专利名称：改良的热界面材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于促进来自热源如电子组件的热量处理的热界面材料。更具体来说，本发明涉及有效促进由电子组件产生的热量消散的材料。
背景技术：
随着更精密电子组件的发展，包括那些能提高处理速度和具有更高频率、具有更小尺寸和更复杂能量要求并且展示其他技术进步的电子组件，例如在电子和电气组件和系统以及在其他装置例如高能光学装置中的微处理器和集成电路，可产生相对极端的温度。然而，微处理器、集成电路和其他复杂的电子组件通常仅在一定范围的阈值温度下有效运转。在这些组件运转期间产生的过多的热量不仅能够损害其自身的性能，而且还使整个系统的性能和可靠性降低，甚至能引起系统失灵。日益广阔范围的环境条件，包括电子系统预期运转的温度极端，使这些负面影响加剧。
随着由这些条件引起的对来自微电子装置的热量消散的需求增加，热处理成为电子产品设计中日益重要的因素。如所提到的，电子设备的性能可靠性和期望寿命与设备的组件温度是相反关联的。
例如，装置(例如典型硅半导体)的操作温度的降低可与装置的可靠性和期望寿命的指数增长一致。因此，为了使组件的寿命和可靠性最大，控制装置的运转温度在由设计者设定的极限内是极为重要的。热处理系统得以设计出以有助于实现这个目的。
热处理系统的一个元件是热界面材料。热界面材料的典型用途是热连接计算机芯片至冷却模块(即，如上所讨论的散热器)来克服接触阻抗和散热器或冷却模块与芯片或其他热源之间的表面一致性的缺乏。通常，热界面由热油脂、相变材料和胶带组成。由于柔性石墨的低热阻和与待形成界面的表面配合的能力，其容易适用于这些应用，尤其是在一个或两个表面都不是完全平坦的时候。由于尽可能多地减少热阻极为重要，因此这些特征在热处理系统中是重要的。
另外，当柔性石墨热界面材料的表面积大于其接触的热源的表面积时，热界面有时可称作热散布器(thermal spreader or heatspreader)。这是由于石墨材料的各向异性性质使来自热源的热量沿着石墨材料的表面散布的事实，因此减少了所谓的热点并且促进了散热器和其他具有较大有效表面积的散热装置的使用。这个概念是在Tzeng的美国专利6,482,520中提出。
另外，在Tzeng等的美国专利6,245,400中公开了具有低热阻性质的剥离衬里压敏粘性柔性石墨片材制品。这种柔性石墨片材包含柔性石墨底材、在其上的粘性底漆涂层、在该粘性底漆涂层上的压敏粘性涂层和施加到该压敏粘性涂层上的剥离衬里。
尽管在下文将更详细地讨论，但是制备用在热界面的柔性石墨的方法是众所周知的并且典型的实践描述于Shane等的美国专利3,404,061中，其公开内容通过引用结合到本文中来。一般来说，将天然石墨薄片插入酸溶液中。在将薄片插入后，将其清洗并且干燥，然后经短时间暴露于高温使其剥落。这引起薄片沿垂直于石墨晶面的方向膨胀或剥落。剥落的石墨薄片在外观上呈蠕虫状，因此一般称为蠕虫。尽管对多数应用来说认为密度通常为约1.1g/cc，但是蠕虫可压缩成具有接近理论密度的密度的片材或箔。柔性石墨片材可切割成适合具体应用的任何所要求外形。
石墨是由六角排列的层面或碳原子网络构成。这些六角排列碳原子层面实质上是平坦的并且是取向或规则的，以致彼此实质上是平行并且等距的。碳原子的实质上平坦、平行等距的片材或层，通常称为石墨薄片(graphene)层或基面，连接或结合在一起并且其团簇排列在微晶中。高度规则的石墨由相当大尺寸微晶组成这些微晶相对于彼此高度对正或取向并且具有良好有序的碳层。换句话说，高度规则的石墨具有高度的优选微晶取向。应该指出的是石墨具有各向异性结构，因此展示或具有许多高度方向性的性质，例如热导率和电导率。
