JP2015532531A - バルクグラフェン材料を含む熱管理アセンブリ - Google Patents

Abstract

バルクグラフェン材料、およびバルクグラフェンコア材料の対向面に配置された、グラフェンと反応して炭化物を形成する薬剤を含む金属系被覆層を含む熱管理アセンブリ。金属系被覆層は、アセンブリの外層として役立つことができるか、またはグラフェンコアをカプセル化する他の材料とグラフェンを結合する役目をすることができる。反応剤を含む金属系被覆層は、優れた熱伝導率特性および大いに改善された熱界面抵抗を示すアセンブリを提供する。

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１２年９月２５日に出願された「加熱分解黒鉛を含む熱管理アセンブリ」と題する米国特許仮出願第６１，７０５，３６２号明細書の優先権を主張し、その全開示は参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は、熱源から熱を遠ざけるために使用することができる熱管理アセンブリ；熱源に接する熱管理アセンブリを有するアセンブリ；およびそのようなアセンブリを製造する方法に関する。特に、本発明はバルクグラフェン材料を含む熱管理アセンブリに関する。

新しい電子デバイスは、絶えずより強力、より高密度になっている。ＲＦ／マイクロ波電子機器、ダイオードレーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、中央処理装置（ＣＰＵ）などを含む高パワーコンポーネントが、遠隔通信、自動車、航空宇宙、航空電子工学、医療および材料加工などの種々様々の産業界において使用されている。これらがより小さくより強力なデバイスとなるのに伴って、デバイスによって生じる熱を放散する要求が高まっている。動作中に生じた熱が十分にまたは有効に放散されないと、電子機器は熱の蓄積によって破損する場合がある。新しい性能は、設計者が費用効果的に熱を除去する能力によって抑制される。一般に、チップの接合温度が１０℃増加するごとにデバイスの寿命は半分になる。

従来の熱管理製品は、通常銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）のいずれかで構築される。しかし、良好な熱管理および熱放散は半導体ダイがヒートスプレッダに直接結合されることを必要とし、従来の材料は、半導体の熱膨張係数と調和しない。最適な熱管理のために直接結合すると、熱応力がアセンブリの寿命に影響を与えることがある。タングステン銅（ＷＣｕ）、モリブデン銅（ＭｏＣｕ）、およびアルミニウムケイ素炭化物（ＡｌＳｉＣ）などの熱膨張係数の低い材料が、ヒートスプレッダと半導体ダイの間の熱応力を低減するために開発された。必要な誘電性能を達成するために、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および酸化ベリリウム（ＢｅＯ）もマイクロエレクトロニクス用の基板材料として一般的な選択である。

バルクグラフェン材料を使用する、電子デバイスからの熱の管理および除去のために、他の材料およびデザインが開示されている。特許文献１は、金属またはマトリクス強化金属を含む１対の表面シート間にサンドイッチした高熱伝導率材料のハイブリッド構造のデバイスを開示している。コア材料は、高配向熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）、圧縮アニールした熱分解黒鉛（ＣＡＰＧ）、合成ダイヤモンド、これらの材料を使用する複合材などであってもよい。特許文献２は、アルミニウム中にカプセル化した加熱分解黒鉛のＬ形プレートを含むヒートスプレッダを開示している。特許文献３は、複数のバイア（ｖｉａ）を経由て熱流移動を最適化するための、内側で形成された複数のバイアを有する加熱分解黒鉛（「ＴＰＧ」）、ダイヤモンド状炭素、または他の同様の材料製のインサートを含むヒートスプレッド基板を開示している。

金属カプセル化複合材（例えばモメンティブ・パフォーマンス・マテリアルズから入手可能なＴＣ１０５０（登録商標））を含む加熱分解黒鉛（ＴＰＧ）は、１０年間を超えて軍事および航空宇宙産業に役立つ先端的熱管理材料である。ＴＰＧは、よく配列したグラフェン面を与える２段階プロセスを介して形成されて、優れた熱伝導率（例えば１５００Ｗ／ｍ−Ｋを超える）を有する材料を提供する。一般に受動的な冷却において使用され、上述のすべての材料の中で最も熱伝導性である銅と比較して、ＴＰＧは、銅の重量のｌ／４で４倍の冷却能力を提供することができる。

