CN100539815C - 循环led的散热器 - Google Patents

循环led的散热器 Download PDF

Info

Publication number
CN100539815C
CN100539815C CN200610172381.7A CN200610172381A CN100539815C CN 100539815 C CN100539815 C CN 100539815C CN 200610172381 A CN200610172381 A CN 200610172381A CN 100539815 C CN100539815 C CN 100539815C
Authority
CN
China
Prior art keywords
radiator
graphite
substrate
heat
equipment
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN200610172381.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1984543A (zh
Inventor
B·E·雷斯
M·D·斯马
B·J·拉塞
G·S·科斯亚克
P·斯坎达库马兰
M·G·格茨
M·法拉斯蒂斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Advanced Energy Technology Co Ltd
Graftech International Holdings Inc
Original Assignee
Graftech Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Graftech Inc filed Critical Graftech Inc
Publication of CN1984543A publication Critical patent/CN1984543A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100539815C publication Critical patent/CN100539815C/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
    • H05K1/0203—Cooling of mounted components
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2039—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating characterised by the heat transfer by conduction from the heat generating element to a dissipating body
    • H05K7/205—Heat-dissipating body thermally connected to heat generating element via thermal paths through printed circuit board [PCB]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/18—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components
    • H05K1/182—Printed circuits structurally associated with non-printed electric components associated with components mounted in the printed circuit board, e.g. insert mounted components [IMC]
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/10—Details of components or other objects attached to or integrated in a printed circuit board
    • H05K2201/10007—Types of components
    • H05K2201/10106—Light emitting diode [LED]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24802—Discontinuous or differential coating, impregnation or bond [e.g., artwork, printing, retouched photograph, etc.]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

