專利名稱：電子器件用的熱處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一熱處理裝置(thermal solution)，其能管理來自于如電子器件的元件等熱源的熱，從而驅(qū)散由熱源產(chǎn)生的熱，同時調(diào)解熱對該器件和其它器件元件的使用者產(chǎn)生的影響。
背景技術(shù)：
隨著越來越復雜的電子器件的發(fā)展，包括那些能夠提高處理速度和更高的頻率，具有更小體積和電源要求更復雜并表現(xiàn)出其它技術(shù)先進性的器件，如電子和電器元件中的微處理器和集成電路，高容量和響應(yīng)記憶元件，如硬盤驅(qū)動器，電磁源，如數(shù)字投影儀以及諸如其它高功率光學器件等器件中的燈泡，可能會產(chǎn)生相對極端的溫度。但是，微處理器、集成電路和其它復雜的電子元件通常只在一定范圍內(nèi)的臨界溫度中才能有效地進行操作。這些元件在操作過程中產(chǎn)生的過多的熱不僅能損害它們的性能，還能降低整個系統(tǒng)的性能和可靠性，甚至還會導致系統(tǒng)失效。電子系統(tǒng)進行操作的環(huán)境條件范圍，包括溫度極限的不斷擴大，加劇了過熱的負面影響。
隨著微電子系統(tǒng)中時散熱的需求不斷增加，熱管理在電子產(chǎn)品的設(shè)計中已變成一個日益重要的元素。電子設(shè)備的性能穩(wěn)定性和使用壽命均與設(shè)備的元件溫度成反比。比如，降低器件，如典型的硅半導體的操作溫度，能夠相應(yīng)地提高器件的處理速度、可靠性和使用壽命。因此，為最大限度地提高元件的使用壽命和可靠性，把器件的操作溫度控制在設(shè)計師設(shè)定的限度內(nèi)是極為重要的。
再有，對體積更小和更緊湊的電子產(chǎn)品，如筆記本電腦、移動電話、數(shù)字照相機和投影儀等不斷增長的需求，意味著熱源將接近器件的外表面和其它元件。這樣，器件的外表面可能變熱，對于使用者來說可能是不舒適或甚至是危險的。而且，器件中一個元件產(chǎn)生的熱可能對臨近的元件產(chǎn)生負面影響。盡管一個潛在的解決方法是隔絕熱源，但這并不是一個令人滿意的解決方法，因為這樣做會使熱源產(chǎn)生的熱集中在熱源上，從而對熱源產(chǎn)生潛在的損害。
例如，在一些筆記本電腦中，能夠產(chǎn)生大量熱的硬盤驅(qū)動器被安裝在電腦中的一個所謂的“掌托”(palmrest)的下面?！罢仆小笔俏挥阪I盤和使用者之間的一塊區(qū)域，使用者在打字時通常將手掌放在這個地方。在更薄的筆記本電腦中，硬盤驅(qū)動器產(chǎn)生的熱能夠通過筆記本電腦的機箱傳送到使用者的手掌上，從而產(chǎn)生不適，甚至疼痛。實際上，一些筆記本電腦的掌托溫度經(jīng)測量曾經(jīng)超過40℃。同樣地，產(chǎn)生熱的元件能夠?qū)е鹿P記本電腦的底部變熱，導致使用者在將筆記本電腦放在大腿上使用時會感到不適或疼痛。這已經(jīng)成為筆記本電腦和其它便攜式設(shè)備制造商面對的一個重大問題，而為了獲得更高的便攜性，使這些器件體積變得更小的努力一直卻沒有中斷。
一類重量相對較輕并適用于驅(qū)散如電子元件等熱源產(chǎn)生的熱的材料是通常眾所周知的石墨，特別是以下所描述的石墨，如基于天然石墨和彈性石墨的石墨。這些材料是各向異性的并使散熱器件可以被設(shè)計成為向選定方向優(yōu)先傳遞熱。石墨材料重量更輕，因此與銅和鋁相比具有更多的優(yōu)勢。
石墨由六邊形排列或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳原子的層面(layerplanes)構(gòu)成。這些以六邊形排列的碳原子的層面基本上平的，排列的方向和順序使它們基本上相互之間是平行和等距的。碳原子組成的基本上是平的和平行等距的薄片或?qū)油ǔ１环Q為graphene層或基面，它們聯(lián)接或粘接在一起，這些graphene層或基面組成的組又排列成微晶。高度規(guī)則的石墨由相當大的微晶組成微晶相互間緊密排列成一條直線或定向并且擁有排序良好的碳層。換言之，排列高度規(guī)則的石墨擁有高的優(yōu)選的微晶定向度。應(yīng)該注意的是石墨擁有各向異性的結(jié)構(gòu)并因此顯示出或擁有許多高度方向性的性質(zhì)，如熱和電傳導性和液體擴散性。
簡言之，石墨可以被表征為碳的層壓結(jié)構(gòu)，即，由通過微弱的范得瓦力結(jié)合在一起的碳原子形成的懸浮層或?qū)訅簩訕?gòu)成的結(jié)構(gòu)。在考慮石墨的結(jié)構(gòu)時，通常要注意到兩個軸或方向，即“c”軸或方向和“a”軸或方向。為簡單起見，“c”軸或方向可以被認為是與碳層垂直的方向?！癮”軸或方向可以被認為是與碳層平行的方向或與“c”方向垂直的方向。適于制造彈性石墨片的石墨擁有非常高的定向度。
如前所述，使平行碳原子層結(jié)合在一起的鍵合力只是微弱的范得瓦力。天然石墨可以被處理從而使重疊的碳層或薄層可以略微展開，以便在垂直于該層的一個方向即“c”方向上提供顯著的膨脹，并因此形成一個膨脹的或擴大的石墨結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中基本上保留碳層的薄片狀特點。
極大膨脹的石墨薄片，特別是膨脹后擁有的最終厚度或“c”方向尺度(dimension)為原“c”方向尺度大約80倍或更多時，可以不使用粘接劑而形成粘的或完整的膨脹石墨片材，如網(wǎng)、紙、帶子、磁帶、箔紙、墊子等等(一般稱為“彈性石墨”)。通過壓縮并且不使用任何粘接材料將膨脹至擁有最終厚度或“c”方向尺度為原“c”方向尺度大約80倍或更高的石墨顆粒形成完整的彈性薄片被認為是可能的，因為大量膨脹的石墨顆粒之間存在機械咬合力或粘結(jié)力。
除了彈性以外，如上所述，就熱和電傳導性和液體擴散性而言，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與天然石墨原料相比，片材具有高的各向異性度，這是因為非常高的壓縮，如卷壓，使得膨脹的石墨顆粒和石墨層的方向基本上與相對的片的表面平行。因此，制成的片材就具有出眾的彈性，優(yōu)良的強度和非常高的定向度。
