石墨复合材料以及电子部件的制作方法

1.本公开总体上涉及石墨复合材料以及电子部件。更具体地，本公开涉及包括石墨片和树脂构件((resin member)，也可称作树脂材料)的石墨复合材料以及包括这样的石墨复合材料的电子部件。


背景技术：

2.jp 2016-076678 a教导了通过用在室温基本上为固体的热软化有机硅树脂浸渍和填充石墨片的空位来制作热界面片，从而防止石墨组分从该热界面片剥离以及防止石墨粉飞散。另外，根据jp 2016-076678 a，这样的导热片不仅在表面上具有一定程度的粘性，从而使得容易安装这样的片，而且具有出色的散热性能。


技术实现要素：

3.技术问题
4.本公开所解决的问题是提供一种石墨复合材料，所述石墨复合材料包括石墨片和树脂构件，并且具有当介于发热体和散热体之间时提高从发热体到散热体的传热程度的能力，以及提供一种包括这样的石墨复合材料的电子部件。
5.问题的解决方案
6.根据本公开的一个方面的石墨复合材料包括：内部具有孔隙的石墨片；和树脂构件。所述孔隙部分地被全体所述树脂构件中的至少一部分树脂构件填充。所述树脂构件相对于所述石墨片与所述树脂构件之和的比例等于或大于5质量％。所述石墨复合材料的孔隙率等于或大于50体积％且等于或小于95体积％。
7.根据本公开的另一个方面的电子部件包括：发热体；散热体；和介于所述发热体和所述散热体之间的所述石墨复合材料。
8.发明的有益效果
9.根据本公开的一个方面，提供了一种石墨复合材料，所述石墨复合材料包括石墨片和树脂构件，并且具有当介于发热体和散热体之间时提高从发热体到散热体的传热程度的能力，以及提供了一种包括这样的石墨复合材料的电子部件。
附图说明
10.图1是根据本公开的一个示例性实施方案的一种电子部件的示意横截面图。
具体实施方式
11.本发明人通过实验发现，用树脂构件填充石墨片的空位将会必然改善石墨片的导热性，但是当石墨片实际上介于诸如半导体部件之类的发热体和诸如散热器之类的散热体之间时，从发热体到散热体的传热有时不能通过石墨片得到充分提高。
12.因此，本发明人深入细致地进行了研发，以提供一种这样的石墨复合材料，所述石
墨复合材料包括石墨片和树脂构件，并且具有当介于发热体和散热体之间时提高从发热体到散热体的传热程度的能力，以及提供一种包括这样的石墨复合材料的电子部件，从而想到了本公开的构思。
13.现在将描述本公开的一个示例性实施方案。注意，以下描述的实施方案仅是本公开的各种实施方案中的一种示例性实施方案，并且不应被解释为限制性的。相反，在不背离本公开的范围的情况下，可以根据设计选择或任何其他因素以各种方式容易地改变示例性实施方案。
14.根据一个示例性实施方案的石墨复合材料1包括：内部具有孔隙的石墨片；和树脂构件。所述孔隙部分地被全体所述树脂构件中的至少一部分所述树脂构件填充。所述树脂构件相对于所述石墨片与所述树脂构件之和的比例等于或大于5质量％。所述石墨复合材料1的孔隙率等于或大于50体积％且等于或小于95体积％。
15.根据本实施方案，石墨片的孔隙部分地被全体树脂构件中的至少一部分树脂构件填充，并且树脂构件相对于石墨片与树脂构件之和的比例等于或大于5质量％。因此，孔隙中的树脂构件可以降低石墨复合材料1的热阻，并且提高石墨复合材料1的导热性。另外，石墨复合材料1的孔隙率等于或大于50体积％且等于或小于95体积％，由此使得在石墨复合材料1经受压缩压力时石墨复合材料1可以容易变形。因此，当介于两个构件之间时，石墨复合材料1可以容易变形为两个构件的形状。这可以增加石墨复合材料1与各个构件之间的接触面积。因此，可以通过石墨复合材料1促进各个构件之间的传热。
16.接下来，将更详细地描述根据本公开的石墨复合材料1。
17.石墨片是含有石墨的碳质片材。可以通过例如加热有机聚合物片(比如聚酰亚胺片)来形成石墨片。
18.石墨片内部具有多个孔隙。也就是说，石墨片是多孔的。石墨片的孔隙率可通过例如调整在通过加热有机聚合物片形成石墨片时的加热条件来控制。之后将参照本公开的具体实施例来描述一种测量石墨片的孔隙率的方法。
