專利名稱：采用石墨材料制備的微通道散熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用石墨材料制備的微通道散熱器。所迷散熱器提
供用于冷卻電子裝置如微處理器的設(shè)備。所述散熱器特別適合于插 入兩疊層電子裝置之間。
背景技術(shù)：
電子工業(yè)正發(fā)展進(jìn)入熱受限時(shí)期。電子組件的熱流量增加，空 氣冷卻無法帶走足夠的熱量以維持微處理器和其它電子組件的所需 工作溫度。通常認(rèn)為常規(guī)空氣冷卻可控制的最大熱流量為約50 W/cm2。由 于微處理器和其它電子裝置得以發(fā)展，其產(chǎn)生超過約50W/cn^的熱 流量，電子工業(yè)正傾向于使用液體冷卻散熱器。這種液體冷卻散熱 器的一種是所謂的微通道散熱器。微通道散熱器具有在其組成材料 內(nèi)形成的、特別小的凹槽以提供被非常薄的微通道分開的非常薄的 翼片。這提供了大許多的表面積來散熱。與強(qiáng)制液體循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合 的微通道散熱器提供了針對(duì)電子工業(yè)提高冷卻能力需求的最有前途 方法之一。至今為止，已采用硅、金剛石、鋁和銅、銅鎢復(fù)合材料和陶瓷 如氧化鈹制備微通道散熱器。Bonde等的美國(guó)專利5,099,31 l(所述專利的詳細(xì)內(nèi)容通過引用 結(jié)合于本文中)公開了硅微通道散熱器的典型結(jié)構(gòu)，所述散熱器包括 將冷凝劑輸送到4效通道的系統(tǒng)。Walpole等的美國(guó)專利5,099,910(所述專利的詳細(xì)內(nèi)容通過引用 結(jié)合于本文中)公開了一種微通道散熱器，所述散熱器具有U型微通道，從而液流在相鄰微通道內(nèi)交替流動(dòng)，以在所述散熱器表面提供
更均勻的溫度和耐熱性。Walpole等的散熱器采用硅、銅鎢復(fù)合材料 如Thermcon⑧或陶f:如氧化鈹制備。Vafai等的美國(guó)專利6,457，515和6，675，875(所述專利的詳細(xì)內(nèi) 容通過引用結(jié)合于本文中)公開了多層樣級(jí)道散熱器，所述散熱器中 流體在相鄰層以相反方向流動(dòng)，從而消除了所述散熱器流體流動(dòng)方 向上的溫度梯度。Shiomi等的美國(guó)專利5,874,775(所述專利的詳細(xì)內(nèi)容通過引用 結(jié)合于本文中)公開了金剛石散熱器。Goodson等的美國(guó)專利7>開2003/0062149(所述專利的詳細(xì)內(nèi)容 通過引用結(jié)合于本文中)描述了電滲微通道冷卻系統(tǒng)。 [OOIO]—直需要用于微通道散熱器的改進(jìn)材料來避免以前所用材料面
臨的 一些問題。本發(fā)明提供微通道散熱器設(shè)備和采用石墨材料制備 其的方法。盡管一些石墨材料以前已用于制備具有較大通道的常規(guī) 散熱器，但以前沒有提出將其用于微通道散熱器。采用石墨材料制備的常規(guī)尺寸散熱器的一個(gè)實(shí)例顯示于Getz， Jr.等的美國(guó)專利6,771,502中，該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人。
Tzeng, Getz, Jr.和Weber的美國(guó)專利6，245，400中，教導(dǎo)了脫落 石墨的壓縮顆粒的粘合劑涂布片層，發(fā)現(xiàn)特別可用作熱界面制品。 此外，Tzeng的美國(guó)專利6,482,520公開了脫落石墨的壓縮顆粒片層 作為熱源如電子組件的散熱器(本發(fā)明中稱為熱界面)的用途。實(shí)際 上，這種材料可購(gòu)自Advanced Energy Technology Inc. of Lakewood, Ohio(俄亥俄州莢克伍德的先進(jìn)能源技術(shù)公司)，為其eGra卿 SpreaderShield類原泮+。石墨由碳原子六角形陣列的薄層平面或碳原子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。這些 六角形排列的碳原子的薄層平面基本為平的，它們的排列或定向使 得相互之間基本為平行和等距離的。通常被稱為碳素網(wǎng)層或基底平 面的基本為平的、相互平行并等距離的碳原子薄片或?qū)酉嗷ミB接或結(jié)合，所形成的組排列成微晶體。高度有序的石墨由相當(dāng)大的微晶
體構(gòu)成微晶體相互之間高度對(duì)齊或定向，具有非常有序的碳層。 換言之，高度有序的石墨具有高度的擇優(yōu)微晶體定向。應(yīng)注意到， 石墨具有各向異性結(jié)構(gòu)，因此顯示或擁有很多極具方向性的性能， 例如導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。簡(jiǎn)言之，石墨可以具有層狀碳結(jié)構(gòu)的特性，也就是說，由通過 弱范德華力連4^在一起的碳原子疊加層或薄片構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。考慮石 墨結(jié)構(gòu)時(shí)，通常應(yīng)注意兩個(gè)軸或方向，即，"c"軸或方向以及"a"軸或 方向。簡(jiǎn)單地i牛，"c，，軸或方向可以認(rèn)為是垂直于碳層的方法。"a"軸 或方向可以認(rèn)為是平行于碳層或垂直于"c"方向的方向。適于生產(chǎn)柔 性石墨片層的石墨具有高度的方向性力如上所述，使碳原子平4亍層保持在一起的結(jié)合力僅僅為弱的范 德華力?？梢詫?duì)天然石墨進(jìn)行處理，從而疊加的碳層或薄片之間的 間距可以充分打開從而在垂直于層的方向上即在"c"方向上顯著膨 脹，由此形成擴(kuò)大或膨脹的石墨結(jié)構(gòu)，其中基本保持了碳層的層狀
結(jié)構(gòu)。'可以不采用粘合劑使經(jīng)過顯著膨脹尤其是膨脹至最終厚度或 "c"方向的大小為原始"c"方向大小的80或更多倍的石墨片形成凝聚 或整合在一起的膨脹石墨片層，例如網(wǎng)、紙張、條、帶、箔片、墊 等(典型地稱為"柔性石墨")。據(jù)信，由于容積膨脹的石墨顆粒之間的 機(jī)械連接或結(jié)合使得可以不采用任何粘合材料而通過壓縮使膨脹致 最終厚度或"c"方向的大小為原始"c"方向大小的80或更多倍的石墨 顆粒形成一體的柔性片層。除了柔性之外，如上所述，還發(fā)現(xiàn)，由于高度壓縮，導(dǎo)致膨脹 的石墨顆粒和石墨層的方向基本平行于所述片層的相對(duì)面，從而就 導(dǎo)熱性而言片層材料具有高度的各向異性，使之特別可用于傳熱應(yīng) 用。由此得到的片層材料具有優(yōu)異的柔性、好的強(qiáng)度以及高的取向 度。