簡言之，生產(chǎn)具有彈性的、無粘合劑的、各向異性的石墨片材的方法，如生產(chǎn)網(wǎng)、紙、帶子、磁帶、箔紙、墊子等等的方法，包括在預(yù)先設(shè)定的負荷和沒有粘合劑的情況下壓縮或致密膨脹的石墨顆粒，該石墨顆粒的“c”方向尺度為初始顆粒的“c”方向尺度的大約80倍或更高，從而形成基本上平的，具有彈性的和完整的石墨片材。通常像小蟲或蠕蟲狀的膨脹石墨顆粒一經(jīng)壓縮，就會與相對的片材的主表面保持壓縮位置并對齊。片材的密度和厚度可通過控制壓縮度來改變。片材的密度可以在大約0.04g/cm3至大約2.0g/cm3的范圍之間。由于石墨顆粒與片材的主要相對平行表面平行排列，隨著卷壓片材以提高定向度，各向異性度也得到提高，所以彈性石墨片材表現(xiàn)出明顯的各向異性。在卷壓的各向異性片材中，片材的厚度，即與相對的平行片層垂直的方向包含“c”方向而沿長度和寬度的方向，即沿著或平行于相對的主要表面包含“a”方向的方向，并且熱、電液體擴散特性在“c”方向和“a”方向上非常不同，相差幾個數(shù)量級。
雖然層離石墨(exfoliated)(即彈性石墨)壓縮顆粒的片材被建議用作散熱器、熱界面和驅(qū)散由熱源產(chǎn)生的熱的熱阱的零件(比如，見美國專利6,245,400，6,482,520，6,503626和6,538,892)，但是，“觸覺溫度問題”，即電子器件外表面變熱到對使用者來說是不舒服或危險的，以及臨近元件變熱的問題尚未完全得到解決。
因此，改善便攜式或小型化器件的電子元件的熱處理裝置的需求仍然存在。在這些器件中，元件所發(fā)的出熱不僅要被隔離，從而不會對臨近的元件產(chǎn)生不良影響，或?qū)е略撈骷氖褂谜弋a(chǎn)生不適或發(fā)生危險，還要被驅(qū)散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種熱處理裝置，該裝置能夠驅(qū)散來自于電子元件的熱，同時還能夠保護使用者或臨近的元件不受該元件產(chǎn)生的熱的影響。本發(fā)明的熱處理裝置包含一個層離石墨(本文中也被稱為“彈性石墨”)的壓縮顆粒的各向異性的片材。在本文中，術(shù)語“彈性石墨”還指熱解石墨的單層的或?qū)訅旱钠?。被用于本發(fā)明中的熱處理裝置的彈性石墨片材的平面內(nèi)的熱導率基本上高于貫穿平面方向上(through-plane)的熱導率。換言之，本發(fā)明的熱處理裝置有相對高(10或大于10)的熱各向異性比。熱各向異性比是平面內(nèi)熱導率與貫穿平面方向上的熱導率之比。
熱處理裝置包含兩個主表面，其中一個主表面與諸如硬盤或數(shù)字投影儀中放置的光源的盒子等熱源的一個表面有效接觸。熱處理裝置的面積大于接觸熱源的熱處理裝置的面積，這樣熱處理裝置的平面內(nèi)熱導就可以驅(qū)散來自熱源的熱。最有利的是，熱處理裝置的一個主要表面(不一定是與熱源接觸的同一主要表面)還與諸如熱阱之類的散熱器件有效接觸，這樣由于該表面的平面內(nèi)熱導率相對較高，由熱源產(chǎn)生的熱就可以在熱處理裝置中傳遞并被傳遞到熱阱中從而被驅(qū)散。
由于貫穿厚度方向上(through-thickness)的熱導率相對低(或換言之，熱導各向異性比高)，由熱源產(chǎn)生的熱無法很容易地在熱處理裝置中傳遞。因此，當熱處理裝置位于熱源和熱源所處的器件的一個外表面之間，或位于熱源和熱源所處的器件中的另一個元件之間時，熱處理裝置就減少或消除從熱源到外表面或另一個元件的熱流。本發(fā)明的熱處理裝置的保形特性(conformable nature)可使該裝置在即使空間非常有限的地方也能使用。
另外，使用彈性石墨材料作為本發(fā)明的熱處理裝置的另外一個好處在于石墨材料有阻斷電磁和無線電頻率(EMI/RF)的能力。據(jù)信，除了其主要目的，即散熱/保護功能以外，本發(fā)明的熱處理裝置還能夠保護其所處的器件中的元件不受EMI/RF干擾。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，熱處理裝置可以有一個層壓或涂覆于其上的鋁層或其它各向異性的導體，如銅，它們介于熱處理裝置和熱源表面之間以提高熱處理裝置的可操作性和機械堅韌性，并調(diào)節(jié)熱處理裝置的熱傳遞和EMI/RF保護特性。同樣地，熱界面材料(thermal interfacematerial)，如國際專利申請No.PCT/US02/40238RN所記載的和/或俄亥俄州雷克伍德市的高級能源技術(shù)公司的Graf H-ThermTM生產(chǎn)線生產(chǎn)的市售的熱脂或基于石墨的熱界面，可以被置于熱處理裝置和熱源之間以利于熱源和本發(fā)明的熱處理裝置之間的熱傳遞。
另外，為了提高熱處理裝置的機械堅韌性和可操作性以及潛在地進一步阻斷或隔絕熱從熱源傳送到器件的外表面或器件中其它的元件，一層相對不導熱的材料，如塑料，像Myar材料或其它樹脂或類似材料，可以被覆蓋在該熱處理裝置上。
在熱處理裝置的一個或兩個主要表面上使用鋁、塑料層等可以獲得一個額外的優(yōu)勢。雖然并不是非常有根據(jù)，但是一直存在對于在電子器件中使用石墨元件可能導致由于石墨顆粒從石墨元件上脫落而產(chǎn)生問題的擔心。鋁和塑料等還可以用于或配合將石墨熱處理裝置包起來，從而消除石墨脫落所產(chǎn)生的任何實際可能性。
因此，本發(fā)明的一個目的就是提供一個改進的熱處理裝置，其能夠驅(qū)散由電子器件的元件產(chǎn)生的熱，同時保護臨近的結(jié)構(gòu)不受熱的影響。
本發(fā)明的另一個目的是提供一個熱處理裝置，其有足夠高的熱各向異性比從而能夠在有效地散熱，同時還能避免熱傳遞到臨近的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的又一個目的是提供一個具有保形性(conformable)的熱處理裝置，其能在空間有限的環(huán)境內(nèi)提供散熱和熱阻斷。