一种用于手持设备例如手机的照相机的闪光LED光源的石墨散热器。其能在增大功率的情况下极大地减少工作温度，因此能够提高光源的亮度以及提高电子元件的使用寿命。

Description

循环LED的散热器
本发明部分延续了2006年1月25日提交的Reis等人的题为“HeatSpreaders With Vias”的美国专利申请No.11/339,338，其又部分延续了于2005年11月4日提交的Reis等人的题为“Spreading CircuitAssembly”的美国专利申请No.11/267,933，并在此将每篇文献的详述引入作为参考。
技术领域
本发明涉及一种包括发光二极管(LED)光源的手持设备，例如包括例如作为照相机闪光灯的LED的手机或个人数字助理。其中，LED光源必须循环地开启和关闭。本发明提供一种用于减小光源的工作温度的循环光源的散热器，以致于能够加快循环时间，在开启时增长持续时间，提高亮度，和/或在使用时能提高LED光源的可靠性和亮度。
背影技术
手持设备例如通常结合有照相机的手机、个人数字助理等，典型地包括循环光源，例如作为照相机的闪光灯的LED。
LED将与电路组件电连接。电路组件可以是工业上常用的“印刷电路板”或“柔性电路板”。在其它情况下，电路可设置在电介质材料的基板上。
在柔性电路板的情况下，电路，例如铜电路，被设置在作为电介质层的聚合物材料例如聚酰亚胺或聚酯的表面上。顾名思义，这些基板材料是柔性的甚至是能够卷曲的材料。这样的柔性电路板也可以进一步被衬垫支撑，衬垫可以是金属，塑料或其它材料，例如玻璃纤维叠层材料，公知的是FR4材料，其能给组件提供更刚性的结构以有助于手持设备中的LED光源的支撑和设置。
在印刷电路板的情况下，通常利用电介质材料制成，例如玻璃纤维叠层板(有时称为FR4板)，聚四氟乙烯，等材料。在这种板的一个表面上，或电介质材料层之间，通常是由铜形成的电路。电路通常由光刻法、喷镀、丝网印刷或类似的方法形成(对于设置在层之间的电路，在形成叠层前将电路形成在电介质材料上)。光源可设置在板的表面上，与表面上的电路接触。当应用“闪”光源时，光源在短时间内产生大量的热量，因此必须给设备散热以使设备能可靠地工作以及符合其性能指标。实际上，对于LED光源，公知LED结温得越低，LED的瞬时亮度越高，发光度的衰减越慢(换句话说，LED的结温升高时，LED在整个持续时间内具有更低的瞬时亮度和更快的发光度衰减)。
用于手机或其它微型手持设备的照相机的循环光源在相当短的时间内(如小于1秒，更典型为小于500毫秒(ms))产生大量的热，其成为照相机和闪光工作的限制因素。由于过热的问题，使闪光之间存在极大的延迟(光源的复原时间与连续闪光之间的时间量相关)。实际上，复原时间大于5秒是罕见的，而复原时间尽可能短是工业上追求的目标。因此，在连续发光时，或称作“手电筒”工作模式，由于过热的原因又限制了照明度。而这种过热问题的解决方案又受到手持设备中非常有限的可用空间的限制。
在较大的电子设备的广泛领域中，已经开发出各种散热器技术。如所谓的“导热板(thermal boards)”，其中在与电路和发热元件相对的表面上或层中，将散热材料例如铜或铝以及它们的合金与电介质材料层叠，作为用于电子元件所产生的热的散热器。由于散热材料典型地是导电的，如果与电路接触会干扰电路的工作，因此如此定位散热器以使至少一个电介质材料层将散热器和电路分隔开是非常重要的。
有几种市场上有售的“导热板”，有时称作金属芯印刷电路板(MCPCB)，例如Bergquist公司的绝缘金属基板TM导热板，Thermagon的T-CladTM导热板，Denka的HITT板，以及TT电子的AnothermTM板。这些导热板利用导热电介质层，或是如在前三个情况下将导热微粒填充到电介质层中，或是在Anotherm方案的情况下，在铝散热器层的上面形成薄阳极化层。然而，导热微粒的使用是昂贵的，并且所形成的层必须足够厚以确保其细孔自由度，因此在设计中增加了热阻。这种方法的另外的限制是其缺乏柔性以制作弯曲或非平面电路结构，实际上电介质材料覆盖散热器层的整个表面。利用电介质层的阳极化试图解决这些问题，但是由于铜不能阳极化，因此只能用铝作为散热层。由于铝的热导率远小于铜的热导率，因此不利于导热。然而，前述的所有方法，都可能遇到焊接困难的问题，由于在印刷电路板和元件工作期间相同的散热性能是有益的，从而限制了需要热点源用于焊接的组装工序(例如热棒粘接)。
为了克服其中的一些问题，而不是全部问题，传统的印刷电路板被通过单独的工序与单独的金属散热层结合。在这种设置中，可在印刷电路板上设计热通道(典型在所钻孔中镀铜)以更好地通过印刷电路板的未填充电介质层导热，但这仅仅能在元件和元件之间不需要电绝缘的情况下应用。
此外，传统散热材料像铜或铝也给板增加了较大的重量，而这并不是所希望的，并且这些材料的热膨胀系数(CTE)与玻璃纤维叠层的热膨胀系数不匹配，导致受热的印刷电路板上的物理应力，并潜在起层或开裂的危险。
另外，由于这些板上的散热层是由各向同性，薄(相对于其长和宽)的金属材料构成，热容易从散热器的厚度方向通过，从而导致在与热源直接相对的区域上产生热点。
另一种类型的电路组件，工业上称为“柔性电路板”，其具有相似的热处理问题。柔性电路板是由在作为电介质层的聚合物材料表面，例如聚酰亚胺或聚酯上，设置电路，例如上述的铜电路，形成的。顾名思义，这样的电路材料是柔软的甚至可以作为卷曲的电路材料然后结合到散热器层像铜或铝上。虽然非常薄，电介质层仍然给设计增加了可观的热阻，从而产生与上述印刷电路板相同的问题。热通道的使用仍然会限制如上述的电绝缘的应用。显然，相对厚和刚性的金属层的使用，例如铜或铝，就不能充分利用柔性电路板的柔软性优点，而这对于最终应用是很重要的特性。
使用由片状石墨的压缩微粒薄片或石墨化聚合物膜(例如美国专利No.5,091,025中所描述的，在此引入作为参考)能够消除使用铜或铝散热器所产生的许多缺点，因为这样的石墨材料的重量与铜相比减少了80％，而在印刷电路板表面散热的面内方向具有等于甚至优于铜的热导率。
包括一个或多个由石墨薄片构成的叠层在本领域是公知的。这样的结构被应用于，例如，在衬垫的制造中。参见Howard的美国专利No.4,961,991。Howard公开了包含粘接在片状石墨的压缩微粒薄片之间的金属或塑料薄片的各种叠层结构。Howard公开这样的结构能够通过在金属网的两边上对石墨薄片进行冷加工将石墨压接到金属网上而制备。Howard同时公开在两石墨薄片之间设置聚合物树脂涂层布然后加热到足够的温度软化聚合物树脂，从而将聚合物树脂涂层布粘接到两石墨薄片之间以制作石墨叠层。同样地，Hirschvogel的美国专利No.5,509,993，公开了通过将表面活性剂施加到被粘接表面的一个上作为第一步骤以制作石墨/金属叠层的方法。Mercuri的美国专利No.5,192,605公开了通过将片状石墨的压缩微粒薄片粘接到可以是金属、玻璃纤维或碳的芯骨金属以形成叠层的方法。Mercuri在通过压延机辊筒传送芯骨金属和石墨之前在芯骨金属上沉积并固化环氧树脂和热塑剂的微粒而形成叠层。
除应用到衬垫材料之外，石墨叠层也被应用于传热或冷却装置。各种固体结构被应用于热传输装置在本领域是公知的。例如，Banks的美国专利5,316,080和5,224,030公开了利用金刚石和气体-衍生石墨纤维，加入适当的粘接剂，成为热传导装置。这样的装置被应用于从热源被动地传热，例如对于半导体，作为散热片。
应注意，优选作为本发明的散热材料的石墨材料是片状石墨的压缩微粒薄片，或由聚合物材料的石墨化形成的石墨膜。
天然石墨，在显微镜尺度下，是由六边形阵列的层面或网状碳原子构成。在这些六边形的层面中碳原子基本在一个平面上并且是取向排列的或规则的，以致于彼此基本平行并等距。碳原子的基本平坦、平行、等距的薄片和层，通常被称为元层或基面，其被连接或粘接在一起以组排列在微晶中。高度规则的石墨材料由相当大尺寸的微晶构成，微晶彼此具有高度的排列或取向并具有相当规则的碳层。换句话说，高度规则的石墨具有高的微晶取向度。应当注意石墨，根据定义，具有各向异性结构并存在或具有许多高度方向性的特性，例如，热和电传导以及流体扩散。
简言之，天然石墨可以由碳的层叠结构表示其特性，即，该结构由通过较弱的范德瓦尔斯(van der Waals)力连接在一起的碳原子的层叠层或薄层构成。对于石墨结构，应该注意两个轴或方向，即，“c”轴或方向以及“a”轴或方向。为简单起见，“c”轴或方向定义为与碳层垂直的方向。“a”轴或方向定义为与碳层平行的方向或与“c”方向垂直的方向。石墨适合于制造具有高取向度的片状石墨的压缩微粒薄片。
如上所述，支持碳原子的平行层结合在一起的结合力仅仅是较弱的范德瓦尔斯力。天然石墨可以通过化学处理以使层叠碳层或薄层之间的间距适合于展开，以在垂直于层的方向上显著地延伸。即，在“c”方向上，这样形成的延伸或膨胀结构中碳层的层状结构被基本保持。
天然石墨薄层被通过化学或热膨胀以及更特殊的膨胀，使得其最后厚度或“c”方向尺寸为原始“c”方向尺寸的约80或更多倍，其能够在不使用粘结剂粘结到粘结物或膨胀石墨的集成薄片，如，网、纸、条、带或类似物的情况下形成。通过膨胀而使最后厚度或“c”方向尺寸为原始“c”方向尺寸的约80或更多倍的石墨微粒被压接到集成柔性薄片上而形成，不需要使用任何粘结材料，是因为在大量膨胀石墨微粒之间所形成的机械联锁，或凝聚的原因。
除柔软外，上述的薄片材料，也具有热和电传导和流体扩散的高各向异性度，稍稍有点小，但是，由于很强的压接例如辗压导致石墨微粒的取向基本平行于薄片的相对面，使得其能与天然石墨原材料媲美。这样制成的薄片材料具有优良的柔软性，良好的强度以及非常高的等级或取向。需要在加工中更充分应用这些特性。
简言之，制作柔软、无粘结剂、各向异性膨胀的天然石墨薄片材料，例如，网、纸、条、带、箔、底板、或类似物的工序包括在没有粘结剂的情况下在预定区域压缩或压制，膨胀石墨微粒使其“c”方向尺为原始微粒的“c”方向尺寸的约80或更多倍，从而形成基本平坦、柔软、的集成石墨薄片。被膨胀的石墨微粒通常为螺纹状或蠕虫状的外形，一旦被压缩，就保持压缩状态并与相对的薄片主表面排列成行。薄片的特性可以在压缩步骤之前通过涂层和/或附加粘结剂或添加剂而改变。参见Shane等人的美国专利No.3,404,061。薄片材料的密度和厚度可以通过控制压缩量而变化。
低密度对于表面细节需要压纹或模塑的情况是有利的，低密度有助于获得好的细节。然而，高密集薄片通常意味着高的面内强度和热导率。典型地，薄片材料的密度在大约0.04g/cm3至大约1.4g/cm3的范围内。
由于石墨微粒平行于相对的主表面，即薄片的平行表面，上述的天然石墨薄片材料典型地具有显著的各向异性度，各向异性度由于薄片的辊筒轧压增加以增大密度。在被辊筒轧压的各向异性薄片材料中，其厚度，即垂直于相对面的方向，平行薄片表面包括“c”方向和沿长和宽定向的方向，即沿着或平行于相对面，主表面包括“a”方向，薄片的热特性在“a”和“c”方向上有很大差异，特别是在量上。