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簡(jiǎn)言之，生產(chǎn)柔性、無粘合劑的各向異性石墨片層材料，例如 網(wǎng)、紙張、條、帶、箔片、墊等，包括在預(yù)定負(fù)荷以及無粘合劑的 條件下壓縮或壓緊在"c"方向的大小為原始顆粒大小的80或更多倍的 經(jīng)膨g艮的石墨顆粒，從而形成基本為平的、柔性、 一體的石墨片 層。所述通常外觀為蠕蟲狀的膨脹石墨顆粒一旦壓縮，將維持壓縮 形變，與所述片層的相對(duì)的主要表面對(duì)齊?？梢酝ㄟ^控制壓縮程度 來改變所述片層材料的密度和厚度。片層材料的密度可以為大約 0.04g/cm3至大約2.0g/cm3。由于石墨顆粒與片層的主要的、相對(duì)的、平行的表面相平行， 因此所述柔性石墨片層材料的各向異性相當(dāng)高，當(dāng)對(duì)片層材料進(jìn)行 壓縮以提高取向時(shí)，各向異性增加。在壓縮的各向異性片層材料 中，厚度即垂直于相對(duì)的平行片層表面的方向包括"c"方向和沿著長(zhǎng) 度和寬度延伸的方向，即沿著或平行于相對(duì)的、主要表面的方向包 括"a，，方向，片層的熱和電性能在"c，，和"a"方向有數(shù)量級(jí)的非常不 同。因此，需要的是采用石墨材料制備的、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的微通道散熱 器。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明一個(gè)目標(biāo)是提供采用石墨材料制備的微通道散熱 器。本發(fā)明另 一 目標(biāo)是提供重量較輕的微通道散熱器。
本發(fā)明另 一 目標(biāo)是提供采用石墨材料制備的微通道散熱器，所 述石墨材料對(duì)水和其它常規(guī)冷卻液體呈惰性。本發(fā)明另 一 目標(biāo)是提供采用石墨材料制備的微通道散熱器，所 述石墨材料具有良好的導(dǎo)熱性。本發(fā)明另一目標(biāo)是提供采用石墨材料制備的微通道散熱器，所 述石墨材料的熱膨脹系數(shù)與電子封裝中所用典型半導(dǎo)體和陶資材料的熱膨脹系凄t相當(dāng)。本發(fā)明另 一 目標(biāo)是提供采用石墨材料制備的微通道散熱器，其 中所述微通道可采用高產(chǎn)量生產(chǎn)方法(如輥筒軋壓法)形成，從而實(shí)現(xiàn) 材料的成;^"效生產(chǎn)。本發(fā)明另 一 目標(biāo)是提供采用石墨材料制備的微通道散熱器，所 述散熱器適合插入兩疊層電子裝置之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過閱讀以下說明書，這些目標(biāo)及其它目標(biāo)將 變得顯而易見，它們可通過提供用于冷卻電子裝置的設(shè)備來達(dá)到，所 述設(shè)備包括具有至少一個(gè)第一熱接觸表面來與所述電子裝置熱接觸的 散熱器構(gòu)件，所述構(gòu)件由至少第一脫落石墨的壓縮顆粒片層組成，所 述片層具有兩個(gè)主表面，至少一個(gè)所述主表面具有在其中形成的第一 組多個(gè)微通道以輸送冷卻劑流體，所述微通道各自具有平行于所述主 表面之一的長(zhǎng)度和法向于所述長(zhǎng)度的橫截面，所述橫截面的至少一個(gè) 尺寸不到約1,000微米。另一實(shí)施方案中，所述設(shè)備包括第二脫落石墨的壓縮顆粒片 層，所述第一和第二片層結(jié)合在一起限定了所述微通道的橫截面。 第一和第二熱接觸表面由所迷散熱器構(gòu)件的相對(duì)表面限定，使得所
述散熱器構(gòu)件可插入兩疊層電子裝置之間。用于冷卻電子裝置的設(shè)備的另一實(shí)施方案中，所述散熱器構(gòu)件 可由第一、第二和第三脫落石墨的壓縮顆粒片層組成。兩層微通道 位于所述三片層之間的界面處，從而第 一組和第二組多個(gè)微通道可
以相反方向#r送冷卻劑流體。本發(fā)明另一實(shí)施方案提供液體冷卻的電子設(shè)備，所述電子設(shè)備
具有可在高熱流密度條件下操作的第一和第二疊層電子裝置。散熱 器構(gòu)件插入所述第一和第二疊層電子裝置之間并與每個(gè)熱接觸。所 述散熱器構(gòu)件由至少兩柔性石墨材料片層組成，所述石墨材料片層 具有結(jié)合在一起的主表面，所述片層之一的至少一個(gè)所述主表面具 有在其中形成的多個(gè)微通道，以在兩疊層電子裝置之間輸送冷卻劑液體。本發(fā)明另 一實(shí)施方案提供了采用石墨材料制備微通道散熱器的 方法。提供了第一和第二柔性石墨材料片層，各片層具有兩個(gè)主表 面。在所述第一片層的至少一個(gè)所述主表面內(nèi)形成多個(gè)微通道。第 二片層疊置在第一片層上，所述第一和第二片層的相鄰主表面結(jié)合 在一起以圍成微通道橫截面。第一和第二片層中至少一個(gè)的暴露主 表面上形成熱接觸表面來安裝電子裝置。或者，可在兩個(gè)暴露主表 面上形成熱接觸表面，從而所述微通道散熱器可插入兩疊層電子裝 置之間。所述微通道優(yōu)選通過輥筒軋壓柔軟石墨片層形成。
應(yīng)理解的是以上概述和以下詳述提供了本發(fā)明實(shí)施方案，用來 提供要求保護(hù)的本發(fā)明本質(zhì)和特征的一般或框架式理解。附圖用于 提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解并結(jié)合到說明書中且組成其一部分。附 圖說明了本發(fā)明的各實(shí)施方案并與說明書一起來描述本發(fā)明的原理 和操作。 附圖簡(jiǎn)述圖l是微通道散熱器第一實(shí)施方案的透視圖。圖2是微通道散熱器第二實(shí)施方案的透視圖。圖3是類似于

圖1的微通道散熱器的端視圖，第一電子裝置安
裝在其上，所述電子設(shè)備和微通道散熱器之間存在熱界面。圖4是類似于圖1的微通道散熱器的端視圖，第一和第二疊層
電子裝置安裝在其相對(duì)側(cè)面上。圖5是類似于圖1的微通道散熱器的端視圖。圖6是類似于圖2的微通道散熱器的端視圖。圖7是由三層柔性石墨材料片層組成的供選微通道散熱器的端
視圖，兩個(gè)外部片層具有在其中形成的微通道，中間片層形成兩外
