[发明专利]含碳材料

说明书

本发明涉及含碳材料。本发明特别涉及热各向异性的含碳材料。

在很多应用中，含碳材料用于热管理(thermal management)目的。 这在电子学应用中尤其关键。更致密而复杂的电子设备和半导体技术的 发展使晶体管密度增加，并提高了微处理器的速度。这还伴随着产生热 量的剧烈增加。

面对这种挑战，商业公司正在致力于开发高性能、低成本、致密而 可靠的方案来处理这些非常大的热负荷。迄今为止，提出的技术依赖于 散热材料、吸热设备以及散热材料与吸热设备的各种组合的概念。

散热材料(heat spreader)是能快速散热的部件。散热材料需要高 导热率和低热容。

吸热设备(heat sink)是能快速吸收热量的部件。它储存热量，所以需 要高导热率和高热容。

通常在电子学中，热量由散热材料向外散发至吸热设备，然后通过 自然对流或者冷却剂的强制流动(例如风扇冷却)从吸热设备将热量移 除至环境中。对于要求更多的应用，可能需要其它解决方案，如热管或 液体冷却系统。

已提出可用作散热材料的碳基材料是钻石。钻石在所有材料中拥有 已知最高的导热率。然而，现在生产钻石很昂贵。钻石也是天然的各向 同性的，任一方向的导热率都与其它方向相同。这意味着除了散热之外， 钻石散热材料使热量能够传递至距热源最远一端。在组件之间非常靠近 的应用中，这可能是不利的。

热各向异性的含碳材料是石墨。石墨的晶体结构包含层，层内的结 合很强，而层间的结合很弱。

此外，在每层之间有非定域电子。这种结构产生高度的各向异性， 而且面内的导热率(和导电率)远高于面间的导热率(和导电率)。

为了开发这种各向异性，提出了几项关于石墨基散热材料和吸热设 备的申请，例如最近的申请中有：

●US 6746768，公开了热界面材料，其包含含油的弹性石墨片，所 述材料在附着于组件上时可降低热阻。

●US 6771502，公开了由树脂浸制的上述石墨片构成的翅管吸热设 备。

●US 6758263，公开了各向异性的层压石墨吸热设备，由上述树脂 浸制石墨片构成，具有孔穴，可向其中插入导热材料。来自热源 的热量可以通过中心传导，并传入吸热设备的厚壁，然后穿过吸 热设备的各层传出。

●US 6841250，公开了使用这种层压石墨片的吸热设备设计，用于 从电子部件将热量导出，并通过吸热设备散发热量。

●US 6777086，公开了树脂浸制膨胀石墨片，其通过树脂浸制(5-35 重量％)并延压至0.35-0.50mm。

●US 6503626，公开了这种树脂浸制石墨片可以磨碎、压制和固化， 形成坯件，所述坯件之后能加工成期望的翅管形状的部件。

● US 6844054，公开了各种几何学设计(圆锥、棱锥、圆顶等)的 树脂浸制碳纤维吸热设备。

●US 6119573，公开了碳纤维材料的用途，其在导弹尾翼和电子封 装之间作为导热界面，提供重量轻、导热率高的吸热设备。

●US 5837081，公开了由一团石墨化的(至2800℃)气相生长纤 维(即高度取向的热解石墨——HOPG)产生的组合物，所述 HOPG通过对热解碳的化学气相沉积(CVD)而硬化得到。

●US 6514616，提出了由聚酰亚胺、环氧或其它聚合物封装的高度 取向的热解石墨的用途。

●US 2006/0029805[在本申请的最早的优先权日之后出版]公开了 思路，用中间相沥青或酚醛树脂作为粘结剂热压石墨，并进行热 处理，将粘结剂石墨化。US 2006/0029805公开了：压制优选地 可将石墨按照垂直模具的方向定向排列，这种复合材料具有高导 热率([0040]段表明，对于以中间相沥青作为粘结剂的材料，在 面内和面间方向的导热率为204.4W/mK和76.8W/mK)。US 2006/0029805还公开了：中间相沥青作为粘结剂的材料比树脂作 为粘结剂的材料具有更高的导热率。

将石墨的各向异性导热性用作热管理的其它专利包括US4878152、 US5542471、US6208513、US5523260、US5766765、US6027807和 US6131651。

尽管石墨具有广泛的用途，但是石墨基材料的性能和成本差别很 大。这是因为各向异性的程度依赖于石墨取向的程度。要获得高度取向 的石墨很困难。