專利名稱:改良的熱界面材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于促進(jìn)來自熱源如電子組件的熱量處理的熱界面材料。更具體來說，本發(fā)明涉及有效促進(jìn)由電子組件產(chǎn)生的熱量消散的材料。
背景技術(shù)：
隨著更精密電子組件的發(fā)展，包括那些能提高處理速度和具有更高頻率、具有更小尺寸和更復(fù)雜能量要求并且展示其他技術(shù)進(jìn)步的電子組件，例如在電子和電氣組件和系統(tǒng)以及在其他裝置例如高能光學(xué)裝置中的微處理器和集成電路，可產(chǎn)生相對(duì)極端的溫度。然而，微處理器、集成電路和其他復(fù)雜的電子組件通常僅在一定范圍的閾值溫度下有效運(yùn)轉(zhuǎn)。在這些組件運(yùn)轉(zhuǎn)期間產(chǎn)生的過多的熱量不僅能夠損害其自身的性能，而且還使整個(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性降低，甚至能引起系統(tǒng)失靈。日益廣闊范圍的環(huán)境條件，包括電子系統(tǒng)預(yù)期運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度極端，使這些負(fù)面影響加劇。
隨著由這些條件引起的對(duì)來自微電子裝置的熱量消散的需求增加，熱處理成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中日益重要的因素。如所提到的，電子設(shè)備的性能可靠性和期望壽命與設(shè)備的組件溫度是相反關(guān)聯(lián)的。
例如，裝置(例如典型硅半導(dǎo)體)的操作溫度的降低可與裝置的可靠性和期望壽命的指數(shù)增長(zhǎng)一致。因此，為了使組件的壽命和可靠性最大，控制裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)溫度在由設(shè)計(jì)者設(shè)定的極限內(nèi)是極為重要的。熱處理系統(tǒng)得以設(shè)計(jì)出以有助于實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。
熱處理系統(tǒng)的一個(gè)元件是熱界面材料。熱界面材料的典型用途是熱連接計(jì)算機(jī)芯片至冷卻模塊(即，如上所討論的散熱器)來克服接觸阻抗和散熱器或冷卻模塊與芯片或其他熱源之間的表面一致性的缺乏。通常，熱界面由熱油脂、相變材料和膠帶組成。由于柔性石墨的低熱阻和與待形成界面的表面配合的能力，其容易適用于這些應(yīng)用，尤其是在一個(gè)或兩個(gè)表面都不是完全平坦的時(shí)候。由于盡可能多地減少熱阻極為重要，因此這些特征在熱處理系統(tǒng)中是重要的。
另外，當(dāng)柔性石墨熱界面材料的表面積大于其接觸的熱源的表面積時(shí)，熱界面有時(shí)可稱作熱散布器(thermal spreader or heatspreader)。這是由于石墨材料的各向異性性質(zhì)使來自熱源的熱量沿著石墨材料的表面散布的事實(shí)，因此減少了所謂的熱點(diǎn)并且促進(jìn)了散熱器和其他具有較大有效表面積的散熱裝置的使用。這個(gè)概念是在Tzeng的美國專利6,482,520中提出。
另外，在Tzeng等的美國專利6,245,400中公開了具有低熱阻性質(zhì)的剝離襯里壓敏粘性柔性石墨片材制品。這種柔性石墨片材包含柔性石墨底材、在其上的粘性底漆涂層、在該粘性底漆涂層上的壓敏粘性涂層和施加到該壓敏粘性涂層上的剝離襯里。
盡管在下文將更詳細(xì)地討論，但是制備用在熱界面的柔性石墨的方法是眾所周知的并且典型的實(shí)踐描述于Shane等的美國專利3,404,061中，其公開內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中來。一般來說，將天然石墨薄片插入酸溶液中。在將薄片插入后，將其清洗并且干燥，然后經(jīng)短時(shí)間暴露于高溫使其剝落。這引起薄片沿垂直于石墨晶面的方向膨脹或剝落。剝落的石墨薄片在外觀上呈蠕蟲狀，因此一般稱為蠕蟲。盡管對(duì)多數(shù)應(yīng)用來說認(rèn)為密度通常為約1.1g/cc，但是蠕蟲可壓縮成具有接近理論密度的密度的片材或箔。柔性石墨片材可切割成適合具體應(yīng)用的任何所要求外形。
石墨是由六角排列的層面或碳原子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。這些六角排列碳原子層面實(shí)質(zhì)上是平坦的并且是取向或規(guī)則的，以致彼此實(shí)質(zhì)上是平行并且等距的。碳原子的實(shí)質(zhì)上平坦、平行等距的片材或?qū)樱ǔ７Q為石墨薄片(graphene)層或基面，連接或結(jié)合在一起并且其團(tuán)簇排列在微晶中。高度規(guī)則的石墨由相當(dāng)大尺寸微晶組成這些微晶相對(duì)于彼此高度對(duì)正或取向并且具有良好有序的碳層。換句話說，高度規(guī)則的石墨具有高度的優(yōu)選微晶取向。應(yīng)該指出的是石墨具有各向異性結(jié)構(gòu)，因此展示或具有許多高度方向性的性質(zhì)，例如熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。
