改良的熱界面材料的制作方法

專利名稱：改良的熱界面材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于促進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，本發明涉及有效促進由電子組件產生的熱量消散的材料。
背景技術：
隨著更精密電子組件的發展，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雜能量要求并且展示其他技術進步的電子組件，例如在電子和電氣組件和系統以及在其他裝置例如高能光學裝置中的微處理器和集成電路，可產生相對極端的溫度。然而，微處理器、集成電路和其他復雜的電子組件通常僅在一定范圍的閾值溫度下有效運轉。在這些組件運轉期間產生的過多的熱量不僅能夠損害其自身的性能，而且還使整個系統的性能和可靠性降低，甚至能引起系統失靈。日益廣闊范圍的環境條件，包括電子系統預期運轉的溫度極端，使這些負面影響加劇。
隨著由這些條件引起的對來自微電子裝置的熱量消散的需求增加，熱處理成為電子產品設計中日益重要的因素。如所提到的，電子設備的性能可靠性和期望壽命與設備的組件溫度是相反關聯的。
例如，裝置(例如典型硅半導體)的操作溫度的降低可與裝置的可靠性和期望壽命的指數增長一致。因此，為了使組件的壽命和可靠性最大，控制裝置的運轉溫度在由設計者設定的極限內是極為重要的。熱處理系統得以設計出以有助于實現這個目的。
熱處理系統的一個元件是熱界面材料。熱界面材料的典型用途是熱連接計算機芯片至冷卻模塊(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用，尤其是在一個或兩個表面都不是完全平坦的時候。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中是重要的。
另外，當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，熱界面有時可稱作熱散布器(thermal spreader or heatspreader)。這是由于石墨材料的各向異性性質使來自熱源的熱量沿著石墨材料的表面散布的事實，因此減少了所謂的熱點并且促進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踐描述于Shane等的美國專利3,404,061中，其公開內容通過引用結合到本文中來。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，然后經短時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。盡管對多數應用來說認為密度通常為約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絡構成。這些六角排列碳原子層面實質上是平坦的并且是取向或規則的，以致彼此實質上是平行并且等距的。碳原子的實質上平坦、平行等距的片材或層，通常稱為石墨薄片(graphene)層或基面，連接或結合在一起并且其團簇排列在微晶中。高度規則的石墨由相當大尺寸微晶組成這些微晶相對于彼此高度對正或取向并且具有良好有序的碳層。換句話說，高度規則的石墨具有高度的優選微晶取向。應該指出的是石墨具有各向異性結構，因此展示或具有許多高度方向性的性質，例如熱導率和電導率。
簡單來講，石墨可以稱為碳原子的層狀結構，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構。談及石墨結構，通常指出兩個軸或方向，就是，“c”軸或方向和“a”軸或方向。為簡單起見，“c”軸或方向可視作垂直于碳層的方向。“a”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合力僅是弱范德華力。天然石墨可經處理使得疊置碳層或薄層間的間距能相當地展開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，并因此形成其中實質上保持碳層的薄片性質的膨脹或擴展的石墨結構。
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、紙、長條、帶子、箔、墊子等(通常稱為“柔性石墨”)。由于機械聯鎖或在龐大膨脹的石墨粒子間實現的內聚力，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，還發現如上所述的片材材料關于熱導率和電導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質上平行于片材的相對面取向。這樣制備的片材材料具有優良的柔性、良好的強度和非常高度的取向性。
簡單來講，制備柔性、無粘合劑各向異性的石墨片材材料如網、紙、長條、帶子、箔、墊子等的方法包括在預定負荷且不存在粘合劑下壓縮或壓制“c”方向尺寸高達原始粒子的“c”方向尺寸約80或更多倍的膨脹石墨粒子以形成實質上平坦、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壓縮將保持壓縮形變并且與片材的相對主表面排列成行。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(即垂直于相對的平行片材表面的方向)構成“c”方向，沿長度和寬度(即沿著或平行于該相對主表面)延伸的方向構成“a”方向，對于“c”方向和“a”方向來說，片材的熱和電性質非常不同，達到數量級的程度。
發明公開本發明的目的是改善熱源和冷卻模塊之間的熱傳導。
本發明的另一個目的是提供相對于散熱組件和熱源具有減小的接觸阻抗和增加的熱傳導率的熱界面。
更具體地講，本發明的一個實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。
本發明的另一個實施方案是熱處理系統，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系。在這個實施方案中，安排集熱表面與熱界面有效連接引起熱量從熱源消散。
本發明的另一實施方案是熱處理系統，其包含包含電子組件的熱源、熱界面和散熱器。在這個實施方案中，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構的平面方向的方向上伸展的兩個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，石墨片材優選含有至少2％重量的油。在這個實施方案中，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。
