包括塊狀石墨烯材料的熱管理組件的制作方法
【專利說明】包括塊狀石墨婦材料的熱管理組件
[0001] 相關(guān)申請的香叉引用
[0002] 本專利申請要求于2012年9月25日遞交的、名稱為"ThermalManagement AssemblyComprisingThermalPyrol5fticGraphite"的臨時申請No. 61/705, 362 的優(yōu)先 權(quán)，通過引用方式將其全部內(nèi)容并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明設(shè)及一種可W用于傳遞熱離開熱源的熱管理組件；具有與熱源接觸的熱管 理組件的組件；W及一種制備該樣組件的方法。具體地，本發(fā)明設(shè)及包括塊狀石墨締材料的 熱管理組件。
【背景技術(shù)】
[0004] 新的電子裝置都在不斷變得更強(qiáng)大和更緊湊。包括RF/微波電子、二極管激光器、 發(fā)光二極管（LED)、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)、中央處理單元（CPU)等的高功率部件被用 于各種各樣的工業(yè)，如電信、汽車、航天、航空電子設(shè)備、醫(yī)學(xué)和材料的加工。該些更小，更強(qiáng) 大的裝置產(chǎn)生了對消散由裝置產(chǎn)生的熱的增加的要求。如果操作期間所產(chǎn)生的熱未被充分 或者有效消散，那么電子設(shè)備可W由溫度增加而損壞。新功能受限于設(shè)計師W具有成本效 益的方式除去熱量的能力。通常，巧片結(jié)溫中每增加l〇°C就將裝置的壽命減少一半。
[0005] 常規(guī)的熱管理產(chǎn)品通常由銅（化）或者侶（A1)構(gòu)成。但良好的熱管理和散熱需 要半導(dǎo)體晶片直接結(jié)合至散熱器，并且常規(guī)材料與半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)不匹配。當(dāng)直接結(jié) 合W便最佳熱管理時，熱壓力可能影響組件的壽命。利用熱膨脹材料，如鶴銅（WCU)，鋼銅 (Mo化）和侶碳化娃（侶碳化娃）的低系數(shù)W減少散熱器和半導(dǎo)體模具之間的熱應(yīng)力。為了 達(dá)到必要的介電性能，氮化侶（A1N)和氧化被炬eO的）也是作為用于微電子的基板材料的 常見的選擇。
[0006] 已經(jīng)公開了其它的材料和設(shè)計W使用塊狀石墨締材料從電子裝置管理和移除熱 量。美國專利No. 5, 296, 310公開了包括金屬或者基體增強(qiáng)金屬的一對面板之間夾著的高 熱導(dǎo)率材料的混合結(jié)構(gòu)裝置。巧部材料可W高度定向熱解石墨（H0PG)、壓縮退火熱解石墨 (CAPG)、合成金剛石、使用該些材料的復(fù)合材料或類似物。美國專利No. 6, 215, 661公開了 一種封裝在侶中的L形板的熱裂解石墨。美國專利No. 5, 958, 572公開了一種散熱基板，其 包括熱裂解石墨（"TPG")、類金剛石碳或者具有多個通孔形成于內(nèi)部的其它類似材料制成 的插入物，W通過多個通孔優(yōu)化熱流量傳遞。
[0007] 具有其金屬封裝復(fù)合物的熱裂解石墨（TPG)(例如，從邁圖高新材料公司可得到 的TC1050⑥:）是服務(wù)軍事和航空宇宙工業(yè)十多年的先進(jìn)的熱管理材料。TPG經(jīng)由提供良 好排列的石墨締平面的兩個步驟的過程形成從而提供具有優(yōu)異熱導(dǎo)率（例如，大于1500W/ m-K的）的材料。與在被動冷卻中常用的并且所有上述材料之間最導(dǎo)熱的銅相比，TPG可W W銅的1/4的重量提供四倍的冷卻功率。
[0008]由于石墨締層之間的弱的范德華力，因此包括上述材料的塊狀石墨締材料是一種 相對較軟的材料。通常，包括塊狀石墨締的散熱器通過將塊狀石墨締經(jīng)由擴(kuò)散結(jié)合過程封 裝進(jìn)入金屬殼體例如侶、銅等而形成。該樣的過程在美國專利No. 6, 661，317中描述。封裝 的塊狀石墨締復(fù)合材料部件行為類似于固態(tài)金屬，并且可W進(jìn)一步加工、鍛或結(jié)合到其它 部件，W滿足不同用戶的需求。典型的制造過程在圖1A至圖1C中示出。塊狀石墨締-金 屬復(fù)合材料100可W通過（A)將塊狀石墨締巧部112放置在金屬面板110a和11化之間； 炬）通過使組件承受擴(kuò)散結(jié)合工藝；W及（C)加工復(fù)合材料W提供所期望形狀的結(jié)構(gòu)而形 成。
[0009] 封裝的塊狀石墨締復(fù)合材料，例如冷板、散熱器、熱帶等能迅速將熱量引導(dǎo)離開熱 源并且極大地提高了電子裝置的效率和使用壽命。多年來，塊狀石墨締-金屬復(fù)合材料已 經(jīng)被成功地實(shí)現(xiàn)在可W充分利用其高熱性能、高耐久性W及重量輕的衛(wèi)星、航空電子設(shè)備、 W及相控陣?yán)走_(dá)的冷卻系統(tǒng)中。
