半成品薄膜预成形方法和半成品薄膜与流程

2021-02-02 18:02:20|

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本发明涉及材料技术领域，半成品薄膜的预成形方法和半成品薄膜、采用上述结构的元件、预成形件和散热装置；本发明尤其适用于电子领域。

背景技术：

现代技术的发展推动了电子技术的飞跃进步，尤其是ic半导体和mems技术进步推动了集成电路、芯片、片上系统、系统芯片、合封芯片、应用处理器、人工智能芯片、显示屏、显卡、存储器、射频放大器、led、功率器件、服务器、功放模块、电源管理和其它电子元件技术的不断进步。电子技术进步的结果就是元件和装置的超薄/小型化、轻量化、高频、高功率和高密度化。gan半桥电路在10mhz工作频率和400v工作电压时，其每平方厘米发热功率可以达到6400w。5g终端的耗电量提高30％左右；单个图形处理器每平方厘米发热功率可以达到40w，单个中央处理器每平方厘米发热功率可以达到30w。将来高功率器件及芯片的每平方厘米发热功率或可以达到500w甚至是1000w。可半导体的耐受温度通常是90度，特殊的是105度。有统计研究表明，电子产品功能故障或劣化50％与温度升高有关；发热元件大多是电子元件，电子产品的热量管理成为一个具有挑战性的问题。电子产品的散热过程包括传热和散热。传热过程不仅与材料的性质和结构有关，还与传热材料与发热元件的接触形式有关。现有电子产品传热过程中与发热元件的接触形式主要有两种：焊接和粘接；通常的接触形式是粘接。现有技术的散热元件表面与发热元件表面通过热界面材料的粘接接触，有研究表明：接触界面的热阻约占总热阻的50％；有机形式中的热界面材料的导热系数大多不超过5w/m.k的水平；无机尤其是液态金属的导热系数有可能达到80w/m.k，液态金属表面张力大且具有粘性，液态金属具有导电性和屏蔽性，液态金属的厚度、温度、结构、合金、种类、基体表面性质都是影响液态金属流动性的因素；现有技术的液态金属在实际应用中很容易有侧漏渗出的问题，液态金属的无序流动容易产生电路短路和错误连接；液态金属的流动控制是提高装置使用安全的必要保证。常见的高导热材料的导热系数一般都在150w/m.k以上，石墨烯和导热石墨膜等平面型各向异性导热材料在平面内的导热系数更是达到2000w/m.k及以上，但垂直方向的导热系数一般不到10w/m.k；石墨烯的厚度是单原子级，导热石墨膜制造的最大厚度单层多在微米左右，再厚容易发生粉化现象；现有技术为有效利用平面型各向异性导热材料在平面内的导热系数很大的优势，采用了薄膜叠加后垂直切割方法或折叠使平面型各向异性导热材料可以垂直使用，参见申请号：201610856706.7和201510010672.5；平面导热材料一般都需要通过加工过程得到，在加工的不同阶段，至少有一个阶段有薄膜形式存在，薄膜包括各种高分子薄膜和碳材料薄膜；由于现有平面导热材料成形后需要再加工，而再加工又经常会降低导热系数或损伤结构，所以，将可以提前制备的结构或形状提前制造好，对于成形后的平面导热材料的性能和质量的提高具有较大的现实意义。石墨材料在高温时可能发生氧化反应，在本发明中石墨开始氧化温度是衡量温度高低的标准；导热材料与发热表面接触时，根据导热材料与发热元件接触表面的配合情况可以有三种形态：表面加工精度可达到气密性接触、表面加工精度可达到液密性接触和现有技术的低加工精度需要通过界面材料配合的常态；导热材料与发热元件接触表面的三种形态中传热系数的大小排序，气密性接触最大，常态最小；现有技术中，电子产品的防水主要是依靠焊接、密封胶和密封元件；由于使用条件、成本、技术难度和制作效率上的限制，各向异性平面导热材料既不能制成大尺寸厚度成品，也不能在实际使用中任意方向上使用，尤其是如何尽可能增大导热面的面积？比如常用的导热石墨膜在手机中的应用现状。现有技术不能同时满足生产设计的需要。因此，解决平面型各向异性导热材料在散热垂直面传热效率低下是解决热量管理问题的一个有效途径；若能同时在成本、技术难度和制作效率上解决元件散热方法和散热结构、界面结构稳定和装置超薄现有存在的问题，可以达到事半功倍的效果。

