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CN103477431B - 具有穿孔衬里的热界面衬垫材料 - Google Patents

具有穿孔衬里的热界面衬垫材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及热界面装置(206)，布置为在发热单元(202)和热移除单元(204)之间提供热耦合界面，该热界面装置包括衬里层(210)，衬里层具有相反的第一和第二表面(218，220)，至少第一表面是滑动面，衬里层提供了多个穿孔(212)；以及热连接层(208)，其与衬里层在衬里层的第二表面(220)接合，并且是弹性可变形的或者非弹性可变形的。该热界面装置具有穿孔为开放的闲置状态，以及穿孔被一部分热连接层填充的主动状态。热连接层布置为通过使该热界面装置承受超过变形阈值的压力而变形，由此填充穿孔。

Description

具有穿孔衬里的热界面衬垫材料
技术领域
本发明涉及热界面装置，被布置为在发热单元和热移除单元之间提供热耦合界面。
背景技术
热界面装置的设计由热学性能驱动，因此例如导热膏、润滑脂、相变材料等用于热界面装置的导热材料被设计为具有优秀的润湿能力和高的体传导性。通过选择材料实现高的体传导性，并且通过选择材料合适的柔软度和表面粘着度达到优秀的润湿能力。一个已知热界面装置的示例如美国专利申请2004／0261981所示。该现有设备包括被用孔构图的热膜，和接收在所述孔中的高导热膏。然而，在一些应用中，期望具有这样的热界面装置：其在其分别面对发热单元和热移除单元的相对表面的至少一个表面上是可滑动的。
发明内容
本发明的一个目的是提供减轻现有技术的上述缺点的热界面装置。
该目的通过根据本发明如权利要求1限定的热界面装置以及权利要求9限定的设备装配方法而实现。
本发明基于下述见解：通过提供具有优秀可滑动性的闲置状态和优秀润湿能力的主动状态的热界面装置，可能将可滑动性和优秀润湿能力组合，通过使热界面装置承受压迫而从闲置状态转变到主动状态。
因此，根据本发明的一个方面，提供了一种热界面装置，被布置为在发热单元和热移除单元之间提供热耦合界面，包括：
衬里层，具有相反的第一表面和第二表面，至少该第一表面是滑动面，并且该衬里层提供了多个穿孔；以及
热连接层，在该衬里层的该第二表面与该衬里层接合，并且该热连接层是弹性可变形的或者非弹性可变形的。该热界面装置具有穿孔为打开的闲置状态，以及该穿孔被该热连接层的一部分填充的主动状态。该热连接层被布置为通过使该热界面装置承受超过变形阈值的压力而变形，并且因此填充该穿孔。
根据本发明的另一方面，提供了一种装备装配方法，包括：
-提供发热单元；
-提供热移除单元；
-提供包括衬里层的热界面装置，该衬里层具有相反的第一表面和第二表面，至少该第一表面是滑动面，并且该衬里层提供了多个穿孔；以及在该衬里层的该第二表面与该衬里层接合的热连接层，并且该热连接层是弹性可变形的或者非弹性可变形的；
-通过装配该热界面装置、该发热单元和该热移除单元使得该热界面被置于该发热单元和该热移除单元之间，将该衬里层的该第一表面与该发热单元和该热移除单元之一的接合表面接合，并且将该热界面装置的相反表面与该发热单元和该热移除单元的另一个的接合表面接合，而装配该设备；
-用超过该连接层的变形阈值的压力压迫该设备，并且因此压迫该热界面装置，由此使得该连接层的一部分通过该穿孔与该衬里层的该第一表面与之接合的相同的接合表面接合。
两个状态的热界面装置具有如下优点：首先由于衬里层的滑动表面的关系在装配期间可滑动从而易于正确定位，以及由于热连接层的材料通过衬里层的穿孔接触热移除单元的表面，在压迫之后具有优秀的润湿能力。对于热连接层可弹性变形的情况，附加的优点是一旦压力被移除，热界面装置再次变得可滑动。
根据该热界面装置的一个实施例，在该热连接层相反侧提供衬里层，因此进一步增加可交换性以及装配热界面装置和该发热单元和该热移除单元的自由性。
根据该热界面装置的一个实施例，该衬里层提供了细长的穿孔。因此，该穿孔可适配至优选的滑动方向。
根据该热界面装置的一个实施例，该界面装置构成圆板，其适配于发热单元和热移除单元具有与该热界面装置接合的圆形表面的特定应用。
