 為所提供制品及方法的前體可以是適用的?？捎糜谥圃焖峁┲破芳胺椒ǖ膶嵤├慕Y(jié)構(gòu) 化熱傳遞制品已經(jīng)在(例如)美國專利No. 7，360，581 (Tuma等)中有所公開。所提供的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品包括至少部分地嵌入外部部分的合金中的多個 金屬粒子。這些粒子可包含銅或其它金屬，并且可具有多種尺寸和形狀。舉例來說，在一些實施例中，所述粒子可源自金屬泡沫、薄片或纖維或金屬纖維束或編織物。所述粒子在制 品表面上的填充量可以是約0. 002g/cm2至約0. 10g/cm2、約0. 02g/cm2至約0. 08g/cm2或甚 至約0. 02g/cm2至約0. 06g/cm2。所述粒子可具有約0. 5mm至約40mm長、約Imm至約20mm 長或甚至約Imm至約IOmm長的平均尺寸。所述粒子可具有約10 μ m至約200 μ m直徑、約 15 μ m至約100 μ m直徑、約50 μ m至約100 μ m直徑或約25 μ m至約150 μ m直徑的平均尺 寸。所述粒子可以為基本上球形、基本上類球體或為規(guī)則或不規(guī)則固態(tài)多面體的大體形狀。 所述粒子也可以呈其它無規(guī)成形的團(tuán)粒形狀，包括(例如)纖維、薄片、碎片、板、圓柱和針 狀的團(tuán)粒。所述粒子的長徑比可為約1、約2、約5、約10、約20、約50、約100、約200、約300 或甚至更高。在一些實施例中，本發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的金屬團(tuán)粒密度范圍是約IO6 至IO11個前體金屬團(tuán)粒/立方厘米。在一些實施例中，本發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的 金屬團(tuán)粒密度范圍是約IO7至IO9個前體金屬團(tuán)粒/立方厘米。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制 品的有效孔隙度范圍通?？梢詾?0%至60%。在一些實施例中，結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的有效 孔隙度可以為至少20%。在進(jìn)一步的實施例中，結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的有效孔隙度可以為至 少 30%。另一方面，本發(fā)明提供一種多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品，其包括多個復(fù)合團(tuán)粒，所述 復(fù)合團(tuán)粒包括內(nèi)部部分和外部部分，所述內(nèi)部部分包括金鋼石和選自鋁、銅、銀以及它們的 合金的第一金屬，所述外部部分包括合金，所述合金包含所述第一金屬和選自銅、銀、硅和 鎂的第二金屬，其中第一金屬和第二金屬不同；多個間隙元件，其設(shè)置在多個前體金屬團(tuán)粒 之間并使它們彼此相連，所述間隙元件包括所述外部部分的合金；和多個金屬粒子，其至少 部分地嵌入所述外部部分的合金中。雖然不希望受任何理論的約束，但據(jù)信包封的金鋼石 的熱導(dǎo)率能提高結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的性能。在一些實施例中，可將金鋼石(包覆或未包覆 的)與所述多個前體金屬團(tuán)粒(有或者沒有內(nèi)部金鋼石)混合，以形成具有前體金屬團(tuán)粒 與金鋼石以間隙元件保持在一起的混合物的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品。其它材料也可以被包封或 使之與前體金屬團(tuán)?；旌希@些材料包括(例如)多晶金鋼石、合成金鋼石、多晶金鋼石復(fù) 合片(PDC)、純金鋼石以及它們的組合。包覆金鋼石的中間涂層可包含任何已知的碳化物形 成物，包括(例如)鉻、鈷、錳、鉬、鎳、硅、鉭、鈦、鎢、釩、鋯，以及它們的合金?？梢圆捎帽绢I(lǐng) 域中已知的任何技術(shù)對金鋼石施加中間涂層，這些技術(shù)包括(例如)物理氣相沉積、化學(xué)氣 相沉積、熔鹽沉積(參見例如EP 0 786 506 Al (Karas等人))、熔鹽電解和機(jī)械鍍覆。在一 些實施例中，包覆金鋼石的中間涂層包括多個層。轉(zhuǎn)到附圖，圖Ia和Ib是基底的透視圖，該基底具有熱傳遞涂層，并且可用于制造 所提供制品的實施例。如圖Ia所示，可以將熱傳遞涂層涂敷于具有三維表面的基底10。三 維表面可包括的一系列突出物(如翅片20)或可增大蒸發(fā)器表面積的其它結(jié)構(gòu)。