部片層微通道的蓋。這種結(jié)構(gòu)提供兩層微通道。圖8是由三層柔性石墨材料片層組成的微通道散熱器的端視 圖，中間片層具有在其各主表面上形成的微通道，兩個(gè)外部片層形成中間片層微通道的蓋。這種結(jié)構(gòu)提供兩層微通道。圖9是由四層柔性石墨材料片層組成的微通道散熱器的端視4 圖，兩最內(nèi)部片層各自具有在其最外主表面上形成的微通道，兩外 部片層形成所迷兩內(nèi)部片層微通道的蓋。這種結(jié)構(gòu)提供兩層微通 道。圖10是由四層柔性石墨材料片層組成的本發(fā)明另一實(shí)施方案 的端視圖，其中各片層具有在其中形成的微通道，兩對(duì)相鄰片層各 對(duì)的微通道彼此互補(bǔ)并疊置以形成兩層微通道。圖11是柔性是膜材料片層橫截面的顯微照片，所述石墨材料 具有通過軋壓在其中形成的微通道。圖12顯示了浸漬樹脂的柔性石墨片層的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)。 本發(fā)明的聶佳實(shí)施方式石墨為晶體形式的碳，包括共價(jià)連接在平坦的分層平面上的原 子，各平面之間具有更弱的結(jié)合力。為了獲得如以上柔性石墨片層 等原料，通常用嵌入劑(intercalant)例如硫酸和硝酸的溶液處理石墨 顆粒，例如天然石墨片，其中所述石墨的晶體結(jié)構(gòu)反應(yīng)形成石墨和 嵌入劑的化合物。經(jīng)處理的石墨顆粒在下文稱為"經(jīng)嵌入的石墨顆 粒"。當(dāng)暴露于高溫時(shí)，石墨內(nèi)的嵌入劑分解并蒸發(fā)，導(dǎo)致經(jīng)嵌入的 石墨顆粒在"c"方向即垂直于石墨的晶體狀平面的方向上膨脹至原體 積的大約80倍或更多。所述膨脹的(另稱為脫落的)石墨顆粒在外觀 上呈蠕蟲狀，由此通常稱為蠕蟲(worm)。所述蠕蟲可以壓縮在一起 形成柔性片層，所述柔性片層與原始的石墨片不同，其可以形成以 及被切割成各種性狀，通過變形機(jī)械沖擊具有小的橫向開口 。
適用于本發(fā)明的石墨起始材料包括能夠嵌入有機(jī)和無機(jī)酸以及 卣素的具有高含量石墨碳的材料，所述材料在暴露于熱時(shí)膨脹。這 些具有高含量石墨碳的材料最優(yōu)選具有大約l.O的石墨化程度。如在 本公開內(nèi)容中所述，術(shù)語(yǔ)"石墨化程度"是指根據(jù)以下公式的值g:g= 3,45 .細(xì)2) 0.095
其中d(002)為晶體結(jié)構(gòu)中碳石墨層之間的間距，用埃單位表示。石墨 層之間的間距d用標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射技術(shù)測(cè)量。測(cè)量對(duì)應(yīng)于(002)、 (004)和(006)Miller指數(shù)的衍射峰的位置，采用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘法推導(dǎo) 間距，使得所有這些峰的總體誤差降至最低。具有高舍量石墨碳的 材料的例子包括各種來源的天然石墨，以及其它含碳材料，例如通 過化學(xué)氣相沉積、聚合物高溫分解以及通過熔融金屬溶液結(jié)晶而制 備的石墨等等。最優(yōu)選的是天然石墨。本發(fā)明中采用的石墨起始材料可以含有非石墨組分，只要所迷 起始材料的晶體結(jié)構(gòu)保持所需的石墨化程度而且能夠脫落。通常， 其晶體結(jié)構(gòu)具有所需的石墨化程度并且能夠脫落的任何含碳的材料
都可以用于本發(fā)明。這種石墨優(yōu)選灰分含量不到20%重量。更優(yōu)選 地，本發(fā)明采用的石墨具有至少大約94%的純度。在最佳實(shí)施方式 中，所采用的石墨的純度為至少大約98%。在Shane等的美國(guó)專利No.3404061中描述了常用的生產(chǎn)石墨 片層的方法，所述專利的公開內(nèi)容通過引用的方法結(jié)合至本文。在 Shane等方法的通常實(shí)踐中，將天然石墨片M在含有例如硝酸和硫 酸混合物的溶液中對(duì)石墨片進(jìn)行嵌入，有利地是，其嵌入水平為每 100份重量的石墨片有大約20至大約300份重量的嵌入溶液(pph)。 所述嵌入溶液含有本領(lǐng)域公知的氧化劑和其他嵌入劑。例子包括含 有氧化劑和氧化混合物的嵌入溶液，例如含有硝酸、氯酸鉀、鉻 酸、高錳酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀和高氯酸等，或者例如含有濃硝 酸和氯酸鹽、4各酸和磷酸、碌u酸和硝酸的混合物，或者含有強(qiáng)有機(jī) 酸例如三氟乙酸和可溶于所述有機(jī)酸的強(qiáng)氧化劑的混合物。另外， 可以采用電勢(shì)以氧化石墨。能夠通過電解氧化而引入石墨晶體的化 學(xué)物質(zhì)包括硫酸和其它酸。在一優(yōu)選實(shí)施方式中，所述嵌入劑為硫酸和氧化劑的混合物或
12者硫酸和磷酸以及氧化劑的混合物，所述氧化劑即硝酸、高氯酸、 鉻酸、高錳酸鉀、過氧化氬、^爽酸或高碘酸等。盡管不^_優(yōu)選，但 是所述嵌入溶液可以含有金屬卣化物，例如氯化鐵、與疏酸混合的 氯化鐵，或者含有卣化物，例如淡，如淡和硫酸的溶液或位于有機(jī) 溶劑中的溴。嵌入溶液的量可以為大約20至大約350pph，更典型地為大約 40至大約160pph。在對(duì)石墨片嵌入之后，將過量的溶液從石墨片中 除去，用水清洗石墨片。或者，嵌入溶液的量可以限制在大約10至大約40pph,其允許 省略清洗步驟，如美國(guó)專利No.4895713中所教導(dǎo)和描述的，該申請(qǐng) 公開的內(nèi)容通過引用的方式結(jié)合至本文。用嵌入溶液處理過的石墨片顆?？梢匀芜x地與還原有機(jī)劑接 觸，例如通過混合的方式，所述還原有機(jī)劑選自醇類、糖、醛和 酯，它們與氧化嵌入溶液的表面膜在25。C至125。C的溫度下反應(yīng)。 適當(dāng)?shù)奶囟ㄓ袡C(jī)劑包括十六醇、十八醇、l-辛醇、2-辛醇、癸醇、 1,10-癸二醇、癸醛、l-丙醇、1，3-丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡 萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、馬鈴薯淀粉、乙二醇單硬脂酸酯、二甘 醇二苯曱酸酯、丙二醇單硬脂酸酯、甘油單硬脂酸酯、草酸二曱 (dimethyl oxylate)、草酸二乙酯(diethyl oxylate)、曱酸曱酯、曱酸乙 酯、抗壞血酸和木質(zhì)素衍生的化合物，例如木質(zhì)硫酸鈉。有機(jī)還原 劑的量適當(dāng)?shù)貫槭w粒重量的大約0.5至4% 。
也可以在嵌入之前、過程中或者在嵌入之后立即加入膨脹輔助 劑以實(shí)現(xiàn)改善。這些改善可以是降低的脫落溫度以及增加的膨脹體 積(也稱為"蠕蟲體積")。在該文中，膨脹輔助劑有利地為充分溶解在 嵌入溶液中的有機(jī)材料，從而改善膨脹。更狹義而言，可以采用這 種類型的含碳、氫和氧的有機(jī)材料，優(yōu)選全部。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)羧酸尤其 有效?？捎米髋蛎涊o助劑的適當(dāng)?shù)聂人峥梢赃x自具有至少一個(gè)碳原 子、優(yōu)選最多有大約15個(gè)碳原子的芳香族、脂肪族或脂環(huán)族的、直鏈或支鏈的、飽和和不飽和單羧酸、二羧酸和多羧酸，所述酸溶解