簡(jiǎn)單來講，石墨可以稱為碳原子的層狀結(jié)構(gòu)，更確切地說，由用弱范德華力連接在一起的碳原子的疊置層或薄層組成的結(jié)構(gòu)。談及石墨結(jié)構(gòu)，通常指出兩個(gè)軸或方向，就是，“c”軸或方向和“a”軸或方向。為簡(jiǎn)單起見，“c”軸或方向可視作垂直于碳層的方向?！癮”軸或方向可視作平行于碳層的方向或垂直于“c”方向的方向。適合制備柔性石墨片材的石墨，通常天然石墨薄片，具有非常高度的取向性。
如上所述，保持碳原子的平行層在一起的結(jié)合力僅是弱范德華力。天然石墨可經(jīng)處理使得疊置碳層或薄層間的間距能相當(dāng)?shù)卣归_以便在垂直于這些層的方向上(即，在“c”方向上)提供顯著的膨脹，并因此形成其中實(shí)質(zhì)上保持碳層的薄片性質(zhì)的膨脹或擴(kuò)展的石墨結(jié)構(gòu)。
在不使用粘合劑的情況下，可用已大大膨脹且更具體來說膨脹使具有高達(dá)原始“c”方向尺寸約80或更多倍的最終厚度或“c”方向尺寸的石墨薄片形成粘合或完整的膨脹石墨片材，例如網(wǎng)、紙、長(zhǎng)條、帶子、箔、墊子等(通常稱為“柔性石墨”)。由于機(jī)械聯(lián)鎖或在龐大膨脹的石墨粒子間實(shí)現(xiàn)的內(nèi)聚力，相信在不使用任何粘合材料的情況下，已膨脹至具有高達(dá)原始“c”方向尺寸約80或更多倍的最終厚度或“c”方向尺寸的石墨粒子通過壓縮形成完整的柔性片材是可能的。
除了柔性外，還發(fā)現(xiàn)如上所述的片材材料關(guān)于熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率具有高度的各向異性，這歸因于由非常高的壓縮(例如輥壓)引起膨脹的石墨粒子和石墨層實(shí)質(zhì)上平行于片材的相對(duì)面取向。這樣制備的片材材料具有優(yōu)良的柔性、良好的強(qiáng)度和非常高度的取向性。
簡(jiǎn)單來講，制備柔性、無粘合劑各向異性的石墨片材材料如網(wǎng)、紙、長(zhǎng)條、帶子、箔、墊子等的方法包括在預(yù)定負(fù)荷且不存在粘合劑下壓縮或壓制“c”方向尺寸高達(dá)原始粒子的“c”方向尺寸約80或更多倍的膨脹石墨粒子以形成實(shí)質(zhì)上平坦、柔性、完整的石墨片材。通常在外觀上象蠕蟲或蠕蟲狀的膨脹石墨粒子一經(jīng)壓縮將保持壓縮形變并且與片材的相對(duì)主表面排列成行。片材材料的密度和厚度可通過控制壓縮的程度來變化。片材材料的密度可為約0.04g/cc到約2.0g/cc。由于石墨粒子平行于片材的主要相對(duì)的平行表面排列，柔性石墨片材材料展示明顯程度的各向異性，隨著輥壓片材材料以增加取向性，各向異性程度增加。在輥壓各向異性片材材料中，厚度(即垂直于相對(duì)的平行片材表面的方向)構(gòu)成“c”方向，沿長(zhǎng)度和寬度(即沿著或平行于該相對(duì)主表面)延伸的方向構(gòu)成“a”方向，對(duì)于“c”方向和“a”方向來說，片材的熱和電性質(zhì)非常不同，達(dá)到數(shù)量級(jí)的程度。
發(fā)明公開本發(fā)明的目的是改善熱源和冷卻模塊之間的熱傳導(dǎo)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供相對(duì)于散熱組件和熱源具有減小的接觸阻抗和增加的熱傳導(dǎo)率的熱界面。
更具體地講，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是包含柔性石墨片材物品的熱界面材料，該片材物品含有油。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是熱處理系統(tǒng)，其包含具有外表面的熱源；包含含油柔性石墨片材物品的熱界面，該熱界面與該熱源的外表面保持有效聯(lián)系；和具有集熱表面和散熱表面的散熱組件，集熱表面與熱界面保持有效聯(lián)系。在這個(gè)實(shí)施方案中，安排集熱表面與熱界面有效連接引起熱量從熱源消散。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案是熱處理系統(tǒng)，其包含包含電子組件的熱源、熱界面和散熱器。在這個(gè)實(shí)施方案中，該熱源具有外表面；該熱界面包含具有在平行于片材中的石墨晶體結(jié)構(gòu)的平面方向的方向上伸展的兩個(gè)平行平表面的柔性石墨片材物品，熱界面的第一平表面與熱源的外表面保持有效接觸。此外，石墨片材優(yōu)選含有至少2％重量的油。在這個(gè)實(shí)施方案中，該熱界面的第一平表面的平面面積大于熱源外表面面積。最后，該散熱器具有集熱表面和至少一個(gè)散熱表面。散熱器的集熱表面與熱界面的第二平表面保持有效接觸。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是制備熱界面材料的方法。該方法包括提供具有在平行于片材中的石墨晶體結(jié)構(gòu)的平面方向的方向上伸展的兩個(gè)平行平表面的柔性石墨片材材料，并且提供油；和使該油與石墨片材接觸直到約2％到約75％重量的油吸收到熱界面材料中。