简单来讲，石墨可以称为碳原子的层状结构，更确切地说，由用弱范德华力连接在一起的碳原子的叠置层或薄层组成的结构。谈及石墨结构，通常指出两个轴或方向，就是，“c”轴或方向和“a”轴或方向。为简单起见，“c”轴或方向可视作垂直于碳层的方向。“a”轴或方向可视作平行于碳层的方向或垂直于“c”方向的方向。适合制备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，保持碳原子的平行层在一起的结合力仅是弱范德华力。天然石墨可经处理使得叠置碳层或薄层间的间距能相当地展开以便在垂直于这些层的方向上(即，在“c”方向上)提供显著的膨胀，并因此形成其中实质上保持碳层的薄片性质的膨胀或扩展的石墨结构。
在不使用粘合剂的情况下，可用已大大膨胀且更具体来说膨胀使具有高达原始“c”方向尺寸约80或更多倍的最终厚度或“c”方向尺寸的石墨薄片形成粘合或完整的膨胀石墨片材，例如网、纸、长条、带子、箔、垫子等(通常称为“柔性石墨”)。由于机械联锁或在庞大膨胀的石墨粒子间实现的内聚力，相信在不使用任何粘合材料的情况下，已膨胀至具有高达原始“c”方向尺寸约80或更多倍的最终厚度或“c”方向尺寸的石墨粒子通过压缩形成完整的柔性片材是可能的。
除了柔性外，还发现如上所述的片材材料关于热导率和电导率具有高度的各向异性，这归因于由非常高的压缩(例如辊压)引起膨胀的石墨粒子和石墨层实质上平行于片材的相对面取向。这样制备的片材材料具有优良的柔性、良好的强度和非常高度的取向性。
简单来讲，制备柔性、无粘合剂各向异性的石墨片材材料如网、纸、长条、带子、箔、垫子等的方法包括在预定负荷且不存在粘合剂下压缩或压制“c”方向尺寸高达原始粒子的“c”方向尺寸约80或更多倍的膨胀石墨粒子以形成实质上平坦、柔性、完整的石墨片材。通常在外观上象蠕虫或蠕虫状的膨胀石墨粒子一经压缩将保持压缩形变并且与片材的相对主表面排列成行。片材材料的密度和厚度可通过控制压缩的程度来变化。片材材料的密度可为约0.04g/cc到约2.0g/cc。由于石墨粒子平行于片材的主要相对的平行表面排列，柔性石墨片材材料展示明显程度的各向异性，随着辊压片材材料以增加取向性，各向异性程度增加。在辊压各向异性片材材料中，厚度(即垂直于相对的平行片材表面的方向)构成“c”方向，沿长度和宽度(即沿着或平行于该相对主表面)延伸的方向构成“a”方向，对于“c”方向和“a”方向来说，片材的热和电性质非常不同，达到数量级的程度。
发明公开本发明的目的是改善热源和冷却模块之间的热传导。
本发明的另一个目的是提供相对于散热组件和热源具有减小的接触阻抗和增加的热传导率的热界面。
更具体地讲，本发明的一个实施方案是包含柔性石墨片材物品的热界面材料，该片材物品含有油。
本发明的另一个实施方案是热处理系统，其包含具有外表面的热源；包含含油柔性石墨片材物品的热界面，该热界面与该热源的外表面保持有效联系；和具有集热表面和散热表面的散热组件，集热表面与热界面保持有效联系。在这个实施方案中，安排集热表面与热界面有效连接引起热量从热源消散。
本发明的另一实施方案是热处理系统，其包含包含电子组件的热源、热界面和散热器。在这个实施方案中，该热源具有外表面；该热界面包含具有在平行于片材中的石墨晶体结构的平面方向的方向上伸展的两个平行平表面的柔性石墨片材物品，热界面的第一平表面与热源的外表面保持有效接触。此外，石墨片材优选含有至少2％重量的油。在这个实施方案中，该热界面的第一平表面的平面面积大于热源外表面面积。最后，该散热器具有集热表面和至少一个散热表面。散热器的集热表面与热界面的第二平表面保持有效接触。
本发明的另一个实施方案是制备热界面材料的方法。该方法包括提供具有在平行于片材中的石墨晶体结构的平面方向的方向上伸展的两个平行平表面的柔性石墨片材材料，并且提供油；和使该油与石墨片材接触直到约2％到约75％重量的油吸收到热界面材料中。
最后，本发明的另一个实施方案是消散来自热源的热量的方法，所述方法包括使用本发明的热界面材料和热处理系统。
在以上实施方案中，该热界面优选包含具有大于热源外表面面积的平面面积的各向异性柔性石墨片材。此外，在以上实施方案中，该油优选为矿物油。
本领域的技术人员在阅读结合附图而进行的如下公开时，可容易地明白本发明的其他和另外目的、特征和优势。