バルクグラフェン材料は、上記材料を含めて、グラフェン層間の弱いファンデルワールス力のために、相対的に軟質の材料である。伝統的に、バルクグラフェンを含むヒートスプレッダは、拡散接合プロセスを介してアルミニウム、銅などの金属外装にバルクグラフェンをカプセル化することによって形成される。そのようなプロセスは特許文献４に記載されている。カプセル化されたバルクグラフェン複合体部品は、固体金属のように振る舞い、様々な顧客の要求を満たすためにさらに機械加工され、めっきされ、または他のコンポーネントに結合することができる。典型的な製造プロセスを、図１Ａ−１Ｃに示す。バルクグラフェン金属複合体１００は、（Ａ）金属面シート１１０ａと１１０ｂの間にバルクグラフェンコア１１２を配置する工程、（Ｂ）アセンブリを拡散接合プロセスに供する工程；および（Ｃ）複合体を機械加工して所望形状の構造を与える工程によって形成することができる。

例えば冷却板、ヒートスプレッダ、熱ストラップなどのカプセル化バルクグラフェン複合体は、熱源から迅速に熱を遠ざけ、電子デバイスの効率性および寿命を大幅に増加させることができる。長年にわたって、バルクグラフェン−金属複合体は、人工衛星、航空電子工学および位相配列レーダーの冷却システムへ成功裡に実施され、その高い伝熱能力、高い耐久性および軽量性を最大限に利用することができる。

しかし、アルミニウム／銅とバルクグラフェンの間の相互拡散には、高温および高圧が必要であり、そのため拡散接合プロセスが極めて複雑で極端に高価になる。タングステンおよびモリブデンなどの高溶融温度合金がカプセル化に使用される場合、それはより難問になる。セラミック基板の剛性、脆性、およびセラミックの極端に高い熱安定性により、加熱および圧力下でのバルクグラフェンとセラミックの直接結合は特に困難なプロセスとなり、そのため基本的にそのような構造を形成する選択肢はなくなる。拡散接合のこれらの制約は、バルクグラフェン複合体の開発を妨げる。

米国特許第５，２９６，３１０号明細書 米国特許第６，２１５，６６１号明細書 米国特許第５，９５８，５７２号明細書 米国特許第６，６６１，３１７号明細書

本発明は、バルクグラフェンコア材料と周囲の金属またはセラミック基板の間に配置された金属系熱結合を含む熱管理アセンブリを提供する。金属系中間層は、グラフェンと反応して炭化物を形成する材料を含む。金属系中間層は、優れた熱伝導率および低い熱抵抗を可能にするバルクグラフェンコアとの界面を提供する。

一態様において、本発明は、低い熱界面抵抗を示す熱管理アセンブリを提供する。本発明は、従来の熱界面アセンブリより数桁低い熱界面さえ提供することができる。

一態様において、本発明は、熱管理アセンブリであって、第１の基板；第２の基板；第１と第２の基板の間に配置されたバルクグラフェン材料；および（ａ）バルクグラフェン層の第１の面と第１の基板、および（ｂ）バルクグラフェン層の第２の面と第２の基板の間に配置された熱結合を含み、熱結合が、グラフェンと反応して炭化物を形成する薬剤を含む金属系材料を含む、熱管理アセンブリを提供する。

なお別の態様において、本発明は、熱管理アセンブリであって、第１の面、および第１の面と反対の第２の面を有するバルクグラフェンコア材料；コア材料の第１の面に配置された第１の外層；およびコア材料の第２の面に配置された第２の外層を含み、ここで、第１の外層および第２の外層は、グラフェンと反応して炭化物を形成する薬剤を含む金属系材料から独立して形成される熱管理アセンブリを提供する。

熱管理アセンブリは、１０×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；８×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；５×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；２×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；１×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；０．５×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；さらに０．１×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満の熱界面抵抗を有することができる。

拡散接合プロセスを介し金属によってカプセル化したバルクグラフェンを含むヒートスプレッダを示す。

本発明の実施形態による熱管理アセンブリの断面図である。

本発明の態様による熱管理アセンブリの別の実施形態の断面図である。

本発明の実施形態による熱管理アセンブリの厚さ方向熱伝導率を示すグラフである。

本発明の実施形態による熱管理アセンブリの、異なるバルクグラフェン装填率での熱界面抵抗を示すグラフである。

異なる製造方法によって形成された熱管理アセンブリの熱抵抗を示すグラフである。

本発明は、バルクグラフェンコア材料およびグラフェン層の面に配置された金属系被覆層を含む熱管理アセンブリを提供する。金属系被覆は、グラフェンと反応して炭化物を形成する材料を含む。金属系被覆は、優れた熱伝導率および低い熱抵抗が可能になるバルクグラフェンコアとの界面を提供する。熱管理アセンブリは、バルクグラフェン材料の面に配置された金属系被覆層を有するバルクグラフェンコアを含む構造を含むことができる。一実施形態において、熱管理アセンブリは、バルクグラフェンコア材料と外側の金属またはセラミック基板の間に配置された金属系被覆を含む。