根据本发明的另一方面，提供了一种包括发热单元、热移除单元和如上所限定的热界面装置的设备。该热界面装置被布置在该发热单元和该热移除单元之间。该设备承受将该发热单元和该热移除单元压向彼此的压力，其中该界面装置的该热连接层包括延伸穿过该衬里层的穿孔的突出部，因此与该发热单元或者该热移除单元的接合表面接合。该压力使该热连接层变形，迫使热连接层的材料填充穿孔，由此形成突出部。
在US4693303中，公开了将热量从导热部件传递到液体冷却部件的热界面。这是通过在弹簧元件上施加力来实现的，所述弹簧元件位于液体冷却部件和导热部件之间。
本发明的这些以及其它方面、特征和优点将参考下文中所描述的实施例得以阐明并且变得显而易见。
附图说明
现将参考所附附图以更多细节描述本发明，其中：
图1示出了包括根据本发明的热界面装置的实施例的设备的示意性剖视图；
图2和图3是热界面装置的实施例分别在闲置状态和主动状态的剖视图；
图4概略地示出了包括热界面装置的实施例的设备的分解图；
图5—7示出了在其垫层具有不同类型穿孔的热界面装置的实施例。
图8是热界面装置的实施例的示意性剖视图。
具体实施方式
根据包括根据本发明的热界面装置的一个实施例的设备的通常示例，如图1所示，设备100包括发热单元102、热移除单元104和中间热界面装置106。热界面装置106是板形的并且由布置在彼此顶部的热连接层108和衬里层110构成。热连接层108，有时被称作衬垫，与发热单元102接合，并且衬里层110与热移除单元104接合。衬里层110设置有穿孔112，热连接层108的突出部延伸穿过穿孔112。在设备100中，热界面装置106在主动状态下是被压迫的。在这种主动状态下，热连接层108的材料延伸穿过穿孔112并且与热移除单元104的表面接合。
现在参考图2和图3，根据组装根据本发明的设备的方法的实施例，首先提供发热单元202、热移除单元204和热界面单元206，热界面装置206具有热连接层208和衬里层210。衬里层210包括相对的第一和第二表面218，220，至少第一表面218是滑动面，并且设置有多个穿孔212。热连接层208与衬里层210在衬里层210的第二表面220接合，并且是弹性可变形或者非弹性可变形的。然后，通过装配热界面装置206、发热单元202和热移除单元204从而将热界面206定位在发热单元202和热移除单元204之间，让衬里层210邻接热移除单元204，并且因此，热连接层208以其第一表面218邻接发热单元202，而装配该设备。根据该方法的一个实施例，热连接层由优秀润湿能力的材料制成，与发热元件202接合。由于衬里层210的滑动表面218，发热单元202和热界面装置206的子组装件相对于热移除单元204是可移动的，如图2中的箭头所示。因此，子组装件的位置相对于热移除单元204是可调整的。这是有利的，例如当不具备定位的垂直自由度时，即子组装件不得不被垂直地移动至与热移除单元接触并且随后横向移动进入其最终的位置。例如当将子组装件置于热移除单元204上时，一些其它部件防止子组装件被正确定位，但在子组装件被置于热移除单元204的表面上之后，有空间让子组装件横向移动。在该情况下，优选从装配发热单元202和热界面装置206开始，其共同构成了子组装件，并且继续将该子组装件布置在热移除单元204。然后在设备200上施加压力，如图3中箭头F所示。压力超过连接层208的变形阈值，并且促使连接层208的一部分穿过穿孔212与热移除单元204的表面216接合。延伸穿过穿孔或洞212的连接层材料可以被当作热连接层208的突出部。由于热连接层208的材料的粘着度，热界面装置206相对于热移除单元204不再能够轻易移动，并且获得了从发热单元202到热移除单元的良好导热性。
应当留意的是，在一些应用中热界面装置206是以相反的方式安装的，即衬里层210与发热单元202的表面接合。而且，根据热界面装置的另一实施例，其包括安装在热连接层相反的两侧的两个衬里，其将在下面结合图8做出描述。