最后，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是消散來自熱源的熱量的方法，所述方法包括使用本發(fā)明的熱界面材料和熱處理系統(tǒng)。
在以上實(shí)施方案中，該熱界面優(yōu)選包含具有大于熱源外表面面積的平面面積的各向異性柔性石墨片材。此外，在以上實(shí)施方案中，該油優(yōu)選為礦物油。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀結(jié)合附圖而進(jìn)行的如下公開時(shí)，可容易地明白本發(fā)明的其他和另外目的、特征和優(yōu)勢(shì)。
考慮如下詳細(xì)描述，尤其是在參考附圖閱讀時(shí)，本發(fā)明能更好地被理解并且其優(yōu)勢(shì)更明顯。
圖1為利用本發(fā)明熱界面材料的熱處理系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的俯視圖，以幻影顯示熱源。
圖2為圖1的熱處理系統(tǒng)的仰視圖。
圖3為圖1的熱處理系統(tǒng)的側(cè)平面圖。
圖4為本發(fā)明熱處理系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施方案的俯視圖。
實(shí)施本發(fā)明最佳方式如上所述，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是提供可結(jié)合熱處理系統(tǒng)使用的熱界面材料。該熱界面材料為含油的柔性石墨片材物品。
石墨是包含在平坦層狀平面中共價(jià)結(jié)合的原子的結(jié)晶形態(tài)碳，平面間具有較弱的鍵。在獲得原材料例如以上石墨柔性片材的過程中，石墨粒子例如天然石墨薄片通常用例如硫酸和硝酸溶液的插入劑(intercalant)處理，石墨的晶體結(jié)構(gòu)起反應(yīng)形成石墨和插入劑的化合物。處理的石墨粒子此后稱作“插入石墨粒子”。暴露在高溫下時(shí)，石墨內(nèi)的插入劑分解并且揮發(fā)，引起插入石墨粒子在“c”方向上(即在垂直于石墨晶面的方向上)以手風(fēng)琴式的方式膨脹至尺寸高達(dá)其原始體積的約80或更多倍。剝落的石墨粒子在外觀上呈蠕蟲狀，因此通常稱作蠕蟲。蠕蟲可一起壓縮成柔性片材，與原始的石墨薄片不同，該柔性片材能形成并且切割成不同形狀并且由于變形機(jī)械沖擊提供小的橫向開口。
適用于本發(fā)明的柔性片材的石墨原料包括能插入有機(jī)和無機(jī)酸以及鹵素并且在暴露至熱時(shí)膨脹的高度石墨碳質(zhì)材料。這些高度石墨碳質(zhì)材料最優(yōu)選具有約1.0的石墨化度。如本公開中所用，術(shù)語“石墨化度”指的是根據(jù)如下公式的g值g＝(3.45-d(002))/0.095其中d(002)為以埃為單位測(cè)量在晶體結(jié)構(gòu)中碳的石墨層間間距。石墨層間的間距d由標(biāo)準(zhǔn)X-射線衍射技術(shù)測(cè)量。測(cè)量出對(duì)應(yīng)于米勒指數(shù)為(002)、(004)和(006)的衍射峰位置，并且利用標(biāo)準(zhǔn)最小二乘方技術(shù)得出間距，其使所有這些峰的總誤差最小。高度石墨碳質(zhì)材料的實(shí)例包括不同來源的天然石墨以及其他含碳材料，例如由化學(xué)氣相沉積等制備的碳。天然石墨是最優(yōu)選的。
只要原料的晶體結(jié)構(gòu)保持必需的石墨化度且其能剝落，那么用于本發(fā)明的柔性片材的石墨原料可包含非碳組分。一般來講，任何含碳材料(其晶體結(jié)構(gòu)具有必需的石墨化度并且能剝落)都適用于本發(fā)明。這樣的石墨優(yōu)選含灰量少于20％重量。用于本發(fā)明的石墨純度更優(yōu)選為至少約94％。在最優(yōu)選的實(shí)施方案中，所用石墨的純度為至少約98％。
Shane等的美國專利3,404,061中描述了制備石墨片材的普通方法，該專利的公開內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中來。在Shane等的方法的典型實(shí)踐中，天然石墨薄片通過分散薄片到例如包含硝酸和硫酸混合物的溶液中來插入，最有利地以約20到約300重量份插入劑溶液/每100重量份石墨薄片(pph)的水平。插入溶液包含本領(lǐng)域已知的氧化劑和其他插入劑。實(shí)例包括含有氧化劑和氧化混合物的那些，例如含有以下物質(zhì)的溶液硝酸、氯酸鉀、鉻酸、高錳酸鉀、鉻酸鉀、重鉻酸鉀、高氯酸等；或混合物，例如濃硝酸和氯酸鹽、鉻酸和磷酸、硫酸和硝酸、或強(qiáng)有機(jī)酸的混合物例如三氟乙酸和溶解于有機(jī)酸中的強(qiáng)氧化劑?；蛘撸娢豢梢杂脕硎故趸?。可利用電解氧化引入石墨晶體中的化學(xué)物質(zhì)包括硫酸和其他酸。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，插入劑為硫酸、或硫酸和磷酸與氧化劑即硝酸、高氯酸、鉻酸、高錳酸鉀、過氧化氫、碘酸或過碘酸等的混合物的溶液。雖然較少優(yōu)選，但是插入溶液也可包含金屬鹵化物，例如氯化鐵和與硫酸混合的氯化鐵，或鹵化物，例如作為溴和硫酸的溶液的溴或在有機(jī)溶劑中的溴。