在石墨化聚合物膜的形成中，具有高结晶度的石墨膜由聚合物膜例如芳香型聚酰亚胺膜或聚蜜亚胺(polymellitimide)膜的固态碳化物形成，通过高温热处理以形成在外形上没有任何变化(尽管发生显著的收缩)的碳化膜，因为碳膜能够通过在惰性气体中的热处理转化为石墨。
聚酰亚胺在各种电子应用中被用作热阻聚合物。同样，已经生产出适用于特殊用途的膜的特性的具有不同分子结构的各种聚酰亚胺膜。这就可以将成品石墨膜的不同特征作为特性和成分结合石墨化技术控制成品石墨的性能。
薄膜例如聚酰亚胺膜首先被切割为适合于在碳化步骤中预期的后续收缩。碳化过程中伴随着膜的充分收缩可能释放大量的一氧化碳。碳化可以通过两个步骤完成，第一步骤的温度远低于第二步骤。在碳化聚酰亚胺膜的第一步骤中，重量的减少主要是由于聚酰亚胺膜中的酰亚胺部分中的碳酰基的破损。特别是，在第一步骤后期将出现氧化醚的损失。在碳化的第二步骤中，在膜的酰亚胺组分解时可能释放氮气。
石墨化工序中包括高温热处理，热处理的高温导致碳原子的不同排列。特别是，依赖于所选择的膜，以某个温度石墨化后的碳层叠层之间存在细孔。例如，在2450℃，经过石墨化步骤后，聚酰亚胺膜可以依然存在于碳层之间取向的扁平细孔。相反，在2500℃时，相同的膜将会发生细孔塌陷从而导致石墨膜实际上成为碳层。
发明内容
本发明的一个方面提供一种手持电子设备包括外壳和具有电路组件的LED光源。电路组件包括具有用于循环开启和关闭LED的电路结构的基板，典型地这样的LED在大约等于或小于1秒内开启，优选等于或小于500ms，更优选大约等于或小于250ms。LED邻近基板的第一主面设置并与电路连接。散热器可以为片状天然石墨的压缩微粒薄片或石墨化聚合物膜，并导热地与基板的第二主面接触，其中散热器与基板接触的表面面积大于LED与基板接触的表面面积。散热器使得光源在10秒内能够循环开启和关闭至少两个周期，而不会在循环过程中使最大温度明显升高。
本发明的一个目的在于提供一种能提高散热能力的电路组件。
本发明的另一个目的在于提供一种用于手持设备开启和关闭循环光源的散热器。
本发明的又一个目的在于提供一种由柔软材料制成的散热器，以使得手持设备中的散热器和附装基板和LED的安装容易实现。
本发明的再一个目的在于提供一种用于手持电子设备中LED的电路组件，其能够增加光源的强度、辉度、发光度和/或亮度。
为实现本发明的这些或其它目的，将由石墨材料形成的散热器应用于安装在基板上的光源，其中基板设置在手持设备中的散热器上。
本发明的其它和进一步的目的、特征和优点，在结合附图阅读下述描述的情况下，是容易被本领域技术人员理解的。
附图说明
图1为现有技术的手机的正视图，其中示出了安装于其后部的照相机，并在虚线部分表示具有安装在玻璃纤维叠层衬底上的柔性电路板上的LED的电路组件的位置。
图2为用于图1的现有技术的设备的电路组件的放大正视图。
图3为沿图2的现有技术的电路组件的线3-3的正截面图。
图4为本发明的电路组件的正视图，其中LED被安装在装有石墨散热器的柔性电路板上。在图4所示的实施例中，柔性电路板基本上被装在散热器的中心。
图5与图4相似，其示出了没有安装在散热器中心的柔性电路板。
图6-9为沿图4的X-X线的截面视图，其中示出了本发明的电路组件的各种可选实施例。
图6所示为安装在柔性电路板上的LED，其中柔性电路板是安装在石墨散热器上的。
图7所示的电路组件与图6相似，除了增加了沿柔性电路板和石墨散热器延伸的热通道。
图8所示为安装在柔性电路板上的LED，柔性电路板又安装在石墨散热器上的玻璃纤维叠层衬底上。
图9所示为安装在印刷电路板上的LED，其中印刷电路板又安装在石墨散热器上。
图10为本发明的手持设备的正视图，其以虚线区域示出了在手持设备的外壳中的本发明的石墨散热器的大约位置。
图11为表示图1-3的现有技术的LED在闪光模式工作时温度与时间的关系图。
图12为表示本发明的光源在闪光模式工作时温度与时间的关系图，其中示出了与图11的现有技术的结果比较相当低的工作温度和更快的复原时间。
图13为表示最大温度与本发明的石墨散热器的各种可能的尺寸之间的关系的条形图。
图14为表示LED的最大功率和相应的LED和其下方基板的连接处的最大温度的表。
图15为表示图14的数据的条形图。
图16为表示图1-3的现有技术的LED光源工作在连续或“手电筒”模式时温度与时间的关系图。
图17为表示本发明的电路组件的温度与时间的关系图，其中示出了本发明在手电筒模式获得了相当低的运行温度。
具体实施例
本发明是基于手持设备中发热情况下循环光源的工作能够通过增加由石墨制成的散热器而提高的发现实现的。光源，优选为LED，能够在增大的功率电平下工作以提高亮度，而仍然能够在相当低的工作温度下工作。利用石墨作为散热器也有助于机械因素例如容易在手持设备中安装组件。
术语“电路组件”表示包括定位在电介质材料上的一个或多个电路，也可以包括叠层，其中一个或多个电路被夹在电介质材料层之间。电路组件的例子有印刷电路板和柔性电路板，这些都是本领域技术人员熟知的。
在描述本发明改善常用材料的方法之前，简要地描述石墨以及将其形成的柔软薄片，其将成为用于本发明所制造的产品的主要散热器。
天然石墨是由碳构成的结晶体，其包括在具有弱的层间结合力的平面层中结合的共价原子。通过处理天然石墨薄片，使其具有例如硫和硝酸的溶液，与石墨的晶体结构反应形成石墨的混合物和嵌插物。被处理的石墨微粒在下文中称作“被嵌插的石墨微粒”。在暴露于高温中的情况下，石墨中的嵌插物分解和挥发，引起被嵌插的石墨微粒在“c”方向尺寸上膨胀为折叠状形式的原始体积的约80或更多倍，“c”方向即垂直于石墨的结晶面的方向。层状石墨微粒在形状像蠕虫状，因此通常称为蠕虫。蠕虫可以被压缩在一起形成软薄片，其与原始的石墨薄片不一样，其能够被形成和切割成各种形状。
适用于本发明的天然石墨原材料包括能够嵌插有机或无机酸和卤素的高石墨碳材料，然后在热环境下暴露而膨胀。这些高石墨碳材料优选具有大约1.0的石墨化度。本说明书中所使用的，术语“石墨化度”的值由下式表示：
g = 3.45 - d ( 002 ) 0.095
其中d(002)为以埃(Angstrom)为单位测得的晶体结构中碳的石墨化层之间的间距。石墨层之间的间距是通过标准X-射线衍射技术测量的。测量对应(002)，(004)和(006)米勒指数(Miller Indices)的衍射峰值的位置，利用标准最小二乘法技术导出使这些峰值的总误差最小化的间距。高石墨碳材料的例子包括各种天然石墨。
用于本发明的天然石墨原材料可以包括非石墨成分，只要原材料的晶体结构保持所需要的石墨化度并且它们能够层化。通常，任何含碳材料，其晶体结构具有所需要的石墨化度并且能够层化，就适用于本发明。这样的石墨优选具有至少约80％重量份的纯度。更优选，用于本发明的石墨具有至少大约94％的纯度。在大多数优选实施例中，所用的石墨具有大约至少98％的纯度。
常用于制造天然石墨薄片的方法公开于Shane等人的美国专利No.3,404,061中，在此引入作为参考。在Shane等人的典型方法中，将天然石墨薄片浸入包含例如硝酸和硫酸的混合物的溶液中以嵌插嵌插物，优选为每100重量份石墨薄片对大约20至300重量份嵌插物溶液(pph)的水平。嵌插物溶液包括氧化剂和本领域公知的其它添加剂。这些所包含的氧化剂和氧化混合物的例子包括，例如溶液包括硝酸，氯酸钾，铬酸，高锰酸钾，铬酸钾，重铬酸钾，高氯酸，或类似物，或者混合物，例如，浓硝酸和氯酸盐，铬酸和磷酸，硫酸和硝酸，或强有机酸的混合物，例如，三氟醋酸，以及可溶解于有机酸中的强氧化剂。可选的是，可在石墨晶体中引入电势以电解包括硫酸和其它酸的氧化物。
在一个优选实施例中，添加剂是硫酸的混合物溶液，或硫酸和磷酸，以及氧化剂，即硝酸，高氯酸，铬酸，高锰酸钾，过氧化氢，碘或高碘酸，或类似物。尽管不优选，嵌插物溶液可以包括金属卤化物，例如氯化铁，以及氯化铁与硫酸的混合物，或卤化物，例如作为溴溶液的溴以及硫酸或有机溶剂中的溴。
嵌插物溶液的量可以在大约20至350pph的范围内更典型大约40至160pph的范围内。在对薄片进行嵌插后，将所有过剩的溶液从薄片中清除并对薄片进行水洗。可选的是，嵌插物溶液的量可以限制在大约10到大约40pph之间，这能够省去洗的步骤，如美国专利No.4,895,731所公开和教导的，在此引入作为参考。
以添加剂溶液处理的石墨薄片的微粒可以例如通过掺合与有机还原剂接触，有机还原剂可选自在25℃到125℃温度范围内与氧化剂嵌插物溶液的表面膜反应的乙醇，糖，乙醛，和酯。适合的特定有机添加剂包括十六醇，十八烷醇，1-辛醇，2-辛醇，癸醇，1，10癸二酰，癸醛，1-丙醇，1，3丙醇，乙二醇，聚丙二醇，葡萄糖，果糖，乳糖，蔗糖，马铃薯淀粉，乙二醇硬脂酸，二苯甲酸二甘酯(diethylene glycoldibenzoate)，丙二醇硬脂酸，丙三醇硬脂酸，羟基二甲酯，羟基二乙酯，甲酸甲酯，甲酸乙酯，抗坏血酸(维生素C)以及木质素-衍生合成物，例如木质素硫酸钠。适当的有机还原剂的量为石墨薄片的微粒的大约0.5至4％重量份。
在嵌插过程之前、之中或之后使用膨胀辅助物也能获得改善。在这些改善中包括减少层化温度和增大膨胀量(也称为“蠕虫量”)。关于膨胀辅助物优选是能充分溶解于嵌插物溶液中以改善膨胀的有机材料。更具体地，优选独有地使用包括碳、氢和氧的有机材料。已经发现羧酸是特别有效的。作为膨胀辅助物的适合的羧酸可以选自芳香族、脂肪族或脂环族，直链或支链，饱和以及不饱和一元羧基酸，有至少一个碳原子的二羧酸和多羧酸，优选具有高至约15个碳原子，其能溶解于嵌插物溶液中以在层化的一个或多个方面有效地提供极大的改善。可以利用适当的有机溶剂去提高嵌插物溶液中有机膨胀辅助物的溶解度。
酸的代表性的例子是饱和脂肪羧酸例如分子式为H(CH2)nCOOH，其中n为0至约5之间的数，包括蚁酸，乙酸，丙酸，酪酸，戊酸，己酸，或类以物。可代替羧酸的是，酸酐或活性羧酸的衍生物例如烷基酯。烷基酯的代表是甲酸甲酯和甲酸乙酯。硫酸、硝酸和其它水性嵌插物具有将蚁酸的最终分解为水和二氧化碳的能力。因此，蚁酸和其它灵敏的膨胀辅助物优先在石墨薄片浸入水性嵌插物前与石墨薄片接触。二羧酸的代表是具有2-12个碳原子的脂肪二羧酸，特别是草酸，延胡索酸，丙二酸，顺丁烯二酸，琥珀酸，戊二酸，己二酸，1，5-戊二羧酸，1，6-己二羧酸，1，10-癸二羧酸，环己胺-1，4-二羧酸和芬香型二羧酸例如邻苯二甲酸或对苯二酸。烷基酯的代表是草酸二甲酯和草酸二乙酯。脂环族的酸的代表是环己二羧酸以及芳香羧酸的代表是苯甲酸，萘甲酸，氨基苯甲酸，P-氨基苯酸，水杨酸，o-，m-和p-甲苯甲酸，甲氧或乙氧苯甲酸，乙酰溴胺苯甲酸，和乙酰胺苯甲酸，苯乙酸和萘酸。芳香型羟基酸的代表是羧基苯甲酸，3-羟基-1-萘甲酸，3-羟基-2-萘甲酸，4-羟基-2-萘甲酸，，5-羟基-1-萘甲酸，，5-羟基-2-萘甲酸，6-羟基-2-萘甲酸，，7-羟基-2-萘甲酸。多羧基酸中典型的是柠檬酸。