考虑如下详细描述，尤其是在参考附图阅读时，本发明能更好地被理解并且其优势更明显。
图1为利用本发明热界面材料的热处理系统的一个实施方案的俯视图，以幻影显示热源。
图2为图1的热处理系统的仰视图。
图3为图1的热处理系统的侧平面图。
图4为本发明热处理系统的另一个实施方案的俯视图。
实施本发明最佳方式如上所述，本发明的一个实施方案是提供可结合热处理系统使用的热界面材料。该热界面材料为含油的柔性石墨片材物品。
石墨是包含在平坦层状平面中共价结合的原子的结晶形态碳，平面间具有较弱的键。在获得原材料例如以上石墨柔性片材的过程中，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剂(intercalant)处理，石墨的晶体结构起反应形成石墨和插入剂的化合物。处理的石墨粒子此后称作“插入石墨粒子”。暴露在高温下时，石墨内的插入剂分解并且挥发，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)以手风琴式的方式膨胀至尺寸高达其原始体积的约80或更多倍。剥落的石墨粒子在外观上呈蠕虫状，因此通常称作蠕虫。蠕虫可一起压缩成柔性片材，与原始的石墨薄片不同，该柔性片材能形成并且切割成不同形状并且由于变形机械冲击提供小的横向开口。
适用于本发明的柔性片材的石墨原料包括能插入有机和无机酸以及卤素并且在暴露至热时膨胀的高度石墨碳质材料。这些高度石墨碳质材料最优选具有约1.0的石墨化度。如本公开中所用，术语“石墨化度”指的是根据如下公式的g值g＝(3.45-d(002))/0.095其中d(002)为以埃为单位测量在晶体结构中碳的石墨层间间距。石墨层间的间距d由标准X-射线衍射技术测量。测量出对应于米勒指数为(002)、(004)和(006)的衍射峰位置，并且利用标准最小二乘方技术得出间距，其使所有这些峰的总误差最小。高度石墨碳质材料的实例包括不同来源的天然石墨以及其他含碳材料，例如由化学气相沉积等制备的碳。天然石墨是最优选的。
只要原料的晶体结构保持必需的石墨化度且其能剥落，那么用于本发明的柔性片材的石墨原料可包含非碳组分。一般来讲，任何含碳材料(其晶体结构具有必需的石墨化度并且能剥落)都适用于本发明。这样的石墨优选含灰量少于20％重量。用于本发明的石墨纯度更优选为至少约94％。在最优选的实施方案中，所用石墨的纯度为至少约98％。
Shane等的美国专利3,404,061中描述了制备石墨片材的普通方法，该专利的公开内容通过引用结合到本文中来。在Shane等的方法的典型实践中，天然石墨薄片通过分散薄片到例如包含硝酸和硫酸混合物的溶液中来插入，最有利地以约20到约300重量份插入剂溶液/每100重量份石墨薄片(pph)的水平。插入溶液包含本领域已知的氧化剂和其他插入剂。实例包括含有氧化剂和氧化混合物的那些，例如含有以下物质的溶液硝酸、氯酸钾、铬酸、高锰酸钾、铬酸钾、重铬酸钾、高氯酸等；或混合物，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乙酸和溶解于有机酸中的强氧化剂。或者，电位可以用来使石墨氧化。可利用电解氧化引入石墨晶体中的化学物质包括硫酸和其他酸。
在优选的实施方案中，插入剂为硫酸、或硫酸和磷酸与氧化剂即硝酸、高氯酸、铬酸、高锰酸钾、过氧化氢、碘酸或过碘酸等的混合物的溶液。虽然较少优选，但是插入溶液也可包含金属卤化物，例如氯化铁和与硫酸混合的氯化铁，或卤化物，例如作为溴和硫酸的溶液的溴或在有机溶剂中的溴。
插入溶液的量可为约20到约150pph，更通常为约50到约120pph。插入薄片之后，所有过量的溶液从薄片中排出并且将薄片用水洗涤。
或者，插入溶液的量可以限制为约10到约50pph，这允许排除洗涤步骤，如在美国专利4,895,713中所指出且描述，该专利的公开内容通过引用结合到本文中来。
