具有热膨胀系数匹配的热散布器以及使用热散布器的散热的制作方法

背景技术：

1、热源与散热器之间的无效热连通会阻碍过量热从通常在电子设备内的系统的散发。例如，诸如大功率led和大功率电路之类的发热电子部件的大小不断减小并且变得越来越强大，从而生成越来越多地集中在越来越小的空间中的过量热的负载。系统级封装(sip)系统和复杂电子封装的集成水平的不断提高也可能使散热变得困难。过量热的增长产生及其集中会使得有效的热量移除是重要的，但也是尤其成问题的。无法从电子系统移除过量热会导致显著的后果，诸如过热、降低的传导、高于正常情况的功率要求、和/或需要降频操作以避免由于热点的存在而导致的板烧毁和设备故障。故障模式可包括由热膨胀系数(cte)不匹配引起的侧向位移力，该侧向位移力可能超过结合线的强度并且导致电路断开和/或短路。

2、无效热传导在各种类型的电路板中尤其普遍，特别是印刷电路板(pcb)、复杂封装、堆叠板和系统级封装(sip)部件。pcb和类似的电路板就其构造的性质而言是热绝缘体。具体地说，pcb可以采用热绝缘基板(例如，玻璃纤维环氧树脂复合物，如fr4(常见示例)，其具有仅0.25w/m·k的热导率值)，在其上设置适当的电子电路和各种板部件。pcb基板的低热导率值会使从电子系统移除过量热变得相当困难。由于引线或嵌入的金属迹线的大小通常很小，因此能够经由引线或嵌入的金属迹线移除非常少的过量热。另外，常规铅焊料不是特别导热的(例如，比更导热的金属诸如铜的导热系数低约1/10或更低)。具有用于gan和sic设备、单片微波集成电路(mmic)、相控阵列等的热块的封装基板(诸如例如在5g基站和功率转换器中发现的那些)可以经历类似的问题。emi屏蔽可经历相关问题，但不会发生短路。

3、散热孔是用于移除由与印刷电路板或类似结构相关联的电子部件生成的过量热的一种方法。然而，将高熔点金属直接液体浇铸到通孔中与目前使用的板材料不相容(与通常用作pcb基板的材料的低得多的聚合物熔点相比，金属加工温度大于1000℃)。因此，通孔通常填充有松香或类似填料，并且然后在两端电镀封盖或保持开放，其中仅在通孔壁(即，通孔筒)上形成厚金属镀层(例如，铜)以促进通过pcb基板的电连通。该方法通过缓慢的电沉积进行，并且可以通过在延伸穿过pcb的金属塞中留下间隙来提供次优的热通信。在美国专利10,616,994中描述了使用金属纳米颗粒填充通孔的替代方法，该专利通过引用并入本文，其可以促进通孔的更完全填充并且负担更高的热导率。大直径通孔可与此类工艺相容以提供更有效的过量热移除。为了移除大量的过量热，即使散热孔也可能是不足的。

4、热硬币是用于散热的另一种方法，其可在需要的热传导比可由散热孔提供的热传导更大时使用。热硬币是直径为3mm-4mm的金属主体，其被压入pcb或类似基板的平面中。尽管相对于散热孔可导致热传导增加，但大小错配是常见的，并且在生产期间pcb的厚度和预制热硬币可变化，这可在将多个pcb层堆叠在一起时导致组装问题。热硬币通常也以有限的形状范围制造，这可能不适用于特定的pcb架构。

5、热管是替代的传热介质，其可促进传递特别大量的过量热。然而诸如铜的高导热金属可仅具有在数百w/m·k的范围内的热导率值，热管可提供高得多的有效热导率值，达到数千w/m·k的范围，诸如约10000w/m·k至约100000w/m·k。热管通过直接热传递到容纳在密封容器内的工作流体而起作用，其中通过液-气相变和随后的工作流体冷凝来进一步补充传导。热管传统上被利用于需要在恶劣的操作环境中被动散热的应用中。示例包括卫星和航天器应用。小型化热管，诸如振荡热管，最近已被用于从印刷电路板和类似的小型产热电子部件散发过量热。

6、与热管一样，热散布器也可以促进从与之接触的热源的过量热的散发。热散布器缺乏热管的工作流体，而是可以促进热通过单片导热主体的侧向散布，以促进将过量热更有效地排出到热储存器。热散布器可以是渐缩的，以促进过量热从具有有限大小的热源(包括点状源)散发到散布在更大面积上的散发表面，通常在散热器处或邻近散热器。

