用于冷却电子器件的系统，结构和材料的制作方法
【技术领域】
[0001] 一般地，本发明涉及通过增加电子器件和组件的冷却效率和能力来增强该器件和 组件的效能所使用的系统，结构和组合物。
【背景技术】
[0002] 电子器件，和尤其个人电子器件，例如智能手机，平板电脑和膝上型电脑在过去十 年中已经经历重大演变。该器件本身已变得越来越小，而同时又使用越来越大的处理能力、 越来越高级的通信电子装置和越来越少的移动部分。例如，且对本发明的方面来说最特别 的是，现代个人电子装置的小尺寸要求移除机械冷却系统，例如风扇和其他空气处理器件， 并用被动冷却系统替换。然而，更高处理能力和现代电子器件的要求仅仅使得这些器件生 成的热量增加。由这样的器件产生的温度广泛报道于新闻中，且甚至已经导致使用者受伤 和器件损坏。更小、更快、更大功率的电脑芯片和电子组件在移动电话、电脑、膝上型电脑、 平板电脑等中的使用和发展已经使得这种组件的功率、运行时间和产热显著增加。必须控 制增加的功率和产热，以防止组件过热和损坏。这种过热还在器件的表面上形成热点和热 区，从而引起人类使用者不适或者受伤且因此需要管理该热量。通过用各种方式移除热量 或者"调节"回组件的功率与速度以减少所产生的热量来进行该热量控制。降低组件的速 度和功率不是优选的，因为这引起低效率，等待结果的时间延长，下载速度降低等。因此，需 要材料来吸收或储存这一生成的热量且随后快速移除或者传导热量离开组件。由于组件和 总的器件面积收缩，所有均导致每单位面积的热流通量较大，因此使得此举比较困难。
[0003] 更加值得注意的是以下事实：当这些器件的操作温度增加时，因设计有意造成或 者自然地因为固态电子装置的固有特性，器件的效能下降。许多器件已经按照安全模式构 建，若操作温度过高，则该安全模式使得处理器和其他产热组件完全停工。
[0004] 电子散热技术要求将热量移离操作中的电子组件且移至周围环境中。在不具有风 扇和其他机械冷却系统的益处情况下，所产生的热量仅仅通过传导至器件或一些其他基底 的外表面上而得以传输。因此，当使用热交换器来将热量从电子装置移至器件壳体上时，大 部分器件在操作期间变得摸起来较温热或热。这些现有技术的方法仅仅依赖于热传导技术 来将热量从一个点移至另一个点。
[0005] 在各种工业中使用相变材料（PCM)来储存和释放热量是已知的。例如，已经广泛 地公开了使用PCM(微囊化或原始）的各种形式和组合物的用途，它们的制造方法及其用 途。PCM已经广泛地用于纺织品和织物工业中，但尚未有效使用或公开于电子学领域中，尤 其当用于实现热储存和移除时。因此，PCM在电子学工业中的使用一直以来限制于将经微 囊化的PCM混合到环氧树脂中或者以其他方式混合蜡与凝胶。尚无一人能够在符合限制于 密封或其他壳体内的封闭电子组件或其他处理器的限制的同时解决如何有效获得这些材 料，形成这些材料，将其锁定于复杂且敏感的电子组装件中的位置内，维持高的潜热以及导 热率。
[0006] 热管理材料（Thermal management materials) (TMM)，热界面材料（thermal interface materials) (TIMs)，热管理材料，热散播器等全部在电子装置封装中具有关键 功能，亦即用于散热，以便允许更高处理速度。更具体地，热界面材料和散热片使得产热电 子装置组件（亦即，芯片，晶体管，半导体，集成电路（ICs)，离散器件，电池等）与热移除硬 件良好地热接触。
【发明内容】
[0007] 以下概述了例举的实施方案。在详细说明部分中更加充分地描述了这些和其他实 施方案。然而，要理解，并不意欲将本发明限制到这一
【发明内容】