本明細書において使用される場合、用語「熱管理アセンブリ」は、熱源からの熱の放散または除去のための高い熱伝導率材料を含む熱管理デバイスまたは熱移動デバイスを指す。熱管理アセンブリは、ヒートスプレッダ、ヒートシンク、冷却板などを含むがこれらに限定されない。

グラフェンと反応して炭化物を形成する材料を含む金属系被覆層は、本明細書において「熱結合層」とも呼ぶことができる。構造に応じて、金属系被覆層を、グラフェンコア材料の面と基板の間に配置された中間層とも呼ぶことができる。

図２は、本発明の態様および実施形態による熱管理アセンブリの実施形態を示す。熱管理アセンブリ２００は、基板２２０と２３０の間に配置されたバルクグラフェンコア２１０を含む。熱管理アセンブリ２００は、基板とバルクグラフェンコアの間の界面に配置された熱結合層２４０および２５０を含む。熱結合層２４０および２５０は、グラフェンと反応して炭化物面を生成することができる添加剤または薬剤を含む金属系被覆中間層である。図２の実施形態において、層２４０および２５０は、「中間層」、「界面層」または「充填剤」とも呼ばれる。

バルクグラフェンコアは、厚さ１ｍｍ当たり最大１度で互いに平行である複数のグラフェン層から形成することができる。本明細書において、用語「バルクグラフェン」は、例えば、熱分解黒鉛（「ＰＧ」）、加熱分解黒鉛（「ＴＰＧ」）、高配向熱分解黒鉛（「ＨＯＰＧ」）、圧縮アニール熱分解黒鉛（「ＣＡＰＧ」）などの材料を包含する。一実施形態において、バルクグラフェンは、また、微結晶が互いに関して高度に配列または配向し、微結晶がよく配向した炭素層または高度の好ましい微結晶配向を有する、相当なサイズの微結晶で構成されるグラファイト材料を指す。バルクグラフェン材料は、各面内の六方晶パターン中に配置された炭素原子をたいていは含む。一実施形態において、バルクグラフェン材料は少なくとも３０００のグラフェン層を含み、グラフェン層は厚さ１ｍｍ当たり最大１度の角度で互いに平行とする。一実施形態において、グラフェン層は、厚さ１ｍｍ当たり０．００１度から１度の間の角度にある。バルクグラフェンの厚さは、１μｍを超え、サイズは少なくとも１ｍｍｘ１ｍｍである。これは、１０００Ｗ／ｍ−Ｋより通常高い、高い熱伝導率を示す。一実施形態において、バルクグラフェンは、１０００Ｗ／ｍ−Ｋを超える；１１００Ｗ／ｍ−Ｋを超える；１２００Ｗ／ｍ−Ｋを超える；さらに１５００Ｗ／ｍ−Ｋを超える面内（ａ−ｂ方向）熱伝導率を有する。一実施形態において、バルクグラフェンは、約１０００Ｗ／ｍ−Ｋから約１８００Ｗ／ｍ−Ｋ；約１１００Ｗ／ｍ−Ｋから約１７００Ｗ／ｍ−Ｋ；さらに約１２００Ｗ／ｍ−Ｋから約１５００Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有する。バルクグラフェンおよび熱管理アセンブリはまた、優れた厚さ方向熱伝導率を示すことができる。一実施形態において、バルクグラフェンおよび／または熱管理アセンブリは、約２００Ｗ／ｍ−Ｋから約１２００Ｗ／ｍ−Ｋ；約４００Ｗ／ｍ−Ｋから約１０００Ｗ／ｍ−Ｋ；さらに約５００Ｗ／ｍ−Ｋから約８００Ｗ／ｍ−Ｋの厚さ方向熱伝導率を有する。本明細書および特許請求の範囲中の他の箇所のように、ここでも、数値を組み合わせて新規または非開示の範囲を形成することができる。