用插入溶液处理的石墨薄片的粒子可任选地例如通过共混与选自醇、糖、醛和酯的有机还原剂接触，在25℃到125℃的温度下该有机还原剂与氧化插入溶液的表面薄膜反应。在剥落时该有机还原剂增加膨胀体积(也称为“蠕虫体积”)并且称为膨胀助剂。适合的具体有机试剂包括十六醇、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、马铃薯淀粉、单硬脂酸乙二醇酯、二苯甲酸二乙二醇酯、单硬脂酸丙二醇酯、单硬脂酸甘油酯、草酸二甲酯、草酸二乙酯、甲酸甲酯、甲酸乙酯、抗坏血酸和木质素衍生的化合物，例如木质素硫酸钠。有机还原剂的量适合地为石墨薄片粒子的约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与如上描述的有机还原剂一起协同作用的另一类膨胀助剂为羧酸。在本文中的膨胀助剂将有利地充分溶于插入溶液中以实现膨胀的改善。更精细地讲，可使用优选排外地包含碳、氢和氧的有机物质。用作膨胀助剂的适合的羧酸可选自芳族、脂族或脂环族、直链或支链、饱和和不饱和的单羧酸、二羧酸和多羧酸，其具有至少1个碳原子，优选高至约15个碳原子，其以有效提供剥落的一个或多个方面可测量的改善的量溶于插入溶液中。适合的有机溶剂可用来改善有机膨胀助剂在插入溶液中的溶解度。
饱和脂族羧酸的代表性实例是例如式H(CH2)nCOOH的那些酸，其中n为0到约5的数，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剂具有分解甲酸最终为水和二氧化碳的能力。由于这个原因，在使石墨薄片浸入含水插入剂中之前，可使甲酸和其他敏感的膨胀助剂有利地与石墨薄片接触。代表性二羧酸为具有2-12个碳原子的脂族二羧酸，尤其是草酸、富马酸、丙二酸、马来酸、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、环己烷-1，4-二甲酸；和芳族二羧酸，例如邻苯二甲酸或对苯二甲酸。代表性环脂族酸为环己烷羧酸，代表性芳族羧酸为苯甲酸、萘甲酸、邻氨基苯甲酸、对氨基苯甲酸、邻-、间-和对-甲基苯甲酸、甲氧基和乙氧基苯甲酸、邻乙酰乙酰氨苯甲酸(acetoacetamidobenzoic acid)、乙酰氨基苯甲酸、苯乙酸和萘甲酸。
插入溶液为含水的且优选包含约0.2到约10％的羧酸膨胀助剂，该量有效提高剥落。在使甲酸在将石墨薄片浸入含水插入溶液中之前与石墨薄片相接触的实施方案中，甲酸可以通常占石墨薄片的约0.2％到约10％重量的量以适合的方式与石墨混合，例如V型掺混机。
在插入石墨薄片并且使插入剂涂覆的插入石墨薄片与有机还原剂共混之后，将共混物暴露于25℃到125℃的温度以促进还原剂和插入剂涂层的反应。加热时间高达约20小时，其中在上述范围内的温度越高，加热时间将越短，例如至少约10分钟。在较高温度下可使用半小时或更少的时间，例如10-25分钟的量级。
如此处理的石墨粒子有时称为“插入石墨粒子”。暴露于高温例如至少约160℃，特别约700℃到1000℃和更高的温度时，插入石墨粒子在“c”方向上(即在垂直于组成石墨粒子的晶面的方向上)以手风琴状方式膨胀为高达其原始体积的约80到1000或更多倍。膨胀的(即剥落的)石墨粒子在外表上呈蠕虫状，并且因此通常称作蠕虫。蠕虫可以一起压缩成柔性片材，如下文所描述，与原始的石墨薄片不同，该柔性片材能形成并且切割成不同形状并且由于变形机械冲击提供小的横向开口。
以上所描述的插入和剥落石墨薄片的方法可以通过在石墨化温度(即约3000℃和更高温度)下预处理石墨薄片并通过包含润滑添加剂的插入剂而有益地扩充。
当石墨薄片随后进行插入和剥落时，石墨薄片的预处理或者退火导致明显增加的膨胀(即膨胀体积增加高达300％或更大)。实际上，与没有退火步骤的相似加工相比较，希望膨胀的增加是至少约50％。用于退火步骤的温度不应明显低于3000℃，因为甚至低100℃的温度导致实质上减小的膨胀。