或【具体实施方式】中描述的形 式上。本领域技术人员可认识到存在许多改性，等价和备选的构造，它们落在权利要求中表 达的本发明的精神和范围内。
[0008] 在本发明的一个实施方案中，具有一个或多个在操作期间产热的组件的电子器件 包括用于温度管理和散热的结构。用于温度管理和散热的结构包括具有与周围环境热连通 的表面的热传导基底和与该电子器件中的一个或多个组件的至少一部分以及该热传导基 底的至少一部分物理接触的温度管理材料。温度管理材料包括潜热为至少5焦耳/克和转 变温度为〇°C至100°C的聚合物相变材料和导热填料。
[0009] 在另一或相同实施方案中，热传导基底可以是印刷电路板，和可安装到印刷电路 板上的电子器件中的一个或多个组件。在另一或相同实施方案中，电子器件可进一步包括 与热传导基底热连通的第二基底。在另一或相同实施方案中，热传导基底可以是电子器件 的外表面和/或电子器件的显不器。
[0010] 在其他或以上提及的实施方案中，导热填料可以是一种形式的碳，石墨烯，氧化 铝，或硼化合物。在其他或以上提及的实施方案中，用于温度管理和热量控制的结构可进一 步包括可熔材料。
[0011] 在另一或以上提及的实施方案之一中，导热填料可包括5%至95%的温度管理材 料。在另一实施方案中，导热填料的纯度可以大于95%。
[0012] 在另一或以上提及的实施方案之一中，用于温度管理和热量控制的结构可进一步 包括耐火添加剂。在又一或以上提及的实施方案之一中，电子器件可进一步包括含有一个 或多个电子组件和用于温度管理和散热的结构的外壳。
[0013] 根据本发明的个人计算器件，例如蜂窝式电话，PDA，平板电脑或膝上型电脑包括 外壳，印刷电路板，在电子器件的操作期间生成热量的附着在印刷电路板上的一个或多个 组件和用于温度管理和散热的结构。用于温度管理和散热的结构包括具有与印刷电路板热 连通的表面和与周围环境热连通的表面的热传导基底，以及与电子器件中的一个或多个组 件的至少一部分和热传导基底中至少一部分物理接触的温度管理材料。
[0014] 根据本发明的一个实施方案，温度管理材料包括潜热为至少5焦耳/克和转变温 度为0°C至100°C的聚合物相变材料，和导热填料。
[0015] 根据本发明，构建这种个人计算器件的方法包括在附着到器件中印刷电路板上的 一个或多个产热组件的至少一部分上施加温度管理材料；用外壳封闭该印刷电路板，一种 或多种组件，和用于温度管理和散热的结构；和固化该温度管理材料。在一些实施方案中， 温度管理材料可以基本上填充外壳内的任何孔隙。
[0016] 正如本领域的普通技术人员所认识到的，本文描述了许多额外的方面和实施方 案。
【附图说明】
[0017] 当结合附图时，参考以下详细说明和所附权利要求，本发明的各目的和优点和更 完全的理解是显而易见的且更加容易理解，其中：
[0018] 图1示出了典型的移动电话的系统结构图；
[0019] 图2示出了典型的便携式电脑的系统结构图；
[0020] 图3A-3C示出了根据本发明方面的器件的电路板；
[0021] 图4A-4B示出了根据本发明方面的电路板和相关结构的系统结构图；
[0022] 图5A-5C示出了图4A-4C的数个实施方案的截面；
[0023] 图6A-6C示出了图5A-5C的实施方案的细节；
[0024] 图7-10D示出了官能性聚合物PCM的各种实施方案；
[0025] 图11示出了与无规分布的聚合物相比，精确支化的聚合物的一个实施方案；
[0026] 图12是描绘各种共聚物的峰值熔点的图；
[0027] 图13是描绘各种共聚物的结晶热的图；
[0028] 图14是描绘各种共聚物的潜热和熔点的图；