圖Ib是 可用于制備所提供制品的實施例的基底40的透視圖。如圖Ib所示，基底40包括多個成形 的熱傳遞復(fù)合體90。該熱傳遞復(fù)合體包括多個前體金屬團(tuán)粒。這些基底沒有進(jìn)行加熱或經(jīng) 歷等溫再固化以便可用于制備所提供的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的實施例。圖2a_2c示出了可用于形成所提供的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的順序。圖中是顯示 兩個示例性前體金屬團(tuán)粒相連的簡化表示。通常由在三維多孔基體中連在一起的大量前體 金屬團(tuán)粒形成可用于制備所提供的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的實施例的基底。
圖加是用于制備可用于生產(chǎn)所提供的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的基底的兩個示例 性前體金屬團(tuán)粒的側(cè)視圖。在諸如圖加所示的實施例中，前體金屬團(tuán)粒200和200'的尺 寸可大致相同。在其它實施例中，前體金屬團(tuán)粒的尺寸可有所不同。前體金屬團(tuán)粒可以是 基本上球形的，如圖加所示。圖2b是圖加中所示的兩個示例性前體金屬團(tuán)粒200和200'的截面圖。如圖2b 所示，每個前體金屬團(tuán)粒包括內(nèi)部部分250和250'以及外部部分240和MO'。在一些實 施例中，內(nèi)部部分250和250包含選自鋁、銅、銀及其合金的金屬。在一些實施例中，外部部 分240和MO'包含選自銅、銀、鎂及其合金的金屬。在進(jìn)一步的實施例中，內(nèi)部部分具有 熔融溫度為Tmpl的金屬，外部部分具有熔融溫度為Tmp2的金屬，并且在加熱至低于Tmpl或Tmp2 的溫度后，形成包含內(nèi)部部分的金屬及外部部分的金屬的合金。在一些實施例中，根據(jù)熱導(dǎo) 率和/或合金形成特性選擇前體金屬團(tuán)粒的內(nèi)部部分及外部部分中的金屬。圖2c是圖加和2b中所示的兩個示例性前體金屬團(tuán)粒200和200'連在一起形成 結(jié)構(gòu)體沈0的側(cè)視圖。如圖2c所示，采用本發(fā)明方法形成間隙元件270而連接兩個團(tuán)粒。圖3是經(jīng)歷等溫再固化后的熱傳遞復(fù)合體(基底已除去)的一部分的透視圖。如 圖3所示，該熱傳遞復(fù)合體360的部分包括多個金屬團(tuán)粒300，它們以間隙元件370彼此連 接而形成三維多孔基體。圖4是可用于制備所提供制品的實施例的基底實施例的部分460的示例性截面?zhèn)?視圖。如圖4所示，基底實施例的部分460包括許多精確成形的熱傳遞復(fù)合體490和495， 各具有錐體形狀，固定于可選的基底480。復(fù)合體490的截面視圖部分地遮擋了位于復(fù)合 體490后面的復(fù)合體495的下部的視圖。然而應(yīng)該理解的是，復(fù)合體490和495具有相似 的形狀和尺寸。經(jīng)歷等溫再固化之后，復(fù)合體可包括彼此以間隙元件470連接的多個前體 金屬團(tuán)粒400?？梢栽诘葴卦俟袒皩⒔饘倭Ｗ犹砑又翉?fù)合體以制備所提供制品。如上所述，部分460描述了可用于制備所提供制品的基底的示例性實施例，其具 有精確成形的熱傳遞復(fù)合體490和495。在其它實施例中，熱傳遞復(fù)合體不是精確成形的， 而僅僅是三維成形的。三維形狀在形狀和/或尺寸上可以是無規(guī)的，或者在形狀和/或尺 寸上可以是一致的。在一些實施例中，熱傳遞復(fù)合體包括在不使用模具的情況下通過將前 體金屬團(tuán)粒在粘結(jié)劑中的不同尺寸的“小滴”滴落到表面上而形成的無規(guī)的形狀和尺寸。所 述表面可以成為結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的一體部分(即基底)，或者在形成之后可以從所述表 面上除去結(jié)構(gòu)化熱制品。圖5是內(nèi)部部分中包括帶涂層的金鋼石的示例性前體金屬團(tuán)粒的截面圖。如圖5 所示，前體金屬團(tuán)粒的內(nèi)部部分包括金鋼石陽2、中間涂層5M和第一金屬550。外部部分 540包括第二金屬。包覆金鋼石的中間涂層可包含任何已知的碳化物形成物，包括(例如) 鉻、鈷、錳、鉬、鎳、硅、鉭、鈦、鎢、釩、鋯，以及它們的合金?？梢圆捎帽绢I(lǐng)域中已知的任何技 術(shù)給金鋼石涂敷中間涂層，這些技術(shù)包括(例如)物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、熔鹽沉積 (參見例如EP 0 786 506 Al (Karas等))、熔鹽電解和機(jī)械鍍覆。