本发明的退火执行一段足够的时间以使薄片在插入和随后的剥落时具有提高的膨胀程度。通常，所需时间是1小时或更多，优选1-3小时并且最有利地在惰性环境中进行。为了得到最大的有益结果，退火的石墨薄片也将经历本领域中已知的其他处理来提高膨胀程度--即在有机还原剂、插入助剂例如有机酸存在下插入，并且插入后用表面活性剂洗涤。另外，为了得到最大的有益结果，插入步骤可以重复。
本发明的退火步骤可在感应电炉或其他一些在石墨化领域中已知的设备中进行；这里所采用的在3000℃范围内的温度是在石墨化方法中所遇到的范围的最高限度。
因为已经观察到利用经历预插入退火的石墨产生的蠕虫有时能“团簇”到一起，这对面积重量均匀性可产生消极影响，所以有助于形成“自由流动”蠕虫的添加剂是非常需要的。向插入溶液中加入润滑添加剂有助于蠕虫在整个压缩设备的床(例如常规用来压缩(或“砑光”)石墨蠕虫成为柔性石墨片材的砑光机的床)中更均匀地分布。因此所得片材具有更高的面积重量均匀性和更大的拉伸强度，甚至是在起始石墨粒子小于常规所用的粒子的时候。润滑添加剂优选长链烃。还可使用其他具有长链烃基(即使存在其他官能团)的有机化合物。
润滑添加剂更优选为油，最优选矿物油，特别考虑到矿物油不易于酸败和有味的事实，这对于长期储存是一个重要考虑因素。应注意到以上详细描述的一些膨胀助剂也满足润滑添加剂的定义。当这些物质用作膨胀助剂时，在插入剂中可没有必要包含单独的润滑添加剂。
润滑添加剂以至少约1.4pph的量存在于插入剂中，更优选至少约1.8pph。尽管所含润滑添加剂的上限不像下限一样重要，但是包含大于约4pph的润滑添加剂没有出现任何显著的额外优势。
如此处理的石墨粒子有时称为“插入石墨粒子”。暴露于高温例如至少约160℃，特别约700℃到1000℃和更高的温度时，插入石墨粒子在“c”方向上(即在垂直于组成石墨粒子的晶面的方向上)以手风琴式的方式膨胀高达其原始体积的约80到1000或更多倍。膨胀的(即剥落的)石墨粒子在外表上呈蠕虫状，因此通常称作蠕虫。蠕虫可一起压缩成形为具有小的横向开口的柔性片材，如下文所描述，与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状。
或者，本发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鲜膨胀的蠕虫。这些片材可为新形成的片材材料、再循环的片材材料、废弃的片材材料或任何其他适合的来源。
本发明的方法还可使用原始材料和再循环材料的共混物。
再循环材料的源材料可以是已如上所述压缩成形的片材或片材的修整部分或者已用例如预砑光辊压缩的片材。此外，源材料可以是已用树脂浸渍但仍没固化的片材或片材的修整部分或者已用树脂浸渍并且固化的片材或片材的修整部分。源材料还可以是再循环的柔性石墨PEM燃料电池组件，例如流场板或电极。每一种不同来源的石墨都可按原样使用或可与天然石墨薄片共混。
一旦可得到柔性石墨片材的源材料，可通过已知的方法或设备如喷射磨、气流研磨机、混料机等来使其粉碎以制备颗粒。优选地，大部分粒子具有通过20U.S.目的直径；更优选主要部分(大于约20％，最优选大于约50％)不通过80U.S.目。粒子最优选具有不大于约20目的粒径。
粉碎的粒子的尺寸可以选择以使石墨物品的机械加工性和可成形性与所要求热特征平衡。因此，较小的粒子将使石墨物品易于机械加工和/或成形，而较大的粒子将使石墨物品具有较高的各向异性，并且因此具有较大的面内电导率和热导率。
若源材料已用树脂浸渍，那么优选将树脂从粒子中除去。树脂除去的详细内容在下文进一步描述。
源材料一旦粉碎，并且除去所有的树脂，则将其再膨胀。再膨胀可通过利用以上所述的插入和剥落方法和描述于Shane等的美国专利3,404,061和Greinke等的美国专利4,895,713中的那些方法而进行。
通常，在插入后粒子通过在炉子中加热插入的粒子来剥落。在这个剥落步骤期间，可将插入的天然石墨薄片加到再循环的插入粒子中。优选地，在再膨胀步骤期间，粒子膨胀以具有至少约100cc/g至高达约350cc/g或更大的比容。最后，在再膨胀步骤之后，如上文所描述，可将再膨胀的粒子压缩成柔性片材。