在閱讀以下的說明后，這些以及其它目的對于技術(shù)人員來說便成為顯而易見的，它們能夠通過提供一個用于電子器件(如筆記本電腦)的散熱和保護系統(tǒng)來實現(xiàn)。該系統(tǒng)包括一個擁有第一元件(如硬盤驅(qū)動器)的電子器件，該第一元件包含一個熱源，其向電子元件的外表面(如筆記本電腦的機箱)和/或器件的第二元件(如筆記本電腦的芯片組)傳熱；一個擁有兩個主要表面的熱處理裝置，其位置使它的一個主要表面與第一元件有效接觸從而介于第一元件和電子元件的外表面和/或第二元件之間，其中第一元件向電于元件傳遞熱，熱處理裝置包含至少一個彈性石墨片材。熱處理裝置的平面內(nèi)熱導率優(yōu)選為至少大約140W/m°K，更優(yōu)選地至少大約200W/m°K，貫穿平面方向上的熱導率優(yōu)選不大于大約12W/m°K，更優(yōu)選地不大于大約10W/m°K。
最好，本發(fā)明的系統(tǒng)還包括一個散熱器件，如熱阱、散熱管、散熱板、或它們的組合。該散熱器件位于不直接臨近第一元件的位置，并且其中熱處理裝置的一個主要表面與散熱器件有效接觸。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，熱處理裝置上可以有一個保護涂層，如塑料。最優(yōu)選的是，該保護涂層的熱導率小于所述至少一個彈性石墨片材的貫穿平面方向上的熱導率。熱傳遞材料，如金屬或熱界面，也可以安裝在位于熱處理裝置和第一元件之間的位置。
需要理解的是，以上的概括敘述和以下對本發(fā)明的實施方案的詳述意在提供一個對本發(fā)明所請求保護的特性和特征總的或框架性的理解。附圖用來提供對本發(fā)明更進一步地理解，并被加入到本說明書中成為說明書的一部分。附圖顯示了本發(fā)明的不同實施方案，與文字說明一起解釋本發(fā)明的原理和操作。


圖1是被用來連接熱源和熱阱的本發(fā)明熱處理裝置的第一個實施方案的透視圖。
圖2a是一臺上頂板被拆除的筆記本電腦的透視圖。
圖2b是位于圖2a所示筆記本電腦中的圖1所示的熱處理裝置的透視圖。
圖3是覆蓋有塑料和鋁的本發(fā)明的熱處理裝置的第二個實施方案的截面圖。
具體實施例方式
如前所述，本發(fā)明的熱處理裝置由層離石墨的壓縮顆粒的薄片形成，層離石墨即通常所說的彈性石墨。石墨是結(jié)晶形式的碳，其包含在平層平面(flat layered planes)上共價鍵合的原于，而平面間為更弱的鍵。用諸如硫酸和硝酸溶液的插層劑(intercalant)處理石墨顆粒，如天然石墨薄片，使石墨的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)從而形成石墨和插層劑的混合物。在下文中，經(jīng)處理的石墨顆粒被稱為“夾層石墨的顆?！?。在高溫下暴露后，石墨中的插層劑分解并揮發(fā)，致使夾層石墨的顆粒沿“c”方向，即與石墨的結(jié)晶平面垂直的方向，以手風琴狀的形式膨脹至原體積的大約80倍。層離的石墨顆粒的外形象蟲子一樣，并因此通常被稱為蠕蟲。蠕蟲可以一起被壓縮成彈性片材。與原來的石墨薄片不同的是，該片材能夠被成形和切割成不同的形狀。
適于在本發(fā)明中使用的石墨原料包括能夠插入有機和無機酸以及鹵素并且當暴露于熱時可以膨脹的高度石墨化含碳原料。這些高度石墨化含碳原料最優(yōu)選具有大約1.0的石墨化度。在本說明書的公開中，術(shù)語“石墨化度”指按以下公式計算得出的g值g=3.45-d(002)0.095]]>其中d(002)是以埃為單位計算的結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的碳的石墨化層之間的間距。石墨層之間的間距d是以標準的X光衍射技術(shù)測量的。測量對應(yīng)于(002)，(004)和(006)米勒指數(shù)的衍射峰值的位置，并且對器件間距使用標準最小二乘法以將所有峰值的總誤差最小化。高度石墨化含碳原料的例子包括不同來源的天然石墨以及其它含碳材料，如通過化學蒸氣沉淀法，高溫分解聚合物，或由熔融金屬溶液結(jié)晶等等制備的石墨。天然石墨是最優(yōu)選的。
本發(fā)明中所使用的石墨原料可以含有非石墨成分，只要該石墨原料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)保持所需的石墨化度并且可以發(fā)生層離。一般地，任何結(jié)晶結(jié)構(gòu)具有所需的石墨化度并且可以發(fā)生層離的含有碳的材料都適合于在本發(fā)明中使用。這樣的石墨的純度優(yōu)選地為大約至少8％。更優(yōu)選地，本發(fā)明中使用的石墨的純度為大約至少94％。在一個最優(yōu)選的實施方案中，使用的石墨的純度將達到至少大約98％。
在Shane等人的美國專利3,404,061中描述了一個常用的生產(chǎn)石墨片材的方法，在此引入該專利所公開的內(nèi)容作為參考。在一個典型的Shane等人描述的方法的實踐中，通過將天然石墨薄片分散于含有諸如硝酸和硫酸的混合物的溶液中，使天然石墨薄片產(chǎn)生夾層，最好在每100重量份石墨薄片(pph)中添加大約20至大約300重量份的插層劑溶液。插層劑溶液包含本技術(shù)領(lǐng)域已知的氧化劑和其它插層劑。其例子包括那些包含氧化劑和氧化混合物的溶液，如含有硝酸、氯酸鉀、鉻酸、高錳酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、高氯酸等等的溶液，或混合物，如濃硝酸和氯酸鹽，鉻酸和磷酸、硫酸和硝酸，或一強有機酸如三氟乙酸和可溶于該有機酸的強氧化劑的混合物?？晒┻x擇地，可以使用電位使石墨氧化?？梢酝ㄟ^使用電解氧化被引入石墨結(jié)晶的化學物質(zhì)包括硫酸和其它的酸。
在一個優(yōu)選的實施方案中，插層劑是硫酸或硫酸和磷酸與氧化劑的混合物的溶液，氧化劑是硝酸、高氯酸、鉻酸、高錳酸鉀、過氧化氫、碘酸或高碘酸等等。雖然不太優(yōu)選，但插層劑溶液可以含有金屬鹵化物，如氯化鐵，和與硫酸混合的氯化鐵，或鹵化物，如溴，作為溴和硫酸或溴在有機溶劑中的溶液。
插層劑溶液的量可以為大約20至大約350pph，更典型的為大約40至大約160pph。在薄片產(chǎn)生夾層后，所有過量的溶液都將被排出薄片，然后用水洗滌該薄片?？晒┻x擇地，插層劑溶液的量可以被限定在大約10至大約40pph之間，該量可以允許如美國專利4,895,713教導和描述的那樣省去洗滌步驟。本文中也引用該專利所公開的內(nèi)容作為參考。