嵌插物溶液为水性的并优选含有约1至10％的量的膨胀辅助物，这个量能有效提高层化。在一个实施例中膨胀辅助物在浸入水性嵌插物溶液之前或之后与石墨薄片接触，可以通过适当的方式将膨胀辅助物与石墨混合，例如V-搅拌机，典型地以石墨薄片的约0.2％至10％重量份的量混合。
在对石墨薄片进行嵌插之后，将被嵌插物涂覆的石墨薄片与有机还原剂混合，然后将其暴露于25℃至125℃范围内的温度中以促进还原剂与嵌插涂层的反应。在上述范围内的温度下，加热时间可高至约20小时，对于短的加热时间，例如，至少大约10小时。对于更高的温度，时间可以是半个小时或更短，例如，10至25分钟。
通过这样处理的石墨微粒有时称作“夹层石墨微粒”。在暴露于高温的情况下，例如至少大约160℃以及特别地为大约700℃至1000℃和更高的温度以，夹层石墨微粒在“C”方向上膨胀为其原始体积的约80至1000或更多倍，“C”方向即垂直于组分石墨微粒的晶体平面的方向。膨胀，即层化的石墨微粒在外形上成为蠕虫状，因此通常称为蠕虫。蠕虫可被压缩成柔软的薄片(这里称作片状石墨的压缩微粒的薄片)，其与原来的石墨薄片不同，其能被形成和切割成各种形状。
石墨薄片和箔一样，具有好的手扯强度，并且适合于被压缩，例如，用辊筒轧压，形成大约0.075mm至3.75mm的厚度以及典型地每立方厘米(g/cm3)为约0.1至1.5克的密度。如美国专利No.5,902,762(在此引入作为参考)中描述的将约1.5％至30％重量份的陶瓷附加物与夹层石墨薄片混合以增强最终的柔软石墨制品的树脂注入。附加物包括具有大约0.15至1.5毫米长度的陶瓷纤维微粒。微粒的适当的宽度为约0.04至0.004mm。陶瓷纤维微粒与石墨不反应和不粘结，且其在高至约1100℃的温度是稳定的，优选大约1400℃或更高。适合的陶瓷纤维微粒由浸软的石英玻璃纤维，碳和石墨纤维，氧化锆，氮化硼，金刚砂，和氧化镁纤维，天然生成的矿物纤维例如偏硅酸钙纤维，硅化钙铝纤维，氧化铝纤维或类似物形成。
上述嵌插和片状石墨薄片的方法可以通过在石墨化温度下预处理石墨薄片而提高，例如在大约3000℃及以上范围的温度以及通过光滑添加剂中的掺杂物，如国际专利申请No.PCT/US02/39749所描述的，在此引入作为参考。
石墨薄片的预处理或热处理处理导致薄片在随后的嵌插和层化中的膨胀极大地增大(即膨胀体积增加300％或更多)。实际上，理想地，与没有热处理步骤的相同工序相比，膨胀增大至少大约50％。用于热处理步骤的温度将不低于3000℃，因此降低100℃就将导致膨胀显示减小。
本发明通过一段时间的热处理将足够使在嵌插和随后的层化中增大薄片的膨胀度。典型地需要1个小时或更多时间，优选1至3个小时，最有利的是在惰性环境中进行。对于最有利的结果，可以对被热处理后的石墨薄片进行其它本领域公知的处理以增大膨胀度-即在有机还原剂，嵌插辅助物例如有机酸参与下的嵌插，以及嵌插后用表面活性剂冲洗。此外，为得到最优的结果，可以重复嵌插步骤。
本发明的热处理步骤可以通过感应电炉或石墨化领域公知的其它装置实现。对于所使用的3000℃范围的温度，其是石墨化工序的范围内处于最高端。
因为已经发现利用石墨以预嵌插热处理制得的蠕虫有时“聚集”在一起，其对面积重量均匀性产生负面作用，因此通过添加剂帮助获得所希望的“自由流动”蠕虫。添加到嵌插溶液的光滑添加剂有助于蠕虫在压缩装置的机床上(例如压延机的机床)均匀分布，通常利用压缩装置压缩(或“压延”)石墨蠕虫形成柔性石墨薄片。最形成的薄片因此具有高的面积重量均匀性和高的抗张强度。光滑添加剂优选为长链烃，更优选为具有至少约10个碳原子的烃。其它具有长链烃基团，甚至有其它官能团存在，也可被使用。
更优选，光滑添加剂为油，特别是矿物油，尤其是具有少的腐臭和气味的矿物油，其有利于长期储存。应当注意上述某些膨胀辅助物的也符合光滑添加剂的定义。当这些材料被用于膨胀辅助物时，可以不用在嵌插溶液中包含单独的光滑添加剂。
嵌插溶液中的光滑添加剂的量至少大约为1.4pph，更优选为至少大约1.8pph。尽管光滑添加剂的含量的上限不如下限严格，但是如果光滑添加剂的量大于大约4pph将不会带来更显著的效果。
对于本发明的天然石墨薄片，利用重新研磨的石墨薄片优于新膨胀的蠕虫，如Reynolds，Norley和Greinke的美国专利No.6,673,289中所描述的，在此引入作为参考。薄片可以是新的薄片材料，回收的薄片材料，废弃的薄片材料，或其它任何适合的材料。
本发明的工序中也可以使用新材料和回收材料的混合物。
回收材料的原材料可以是薄片或如上所述被压铸模修整的部分薄片，或被例如预压延机辊筒压缩的薄片，但尚未被注入树脂。此外，原材料可以是已经被注入树脂的薄片或修整好的薄片部分，但尚未固化，或已经被注入树脂并固化的薄片或修整好的薄片部分。原材料也可以是回收的柔性石墨质子交换膜(PEM)燃料电池成份例如流线板或电极。可以使用各种石墨源或与天然石墨薄片混合。
一旦石墨薄片的源材料被使用，其可以被公知的工序和设备粉碎以形成微粒，例如喷射研磨，气体研磨，搅拌等。优选，大多数微粒具有能通过20U.S网眼的直径，更优选大部分(大于20％，优选大于50％)不能通过80U.S网眼。更优选微粒具有不大于大约20U.S网眼的尺寸。最好在粉碎时冷却注入树脂的石墨薄片以避免在粉碎工序中破坏树脂组分。
可选择被粉碎的微粒的尺寸以平衡具有所需热特性的石墨产品的机械加工性和可成型性。因此，小的微粒将导致石墨产品易于机械加工和/或成型，反之大的微粒将导致石墨产品具有更高的各向异性，以及，具有更大的面内电和热导率。
一旦材料被粉碎，其然后被再膨胀。再膨胀可以利用上述的嵌插和层化处理产生，其被描述在Shane等人的美国专利No.3,404,061和Greinke等人的美国专利No.4,895,713中。
典型地，微粒被嵌插后通过在炉中加热被嵌插的微粒进行层化。在该层化步骤中，被嵌插的天然微粒可以加入回收的被嵌插的微粒。优选，在再膨胀步骤中微粒被膨胀为具有至少大约100cc/g到高至大约350cc/g或更高范围的体积。最终，在再膨胀步骤后，被再膨胀的微粒可被压缩为柔性薄片，如本文所描述的。
根据本发明，上述形成的石墨薄片(其典型地具有大约0.075mm至大约10mm厚度，但可以随例如应用的压缩的量而变化)可以用树脂处理并吸收树脂，固化后，增强防潮性和抗张强度，即，硬度，薄片也具有“固定”的薄片形态。环氧浸渍石墨薄片中的树脂的量应该足够确保最终组装和固化的层结构是密集和具有内聚性的，而密集石墨结构的各向异性热导率没有被负面影响。适当的树脂成份优选至少大约5％重量份，更优选大约10至35％重量份，甚至高至大约60％重量份。
对本发明特别有用的树脂包括丙烯酸-，环氧-以及酚醛-基树脂系，氟基聚合物，或它们的混合物。适合的环氧树脂系包括双酚A的二环氧丙醚(DGEBA)和其它多官能团树脂系；可使用包括甲阶酚醛树脂和酚醛塑料的酚醛树脂。可选地，石墨可被注入纤维和/或盐加树脂或代替树脂。另外，可将活性或非活性添加剂用于树脂系以改变其特性(例如粘性，材料流动性，疏水性等)。
用于连续形成树脂注入和压缩天然石墨材料的一种类型的装置被描述于Mercuri、Capp、Warddrip和Weber的美国专利No.6,706,400中，在此引入作为参考。
-有利的是，在片状石墨的被压缩微粒薄片被注入树脂时，紧接着进行压缩步骤(例如压延)，将注入后的材料切割成适当大小的块并放入压力机中，在压力机中树脂在高温下固化。另外，可将天然石墨薄片用于形成叠层，其能通过在压力机在将单个的石墨薄片层叠在一起而形成。
用于压力机的温度应当足够确保在固化压力下石墨结构致密，而不会对结构的热特性产生不利的影响。通常，这需要至少大约90℃，通常高至大约200℃。优选，固化在大约150℃至200℃的温度下进行。用于固化的温度应当起到一点所用温度的作用，但是要确保石墨结构致密而不对结构的热特性产生不利的影响。通常，为便于制造，应用使结构致密的最小压力。这个压力通常为至少大约7兆帕斯特(Mpa，相当于大约每平方英寸1000镑)，并不大于大约35Mpa(相当于大约5000psi)，更常见为约7至21Mpa(1000至3000psi)。固化时间可以依赖于所使用的树脂系、温度以及压力变化，但通常在约0.5小时至2小时范围内。固化完成后，材料至少具有大约1.8g/cm3的密度，通常为1.8g/cm3至2.0g/cm3。
有利的是，当天然石墨薄片自身为叠层时，被注入后的薄片中的树脂可作为叠层的粘结剂。然而，根据本发明的另一实施例，通过压延，浸渍，使天然石墨在层叠和固化后被粘结剂覆盖。适合的粘结剂包括环氧-，丙烯酸-和苯酚基树脂。对本发明的微粒特别有用的酚醛树脂包括甲阶酚醛树脂和酚醛塑料的苯酚基树脂。
尽管通过压延或模塑是用于本发明的微粒中的石墨材料形成的最常用的方法，但是也可使用其它形成方法。
如上所述，所用石墨也可以是石墨化聚合物膜。
根据本发明用作散热器的的石墨薄片具有与铜相当或优于铜的面内热导率，而铜的重量不符合要求。尤其是，该合成物的面内热导率为至少大约220W/m°K，优选至少大约300W/m°K，贯穿面的热导率小于大约15W/m°K，优选小于10W/m°K。
图1-3的现有技术的结构
图1-3所示为现有技术用于手持设备例如手机的闪光LED的典型的的结构。
图1所示为手机10的后正视图。手机10包括带有光源14的后饰面照相机12，其光源14邻近照相机12。
数字16标示的虚线表示在手机10的外壳中电路组件18的轮廓和通常位置，其放大图被示于图2和图3中。
电路组件18包括设置在柔性电路板22上由刚性衬垫24支撑的闪光LED20。
在典型的现有技术的照相机中，例如Nokia Model 6280，LED20可以是Lumileds LUXEON闪光型LXCL-PWF1，其大约2.0mm的长度26，大约1.6mm的宽度28以及大约0.7mm的厚度30。柔性电路板22被形成于聚酰亚胺衬底上其长度32为5mm，宽34为5mm，以及图3所示的厚度为0.0254mm。聚酰亚胺衬底柔性电路板22的热导率为0.37W/mK。聚酰亚胺材料通常作为电介质，通常由聚合物材料或甚至陶瓷层例如氧化铝形成。
刚性衬垫24具有与挠曲外壳24相同的长和宽尺寸32和34，即5mm×5mm并在图3中具有厚度0.381mm。刚性衬垫24通常为FR4类材料，其具有大约0.4W/mK的热导率。
手机10的长11为3.0英寸，宽13为1.5英寸，图1的平面的正常厚度(未示出)大约为0.25英寸。
图1-3所示的现有技术的设计通常闪光模式工作在500mA的电流下而手电筒模式工作在100mA电流下。手电筒模式能够用于在环境光不足时拍摄录像但现在还主要用于自动聚集功能。这对于图像质量有直接的作用。
图4-10所示的本发明
现在参照图10，其所示为本发明的手机或其它手持设备100的后侧正视图。设备100具有设置在其中的照相机102并具有邻近照相机102的LED光源104。LED光源104的外轮廓以及其相关电路组件110由虚线106表示。