在嵌入溶液中的量能夠有效改4"脫落的一個(gè)或多個(gè)方面，所迷改善 可以進(jìn)行測(cè)量?？梢圆捎眠m當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑以提高有機(jī)膨脹輔助劑在 嵌入溶液中的溶解度。飽和脂肽族羧酸的代表性例子為例如分子式為H(CH2)nCOOH 的酸，其中n為0至大約5的韻:值，包才全議酸、乙酸、丙酸、丁 酸、戊酸、己酸等。還可以采用酸酐或活性羧酸衍生物例如烷基酯 來代替羧酸。烷基酯的代表性例予為曱酸甲酯、甲酸乙酯。硫酸、 硝酸和其它公知的含7jc嵌入劑^r有將il^分解成水和二氧^^友的能 力。因此，在將石墨片浸入含水^v劑之前，有利地是將蟻酸和其 他^:感的膨脹輔助劑與石墨片沖妄觸。二羧酸的代表為具有2-12碳原 子的脂肪族二羧酸，尤其是草酸、延胡索酸、丙二酸、馬來酸、琥 珀酸、戊二酸、己二酸、1， 5-戊二羧酸、1，6-己二羧酸、l，lO-癸二 羧酸、環(huán)己烷-l，4-二羧酸，和芳香族二羧酸，例如鄰苯二曱酸、對(duì)苯 二曱酸。烷基酯的代表性例子為草酸二曱酯(dimethyl oxylate)和草酸 二乙酯(diethyloxylate)。脂環(huán)族酸的代表例子為環(huán)己烷羧酸，芳香羧 酸的代表例子為苯曱酸、萘酸、鄰氨基苯曱酸、對(duì)氨基苯甲酸、水 楊酸、鄰、間、對(duì)曱基苯曱酸、曱氧基和乙氧基苯曱酸、乙酰乙酸 氨基苯曱酸、乙酰氨基苯曱酸、苯乙酸、萘酸。羥基芳香酸的代表 性例子為羥基苯曱酸、3-羥基-1—萘酸、3-羥基-2-萘酸、4一 羥基-2-萘酸、5-羥基-l-萘酸、5-羥基-2-萘酸、6-羥基 -2-萘酸、7-羥基-2-萘酸。多羧酸中最突出的是檸檬酸。
嵌入溶液可以是含水的，優(yōu)選含有大約1-10%的膨脹輔助劑， 所述量能夠有效增強(qiáng)脫落。在將石墨片浸入含水嵌入劑之前或之后 使膨脹輔助劑與石墨片接觸的實(shí)施方式中，所述膨脹輔助劑可以通 過適當(dāng)?shù)难b置與石墨混合，例如V-攪拌器，所述膨脹輔助劑的量典 型地為石墨片重量的大約0.2%至大約10%。在嵌入石墨片之后，將涂覆有嵌入劑的嵌入石墨片與有機(jī)還原劑混合，然后將混合物暴露于25°C-125°C，從而促進(jìn)還原劑和嵌入 劑涂層的反應(yīng)。加熱時(shí)間高達(dá)大約20小時(shí)，在上迷溫度范圍的較高 溫度下進(jìn)4亍短暫的加熱，例如至少大約10分鐘。在所述4交高溫度下 可以采用半小時(shí)或更少葉間的倍-數(shù)，例如大約10-25分鐘。
在石墨化溫度下對(duì)石墨片進(jìn)4亍預(yù)處理以及在嵌入劑中加入潤(rùn)滑 添加劑可以有利地加強(qiáng)上述嵌入和脫落石墨片的方法，所述石墨化 溫度即大約300(TC及更高的溫度。當(dāng)接下來對(duì)石墨片進(jìn)4亍嵌入和脫落時(shí)，對(duì)石墨片進(jìn)4亍預(yù)處理或 退火會(huì)顯著增加膨脹(即，將膨^^體積增加至大約300%或更高)。實(shí) 際上，較為可取的是，與沒有退火步驟的類似處理相比，膨脹增加 至少為50%。退火步驟的溫度不應(yīng)顯箸低于3000°C，這是因?yàn)橹灰?溫度低IOO'C將導(dǎo)致膨脹顯著降低。在本發(fā)明中進(jìn)行一段時(shí)間的退火，退火持續(xù)的時(shí)間足以使石墨
片在嵌入和接下來的脫落中膨脹度增加。典型地，所需的時(shí)間為1
小時(shí)或更多，優(yōu)選1至3小時(shí)，而且最有利的是在惰性環(huán)境中進(jìn)
行。為了得到最佳的有益效果，所述經(jīng)退火的石墨片還經(jīng)歷本領(lǐng)域 公知的其它工藝以增加膨脹度_即在有機(jī)還原劑存在的條件下進(jìn)行嵌
入，嵌入輔助劑例如有機(jī)酸，在嵌入之后用表面活性劑進(jìn)行清洗。 而且，為了得到最佳的有益效果，可以重復(fù)進(jìn)行嵌入步驟。
可以在感應(yīng)電爐以及其它石墨化領(lǐng)域知曉并公認(rèn)的類似設(shè)備實(shí) 施本發(fā)明的退火步驟；此處采用的在3000。C范圍內(nèi)的溫度位于石墨 化工藝采用的溫度范圍的高的一端。由于已經(jīng)觀察到采用石墨在嵌入之前進(jìn)行退火而得到的蠕蟲有 時(shí)會(huì)"聚集"在一起，其將對(duì)面積重量的均一性產(chǎn)生不良影響，因此非 常需要一種幫助形成"自由流動(dòng)"蠕蟲的添加劑。在嵌入溶液中加入潤(rùn) 滑添加劑有利于蠕蟲在壓縮設(shè)備床(例如，通常將石墨蠕蟲壓縮或"軋 光"成一體石墨物品的軋光臺(tái)機(jī)床)上更加均勻地分布。因此，得到的 物品具有更高的面積重量均一性以及更大的抗張強(qiáng)度。所述潤(rùn)滑添加劑優(yōu)選為長(zhǎng)鏈碳?xì)寤衔?，更?yōu)選地為具有至少約10個(gè)碳原子的
碳?xì)浠衔?。還可以采用具有長(zhǎng)鏈碳g團(tuán)的其它有機(jī)化合物，即 使該有機(jī)化合物還存在其他功能基團(tuán)。更優(yōu)il^是，所述潤(rùn)滑添加劑為油，最優(yōu)選為礦物油，特別是 考慮到礦物油不易變腐和沒有臭味這樣一個(gè)事實(shí)，這在長(zhǎng)期存儲(chǔ)中 是一個(gè)重要的考慮因素。應(yīng)注意，以上詳細(xì)描述的某些膨脹輔助劑 也滿足潤(rùn)滑添加劑的定義。當(dāng)這些材料用作膨脹輔助劑時(shí)，有可能 不需要在嵌入劑中加入單獨(dú)的潤(rùn)滑添加劑。潤(rùn)滑添加劑在嵌入劑中的量至少為大約1.4pph,優(yōu)選至少大約 1.8pph。盡管舍有的潤(rùn)滑添加劑的上限量并不如下限量那樣至關(guān)重 要，但是當(dāng)潤(rùn)滑添加劑的量超過大約4pph時(shí)并不具有任何顯著的額 外優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過這樣處理的石墨顆粒有時(shí)稱為"經(jīng)嵌入的石墨顆粒"。當(dāng) 暴露于高溫時(shí)，例如至少大約160°C,尤其大約700。C至IOOO'C及更 高時(shí)，所述經(jīng)嵌入的石墨顆粒在c方向即垂直于成分石墨顆粒的晶體 平面的方向上以類似于手風(fēng)琴的方式膨脹至原體積的大約80至1000 倍或更多。所述經(jīng)膨脹即脫落的石墨顆粒在外觀上呈蠕蟲狀，由此 通常稱為蠕蟲。與原始石墨片不同，所述蠕蟲可以被壓縮在一起形 成柔性片層，所述片層可以形成以及被切割呈各種形狀，如下文中 所述。另外，本發(fā)明的柔性石墨片層可以采用經(jīng)再次研磨的柔性石 墨片層，而不是新的經(jīng)膨脹的蠕蟲。所述片層可為新形成的片層材 料、回收片層材料、廢片層料或任何其它適當(dāng)來源'。
而且，本發(fā)明的工藝還可以采用原材料和回收材料或全部為回 收材料的混合物?；厥詹牧系脑疾牧峡梢詾榻?jīng)過上述壓縮成型的片層或片層的 修整部分，或已經(jīng)用例如預(yù)軋光輥筒壓縮的片層。此外，所述原始 材料可為已浸漬樹脂但未固化的片層或片層的修整部分，或已浸漬樹脂并固化的片層或片層的修整部分。所述原始材料還可以是經(jīng)回 收的柔性石墨燃幹電池組件例如流場(chǎng)板或電極。可以采用各種來源 的石墨或者與天然石墨片混合?！┑玫饺嵝允脑疾牧?，則可以通過公知的工藝或裝置