19.石墨片的孔隙率优选地等于或大于80体积％。这可以充分地提高石墨复合材料1的孔隙率。石墨片的孔隙率更优选地等于或大于85体积％，并且甚至更优选地等于或大于90体积％。另一方面，石墨片的孔隙率优选地等于或小于98体积％。这可以赋予石墨复合材料1良好的导热性。孔隙率更优选地等于或小于95体积％。
20.石墨片的厚度可以但不是必需等于或大于20μm且等于或小于400μm。
21.树脂构件可以含有合适的有机聚合物或有机硅树脂。
22.树脂构件可以含有例如反应固化性化合物的固化产物。反应固化性化合物可以含有例如选自由以下各项组成的组中的至少一种化合物：环氧化合物、丙烯酸类化合物和有机硅化合物。
23.树脂构件优选地含有软聚合物，并且优选地含有例如凝胶状聚合物。这使石墨复合材料1在石墨复合材料1经受压缩压力时可以更容易地变形。另外，这还使树脂构件甚至在石墨复合材料1变形时也不易损坏。
24.如果反应固化性化合物含有环氧化合物，则环氧化合物含有选自由以下各项组成的组中的至少一种树脂：双酚a环氧树脂、双酚f环氧树脂、缩水甘油胺环氧树脂、甲酚酚醛清漆环氧树脂和萘环氧树脂。如果反应固化性化合物含有环氧化合物，则反应固化性化合
物还可以含有固化剂。固化剂可以含有例如选自由以下各项组成的组中的至少一种固化剂：酚类固化剂和双氰胺固化剂。
25.如果反应固化性化合物含有有机硅化合物，则有机硅化合物可以是例如反应固化性液体硅橡胶或硅凝胶。有机硅化合物可以是双组分化合物或单组分化合物，无论哪种都是合适的。有机硅化合物含有反应性有机硅化合物，比如有机聚硅氧烷。如果反应固化性化合物含有有机硅化合物，则反应固化性化合物还可以含有固化剂。反应固化性化合物还可以根据需要含有催化剂。固化剂含有例如有机氢聚硅氧烷或有机过氧化物中的至少一种。催化剂可以是例如铂系催化剂。
26.如果反应固化性化合物含有丙烯酸类化合物，则丙烯酸类化合物含有选自由以下各项组成的组中的至少一种：丙烯酸烷基酯，比如丙烯酸月桂酯；苯氧基二甘醇丙烯酸酯(phenoxy diethylene glycol acrylate)；甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯(methoxy polyethylene glycol acrylate)；和丙烯酸多聚体酯(acrylic acid multimer ester)。
27.注意，这些仅是反应固化性化合物的示例性组分，并且不应被解释为限制性的。
28.接下来，将描述一种制备石墨复合材料1的示例性方法。首先，提供石墨片和反应性组合物。反应性组合物可以仅含有反应性化合物，或者除了反应性化合物以外还可以含有溶剂、添加剂和其他组分。
29.接下来，用反应性组合物浸渍石墨片。为此，可以将反应性组合物涂布到石墨片上。备选地，可以将石墨片浸入反应性组合物中。随后，根据需要将反应性组合物干燥，然后使反应性组合物中的反应性化合物反应并由此固化。以此方式，形成作为反应性组合物的固化产物的树脂构件，并且得到包括石墨片和树脂构件的石墨复合材料1。可以说在此情况下，树脂构件附着至石墨片或浸渍到石墨片中，并且石墨片的多个孔隙部分地被树脂构件的至少一部分填充。
30.如上所述，石墨复合材料1中的石墨片的多个孔隙部分地被全体树脂构件中的至少一部分树脂构件填充。换言之，石墨的多个孔隙包括被树脂构件部分地填充的孔隙(即，具有未被树脂构件填充的内部空间的孔隙)和/或完全未被树脂构件填充的孔隙。任选地，石墨中的多个孔隙还可以包括完全被树脂构件填充的孔隙(即，没有未被树脂构件填充的内部空间的孔隙)。
31.使石墨复合材料1中的石墨的孔隙被全体树脂构件中的至少一部分树脂构件部分地填充使得石墨复合材料1能够具有孔隙。这使石墨复合材料1在石墨复合材料1经受压缩压力时可以容易地变形。之后将参照本公开的具体实施例来描述一种测量石墨复合材料的孔隙率的方法。
32.如上所述，石墨复合材料1的孔隙率等于或大于50体积％且等于或小于95体积％。孔隙率等于或大于50体积％使得石墨复合材料1可以容易地变形。孔隙率更优选地等于或大于60体积％，并且甚至更优选地等于或大于70体积％。另外，孔隙率等于或小于95体积％可以赋予石墨复合材料1良好的导热性。孔隙率更优选地等于或小于90体积％，并且甚至更优选地等于或小于85体积％。