本發明的另一個實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構的平面方向的方向上伸展的兩個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，本發明的另一個實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明的熱界面材料和熱處理系統。
在以上實施方案中，該熱界面優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，在以上實施方案中，該油優選為礦物油。
本領域的技術人員在閱讀結合附圖而進行的如下公開時，可容易地明白本發明的其他和另外目的、特征和優勢。
考慮如下詳細描述，尤其是在參考附圖閱讀時，本發明能更好地被理解并且其優勢更明顯。


圖1為利用本發明熱界面材料的熱處理系統的一個實施方案的俯視圖，以幻影顯示熱源。
圖2為圖1的熱處理系統的仰視圖。
圖3為圖1的熱處理系統的側平面圖。
圖4為本發明熱處理系統的另一個實施方案的俯視圖。
實施本發明最佳方式如上所述，本發明的一個實施方案是提供可結合熱處理系統使用的熱界面材料。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結合的原子的結晶形態碳，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，石墨的晶體結構起反應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，石墨內的插入劑分解并且揮發，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)以手風琴式的方式膨脹至尺寸高達其原始體積的約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械沖擊提供小的橫向開口。
適用于本發明的柔性片材的石墨原料包括能插入有機和無機酸以及鹵素并且在暴露至熱時膨脹的高度石墨碳質材料。這些高度石墨碳質材料最優選具有約1.0的石墨化度。如本公開中所用，術語“石墨化度”指的是根據如下公式的g值g＝(3.45-d(002))/0.095其中d(002)為以埃為單位測量在晶體結構中碳的石墨層間間距。石墨層間的間距d由標準X-射線衍射技術測量。測量出對應于米勒指數為(002)、(004)和(006)的衍射峰位置，并且利用標準最小二乘方技術得出間距，其使所有這些峰的總誤差最小。高度石墨碳質材料的實例包括不同來源的天然石墨以及其他含碳材料，例如由化學氣相沉積等制備的碳。天然石墨是最優選的。
只要原料的晶體結構保持必需的石墨化度且其能剝落，那么用于本發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(其晶體結構具有必需的石墨化度并且能剝落)都適用于本發明。這樣的石墨優選含灰量少于20％重量。用于本發明的石墨純度更優選為至少約94％。在最優選的實施方案中，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，該專利的公開內容通過引用結合到本文中來。在Shane等的方法的典型實踐中，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。插入溶液包含本領域已知的氧化劑和其他插入劑。實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、或強有機酸的混合物例如三氟乙酸和溶解于有機酸中的強氧化劑。或者，電位可以用來使石墨氧化。可利用電解氧化引入石墨晶體中的化學物質包括硫酸和其他酸。
在優選的實施方案中，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，該專利的公開內容通過引用結合到本文中來。
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、醛和酯的有機還原劑接觸，在25℃到125℃的溫度下該有機還原劑與氧化插入溶液的表面薄膜反應。在剝落時該有機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、抗壞血酸和木質素衍生的化合物，例如木質素硫酸鈉。有機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還原劑一起協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現膨脹的改善。更精細地講，可使用優選排外地包含碳、氫和氧的有機物質。用作膨脹助劑的適合的羧酸可選自芳族、脂族或脂環族、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個碳原子，優選高至約15個碳原子，其以有效提供剝落的一個或多個方面可測量的改善的量溶于插入溶液中。適合的有機溶劑可用來改善有機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例是例如式H(CH2)nCOOH的那些酸，其中n為0到約5的數，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、環己烷-1，4-二甲酸；和芳族二羧酸，例如鄰苯二甲酸或對苯二甲酸。代表性環脂族酸為環己烷羧酸，代表性芳族羧酸為苯甲酸、萘甲酸、鄰氨基苯甲酸、對氨基苯甲酸、鄰-、間-和對-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。
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還原劑共混之后，將共混物暴露于25℃到125℃的溫度以促進還原劑和插入劑涂層的反應。加熱時間高達約20小時，其中在上述范圍內的溫度越高，加熱時間將越短，例如至少約10分鐘。在較高溫度下可使用半小時或更少的時間，例如10-25分鐘的量級。