[0029] 图15A和15B示出了与本发明各方面结合使用的微胶囊的细节；
[0030] 图16A-16C示出了可与本发明各方面结合使用的各种成层实施方案；
[0031] 图17和18示出了施加本发明各方面到基底上的额外的实施方案；
[0032] 图19和20示出了施加本发明各方面到基底上的额外的实施方案；
[0033] 图21示出了描绘随时间流逝，与PCM转变温度和标准功率相关的处理器温度的 图；
[0034] 图22示出了描绘随时间流逝，与PCM转变温度和瞬时温度相关的处理器温度的另 一图；和
[0035] 图23示出了本发明一个实施方案的图示结果。
[0036] 本文公开其他实施方案和方面，其中包括在说明书当中描述并阐明的各种图和工 艺说明。
【具体实施方式】
[0037] 在本说明书通篇中，提及使用各种材料，组合，化学配方和可以在各种组合中使用 的其他方面来形成根据本发明各方面的一种或多种材料，终产物或组合物。应当理解，对于 本领域的技术人员来说，本文中包括材料，实施例和其他实施方案的各个清单，以便教导本 领域技术人员，它们可结合到各种备选的实施方案中，且不需要这些单独的特征的具体要 求的排序。本文中列出的权利要求，以及对这些权利要求的任何潜在的将来的修改可包括 在没有脱离本文描述的本发明的精神和范围的情况下，这些材料，范围和其他备选方案的 一种或多种组合。特别地，预期本领域的技术人员将在本文公开的任何特征组合的书面说 明中认识到且发现充足支持，不管在单一实施例或实施方案中描述，还是在书面说明的不 同部分中描述。
[0038] 应当清楚地理解，通过在本说明书的随后部分中提供具体组合物与方法的实施 例，申请人并不意欲限制权利要求的范围到任何这些具体的组合物上。相反，预期可使用本 文中描述的官能团，聚合物相变材料和制品的任何组合来实现本发明的新型的方面。权利 要求并不意欲限制到在这一公开内容或者本文引入的任何公开内容中描述的任何具体的 化合物上。
[0039] 已知良好的热管理材料应当具有高的导热率，高的比热容，高的潜热容，高的多变 热容，低的热膨胀系数，低的空气含量，良好的间隙填充，良好的表面润湿和粘着性，良好的 流变学等。
[0040] 通过自由电子或晶格振动（声子）的流动，控制整个材料的且以瓦特/米开尔文 (WAm · K))或W I1 41表达的导热率，或热传导速率。在金属中，传导性主要由于自由 电子导致，而对于非金属来说，它主要是由于声子传输导致。导热率可随材料的类型，温度， 材料相，杂质等而变化。例如，当冰（〇°C下的导热率为2. 18WAm · K))熔化成液体水（0°C 下的导热率为0.58WAm ·Κ))时，出现导热率变化。另一实例是对于纯结晶物质而言，沿着 不同晶体轴，可显示出不同的导热率，这是由于沿着给定的晶体轴声子耦合不同导致的。塑 料的导热率强烈地取决于聚合物内的结晶度（结晶聚合物的各向异性）。这主要是由于沿 着结晶轴有效，但在非晶区域中或者因其他方向上的各种散射过程而实质上降低的声子传 输（流动晶格振动能）导致的。
[0041] 定义
[0042] 以下定义适用于本发明各方面描述的各种元件。这些定义同样可基于本文来扩 展。
[0043] 本文中所使用的术语"单分散"是指就一组性能来说，基本上是均匀的。因此，例 如一组单分散的微胶囊可以是指关于尺寸分布的模式，例如尺寸分布的平均值，具有较窄 尺寸分布的这种微囊。进一步的实例是具有类似分子量的一组聚合物分子。
[0044] 本文中所使用的术语"潜热"是指当材料经历两种状态之间的转变时所吸收或释 放的热的量。因此，例如潜热可以是指当材料经历液态和结晶固态，液态和气态，结晶固态 和气态，两种结晶态或结晶固态和无定形态或其任何组合之间的转变时所吸收或释放的热 的量。