33.如上所述，树脂构件相对于石墨片与树脂构件之和的比例等于或大于5质量％。此比例更优选地等于或大于10质量％，并且甚至更优选地等于或大于40质量％。这可以进一步提高石墨复合材料1的导热性。树脂构件相对于石墨片与树脂构件之和的比例优选地等
于或小于85质量％。这降低了石墨片的孔隙被过量树脂构件填充的可能性，由此使石墨复合材料1在石墨复合材料1经受压缩压力时可更容易地变形。此比例更优选地等于或小于75质量％，并且甚至更优选地等于或小于60质量％。优选地调整树脂构件的量以使得石墨复合材料1能够具有所需孔隙率。
34.当向石墨复合材料施加600kpa的压力时，石墨复合材料的压缩率优选地等于或大于70％。这使石墨复合材料1在石墨复合材料1经受压缩压力时可更容易地变形。因此，可以通过石墨复合材料1进一步促进各个构件之间的传热。压缩率更优选地等于或大于80％。例如，压缩率等于或小于95％。如本文中使用的，“压缩率”是指当在厚度方向上向石墨复合材料1施加600kpa的压力时石墨复合材料1的厚度减少量与当没有向石墨复合材料1施加压力时其厚度的百分比。之后将参照本公开的具体实施例来描述测量压缩率的方法。这使石墨复合材料1在石墨复合材料1经受压缩压力时可更容易地变形。因此，可以通过石墨复合材料1进一步促进各个构件之间的传热。
35.任选地，在石墨的孔隙部分地被全体树脂构件的一部分填充的情况下，石墨的表面可以被全体树脂构件的另一部分覆盖。在该情况下，石墨的表面可以仅部分地被树脂构件覆盖。备选地，石墨在厚度方向上的一个表面和另一个表面可以完全被树脂构件覆盖。当石墨复合材料1介于两个构件之间时，这使得石墨复合材料1能够紧密地附着至各个构件。换言之，这降低了在石墨复合材料1和各个构件之间留下空隙的可能性。因此，可以通过石墨复合材料1进一步促进各个构件之间的传热。
36.根据本实施方案的石墨复合材料1优选地用作热界面材料(thermal interface material(tim))。如本文中使用的，“热界面材料”是指当介于两个构件之间时介导两个构件之间的传热的材料。石墨复合材料1的先前描述在石墨复合材料1是热界面材料的前提下适用。尽管如此，石墨复合材料1不一定用作热界面材料。
37.接下来，将参照图1描述一种包括作为热界面材料的石墨复合材料1的电子部件10。
38.电子部件10包括发热体2、散热体3和根据本实施方案的石墨复合材料1。石墨复合材料1介于发热体2和散热体3之间。
39.发热体2是产生热量的构件，并且例如可以是半导体部件。例如，半导体部件可以但不一定是晶体管、中央处理器(cpu)、微处理器(mpu)、驱动器ic或存储器。图1所示的发热体2包括均热器(heat spreader)22和固定在均热器22上的芯片部23。例如，均热器22是由金属材料制成的板式构件。例如，芯片部23是半导体封装体。芯片部23设置在均热器22的非外周部分上。设置穿过均热器22的外周部分的多个螺孔21。
40.散热体3是发热体2所产生的热量被传递到其上的构件。热量可以从散热体3耗散。例如，散热体3可以是散热器。尽管图1所示的散热体3是板式散热器，但是散热体3还可以包括散热片(radiator fins)。散热体3在与发热体2的多个螺孔21对应的相应位置处具有多个螺孔31。
41.另外，石墨复合材料1的外周部分在与发热体2的多个螺孔21对应的相应位置处还具有多个螺孔11。多个螺孔11还设置为穿过石墨复合材料1。
42.在本实施方案中，石墨复合材料1与发热体2和散热体3中的每一个都直接接触。具体地，在本实施方案中，发热体2、石墨复合材料1和散热体3彼此层叠，以使得发热体2的均
热器22面向散热体3，并且石墨复合材料1介于发热体2和散热体3之间。这促进了发热体2与石墨复合材料1之间以及散热体3与石墨复合材料1之间的传热。
43.在发热体2、石墨复合材料1和散热体3的各组螺孔21、11和31中，至少散热体3的螺孔31在其内表面上具有阴螺纹。发热体2的螺孔21和石墨复合材料1的螺孔11在其内表面上可以具有或者可以没有阴螺纹。