バルクグラフェンは何らかの適切な形態で提供することができる。一実施形態において、バルクグラフェンはシートとして提供される。バルクグラフェンコアは、特定の目的または意図した用途の要望に応じて任意のサイズまたは厚さを有することができる。一実施形態において、コアは、約０．００１ｍｍから約１ｍｍ、１ｍｍから約５ｍｍ；約１．５ｍｍから約４ｍｍ；さらに約２から約３ｍｍの厚さを有することができる。一実施形態において、コア層は、熱管理アセンブリの合計厚さの約２５％から約９５％；熱管理アセンブリの合計厚さの約３５％から約９０％；熱管理アセンブリの合計厚さの約４０％から約８０％；さらに熱管理アセンブリの合計厚さの約５０％から約７５％の厚さを有することができる。本明細書および特許請求の範囲中の他の箇所のように、ここでも、数値を組み合わせて新規または非開示の範囲を形成することができる。

コアは、特定の目的または意図した用途の要望に応じて構成することができる。一実施形態において、バルクグラフェンコアは、グラフェン面が基板に実質的に平行に配向するようにアセンブリに配置される。別の実施形態において、バルクグラフェンは、グラフェン面が基板に実質的に垂直に配向するようにアセンブリに配置される。図２において、グラフェン層２１２は基板の面に垂直に配向している。

一実施形態において、バルクグラフェンコアはバイア（ｖｉａ）を設けることができる。バイアの装填密度は、０．０１％未満の占有面積からおよそ４０％の占有面積の範囲であってもよい。別の実施形態において、バイア装填密度は約０．１％から約２０％であってもよい。一実施形態において、バイアの間隔は約０．５から約１２５ｍｍの範囲であってもよい。別の実施形態において、バイアの間隔は約１から約２５ｍｍの範囲であってもよい。バイアを有するバルクグラフェン材料は、米国特許出願公開第２０１０／０３２６６４５号明細書に記載されており、これはその全体が参照によって本明細書に組み込まれる。

基板層は、特定の目的または意図した用途の要望に応じて任意の適切な金属またはセラミック材料から形成することができる。基板層に適する金属の例としては、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、スズ、銀、金、ベリリウムまたはその２種以上の合金が挙げられるがこれらに限定されない。適切なセラミックの例としては、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素などが挙げられるがこれらに限定されない。第１および第２の基板は、同一または異なる金属またはセラミック材料から製造することができる。基板の厚さは、特定の目的または意図した用途の要望に応じて選択することができる。厚さは、同一でも異なっていてもよい。一実施形態において、基板は、それぞれ、約２ミクロンから約２ｍｍの厚さを有していてよい。

図２のアセンブリは基板２２０および２３０を示すが、アセンブリが、基板２２０および２３０の上に重なる１つまたは複数の追加の基板を備えることができることは理解されよう。追加の基板は、基板２２０または２３０と同一または異なる材料から形成することができる。

熱管理アセンブリは、コアの対向面に配置された金属系被覆を含む。金属系材料は、外層またはコア層を基板に結合するための層として役立つことができる。金属系被覆層は、十分な高温でグラフェンとの炭化物を形成することができる薬剤を含む。一般に、金属系被覆材料は、バルクグラフェンまたは基板のいずれかより低い溶融温度を有する。一実施形態において、金属系被覆材料は、約２０Ｗ／ｍ−Ｋ以上の熱伝導率を有する。金属系被覆材料は、基板の溶融温度より低い高温で溶融し周囲の金属またはセラミック基板と結合する、銀、銀−銅、スズ、鉛またはその２種以上の組み合わせなどを含むがこれらに限定されない、任意の適切な金属または合金を含むことができる。活性化剤は、十分な高温でグラフェンと炭化物を形成する材料を含む。一実施形態において、活性化剤は、チタン、ジルコニウム、クロム、ハフニウム、アルミニウム、タンタル、鉄、ケイ素、またはその２種以上の組み合わせから選ばれる。バルクグラフェンを様々な材料と結合するために使用することができる適切な金属系被覆の例は、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、Ｔｉ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐｄ−Ｔｉ、Ｓｎ−Ｔｉ、Ｓｎ−Ａｌ、ＴｉＨ₂、Ｓｎ−Ａｇ−Ｔｉまたはその２種以上の組み合わせを含むがこれらに限定されない。一実施形態において、金属系被覆材料は、基板層の組成と異なる組成を有する。

図３は、本発明の態様による熱管理アセンブリの別の実施形態を示す。図３において、熱管理アセンブリ３００は、第１の面３１２および第２の面３１４を有するバルクグラフェンコア３１０、コアの第１の面に配置された第１の外層３２０、およびコアの第２の面に配置された第２の外層３３０を備える。コア層は、外層の面に対して垂直または平行に配向したグラフェン層３１６を有する。第１および第２の外層は、金属系被覆材料から形成される。一実施形態において、金属系被覆材料は、グラフェンと反応して炭化物を形成する薬剤を含む合金から形成することができる。この実施形態において、上記界面材料として使用することができる材料のいずれかを、第１および第２の外層を形成するために使用することができる。