柔性石墨片材和箔是粘附的，具有良好的操作强度，并且适合例如通过辊压压缩到约0.075mm到3.75mm的厚度和约0.1-1.5克/立方厘米(g/cc)的典型密度。如美国专利5,902,762(其通过引用结合到本文中来)所述，约1.5-30％重量的陶瓷添加剂可与插入石墨薄片共混以提供在柔性石墨成品中的提高的树脂浸渍。添加剂包括长度约0.15-1.5毫米的陶瓷纤维粒子。粒子的宽度适合地为约0.04-0.004mm。陶瓷纤维粒子对于石墨是不反应且不粘着的并且在高达约1100℃，优选约1400℃或更高的温度下是稳定的。合适的陶瓷纤维粒子由浸软的石英玻璃纤维、碳和石墨纤维、氧化锆、氮化硼、碳化硅和氧化镁纤维、天然产生的矿物纤维如偏硅酸钙纤维、钙铝硅酸盐纤维、氧化铝纤维等形成。
现参看附图，显示了本发明制备的热处理系统并且通常以参考数字10来指定。应该注意的是，为了清楚起见并不是系统10的所有组件和元件都可在所有附图中显示和/或标记。同样，如本说明书中所用，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指的是在图3和图4中显示取向时的热处理系统10。然而，熟练的技工将了解热处理系统10在使用时可以采用任何具体取向。
热处理系统10是打算用于促进来自热源的热量消散，更具体来说是来自电子组件100的热量。电子组件100可包含任何电子器件或组件，所述电子器件或组件产生足够热量，若热量不消散将妨碍电子组件100或电子组件100是其一个元件的系统运转。电子组件100可包括微处理器或计算机芯片、集成电路、光学装置如激光或场效应晶体管(FET)的控制电子或其组件或其他类似的电子元件。电子组件100包括至少一个表面100a(表示“外表面”)，热量从这个表面辐射并且该表面可用作待从电子组件100消散的热量的热源。
现参考图1、图2和图3，本发明的热处理系统10包含热界面20。热界面20的主要功能是在不需要施加不合需要的大量压力下形成与电子组件100的外表面100a充分有效的连接。取决于热处理系统10的其他组成的性质，热界面20的第二个功能是增加电子组件100的表面100a的有效表面积，以促进自电子组件100的热量消散，并且同样充当热散布器。
如上所述，有效的热量传递(即低的热阻)对电子组件的性能和寿命是重要的。为此，热界面20优选包含柔性石墨片材。柔性石墨片材是指压缩、剥落的石墨(特别是天然石墨)的片材。或者，柔性石墨片材可通过高温分解高聚合物薄膜来产生。如上所讨论，石墨是包含在平坦层状平面中共价结合的原子的结晶形态碳，平面间具有较弱的键。通过用插入剂例如硫酸和硝酸溶液来处理石墨粒子例如天然石墨薄片，石墨的晶体结构起反应形成石墨和插入剂的化合物。处理的石墨粒子称为“插入石墨粒子”。暴露在高温下时，插入石墨粒子在“c”方向上(即在垂直于石墨晶面的方向上)以手风琴式的方式膨胀至尺寸高达其原始体积的80或更多倍。剥落的石墨粒子在外观上呈蠕虫状，因此通常称为蠕虫。蠕虫可一起压缩成柔性片材，与原始的石墨薄片不同，该柔性片材能形成并且切削成不同形状。
一旦柔性石墨片材如所述来制备，则其可依尺寸切割形成热界面20。取决于应用，一系列具有所要尺寸的柔性石墨片材可使用压敏粘合剂例如丙烯酸类粘合剂层压在一起以形成夹层结构形成热界面20，但应认识到应用的层(用插入粘合剂)越多，所要求热性质将会降低。因此，热界面20优选包含单一柔性石墨片材。
构成本发明的热界面的柔性石墨片材优选厚度为约0.05mm到约1.0mm，更优选约0.1mm到约0.5mm。本发明可使用的柔性石墨片材的实例得自Advanced Energy Technology Inc.，Lakewood，OH，商品名为eGraf。另一种适合的石墨片材是热解石墨片材，如得自Matsushita Electric Components Company Ltd.，Ceramic Division，Japan，商品名为Panasonic PGS。