[0010] 然而，侶/銅和塊狀石墨締之間的相互擴(kuò)散需要高溫和高壓，該使得擴(kuò)散結(jié)合工 藝相當(dāng)復(fù)雜并且非常昂貴。當(dāng)高烙融溫度的合金例如鶴和鋼被用于封裝時，該變得更具挑 戰(zhàn)性。陶瓷基板的剛度、脆性和陶瓷的極高溫度穩(wěn)定性使得陶瓷與塊狀石墨締直接在熱和 壓力下的結(jié)合是特別具有挑戰(zhàn)性的過程，其基本上消除了它作為一個選項W形成該樣的結(jié) 構(gòu)。擴(kuò)散結(jié)合的該些限制妨礙塊狀石墨復(fù)合材料的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明提供一種熱管理組件，其包括設(shè)置在塊狀石墨締巧部材料和周圍的金屬或 者陶瓷基板之間的金屬基熱結(jié)合。金屬基中間層包括與石墨締反應(yīng)W形成碳化物的材料。 金屬基中間層提供允許與優(yōu)異熱導(dǎo)率和低熱阻的塊狀石墨締巧部的界面。
[0012] 在一個方面中，本發(fā)明提供表現(xiàn)出低界面熱阻的熱管理組件。本發(fā)明甚至可W提 供比傳統(tǒng)熱界面組件低幾個數(shù)量級的熱界面。
[0013] 在一個方面中，本發(fā)明提供熱管理組件，其包括第一基板；第二基板；塊狀石墨締 材料，其設(shè)置在所述第一基板和所述第二基板之間；W及熱結(jié)合，其設(shè)置在（a)所述塊狀石 墨締層的第一表面和所述第一基板之間，和化）所述塊狀石墨締層的第二表面和所述第二 基板之間，所述熱結(jié)合包括金屬基材料，其包括與所述石墨締反應(yīng)W形成碳化物的試劑。
[0014] 在又一個方面中，本發(fā)明提供熱管理組件，其包括；塊狀石墨締巧部材料，塊狀石 墨締巧部材料具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面；第一外層，其設(shè)置在所述 巧部材料的所述第一表面上；W及第二外層，其設(shè)置在所述巧部材料的所述第二表面上； 其中，所述第一外層和所述第二外層由包括與石墨締反應(yīng)W形成碳化物的試劑的金屬基材 料獨(dú)立地形成。
[00巧]熱管理組件可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 的界面熱阻。
【附圖說明】
[0016] 圖1A至圖1C示出了包括通過擴(kuò)散結(jié)合工藝由金屬封裝的塊狀石墨締的散熱器；
[0017] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱管理組件的橫截面圖；
[0018] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的方面的熱管理組件的另一個實(shí)施例的橫截面圖；
[0019] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的熱管理組件的跨平面熱導(dǎo)率的圖；
[0020] 圖5是在不同塊狀石墨締加載下根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱管理組件的界面熱阻；W 及
[0021] 圖6示出了由不同制備方法形成的熱管理組件的熱阻的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 本發(fā)明提供包括塊狀石墨締材料和放置在石墨締層的表面上的金屬基涂層的熱 管理組件。金屬基涂層包括與石墨締反應(yīng)W形成碳化物的材料。金屬基涂層提供與允許優(yōu) 良的熱導(dǎo)率和低熱阻的塊狀石墨締的界面。熱管理組件可W包括一種包括塊狀石墨締巧部 的結(jié)構(gòu)，塊狀石墨締巧部具有設(shè)置在塊狀石墨締材料的表面上的金屬基涂層。在一個實(shí)施 例中，熱管理組件包括設(shè)置在塊狀石墨締巧部材料和外部金屬或者陶瓷基板之間的金屬基 涂層。
[0023] 如本文所用，術(shù)語"熱管理組件"指的是一種包括用于從熱源消散或去除熱量的高 熱導(dǎo)率材料的熱管理裝置或熱傳遞裝置。熱管理組件可W包括，但不限于，散熱器、散熱片、 冷卻板等。
[0024] 包括與石墨締反應(yīng)W形成碳化物的材料的金屬基涂層在文中也被稱為"熱結(jié)合 層"。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，金屬基涂層也可W被稱為設(shè)置在所述石墨締巧部材料的表面和基板之間 的中間層。
[00巧]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的各方面和各實(shí)施例的熱管理組件的實(shí)施例。熱管理組件 220包括設(shè)置在基板220和230之間的塊狀石墨締巧部210。熱管理組件200包括設(shè)置在 基板和塊狀石墨締巧部之間的界面上的熱結(jié)合層240和250。熱結(jié)合層240和250是包括 可W與石墨締反應(yīng)W產(chǎn)生碳化物表面的添加劑或試劑的金屬基涂層界面。在圖2的實(shí)施例 中，層240和250也被稱為"中間層"、"界面層"或"填充物"。
[0026] 塊狀石墨締巧部可W由每毫米厚度至多1度地彼此平行的多個石墨締層形成。如 本文所用，術(shù)語"塊狀石墨締"包括如熱解石墨（叩G")、熱裂解石墨（"TPG")、高定向熱