当其是弹性可变形或者非弹性可变形的时，热连接层208相对软并且具有相对低的变形阈值。市面上有许多材料可选，本领域技术人员拥有它们的知识。弹性可变形材料即临时可变形材料的一些示例是所谓的衬垫材料，好比Laird Technologies Inc提供的T-FLEXHR400和T-FLEX200T V0系列，以及Bergquist Company Inc提供的Gap PadUltimate。非弹性可变形材料的一些示例，即经受永久变形的材料，是像Bergquist Company Inc提供的Gap Pad VO UltraSoft和Gap Pad xxxx Sxx“S—class”系列的衬垫材料，像Bergquist提供的没有载体的High Flow系列相变材料，以及像Dow CorningCorporation提供的TC系列的导热膏或者润滑脂和Arctic Silver Inc提供的导热膏的衬垫材料。
使用弹性可变形热连接层是合意的，从而实现发热单元202的可交换性提高。其中在设备中期望可交换性提高的一些示例是照明设备，特别是LED(发光二级管)照明设备，其中热界面装置被布置在例如LED PCB的光源和散热器或另一种光源支架之间，热界面装置被布置在CPU和散热器之间的一般应用，激光装置等等。典型的LED照明设备是飞利浦提供的Twist Module，Journee Lighting提供的Sprocket LED光引擎，汽车前照明，以及路灯模块。衬里材料的一些示例是聚酰胺、铝箔、聚奈酯(PEN)薄膜以及石墨箔。当发热单元202要被移除时，压力F被移除，热连接层208的突出部借此变得缩进并且热连接层208恢复到原始的板形。然后热界面装置206再一次在热移除单元204的表面上可滑动，并且热界面装置206和发热单元202的子组装件是可轻易移除的。关于压力的应用，典型地如上述所示，在将部件放置就位之后施加压力。然而，替代地，可以在将部件放置就位期间就已经施加(至少逐渐施加)压力。
根据如图4所示的热界面装置406的另一实施例，热界面装置具有圆板形状并且被布置在设备400中，设备400包括大体上圆柱形的发热单元402和大体上圆柱形的热移除单元404。热界面装置406安装在发热单元402和热移除单元404之间。这样的设备的实例是照明设备，特别是Koninklijke Philips Electronics N.V.提供的称为Fortimo Twistable LED TDLM的LED灯，其会由使用根据本实施例的热界面装置406而受益。发热单元402包括LED光源，并且热移除单元404是支架。像上述实施例一样，尽管未在图4中以细节示出，热界面装置406的本实施例具有热连接层和衬里。在该设备中，发热单元402旋转成与热移除单元404接合，因此在旋转期间利用了衬里的滑动面。此外，当旋入位置时，压力增大，从而保持部件一起在安装状态，如上面所述，导致热连接层的材料填充衬里层的穿孔并且接触热移除单元404的表面。
如图5-7所示，有许多不同的替代穿孔形状。图5和6每一个示出了热界面装置500，600各自的实施例的剖视图，以及垂直于剖视图的图示，并示出了衬里层504，604的第一表面508，608。根据实施例中的一个，衬里层500的穿孔是均匀地分布在衬里层504并且笔直延伸穿过衬里层504的圆柱形孔506。孔的典型的直径d是一毫米或几毫米，并且在两个相邻孔之间典型的距离D是约为直径的一倍或多倍。
根据另一实施例，如图6所示，热界面装置600包括热连接层602和衬里层604，衬里层604的穿孔也是圆柱形孔606但孔606倾斜地延伸穿过衬里层604。典型地，在衬里层604的主平面的法线和孔606的中心轴之间的角度A大于0度并且最高达约45度。因此，由衬里层604的第一表面或滑动面608观察，穿孔606是大约圆形或椭圆形的。
根据衬里层进一步的实施例，如图7所示，穿孔可以是以不同方式的细长的。这些实施例对于可旋转地滑动的衬里层702，706是有用的。在一个示例中，穿孔704被布置在围绕衬里层702的圆上，并且它们具有矩形的剖面形状，该矩形有一个弧形短边。在旋转期间直的短边构成了前端。在其它示例中，穿孔708在剖面是香蕉形的。它们被布置在圆上，并且它们在径向伸长。
根据热界面装置800的另一实施例，热界面装置800包括相对地布置在热连接层802的两侧的两个衬里层804，806。当承受压力时，热连接层802的材料填充衬里层804，806的穿孔。