用插層劑溶液處理的石墨薄片顆?？梢酝ㄟ^如共混任選地與以下物質(zhì)接觸還原馬鈴薯淀粉、乙二醇一硬酸酯、二乙二醇二苯甲酸酯、丙二醇一硬酸酯、甘油一硬酸酯、二甲基oxylate、二乙基oxylate、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗壞血酸、和木質(zhì)素衍生的化合物，如木素磺酸鈉。合適的有機還原劑的量為占石墨薄片的顆粒重量的大約0.5至4％。
在插入前、期間或之后立即使用膨脹助劑也可以帶來改善，其中包括降低了的層離反應(yīng)溫度和提高了的膨脹體積(也稱為“蠕蟲體積”)。本文中提到的具有優(yōu)勢的膨脹助劑是有機材料，其能充分溶解在插層劑溶液中并取得在膨脹性方面改善。更具體地，可以使用優(yōu)選僅僅包含碳、氫和氧的此類有機材料。羧酸被發(fā)現(xiàn)是特別有效的。適合作為膨脹助劑的羧酸可以選自芳族、脂族、或脂環(huán)族、直鏈或支鏈、飽和和不飽和一元羧酸、二元羧酸和多元羧酸，它們具有至少1個碳原子，優(yōu)選最多大約15個碳原子，并可以有效量溶解于插層劑溶液中以在有關(guān)層離的一個或更多方面提供可測定的改善。合適的有機溶劑可以用來改善有機膨脹助劑在插層劑溶液中的溶解度。
具有代表性的飽和脂族羧酸的例子是諸如具有式H(CH2)nCOOH的酸，其中n是0至大約5的數(shù)字。這些酸包括蟻酸、醋酸、丙酸、丁酸、戊酸和己酸等等。酸酐或活性羧酸衍生物，如烷基酯，也可以用來代替羧酸。具有代表性的烷基酯是甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它已知的含水插層劑具有將甲酸完全分解為水和二氧化碳的能力。因此，甲酸和其它敏感性膨脹助劑最好在石墨薄片浸漬在含水插層劑之前與石墨薄片接觸。具有代表性的二元羧酸是具有2至12個碳原子的脂族二元羧酸，特別是草酸、富馬酸、丙二酸、馬來酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、1，5-戊二酸、1，6-己烷二羧酸、1，10-癸烷二羧酸、環(huán)己烷-1，4-二羧酸和芳族二元羧酸，如鄰苯二甲酸或?qū)Ρ蕉姿?。具有代表性的烷基酯是二甲基oxylate和二乙基oxylate。具有代表性的環(huán)脂族酸是環(huán)己烷羧酸。具有代表性的芳族羧酸是苯甲酸、萘酸、鄰氨基苯甲酸、對氨基苯甲酸、水楊酸、o-，m-和p-甲苯酸、甲氧基和乙氧基苯甲酸、乙酰乙酰氨基苯甲酸、乙酰氨基苯甲酸、苯乙酸和萘酸。具有代表性的羥基芳族酸是羥基苯甲酸、3-羥基-1-萘酸、3-羥基-2-萘酸、4-羥基-2-萘酸、5-羥基-1-萘酸、5-羥基-2-萘酸、6-羥基-2-萘酸和7-羥基-2-萘酸。在多元羧酸中最主要的是檸檬酸。
插層劑溶液是水性的并且優(yōu)選地含有大約1-10％的量的膨脹助劑，該量可以有效地增強層離反應(yīng)。在一個實施方案中，膨脹助劑在石墨薄片浸漬在水性的含插層劑的溶液之前或之后與石墨薄片接觸，膨脹助劑可以通過合適的裝置，如V型混合器，與石墨混合，典型地，該膨脹助劑的量占石墨薄片重量的大約0.2％至大約10％。
在插入石墨薄片并隨之將涂覆了插層劑的夾層石墨薄片與有機還原劑共混后，將共混物暴露于25℃至125℃的溫度中以促進還原劑和插層劑涂層之間的反應(yīng)。加熱時間最長可達大約20小時。短一些的加熱時間，如至少大約10分鐘，則需要上述范圍中更高的溫度。半小時或更短的時間，如10至25分鐘，可以在更高的溫度下應(yīng)用。
如此處理的石墨顆粒有時也被稱為“夾層石墨顆粒”。在暴露于高溫后，如至少大約160℃的溫度，特別是大約700℃至1000℃和更高的溫度，夾層石墨的顆粒在c方向，即垂直于組成石墨顆粒的結(jié)晶平面的方向，以手風琴狀的方式膨脹至原體積的大約80至1000倍或更高的倍數(shù)。膨脹的，即層離的，石墨顆粒的形狀像個蟲子，并因此通常被稱為蠕蟲。蠕蟲可以被一起壓縮成彈性薄片。與原來的石墨薄片不同的是，這些彈性薄片可以被成形和切割成各種形狀。
彈性石墨片材和箔粘結(jié)在一起，其具有優(yōu)良的操作強度并且適合用如卷壓等方法壓縮成具有大約0.075mm至3.75mm的厚度和大約每立方厘米0.1至1.5克(g/cm3)的典型密度。如美國專利5,902,762(在此引用該專利公開的內(nèi)容作為參考)所述，大約1.5至30重量％的陶瓷添加物可以與夾層石墨薄片共混以在最終獲得的彈性石墨產(chǎn)品中提供改善的樹脂浸漬性。添加劑包括長度大約為0.15至1.5毫米的陶瓷纖維顆粒。合適的顆粒寬度為大約0.04至0.004mm。陶瓷纖維顆粒不與石墨發(fā)生反應(yīng)和粘著，并且在高至1100℃，優(yōu)選大約1400℃或更高的溫度下是穩(wěn)定的。合適的陶瓷纖維顆粒由以下物質(zhì)構(gòu)成，浸漬的石英玻璃纖維、碳和石墨纖維、氧化鋯、氮化硼、碳化硅和氧化鎂纖維、天然形成的礦物纖維，如偏硅酸鈣纖維、硅酸鈣鋁纖維、氧化鋁纖維等等。
如在國際專利申請PCT/US02/39749中所述，上述插入和層離石墨薄片的方法可以通過在石墨化的溫度下，如在溫度大約3000℃以上時預(yù)處理石墨薄片以及通過在插層劑中加入潤滑添加劑而得到有益的加強。
當薄片隨后被插入和層離時，石墨薄片的預(yù)處理或退火可以導致急劇增加的膨脹(如體積可膨脹300％或更多)。當然，理想地是，與沒有退火步驟的類似方法相比，體積至少增加大約50％。退火步驟中使用的溫度不應(yīng)該顯著地低于3000℃，因為即使溫度下降100℃也會導致大大減小的膨脹。
本發(fā)明的退火時間足夠使薄片在插入反應(yīng)和隨后的層離反應(yīng)后具有提高的膨脹度。一般地，所需的時間為1小時或更長，優(yōu)選地為1至3小時，最具有優(yōu)勢地在惰性環(huán)境內(nèi)進行。為了獲得最大的有益結(jié)果，退火的石墨薄片還將經(jīng)過本領(lǐng)域公知的其它工藝以提高膨脹度，即在有機還原劑、插層反應(yīng)助劑如有機酸的存在下的插層反應(yīng)以及插層反應(yīng)后的表面活性劑的洗滌步驟。而且，為了獲得最大的有益結(jié)果，插層反應(yīng)步驟可以重復進行。