[0045] 本文中所使用的术语"转变温度"是指当材料经历两种状态之间的转变时的近似 温度。因此，例如，转变温度可以是指材料经历液态和结晶固态，液态和气态，结晶固态和气 态，两种结晶固态或结晶固态和无定形态之间的转变时的温度。无定形材料经历玻璃态和 橡胶态之间的转变时的温度也可称为该材料或其组合的"玻璃化转变温度"。
[0046] 本文中所使用的术语"相变材料"是指具有吸收或释放热以在温度稳定范围下或 者温度稳定范围内调节热传导能力的材料。温度稳定范围可包括特定的转变温度或者转变 温度范围。这允许调节在这一转变范围内的热传导或导热率。在一些情况下，典型地当相 变材料经历两种状态之间的转变时，相变材料能够在相变材料吸收或释放热时的时间段期 间抑制热传导。这一作用典型地为瞬时的，且将会发生，直到在加热或冷却工艺期间吸收或 释放相变材料的潜热。可从相变材料中储存或移除热，且相变材料典型地可由发出或吸收 它的来源有效地补给。对于某些实施方式来说，相变材料可以是两种或更多种材料的混合 物。通过选择两种或更多种不同的材料并形成混合物，可针对任何所需的应用来调节温度 稳定范围。所得混合物当在本文描述的制品中引入时，可显示出两种或更多种不同的转变 温度或单一改性的转变温度。
[0047] 本文中所使用的术语"聚合物"是指包括一组大分子的材料。在聚合物内包括的 大分子可以在某些方式上彼此相同或不同。大分子可具有任何各种骨架结构，且可包括一 类或多类的单体单元。特别地，大分子可具有线性或非线性的骨架结构。非线性的骨架结 构的实例包括支化的骨架结构，例如星形支化，梳形支化或枝状支化的那些，和网络骨架结 构。在均聚物内包括的大分子典型地包括一类单体单元，而在共聚物内包括的大分子典型 地包括两类或更多类的单体单元。共聚物的实例包括统计共聚物，无规共聚物，交替共聚 物，周期性共聚物，嵌段共聚物，星型共聚物，和接枝共聚物。在一些情况下，可通过添加一 组官能团，例如酸酐基，氨基和它们的盐，N-取代的氨基，酰胺基，羰基，羧基和它们的盐， 环己基环氧基，环氧基，缩水甘油基，羟基，异氰酸酯基，脲基，醛基，酯基，醚基，烯基，炔基， 硫醇基，^硫化物基，甲娃烷基或娃烷基，基于乙^ S全的基团，基于B「陡的基团，基于活性亚 甲基化合物或其他b-二羰基化合物的基团（例如，2, 4-戊二酮，丙二酸，乙酰基丙酮，乙基 丙酮乙酸酯，丙二酰胺，乙酰基乙酰胺和它的甲基类似物，乙酰乙酸乙酯，和乙酰乙酸异丙 酯），卤基，氢化物或其他极性或H键合基团及其组合，改变聚合物的反应性和官能度。这种 官能团可添加于沿着聚合物的各位置（例如，无规或规则地沿着聚合物分散），在聚合物的 末端，在可结晶侧链上的侧旁，末端或任何位置，以聚合物的独立悬空侧基形式连接，或者 直接连接到聚合物的主链上。聚合物也能够交联，缠结，形成网络，离子键合，共价键合或氢 键键合，以便增加其在环境或加工条件下机械强度或它的抗降解性。如可理解的，可以以具 有不同分子量的多种形式提供聚合物，因为聚合物的分子量可取决于形成该聚合物所使用 的加工条件。因此，可认为聚合物具有特定的分子量或分子量范围。本文中提到聚合物所 使用的术语"分子量"可以是指聚合物的数均分子量，重均分子量，或熔体指数。