技术实现要素：

基于现有散热存在的问题，本发明提出一种新型平面导热材料半成品薄膜的加工方法和结构，尤其是平面各向异性散热材料的端面表面面积如何最大；一种采用该方法或结构的预成形件；一种电子系统或终端，是采用所述权利要求中任一有其电子元件散热结构、任一有采用其的电子元件、任一有该散热装置或系统。

发热元件大多是电子元件，尤其是小型移动设备终端；散热结构既可以是多层结构，也可以是单层结构；散热元件既可以是多个散热元件，也可以是一个散热元件具有多个不同形状尺寸的散热表面，不同形状尺寸的散热表面可以对应不同的发热表面；决定散热材料与发热元件接触表面的配合形态由接触面的加工精度和界面材料决定；按接触面的加工精度排序，气密性接触的加工精度最高，液密接触的表面加工精度不高于气密接触；接触面常态配合时，接触面加工精度或配合精度没有提高，接触面直接接触时的传热系数也不会得到提高；接触面间的接触程度既可以通过测量表面加工精度表征，比如通过真空压力大小、尺寸公差、轮廓度、平面度或粗糙度的大小来表示，接触表面可以是平面，也可以是曲面；液密性接触可以通过直接接触得到，液密性接触还可以通过研磨方式得到，或是通过置于真空环境中得到，还可以通过液体排气的方式得到，至少选择一种方式；接触面包括直接接触面和有直接接触面接触线的侧面，侧面包括边部，至少其中一个面内有部分密封结构，密封结构可以是聚合物，可以是涂层，可以是密封胶，可以是弹性体，还可以是焊接结构、卡扣结构、螺纹结构等；接触面至少有部分固定结构，固定结构形状可以是各种形状的点，可以是各种形状的边，也可以是各种形状的面，可以是一维、二维或是三维；围绕接触面的侧面至少有部分气密性密封效果。

新型散热结构，散热元件可以由平面导热材料组成，平面导热材料可以是各种碳材料，比如石墨烯、高定向石墨或人工石墨等；散热元件与发热元件既可以通过相变材料组成散热结构，也可以通过直接接触组成散热结构；相变材料包括有机和无机相变材料，从传热的目的考虑，液态金属是比较好的选择，但相变材料为流体时的流动性管理是一个现实的问题；为了控制流体的流动可以采用至少两种熔点高低不同的相变材料，高熔点相变材料在可能流动方向的最外层；还可以在散热元件与发热元件对应的接触表面之间设置密封结构；密封结构也就是固定结构，固定结构包括粘接、焊接、弹力结构、卡扣结构、螺纹结构、嵌卡结构、铆接结构，至少有一种；根据材料和结构，可以采用现有的各种焊接方式；接触面的至少一个面，至少有一个固定结构；还可以在散热元件与发热元件对应的每个接触表面的相邻表面设置不沾结构，特别是不沾液态金属表面，相邻表面包括与接触面同平面的相邻面和非同一平面的相邻面，不沾表面可以采用物理方式、化学方式、仿生方式、超材料等方法处理设置；不沾表面的设置包括接触面和相邻的表面，接触面设置为不沾表面可以方便散热元件与发热元件间设置为可分离结构，方便生产过程中的不良产品返工维修和售后产品维修；相邻表面设置为不沾表面可以方便液态金属发挥表面张力大的性质防止液态金属流动的功能；液态金属的厚度可以设置为超薄形态，比如厚度小于0.02mm同样也是利用表面的效应防漏；液态金属的厚度为超薄形态时，液态金属这时也可以说是填充散热元件与发热元件间的间隙；散热元件有时还具有其它功能，比如屏蔽罩，相变层中通过添加功能粒子除可以防止流体流动以外，还可以达到增加屏蔽效果、降低流动性和导热性能的好处，功能粒子可以是电磁屏蔽粒子、磁屏蔽粒子或导热粒子；可以选择在接触的两个表面中任一表面采用上述方法或结构中的一种、两种及以上种类的结构；为了不同的设置目的，可以选择上述方法或结构中的两种及以上种类的结构用于同一结构。