在一些實施例中，包覆金 鋼石的中間涂層包括多個層。圖6a和6b是所提供裝置的實施例的不同放大倍數(shù)的顯微照片。圖6a示出了板 形式的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品，該板具有已嵌入了細(xì)小的銅粒子的多孔熱傳遞復(fù)合體。圖 6b是該制品的放大圖，更清楚地示出了至少部分地嵌入于制品外部部分的合金中的金屬粒子。這些粒子約2mm長，直徑為75 μ m，長徑比約沈。本發(fā)明還提供形成結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的方法，該方法包括提供熱傳遞涂層，其包 括粘結(jié)劑和多個前體金屬團(tuán)粒，所述前體金屬團(tuán)粒包括內(nèi)部部分和外部部分，所述內(nèi)部部 分包括熔融溫度為Tmpl的第一金屬，所述外部部分包括熔融溫度為Tmp2的第二金屬；將多個 金屬粒子施加至所述涂層；以及將該組合物加熱至低于Tmpl和Tmp2的溫度以形成包含第一 金屬和第二金屬的合金，其使所述多個前體金屬團(tuán)粒彼此粘結(jié)，其中所述粘結(jié)形成了多孔 基體，并且其中所述多個金屬粒子至少部分地嵌入所述基體的至少一部分中。圖7是用于形成結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的示例性裝置的示意圖，包括提供包括粘結(jié)劑 和多個前體金屬團(tuán)粒的熱傳遞涂層。如圖7所示，包含前體金屬團(tuán)粒和粘結(jié)劑的漿料700 靠壓力或重力流出給料槽702到生產(chǎn)工具704上面，填入其中的腔體(未顯示)內(nèi)。如果 漿料700沒有完全填滿腔體，那么所得到的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品就會在熱傳遞復(fù)合體的表面 上和/或在熱傳遞復(fù)合體的內(nèi)部具有空隙或小缺陷。把漿料引至生產(chǎn)工具的其它方式包括 模具涂布和真空落錘鍛模涂布。由于種種原因，優(yōu)選精密控制漿料的粘度。例如，如果粘度 太高，則將難以把漿料施加到生產(chǎn)工具上。生產(chǎn)工具704可以是束帶、片材、涂布輥、安裝在涂布輥上的套筒或模具。在一些 優(yōu)選的實施例中，生產(chǎn)工具704是涂布輥。通常情況下，涂布輥的直徑在25厘米與45厘米 之間，由諸如金屬之類的剛性材料構(gòu)造。一旦將生產(chǎn)工具704安裝到涂布機(jī)上，則可由電動 馬達(dá)提供動力。生產(chǎn)工具704在其表面上具有至少一種指定形狀的預(yù)定陣列，其是熱傳遞復(fù)合體 的預(yù)定陣列和指定形狀的反像?？梢杂山饘僦苽溆糜谒龇椒ǖ纳a(chǎn)工具，但也可以使 用塑料工具。生產(chǎn)工具可以由金屬制成，并且可通過雕刻、銑切、將多個以所需構(gòu)型加工 的金屬部件組裝成束或其他機(jī)械手段，或通過電鑄來制造。這些技術(shù)在Encyclopedia of Polymer Science and Technology,第 8 卷，John Wiley & Sons, Inc. (1968),第 651-665 頁和美國專利No. 3，689，346 (Rowland)中有進(jìn)一步的描述。在有些情況下，可以用原始工 具復(fù)制成塑料生產(chǎn)工具。與金屬工具相比，塑料工具的優(yōu)點是成本低。可以將諸如聚丙烯 之類的熱塑性樹脂在其熔融溫度下壓印到金屬工具上面，然后淬火得到金屬工具的熱塑性 復(fù)制品。然后可以將這種塑料復(fù)制品作為生產(chǎn)工具使用。基底706離開退繞工位708，然后越過惰輥710和壓料輥712以獲得適當(dāng)?shù)膹埩Α?壓料輥712還將背襯706壓靠漿料700，從而使?jié){料潤濕背襯706以形成中間制品。在中間 制品離開生產(chǎn)工具704之前利用能量源714使?jié){料干燥。干燥后，結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品離開 生產(chǎn)工具704后熱傳遞復(fù)合體的指定形狀基本上不變。因此，結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品是生產(chǎn)工 具704的反像復(fù)制品。結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品716離開生產(chǎn)工具604，用金屬粒子進(jìn)行處理，穿 過等溫再固化烘箱718。