插入溶液的量可為約20到約150pph，更通常為約50到約120pph。插入薄片之后，所有過量的溶液從薄片中排出并且將薄片用水洗滌。
或者，插入溶液的量可以限制為約10到約50pph，這允許排除洗滌步驟，如在美國專利4,895,713中所指出且描述，該專利的公開內(nèi)容通過引用結(jié)合到本文中來。
用插入溶液處理的石墨薄片的粒子可任選地例如通過共混與選自醇、糖、醛和酯的有機(jī)還原劑接觸，在25℃到125℃的溫度下該有機(jī)還原劑與氧化插入溶液的表面薄膜反應(yīng)。在剝落時(shí)該有機(jī)還原劑增加膨脹體積(也稱為“蠕蟲體積”)并且稱為膨脹助劑。適合的具體有機(jī)試劑包括十六醇、十八醇、1-辛醇、2-辛醇、癸醇、1，10-癸二醇、癸醛、1-丙醇、1，3-丙二醇、乙二醇、聚丙二醇、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、馬鈴薯淀粉、單硬脂酸乙二醇酯、二苯甲酸二乙二醇酯、單硬脂酸丙二醇酯、單硬脂酸甘油酯、草酸二甲酯、草酸二乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗壞血酸和木質(zhì)素衍生的化合物，例如木質(zhì)素硫酸鈉。有機(jī)還原劑的量適合地為石墨薄片粒子的約0.5-4％重量。
可在插入之前加入到插入溶液或加入到石墨薄片中并且可與如上描述的有機(jī)還原劑一起協(xié)同作用的另一類膨脹助劑為羧酸。在本文中的膨脹助劑將有利地充分溶于插入溶液中以實(shí)現(xiàn)膨脹的改善。更精細(xì)地講，可使用優(yōu)選排外地包含碳、氫和氧的有機(jī)物質(zhì)。用作膨脹助劑的適合的羧酸可選自芳族、脂族或脂環(huán)族、直鏈或支鏈、飽和和不飽和的單羧酸、二羧酸和多羧酸，其具有至少1個(gè)碳原子，優(yōu)選高至約15個(gè)碳原子，其以有效提供剝落的一個(gè)或多個(gè)方面可測(cè)量的改善的量溶于插入溶液中。適合的有機(jī)溶劑可用來改善有機(jī)膨脹助劑在插入溶液中的溶解度。
飽和脂族羧酸的代表性實(shí)例是例如式H(CH2)nCOOH的那些酸，其中n為0到約5的數(shù)，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等。硫酸、硝酸和其他已知的含水插入劑具有分解甲酸最終為水和二氧化碳的能力。由于這個(gè)原因，在使石墨薄片浸入含水插入劑中之前，可使甲酸和其他敏感的膨脹助劑有利地與石墨薄片接觸。代表性二羧酸為具有2-12個(gè)碳原子的脂族二羧酸，尤其是草酸、富馬酸、丙二酸、馬來酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、1，5-庚二酸、1，6-辛二酸，1，10-癸烷二甲酸、環(huán)己烷-1，4-二甲酸；和芳族二羧酸，例如鄰苯二甲酸或?qū)Ρ蕉姿?。代表性環(huán)脂族酸為環(huán)己烷羧酸，代表性芳族羧酸為苯甲酸、萘甲酸、鄰氨基苯甲酸、對(duì)氨基苯甲酸、鄰-、間-和對(duì)-甲基苯甲酸、甲氧基和乙氧基苯甲酸、鄰乙酰乙酰氨苯甲酸(acetoacetamidobenzoic acid)、乙酰氨基苯甲酸、苯乙酸和萘甲酸。
插入溶液為含水的且優(yōu)選包含約0.2到約10％的羧酸膨脹助劑，該量有效提高剝落。在使甲酸在將石墨薄片浸入含水插入溶液中之前與石墨薄片相接觸的實(shí)施方案中，甲酸可以通常占石墨薄片的約0.2％到約10％重量的量以適合的方式與石墨混合，例如V型摻混機(jī)。
在插入石墨薄片并且使插入劑涂覆的插入石墨薄片與有機(jī)還原劑共混之后，將共混物暴露于25℃到125℃的溫度以促進(jìn)還原劑和插入劑涂層的反應(yīng)。加熱時(shí)間高達(dá)約20小時(shí)，其中在上述范圍內(nèi)的溫度越高，加熱時(shí)間將越短，例如至少約10分鐘。在較高溫度下可使用半小時(shí)或更少的時(shí)間，例如10-25分鐘的量級(jí)。
如此處理的石墨粒子有時(shí)稱為“插入石墨粒子”。暴露于高溫例如至少約160℃，特別約700℃到1000℃和更高的溫度時(shí)，插入石墨粒子在“c”方向上(即在垂直于組成石墨粒子的晶面的方向上)以手風(fēng)琴狀方式膨脹為高達(dá)其原始體積的約80到1000或更多倍。膨脹的(即剝落的)石墨粒子在外表上呈蠕蟲狀，并且因此通常稱作蠕蟲。蠕蟲可以一起壓縮成柔性片材，如下文所描述，與原始的石墨薄片不同，該柔性片材能形成并且切割成不同形狀并且由于變形機(jī)械沖擊提供小的橫向開口。