本發(fā)明的退火步驟可以在感應(yīng)爐或其它石墨化領(lǐng)域已知的和承認的設(shè)備中進行。此處所用的溫度，即3000℃的范圍，是石墨化工藝中遇到的最高的溫度范圍。
由于使用經(jīng)過預(yù)插層反應(yīng)退火的石墨生產(chǎn)的蠕蟲被觀察到有時可凝集在一起，這將對面積重量的均勻性產(chǎn)生負面影響，所以非常需要能夠幫助形成“自由流動”的蠕蟲的添加劑。在插層反應(yīng)溶液中添加潤滑添加劑有助于在壓縮設(shè)備床(如傳統(tǒng)上用來壓縮(或“軋壓”)石墨蠕蟲以形成彈性石墨片材的軋壓機)上更均勻地分布蠕蟲。所得的片材因此具有更高的面積重量均勻性和拉伸強度。潤滑添加劑優(yōu)選地是長鏈碳氫化合物，更優(yōu)選的含有至少大約10個碳的碳氫化合物。其它含有長鏈烴基的有機化合物，即使有其它官能團，也可以使用。
更優(yōu)選地，潤滑添加劑是一種油，最優(yōu)選的是礦物油，特別是，考慮到礦物油不易產(chǎn)生惡臭和氣味，這對于長期貯存是重要的。需要注意的是一些上述具體提及的膨脹助劑也滿足潤滑劑的定義。當這些材料被用作膨脹助劑時，在插層劑中就不需要再包括一個單獨的潤滑添加劑了。
潤滑添加劑在插層劑中的存在量為至少大約1.4pph，更優(yōu)選的為至少大約1.8pph。雖然潤滑添加劑的加入量的上限不像下限那么重要，但是加入大于4pph的潤滑添加劑似乎不會帶來任何顯著的額外優(yōu)勢。
如此處理后的石墨顆粒有時被稱為“夾層石墨顆粒”。暴露于高溫后，如至少大約160℃的溫度，特別是大約700℃至1000℃和更高的溫度，夾層石墨的顆粒在c方向，即垂直于組成石墨顆粒的結(jié)晶平面的方向，以手風琴狀的方式膨脹至原體積的大約80至1000倍或更高的倍數(shù)。膨脹的，即層離的，石墨顆粒的形狀像個蟲子，并因此通常被稱為蠕蟲。蠕蟲可以被一起壓縮成彈性片材。與原來的石墨薄片不同的是，這些彈性片材可以被成形和切割成各種形狀并通過下文所述的使機械抗擊變形而獲得小的橫向開口。
彈性石墨片材和箔粘結(jié)在一起，其具有優(yōu)良的操作強度并且適合用如卷壓等方法壓縮成具有大約0.075mm至3.75mm的厚度和大約每立方厘米0.1至1.5克(g/cm3)的典型密度。如美國專利5,902,762(在此引入該專利公開的內(nèi)容作為參考)所述，大約1.5至30重量％的陶瓷添加物可以與夾層石墨薄片共混以在最終獲得的彈性石墨產(chǎn)品中提供改善的樹脂浸漬性。添加劑包括長度大約為0.15至1.5毫米的陶瓷纖維顆粒。合適的顆粒寬度為大約0.04至0.004mm。陶瓷纖維顆粒不與石墨發(fā)生反應(yīng)和粘著，并且在高至1100℃，優(yōu)選大約1400℃或更高的溫度下是穩(wěn)定的。合適的陶瓷纖維顆粒由以下物質(zhì)構(gòu)成，浸漬的石英玻璃纖維、碳和石墨纖維、氧化鋯、氮化硼、碳化硅和氧化鎂纖維、天然形成的礦物纖維，如偏硅酸鈣纖維、硅酸鈣鋁纖維、氧化鋁纖維等等。
有時，有利地是，也可以用樹脂處理彈性石墨片材，吸收的樹脂在固化后提高了彈性石墨片材的防潮性和操作強度，即硬度，并“穩(wěn)固”片材的形態(tài)。合適的樹脂含量為優(yōu)選至少大約5wt％，更優(yōu)選為大約10-35wt％，合適地可以最高到大約60wt％。在本發(fā)明的實踐中發(fā)現(xiàn)特別有用的樹脂包括基于丙烯酸、環(huán)氧、和酚的樹脂系統(tǒng)，基于氟的聚合物，或它們的混合物。合適的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)包括基于雙酚A(DGEBA)的二環(huán)氧甘油醚和其它多官能樹脂系統(tǒng)；可以使用的酚樹脂包括甲階酚醛樹脂和酚醛清漆酚醛塑料(novolac phenolics)。任選地，彈性石墨還可以用除了樹脂以外的纖維和/或鹽浸漬，它們也可以代替樹脂。另外，活性或非活性的添加物可以與樹脂系統(tǒng)一起使用以調(diào)節(jié)性質(zhì)(如粘性、物質(zhì)流、疏水性等等)。
可供選擇地，如國際專利申請PCT/US02/16730所討論的，本發(fā)明的彈性石墨片材可以使用重新研磨的彈性石墨片材的顆粒，而無需使用剛剛膨脹的蠕蟲。片材可以是新形成的薄片材料、回收的薄片材料、廢棄的薄片材料、或其它任何合適的來源。
本發(fā)明的方法還可以使用純凈的新材料和回收的材料共混物。
回收材料的原始材料可以是如上所述進行壓縮成形的片材或片材的經(jīng)過裁剪的部分，或預(yù)軋壓輥壓縮但尚未被樹脂浸漬的片材。而且，原始材料可以是用樹脂浸漬并尚未被固化的片材或片材的經(jīng)過裁剪的部分，或用樹脂浸漬的但已被固化的片材或片材的經(jīng)過裁剪的部分。原始材料也可以是經(jīng)回收的彈性石墨質(zhì)子交換薄膜(PEM)燃料電池元件，如流場板或電極。石墨的每個不同來源可以直接使用或與天然石墨薄片共混使用。
彈性石墨片材的原始材料一旦備齊后就可以用已知的方法或設(shè)備粉碎以制備顆粒，如氣流粉碎機、空氣粉碎機(air mill)、攪拌器等。優(yōu)選地，大部分顆粒的粒徑可以使這些顆粒通過20U.S.目的篩子，更優(yōu)選地主要的部分(大于大約20％，最優(yōu)選的大于大約50％)無法通過80U.S.目的篩子。最優(yōu)選的，顆粒的粒徑不大于大約20目。在粉碎過程中，當彈性石墨片材被樹脂浸漬時，最好冷卻正在被粉碎的彈性石墨片材以避免在粉碎過程中對樹脂系統(tǒng)產(chǎn)生熱損害。
可以選擇粉碎的顆粒的粒徑以平衡石墨顆粒的機械加工性、可成形性和所需的熱特性。因此，小的顆粒可以形成易于加工和/或成形的石墨制品，而大的顆粒則會形成具有更高的各向異性和更高的平面內(nèi)電和熱傳導率的石墨制品。
如果原始材料被樹脂浸漬，則優(yōu)選，樹脂要從顆粒上去除掉。下文將詳細介紹去除樹脂的情況。
原始材料被粉碎以及樹脂被去除掉后，該材料被重新膨脹。重新膨脹可以使用前述以及在Shane等人的美國專利3,404,061和Greinke等人的美國專利4,895,731所述的插層反應(yīng)和層離工藝。