也可以根據(jù)以下方法制備所提供的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品。首先，可以將含有前 體金屬團(tuán)粒和粘結(jié)劑的混合物的漿料引至具有正面和背面的背襯。漿料可以潤濕背襯的正 面以形成中間制品。其次，可將中間制品引至生產(chǎn)工具。第三，在中間制品離開生產(chǎn)工具的 外表面之前至少部分地干燥漿料。第四，將金屬離子施加至該中間制品。最后，將中間制品 加熱至發(fā)生等溫再固化的溫度，形成結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品。所述步驟可以連續(xù)的方式進(jìn)行，從 而提供制備結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的有效方法。第二種方法類似于第一種方法，不同之處在于在第二種方法中，最初將漿料涂敷至背襯而不是施加至生產(chǎn)工具。在一些優(yōu)選的實施例中，可用于制備所提供的多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的結(jié)構(gòu)包括 以預(yù)定圖案的形式布置的多個熱傳遞復(fù)合體。至少一些復(fù)合體可以是精確成形的研磨復(fù)合 體。在一些實施例中，復(fù)合體具有基本相同的高度?？捎玫慕Y(jié)構(gòu)在每平方厘米的表面積上 通常包括至少約1，200個復(fù)合體?？捎玫慕Y(jié)構(gòu)的平均厚度范圍通常是約20至約1，000 μ m。 在一些實施例中，可用的結(jié)構(gòu)的平均厚度范圍是約50至約500 μ m。熱傳遞復(fù)合體可以具有多種形狀，包括(例如)立方形、圓柱形、棱柱形、矩形、棱 錐形、截棱錐、圓錐形、截圓錐、十字形、具有平頂面的柱形、半球形以及它們的組合。熱傳遞 復(fù)合體也可在尺寸上有所不同。熱傳遞復(fù)合體的平均高度范圍通常是約20至約1，000 μ m。 在一些實施例中，熱傳遞復(fù)合體的平均高度范圍是約50至約500 μ m。在一些實施例中，采 用多種形狀和/或尺寸形成熱傳遞復(fù)合體?？筛鶕?jù)需要以手動或機(jī)械方式將金屬粒子添加到先前施加的復(fù)合體的頂面和復(fù) 合體之間來實現(xiàn)所需的密度和取向。例如，可稱量粒子以獲得所需的量，然后以隨機(jī)的方式 將其用手施加至先前施加的復(fù)合體的頂面?；蛘?，可通過機(jī)械手段在規(guī)定位置處將粒子插 入先前施加的復(fù)合體。所提供的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品可用在冷卻系統(tǒng)中，例如用在諸如熱虹 吸器之類的被動式冷卻系統(tǒng)中。可以將該結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品直接應(yīng)用于發(fā)熱裝置或與發(fā)熱 裝置熱連通的散熱裝置。所提供的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品在至少lOW/cm2的熱通量下可具有至 少3瓦特/每平方厘米/攝氏度(W/cm2/°C)的熱傳遞系數(shù)。在一些實施例中，所提供的結(jié) 構(gòu)化熱傳遞制品在至少lOW/cm2的熱通量下的熱傳遞系數(shù)為至少6W/cm2/°C。諸如氫氟醚 之類的無色透明、具有良好的毒理性質(zhì)且環(huán)境友好的流體可用于促進(jìn)熱傳遞。NOVEC工程 流體(如得自 3M Company (St. Paul,MN.)的 HFE-7000、HFE-7100、HFE_7200 和 HFE-711PA) 是可用于具有所提供的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的系統(tǒng)的流體。也可以使用更常見但環(huán)境友好性 較差的流體，如氫氟烴致冷劑，例如HFC-13^或HFC-M5fa。也可使用氫氟烯烴致冷劑，如 HF0-1234yf。還可考慮的是，諸如丙烷或丁烷之類的烴致冷劑可用作熱傳遞流體。通過以下實例進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的優(yōu)點和其它實施例，但在 這些實例中列舉的具體材料及其量以及其它條件和細(xì)節(jié)不應(yīng)被視為是對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)化 熱傳遞制品的不當(dāng)限制。例如，用于形成前體金屬團(tuán)粒的金屬可有所不同。