图4所示为设备100的LED光源104的电路组件110的正视图。
图6，7，8，9为沿图4的线X-X的电路组件110的截面图，图6，7，8，9中的每一个所示为电路组件110的可选择结构。图6，7，8，9的实施例分别表示为110A，110B，110C和110D。
在各种情况下，电路组件110包括具有电路113的基板112。如图6所示，基板112具有通常为平面的第一和第二主面114和116。在图6所示实施例中，基板112A为柔性电路板。基板112A包括电介质层，例如由聚合物材料像聚酰亚胺形成的。
在图4的正视图中，基板12为矩形。当然基板112可具有任何理想的形状，如矩形，圆形或不规则形状。
电路组件110包括包括邻近基板112的第一主平面114设置并与电路113连接的发光二极管(LED)122。也可以使用多LED光源。LED122通过LED122的某个表面部分与基板112的表面114接触，并在某个区域与基板112的表面114热连接，表示为112a(通过热连接使LED112所产生的热通常112a部分传送给基板112)。
电路组件110进一步包括石墨结构的散热器124，其通常包括片状石墨的压缩微粒薄片或石墨化聚合物膜。散热器124可以为任意理想的厚度并可以如上所述层叠多个石墨薄片。散热器124被设置为与基板112的第二主面116热传导。如图4所示散热器124自身有一大于LED122的轮廓122a的表面区域。如图4中所示，最大散热器尺寸126大于LED122的轮廓122a，这能够增强热能的散发并降低LED122的最大温度。
图4所示的LED122和基板或柔性电路板112的尺寸可以与图2和3所示的现有技术的LED20和柔性电路板22相同。如图4所示LED122的最大LED尺寸可以是矩形LED122的对角线，其小于散热器的最大尺寸126。
有利的是，LED122和散热器124可以被直接粘结到基板112的第一和第二主面114和116上或通过传热界面，例如传热油脂，柔性石墨材料的薄片，或其它任意在元件间提供热传导的界面。可选择的是，可以利用粘结剂，焊料，而不用任何连接装置，将LED122和散热器124粘结到基板112的第一和第二主面114和116中，
图6的柔性电路板上的电路113通常由铜，利用光刻法，旋涂，丝网印刷或类似的方法形成在电介质上。电路也可以利用例如印刷或丝网印刷工序将导电墨施加到电介质上形成。
图7所示的可供选择的实施例除了在LED122上增加了传热通道128外与图6相同。传热通道可以是高热导材料例如铜的圆柱形芯，并如图7所示通道128延伸到基板或柔性电路板112B并延伸到散热器124B的石墨材料。
传热通道128可以以任何不同的方法构造，其可以用2006年1月5日提交的美国未审专利申请11/339,338，题为“带通道的散热器(HeatSpreaders With Vias)”中描述的传热通道的实施例形成，在此在该文献引入作为参考。传热通道128贯通基板112B与散热器124B热连接，LED122被安装在热热通道128上。
图8所示为电路组件110℃的另一个可选实施例。在图8所示的实施例中，刚性衬垫130设置在柔性电路板112和石墨散热器124之间。在这种情况下衬垫130和柔性电路板112可以总称为基板，LED122安装在基板的第一主面114℃上，散热器124安装在基板的第二主面116℃上。
电路组件110D的最后一种构造示于图9中，其中LED122安装在基板112D上，在这个实施例中基板112D是由FR4材料形成并在其上印刷有电路113的印刷电路板。LED122安装在印刷电路板112D的第一主面114D上，散热器124安装在印刷电路板112D的第二主面116D上。
对于印刷电路板112D，电介质层可以是印刷电路板工业中常用的，例如玻璃纤维树脂(FR4)，优选形成为叠层；聚四氟乙烯(PTFE)，市场有售的Teflon
Figure C200610172381D0022085112QIETU
牌材料；以及被膨胀的PTFE，有时称为ePTFE，以及前述注入或吸入的树脂，陶瓷如氧化铝以及类似物。
图5所示为电路组件110的另一变形，被标记为110E。图5的电路组件110E与图4的电路组件110之间的不同仅在于基板112可以设置在散热器124上的任意位置而不需要在图4所示的中心。应该理解最佳散分布典型地在散热器124的热源中心，由于散热器124具有高面内热导率，因此不在散热器124上的热源中心安装也能获得最佳的热分布。
比较数据
下面将讨论本发明与现有技术***如图1-3的性能比较数据，主要针对图6的实施例，其具有安装在5mm×5mm柔性电路板112上的LED122，柔性电路板112又安装在石墨散热器124上。图11-17的数据由计算机模拟产生。
在典型的手持设备中，LED122被作为照相机102的光源，光源能工作在两种模式中的一种。第一种模式称为闪光模式，顾名思义，在非常短的时间内发出非常亮的光强度以为照相提供即时光。第二种模式称为“手电筒”模式，其中光源工作在低强度下但可以较长时间工作例如用于拍摄视频图像。
图11和12为对比图，在图11中表示图1-3的现有技术***的工作温度与时间的关系，以及图12中表示图4和6所示的本发明的工作温度与时间的关系。
所示的温度为LED122自身(未示出)的p-n结的温度，该温度在工业上通常称为Tj。图11和12中的闪光模式在250ms脉冲内产生3.0W的闪光以及2.5秒的复原时间。3.0W的闪光模式对应3.75V下800mA的功率。
如图11所示，对于现有技术的***第一次闪光的工作温度能达到大约110℃并在2.5秒循环时间内冷却到大约75℃，第二次闪光的工作温度大约170℃。从图11中能看到，现有技术的***在连续步骤工作温度越来越高，以致于仅仅第三次闪光，工作温度将超过200℃。
从图12所示的本发明的对比图可看到本发明在第一次闪光的工作温度仅仅达到大约80℃，并在2.5秒循环时间内复原到接近环境温度，第二和第三次闪光的工作温度仅仅稍稍高于约80℃。因此在本发明的闪光模式中，照相机能在每个2.5秒内重复闪光并在仅仅稍高于80℃的工作温度，而现有技术在几次闪光后就达到不可接受的工作温度了。
如图12所示的数据，散热器124具有这样的尺寸，其使得在至少约20℃的环境温度下，工作在闪光模式的LED122能闪光持续时间至少大约250ms，复原时间不大于大约2秒。这使得用户能获得比现有技术***更亮的照片以及在每分钟能拍摄更多的闪光照片。
在图12中所建立的闪光模式的模型中，散热器124被构建为具有0.8mm厚，长和宽为25mm×25mm，由Advanced Energy Technology Inc.的天然石墨材料SPREADERSHIELDTM构成的散热器，其具有大约400W/mK的面内热传导率。尤其是，散热器124具有至少大约220W/mK的面内热传导率，优选至少大约400W/mK。
在手电筒模式中，***被构建为在LED封装中产生0.5W的恒定热，其对应150mA电流和3.2V电压。
图13所示为各种厚度石墨材料和各种长和宽的散热器124的Tj的条形图。厚度在0.1mm至1.5mm范围内，平面尺寸在10mm×10mm至25mm×25mm，在所有情况中热屏蔽板为方形热屏蔽板。
如这些数据所示，散热器124的最佳尺寸是0.8mm厚度以及25mm×25mm的面积。该尺寸封装的散热器124被用于本发明图12以及后面的图14，15和17中。
图14为0.5W至3.0W的输入功率下LED122的结点最大工作温度以度数C表示的表。该测试设定环境温度为20oC。图15为与图14相同的数据的条形图。
对于Lumileds LUXEON闪光LXCL-PWF的最大工作温度为135oC。如图14和15所示，使用25mm×25mm×0.8mm的厚散热器124，在对应350mA的1.5W功率下驱动LED122工作在手电筒(连续)模式，而最大Tj仍然小于135oC。
图16和17所示为图1-3的现有技术***与工作在手电筒模式的本发明对比的温度与时间的关系曲线。特别注意图16和17中急剧变化的纵座标。
图16和17的数据示出了25mm×25mm，0.8mm厚的散热器124，在350mA或1.5W功率驱动下，20oC的环境温度中工作在手电筒(连续)模式的LED122瞬时特性。从中能看出图1-3的现有技术的***在达到其最大温度前就不合格，其能达到700oC，而本发明的***的最大温度保持在100oC以下。
从图13的数据可看出对于各处厚度在大约0.1mm至1.5mm范围内，面尺寸在10mm×10mm至25mm×25mm范围内的散热器124的Tj不超过120oC。优选片状石墨的压缩微粒的厚度为大约0.1mm至1.0mm范围内，对于石墨化聚合物膜在大约0.005mm至0.1mm范围内。
如图17的数据所示，散热器124具有这样的尺寸，使得LED122能在至少大约350mA的功率和至少大约20oC的环境温度下工作在手电筒模式。350mA的手电筒模式对应至少1.5W的功率。尤其是，散热器124具有这样的尺寸，使得LED122能在至少大约1.0W的功率，优选大约1.5W的功率和至少大约20oC的环境温度下工作在手电筒模式，而保持Tj小于135oC。
如图1-3所示的现有技术的设备通常只能以100mA这样相对低的功率水平工作在手电筒模式，而本发明增加了散热器124后，LED122可以被1.5A高的电流驱动，从而增大了输出光的亮度，而仍然能保持LED122与柔性电路板112之间的连接处的最大温度在可接受的水平。
由SPREADERSHIELDTM天然石墨材料形成并具有0.8mm厚度的散热器124非常柔软，其可以与柔性电路板112A，112B或112C保持一致，并容易弯曲以安装到手持设备100的外壳108上。本领域技术人员都知晓，空间对于小电子设备是非常珍贵的，有许多元件都必须安装于外壳108上。通过使用柔性散热器124其能够容易地***或安装在外壳108的有用的空间中，利用柔性散热器安装比利用刚性散热器例如以铜形成的更容易。
另外，在某此环境中可能需要至少部分密封散热器124或在散热器124的表面提供涂层以防止微粒物质从散热器124上脱落。例如，对于容易脱落的石墨材料。无论如何，提供聚合物材料的涂层(典型地类似于厚度小于20微米)例如聚酯薄膜(Mylar)材料能够抑制这种现象。在这种情况下，由于聚合物材料不导电，聚合物材料能够作为电路组件的电介质层，而其足够薄基本上不会影响散热器124的热传导。
散热器124可以不是平面，其可包括一个或多个“弯曲”以形成3-维形状。这对于需要在不同的平面上形成散热器124的电路组件110特别有利。
本申请中所有引用的专利、专利申请和公开文献都被引入作为参考。
以上描述的目的是为了本领域技术人员实施本发明。其不试图包括本领域技术人员阅读本申请后所有可能的变化和改进。显然，这样的变化和改进都没有脱离由附加的权利要求定义的本发明的范围。权利要求覆盖对实现本发明的目的有用的任意排列或顺序的元件或步骤，除非本文中有具体相反的指示。