金属系被覆層は，約０．０１ｍｍから約２ｍｍ；約０．０２ｍｍから約１ｍｍ；さらに約０．０５ｍｍから約０．５ｍｍの厚さを有してもよい。本明細書および特許請求の範囲中の他の箇所のように、ここでも、数値を組み合わせて新規または非開示の範囲を形成することができる。

図３のアセンブリは、熱管理アセンブリとして単独で使用することができ、またアセンブリに１つまたは複数の基板を備えるようにさらに改変することができる。例えば、一実施形態において、第１の外層３２０に隣接して、基板を配置することができる。別の実施形態において、アセンブリ３００は、第１の外層３２０に隣接して第１の基板を、外層３３０に隣接して第２の基板を設けることにより改変して、図２に示すものと同様の熱管理アセンブリを提供することができる。

熱管理アセンブリは良好な熱伝導率を示す。実施形態において、熱管理アセンブリは、約２００Ｗ／ｍ−Ｋから約１２００Ｗ／ｍ−Ｋ；約４００Ｗ／ｍ−Ｋから約１１００Ｗ／ｍ−Ｋ；約５００Ｗ／ｍ−Ｋから約１０００Ｗ／ｍ−Ｋ；さらに約６００Ｗ／ｍ−Ｋから約８００Ｗ／ｍ−Ｋの厚さ方向熱伝導率を有する。熱管理アセンブリは、相対的に低い熱界面抵抗を有することができる。一実施形態において、熱管理アセンブリは、１０×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；８×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；５×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；２×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；１×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；０．５×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満；さらに０．１×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満の熱界面抵抗を有する。一実施形態において、熱管理アセンブリは、約０．１×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗから約１×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ；約０．２×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗから約０．８×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ；さらに約０．３×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗから約０．６×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗの熱界面抵抗を有する。本明細書および特許請求の範囲中の他の箇所のように、ここでも、数値を組み合わせて新規または非開示の範囲を形成することができる。

熱管理アセンブリは、２つの基板層間にバルクグラフェンコア材料を配置し、金属系被覆材料を介して基板層に接合することにより形成することができる。金属系被覆材料は、バルクグラフェン材料の対向面に適用することができ、基板材料は、金属系被覆材料を含むバルクグラフェンの面に配置することができ、アセンブリは、金属系被覆材料の溶融温度を越え、かつ、コアまたは基板の溶融温度より低い温度で真空下で接合に供することができる。

上記のように、本発明は、良好な熱伝導率および、一実施形態において、低い熱界面抵抗を有する熱管理アセンブリを提供する。異なる材料における電子特性および振動特性の差異のために、エネルギー担体は、界面を横切ろうとするとき、界面で分散する。相異なる熱管理材料から形成された層を含む熱管理アセンブリに関しては、不十分な熱界面は界面での散乱の一因となり得る。理論上、多層を通る熱抵抗は、以下のように提示することができる：
式中、ｔは個々の層の厚さであり、ｋは対応する熱伝導率である。

不十分な界面は、熱流に対するかなりの抵抗を付加し、それにより、バルクグラフェンなどの高い熱伝導率材料の使用を相殺し、または無効にさえする恐れがある。例えば、従来の拡散またはろう付けなどの他のプロセスによって形成されたアセンブリについては、バルクグラフェンとＣｕの間の界面は、反応および拡散の不足によって高い抵抗を示し、全体の熱伝導率はＣｕのそれより低くなる恐れがある。

異種の材料を接合する普通の方法は、機械的固定、接着剤結合、溶接、固体接合、ろう付けおよびはんだ付けを含む。機械的固定は、必然的に２種の材料間に薄い隙間を残し、熱流に対する著しい熱障壁となり、そのため、熱伝導として最悪の型の接合と考えられる。硬化前の流体接着剤は界面で空間を満たすことができるが、その高分子は熱伝導率が本質的に低く（典型的には１０Ｗ／ｍ−Ｋ未満）、ほとんどの金属よりはるかに低い。ＷまたはＭｏの接合などの高温材料の溶接は困難であり、セラミックまたはグラファイトが関与する場合、時には不可能である。固体接合は、拡散接合を含み、過去にバルクグラフェンの様々な金属との結合のために開発された。前節において論じたように、拡散接合プロセスは、高度な複雑さ、高いコスト、セラミックおよび高温金属への適用困難および高い界面抵抗の問題を示す。一方、ろう付けおよびはんだ付けは、接合の対になる面を濡らす溶融充填剤金属に依存し、冶金学的結合の形成へ導く。ろう付け／はんだ付結合の金属の特性は、高濃度のエネルギー担体（電子）の連続性をもたらし、それにより、本明細書において「熱結合」と呼ぶことができる高度に熱伝導性の結合を与える。しかし、典型的な溶融方式のろう付けまたははんだ付け充填剤は、バルクグラフェンを濡らさず、バルクグラフェンと基板の間の隙間を満たすようには自由に広がらない。そのようなアセンブリは、なお、バルクグラフェンとろう付けまたははんだの間の熱障壁のために相対的に高い熱界面抵抗を示す。