例如噴射研磨才凡、空氣研磨機(jī)、攪拌才;L等將其粉碎以制成顆粒。優(yōu)
選地，大部分顆粒的直徑使得其能夠通過20U.S.目；更優(yōu)選地，大 部分(多于大約20%，更優(yōu)選多于大約50%)不能通過80U.S.目。最優(yōu) 選地是，所述顆粒的粒度不大于大約20目。選擇粕^f后的顆粒的大小以平衡石墨顆粒的機(jī)械加工性和可成 形以及所需的熱特性。因此，較小的顆粒可以使石墨物品易于加工 和或成形，而較大的顆粒將導(dǎo)致石墨顆粒具有較高的各向異性，以 及由此更大的平面內(nèi)導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率。—旦原始材料被粉碎(如果需要，除去所有樹脂)，然后再次膨 脹?？梢酝ㄟ^上述以及Shane等的美國(guó)專利No.3404061和Greinke 等的美國(guó)專利No.4895713中所述的嵌入和脫落工藝進(jìn)行再次膨脹。
典型地，嵌入之后，通過在爐中加熱所述經(jīng)嵌入的顆粒，對(duì)顆 粒進(jìn)行脫落。在脫落步驟中，可以將經(jīng)嵌入的天然石墨片加入所述 回收的嵌入顆粒中。優(yōu)選地，在再次膨脹步驟中，顆粒膨脹至具有 至少大約100cc/g直至350cc/g或更大的特定體積。最后，在再次膨 脹步驟之后，所述經(jīng)再次膨脹的顆粒可以如上所述壓縮成柔性片 層。柔性石墨片層和箔片凝聚在一起，具有良好的處理強(qiáng)度，而且 適合壓縮，例如通過壓縮成型將其壓縮至厚度為約0.025 mm-3.75 mm,典型的密度為約0.1-1.5克/立方厘米(g/cc)。盡管不總是優(yōu)選， 有利地是，所述柔性石墨片層有時(shí)還可以用樹脂進(jìn)行處理，在固化 之后吸收的樹脂增加柔性石墨片層的抗?jié)裥院吞幚韽?qiáng)度即硬度，而 且還"固定"片層的形態(tài)。使用時(shí)，合適樹脂含量?jī)?yōu)選為至少約5%重 量，更優(yōu)選約10-35°/。重量，適合至多約60%重量。在本發(fā)明的實(shí)施中發(fā)現(xiàn)尤其有用的樹脂包括基于丙烯酸-、環(huán)氧-和酚醛的樹脂系統(tǒng)， 式它們的混合物。適當(dāng)?shù)沫h(huán)氧樹脂系統(tǒng)包括那些基于二環(huán)氧丙酯或
雙酚A(DGEBA)的樹脂系統(tǒng)以及其它的多功能樹脂系統(tǒng)；可以采用 的酚醛樹脂包括可溶酚醛樹脂和酚醛清漆樹脂。任選，除了所述樹 臘外或代替所述樹脂，所述柔性石墨可用纖維和/或鹽浸漬。此外， 可將活性或非活性添加劑與樹月旨系統(tǒng)一起使用來改進(jìn)性能(如粘性、 材料流動(dòng)、疏水性等)。為了^(吏浸漬樹脂的材料的導(dǎo)熱率最大化，可 在較高溫度和壓力下將所述樹脂固化。更具體地講，在至少約卯。C 和至少約7兆帕(MPa)壓力下固化將得到具有較好導(dǎo)熱率的石墨材 料(實(shí)際上，可達(dá)到平面內(nèi)導(dǎo)熱率超過用銅觀察到的導(dǎo)熱率)。
參照?qǐng)D12,公開了浸漬樹脂的柔性石墨片層的連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)， 其中將石墨片和液體嵌入劑裝入反應(yīng)器104中。更具體地講，容器 101用來容納液體嵌入劑。容器101(合適地由不銹鋼制備)可通過管 道106連續(xù)補(bǔ)充液體嵌入劑。容器102容納石墨片，所述石墨片和 來自容器101的嵌入劑一起被引入反應(yīng)器104。分別控制嵌入劑和石 墨片輸入反應(yīng)器104的速率，如通過閥108、 107?？赏ㄟ^管道109 連續(xù)補(bǔ)充容器102中的石墨片?？赏ㄟ^分配器110加入添加劑如嵌 入增強(qiáng)劑，例如微量酸和有機(jī)化合物，所述分配器110在其出口通 過閥111計(jì)量。所得經(jīng)嵌入的石墨顆粒是濕透的且酸涂覆的，將其導(dǎo)至(如通 過導(dǎo)管112)清洗罐114,在此所述顆粒被清洗，可有利地用水清洗， 其在116進(jìn)入清洗罐114并在118出來。然后將已清洗經(jīng)嵌入石墨 片傳遞到干燥室122,如通過導(dǎo)管120。添加劑如緩沖劑、抗氧劑、 減污化學(xué)品可從容器119中加入經(jīng)嵌入石墨片流中，以改善膨脹和 使用過程脫落石墨的表面化學(xué)并改善導(dǎo)致膨脹的氣體排放。
在干燥器122中干燥經(jīng)嵌入的石墨片，優(yōu)選在約75。C-約 150。C,通常避免經(jīng)嵌入石墨片的任何膨脹。干燥后，將所述經(jīng)嵌入 石墨片作為物流進(jìn)料到火焰200，通過例如通過管道126連續(xù)進(jìn)料至收集容器124,然后作為物流在2處進(jìn)料到膨脹容器128中的火焰 200,可將添加劑如由漫化的石英玻璃纖維、碳jf維和石墨纖維、氣 化鋯、氮化硼、碳化硅和氧化鎂纖維、天然形成的礦物纖維，例如 偏硅酸鉤纖維、硅酸鉤纖維、氧化鋁纖維等形成的陶資纖維顆粒從 容器129加入經(jīng)嵌入石墨顆粒流，所述經(jīng)嵌入石墨顆粒力^ 127處 引入的非活性氣體夾帶而推進(jìn)。通過膨脹室201中的火焰200后，所述經(jīng)嵌入石墨顆粒在"c" 方向膨脹超過80倍并采取"蠕蟲狀，，膨脹形式5;從129引入并與經(jīng) 嵌入石墨顆粒流混合的添加劑基本不會(huì)因通過火焰200而受影響。 膨脹的石墨顆粒5可通過重力分離器130,其中重的灰份天然礦物顆 粒從膨脹的石墨顆粒中分離出來，然后進(jìn)入寬頂部漏斗132。當(dāng)不需 要時(shí)，分離器130可忽略。已膨脹即脫落的石墨顆粒5與所有添加劑一起自由落入漏斗 132中，隨4幾分散并通過壓縮臺(tái)136，如通過槽134。壓縮臺(tái)136包 括分開的、相對(duì)的、收斂的移動(dòng)多孔帶157、 158以接收所述脫落 的、膨脹的石墨顆粒5。由于相對(duì)的移動(dòng)帶157、 158之間空間變 窄，脫落的膨脹石墨顆粒被壓縮成柔性石墨墊(148處指出)，厚度為 例如約25.4-0.075mm,特別是約25.4-約2.5 mm，密度為約0.08-2.0 g/cm3。氣體洗滌器149用來移走并清洗來自膨脹室201和漏斗132 的氣體。使墊148通過容器150并用來自噴嘴138的液體樹脂浸漬，所 述樹脂有利地通過真空室139"拖過(pull)所述墊"，之后優(yōu)選在干燥器 160中干燥所述樹脂，減少樹脂的粘性，之后在軋光機(jī)170中將浸漬 樹脂的墊143稠化成輥壓柔性石墨片層147。優(yōu)選在洗滌器165中將 來自容器150和干燥器160的氣體和氣味收集并清洗。
稠化后，在固化爐180中將柔性石墨片層147中的樹脂至少部 分固化。或者，可在稠化之前進(jìn)行部分固化，盡管優(yōu)選稠化后固 化。
然而，本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，所述柔性石墨片層不浸漬樹 脂，這種情況下，可除去容器150、千燥器160和固化爐180。