以上所描述的插入和剝落石墨薄片的方法可以通過在石墨化溫度(即約3000℃和更高溫度)下預(yù)處理石墨薄片并通過包含潤滑添加劑的插入劑而有益地?cái)U(kuò)充。
當(dāng)石墨薄片隨后進(jìn)行插入和剝落時(shí)，石墨薄片的預(yù)處理或者退火導(dǎo)致明顯增加的膨脹(即膨脹體積增加高達(dá)300％或更大)。實(shí)際上，與沒有退火步驟的相似加工相比較，希望膨脹的增加是至少約50％。用于退火步驟的溫度不應(yīng)明顯低于3000℃，因?yàn)樯踔恋?00℃的溫度導(dǎo)致實(shí)質(zhì)上減小的膨脹。
本發(fā)明的退火執(zhí)行一段足夠的時(shí)間以使薄片在插入和隨后的剝落時(shí)具有提高的膨脹程度。通常，所需時(shí)間是1小時(shí)或更多，優(yōu)選1-3小時(shí)并且最有利地在惰性環(huán)境中進(jìn)行。為了得到最大的有益結(jié)果，退火的石墨薄片也將經(jīng)歷本領(lǐng)域中已知的其他處理來提高膨脹程度--即在有機(jī)還原劑、插入助劑例如有機(jī)酸存在下插入，并且插入后用表面活性劑洗滌。另外，為了得到最大的有益結(jié)果，插入步驟可以重復(fù)。
本發(fā)明的退火步驟可在感應(yīng)電爐或其他一些在石墨化領(lǐng)域中已知的設(shè)備中進(jìn)行；這里所采用的在3000℃范圍內(nèi)的溫度是在石墨化方法中所遇到的范圍的最高限度。
因?yàn)橐呀?jīng)觀察到利用經(jīng)歷預(yù)插入退火的石墨產(chǎn)生的蠕蟲有時(shí)能“團(tuán)簇”到一起，這對(duì)面積重量均勻性可產(chǎn)生消極影響，所以有助于形成“自由流動(dòng)”蠕蟲的添加劑是非常需要的。向插入溶液中加入潤滑添加劑有助于蠕蟲在整個(gè)壓縮設(shè)備的床(例如常規(guī)用來壓縮(或“砑光”)石墨蠕蟲成為柔性石墨片材的砑光機(jī)的床)中更均勻地分布。因此所得片材具有更高的面積重量均勻性和更大的拉伸強(qiáng)度，甚至是在起始石墨粒子小于常規(guī)所用的粒子的時(shí)候。潤滑添加劑優(yōu)選長(zhǎng)鏈烴。還可使用其他具有長(zhǎng)鏈烴基(即使存在其他官能團(tuán))的有機(jī)化合物。
潤滑添加劑更優(yōu)選為油，最優(yōu)選礦物油，特別考慮到礦物油不易于酸敗和有味的事實(shí)，這對(duì)于長(zhǎng)期儲(chǔ)存是一個(gè)重要考慮因素。應(yīng)注意到以上詳細(xì)描述的一些膨脹助劑也滿足潤滑添加劑的定義。當(dāng)這些物質(zhì)用作膨脹助劑時(shí)，在插入劑中可沒有必要包含單獨(dú)的潤滑添加劑。
潤滑添加劑以至少約1.4pph的量存在于插入劑中，更優(yōu)選至少約1.8pph。盡管所含潤滑添加劑的上限不像下限一樣重要，但是包含大于約4pph的潤滑添加劑沒有出現(xiàn)任何顯著的額外優(yōu)勢(shì)。
如此處理的石墨粒子有時(shí)稱為“插入石墨粒子”。暴露于高溫例如至少約160℃，特別約700℃到1000℃和更高的溫度時(shí)，插入石墨粒子在“c”方向上(即在垂直于組成石墨粒子的晶面的方向上)以手風(fēng)琴式的方式膨脹高達(dá)其原始體積的約80到1000或更多倍。膨脹的(即剝落的)石墨粒子在外表上呈蠕蟲狀，因此通常稱作蠕蟲。蠕蟲可一起壓縮成形為具有小的橫向開口的柔性片材，如下文所描述，與原始的石墨薄片不同，所述柔性片材能形成并且切割成不同形狀。
或者，本發(fā)明的柔性石墨片材可利用再研磨的柔性石墨片材的粒子而不是新鮮膨脹的蠕蟲。這些片材可為新形成的片材材料、再循環(huán)的片材材料、廢棄的片材材料或任何其他適合的來源。
本發(fā)明的方法還可使用原始材料和再循環(huán)材料的共混物。
再循環(huán)材料的源材料可以是已如上所述壓縮成形的片材或片材的修整部分或者已用例如預(yù)砑光輥壓縮的片材。此外，源材料可以是已用樹脂浸漬但仍沒固化的片材或片材的修整部分或者已用樹脂浸漬并且固化的片材或片材的修整部分。源材料還可以是再循環(huán)的柔性石墨PEM燃料電池組件，例如流場(chǎng)板或電極。每一種不同來源的石墨都可按原樣使用或可與天然石墨薄片共混。
一旦可得到柔性石墨片材的源材料，可通過已知的方法或設(shè)備如噴射磨、氣流研磨機(jī)、混料機(jī)等來使其粉碎以制備顆粒。優(yōu)選地，大部分粒子具有通過20U.S.目的直徑；更優(yōu)選主要部分(大于約20％，最優(yōu)選大于約50％)不通過80U.S.目。粒子最優(yōu)選具有不大于約20目的粒徑。
粉碎的粒子的尺寸可以選擇以使石墨物品的機(jī)械加工性和可成形性與所要求熱特征平衡。因此，較小的粒子將使石墨物品易于機(jī)械加工和/或成形，而較大的粒子將使石墨物品具有較高的各向異性，并且因此具有較大的面內(nèi)電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。