7、与热管和热散布器两者相关联的困难在于，由于热膨胀系数(cte)不匹配，在产热部件与热管或热散布器的外表面之间可能存在无效热连通。例如，铜是常用于形成热管外壳或用于形成热散布器的单片金属主体的高导热性金属，但这种金属与通常存在于印刷电路板或生成过量热的类似部件的产热部件中的陶瓷材料在cte上显著不同。当加热发生时，cte不匹配可导致产热部件从热管或热散布器脱离，从而显著削弱热管或热散布器从产热部件散发过量热的能力。热散布器与散热器或其他热接收结构的脱离可能也有类似的问题。此外，用于将热管或热散布器结合到产热部件的材料可能也进一步导致cte不匹配问题。

技术实现思路

技术特征：

1.一种热散布器，包括：

2.根据权利要求1所述的热散布器，其中所述铜复合物是通过将铜纳米颗粒与微米级铜颗粒和所述cte改性剂固结而形成的。

3.根据权利要求1所述的热散布器，其中所述铜复合物具有约2％至约30％的均匀纳米孔隙率。

4.根据权利要求1所述的热散布器，其中所述cte改性剂包括选自由以下组成的组的颗粒或纤维：碳、w、mo、金刚石、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳纳米管、石墨烯、石墨、氧化铜纳米颗粒及它们的任意组合。

5.根据权利要求1所述的热散布器，还包括：

6.根据权利要求1所述的热散布器，其中所述导热主体完全由包含所述cte改性剂的所述铜复合物形成。

7.根据权利要求6所述的热散布器，其中所述cte改性剂分布在整个所述导热主体上。

8.根据权利要求1所述的热散布器，其中所述导热主体是渐缩的。

9.根据权利要求1所述的热散布器，其中所述cte改性剂以阶梯式或梯度浓度分布存在于所述铜复合物中。

10.根据权利要求1所述的热散布器，其中所述铜复合物具有约3ppm至约7ppm的cte。

11.一种印刷电路板(pcb)，包括：

12.根据权利要求11所述的pcb，其中所述铜复合物是通过将铜纳米颗粒与微米级铜颗粒和所述cte改性剂固结而形成的。

13.根据权利要求11所述的pcb，其中所述铜复合物具有约2％至约30％的均匀纳米孔隙率。

14.根据权利要求11所述的pcb，其中所述至少一个热散布器经由包含第二铜复合物的结合层而结合到所述产热部件，所述第二铜复合物与所述产热部件是cte匹配的。

15.根据权利要求14所述的pcb，其中所述结合层的所述第二铜复合物具有约2％至约30％的均匀纳米孔隙率。

16.根据权利要求11所述的pcb，其中所述cte改性剂包括选自由以下组成的组的颗粒或纤维：碳、w、mo、金刚石、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳纳米管、石墨烯、石墨、氧化铜纳米颗粒及它们的任意组合。

17.根据权利要求11所述的pcb，其中所述导热主体完全由包含所述cte改性剂的所述铜复合物形成。

18.根据权利要求17所述的pcb，其中所述cte改性剂分布在整个所述导热主体上。

19.根据权利要求11所述的pcb，其中所述导热主体是渐缩的。

20.根据权利要求11所述的pcb，其中所述产热部件位于所述电绝缘基板的表面上或凹入所述电绝缘基板的所述表面，并且：

21.根据权利要求11所述的pcb，其中所述cte改性剂以阶梯式或梯度浓度分布存在于所述铜复合物中。

22.根据权利要求11所述的pcb，其中所述铜复合物具有约3ppm至约7ppm的cte。

23.一种散热系统，包括：

24.根据权利要求23所述的散热系统，其中所述导热主体或其上的所述涂层经由结合层以冶金方式结合到所述散热器或所述热管。

25.根据权利要求23所述的散热系统，其中所述导热主体或其上的所述涂层具有在所述产热部件的约±20％内的cte。

技术总结热散布器可针对与电子部件或与其热连通的其它产热部件的热膨胀系数(CTE)匹配而定制。在一些情况下，该产热部件可结合到该热散布器，同时实现该CTE匹配。铜纳米颗粒可在温和条件下与CTE改性剂固结，以限定被配置用于接触热源和散热器的热散布器，其中该热散布器的至少一部分包括包含该CTE改性剂的铜复合物。该铜复合物可存在于限定该热散布器的导热主体或其上的涂层中。该铜复合物可接触产热部件，以诸如在印刷电路板(PCB)内促进两者之间的有效热传递和稳健结合，随后将热散发到散热器或其它热接收结构。技术研发人员：A·A·齐恩受保护的技术使用者：库普利昂公司技术研发日：技术公布日：2024/7/23