应当留意的是，经常重要的一个基本要素是热界面装置的厚度。应当选择足够厚的热界面装置来补偿发热单元和热移除单元的不平的表面，并且允许填充穿孔。仅暗示量级而非旨在对本发明的范围引入任何限制，衬里的典型的厚度是10微米和50微米之间。热连接层的典型厚度是：在衬垫材料的情况下是0.2到1mm；在相变材料的情况下是25到250微米；以及在导热膏或者脂的情况下是25到100微米。为了清楚的目的，相变材料是在室温下为固体并且在升高的温度(典型地在50-60℃左右)经历到液态的相变的材料。
以上描述了根据本发明如所附权利要求所限定的热界面装置的实施例。这些应当仅仅被视为非限制性示例。如本领域技术人员理解的，在本发明的范围之内许多修改和替代实施例均是可能的。
要留意的，为了本发明的目的，特别关于所附权利要求，词语“包括”并不排除其他元素或步骤，词语“一”或“一个”也并不排除多个的情况，其本身对本领域的技术人员而言是显而易见的。

Claims (11)

1.一种热界面装置，被布置为在发热单元(102、202)和热移除单元(104、204)之间提供热耦合界面，包括：
衬里层(110、210)，具有相对的第一表面(218)和第二表面(220)，至少所述第一表面是滑动面，并且所述衬里层提供了多个穿孔；以及
热连接层(108、208)，其与所述衬里层在所述衬里层的所述第二表面接合，并且所述热连接层是弹性可变形的或者非弹性可变形的；其中所述热界面装置具有所述穿孔为开放的闲置状态，以及所述穿孔被所述热连接层的一部分填充的主动状态，其中所述热连接层被布置为通过使所述热界面装置承受超过变形阈值的压力而变形，并且由此填充所述穿孔。
2.根据权利要求1所述的热界面装置，包括附加衬里层(806)，在对置于所述衬里层(804)而与所述热连接层(802)接合。
3.根据权利要求1或2所述的热界面装置，其中所述衬里层(702、706)提供细长的穿孔。
4.根据权利要求1或2所述的热界面装置，其中所述热界面装置构成圆板。
5.根据权利要求4所述的热界面装置，其中所述穿孔布置在与所述热界面装置的周界同心的至少一个环中。
6.根据权利要求1或2所述的热界面装置，其中所述穿孔从所述第一表面倾斜地延伸到所述第二表面(608)。
7.一种包括发热单元、热移除单元和热界面装置的设备，所述热界面装置是根据前述任意一项权利要求所述的热界面装置，其中所述热界面装置被布置在所述发热单元(102、202)和所述热移除单元(104、204)之间，其中所述设备(100、200)承受将所述发热单元和所述热移除单元压向彼此的压力(F)，其中所述热界面装置的所述热连接层(108、208)包括延伸穿过所述衬里层的所述穿孔的突出部，由此与所述发热单元或者所述热移除单元的接合表面(214、216)接合。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述发热单元是发光二级管照明装置。
9.一种设备装配方法，包括：
提供发热单元(102、202)；
提供热移除单元(104、204)；
提供包括衬里层(110、210)的热界面装置，所述衬里层具有相对的第一表面(218)和第二表面(220)，至少所述第一表面是滑动面，并且所述衬里层提供了多个穿孔；以及在所述衬里层的所述第二表面与所述衬里层接合的热连接层(108、208)，并且所述热连接层是弹性可变形的或者非弹性可变形的；
通过装配所述热界面装置、所述发热单元和所述热移除单元使得所述热界面被置于所述发热单元和所述热移除单元之间，将所述衬里层的所述第一表面与所述发热单元和所述热移除单元之一的接合表面(216)接合，并且将所述热界面装置的相对表面与所述发热单元和所述热移除单元的另一个的接合表面(214)接合，而装配所述设备(100、200)；
用超过所述热连接层的变形阈值的压力压迫所述设备，并且因此压迫所述热界面装置，由此迫使所述热连接层的一部分通过所述穿孔而与所述衬里层的所述第一表面与之接合的相同的接合表面接合。
10.根据权利要求9所述的方法，所述装配所述设备包括通过在所述发热单元(102)上安装所述热界面装置提供子组装件，布置所述子组装件在所述热移除单元(104)上，以及移动所述子组装件到最终位置。
11.根据权利要求10所述的方法，所述移动所述子组装件到最终位置包括旋转所述子组装件(402、406)。
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