Claims (13)

1.一种手持电子设备，包括：
外壳；
设置在外壳内的光源组件，该光源组件包括：
包括能够循环开启和关闭光源的电路的基板，该基板具有第一和第二主面；
发光二极管光源，邻近该基板的第一主面设置并与该电路连接；以及
散热器，包括石墨薄片，该散热器与该基板的第二主面热传导地连接，其中该发光二极管光源能在10秒内循环开启和关闭至少两个周期，而不会在循环过程中使最大温度明显升高。
2.如权利要求1所述的设备，其中该石墨薄片选自由片状石墨的压缩微粒薄片或石墨化聚合物膜所构成的组。
3.如权利要求2所述的设备，其中该片状石墨的压缩微粒薄片具有大约0.1至大约1.5mm的厚度。
4.如权利要求1所述的设备，其中：
该基板为柔性基板；以及
该散热器为柔性散热器以致于有助于该手持电子设备中的电路组件的安装。
5.如权利要求1所述的设备，进一步包括：
贯通该基板与该散热器热连接的导热通道，该发光二极管安装在导热通道上。
6.如权利要求1所述的设备，其中该散热器具有这样的尺寸，使得在至少约20℃的环境温度下，工作在闪光模式的该发光二极管光源的闪光能持续至少大约250ms，复原时间不大于大约2秒，而且能保持该发光二极管和该基板的连接处的温度不大于135℃。
7.如权利要求1所述的设备，其中
该石墨薄片具有至少大约200W/mK的面内热导率。
8.如权利要求1所述的设备，其中
该基板包括具有由聚合物材料形成的电介质层的柔性电路板。
9.一种手持电子设备，包括：
外壳；
设置在该外壳中的照相机；以及
邻近该照相机地设置在该外壳中的光源组件，该光源组件包括：
基板；
安装在该基板的一面上能够循环开启和关闭的发光二极管光源；以及
安装在该基板的相反一面上的石墨散热器，该石墨散热器的面内热导率基本上大于其贯通面的热导率。
10.如权利要求9所述的设备，其中该基板和该散热器两个都是柔性的以有助于该设备中的该光源组件的安装。
11.如权利要求10所述的设备，其中：
该石墨散热器的厚度在大约0.1至大约1.5mm的范围内。
12.如权利要求9所述的设备，其中该石墨散热器的面内热导率为至少大约200W/mK。
13.如权利要求9所述的设备，其中该石墨散热器具有这样的尺寸，使得在至少约20℃的环境温度下，工作在闪光模式的该发光二极管光源的闪光能持续至少大约250ms，复原时间不大于大约2秒。
CN200610172381.7A 2005-11-04 2006-11-04 循环led的散热器 Expired - Fee Related CN100539815C (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/267,933 US7889502B1 (en) 2005-11-04 2005-11-04 Heat spreading circuit assembly
US11/267933 2005-11-04
US11/339338 2006-01-25
US11/466499 2006-08-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1984543A CN1984543A (zh) 2007-06-20
CN100539815C true CN100539815C (zh) 2009-09-09