使用本发明的热界面20的一个优点在于它的一致性。由于电子组件100的外表面100a通常是由金属或陶瓷材料或其他类似材料形成，外表面100a的表面不是完全平滑的(即使对于肉眼或触摸似乎如此)，而它更确切地是由表面变形和不规则或者“尖峰和凹谷”所覆盖。这引起空气间隙(其在热界面的表面和散热器和/或热源间充当热绝缘体)。
由于这些变形，在不施加大量压力以得到热连接的情况下，与同样具有表面变形的金属(例如铜)或其他类型的散热器(例如石墨散热器)实现稳固的热连接是困难的。
过去，对于在散热器和热源间的金属和金属的连接常常需要适当超过50磅/平方英寸(psi)的压力。这样的压力对电子组件100具有潜在的损害。
为了修正这个问题，可使用本发明的热界面。本发明的热界面包含含油的柔性石墨片材。油/石墨片材组合改善了一致性并且因此降低了热阻。在不受理论束缚的情况下，油可以代替在各个部分连接处所存在的空气。另外，油可使石墨片材“更软”并且更服从于热源/冷却模块的表面变形和不规则。
用于本发明的油包括广泛的物质，例如包括矿物油、植物油、动物油、精油、食用油、合成油如硅油和其组合。用于本发明的矿物油例如包括石蜡矿物油、环烃矿物油、基于中间物的矿物油等。用于本发明的矿物油通常以石油为基础并且包括脂族油、芳族油和混合基油。用于本发明的矿物油的具体实例包括中性油、中等比重中性油、重质中性油、光亮油和常见润滑剂如发动机油，和药用油如精制石蜡油。本发明使用的植物油可主要得自种子或坚果并且包括菜籽油、低芥酸菜子油、豆油、玉米油、棉籽油、亚麻籽油、橄榄油、桐油、花生油、绣线菊油、向日葵油、豆油、红花油、霍霍巴油、棕榈油、蓖麻油、椰子油等。以植物为基础的油例如可从遗传改性的植物得到或通过水洗、精炼、酯化、水解等改性得到。本发明使用的动物油包括鱼油、鱼肝油、油酸等。本发明使用的精油包括从花、茎、叶和通常整个植物中得到的液体。这些油可包括通常用于化妆品中的油。另外，传统的食用油可用于本发明。这些油得自果实、或种子和植物。最常见是玉米、椰子、大豆、橄榄、棉籽和红花。这些油具有不同的饱和度。最后，合成油可用于本发明。合成油是酯类油、聚α烯烃低聚物或烷基化苯。
对于用于本发明的油的主要要求包括在室温下具有使得这种油可由石墨片材吸收的液体稠度，和比石墨片材的小孔中所存在空气更高的热导率。在广泛意义上，用于本发明的油可以是具有比空气高的热导率并且能被石墨片材吸收的任何液体。
本发明使用的油在37.8℃下的粘度优选为约1到约400厘泊(cps)，更优选约2到约200cps，最优选约10到约50cps。
在石墨片材中存在的油的量优选为约2％到约75％重量，更优选约10％到约55％重量，最优选约15％到约40％重量。在优选的实施方案中，将油加到使石墨片材中的小孔实质上用油填充的程度。换句话说，在小孔中所存在的空气随着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体积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变。
优选地，油可通过喷雾、浸渍、沉浸或任何其他适合的技术应用到石墨片材。片材的表面吸收油，得到优选无明显“油性”触感或纹理的表面。
由于本发明的热界面20更适合于电子组件100的外表面100a和散热器的表面形态，因此可以实现在具有表面变形的电子组件100和散热器之间的更好热连接。
本发明的热界面20可以通过若干方法粘着或固定在电子组件100的外表面100a上。例如，可使用压敏热活性粘合剂的薄层将热界面20固定到电子组件100上。或者，当采用散热器时，热界面20可以“夹”在散热器和电子组件100之间。熟练的技工应认识到将热界面20粘着或固定到电子组件100上的其他同样有效的方法。