一般地，在插層反應(yīng)后，通過在爐內(nèi)加熱被插層的顆粒使顆粒發(fā)生層離。在該層離步驟中，可以向回收的插層顆粒中加入被插層的天然石墨薄片。優(yōu)選地，在重新膨脹的步驟中，顆粒的比體積被膨脹到至少大約100cc/g至大約350cc/g或更高的范圍。最終，在重新膨脹步驟完成后，重新膨脹的顆?？梢员粔嚎s成如下文所述的彈性薄片。
如果原料被樹脂浸漬，樹脂應(yīng)該優(yōu)選地被至少部分地從顆粒上去除。該去除步驟應(yīng)該在粉碎步驟和重新膨脹步驟之間進行。
在一個實施方案中，去除步驟包括在如露焰上加熱包含樹脂的再磨研顆粒。更具體地，被浸漬的樹脂可以被加熱至至少大約250℃的溫度以去除樹脂。在該加熱步驟中應(yīng)該注意避免樹脂分解產(chǎn)物的閃光，這可以通過小心地在空氣或惰性環(huán)境中加熱而實現(xiàn)。優(yōu)選地，加熱應(yīng)該在大約400℃至大約800℃的范圍內(nèi)進行至少大約10至150分鐘或更長的時間。
另外，與不去除樹脂的類似的方法相比，樹脂去除步驟可以使在成形工藝中生產(chǎn)的最終制品具有提高的拉伸強度。樹脂去除步驟也會具有優(yōu)勢，因為在膨脹步驟中(即插層反應(yīng)和層離反應(yīng))，當樹脂與插層化學制劑混合時，樹脂有時會產(chǎn)生有毒的副產(chǎn)品。
因此，在膨脹步驟前將樹脂去除可以得到品質(zhì)優(yōu)良的產(chǎn)品，如具有前面討論的提高的強度特性。提高的強度特性部分地來自于提高的膨脹。當樹脂存在于顆粒中時，膨脹可能會受到限制。
除了強度特性和環(huán)境方面的考慮以外，考慮到樹脂可能在與酸的反應(yīng)中產(chǎn)生失控的放熱反應(yīng)，因此樹脂可以在插層反應(yīng)之前被去除。
考慮到以上內(nèi)容，優(yōu)選大部分樹脂被去除。更優(yōu)選地，大于約75％的樹脂被去除。最優(yōu)選地，大于99％的樹脂被去除。
在優(yōu)選的實施方案中，當彈性石墨片材被粉碎后，其被成形成所需的形狀，然后被固化(當被樹脂浸漬時)?？晒┻x擇地，片材可以在被粉碎之前被固化，雖然粉碎后進行固化是優(yōu)選的。
有時，還可以用樹脂處理彈性石墨片材，被吸收的樹脂在固化后提高了彈性石墨片材的防潮性和和處理強度，即硬度，和“穩(wěn)固”片材的形態(tài)。合適的樹脂含量優(yōu)選地小于大約60wt％，更優(yōu)選地小于大約35wt％，最優(yōu)選地在大約4wt％至大約15wt％之間。在本發(fā)明的實踐中發(fā)現(xiàn)特別有用的樹脂包括基于丙烯酸、環(huán)氧、和酚的樹脂系統(tǒng)，或它們的混合物。合適的環(huán)氧樹脂系統(tǒng)包括基于雙酚A(DGEBA)的二環(huán)氧甘油醚和其它多官能樹脂系統(tǒng)；可以使用的酚樹脂包括甲階酚醛樹脂和酚醛清漆酚醛塑料。但是，就本發(fā)明的目的而言，樹脂浸漬以及由其提供的硬度可能是不利的。
任選地，用于形成本發(fā)明的熱處理裝置的彈性石墨片材可以作為層壓片，層壓片各層之間有或沒有粘接劑均可。在層壓片之間可以包含非石墨層，盡管這樣可能會需要使用粘接劑。如上所述，使用粘接劑可能是不利的。這樣的非石墨層可以包括金屬、塑料或其它非金屬物質(zhì)，如纖維玻璃或陶瓷。
如上所述，由此形成的層離石墨的壓縮顆粒的片材本質(zhì)上是各向異性的，也就是說片材的平面內(nèi)熱導率是較高的。平面內(nèi)即指與貫穿片材或“c”方向相對的“a”方向。由此，石墨片材的各向異性的性質(zhì)將熱沿熱處理裝置的平面方向(即沿著石墨片材的“a”方向)傳遞。一般地，這樣的片材的平面內(nèi)方向的熱導率為至少大約140，更優(yōu)選地至少大約200，最優(yōu)選地至少大約250W/m°K，貫穿平面方向的熱導率為不大于大約12，更優(yōu)選地不大于大約10，最優(yōu)選地不大于大約6W/m°K。因此，熱處理裝置的各向異性比(即平面內(nèi)熱導率與貫穿平面方向上的熱導率之比)為不小于大約10。
層壓片平面內(nèi)和貫穿平面方向的熱導率的值可以通過改變用于形成熱處理裝置的彈性石墨片材的graphene層的方向排列來控制，包括如果被用于形成層壓片，或在形成熱處理裝置后通過改變層壓片自身的graphene層的方向排列來控制。以這種方式，熱處理裝置的平面內(nèi)熱導率得到增加，而處理裝置的貫穿平面方向上的熱導率減小，由此熱各向異性比也得到增加。
獲得graphene層方向排列的方法之一是通過向元件彈性石墨薄片加壓。加壓的方式既可以是通過軋壓薄片(即通過施用剪力)，也可以通過模壓或反印壓(即通過壓制)。軋壓能更有效地產(chǎn)生方向排列。例如，軋壓薄片使其密度為1.7g/cc，而不是1.1g/cc，平面內(nèi)的熱導率由大約240W/m°K提高到大約450W/m°K或更高，貫穿平面方向上的熱導率則成比例降低，從而提高了各個薄片以及由此形成的任何層壓片的熱各向異性比。
或供選擇地，如果形成了一個層壓片，則構(gòu)成層壓片的graphene層的方向排列通過如加壓等得到提高，加壓致使其密度大于構(gòu)成層壓片的元件彈性石墨片材的初始密度。實際上，通過這種方式，層壓件的最終密度能夠達到至少大約1.4g/cc，更優(yōu)選地至少大約1.6g/cc，最高至2.0g/cc?？梢允褂脗鹘y(tǒng)的方法加壓，如通過模壓或軋壓。優(yōu)選壓力是至少大約60兆帕(MPa)。密度要達到2.0g/cc，壓力就需要至少大約550MPa，優(yōu)選為至少大約700MPa。
令人驚訝的是，提高graphene層的方向排列可以使石墨層壓片的平面內(nèi)熱導率提高到與純銅的熱導率相當或甚至更高的水平，而密度卻比純銅小很多。另外，與非“排列的”層壓片相比，排列的層壓片(alignedlaminate)也表現(xiàn)出提高的強度。
參考附圖，特別是圖1，顯示的是本發(fā)明的熱處理裝置的一個實施方案，該裝置一般用數(shù)字10來表示。熱處理裝置10包含一片層離石墨的壓縮顆粒形成的片材，其具有兩個主要表面，分別用10a和10b表示。熱處理裝置10的兩個主要表面10a和10b之一的大小使它與一熱源有效接觸，熱源用100表示，如電子元件，像筆記本電腦的硬盤驅(qū)動器或移動電話的芯片組。這樣，熱源100產(chǎn)生的熱就分散到熱處理裝置10上。與熱源100接觸的主要表面10a或10b的面積大于與熱源100接觸的面積，這樣熱處理裝置10將熱源100產(chǎn)生的熱擴散出去。