之后，所述浸漬樹脂的片層，起始密度為約0.1-約1.1 g/cc，經(jīng) 過加工來改變所述片層的空穴狀況?？昭顩r是指片層-史空穴占據(jù) 的百分比，通常發(fā)現(xiàn)所述空穴為夾帶空氣。總之，這可通過例如在 軋光機(jī)或平板硫化機(jī)中對(duì)所述片層施壓(這還具有稠4匕所述片層的效 果)以減少所述片層中的空穴氷平來完成。有利地，將柔性石墨片層 稠化到密度為至少約1.3 g/cc(盡管體系中樹脂的存在可用于減少空穴 而無需稠化到如此高的水平)?？昭顩r可有利地用于控制并調(diào)節(jié)最終軋壓制品的形態(tài)和功能 特征。例如，在軋壓之前控制所述片層的空穴狀況(以及通常密度)可 影響并可能控制導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率、滲透速率和滲濾特征。因此，如 果在處理空穴狀況之前確認(rèn)最終軋壓制品的一組所需特征，可調(diào)節(jié) 所述空穴狀況來盡可能程度地實(shí)現(xiàn)那些特征。有利地，特別當(dāng)最終禮壓制品將用作電化學(xué)燃料電池中的組件 時(shí)，所述浸漬樹脂的柔性石墨片層經(jīng)過處理以基本無空穴，使導(dǎo)電 率和導(dǎo)熱率最佳化。通常，這可通過達(dá)到密度為至少約1.4 g/cc，更 優(yōu)選至少約1.6 g/cc(根據(jù)樹脂含量，表明基本無空穴狀況)來實(shí)現(xiàn)。 所述片層的導(dǎo)熱率優(yōu)選至少為約140W/m°K，更優(yōu)選至少為約400 W/m0K。然后使所得已軋光柔性石墨片層通過如下所述的軋壓設(shè)備，之 后在烘箱中加熱來固化樹脂。根據(jù)所用樹脂系統(tǒng)的性質(zhì)，特別所用 溶劑類型和水平(正如技術(shù)人員熟悉的，所述溶劑有利地調(diào)節(jié)到具體 樹脂系統(tǒng))，可在軋壓步驟之前包括蒸發(fā)干燥步驟。在此干燥步驟， 所述浸漬樹脂的柔性石墨片層受熱蒸發(fā)，從而除去一些或所有溶劑 而沒有將樹脂系統(tǒng)固化。這樣，避免了固化步驟過程中的起泡，所 述起泡可能是通過被表面成形過程中片層的稠化殘留在片層內(nèi)的溶 劑蒸發(fā)所產(chǎn)生。加熱程度和時(shí)間將根據(jù)溶劑的性質(zhì)和量變化，就該目的而言，優(yōu)選為至少約65°C，更優(yōu)選約80。C-約95。C進(jìn)4亍約3-約 20分鐘。用于連續(xù)制備浸漬樹脂并軋光的柔性石墨片層的設(shè)備的一個(gè)實(shí) 施方案見述亍國(guó)際公開WO 00/64808中，所迷公開內(nèi)容通過引用結(jié) 合亍本文中?，F(xiàn)在參考圖1，顯示了散熱器構(gòu)件300A的第一實(shí)施方案，所 述散熱器構(gòu)件還可稱為用于冷卻電子裝置的設(shè)備。散熱器構(gòu)件300A 由脫落石墨的壓縮顆粒的第一和第二片層302A和304A組成。片層 302A和304A還可描述為柔性石墨片層。片層302A和304A各自具有兩個(gè)主表面，所述主表面在國(guó)1 中為較大的平坦上、下表面。圖1中，可看見第二片層304A的上主 表面306A。熱接觸表面308A位于主表面306A上并用大致矩形雙點(diǎn)畫線 310A表示。熱接觸表面308A用來與電子裝置如圖3中所示裝置312 熱接觸。圖1實(shí)施方案中，第一片層302A的上主表面303A具有在其 中形成第一組多個(gè)微通道314A,用于運(yùn)輸冷卻劑流體如水。微通道 314A各自具有平行于主表面的長(zhǎng)度316和法向于長(zhǎng)度316的橫截面 318。橫截面318具有深度320和寬度322,所述深度和寬度為所述 橫截面的尺寸。橫截面318的至少一個(gè)這種尺寸低于約1,000微米。 例如，寬度322可低于約1,000微米。許多情況下，寬度和深度都將 不到1,000微米，因此提供了不到106平方微米的微通道橫截面積。
優(yōu)選所述一個(gè)尺寸如寬度322為至少約100 ^f效米。 一些情況 下，所述一個(gè)尺寸如寬度322可能甚至不到IOO微米。
應(yīng)理解的是，所有圖中所述微通道顯示為示意性形式，在對(duì)比 柔性石墨材料片層的寬度、厚度和長(zhǎng)度時(shí)在尺寸上沒有按照比例繪 制。第二片層304A結(jié)合到第一片層302A上，從而第一和第二片層一起限定微通道3I4A的橫截面318。圖1實(shí)施方案中，第二片層 304A為無微通道的平片層，并成為第一片層302A的微通道的蓋。
第一和第二片層302A和304A通過將其相鄰^4面疊置并粘 合在一起來結(jié)合在L逸種粘合T通過將樹脂涂敷到一個(gè)或兩個(gè) 所述主表面上來得到，或者在柔性石墨片層為浸漬樹脂的情況T ， 所迷樹脂已經(jīng)存在亍片層中，通過在固化所述片層過程中保持所迷 片層密切接觸來將其粘合在一起。現(xiàn)在參考閨5的端一見圖，第一片層302A具有上、下主表面 303A和305A。第二片層304A具有上主表面306A和下主表面 309A?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2和5，微通道散熱器的另一實(shí)施方案通過數(shù)字 300B表示。散熱器構(gòu)件300B由第一片層302B和第二片層304B組 成。圖2散熱器構(gòu)件300B和圖1散熱器構(gòu)件300A的區(qū)別在于圖2 實(shí)施方案中，第二片層300B也具有在其中形成的微通道315B。微 通道315B與第一片層302B的微通道214B的圖案互補(bǔ)(pattem complementary)并疊置在其上，從而通過散熱器構(gòu)件300B的微通道 具有微通道315B之一限定的上半部分和微通道314B之一限定的下 半部分。應(yīng)理解的是，對(duì)圖2實(shí)施方案和隨后圖7-10實(shí)施方案元件進(jìn) 行編號(hào)中，相同的數(shù)字用于類似的組件，不同后綴A、 B、 C等用于 各實(shí)施方案。圖7顯示了數(shù)字300C表示的散熱器構(gòu)件另一實(shí)施方案的端視 圖。散熱器300C由第一片層302C、第二柔性石墨片層304C和第三 柔性石墨片層324C組成。.第一片層302C具有在其中限定的第一組多個(gè)微通道314C。第 三片層324C具有第二組多個(gè)微通道326C。中間片層304C是夾在第 一和第三片層302C和324C之間的平片層，作為第一和第三片層各 自微通道的蓋，從而微通道314C和第二組多個(gè)微通道326C限定了兩平4亍但分離的微通道層。因此，圖7實(shí)施方案中，提供了流體以 一個(gè)方向流動(dòng)通過第一微通道層314C和以相反方向通過第二微逸道 層326C的可能性。本領(lǐng)域中4支術(shù)人員應(yīng)理解的是，通it^交替樣til 道層提供扭反流動(dòng)，在散熱器構(gòu)件內(nèi)提供了更均勻的熱分布。 