包括块状石墨烯材料的热管理组件的制作方法
【专利说明】包括块状石墨婦材料的热管理组件
[0001] 相关申请的香叉引用
[0002] 本专利申请要求于2012年9月25日递交的、名称为"ThermalManagement AssemblyComprisingThermalPyrol5fticGraphite"的临时申请No. 61/705, 362 的优先 权，通过引用方式将其全部内容并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明设及一种可W用于传递热离开热源的热管理组件；具有与热源接触的热管 理组件的组件；W及一种制备该样组件的方法。具体地，本发明设及包括块状石墨締材料的 热管理组件。
【背景技术】
[0004] 新的电子装置都在不断变得更强大和更紧凑。包括RF/微波电子、二极管激光器、 发光二极管（LED)、绝缘栅双极型晶体管（IGBT)、中央处理单元（CPU)等的高功率部件被用 于各种各样的工业，如电信、汽车、航天、航空电子设备、医学和材料的加工。该些更小，更强 大的装置产生了对消散由装置产生的热的增加的要求。如果操作期间所产生的热未被充分 或者有效消散，那么电子设备可W由温度增加而损坏。新功能受限于设计师W具有成本效 益的方式除去热量的能力。通常，巧片结温中每增加l〇°C就将装置的寿命减少一半。
[0005] 常规的热管理产品通常由铜（化）或者侣（A1)构成。但良好的热管理和散热需 要半导体晶片直接结合至散热器，并且常规材料与半导体的热膨胀系数不匹配。当直接结 合W便最佳热管理时，热压力可能影响组件的寿命。利用热膨胀材料，如鹤铜（WCU)，钢铜 (Mo化）和侣碳化娃（侣碳化娃）的低系数W减少散热器和半导体模具之间的热应力。为了 达到必要的介电性能，氮化侣（A1N)和氧化被炬eO的）也是作为用于微电子的基板材料的 常见的选择。
[0006] 已经公开了其它的材料和设计W使用块状石墨締材料从电子装置管理和移除热 量。美国专利No. 5, 296, 310公开了包括金属或者基体增强金属的一对面板之间夹着的高 热导率材料的混合结构装置。巧部材料可W高度定向热解石墨（H0PG)、压缩退火热解石墨 (CAPG)、合成金刚石、使用该些材料的复合材料或类似物。美国专利No. 6, 215, 661公开了 一种封装在侣中的L形板的热裂解石墨。美国专利No. 5, 958, 572公开了一种散热基板，其 包括热裂解石墨（"TPG")、类金刚石碳或者具有多个通孔形成于内部的其它类似材料制成 的插入物，W通过多个通孔优化热流量传递。
[0007] 具有其金属封装复合物的热裂解石墨（TPG)(例如，从迈图高新材料公司可得到 的TC1050⑥:）是服务军事和航空宇宙工业十多年的先进的热管理材料。TPG经由提供良 好排列的石墨締平面的两个步骤的过程形成从而提供具有优异热导率（例如，大于1500W/ m-K的）的材料。与在被动冷却中常用的并且所有上述材料之间最导热的铜相比，TPG可W W铜的1/4的重量提供四倍的冷却功率。
[0008]由于石墨締层之间的弱的范德华力，因此包括上述材料的块状石墨締材料是一种 相对较软的材料。通常，包括块状石墨締的散热器通过将块状石墨締经由扩散结合过程封 装进入金属壳体例如侣、铜等而形成。该样的过程在美国专利No. 6, 661，317中描述。封装 的块状石墨締复合材料部件行为类似于固态金属，并且可W进一步加工、锻或结合到其它 部件，W满足不同用户的需求。典型的制造过程在图1A至图1C中示出。块状石墨締-金 属复合材料100可W通过（A)将块状石墨締巧部112放置在金属面板110a和11化之间； 炬）通过使组件承受扩散结合工艺；W及（C)加工复合材料W提供所期望形状的结构而形 成。
[0009] 封装的块状石墨締复合材料，例如冷板、散热器、热带等能迅速将热量引导离开热 源并且极大地提高了电子装置的效率和使用寿命。多年来，块状石墨締-金属复合材料已 经被成功地实现在可W充分利用其高热性能、高耐久性W及重量轻的卫星、航空电子设备、 W及相控阵雷达的冷却系统中。