如此處理的石墨粒子有時稱為“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，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)以手風琴狀方式膨脹為高達其原始體積的約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)下預處理石墨薄片并通過包含潤滑添加劑的插入劑而有益地擴充。
當石墨薄片隨后進行插入和剝落時，石墨薄片的預處理或者退火導致明顯增加的膨脹(即膨脹體積增加高達300％或更大)。實際上，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明顯低于3000℃，因為甚至低100℃的溫度導致實質上減小的膨脹。
本發明的退火執行一段足夠的時間以使薄片在插入和隨后的剝落時具有提高的膨脹程度。通常，所需時間是1小時或更多，優選1-3小時并且最有利地在惰性環境中進行。為了得到最大的有益結果，退火的石墨薄片也將經歷本領域中已知的其他處理來提高膨脹程度--即在有機還原劑、插入助劑例如有機酸存在下插入，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果，插入步驟可以重復。
本發明的退火步驟可在感應電爐或其他一些在石墨化領域中已知的設備中進行；這里所采用的在3000℃范圍內的溫度是在石墨化方法中所遇到的范圍的最高限度。
因為已經觀察到利用經歷預插入退火的石墨產生的蠕蟲有時能“團簇”到一起，這對面積重量均勻性可產生消極影響，所以有助于形成“自由流動”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壓縮設備的床(例如常規用來壓縮(或“砑光”)石墨蠕蟲成為柔性石墨片材的砑光機的床)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度，甚至是在起始石墨粒子小于常規所用的粒子的時候。潤滑添加劑優選長鏈烴。還可使用其他具有長鏈烴基(即使存在其他官能團)的有機化合物。
潤滑添加劑更優選為油，最優選礦物油，特別考慮到礦物油不易于酸敗和有味的事實，這對于長期儲存是一個重要考慮因素。應注意到以上詳細描述的一些膨脹助劑也滿足潤滑添加劑的定義。當這些物質用作膨脹助劑時，在插入劑中可沒有必要包含單獨的潤滑添加劑。
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任何顯著的額外優勢。
如此處理的石墨粒子有時稱為“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，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)以手風琴式的方式膨脹高達其原始體積的約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、再循環的片材材料、廢棄的片材材料或任何其他適合的來源。
本發明的方法還可使用原始材料和再循環材料的共混物。
再循環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的柔性石墨PEM燃料電池組件，例如流場板或電極。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備如噴射磨、氣流研磨機、混料機等來使其粉碎以制備顆粒。優選地，大部分粒子具有通過20U.S.目的直徑；更優選主要部分(大于約20％，最優選大于約50％)不通過80U.S.目。粒子最優選具有不大于約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電導率和熱導率。
若源材料已用樹脂浸漬，那么優選將樹脂從粒子中除去。樹脂除去的詳細內容在下文進一步描述。
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。在這個剝落步驟期間，可將插入的天然石墨薄片加到再循環的插入粒子中。優選地，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。陶瓷纖維粒子對于石墨是不反應且不粘著的并且在高達約1100℃，優選約1400℃或更高的溫度下是穩定的。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。
現參看附圖，顯示了本發明制備的熱處理系統并且通常以參考數字10來指定。應該注意的是，為了清楚起見并不是系統10的所有組件和元件都可在所有附圖中顯示和/或標記。同樣，如本說明書中所用，術語“上”、“下”、“頂”、“底”等指的是在圖3和圖4中顯示取向時的熱處理系統10。然而，熟練的技工將了解熱處理系統10在使用時可以采用任何具體取向。
熱處理系統10是打算用于促進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是其一個元件的系統運轉。電子組件100可包括微處理器或計算機芯片、集成電路、光學裝置如激光或場效應晶體管(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包括至少一個表面100a(表示“外表面”)，熱量從這個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。
現參考圖1、圖2和圖3，本發明的熱處理系統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10的其他組成的性質，熱界面20的第二個功能是增加電子組件100的表面100a的有效表面積，以促進自電子組件100的熱量消散，并且同樣充當熱散布器。
如上所述，有效的熱量傳遞(即低的熱阻)對電子組件的性能和壽命是重要的。為此，熱界面20優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。或者，柔性石墨片材可通過高溫分解高聚合物薄膜來產生。如上所討論，石墨是包含在平坦層狀平面中共價結合的原子的結晶形態碳，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，石墨的晶體結構起反應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，插入石墨粒子在“c”方向上(即在垂直于石墨晶面的方向上)以手風琴式的方式膨脹至尺寸高達其原始體積的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構形成熱界面20，但應認識到應用的層(用插入粘合劑)越多，所要求熱性質將會降低。因此，熱界面20優選包含單一柔性石墨片材。