[0048] 聚合物（包括交联剂和粘合剂所使用的那些聚合物）的实例包括聚羟基酮酯 (hydroxyalkonates)，聚酰胺，多胺，聚酰亚胺，聚丙稀酸类（例如，聚丙稀酰胺，聚丙稀腈， 和甲基丙烯酸与丙烯酸的酯），聚碳酸酯（例如，聚双酚A碳酸酯和聚碳酸亚丙酯），聚二烯 烃（例如，聚丁二稀，聚异戊二稀，和聚降冰片烯），聚环氧化物（例如，双酚A，双酚F，用胺， 酸，醇等交联或未交联的多官能缩水甘油基环氧化物），聚酯（例如，聚己内酯，聚己二酸乙 二酯，聚己二酸丁二酯，聚琥珀酸丙二酯，基于对苯二甲酸的聚酯，和基于邻苯二甲酸的聚 酯），聚醚（例如，聚乙二醇或聚环氧乙烷，聚丁二醇，聚环氧丙烷，聚甲醛或三聚甲醛，聚四 亚甲基醚或聚四氢呋喃，和聚表氯醇），聚氟烃，甲醛聚合物（例如，脲-甲醛，三聚氰胺-甲 醛，和苯酚甲醛），天然聚合物（例如，多糖，例如纤维素，甲壳素，壳聚糖，和淀粉；木质素； 蛋白质；和蜡），聚烯烃（例如，聚乙烯，聚丙烯，聚丁基烯，聚丁烯，和聚辛烯），聚亚苯基， 含硅聚合物（例如，聚二甲基硅氧烷，聚烷基硅氧烷和聚羧甲基硅烷），聚氨酯，聚乙烯基树 脂（例如，聚乙烯基缩丁醛，聚乙烯醇，聚乙烯醇的酯和醚，聚乙酸乙烯酯，聚苯乙烯，聚甲 基苯乙烯，聚氯乙烯，聚乙烯基吡咯烷酮，聚甲基乙烯基醚，聚乙基乙烯基醚，和聚乙烯基甲 基酮），聚缩醛，聚丙烯酸酯类，醇酸-基聚合物（例如，基于甘油酯油的聚合物），共聚物 (例如，聚乙烯-共-乙酸乙烯酯，和聚乙烯-共-丙烯酸，苯乙烯-丁二稀，或上述的任何 组合），及其混合物。术语聚合物是指被解释为包括在本申请提交之后可获得的且显示出以 上所述的一般聚合物性能的任何物质。
[0049] 本文中所使用的术语"化学键"和它的语法变体是指基于吸引相互作用的两个或 更多个原子的偶合，使得这些原子可形成稳定的结构。化学键的实例包括共价键和离子键。 化学键的其他实例包括氢键以及羧基和胺基之间的吸引相互作用。
[0050] 本文中所使用的术语"共价键"是指特征在于在原子之间，或者在原子和其他共 价键之间共享电子对的化学键形式。当原子共用电子时，原子之间形成的引力与排斥力稳 定性称为共价键合。共价键合包括许多种类的相互作用，其中包括σ-键合，π-键合，金 属-金属键合，抓氢相互作用和三中心两电子键。
[0051] 本文中所使用的术语"离子键"或"电价键"是指在带相反电荷的离子之间通过静 电吸引形成的化学键。例如，在带正电荷的阳离子和带负电荷的阴离子之间。可在金属，例 如Na, Fe, Ag等和非金属之间，或者在两种金属之间，或者在两种非金属，例如氨和酸之间 形成离子键。离子化合物在熔融时可以以固体或溶液形式导电。
[0052] 本文中所使用的术语"分子基团"及其明显变体，是指形成分子的一部分的一组原 子。在一些情况下，基团可包括化学键合到彼此上的两个或更多个原子，以形成分子的一部 分。一方面基团可以是中性的，或者另一方面可以是带电的，例如单价或多价（例如二价）， 以允许化学键合到分子的一组额外的基团上。例如，单价基团可以预想为移除一组氢化物 基以允许化学键合到分子的另一基团上的分子。基团可以是中性，带正电，或带负电的。例 如，带正电的基团可以预想为增加了一个或多个质子（即，H +)的中性基团，和带负电的基团 可以预想为移除了一个或多个质子的中性基团。显示出特征性反应性或其他组性能的基团 可以称为官能团，反应性官能基或反应性官能团。反应性官能团的实例包括例如下述的那 些：酸酐基，氨基，N-取代的氨基和它们的盐，酰胺基，羰基，羧基和它们的盐，环己基环氧 基，环氧基，缩水甘油基，羟基，异氛酸醋基，脈基，S全基，醋基，酿基，烯基，炔基，硫醇基，^-硫化物基，甲硅烷基或硅烷基，基于乙二醛的基团，基于吖啶的基团，基于活性亚甲基化合 物或其他b-二羰基化合物的基团（例如，2, 4-戊二酮，丙二酸，乙酰基丙酮，乙基丙酮乙酸 酯，丙二酰胺，乙酰基乙酰胺和它的甲基类似物，乙酰乙酸乙酯，和乙酰乙酸异丙酯），卤基， 氢化物或其他极性或H键合基团及其组合。