Family

ID=38072040

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200610144559.7A Expired - Fee Related CN1960619B (zh) 2005-11-04 2006-11-03 热管理***及其装配方法
CN200610172381.7A Expired - Fee Related CN100539815C (zh) 2005-11-04 2006-11-04 循环led的散热器

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN200610144559.7A Expired - Fee Related CN1960619B (zh) 2005-11-04 2006-11-03 热管理***及其装配方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US7889502B1 (zh)
CN (2) CN1960619B (zh)

Families Citing this family (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7505275B2 (en) * 2005-11-04 2009-03-17 Graftech International Holdings Inc. LED with integral via
US7922360B2 (en) * 2007-02-14 2011-04-12 Cree, Inc. Thermal transfer in solid state light emitting apparatus and methods of manufacturing
CN100556264C (zh) * 2007-08-07 2009-10-28 哈尔滨工程大学 一种石墨-金属复合散热基材的制备方法
KR100910054B1 (ko) * 2007-12-18 2009-07-30 에스엘 주식회사 Ｌｅｄ방열 장치
WO2009086058A1 (en) * 2007-12-19 2009-07-09 Mcneil-Ppc, Inc. Thermal treatment device
US20090165302A1 (en) * 2007-12-31 2009-07-02 Slaton David S Method of forming a heatsink
US8715329B2 (en) * 2008-02-25 2014-05-06 Mcneil-Ppc, Inc. Thermal treatment device
US20100000441A1 (en) * 2008-07-01 2010-01-07 Jang Bor Z Nano graphene platelet-based conductive inks
US7740380B2 (en) * 2008-10-29 2010-06-22 Thrailkill John E Solid state lighting apparatus utilizing axial thermal dissipation
US20100161014A1 (en) * 2008-12-23 2010-06-24 Lynch Joseph M Thermal treatment device
TW201035513A (en) * 2009-03-25 2010-10-01 Wah Hong Ind Corp Method for manufacturing heat dissipation interface device and product thereof
US8955580B2 (en) 2009-08-14 2015-02-17 Wah Hong Industrial Corp. Use of a graphite heat-dissipation device including a plating metal layer
JP5421751B2 (ja) * 2009-12-03 2014-02-19 スタンレー電気株式会社 半導体発光装置
US8955983B2 (en) 2010-02-26 2015-02-17 Graftech International Holdings Inc. Thermal management for handheld projectors
CN102564198B (zh) * 2010-12-28 2014-08-20 碳元科技股份有限公司 金属拉丝型散热复合结构的制造方法及制造***
CN102333414B (zh) * 2011-09-02 2014-03-12 深圳创动科技有限公司 一种散热结构及其制作方法、具有散热结构的电子设备
CN102563578A (zh) * 2011-11-30 2012-07-11 厦门市松竹精密科技有限公司 柔性石墨在led灯具散热领域的应用
US8946561B2 (en) 2012-01-18 2015-02-03 Apple Inc. Flexible circuitry with heat and pressure spreading layers
WO2013158119A1 (en) * 2012-04-20 2013-10-24 Graftech International Holdings Inc. Display device with thermal link
US9201262B2 (en) 2012-04-20 2015-12-01 Graftech International Holdings Inc. Display device with thermal link
US9420722B2 (en) * 2012-12-06 2016-08-16 Gerald Ho Kim Composite heat sink device for cooling of multiple heat sources in close proximity
US10209016B2 (en) * 2013-03-22 2019-02-19 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Thermal energy guiding systems including anisotropic thermal guiding coatings and methods for fabricating the same
WO2016015032A1 (en) * 2014-07-25 2016-01-28 Graftech International Holdings Inc. Flexible circuit board with graphite substrate and circuit arrangements using same
US20160081226A1 (en) * 2014-09-11 2016-03-17 Asia Vital Components Co., Ltd. Heat dissipation structure for mobile device
JP2016115080A (ja) * 2014-12-12 2016-06-23 株式会社オートネットワーク技術研究所 情報処理装置
JP2016184648A (ja) * 2015-03-26 2016-10-20 住友電気工業株式会社 ヒートシンク及び電子機器
EP3316292B1 (en) 2015-06-26 2021-04-28 Kaneka Corporation Heat transfer structure and manufacturing method therefor
WO2017044712A1 (en) 2015-09-11 2017-03-16 Laird Technologies, Inc. Devices for absorbing energy from electronic components
DE202016008798U1 (de) 2015-10-08 2019-09-27 Laird Technologies, Inc. Selektiv plattierte Materialrollen
US10965333B2 (en) 2016-07-26 2021-03-30 Laird Technologies, Inc. Thermal management assemblies suitable for use with transceivers and other devices
US10389397B2 (en) 2016-07-26 2019-08-20 Laird Technologies, Inc. Small form-factor pluggable (SFP) transceivers
EP3540770B1 (en) * 2018-03-15 2022-06-01 Aptiv Technologies Limited Heat transfer device
CN109592988A (zh) * 2019-01-24 2019-04-09 北京科技大学 一种金刚石微柱增强高导热石墨材料的制备方法
CN111935946B (zh) * 2019-05-13 2023-07-04 群创光电股份有限公司 电子装置
US11483948B2 (en) 2019-08-28 2022-10-25 Laird Technologies, Inc. Thermal interface materials including memory foam cores