44.从发热体2和散热体3向石墨复合材料1施加压力。具体地，在本实施方案中，发热体2的螺孔21中的每个螺孔都与石墨复合材料1的螺孔11中的一个相关螺孔以及散热体3的螺孔31中的一个相关螺孔对准。在此状态下，螺钉4按顺序依次穿过这些螺孔21、11和31，然后紧固。这使得发热体2、石墨复合材料1和散热体3能够彼此固定，并且还使得能够如上所述向石墨复合材料1施加压力。
45.根据本实施方案，向石墨复合材料1施加这样的压力使石墨复合材料1容易变形而降低其厚度。此时，即使发热体2的与石墨复合材料1接触的表面和散热体3的与石墨复合材料1接触的表面的相应形状与石墨复合材料1的形状不一致，石墨复合材料1仍可以容易地变形成为发热体2和散热体3的相应形状。这使得石墨复合材料1能够紧密地附着至发热体2和散热体3。因此，可以通过石墨复合材料1促进从发热体2到散热体3的传热。
46.在本实施方案中，如上所述，通过使用螺钉4向石墨复合材料1施加压力。然而，这不是向石墨复合材料1施加压力的唯一方法。备选地，例如，还可以通过使用夹具沿发热体2和散热体3彼此接近的方向将负荷施加至发热体2和散热体3来将压力施加至介于发热体2和散热体3之间的石墨复合材料1。
47.实施例
48.1.制备热界面材料
49.根据各个实施例和比较例的各个热界面材料按以下方式制备。具体地，提供具有以下表1所示的孔隙率和厚度中的任一种且具有作为反应固化性化合物的双组分硅凝胶(产品名：wacker silgel 612，由wacker asahikasei silicone co.，ltd.制造)的石墨片。将石墨片用硅凝胶浸渍，然后在25℃静置24小时，由此制得作为热界面材料的石墨复合材料。用树脂构件覆盖石墨复合材料的表面，并且用树脂构件部分地填充石墨复合材料的孔隙。注意，在第一比较例中，将石墨片原样地用作热界面材料。
50.按以下方式得到石墨片的孔隙率。具体地，从石墨片中切出30mm见方的片材，并且称量其重量。另外，用千分尺测量片材上五个任意点处的厚度，并且基于厚度的平均值计算片材的体积。通过将石墨片的重量除以石墨片的体积来计算石墨片的密度ρ。基于石墨片的此密度ρ和表示石墨真比重的2.2的值，通过ε＝1-(ρ/2.2)计算石墨片的孔隙率ε。
51.2.石墨片的孔隙中的树脂构件与孔隙的体积比
52.关于根据第一实施例至第五实施例以及第二比较例和第三比较例的各石墨复合材料，通过以下方法测量石墨片的孔隙中的树脂构件与孔隙的体积比。首先，通过与在上述石墨片的密度ρ的情况下相同的方法来计算石墨复合材料的密度ρ’。通过w’＝(ρ
′‑
ρ)
×
1计算1cm3石墨复合材料中包含的树脂构件的重量w’。随后，设树脂的比重为1.0，通过v’＝w’/1.0计算1cm3石墨复合材料中包含的树脂构件的体积v’。另外，基于石墨片的孔隙率ε，通过v”＝ε
×
1计算1cm3石墨片中的孔隙的体积v”。基于这些结果，通过a＝v’/v”＝(ρ
′‑
ρ)/ε计算石墨片的孔隙中的树脂构件与孔隙的体积比a。
53.3.树脂构件相对于石墨片与树脂构件之和的质量比
54.关于根据第一实施例至第五实施例以及第二比较例和第三比较例的各石墨复合材料，基于1cm3石墨复合材料1中包含的树脂构件的重量w’、石墨片的密度ρ和石墨复合材料的密度ρ’，通过b＝w’/(ρ
′×
1)＝(ρ
′‑
ρ)/ρ’计算树脂构件相对于石墨片与树脂构件之和的质量比b。
55.4.石墨复合材料的孔隙率
56.关于根据第一实施例至第五实施例以及第二比较例和第三比较例的各石墨复合材料，基于1cm3石墨片中的孔隙的体积v”、1cm3石墨复合材料中包含的树脂构件的体积v’、石墨片的孔隙率ε、石墨片的密度ρ和石墨复合材料的密度ρ’，通过ε’＝v
”‑v’
＝ε-(ρ
’‑
ρ)计算其孔隙率ε’。
57.5.可压缩性
58.关于根据第一实施例至第五实施例以及第一比较例至第三比较例的各热界面材料(其中的每种是石墨复合材料或石墨片)，根据astm d5470标准测量在厚度方向上向其施加600kpa的压缩压力的情况下的压缩率。通过(1-t2/t1)