一方、本発明者らは、グラフェンと反応して炭化物層を形成する薬剤を含む、コアと基板の間の金属系中間層を用いるバルクグラフェンヒートスプレッダが、コアを基板と結合する界面層をもたらし、極端に低い界面熱抵抗を示すことができることを見いだした。

熱管理アセンブリは、特定の目的または意図した用途の要望に応じた寸法および形状にすることができる。熱管理アセンブリは、装置の熱管理を助けるために、装置において使用することができる。熱管理アセンブリは、装置中の熱発生コンポーネントに隣接して配置することができ、熱発生コンポーネントから熱を放散することができる。熱管理アセンブリは、コンピュータ、半導体、またはコンポーネント間の熱移動が必要である任意のデバイスなどの電子工学デバイスにおいて使用することができる。一実施形態において、電子コンポーネントには、発熱コンポーネントとして半導体チップが含まれる。そのような事例において、発熱コンポーネントは、チップ担体、エリアアレイパッケージ、チップスケールパッケージ、または他の半導体実装構造であってもよい。他の実施形態において、半導体チップはそれ自体発熱コンポーネントである。高温デバイスは、発光ダイオード、レーザーダイオード、電力増幅器、ＭＭＩＣ、ＩＧＢＴなどを含むがこれらに限定されない任意の高温のデバイスであってもよい。

ここで本発明は記載され、以下の実施例に関してさらに理解することができる。実施例は、例証となるようにのみ意図され、材料またはプロセスパラメーター、設備または条件に関して本明細書に開示される本発明を決して限定するものではないことは理解されるべきである。

２つの銅（Ｃｕ）基板、および２つの金属層間に配置されたバルクグラフェン板を含む複合体を形成する。実施例において、バルクグラフェン材料は加熱分解黒鉛であった。バルクグラフェン板は、バルクグラフェンの高い熱伝導性の進路が、層構造を通って来る熱流に沿って配列するようにＣｕ基板に垂直に配向させる。Ｔｉ添加剤を含むＡｇ−Ｃｕを、Ｃｕおよびバルクグラフェンを真空下で８５０℃で接合するために使用する。調製した試料は、図２に描いた実施形態と同様の構造をしている。バルクグラフェンの厚さは、複合体の合計厚さの３７％から８７％の範囲であった。

複合体の熱伝導率はネッチナノフラッシュＬＦＡ ４４７によって評価する。界面熱抵抗のない層状構造に関して、バルクグラフェン複合体の全体熱伝導率は次のように計算することができる：
式中、ｋ_c、ｋ_m、ｋ_gは、それぞれ複合体、カプセル化材料およびバルクグラフェンの熱伝導率であり；Ｖ_m、Ｖ_gは、それぞれ基板およびバルクグラフェンの体積（厚さ）パーセントである。図３は、様々なバルクグラフェン装填率を有する、測定した厚さ方向熱伝導率が計算値と一致することを示し、活性化剤を含む金属系中間層を用いることにより、Ｃｕとバルクグラフェンの間の優れた熱結合を示す。

下記式に従って理論的および実験的な熱伝導率の間の差異の比較によって熱抵抗を評価することができる。
式中、ｋは熱伝導率であり、ｔは合計厚さである。

図４−５は、本発明の態様に従って形成された複合体の熱抵抗を示す。図４に示すように、本発明は、１０^-7Ｋ−ｍ²／Ｗの範囲の極めて低い熱抵抗を有する複合体を提供することができ、抵抗はバルクグラフェン装填の量に依存しない。

Ｃｕ／バルクグラフェン／Ｃｕ試料はまた、接着剤結合、拡散接合、および従来のろう付けを介して調製する。図６は、これらの複合体の熱抵抗を本発明の態様によるものに比較し、比較の複合体が、本発明の態様に従って形成した複合体より少なくとも１桁大きな熱抵抗を有することを示す。