而且，熱處理裝置10的主要表面10a或10b之一可以與散熱器件110有效接觸，如熱阱、散熱管、散熱板等等。散熱器件110能夠與熱處理裝置10和熱源100接觸的同一主要表面10a或10b接觸。因為熱處理裝置10具有各向異性的特性，由熱源100產(chǎn)生的熱就借此擴散到散熱器件110上從而驅(qū)散產(chǎn)生的熱。這樣，熱處理裝置就如同一個傳熱器一樣傳遞熱源100產(chǎn)生的熱，包括將熱傳遞到散熱器件110上。
但是，由于熱處理裝置10具有相對高的熱各向異性比，熱源100產(chǎn)生的熱無法通過熱處理裝置10的平面，從與熱源100有效接觸的主要表面10a或主要表面10b之一有效地向另一個主表面?zhèn)鞑ァＲ虼?，當熱處理裝置10位于熱源10和外表面之間時，熱無法有效地傳播到熱源10所在的器件(如筆記本電腦或移動電話)的外表面，而減少該外表面的溫度(10℃或有時更低)。
同樣地，當熱處理裝置10位于熱源10和另一個元件之間時，熱也無法有效地傳播到熱源10所在的器件(如筆記本電腦或移動電話)中的另一個元件上，而降低該元件所處的溫度。
圖2a和圖2b顯示了要取得本發(fā)明設(shè)計的優(yōu)點，熱處理裝置10必須在筆記本電腦120中所處的位置。如圖2a所示，筆記本電腦120的保護盒(protective case)下可以有一些元件，包括一個或更多的發(fā)熱元件，以122表示。另外，筆記本電腦120也可以有散熱器件，如熱阱124。但是，由于空間有限，通常不可能在發(fā)熱元件122附近安裝熱阱124。
但是，在圖2b中，熱處理裝置10位于筆記本電腦120中，覆蓋在發(fā)熱元件122和熱阱124上。因此，現(xiàn)在熱可以從發(fā)熱元件122傳到熱阱124以達到散熱的目的。而且，由于熱處理裝置10具有相對低的貫穿平面方向上的熱導率，熱無法有效地在熱處理裝置10中傳遞，以防止熱處理裝置10保護的環(huán)境過熱。如果使用各向同性更強的材料，如銅或鋁，則無法取得這樣的效果。
而且，由于熱處理裝置10具有彈性的特性，熱處理裝置10的形狀可以與筆記本電腦120中的元件一致，如圖2b所示，這樣就不需要很大的額外空間。同樣的，更堅硬的材料，如銅或鋁，也無法輕易地取得這樣的效果。
如果需要，如圖3所示，可以在熱處理裝置10上涂覆保護涂層20以提高熱處理裝置10的可操作性和機械堅韌性，以防止石墨顆粒從熱處理裝置10上脫落或與熱處理裝置10分離。另一個優(yōu)點是，保護涂層20還有效地隔離了熱界面10以避免因在電子器件中加入導電材料(石墨)而產(chǎn)生的電干擾的危險。而且，使用具有相對低的熱導率的保護涂層20還將提高了熱處理裝置10的熱保護效果。
保護涂層20可包含任何足以防止石墨材料脫落和/或足以電子隔離(electrically isolate)石墨的合適材料，如熱塑材料，像聚乙烯、聚酯或聚酰亞胺。
涂有保護涂層20的熱處理裝置10可以用幾種不同的方法制造。例如，當彈性石墨片材被切割成形成熱處理裝置10的大小和形狀時，形成保護涂層20的材料可以被涂覆在單個的熱處理裝置10上以形成熱處理裝置10的保護脫落邊界，如圖3所示。因此，保護涂層20可以用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的不同的涂覆方法涂覆，如噴涂、輥涂和熱層壓。保護涂層20還可以用機械映象(mechanical mapping)和層壓涂覆。
一般地，在大多數(shù)的應(yīng)用中，涂覆工藝利用足夠的強度將保護涂層20和熱處理裝置10粘接在一起。但是，如果需要，或?qū)τ谙鄬Ψ钦承缘谋Ｗo涂層20，如Mylar聚酯材料和Kapton聚酰亞胺材料(二者可以從E.I.duPont de nemours和特拉華州的Wilmington公司購得)，可將粘接劑層涂覆在熱處理裝置10和保護涂層20之間。合適的粘接劑是有助于使保護涂層20與熱處理裝置10粘接在一起的粘接劑，如丙烯酸或乳膠粘接劑。
在圖3顯示的另一個實施方案中，材料130可以被放置在熱處理裝置10和熱源100之間以提高熱處理裝置10的可操作性和機械堅韌性以及便于熱源100和熱處理裝置10之間的熱傳遞。這樣的一種材料是金屬，如銅或鋁。也可以使用國際專利申請PCT/US02/40238教導的其它熱界面材料。
因此，通過本發(fā)明的應(yīng)用，電子器件的元件產(chǎn)生的熱被隔離和傳遞，從而驅(qū)散熱以及降低器件的“觸摸溫度”和減少傳遞到臨近元件的熱。這些功能無法通過更傳統(tǒng)的散熱材料如銅或鋁來完成，因為它們具有各向同性的特性，所以它們對降低觸摸溫度或減少傳遞到臨近元件的熱無法發(fā)揮很大的作用。而可以用來降低觸摸溫度或減少傳遞到臨近元件的熱的絕緣材料又不能散熱，反而在熱源元件中積聚熱。
實施例1準備一臺傳統(tǒng)的筆記本電腦，在左掌托下面安裝有系統(tǒng)硬盤。運行一個AVI文件使電腦的硬盤工作。通過一臺紅外線照相機監(jiān)測機箱左掌托、觸摸屏和右掌托的表面溫度，并記錄下結(jié)果。拆開機箱，將由具有兩個主表面的彈性石墨片材形成的熱處理裝置安裝在其中，使其一個主表面與硬盤有效接觸，并位于硬盤和電腦機箱之間。熱處理裝置的厚度為0.5mm，X-Y平面內(nèi)的熱導率為260W/m°K，每一面涂覆有0.013mm厚的聚對苯二甲酸乙二醇酯膜。然后用與上述相同的方式測試筆記本電腦。兩次試驗的結(jié)果列在表1中。
表1

可以看出，使用本發(fā)明的熱處理裝置使左掌托處的溫度大幅降低，左掌托和右掌托的溫度差也得到顯著改善。
實施例2演示通過使用一個碳復合材料盒作為熱阱并結(jié)合本發(fā)明的熱處理裝置為筆記本電腦中的圖形處理器降溫。在本實施例中，將由具有兩個主表面的彈性石墨片材形成的熱處理裝置粘貼在筆記本電腦機箱的下部。該熱處理裝置的厚度為0.25mm，X-Y平面內(nèi)的熱導率為260W/m°K。熱處理裝置的下方有一個可壓縮墊，與圖形處理器對齊，從而加大接觸壓力并優(yōu)化處理器和熱處理裝置間的熱阻。結(jié)果，來自處理器的熱被有效地傳遞到熱處理裝置。熱處理裝置有效地傳播熱并將熱傳遞到筆記本電腦的碳盒內(nèi)。結(jié)果是圖形處理器的芯片運行溫度大幅度降低，并避免了在機箱內(nèi)形成小的“過熱點”。在這個例子中，熱處理裝置用來向碳盒傳遞來自處理器的熱的面積(～70cm2)明顯大于芯片“引腳”(foot print)的面積(～5cm2)，而使用其它散熱器和界面材料是不可能取得這個效果的。