平面各向异性导热材料大导热系数平面设置可以通过融化、研磨、嵌入、贴合、cnc加工、微机电加工、高能物理等方法形成。

散热元件既可以主要以平面各向异性导热材料形成，也可以通过平面各向异性导热材料大导热系数面与散热元件平面或发热接触面非平行形成，还可以平面各向异性导热材料主体接触温度在低于碳氧化温度下形成。散热元件和发热元件之间任一与相变层接触表面的相邻表面有密封结构；接触面包括直接接触面和接触面的侧面，至少一个接触面有固定结构；接触面的至少一个侧面至少有密封结构；固定结构包括粘接、焊接、弹力结构、卡扣结构、螺纹结构、嵌卡结构、铆接结构，至少有一种；根据材料和结构，可以采用现有的各种焊接方式；密封可以是粘性聚合物、涂层、密封胶、弹性体等。散热元件与发热元件之间任一接触表面的相变接触层内至少由两种不同熔点相变材料组成，熔点越高的相变材料越靠近外侧。

一种半成品薄膜预成形方法，其特征是平面导热材料半成品薄膜的平面内至少有一种减弱结构；

优选的根据权利要求1所述的半成品薄膜预成形方法，其特征是减弱结构为尺寸减薄、预切加工或断开与连续间隔排列，至少其中一种；包括厚度尺寸的减小或强度的减小。

一种半成品薄膜预成形方法，其特征是半成品薄膜的平面至少有一个边缘端面或减弱结构分离后的边缘端面为斜面，至少其中一个端面有；任一平面导热材料加工方式，至少保证导热材料至少部分端面表面非垂直于大传热系数导热面；平面导热材料加工方式，保证导热材料至少部分端面表面非垂直于大传热系数导热面，平面导热材料包括单片和多片复合；加工方式包括层叠、磨削抛光、切割或形状固定，层叠成形平面各向异性导热材料切割加工时，切割方向与散热元件平面或发热接触面既不平行也不垂直；也可以是平面导热材料的厚度端面与平面导热材料的长度平面有非90度夹角。平面导热材料加工后，保证导热材料至少部分端面非垂直于大传热系数导热面；平面导热材料加工后，保证导热材料至少部分厚度方向端面非垂直于大传热系数导热面长度方向。

优选的根据权利要求1-3任一所述的半成品薄膜预成形方法，其特征是半成品薄膜层叠成形；平面各向异性导热材料为l或类似l形、平行、折叠层叠。

一种半成品薄膜预成形方法，其特征是半成品薄膜或层叠成形半成品薄膜端面加工时，加工方向与半成品薄膜平面既不平行也不垂直；各向异性导热材料大导热系数面端面表面与发热接触面平行，但不与各向异性导热材料大导热系数面平面垂直。平面各向异性导热材料大导热系数导热面表面与散热元件平面或发热接触面最大程度贴合。由于平面各向异性导热材料大导热系数面垂直于端面表面时，同样尺寸下垂直端面表面的面积最小，端面与各向异性导热材料大导热系数面夹角越小，端面表面面积越大；本发明很好地解决了平面各向异性导热材料，由于平面厚度较小不能充分利用大导热系数面传热的情况。平面导热材料大导热系数面至少部分端面表面的面积大于垂直截面时的面积；至少部分导热材料大导热系数面与散热元件平面或发热接触面不平行。

优选的根据权利要求1-5任一所述的半成品薄膜预成形方法，其特征是半成品薄膜由低熔点无机导热材料固定或填充；包括平面各向异性导热材料和固定结构，至少有两片各向异性导热材料，其特征是固定结构中主要由低熔点无机导热材料结构固定或填充；由于需要将平面各向异性超薄导热材料通过各种方式增加平面各向异性导热材料的形状尺寸，尤其是增加厚度，需要固定平面各向异性导热材料薄片；固定结构中间隙由低熔点导热材料填充。填充有电磁屏蔽粒子、磁性粒子、导热材料或纤维状粒子。