除另有說明外， 否則所有的份數(shù)和百分?jǐn)?shù)均以重量計。實例材料前體金屬團(tuán)粒包含325目以下的銅粒子，所述銅粒子上有利用美國專利公布 2005/0095189 Al中所述的方法濺涂的銀。所得到的粒子含有0. 4-0. 9重量％的Ag。這些 銅粒子的來源是Chem Copp銅粉 1700FPM(American Chemet Corporation,Deerfield, II) 使用下述方法制備結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品并進(jìn)行沸騰實驗。熱傳遞制品的制備比較例熱傳遞制品的基底由5. Ocm直徑的機(jī)械加工的銅盤(0. 3cm厚)制成。這些盤 的一個表面具有Imm的熱電偶凹槽，所述凹槽被機(jī)械加工成約2mm深，并終止于盤中心 線。該表面還被磨平并拋光。將前體金屬團(tuán)粒與13重量％的擴(kuò)散泵油(Dow 704，由DowChemical (Midland Michigan, USA)制造)混合。采用常規(guī)的手動絲網(wǎng)印刷技術(shù)和聚合物 目篩網(wǎng)(45-180W IM EllF 0.5 30d STD，由 kfar (Thai Switzerland)制造)，將此菜料施 加到銅盤裸露的一側(cè)的中心25mm直徑的范圍上。所得到的涂層每平方厘米含有0. 052g前 體金屬團(tuán)粒。實例 1如上所述制備包含前體金屬團(tuán)粒的熱傳遞涂層。通過切碎一塊銅毛件(#706，由 Palmer Engineered Products (Springfield OH)制造)制備直徑為 75 μ m 且長度為 2mm 的 銅微粒。手動將這些銅纖維以密度約0. 025g/cm2施加至包含前體金屬團(tuán)粒的熱傳遞涂層 的圓形區(qū)的頂面。把比較例和實例1兩者均放入真空爐中。將壓力降至0. OOlmm汞柱以下，同時以 約14°C /分鐘將爐溫升高到300°C，并在300°C保持15分鐘以除油。然后以約14°C /分鐘 將爐子加熱到850°C，在該溫度下保持一小時，然后讓其冷卻至接近室溫，此后打破真空和 取出部件。液池沸騰設(shè)立能夠快速測試多個結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的裝置。該裝置包括頂帽形狀的銅基 座，該銅基座具有40mm直徑的底部，IOmm高，此處直徑減小到25mm?？偢邽?0mm。將25mm 直徑的表面磨平并拋光。將云母加熱器(Minco HM6807R3.9L12T1)螺栓連接至40mm直徑 的表面。所述裝置還包括將前述銅基座加熱器組件保持在絕緣面頂面的組件架，拋光面 朝上。該組件架還保持不銹鋼鎧裝熱電偶平行于拋光面且高出拋光面約2mm，并且終止于 其中心線。將熱傳遞制品設(shè)置在拋光面頂面上，在界面上有基于金鋼石的熱界面油脂(3M developmental TIM AHS-1055M)。其以這樣的方式應(yīng)用以軸向應(yīng)力將熱電偶插入該熱傳 遞制品上的熱電偶凹槽，以確保在熱電偶頂端有良好的熱接觸。這提供了散熱器溫度Tsink。 凸輪鎖緊機(jī)構(gòu)使該組件貼靠25mm直徑的帶墊圈的玻璃管(密封至銅盤)并施加所需的壓 力，從而獲得良好的熱界面。玻璃管與氣冷式冷凝器相連，該冷凝器在頂端與環(huán)境壓力相通。使用與上述裝置類似的裝置在結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品在垂直平面上取向時對其進(jìn)行 測試。該裝置使用丙烯酸類樹脂殼體代替前述玻璃管。這樣建立了鄰近沸騰表面的大約 15cm3的圓柱形室，一通道從所述沸騰表面徑向向上伸至氣冷式冷凝器。然后通過前述組件的頂端加入約15mL的3M NOVEC工程流體HFE-7000 (可得自3M Company (St. Paul, MN))，以在熱傳遞制品頂上形成液池。使用插入玻璃管中處于液體上方 且在冷凝器下方的熱電偶測量流體飽和溫度Tsat。τ自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對加熱器施加直流電 壓V。最初將電壓設(shè)定成達(dá)到大約Q = SOW的功率。然后以IOW遞增的方式提高功率，直到 Tsink超過預(yù)設(shè)限，表示已經(jīng)達(dá)到臨界或干涸熱通量。在提高到下一增量之前，記錄加熱器電 壓V和電流I。然后根據(jù)測試盤的帶涂層表面的面積η D2/4，用這些來計算對加熱器的熱 通量Q〃
權(quán)利要求