[0010] 然而，侣/铜和块状石墨締之间的相互扩散需要高温和高压，该使得扩散结合工 艺相当复杂并且非常昂贵。当高烙融温度的合金例如鹤和钢被用于封装时，该变得更具挑 战性。陶瓷基板的刚度、脆性和陶瓷的极高温度稳定性使得陶瓷与块状石墨締直接在热和 压力下的结合是特别具有挑战性的过程，其基本上消除了它作为一个选项W形成该样的结 构。扩散结合的该些限制妨碍块状石墨复合材料的发展。
【发明内容】
[0011] 本发明提供一种热管理组件，其包括设置在块状石墨締巧部材料和周围的金属或 者陶瓷基板之间的金属基热结合。金属基中间层包括与石墨締反应W形成碳化物的材料。 金属基中间层提供允许与优异热导率和低热阻的块状石墨締巧部的界面。
[0012] 在一个方面中，本发明提供表现出低界面热阻的热管理组件。本发明甚至可W提 供比传统热界面组件低几个数量级的热界面。
[0013] 在一个方面中，本发明提供热管理组件，其包括第一基板；第二基板；块状石墨締 材料，其设置在所述第一基板和所述第二基板之间；W及热结合，其设置在（a)所述块状石 墨締层的第一表面和所述第一基板之间，和化）所述块状石墨締层的第二表面和所述第二 基板之间，所述热结合包括金属基材料，其包括与所述石墨締反应W形成碳化物的试剂。
[0014] 在又一个方面中，本发明提供热管理组件，其包括；块状石墨締巧部材料，块状石 墨締巧部材料具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；第一外层，其设置在所述 巧部材料的所述第一表面上；W及第二外层，其设置在所述巧部材料的所述第二表面上； 其中，所述第一外层和所述第二外层由包括与石墨締反应W形成碳化物的试剂的金属基材 料独立地形成。
[00巧]热管理组件可W具有小于10Xl〇-6K-m2/W、小于8Xl〇-6K-m2/W、小于5Xl〇-6K-m2/W、小于 2Xl〇-6K-m2/W、小于 1Xl〇-6K-m2/W、小于 0. 5Xl〇-6K-m2/W、甚至小于 0. 1Xl〇-6K-m2/W 的界面热阻。
【附图说明】
[0016] 图1A至图1C示出了包括通过扩散结合工艺由金属封装的块状石墨締的散热器；
[0017] 图2是根据本发明的实施例的热管理组件的横截面图；
[0018] 图3是根据本发明的方面的热管理组件的另一个实施例的横截面图；
[0019] 图4是根据本发明的实施例的热管理组件的跨平面热导率的图；
[0020] 图5是在不同块状石墨締加载下根据本发明实施例的热管理组件的界面热阻；W 及
[0021] 图6示出了由不同制备方法形成的热管理组件的热阻的图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明提供包括块状石墨締材料和放置在石墨締层的表面上的金属基涂层的热 管理组件。金属基涂层包括与石墨締反应W形成碳化物的材料。金属基涂层提供与允许优 良的热导率和低热阻的块状石墨締的界面。热管理组件可W包括一种包括块状石墨締巧部 的结构，块状石墨締巧部具有设置在块状石墨締材料的表面上的金属基涂层。在一个实施 例中，热管理组件包括设置在块状石墨締巧部材料和外部金属或者陶瓷基板之间的金属基 涂层。
[0023] 如本文所用，术语"热管理组件"指的是一种包括用于从热源消散或去除热量的高 热导率材料的热管理装置或热传递装置。热管理组件可W包括，但不限于，散热器、散热片、 冷却板等。
[0024] 包括与石墨締反应W形成碳化物的材料的金属基涂层在文中也被称为"热结合 层"。根据该结构，金属基涂层也可W被称为设置在所述石墨締巧部材料的表面和基板之间 的中间层。
[00巧]图2示出了根据本发明的各方面和各实施例的热管理组件的实施例。热管理组件 220包括设置在基板220和230之间的块状石墨締巧部210。热管理组件200包括设置在 基板和块状石墨締巧部之间的界面上的热结合层240和250。热结合层240和250是包括 可W与石墨締反应W产生碳化物表面的添加剂或试剂的金属基涂层界面。在图2的实施例 中，层240和250也被称为"中间层"、"界面层"或"填充物"。
[0026] 块状石墨締巧部可W由每毫米厚度至多1度地彼此平行的多个石墨締层形成。如 本文所用，术语"块状石墨締"包括如热解石墨（叩G")、热裂解石墨（"TPG")、高定向热