因?yàn)榱黧w流動(dòng)通過孩^t道提高了溫度(當(dāng)其通過微通道時(shí))，因此沿著 微通道的長(zhǎng)度提供了熱梯度。通過使流體以相反方向流動(dòng)通過兩平 行微通道層，各層的熱梯度在與相鄰層的熱梯度相反方向提高，因 此提供在整個(gè)散熱器構(gòu)件內(nèi)提供了較均勻的加熱。 [OIOO]圖8顯示了表示成300D的另一作為選擇實(shí)施方案，所述實(shí)施 方案由第一片層302D、第二片層304D和第三片層324D組成。 [OIOI]這種情況中的第一片層304D具有在其上主表面內(nèi)形成的第一 組多個(gè)微通道314D和在其下主表面內(nèi)形成的第二組多個(gè)微通道 326D。第二和第三片層304D和324D各自為平片層，分別作為微通 道314D和326D的蓋。因此，圖8的實(shí)施方案再次提供了兩平行微 通道層，所述^f鼓通道層可允許流體以相反方向流動(dòng)通過相鄰層。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖9,用數(shù)字300E表示散熱器構(gòu)件的另一實(shí)施方 案。散熱器構(gòu)件300E包括第一片層302E和第二片層304E,所述第 一片層和第二片層的結(jié)構(gòu)類似于圖1和5的散熱器構(gòu)件300A的第一 和第二片層。散熱器構(gòu)件300E還包括第三和第四片層324E和 328E。第三片層324E具有在其中限定的第二組多個(gè)微通道326E。 第四片層328E為平片層，其用來蓋住微通道326E。
圖IO顯示了用數(shù)字300F表示的散熱器構(gòu)件的另一實(shí)施方案。 散熱器構(gòu)件300F包括四柔性石墨片層302F、 304F、 324F和328F。 這種情況中，各片層具有在其中限定的多個(gè)微通道。第一和第二片 層302F和304F的微通道互補(bǔ)并疊置，就像圖2和6的片層302B和 304B的微通道。第二對(duì)片層324F和328F也具有在其中限定的、互 補(bǔ)的微通道，從而所述四片層一起提供兩層隔開的微通道，因此提 供散熱器構(gòu)件300F在兩層中以相反方向輸送流體的能力。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖3，顯示了圖2和6散熱器構(gòu)件300B的端視圖。 電子裝置312(可為微處理器芯片或其它常規(guī)電子裝置)顯示為安裝在 熱接觸表面308上。應(yīng)理解的是如圖4中的排列提供了非常高密度的電子裝備，同 時(shí)仍在其中通過使用微通道散熱器構(gòu)件300B提供了足夠的冷卻。圖 5-10中所示的散熱器構(gòu)件300的任意供選結(jié)構(gòu)可安裝單一電子裝置 312或插入圖3和4分別所示的兩電子裝置312和332之間。
微通道散熱器特別用于電子裝置312和332，所述電子裝置可 在高熱流密度(通常認(rèn)為超過50 W/cm"條件下運(yùn)行。
各片層如片層302A(具有在其中限定的微通道)，優(yōu)選厚度為約 0.4mm-約3.75 mm。優(yōu)選所迷片層的厚度不超過約2.0 mm。甚至更 優(yōu)選所述片層的厚度不超過約1.0 mm。本文中描述的采用石墨材料制備的微通道散熱器具有優(yōu)于采用 其它材料制備的微通道散熱器的大量?jī)?yōu)點(diǎn)。—個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與硅、鋁、銅、金剛石和其它傳統(tǒng)使用的其它材 料相比，石墨材料重量較輕。這種重量較輕的高容量微通道散熱器 構(gòu)件特別適用于較小計(jì)算裝置如膝上型計(jì)算機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理和電 話。組成散熱器構(gòu)件300的各柔性石墨片層優(yōu)選密度為約1.0 g/cc-約2.0g/cc。更優(yōu)選所迷片層的密度為約1.4g/cc-約2.0g/cc。所述片層的 導(dǎo)熱率優(yōu)選為至少約140W/m°K，更似&至少約400 W/m°K。
采用石墨材料制備的散熱器構(gòu)件的另 一優(yōu)點(diǎn)是所述材料對(duì)水呈 情性，水是用fi故通道散熱器的最常見冷卻液體。這與已用于微通 道散熱器的一些其它材^H-鋁不同。盡管用于采用石墨材料制備的 微通道散熱器的優(yōu)選冷卻介質(zhì)為水，可使用任何其它合適冷卻流 體，只要其不包含會(huì)腐蝕柔性石墨片層中樹脂的溶劑或同類物即 可。采用石墨材料制備的散熱器構(gòu)件的另一優(yōu)點(diǎn)是與已用于微通 it散熱器的一些其它材料如硅相比，所述材料本身具有良好的導(dǎo)熱 性。采用石墨材料制備的散熱器構(gòu)件的另 一優(yōu)點(diǎn)是所述石墨材料 具有與通常用于微處理器和其它電子裝置的半導(dǎo)體和陶瓷材料相當(dāng) 的熱膨脹系數(shù)。采用石墨材料制備的散熱器構(gòu)件300的另一優(yōu)點(diǎn)是可采用 高產(chǎn)量生產(chǎn)方法(如輥筒軋壓法)將所述微通道形成到所述材料內(nèi)，這 允許成本有效地生產(chǎn)所述材料?？赏ㄟ^輥筒軋壓產(chǎn)生寬度低至約100 微米的通道。采用浸漬樹脂的石墨片層時(shí)，所述石墨片層優(yōu)選樹脂含量為至 少5%重量。更優(yōu)選它們的樹脂含量為約10°/。重量-約35°/。重量。合 適地，樹脂含量可達(dá)約60%重量。許多其它方法可用于在柔性石墨材料片層內(nèi)形成微通道。其它 方法可包括切削、蝕刻如酸蝕刻、空氣刻劃、聲波切削、激光燒 蝕、沖壓、光刻等?！N制備微通道散熱器300A的方法可概述成包括以下步驟
(a) 提供第一石墨材料片層302A,所述片層具有兩主表面303A 和305A;
(b) 在所述第一片層302A的一個(gè)主表面303A內(nèi)形成多個(gè)微通道314A;
(c) 將第二片層304A疊置在所迷第一片層302A上并將所述第一 和第二片層的相鄰主表面303A和309A結(jié)合在一起，圍成《敫通道 314A的橫截面；和
(d) 在所述第二片層3(HA的暴露主表面如306A上提 接觸表 面308A以安裝電予裝置312。另一實(shí)施方案中，可通過用液體如水充滿微通道并封閉其末端 來將微通道散熱器構(gòu)件300A-300F中的任一個(gè)簡(jiǎn)單地用作傳熱構(gòu) 件。在此實(shí)施方案中，流體不流動(dòng)通過所述微通道，但微通道中流 體的存在提供了傳熱介質(zhì)，所述傳熱介質(zhì)使所述微通道散熱器用作 非常有效的熱管或傳熱構(gòu)件。圖11是柔性石墨片層如302A橫截面的顯微照片，所述柔性 石墨片層具有通過在其一個(gè)和兩個(gè)主表面分別軋壓形成的微通道。 圖11照片的尺寸為0.25mm。所述柔性石墨片層的厚度為約0.9m-約 1.2mm。其中形成的微通道的深度為0.4-0.5mm,寬度為0.6-l.Omm。與硅材料要求的更昂貴切削或酸蝕刻相比，能在石墨中軋壓4效 通道及石墨微通道散熱器較輕的重量提供了本發(fā)明的另 一優(yōu)點(diǎn)。