前述の記載は、熱管理アセンブリの様々な、限定されない実施形態を示している。当業者および本発明を製造し使用し得る者にとって修正が思い浮かぶことがある。開示される実施形態は、単に説明のためであり、本発明の範囲または特許請求の範囲において述べる主題を限定するようには意図されない。

Claims (42)

1. 熱管理アセンブリであって、
   第１の基板；
   第２の基板；
   前記第１と第２の基板の間に配置されたバルクグラフェン材料；および
   （ａ）前記バルクグラフェン層の第１の面と前記第１の基板、および（ｂ）前記バルクグラフェン層の第２の面と前記第２の基板の間に配置された熱結合層を含み、前記熱結合層が前記グラフェンと反応して炭化物を形成する薬剤を含む金属系材料を含む、熱管理アセンブリ。
2. 前記バルクグラフェン材料が少なくとも３０００のグラフェン層を含み、前記グラフェン層は厚さ１ｍｍ当たり最大１度の角度で互いに平行とする、請求項１に記載の熱管理アセンブリ。
3. 前記バルクグラフェン材料が、少なくとも１０００Ｗ／ｍ−Ｋの面内熱伝導率を示す、請求項２に記載の熱管理アセンブリ。
4. 前記バルクグラフェン材料が、約１０００Ｗ／ｍ−Ｋから約１８００Ｗ／ｍ−Ｋの面内熱伝導率を示す、請求項２に記載の熱管理アセンブリ。
5. 前記薬剤が、チタン、ジルコニウム、クロム、ハフニウム、アルミニウム、タンタル、鉄、ケイ素またはその２種以上の組み合わせから選ばれる、請求項１に記載の熱管理アセンブリ。
6. 前記熱結合層が、独立して、約２０Ｗ／ｍ−Ｋ以上の熱伝導率、ならびに前記基板の溶融温度および前記バルクグラフェンの溶融温度より低い溶融温度を有する、請求項１から５に記載の熱管理アセンブリ。
7. 前記熱結合層が、前記第１の基板および前記第２の基板の組成と異なる組成を有する、請求項１から６のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
8. 前記熱結合層の金属系材料が、銀、スズ、鉛、銀−銅、ニッケルまたはその２種以上の組み合わせから独立して選ばれる、請求項１から７のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
9. 前記第１の基板および前記第２の基板が、独立して金属またはセラミック材料を含む、請求項１から７のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
10. 前記第１の基板および前記第２の基板が、独立して、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、スズ、銀、金、ベリリウム、またはその２種以上の合金を含む、請求項１から９のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
11. 前記第１の基板および前記第２の基板が、独立して、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、またはその２種以上の組み合わせを含む、請求項１から９のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
12. 前記第１の基板が、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、鉄、スズ、銀、金、ベリリウム、またはその２種以上の組み合わせを含み、前記第２の基板が、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ベリリウム、窒化ホウ素、またはその２種以上の組み合わせを含む、請求項１から９のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
13. 前記バルクグラフェン材料が、前記熱管理アセンブリの合計厚さの約２５％から約９５％の厚さを有する、請求項１から１２のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
14. 前記バルクグラフェン材料が、前記熱管理アセンブリの合計厚さの約３５％から約９０％の厚さを有する、請求項１から１２のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
15. 前記バルクグラフェン材料が、熱分解黒鉛、加熱分解黒鉛、高配向熱分解黒鉛、圧縮アニール熱分解黒鉛、またはその２種以上の組み合わせから選ばれる、請求項１から１４のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
16. 前記バルクグラフェン材料が、少なくとも３０００のグラフェン層を含み、前記バルクグラフェン材料は、前記グラフェン層が前記第１および第２の基板に垂直に配向されるように前記アセンブリ中に配置される、請求項１から１５のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
17. 約２００Ｗ／ｍ−Ｋから約１２００Ｗ／ｍ−Ｋの厚さ方向熱伝導率を有する、請求項１６に記載の熱管理アセンブリ。
18. 前記熱結合が１０×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満の熱抵抗を有する、請求項１から１７のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
19. 前記熱結合が５×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満の熱抵抗を有する、請求項１から１７のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
20. 前記熱結合が１×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満の熱抵抗を有する、請求項１から１７のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