Family Cites Families (50)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB991581A (en) 1962-03-21 1965-05-12 High Temperature Materials Inc Expanded pyrolytic graphite and process for producing the same
US3678995A (en) 1970-06-22 1972-07-25 Rca Corp Support for electrical components and method of making the same
JPS5313610A (en) 1976-07-23 1978-02-07 Nippon Carbon Co Ltd Compound sheet materials
US4812792A (en) 1983-12-22 1989-03-14 Trw Inc. High-frequency multilayer printed circuit board
US4739448A (en) * 1984-06-25 1988-04-19 Magnavox Government And Industrial Electronics Company Microwave multiport multilayered integrated circuit chip carrier
US4782893A (en) 1986-09-15 1988-11-08 Trique Concepts, Inc. Electrically insulating thermally conductive pad for mounting electronic components
FR2616997B1 (fr) 1987-06-16 1989-08-25 Thomson Csf Support pour circuit imprime, formant drain thermique a dilatation controlee, et procede de fabrication
US4895713A (en) 1987-08-31 1990-01-23 Union Carbide Corporation Intercalation of graphite
US4961991A (en) 1990-01-29 1990-10-09 Ucar Carbon Technology Corporation Flexible graphite laminate
US5224030A (en) 1990-03-30 1993-06-29 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Semiconductor cooling apparatus
US5316080A (en) 1990-03-30 1994-05-31 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics & Space Administration Heat transfer device
US5111359A (en) 1991-04-17 1992-05-05 E-Systems Inc. Heat transfer device and method
US5192605A (en) 1991-10-01 1993-03-09 Ucar Carbon Technology Corporation Epoxy resin bonded flexible graphite laminate and method
US5255738A (en) 1992-07-16 1993-10-26 E-Systems, Inc. Tapered thermal substrate for heat transfer applications and method for making same
US5366688A (en) 1992-12-09 1994-11-22 Iowa State University Research Foundation, Inc. Heat sink and method of fabricating
DE9300865U1 (de) * 1993-01-22 1994-05-26 Siemens AG, 80333 München Einstückiges Kunststoffteil, insbesondere Spritzgießteil
DE4309700C2 (de) 1993-03-25 1995-02-23 Sigri Great Lakes Carbon Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Schichtstoffes aus Metall und Graphit
EP0661916B1 (en) * 1993-07-06 2000-05-17 Kabushiki Kaisha Toshiba Thermal conductivity sheet
US5542471A (en) * 1993-11-16 1996-08-06 Loral Vought System Corporation Heat transfer element having the thermally conductive fibers
KR100261634B1 (ko) 1995-01-11 2000-07-15 모리시타 요이찌 그래파이트클래드구조체
US6208513B1 (en) 1995-01-17 2001-03-27 Compaq Computer Corporation Independently mounted cooling fins for a low-stress semiconductor package
KR19980701642A (ko) * 1995-01-25 1998-06-25 씨. 더블유. 준킨 인쇄회로기판 및 흡열 장치
US5902762A (en) 1997-04-04 1999-05-11 Ucar Carbon Technology Corporation Flexible graphite composite
US5944097A (en) * 1997-05-06 1999-08-31 Northrop Grumman Corporation Composite substrate carrier for high power electronic devices
US6131651A (en) 1998-09-16 2000-10-17 Advanced Ceramics Corporation Flexible heat transfer device and method
US5958572A (en) 1997-09-30 1999-09-28 Motorola, Inc. Hybrid substrate for cooling an electronic component
US6147869A (en) * 1997-11-24 2000-11-14 International Rectifier Corp. Adaptable planar module
US6060166A (en) * 1998-02-05 2000-05-09 Raytheon Company Flexible graphite fiber thermal shunt
US6141216A (en) 1999-03-31 2000-10-31 International Business Machines Corporation Quick-release hinge joint for heat pipe
EP2308661A1 (en) 1999-04-07 2011-04-13 GrafTech International Holdings Inc. Flexible graphite article and method of manufacture
US6075701A (en) 1999-05-14 2000-06-13 Hughes Electronics Corporation Electronic structure having an embedded pyrolytic graphite heat sink material
US6362964B1 (en) * 1999-11-17 2002-03-26 International Rectifier Corp. Flexible power assembly
US6503626B1 (en) 2000-02-25 2003-01-07 Graftech Inc. Graphite-based heat sink
US6555223B2 (en) 2000-03-08 2003-04-29 Sgl Technic, Inc. Graphite structure with increased flexibility
US6278613B1 (en) * 2000-09-27 2001-08-21 St Assembly Test Services Pte Ltd Copper pads for heat spreader attach
US20020157819A1 (en) 2001-04-04 2002-10-31 Julian Norley Graphite-based thermal dissipation component
US20020166654A1 (en) 2001-05-02 2002-11-14 Smalc Martin D. Finned Heat Sink Assemblies
US6538892B2 (en) 2001-05-02 2003-03-25 Graftech Inc. Radial finned heat sink
US6673289B2 (en) 2001-05-30 2004-01-06 Advanced Energy Technology Inc. Manufacture of materials from graphite particles
US6812503B2 (en) 2001-11-29 2004-11-02 Highlink Technology Corporation Light-emitting device with improved reliability
US6758263B2 (en) 2001-12-13 2004-07-06 Advanced Energy Technology Inc. Heat dissipating component using high conducting inserts
US6749010B2 (en) * 2002-06-28 2004-06-15 Advanced Energy Technology Inc. Composite heat sink with metal base and graphite fins
US6771502B2 (en) * 2002-06-28 2004-08-03 Advanced Energy Technology Inc. Heat sink made from longer and shorter graphite sheets
US6930885B2 (en) 2002-12-23 2005-08-16 Eastman Kodak Company Densely packed electronic assemblage with heat removing element
US7095053B2 (en) * 2003-05-05 2006-08-22 Lamina Ceramics, Inc. Light emitting diodes packaged for high temperature operation
US7077858B2 (en) * 2003-09-22 2006-07-18 Coolhead Technologies, Inc. Flexible heat exchangers for medical cooling and warming applications
US20060191675A1 (en) * 2003-09-22 2006-08-31 Coolhead Technologies, Inc. Apparatus and methods for warming and cooling bodies
US7102172B2 (en) * 2003-10-09 2006-09-05 Permlight Products, Inc. LED luminaire
US20050116235A1 (en) * 2003-12-02 2005-06-02 Schultz John C. Illumination assembly
US7303005B2 (en) * 2005-11-04 2007-12-04 Graftech International Holdings Inc. Heat spreaders with vias

Also Published As

Publication number Publication date
CN1984543A (zh) 2007-06-20
CN1960619A (zh) 2007-05-09
CN1960619B (zh) 2012-09-05
US7889502B1 (en) 2011-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100539815C (zh) 循环led的散热器
EP1784007B1 (en) Cycling LED heat spreader
CN111149442B (zh) 使用合成石墨粉末生产导热薄膜的方法
KR101418025B1 (ko) 로우 프로파일 장치를 위한 향상된 열 방산
JP3183143U (ja) サーマルビアを有するヒートスプレッダ
TWI294600B (en) Display device having improved properties
CN1622745A (zh) 电子器件用的热处理装置
CN101060974A (zh) 夹层散热鳍片
CN1893808A (zh) 用于便携式电子器件的热装置
TW201009551A (en) Improved heat dissipation for low profile devices
CN1767756A (zh) 用于显示器的散热器
US20120153215A1 (en) Heat-emitting graphite material comprising amorphous carbon particles and a production method therefor
JP3128955U (ja) 放熱シート結合の電気回路板構造
CN113929074B (zh) 碳材及其应用
CN107205310B (zh) 一种电路板和显示装置
CN114760809A (zh) 碳材及其应用
KR20180055014A (ko) 수평열전도가 우수한 방열솔루션용 그라파이트 시트, 이를 포함하는 방열솔루션 및 이의 제조방법
TW200810621A (en) Heat spreaders with vias
JP3169985U (ja) ロープロファイルデバイス用の改善された熱放散
JP2011135109A (ja) 放熱基板および発光ダイオード用基板
KR20200041698A (ko) 동 메쉬가 구비된 방열 시트 및 이를 포함하는 물품
JP3147891U6 (ja) サーマルソリューションを有する携帯電話
KR20130115428A (ko) 방열 시트
TWM396564U (en) Metal printed circuit board of high radiation heat

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CP03 Change of name, title or address
CP03 Change of name, title or address

Address after: Ohio, USA

Patentee after: GRAFTECH INTERNATIONAL HOLDINGS Inc.

Address before: Delaware

Patentee before: Advanced Energy Technology Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20170926

Address after: Delaware

Patentee after: Advanced Energy Technology Co.,Ltd.

Address before: Ohio, USA

Patentee before: Graftech International Holdings Inc.

Effective date of registration: 20170926

Address after: Ohio, USA

Patentee after: GRAFTECH INTERNATIONAL HOLDINGS Inc.

Address before: Ohio, USA

Patentee before: ADVANCED ENERGY TECHNOLOGY Inc.

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090909

Termination date: 20191104