盡管本申請(qǐng)按照微通道散熱器用于冷卻電子裝置如微處理器的 應(yīng)用來編寫，將認(rèn)識(shí)到的是本發(fā)明方法和散熱器同樣可用于其它熱 源。本申請(qǐng)中提到的所有引用專利和公開物通過引用結(jié)合。
這樣對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，將顯然的是其可以許多方式變化。 不認(rèn)為這種變化違背本發(fā)明精神和范圍，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然的 所有這種改進(jìn)將包含于以下權(quán)利要求書范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用于冷卻電子裝置的設(shè)備，所述設(shè)備包括散熱器構(gòu)件，所述散熱器構(gòu)件具有用來與所述電子裝置熱接觸的至少第一熱接觸表面；所述構(gòu)件由至少第一脫落石墨的壓縮顆粒片層組成，所述片層具有兩個(gè)主表面；和至少一個(gè)所述主表面具有在其中形成的第一組多個(gè)微通道，用于輸送冷卻劑流體，所述微通道各自具有平行于所述主表面之一的長(zhǎng)度和法向于所述長(zhǎng)度的橫截面，所述橫截面至少一個(gè)尺寸不到約1,000微米。
2. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中 所述構(gòu)件包括第二脫落石墨的壓縮顆粒片層，所述第一和第二片層結(jié)合在一起限定了所述孩t通道的橫截面。
3. 權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述第二片層是無微通道的平片層 并限定了所述第一片層微通道的蓋。
4. 權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述第二片層具有在其中限定的多 個(gè)微通道，與所述第一片層的孩i通道成圖案互補(bǔ)并疊置在其上。
5. 權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述第一熱接觸表面以與所述微通道相對(duì)位于所述第 一片層 的主表面上；和所述第二片層具有第二熱接觸表面，用于與第二電子裝置熱 接觸，從而所述散熱器可插入兩疊層電子裝置之間。
6. 權(quán)利要求2的設(shè)備，其中 所述構(gòu)件包括第三脫落石墨的壓縮顆粒片層，所述第三片層結(jié)合到所述第一和第二片層之一上；和所述第三片層和所述第一和第二片層之一具有在其中形成并 與所述第 一組多個(gè)微通道分離的第二組多個(gè)微通道，從而所述第一組和第二組多個(gè)孩允通道可以相反方向輸送冷卻劑流體。
7. 權(quán)利要求6的設(shè)備，其中 所述構(gòu)件在與所述第一熱接觸表面相反的側(cè)面上包括第二熱接觸表面。
8. 權(quán)利要求7的設(shè)備，所述設(shè)備與第一和第二疊層電子裝置結(jié) 合，所述第一和第二電子設(shè)備分別安裝在所述第一和第二熱接觸表 面上。
9. 權(quán)利要求l的設(shè)備，其中 所述橫截面的至少一個(gè)尺寸為至少約100微米。
10. 權(quán)利要求l的設(shè)備，其中 所述第一片層的密度為約1.0g/cc-約2.0g/cc。
11. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中 所述第一片層的厚度為約0.4mm-約3.75 mm。
12. 權(quán)利要求11的設(shè)備，其中 所述第一片層的厚度不超過約2.0 mm。
13. 權(quán)利要求11的設(shè)備，其中 所述第一片層的厚度不超過約1.0 mm。
14. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中 所述第一片層浸漬樹脂且樹脂含量為至少約5°/。重量。
15. 權(quán)利要求1的設(shè)備，所述設(shè)備還包括由附著到所述散熱器構(gòu)件的各向異性柔性石墨材料片層形成 并限定所述第 一熱接觸表面的熱界面。
16. 權(quán)利要求1的設(shè)備，所述設(shè)備與所述電子裝置結(jié)合，所述電 子裝置安裝在所述第一熱接觸表面上。
17. 權(quán)利要求l的設(shè)備，其中通過輥筒軋壓在所述第一片層內(nèi)形 成所述微通道。
18. 權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述不到約1,000微米的至少一個(gè) 尺寸包括所述橫截面的寬度。
19. 一種液體冷卻電子設(shè)備，所述設(shè)備包括可在高熱流密度的條件下操作的第 一和第二疊層電子裝置； 插入所述第一和第二疊層電子裝置之間并與每個(gè)都熱接觸的散熱器構(gòu)件；和所述構(gòu)件由至少兩層柔性石墨材料片層組成，所述石墨材料片具有結(jié)合在一起的主表面，至少一個(gè)所述片層具有在其中形成的多個(gè)微通道以輸送冷卻劑液體。
20. —種采用石墨材料制備微通道散熱器的方法，所述方法包括(a) 提供第一和第二柔性石墨材料片層，各片層具有兩主表面；(b) 在所述第一片層的至少一個(gè)所述主表面內(nèi)形成多個(gè)微通道；(c) 將所述第二片層疊置在所述第一片層上并將所述第一和第 二片層的相鄰主表面結(jié)合在一起，圍成所述微通道的橫截面；和(d) 在所述第一和第二片層之一的暴露主表面上提供熱接觸表 面以安裝電子裝置。
全文摘要
采用石墨材料制備微通道散熱器。所述散熱器構(gòu)件(300)具有至少第一熱接觸表面(308)以與電子裝置(312)熱接觸。所述構(gòu)件由至少第一脫落石墨的壓縮顆粒片層(302)組成，所述第一片層具有兩個(gè)主表面；至少一個(gè)所述主表面具有在其中形成的第一組多個(gè)微通道(314A)來輸送冷卻劑流體。所述微通道各自具有平行于所述主表面之一的長(zhǎng)度和法向于所述長(zhǎng)度的橫截面(318)。所述橫截面至少一個(gè)尺寸不到約1,000微米。
文檔編號(hào)F28F3/12GK101427095SQ200680052582
公開日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2006年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月6日
發(fā)明者J·諾爾利, M·G·格茨, P·斯坎達(dá)庫(kù)馬蘭 申請(qǐng)人:格拉弗技術(shù)國(guó)際控股有限公司