實施例3用一種類似的方法來為M1GHz的英特爾奔騰處理器降溫。在本實施例中，由CPU產(chǎn)生的熱被傳遞到鍵盤區(qū)上面的碳盒的上部。將由具有兩個主表面的彈性石墨片材形成的熱處理裝置與該盒連接并與奔騰M處理芯片很好的接觸。該熱處理裝置的厚度為0.25mm，X-Y平面內(nèi)的熱導率為260W/m°K結(jié)果是芯片的運行溫度只有60℃。而未使用Spreader Shield元件的運行溫度則高于77℃。
本申請中所引用的所有專利、專利申請和公開物在此引入作為參考。
很明顯地，本文中所描述的發(fā)明會在許多方面存在不同。這樣的不同不會被看作背離本發(fā)明的精神和范圍，所有的這些對本領(lǐng)技術(shù)人員來講是顯而易見的改變包含在以下權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.電子器件用的散熱和保護系統(tǒng)，包含一個擁有第一元件的電子器件，該第一元件包含一個熱源，其中第一元件向電子元件的外表面?zhèn)鬟f熱；一個擁有兩個主要表面的熱處理裝置，其放置的位置使它的一個主要，表面與第一元件有效接觸，從而介于第一元件和電子元件的外表面之間，其中第一元件向電子元件的外表面?zhèn)鬟f熱，其中熱處理裝置包含至少一個彈性石墨片材。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中電子器件還包含散熱器件，其位于不直接臨近第一元件的位置，并且其中熱處理裝置的一個主要表面與該散熱器件有效接觸。
3.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中散熱器件包含熱阱、散熱管、散熱板或它們的組合。
4.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中熱處理裝置的平面內(nèi)熱導率為至少大約140W/m°K。
5.權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中熱處理裝置的貫穿平面方向上的熱導率為不大于大約12W/m°K。
6.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中熱處理裝置上還包含一個保護涂層。
7.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中保護涂層的熱導率小于所述至少一個彈性石墨片材的貫穿平面方向上的熱導率。
8.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中熱傳遞材料位于熱處理裝置和第一元件之間。
9.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中熱傳遞材料包含金屬或熱界面。
10.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中電子器件是筆記本電腦并且外表面包含一部分筆記本電腦的機箱。
11.電子器件用的散熱和保護系統(tǒng)，包含一個擁有第一元件和第二元件的電子器件，該第一元件包含一個熱源，其向第二元件傳遞熱；一個擁有兩個主要表面的熱處理裝置，其放置的位置使它的一個主要表面與第一元件有效接觸，從而介于第一元件和第二元件之間，其中熱處理裝置包含至少一個彈性石墨片材。
12.權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中電子器件還包含一個散熱器件，其位不直接臨近第一元件的位置，并且其中熱處理裝置的一個主要表面與該散熱器件有效接觸。
13.權(quán)利要求12的系統(tǒng)，其中散熱器件包含熱阱、散熱管、散熱板或它們的組合。
14.權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中熱處理裝置的平面內(nèi)熱導率為至少大約140W/m°K。
15.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中熱處理裝置的貫穿平面方向上的熱導率為不大于大約12W/m°K。
16.權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中熱處理裝置上還包含一個保護涂層。
17.權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中保護涂層的熱導率小于所述至少一個彈性石墨片材的貫穿平面方向上的熱導率。
18.權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中熱傳遞材料位于熱處理裝置和第一元件之間。
19.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中熱傳遞材料包含金屬或熱界面。
20.權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中電子器件是筆記本電腦，第一元件包含筆記本電腦的硬盤驅(qū)動器，第二元件包含筆記本電腦的芯片組。
全文摘要
電子器件用熱處理裝置，其位于一個熱源和電子器件的外表面和/或電子器件的另一個元件之間。熱處理裝置有利于驅(qū)散來自熱源的熱，同時保護外表面和/或第二元件不受熱源產(chǎn)生的熱的影響。
文檔編號G06F1/18GK1622745SQ20041008248
公開日2005年6月1日 申請日期2004年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月25日
發(fā)明者M·D·斯馬爾克, G·D·施弗斯, R·A·雷諾三世 申請人:先進能源科技公司