一种半成品薄膜，其特征是采用根据权利要求1-6任一所述的平面导热材料半成品薄膜预成形方法制备的半成品薄膜。

一种半成品薄膜，其特征是半成品薄膜形状的宽度小于3mm；由于平面导热材料的使用条件大多是超薄尺寸，所以提前采用小尺寸半成品薄膜进行加工，可以尽可能避免后续的裁切加工。

优选的根据权利要求7或8任一所述的半成品薄膜，其特征是半成品薄膜中至少有一个便于加工使用的固定形状或定位形状，至少有其中一种；平面各向异性导热材料中至少有一种固定形状或定位形状；有时一种固定形状同时也是定位形状；固定形状或定位形状可以在平面内，也可以在平面边缘；固定形状或定位形状可以是多边形、三角形，也可以是曲线形状；平面各向异性导热材料大导热系数导热面中至少有一个固定缺口。

一种平面导热材料，其特征是平面导热材料主要由采用根据权利要求1-9任一所述的方法或结构的半成品薄膜制成，至少有其中一种。

优选的低熔点导热材料与大导热系数导热面中的形状相互配合或与端面配合，至少其中一种；低熔点导热材料与大导热系数导热面中的固定缺口相互配合或填充阻隔接触面，至少其中一种；固定结构至少包括粘附、卡扣、焊接、围合结构，至少其中一种。

优选的平面导热材料的端面形状，使其与散热元件端面或发热接触面形成最大程度重合。

优选的散热结构形成过程中平面各向异性导热材料主体接触温度低于碳氧化温度。

优选的导热材料的端面加工精度可以保证端面与发热元件的接触面至少可以是液密性接触。散热元件和发热元件之间任一相变层接触表面的厚度小于0.01mm；厚度减小既可以降低液体流动，还可以增加散热效率，所以，可以通过测量现有技术与超薄接触面厚度两者之间不同的传热效率区分；理想状态是至少在散热元件或发热元件的散热接触表面中，散热元件或发热元件的基质表面晶粒最高点露出液态金属相变层外表面；最佳状态是散热元件或发热元件的表面加工精度可以达到气密级或液密级；元件之间液密性接触面内至少有部分气密接触；包括两个接触面中一个接触面为气密性表面；元件之间接触面至少部分形成气密性接触，通过使元件之间接触面产生的真空压力固定元件的方法；接触面的至少一个侧面至少有密封结构；气密性接触面的至少一个面，至少有一个固定结构；至少部分液密性接触面内至少有一点是非液密性接触。元件之间接触面至少采用部分形成液密性接触的防水方法；元件之间液密性接触面内至少有部分气密接触；包括两个接触面中一个接触面为气密性表面。元件之间接触面至少部分形成气密性接触，通过使元件之间接触面产生的真空压力固定元件的方法；接触面间的接触程度既可以直接通过测量表面加工精度表征，比如通过真空压力大小、尺寸公差、轮廓度、平面度或粗糙度的大小来表示，也可以通过测量接触面是否达到液密性表征；液密接触表面可以是平面，也可以是曲面；液密性接触可以通过研磨方式得到，或是通过置于真空环境中得到，还可以通过液体排气的方式得到，至少选择一种方式；气密性接触面的至少一个侧面至少有密封结构；气密性接触面的至少一个面，至少有一个固定结构。散热元件液密性接触面内有突出部。

一种预成形散热元件，其特征是采用根据权利要求1-9任一所述的新型散热结构的散热元件。

优选的散热结构至少由任意两种权利要求所述散热结构的组合。

任一散热元件与发热元件表面至少部分为不沾表面。不沾表面包括散热元件与发热元件的接触表面和接触表面的相邻表面。

一种预成形散热元件，其特征是采用根据权利要求1-9任一所述的新型散热结构加工方法或新型散热结构形成的散热元件，至少其中一种；任意一种权利要求所述改进型散热结构形成的表面；预成形元件是单独的散热元件或发热元件分别与相变层的结合。

一种散热装置，其特征是采用上述权利要求中任一有该方法或该结构元件制造的散热装置和系统。

一种电子装置，其特征是采用任一权利要求所述发热元件散热方法制作的元件。

本发明的有益效果：

1.提出至少三种加工方法。

2.提出三种半成品薄膜结构。

3.提出三种预成形件。

4.任一采用新型散热结构的产品、装置或系统。

附图说明