1.一種多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品，其包括多個前體金屬團(tuán)粒，其包括內(nèi)部部分和外部部分，所述內(nèi)部部分包含選自鋁、銅、銀以 及它們的合金的第一金屬，所述外部部分包括合金，所述合金包含所述第一金屬和選自銅、 銀、硅和鎂的第二金屬，其中所述第一金屬和所述第二金屬不同；多個間隙元件，其設(shè)置于所述多個前體金屬團(tuán)粒中的至少兩個之間并使它們彼此相 連，所述間隙元件包括所述外部部分的合金；和多個金屬粒子，其至少部分地嵌入所述外部部分的合金中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述第一金屬包含銅或鋁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述間隙元件包括銀和銅的合金或鋁和鎂的合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述內(nèi)部部分還包括金鋼石。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制品，其中所述金鋼石包含中間涂層，所述中間涂層包含選 自鉻、鈷、錳、鉬、鎳、硅、鉭、鈦、鎢、釩、鋯以及它們的合金的碳化物形成物，其中所述第一金 屬附連至所述中間涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述前體金屬團(tuán)粒具有5至50微米的平均直徑范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述粒子包含銅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述粒子在所述制品的表面上的填充量為約0.02 至 0. 06g/cm2o
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述粒子具有約Imm至約IOmm長和約25μ m至約 100 μ m直徑的平均尺寸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品，其中所述粒子的長徑比大于20。
11.一種冷卻系統(tǒng)，其包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的冷卻系統(tǒng)，其包括熱虹吸器。
13.一種電子器件，其包括冷卻系統(tǒng)，所述冷卻系統(tǒng)包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)化 熱傳遞制品。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電子器件，其中所述器件是微處理器、絕緣柵雙極晶體管 或它們的組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電子器件，其中所述結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的取向基本上垂直 于水平面。
16.一種形成結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品的方法，該方法包括提供熱傳遞涂層，所述熱傳遞涂層包括粘結(jié)劑和多個前體金屬團(tuán)粒，所述前體金屬團(tuán) 粒包括內(nèi)部部分，所述內(nèi)部部分包括熔融溫度為Tmpl的第一金屬，和 外部部分，所述外部部分包括熔融溫度為Tmp2的第二金屬； 將多個金屬粒子施加至所述涂層；以及將所述組合物加熱至低于Tmpl和Tmp2的溫度以形成包含所述第一金屬和所述第二金屬 的合金，所述合金使所述多個前體金屬團(tuán)粒彼此粘結(jié)，其中所述粘結(jié)形成了多孔基體，并且 其中所述多個金屬粒子至少部分地嵌入所述基體的至少一部分中。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多孔結(jié)構(gòu)化熱傳遞制品，其包括多個前體金屬團(tuán)粒和設(shè)置在所述多個前體金屬團(tuán)粒之間并使它們彼此相連的多個間隙元件以及至少部分地嵌入所述間隙元件中的多個金屬粒子。所述前體金屬團(tuán)粒包括內(nèi)部部分和外部部分，所述內(nèi)部部分包括第一金屬，所述外部部分包括合金，所述合金包含所述第一金屬和第二金屬。所述間隙元件包括所述外部部分的所述合金。
文檔編號C23C26/02GK102066865SQ200980123215
公開日2011年5月18日 申請日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者菲利普·E·圖瑪 申請人:3M創(chuàng)新有限公司