现参考图4，本发明的热处理系统10优选还包含经成形以便提供集热表面30a和至少一个散热表面32的散热器30物品。当散热器30的集热表面30a与热源(即电子组件100的外表面100a)有效连接时，来自外表面100a的热量通过散热器30的至少一个散热表面32消散。
本文所用的散热表面指的是散热器30的区域，自外表面100a(通过热界面20，当存在时)传播到散热器30的热量自这个区域消散到环境中。更常见地，散热器30的至少一个散热表面32是空气或其他冷却剂流体例如经风扇(没有显示)的作用通过散热器30的散热器30的那些表面。为使从散热器30传递最多的热量到冷却剂流体中，散热器30的至少一个散热表面32应该设计和/或成形以便具有尽可能大的表面积。
例如，并且如图4中说明，散热器30的至少一个散热表面32包含在相对集热表面30a的散热器30的表面形成的散热片32a，使热量从集热表面30a传播到散热片32a，在此通过散热片32a的空气或其他冷却剂能够吸收来自散热片32a的热量并且从而将热量带走(并且，通过扩展，可从电子组件100上带走热量)。散热片32a的数量、尺寸和形状可由从事者选择以实现冷却剂流和表面积间的平衡。例如，更多的散热片32a，由于彼此间较小的空间每一个都更薄，可以提供增加的表面积，但是可妨碍冷却剂流动；同样地，较少、较大且彼此间具有较大空间的散热片32a得到较高的热传送效率，但较小的表面积。
展示下列实施例以进一步说明本发明，并且不希望以任何方式限制本发明。
实施例将通过剥落插入的天然石墨薄片产生的热界面材料压缩并且辊压成0.254mm的厚度。在接触压力为16psi下测量材料的热性质。材料的接触热阻为1.09cm2°K/W并且热导率为5.2W/m°K。然后将热界面材料用轻质矿物油均匀地涂覆并且使油浸透到界面材料中。由片材所获得油的重量为50％重量。这种材料的接触热阻减小到0.79cm2°K/W(改善28％)并且热导率增加到6.13W/m°K(改善18％)。
在本请求书中所涉及的所有引用的专利和公开物均通过引用结合到本文中来。
虽然如此描述本发明，但是应显而易见本发明可以许多方式而变化。并不认为这些变化偏离于本发明的精神和范围并且希望本领域的技术人员所显而易见的所有这些修改包括在下列权利要求范围内。
权利要求
1.一种热界面材料，所述热界面材料包括柔性石墨片材物品，所述片材物品包含油。
2.权利要求1的热界面材料，其中所述油为矿物油、植物油、合成油、精油、食用油、动物油及其混合物。
3.权利要求1的热界面材料，其中所述油为矿物油。
4.权利要求1的热界面材料，其中所述油的量为柔性石墨片材物品的2％-75％重量。
5.权利要求1的热界面材料，其中所述油的量为柔性石墨片材材料的约10％到约55％重量。
6.权利要求3的热界面材料，其中所述矿物油的量为柔性石墨片材物品的约2％到约75％重量。
7.权利要求1的热界面材料，其中柔性石墨片材的厚度为约0.05mm到约1.0mm。
8.权利要求1的热界面材料，其中所述油的粘度为约1到约400cps。
9.权利要求1的热界面材料，其中所述柔性石墨片材为各向异性的。
10.一种制备热界面材料的方法，所述方法包括(a)提供柔性石墨片材材料，并且提供油；(b)使所述油与所述石墨片材接触直到约2％到约75％重量的油吸收到所述热界面材料中。
11.权利要求10的方法，其中所述油为矿物油、植物油、合成油、精油、食用油、动物油及其混合物。
12.权利要求10的方法，其中所述油为矿物油。
13.一种根据权利要求10的方法制备的热界面材料。
14.一种根据权利要求12的方法制备的热界面材料。
全文摘要
本发明涉及热界面材料，所述热界面材料由具有两个平行平表面的柔性石墨片材物品(20)形成，其中热界面的第一平表面与热源(100)的外表面(100a)有效接触，第二平表面与冷却模块接触。所述石墨片材包含油。
文档编号H01L23/373GK1997514SQ200580023815
公开日2007年7月11日 申请日期2005年5月2日 优先权日2004年5月19日
发明者R·A·格赖恩克, D·W·克拉索夫斯基 申请人:先进能源科技公司