若源材料已用樹脂浸漬，那么優(yōu)選將樹脂從粒子中除去。樹脂除去的詳細(xì)內(nèi)容在下文進(jìn)一步描述。
源材料一旦粉碎，并且除去所有的樹脂，則將其再膨脹。再膨脹可通過利用以上所述的插入和剝落方法和描述于Shane等的美國專利3,404,061和Greinke等的美國專利4,895,713中的那些方法而進(jìn)行。
通常，在插入后粒子通過在爐子中加熱插入的粒子來剝落。在這個(gè)剝落步驟期間，可將插入的天然石墨薄片加到再循環(huán)的插入粒子中。優(yōu)選地，在再膨脹步驟期間，粒子膨脹以具有至少約100cc/g至高達(dá)約350cc/g或更大的比容。最后，在再膨脹步驟之后，如上文所描述，可將再膨脹的粒子壓縮成柔性片材。
柔性石墨片材和箔是粘附的，具有良好的操作強(qiáng)度，并且適合例如通過輥壓壓縮到約0.075mm到3.75mm的厚度和約0.1-1.5克/立方厘米(g/cc)的典型密度。如美國專利5,902,762(其通過引用結(jié)合到本文中來)所述，約1.5-30％重量的陶瓷添加劑可與插入石墨薄片共混以提供在柔性石墨成品中的提高的樹脂浸漬。添加劑包括長(zhǎng)度約0.15-1.5毫米的陶瓷纖維粒子。粒子的寬度適合地為約0.04-0.004mm。陶瓷纖維粒子對(duì)于石墨是不反應(yīng)且不粘著的并且在高達(dá)約1100℃，優(yōu)選約1400℃或更高的溫度下是穩(wěn)定的。合適的陶瓷纖維粒子由浸軟的石英玻璃纖維、碳和石墨纖維、氧化鋯、氮化硼、碳化硅和氧化鎂纖維、天然產(chǎn)生的礦物纖維如偏硅酸鈣纖維、鈣鋁硅酸鹽纖維、氧化鋁纖維等形成。
現(xiàn)參看附圖，顯示了本發(fā)明制備的熱處理系統(tǒng)并且通常以參考數(shù)字10來指定。應(yīng)該注意的是，為了清楚起見并不是系統(tǒng)10的所有組件和元件都可在所有附圖中顯示和/或標(biāo)記。同樣，如本說明書中所用，術(shù)語“上”、“下”、“頂”、“底”等指的是在圖3和圖4中顯示取向時(shí)的熱處理系統(tǒng)10。然而，熟練的技工將了解熱處理系統(tǒng)10在使用時(shí)可以采用任何具體取向。
熱處理系統(tǒng)10是打算用于促進(jìn)來自熱源的熱量消散，更具體來說是來自電子組件100的熱量。電子組件100可包含任何電子器件或組件，所述電子器件或組件產(chǎn)生足夠熱量，若熱量不消散將妨礙電子組件100或電子組件100是其一個(gè)元件的系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)。電子組件100可包括微處理器或計(jì)算機(jī)芯片、集成電路、光學(xué)裝置如激光或場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的控制電子或其組件或其他類似的電子元件。電子組件100包括至少一個(gè)表面100a(表示“外表面”)，熱量從這個(gè)表面輻射并且該表面可用作待從電子組件100消散的熱量的熱源。
現(xiàn)參考圖1、圖2和圖3，本發(fā)明的熱處理系統(tǒng)10包含熱界面20。熱界面20的主要功能是在不需要施加不合需要的大量壓力下形成與電子組件100的外表面100a充分有效的連接。取決于熱處理系統(tǒng)10的其他組成的性質(zhì)，熱界面20的第二個(gè)功能是增加電子組件100的表面100a的有效表面積，以促進(jìn)自電子組件100的熱量消散，并且同樣充當(dāng)熱散布器。
如上所述，有效的熱量傳遞(即低的熱阻)對(duì)電子組件的性能和壽命是重要的。為此，熱界面20優(yōu)選包含柔性石墨片材。柔性石墨片材是指壓縮、剝落的石墨(特別是天然石墨)的片材?；蛘?，柔性石墨片材可通過高溫分解高聚合物薄膜來產(chǎn)生。如上所討論，石墨是包含在平坦層狀平面中共價(jià)結(jié)合的原子的結(jié)晶形態(tài)碳，平面間具有較弱的鍵。通過用插入劑例如硫酸和硝酸溶液來處理石墨粒子例如天然石墨薄片，石墨的晶體結(jié)構(gòu)起反應(yīng)形成石墨和插入劑的化合物。處理的石墨粒子稱為“插入石墨粒子”。暴露在高溫下時(shí)，插入石墨粒子在“c”方向上(即在垂直于石墨晶面的方向上)以手風(fēng)琴式的方式膨脹至尺寸高達(dá)其原始體積的80或更多倍。剝落的石墨粒子在外觀上呈蠕蟲狀，因此通常稱為蠕蟲。蠕蟲可一起壓縮成柔性片材，與原始的石墨薄片不同，該柔性片材能形成并且切削成不同形狀。
一旦柔性石墨片材如所述來制備，則其可依尺寸切割形成熱界面20。取決于應(yīng)用，一系列具有所要尺寸的柔性石墨片材可使用壓敏粘合劑例如丙烯酸類粘合劑層壓在一起以形成夾層結(jié)構(gòu)形成熱界面20，但應(yīng)認(rèn)識(shí)到應(yīng)用的層(用插入粘合劑)越多，所要求熱性質(zhì)將會(huì)降低。因此，熱界面20優(yōu)選包含單一柔性石墨片材。