×
100(％)计算压缩率，其中t1是热界面材料的初始厚度，并且t2是在向其施加600kpa的压缩压力的情况下的热界面材料的厚度。
59.6.热阻
60.关于根据第一实施例至第五实施例以及第一比较例至第三比较例的各热界面材料(其中的每种是石墨复合材料或石墨片)，根据astm d5470标准测量在厚度方向上的热阻。
61.[表1]
[0062][0063]
[表2]
[0064][0065]
由示例性实施方案和实施例的先前描述可见，根据第一方面的石墨复合材料(1)包括：内部具有孔隙的石墨片；和树脂构件。孔隙部分地被全体树脂构件中的至少一部分树脂构件填充。树脂构件相对于石墨片与树脂构件之和的比例等于或大于5质量％。石墨复合材料(1)的孔隙率等于或大于50体积％且等于或小于95体积％。
[0066]
根据第一方面，设置在石墨片的孔隙中的树脂构件减小了石墨复合材料(1)的热阻，并且使石墨复合材料(1)在石墨复合材料(1)经受压缩压力时可以容易地变形。这可以提高当石墨复合材料(1)介于两个构件之间时这两个构件之间的导热性。
[0067]
在根据第二方面(其可以与第一方面结合实施)的石墨复合材料(1)中，石墨片的孔隙率等于或大于80体积％。
[0068]
第二方面使石墨复合材料(1)在石墨复合材料(1)经受压缩压力时可以更容易地变形。
[0069]
在根据第三方面(其可以与第一方面或第二方面结合实施)的石墨复合材料(1)中，树脂构件相对于石墨片与树脂构件之和的比例等于或小于85质量％。
[0070]
第三方面降低了石墨片的孔隙被过量树脂构件填充的可能性，由此使石墨复合材料(1)在石墨复合材料(1)经受压缩压力时可以更容易地变形。
[0071]
在根据第四方面(其可以与第一方面至第三方面中任一方面结合实施)的石墨复合材料(1)中，当在厚度方向上向石墨复合材料(1)施加600kpa的压力时，石墨复合材料的压缩率等于或大于70％。
[0072]
第四方面使石墨复合材料(1)在石墨复合材料(1)经受压缩压力时可以更容易地变形。
[0073]
在根据第五方面(其可以与第一方面至第四方面中任一方面结合实施)的石墨复合材料(1)中，树脂构件含有凝胶状聚合物。
[0074]
第五方面使石墨复合材料(1)在石墨复合材料(1)经受压缩压力时可以更容易地变形且不易损坏。
[0075]
在根据第六方面(其可以与第一方面至第五方面中任一方面结合实施)的石墨复合材料(1)中，石墨复合材料(1)是热界面材料。
[0076]
根据第六方面，当石墨复合材料(1)介于两个构件之间时，可以提高这两个构件之
间的导热性。
[0077]
根据第七方面的电子部件(10)包括：发热体(2)；散热体(3)；以及介于发热体(2)和散热体(3)之间的根据第一方面至第六方面中任一方面的石墨复合材料(1)。
[0078]
根据第七方面，可以通过石墨复合材料(1)将由发热体(2)产生的热量高效地传递至散热体(3)。
[0079]
在根据第八方面(其可以与第七方面结合实施)的电子部件(10)中，石墨复合材料(1)与发热体(2)和散热体(3)中的每一个都直接接触。
[0080]
根据第八方面，可以通过石墨复合材料(1)将发热体(2)所产生的热量更高效地传递至散热体(3)。
[0081]
在根据第九方面(其可以与第七方面或第八方面结合实施)的电子部件(10)中，石墨复合材料(1)经受从发热体(2)和散热体(3)施加的压力。
[0082]
根据第九方面，可以通过石墨复合材料(1)将发热体(2)所产生的热量更高效地传递至散热体(3)。
[0083]
在根据第十方面(其可以与第七方面至第九方面中任一方面结合实施)的电子部件(10)中，发热体(2)是半导体部件，并且散热体(3)是散热器。
[0084]
根据第十方面，可以通过石墨复合材料(1)将半导体部件所产生的热量更高效地传递至散热器。
[0085]
附图标记列表
[0086]1ꢀꢀꢀ
石墨复合材料
[0087]2ꢀꢀꢀ
发热体
[0088]3ꢀꢀꢀ
散热体
[0089]
10
ꢀꢀ
电子部件