21. 前記熱結合が０．５×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満の熱抵抗を有する、請求項１から１７のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
22. 前記熱結合が０．１×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満の熱抵抗を有する、請求項１から１７のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
23. 熱管理アセンブリであって、第１の基板と第２の基板の間に配置された熱伝導性コア材料、ならびに前記第１の基板および前記コア材料の隣接面間、および前記第２の基板および前記コア材料の隣接面間に配置された熱結合層を含み、ここで、前記基板と前記コアの間の各界面で５×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満の熱抵抗を有する熱管理アセンブリ。
24. ０．５×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗの未満の熱抵抗を有する、請求項２３に記載の熱管理アセンブリ。
25. ０．１×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満の熱抵抗を有する、請求項２３に記載の熱管理アセンブリ。
26. 約０．１×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗから約５×１０^-6Ｋ−ｍ²／Ｗ未満の熱抵抗を有する、請求項２３に記載の熱管理アセンブリ。
27. 前記コア材料がバルクグラフェン材料を含み、前記第１の基板および前記第２の基板が金属またはセラミック材料から形成される、請求項２３に記載の熱管理アセンブリ。
28. 前記熱結合が、グラフェンと反応して炭化物を形成する活性化材料を含む金属系材料を含む、請求項２３から２７のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
29. 前記活性化材料が、チタン、ジルコニウム、クロム、ハフニウム、アルミニウム、タンタル、鉄、ケイ素、またはその２種以上の組み合わせから選ばれる、請求項２８に記載の熱管理アセンブリ。
30. 前記第１および第２の基板が銅材料から形成され、前記コア材料がバルクグラフェンを含み、前記熱結合層が、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、Ｔｉ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐｄ−Ｔｉ、Ｓｎ−Ｔｉ、Ｓｎ−Ａｌ、ＴｉＨ₂またはＳｎ−Ａｇ−Ｔｉから独立して選ばれる材料を含む、請求項２３から２９のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
31. 熱管理アセンブリであって、第１の面および前記第１の面と反対の第２の面を有するバルクグラフェンコア材料と；前記コア材料の前記第１の面に配置された第１の外層と；前記コア材料の前記第２の面に配置された第２の外層とを含み、ここで、前記第１の外層および前記第２の外層は、グラフェンと反応して炭化物を形成する薬剤を含む金属系材料から独立して形成される熱管理アセンブリ。
32. 前記バルクグラフェン材料が少なくとも３０００のグラフェン層を含み、前記グラフェン層は厚さ１ｍｍ当たり最大１度の角度で互いに平行に配向されている、請求項３１に記載の熱管理アセンブリ。
33. 前記バルクグラフェン材料が少なくとも１０００Ｗ／ｍ−Ｋの面内熱伝導率を示す、請求項３２に記載の熱管理アセンブリ。
34. 前記バルクグラフェン材料が、約１０００Ｗ／ｍ−Ｋから約１８００Ｗ／ｍ−Ｋの面内熱伝導率を示す、請求項３２に記載の熱管理アセンブリ。
35. グラフェンと反応性である前記薬剤がチタン、ジルコニウム、クロム、ハフニウム、アルミニウム、タンタル、鉄、ケイ素、またはその２種以上の組み合わせから選ばれる、請求項３１から３４のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
36. 前記バルクグラフェン材料が、少なくとも３０００のグラフェン層を含み、前記バルクグラフェンは、前記グラフェン層が前記第１および第２の外層に垂直に配向されるように前記アセンブリ中に配置される、請求項３１から３５のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
37. 前記第１の外層を覆い隣接して配置された第１の基板を備える、請求項３１から３６のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
38. 前記第１の基板が、金属材料、セラミック材料またはその組み合わせを含む、請求項３７に記載の熱管理アセンブリ。
39. 前記バルクグラフェン材料が、熱分解黒鉛、加熱分解黒鉛、高配向熱分解黒鉛、圧縮アニール熱分解黒鉛、またはその２種以上の組み合わせから選ばれる、請求項３１から３８のいずれかに記載の熱管理アセンブリ。
40. 熱発生コンポーネント、および前記熱発生コンポーネントからの熱が熱管理アセンブリによって移動することができるように、熱発生コンポーネントに隣接して配置された、請求項１から２２のいずれかに記載の熱管理アセンブリを含む装置。
41. 熱発生コンポーネント、および前記熱発生コンポーネントからの熱が熱管理アセンブリによって移動することができるように、熱発生コンポーネントに隣接して配置された、請求項２３から３０のいずれかに記載の熱管理アセンブリを含む装置。
42. 熱発生コンポーネント、および前記熱発生コンポーネントからの熱が熱管理アセンブリによって移動することができるように、熱発生コンポーネントに隣接して配置された、請求項３１から３９のいずれかに記載の熱管理アセンブリを含む装置。