構成本發明的熱界面的柔性石墨片材優選厚度為約0.05mm到約1.0mm，更優選約0.1mm到約0.5mm。本發明可使用的柔性石墨片材的實例得自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。
使用本發明的熱界面20的一個優點在于它的一致性。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)實現穩固的熱連接是困難的。
過去，對于在散熱器和熱源間的金屬和金屬的連接常常需要適當超過50磅/平方英寸(psi)的壓力。這樣的壓力對電子組件100具有潛在的損害。
為了修正這個問題，可使用本發明的熱界面。本發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則。
用于本發明的油包括廣泛的物質，例如包括礦物油、植物油、動物油、精油、食用油、合成油如硅油和其組合。用于本發明的礦物油例如包括石蠟礦物油、環烴礦物油、基于中間物的礦物油等。用于本發明的礦物油通常以石油為基礎并且包括脂族油、芳族油和混合基油。用于本發明的礦物油的具體實例包括中性油、中等比重中性油、重質中性油、光亮油和常見潤滑劑如發動機油，和藥用油如精制石蠟油。本發明使用的植物油可主要得自種子或堅果并且包括菜籽油、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。本發明使用的動物油包括魚油、魚肝油、油酸等。本發明使用的精油包括從花、莖、葉和通常整個植物中得到的液體。這些油可包括通常用于化妝品中的油。另外，傳統的食用油可用于本發明。這些油得自果實、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，合成油可用于本發明。合成油是酯類油、聚α烯烴低聚物或烷基化苯。
對于用于本發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率。在廣泛意義上，用于本發明的油可以是具有比空氣高的熱導率并且能被石墨片材吸收的任何液體。
本發明使用的油在37.8℃下的粘度優選為約1到約400厘泊(cps)，更優選約2到約200cps，最優選約10到約50cps。
在石墨片材中存在的油的量優選為約2％到約75％重量，更優選約10％到約55％重量，最優選約15％到約40％重量。在優選的實施方案中，將油加到使石墨片材中的小孔實質上用油填充的程度。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。
優選地，油可通過噴霧、浸漬、沉浸或任何其他適合的技術應用到石墨片材。片材的表面吸收油，得到優選無明顯“油性”觸感或紋理的表面。
由于本發明的熱界面20更適合于電子組件100的外表面100a和散熱器的表面形態，因此可以實現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。或者，當采用散熱器時，熱界面20可以“夾”在散熱器和電子組件100之間。熟練的技工應認識到將熱界面20粘著或固定到電子組件100上的其他同樣有效的方法。
現參考圖4，本發明的熱處理系統10優選還包含經成形以便提供集熱表面30a和至少一個散熱表面32的散熱器30物品。當散熱器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，來自外表面100a的熱量通過散熱器30的至少一個散熱表面32消散。
本文所用的散熱表面指的是散熱器30的區域，自外表面100a(通過熱界面20，當存在時)傳播到散熱器30的熱量自這個區域消散到環境中。更常見地，散熱器30的至少一個散熱表面32是空氣或其他冷卻劑流體例如經風扇(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的至少一個散熱表面32應該設計和/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的至少一個散熱表面32包含在相對集熱表面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，通過擴展，可從電子組件100上帶走熱量)。散熱片32a的數量、尺寸和形狀可由從事者選擇以實現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都更薄，可以提供增加的表面積，但是可妨礙冷卻劑流動；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。
展示下列實施例以進一步說明本發明，并且不希望以任何方式限制本發明。
實施例將通過剝落插入的天然石墨薄片產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下測量材料的熱性質。材料的接觸熱阻為1.09cm2°K/W并且熱導率為5.2W/m°K。然后將熱界面材料用輕質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％)并且熱導率增加到6.13W/m°K(改善18％)。
在本請求書中所涉及的所有引用的專利和公開物均通過引用結合到本文中來。
雖然如此描述本發明，但是應顯而易見本發明可以許多方式而變化。并不認為這些變化偏離于本發明的精神和范圍并且希望本領域的技術人員所顯而易見的所有這些修改包括在下列權利要求范圍內。
權利要求
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、動物油及其混合物。
3.權利要求1的熱界面材料，其中所述油為礦物油。
4.權利要求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、動物油及其混合物。
12.權利要求10的方法，其中所述油為礦物油。
13.一種根據權利要求10的方法制備的熱界面材料。
14.一種根據權利要求12的方法制備的熱界面材料。
全文摘要
本發明涉及熱界面材料，所述熱界面材料由具有兩個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H01L23/373GK1997514SQ200580023815
公開日2007年7月11日 申請日期2005年5月2日 優先權日2004年5月19日
發明者R·A·格賴恩克, D·W·克拉索夫斯基 申請人:先進能源科技公司