構(gòu)成本發(fā)明的熱界面的柔性石墨片材優(yōu)選厚度為約0.05mm到約1.0mm，更優(yōu)選約0.1mm到約0.5mm。本發(fā)明可使用的柔性石墨片材的實(shí)例得自Advanced Energy Technology Inc.，Lakewood，OH，商品名為eGraf。另一種適合的石墨片材是熱解石墨片材，如得自Matsushita Electric Components Company Ltd.，Ceramic Division，Japan，商品名為Panasonic PGS。
使用本發(fā)明的熱界面20的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它的一致性。由于電子組件100的外表面100a通常是由金屬或陶瓷材料或其他類似材料形成，外表面100a的表面不是完全平滑的(即使對(duì)于肉眼或觸摸似乎如此)，而它更確切地是由表面變形和不規(guī)則或者“尖峰和凹谷”所覆蓋。這引起空氣間隙(其在熱界面的表面和散熱器和/或熱源間充當(dāng)熱絕緣體)。
由于這些變形，在不施加大量壓力以得到熱連接的情況下，與同樣具有表面變形的金屬(例如銅)或其他類型的散熱器(例如石墨散熱器)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固的熱連接是困難的。
過去，對(duì)于在散熱器和熱源間的金屬和金屬的連接常常需要適當(dāng)超過50磅/平方英寸(psi)的壓力。這樣的壓力對(duì)電子組件100具有潛在的損害。
為了修正這個(gè)問題，可使用本發(fā)明的熱界面。本發(fā)明的熱界面包含含油的柔性石墨片材。油/石墨片材組合改善了一致性并且因此降低了熱阻。在不受理論束縛的情況下，油可以代替在各個(gè)部分連接處所存在的空氣。另外，油可使石墨片材“更軟”并且更服從于熱源/冷卻模塊的表面變形和不規(guī)則。
用于本發(fā)明的油包括廣泛的物質(zhì)，例如包括礦物油、植物油、動(dòng)物油、精油、食用油、合成油如硅油和其組合。用于本發(fā)明的礦物油例如包括石蠟礦物油、環(huán)烴礦物油、基于中間物的礦物油等。用于本發(fā)明的礦物油通常以石油為基礎(chǔ)并且包括脂族油、芳族油和混合基油。用于本發(fā)明的礦物油的具體實(shí)例包括中性油、中等比重中性油、重質(zhì)中性油、光亮油和常見潤滑劑如發(fā)動(dòng)機(jī)油，和藥用油如精制石蠟油。本發(fā)明使用的植物油可主要得自種子或堅(jiān)果并且包括菜籽油、低芥酸菜子油、豆油、玉米油、棉籽油、亞麻籽油、橄欖油、桐油、花生油、繡線菊油、向日葵油、豆油、紅花油、霍霍巴油、棕櫚油、蓖麻油、椰子油等。以植物為基礎(chǔ)的油例如可從遺傳改性的植物得到或通過水洗、精煉、酯化、水解等改性得到。本發(fā)明使用的動(dòng)物油包括魚油、魚肝油、油酸等。本發(fā)明使用的精油包括從花、莖、葉和通常整個(gè)植物中得到的液體。這些油可包括通常用于化妝品中的油。另外，傳統(tǒng)的食用油可用于本發(fā)明。這些油得自果實(shí)、或種子和植物。最常見是玉米、椰子、大豆、橄欖、棉籽和紅花。這些油具有不同的飽和度。最后，合成油可用于本發(fā)明。合成油是酯類油、聚α烯烴低聚物或烷基化苯。
對(duì)于用于本發(fā)明的油的主要要求包括在室溫下具有使得這種油可由石墨片材吸收的液體稠度，和比石墨片材的小孔中所存在空氣更高的熱導(dǎo)率。在廣泛意義上，用于本發(fā)明的油可以是具有比空氣高的熱導(dǎo)率并且能被石墨片材吸收的任何液體。
本發(fā)明使用的油在37.8℃下的粘度優(yōu)選為約1到約400厘泊(cps)，更優(yōu)選約2到約200cps，最優(yōu)選約10到約50cps。
在石墨片材中存在的油的量?jī)?yōu)選為約2％到約75％重量，更優(yōu)選約10％到約55％重量，最優(yōu)選約15％到約40％重量。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，將油加到使石墨片材中的小孔實(shí)質(zhì)上用油填充的程度。換句話說，在小孔中所存在的空氣隨著油被吸收到石墨片材中用油代替。因此，由于不同石墨片材具有不同小孔體積并且不同油具有不同重量，所以在石墨片材中所存在的油的重量百分比可以改變。
優(yōu)選地，油可通過噴霧、浸漬、沉浸或任何其他適合的技術(shù)應(yīng)用到石墨片材。片材的表面吸收油，得到優(yōu)選無明顯“油性”觸感或紋理的表面。
由于本發(fā)明的熱界面20更適合于電子組件100的外表面100a和散熱器的表面形態(tài)，因此可以實(shí)現(xiàn)在具有表面變形的電子組件100和散熱器之間的更好熱連接。
本發(fā)明的熱界面20可以通過若干方法粘著或固定在電子組件100的外表面100a上。例如，可使用壓敏熱活性粘合劑的薄層將熱界面20固定到電子組件100上?；蛘?，當(dāng)采用散熱器時(shí)，熱界面20可以“夾”在散熱器和電子組件100之間。熟練的技工應(yīng)認(rèn)識(shí)到將熱界面20粘著或固定到電子組件100上的其他同樣有效的方法。