[0053] 本文中所使用的术语"熔体流动指数"或MFI是聚合物的熔体容易流动的量度。 在学术术语中，熔体流动定义为对于在备选的规定温度下，通过规定的备选重量施加的 压力，在10分钟内流经特定直径和长度的毛细管的聚合物的质量（克）。在类似的标准 ASTMD1238和IS01133中描述了该方法。
[0054] 分子量多分散性-多分散性指数（PDI)，是在给定的聚合物样品内分子质量的分 布的量度。所计算的PDI是重均分子量除以数均分子量。它指示了在一批聚合物内单独的 分子质量的分布。PDI的数值等于或大于1，但当聚合物链接近均匀链长时，PDI接近于单 位值（unity) (1)。对于一些天然聚合物，PDI几乎视为单位值。聚合的PDI通常表示为：
[0055] PDI = Mw/Mn
[0056] ]\^对低分子质量的分子更加敏感，而M "对高分子质量的分子更加敏感。若聚合物 材料的链长在宽泛的分子质量范围内变化，则它用术语多分散性表示。
[0057] 立体化学-立体化学牵涉分子内原子的相对空间排列的研究。立体化学的一个 分支是对手性分子的研究。立体化学也称为3D化学。各种立体化学命名法和命名方案 的实施例、解释、描述和定义可参见Anslyn和Dougherty的〃Modern Physical Organic Chemistry〃中的第 6 章〃Stereochemistry〃，愈 2005, University Science Books。
[0058] 将使用无规立构、间规立构、等规立构、顺式和反式、R-和S-，L-，D-和内消旋的聚 合物立体化学描述。
[0059] 聚合-聚合是在化学反应中使单体分子一起反应形成三维网络或聚合物链的过 程。许多形式的聚合和将其分类而存在的不同体系是本领域已知的。
[0060] 流变学和粘度-流变学是物质流动的表征，而粘度是抗流动或变形的量度。可通 过各种方式测量粘度，并表征为通常在给定温度或剪切速度下的熔体流动指数（MFI)或厘 泊（cps)。
[0061] 本文中所使用的术语〃导热率〃 (〃k〃和还表示为λ或κ )是材料传导热能力的 性质且以W/m · K测量。导热率定义为在稳态条件下且当热传导仅仅依赖于温度梯度时由 单位温度梯度（△!〇引起的在垂直于单位面积（A)的表面的方向上传输穿过单位厚度（L) 的热（Q)的量。
[0062] 导热率=热X距离八面积X温度梯度）
[0063] λ = QX L/(ΑΧ Δ Τ)
[0064] 一般地，在低传导材料中，k〈0. lW/m · Κ。在良好传导材料中，k = 0. l-10W/m · Κ。 在高传导材料中，k>10W/m · Κ。根据本发明的各方面，热管理和散热材料优选k值>0. 5W/ m · K。在另一实施方案中，k>l. OW/m · K，和在又一实施方案中，k为>10W/m · K。
[0065] 本文中所使用的术语"散热"是指热从高温环境移动或散播至低温环境中，例如 使热从温热处理器或其他产热电子组件移至较冷的环境空气中。可通过使用高导热率材 料（例如金属或陶瓷热散播器，热散播板，散热片，散热管，热交换器，环形管，液冷管，散 热翅片，风扇，循环冷却剂或其组合）来实现散热方法。其他实例是诸如由Thermo Cool Corp. ,Thermacore Inc.等供应的产品之类的产品。
[0066] 电子器件的一般结构
[0067] 本文公开的本发明各方面可与宽泛的各种电子器件和产热而损害处理器与其他 操作电路（存储器、视频芯片、电信芯片等）的效能的任何其他器件结合使用。当本文中提 到诸如蜂窝电话，PDAs，智能手机，平板电脑，膝上型电脑和其