現(xiàn)參考圖4，本發(fā)明的熱處理系統(tǒng)10優(yōu)選還包含經(jīng)成形以便提供集熱表面30a和至少一個(gè)散熱表面32的散熱器30物品。當(dāng)散熱器30的集熱表面30a與熱源(即電子組件100的外表面100a)有效連接時(shí)，來自外表面100a的熱量通過散熱器30的至少一個(gè)散熱表面32消散。
本文所用的散熱表面指的是散熱器30的區(qū)域，自外表面100a(通過熱界面20，當(dāng)存在時(shí))傳播到散熱器30的熱量自這個(gè)區(qū)域消散到環(huán)境中。更常見地，散熱器30的至少一個(gè)散熱表面32是空氣或其他冷卻劑流體例如經(jīng)風(fēng)扇(沒有顯示)的作用通過散熱器30的散熱器30的那些表面。為使從散熱器30傳遞最多的熱量到冷卻劑流體中，散熱器30的至少一個(gè)散熱表面32應(yīng)該設(shè)計(jì)和/或成形以便具有盡可能大的表面積。
例如，并且如圖4中說明，散熱器30的至少一個(gè)散熱表面32包含在相對(duì)集熱表面30a的散熱器30的表面形成的散熱片32a，使熱量從集熱表面30a傳播到散熱片32a，在此通過散熱片32a的空氣或其他冷卻劑能夠吸收來自散熱片32a的熱量并且從而將熱量帶走(并且，通過擴(kuò)展，可從電子組件100上帶走熱量)。散熱片32a的數(shù)量、尺寸和形狀可由從事者選擇以實(shí)現(xiàn)冷卻劑流和表面積間的平衡。例如，更多的散熱片32a，由于彼此間較小的空間每一個(gè)都更薄，可以提供增加的表面積，但是可妨礙冷卻劑流動(dòng)；同樣地，較少、較大且彼此間具有較大空間的散熱片32a得到較高的熱傳送效率，但較小的表面積。
展示下列實(shí)施例以進(jìn)一步說明本發(fā)明，并且不希望以任何方式限制本發(fā)明。
實(shí)施例將通過剝落插入的天然石墨薄片產(chǎn)生的熱界面材料壓縮并且輥壓成0.254mm的厚度。在接觸壓力為16psi下測(cè)量材料的熱性質(zhì)。材料的接觸熱阻為1.09cm2°K/W并且熱導(dǎo)率為5.2W/m°K。然后將熱界面材料用輕質(zhì)礦物油均勻地涂覆并且使油浸透到界面材料中。由片材所獲得油的重量為50％重量。這種材料的接觸熱阻減小到0.79cm2°K/W(改善28％)并且熱導(dǎo)率增加到6.13W/m°K(改善18％)。
在本請(qǐng)求書中所涉及的所有引用的專利和公開物均通過引用結(jié)合到本文中來。
雖然如此描述本發(fā)明，但是應(yīng)顯而易見本發(fā)明可以許多方式而變化。并不認(rèn)為這些變化偏離于本發(fā)明的精神和范圍并且希望本領(lǐng)域的技術(shù)人員所顯而易見的所有這些修改包括在下列權(quán)利要求
范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱界面材料，所述熱界面材料包括柔性石墨片材物品，所述片材物品包含油。
2.權(quán)利要求
1的熱界面材料，其中所述油為礦物油、植物油、合成油、精油、食用油、動(dòng)物油及其混合物。
3.權(quán)利要求
1的熱界面材料，其中所述油為礦物油。
4.權(quán)利要求
1的熱界面材料，其中所述油的量為柔性石墨片材物品的2％-75％重量。
5.權(quán)利要求
1的熱界面材料，其中所述油的量為柔性石墨片材材料的約10％到約55％重量。
6.權(quán)利要求
3的熱界面材料，其中所述礦物油的量為柔性石墨片材物品的約2％到約75％重量。
7.權(quán)利要求
1的熱界面材料，其中柔性石墨片材的厚度為約0.05mm到約1.0mm。
8.權(quán)利要求
1的熱界面材料，其中所述油的粘度為約1到約400cps。
9.權(quán)利要求
1的熱界面材料，其中所述柔性石墨片材為各向異性的。
10.一種制備熱界面材料的方法，所述方法包括(a)提供柔性石墨片材材料，并且提供油；(b)使所述油與所述石墨片材接觸直到約2％到約75％重量的油吸收到所述熱界面材料中。
11.權(quán)利要求
10的方法，其中所述油為礦物油、植物油、合成油、精油、食用油、動(dòng)物油及其混合物。
12.權(quán)利要求
10的方法，其中所述油為礦物油。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求
10的方法制備的熱界面材料。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求
12的方法制備的熱界面材料。
專利摘要
本發(fā)明涉及熱界面材料，所述熱界面材料由具有兩個(gè)平行平表面的柔性石墨片材物品(20)形成，其中熱界面的第一平表面與熱源(100)的外表面(100a)有效接觸，第二平表面與冷卻模塊接觸。所述石墨片材包含油。
文檔編號(hào)H01L23/373GK1997514SQ20058002381
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年5月2日
發(fā)明者R·A·格賴恩克, D·W·克拉索夫斯基 申請(qǐng)人:先進(jìn)能源科技公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan