CN109417855A - 通过介电壳体内的碳结构冷却部件承载件材料 - Google Patents

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Abstract

一种部件承载件(100)，包括部件承载件材料(130)和散热模块(102)，散热模块包括碳结构，特别是石墨结构(104)，该碳结构被围封在介电壳体(106)内，以禁止碳结构与部件承载件材料(130)之间的接触。

Description

通过介电壳体内的碳结构冷却部件承载件材料
本发明涉及一种部件承载件、一种制造部件承载件的方法以及使用方法。
在配备有一个或多个电子部件的部件承载件的产品功能增多、这种电子部件的日益小型化以及待安装在部件承载件诸如印刷电路板上的电子部件的数量增加的情况下，越来越多地采用具有若干电子部件的更强大的阵列状部件或封装件，这些部件或封装件具有多个接触件或连接装置，这些接触件之间的间隔甚至更小。移除操作期间由这种电子部件和部件承载件自身生成的热逐渐成为问题。同时，部件承载件应是机械稳固和电力可靠的，以便甚至在恶劣条件下能够运行。
本发明的目的是提供部件承载件的架构，其允许提供适当的热消散，同时保证高机械完整性和电力可靠性。
为了实现上述限定的目的，提供了根据独立权利要求所述的部件承载件、制造部件承载件的方法以及使用方法。
根据本发明的示例实施方式，提供了一种部件承载件，其包括部件承载件材料(诸如PCB材料)以及散热(heat spread，热扩散、热铺展)模块(其可以例如是冷却模块)，散热模块包括碳结构(优选为石墨结构)，碳结构被围封在介电壳体内，以用于禁止或防止碳结构与部件承载件材料之间的任何直接接触。
根据本发明的另一示例实施方式，提供了一种部件承载件，其包括下述或由下述构成：碳结构(优选为石墨结构)、密闭地围封碳结构(特别是石墨结构)的介电壳体，以及在介电壳体上和/或上方的图案化的电导体结构。
根据本发明的又一示例实施方式，提供了一种制造部件承载件的方法，其中，方法包括：提供散热模块，该散热模块包括由介电壳体围封的碳结构(特别是石墨结构)，以及将散热模块集成(例如嵌入或表面安装)在部件承载件材料中(特别地在部件承载件材料内和/或上)。
根据本发明的又一示例实施方式，使用包括由介电壳体围封的石墨结构的散热模块来移除印刷电路板(PCB)的电子部件的热。
根据本发明的又一示例实施方式，使用具有上述特征的部件承载件作为待嵌入较大部件承载件中的嵌体。
在本申请的上下文中，术语“部件承载件”可以特别地指能在其上和/或其中容纳一个或多个电子部件以用于提供机械支撑和电连接的任何支撑结构。特别地，部件承载件可以是印刷电路板或IC(集成电路)基板或插入件中的一种。
在本申请的上下文中，术语“散热模块”可以特别地指可以整体实施在部件承载件材料(特别是电绝缘部件承载件材料，诸如预浸料、树脂，和/或导电部件承载件材料，诸如铜)中以便局部移除部件承载件运行期间生成的热的模块化结构或嵌体。因此，散热模块的内部可以具体地被构造为有效冷却，而散热模块的外部可以具体地被构造为在粘附、匹配热膨胀性质等方面与电绝缘和/或导电部件承载件材料兼容。
在本申请的上下文中，术语“介电壳体”可以特别地指石墨结构的(特别软的或刚性的)外覆盖物，其通过完全周向地包围石墨结构来禁止石墨结构与周围部件承载件材料之间的任何直接相互作用。
在本申请的上下文中，术语“碳结构”可以特别地指用作散热模块的热移除芯的(特别地基本上为纯)碳材料。特别地，这种碳结构可以包括下述或由下述构成：石墨，金刚石如碳、石墨烯等。所有这些材料的共同点在于，它们都具有非常高的热导率，但另外对许多材料的粘附性质较差。特别地，碳结构可以由碳构成，更特别地可以基本不含其它材料。
根据本发明的示例实施方式，碳结构被包围在连续封闭的介电材料壳体中，从而提供用于在部件承载件中实施的散热模块。设置碳芯(特别地被成形为片)确保了散热模块的非常高的热导率及因此高的冷却性能。设置介电壳体一方面使(在许多情况下高度导电的)碳芯与相邻的部件承载件材料(特别是铜材料)可靠地电解耦，以防止由碳结构引起的不期望的短路或其他寄生电效应。协同地，包围碳结构的介电壳体使——结合许多粘附性非常差的材料——碳结构与周围的部件承载件材料(特别地与介电树脂材料)机械解耦。因此，通过介电壳体可以有效抑制部件承载件的构成部分的不期望的脱层，介电壳体禁止碳结构与周围的部件承载件材料直接接触，并且可以被选择为自身具有相对于部件承载件材料的适当的粘附性质。因此，高的热性能可以与部件承载件的高机械完整性和适当的电力可靠性结合。
因此，本发明的示例实施方式实施一个或多个介电包围的碳岛状物，碳岛状物具有可自由调整的形状，以局部地布置在部件承载件的一个或多个热临界区段。这允许其从碳材料的高热导率中受益，同时通过介电壳体可以有利地使碳材料的高电导率无用。同时，插入在碳材料和周围的部件承载件材料之间的介电壳体防止了碳材料和部件承载件材料之间的直接接触，使得可以防止不期望的脱层，特别是在高温条件下(例如260°至300℃，特别地在焊接期间发生)的脱层，脱层可能导致热失配。
下面将解释部件承载件和方法的其他示例实施方式。
在一实施方式中，碳结构是石墨结构。石墨是因为其非常有利的热传导性质所以是优选的。然而，石墨本身具有非常容易脱层的不期望性质。根据一示例实施方式，利用层压或包封石墨，优选地结合使用低模量材料，可以实现足够的机械稳定性。
在一实施方式中，碳结构是石墨片。将石墨结构构造为片，即，构造为平面的大致二维的平坦结构，经证明在热移除方面是特别有利的。此外，这种片状几何结构特别适宜地符合部件承载件的要求。
在一实施方式中，石墨结构包括热解石墨或由热解石墨构成。热解石墨是高度有序型的石墨，用作具有高热导率的高效散热材料。这种材料重量轻，而且弯曲度高。其可以切割为自定义形状，使得其对于空间受限的部件承载件应用特别有用。另外，其具有卓越的热导率性质，600W/(mK)至1600W/(mK)，这允许将该材料在部件承载件中实施用于热移除任务。特别地，认为对于更薄的层，材料的热导率会增加，因为材料是无定形的。具有25μm厚度的石墨可以具有1600W/mK的热导率。
在一实施方式中，部件承载件包括至少一个导电层结构和/或至少一个电绝缘层结构的堆叠体，其中，散热模块安装在堆叠体上和/或嵌入堆叠体中。这种堆叠体可以通过层压特别地通过施加热能和/或压力与一个或多个散热模块互连在一起。
在一实施方式中，介电壳体密闭地密封石墨结构。因此，散热模块的外部可以与其内部中的石墨结构完全解耦。因此，可能干扰部件承载件的电性能的任何高度导电的石墨颗粒(诸如碳粉尘)均可以可靠地防止脱离散热模块。
在一实施方式中，整个介电壳体由相同材料同质地制成。通过防止介电壳体由不同材料的不同区段构成，可以可靠地防止碳材料在材料接合处与周围事物接触。通过用相同的介电壳体材料包围整个碳结构，可以防止在机械和电完整性方面的这种弱点。
可替代地，介电壳体可以由不同材料构成，例如在对散热模块进行图案化进行形状调整而露出一个或多个石墨边缘的情况下。在这种场景中，可以在之后提供附加的介电材料来钝化该露出的碳边缘。
在一实施方式中，具有散热模块的部件板可以是刚性板、柔性板或刚挠结合(rigid-flex)板。
在一实施方式中，介电壳体包括由下述构成的组中的至少一种：柔性材料、热塑材料、聚酰亚胺或液晶聚合物。液晶聚合物材料和聚酰亚胺材料二者均具有可以以柔性或可弯曲两种形式设置的优点。这使所述材料特别适合于与柔性或可弯曲碳片结合来制造可弯曲柔性板。特别地，当介电壳体以及碳结构二者均是机械柔性或可弯曲时，可以提供简单且紧凑的柔性板。在粘附性、电绝缘和热传递方面，经证明液晶介电壳体是碳结构与部件承载件材料之间高效的接合处。
在一实施方式中，部件承载件还包括粘附促进剂，该粘附促进剂促进粘附并且布置在(特别地直接布置在)石墨结构与介电壳体之间。如上所述，高导热的碳结构在许多情况下显示出与相邻材料的粘附性非常差，这涉及脱层的风险。虽然具有适当粘附能力的碳结构的密闭围封件可能已经有效地减弱了部件承载件脱层和翘曲的倾向，不过碳结构与介电壳体之间的附加粘附促进剂可以附加地改善散热模块内的固有粘附力，从而进一步加强散热模块和部件承载件的机械完整性。
在一实施方式中，散热模块包括在介电壳体上的至少一个电导体结构(例如由铜制成)。例如，一个或多个金属箔可以连接到介电壳体。
在一实施方式中，部件承载件还包括安装在堆叠体上和/或嵌入堆叠体中的电子部件。在本申请的上下文中，术语“电子部件”可以特别地指嵌入部件承载件的内部内的任何大体积的而非层状的有源部件(诸如半导体芯片)或无源部件(例如，电容器、电阻器或铜块)。这种电子部件(例如芯片)可以是在具有嵌入式电子部件的部件承载件的运行期间生成大量热的源。当具有上述特征的一个或多个散热模块与电子部件一起嵌入时，可以确保有效地将热从这种嵌入式电子部件移除。因此，电子部件可以位于散热模块旁边，使得在电子部件运行期间生成的热至少部分地被散热模块移除。
在一实施方式中，该至少一个电绝缘层结构由低收缩材料制成。这意味着该至少一个电绝缘层结构的材料被选择使得在压缩该材料时(特别是在层压期间)和/或在冷却该材料时不会出现大量收缩。
在一实施方式中，该至少一个电绝缘层结构由具有低热膨胀系数的材料制成。在将由低CTE(热膨胀系数)材料(特别地小于10ppm/K)制成的至少一个电绝缘层结构设置在特别地与部件承载件的堆叠方向垂直的平面中时，可以保护部件承载件免受热失配和热应力，特别是在回流过程期间。特别地，电绝缘层结构的材料可以有利地具有在1ppm/K至10ppm/K的范围内的热膨胀系数值。然而，可替代地，热膨胀系数的值可以在0ppm/K至1ppm/K的范围内，或者甚至假定为负值(例如对于基于芳族聚酰胺的材料)。
在一实施方式中，该至少一个电绝缘层结构由具有低杨氏模量值的材料制成。因此，该至少一个电绝缘层结构可以由足够软的材料制成。这还使部件承载件免受过多的机械应力，且因此降低脱层风险，特别是在回流过程期间。优选地，该至少一个电绝缘层结构的材料可以具有在250℃小于15GPa特别地在250℃小于10Gpa的杨氏模量值。在特别优选的实施方式中，杨氏模量在250℃小于8GPa，例如在250℃为约5GPa。
在一实施方式中，部件承载件包括嵌入堆叠体中的至少两个散热模块，在堆叠体的侧向边缘处具有相应的热移除通道，其中，至少一个导电竖向互连结构将散热模块上方的部分与该散热模块下方的部分电连接。因此，两侧侧向热移除可以与高效且紧凑的竖向电连接结合。
在一实施方式中，碳结构(优选地石墨结构)包括由下述构成的组中的至少一种：平面层，以及具有至少一个水平层区段和竖向区段的连续结构。当实施为平面层时，碳结构的几何结构优选地适配部件承载件诸如印刷电路板的层型构成部分。碳片的弯曲性还使得可以设计三维弯曲的碳结构，例如具有两个片状平行部分，在两个片状平行部分之间具有倾斜或垂直的连接部分。
在一实施方式中，部件承载件还包括与散热模块热耦接的散热器。例如，这种散热器可以是用于从具有集成散热模块的部件承载件材料的堆叠体移除热的高导热体(例如由铜或铝制成)。散热器可以具有用于改善与环境的热交换的多个冷却翅片。
在一实施方式中，部件承载件是柔性和/或可弯曲的。这允许将适当的热管理以及机械和电完整性与电路设计者的灵活性结合，以将部件承载件自由地弯曲成基本上任何期望的形状。同样以可弯曲形式设置的碳结构(特别是石墨片)为这种机会提供了支持。在碳结构的基础上形成的这种柔性板的一种应用是在三维弯曲外壳中实施的并具有高热移除能力的摄像机模块的设置。
在一实施方式中，方法包括：对涂覆有介电材料的碳结构(特别是石墨结构)进行图案化，从而露出碳结构的一部分；并且随后用另外的介电材料覆盖碳结构所露出的部分，从而完成碳结构的介电壳体。通过该程序，可以确保一方面可以制造图案化的碳结构，并因此可以制造基本上任何期望形状的散热模块。一方面，在图案化期间对碳结构进行涂覆至少防止部件承载件环境对露出的碳结构的高度导电材料造成过多污染。另一方面，在图案化期间露出碳结构的部分之后可以供给另外的介电材料来封闭介电壳体的敞开部分，从而在图案化程序结束时用介电材料密闭地围封之前部分未覆盖的碳结构。
在一实施方案中，部件承载件包括至少一个电绝缘层结构和至少一个导电层结构的堆叠体。例如，部件承载件可以是上述电绝缘层结构和导电结构的层压体，特别地通过施加机械压力形成，如果期望还有热能支持。上述堆叠体可以提供能够为另外的电子部件提供大安装表面但仍然非常薄且紧凑的板形部件承载件。术语“层结构”可以特别地指连续层、图案化层或公共平面内的多个非连续岛状物。
在一实施方式中，部件承载件被成形为板。这有助于电子器件的紧凑设计，不过其中部件承载件提供用于在其上安装电子部件的大基底。此外，特别是作为嵌入式电子部件的示例的裸晶片得益于小的厚度可以方便地嵌入到薄板诸如印刷电路板中。
在一实施方式中，部件承载件被构造成由印刷电路板和IC基板构成的组中的一个。
在本申请的上下文中，术语“印刷电路板”(PCB)可以特别地指板状部件承载件，其通过将若干导电层结构与若干电绝缘层结构进行层压而形成，例如通过施加压力形成，如果期望还伴随热能供应。作为PCB技术的优选材料，导电层结构由铜制成，而电绝缘层结构可以包括树脂和/或玻璃纤维，所谓的预浸料或FR4材料。可以通过形成通过层压体的通孔，例如通过激光钻削或机械钻削形成，并用导电材料(特别是铜)填充所述通孔，从而形成过孔作为通孔连接件，以此以期望的方式将各个导电层结构彼此连接。除了可以嵌入印刷电路板的一个或多个电子部件，印刷电路板通常被构造成在板状印刷电路板的一个表面或两个相反表面上容纳一个或多个电子部件。部件可以通过焊接连接至相应的主表面。
在本申请的上下文中，术语“IC基板”可以特别地指与待安装在其上的电子部件具有大致相同大小的小型部件承载件。
在一实施方式中，该至少一个电子部件选自由下述构成的组：有源电子部件、无源电子部件、电子芯片、存储设备、过滤器、集成电路、信号处理部件、功率管理部件、光电接口元件、电压转换器、加密部件、发射器和/或接收器、机电换能器、传感器、致动器、微机电系统、微处理器、电容器、电阻器、电感、电池、开关、摄像机、天线和逻辑芯片。然而，可以在部件承载件中嵌入其他电子部件。例如，可以将磁性元件用作电子部件。这种磁性元件可以是永磁元件(诸如铁磁元件、反铁磁元件，或铁淦氧磁元件例如铁氧体芯)或者可以是顺磁性元件。
在一实施方式中，该至少一个电绝缘层结构包括由下述构成的组中的至少一种：树脂(诸如增强或非增强树脂，例如环氧树脂或双马来酰亚胺-三嗪树脂或氰酸酯)、玻璃(特别是玻璃纤维、多层玻璃或玻璃类材料)、预浸材料、聚酰亚胺、聚酰胺、液晶聚合物、环氧基积层膜、FR4材料、聚四氟乙烯(Teflon)、陶瓷和金属氧化物。虽然通常优选地是预浸料或FR4，但也可以使用其他材料。
在一实施方式中，该至少一个导电层结构包括由铜、铝和镍构成的组中的至少一种。虽然通常优选的是铜，但其他材料也是可以的。
在一实施方式中，部件承载件是层压型部件承载件。在这种实施方式中，部件承载件为多层结构的复合体，该复合体通过施加按压力堆叠并连接在一起，如期望还伴随热。
在一实施方式中，部件承载件包括至少一个孔(诸如通孔或盲孔)，该至少一个孔部分地或完全地延伸通过散热模块，并至少部分地填充有导电材料。相应地，制造方法可以包括在散热模块中形成至少一个孔(特别是通孔)，并用导电材料至少部分地填充该至少一个孔。因此，散热模块还可以用于通过延伸通过散热模块的导电材料建立电力互连。
在一实施方式中，导电材料与部件承载件材料在散热模块上方和下方的至少两个导电层结构电耦接，从而形成延伸通过散热模块的导电竖向互连件。相应地，制造方法可以包括通过导电材料将部件承载件材料的两个导电层结构在竖向上电互连，该导电材料填充延伸通过散热模块的至少一个通孔。在这种优选实施方式中，可以通过延伸通过散热模块的金属填充的通孔建立在散热模块上方和下方的金属层结构的竖向互连。
在一实施方式中，部件承载件包括延伸(例如竖向地)通过散热模块的导电材料。优选地，导电材料通过电绝缘材料与散热模块(优选地与碳结构)电解耦。因此，可以沿着经由导电材料的短路径将电信号或供电电流传输通过散热模块。但是，碳结构可以保持密闭密封。
根据下文描述的实施方式的实施例将理解本发明的上述方面和其他方面，参考这些实施方式的实施例对这些方面和其他方面进行解释。
图1示出了根据本发明的示例实施方式的用于部件承载件的散热模块的截面图。
图2示出了根据本发明的示例实施方式的具有散热模块的柔性部件承载件的截面图。
图3示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有嵌入式电子部件的部件承载件的截面图。
图4和图5示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件的构成部分的不同截面图，其中，这些构成部分是散热模块的预成型件以及所制造的形状可调整的散热模块。
图6示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有嵌入式电子部件和集成散热模块的部件承载件的截面图。
图7至图9示出了根据本发明的其他示例实施方式的具有嵌入式散热模块的部件承载件的截面图，还指示了热流动方向。
图10示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有嵌入式散热模块和散热器的部件承载件。
图11示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有集成散热模块的部件承载件的截面图。
图12示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有集成散热模块的所制成部件承载件的截面图。
图13和图14是示出了根据本发明的示例实施方式的具有散热模块的部件承载件的冷却性能的图。
图15至图17示出了根据本发明的其他示例实施方式的具有嵌入式散热模块的部件承载件的截面图。
图18至图20示出了在实施根据本发明的示例实施方式的制造部件承载件的方法期间得到的具有嵌入式散热模块的部件承载件的预成型件的截面图。
图21示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有被导电结构穿过的嵌入式散热模块的部件承载件的截面图。
附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，类似或相同的元件设置有相同的附图标记。
在参考附图更详细地描述示例实施方式之前，将总结展开了本发明的示例实施方式所基于的一些基本考量。
根据本发明的示例实施方式，提供了一种制造具有作为导热结构的(特别是热解的)石墨结构(特别地为片)的可靠部件承载件(诸如印刷电路板，PCB)的方法。
由于其巨大的热导率(超过1000W/(mK))，热解石墨片可以适当的实施在部件承载件中。在PCB堆积体中将这种材料实施作为导热模块可以在PCB级上显著改变热管理的效率。这对于空间受限的移动应用诸如智能电话、强力笔记本电脑、平板电脑以及运动型摄像机来说是特别有利的。
但是，单独的热解石墨片有非常容易与PCB材料脱层的倾向。由于这种材料特性，因此在需要高可靠性时，仅通过将热解石墨片附接至部件承载件材料(诸如包括树脂的材料，例如预浸料)将其直接嵌入部件承载件材料是不可能的。
然而，根据本发明的示例实施方式，提供了用于在部件承载件内实施的散热模块，其中，这种散热模块由完全围封在介电壳体(例如由液晶聚合物材料制成)内的热解石墨片构成。介电壳体使部件承载件免受导电热解石墨片与PCB电装置之间不期望的交互，并具有足够的粘附能力，以用于防止散热模块与相邻部件承载件材料之间脱层。因此，提供了基于热解石墨片的散热模块，其能够满足部件承载件诸如PCB的可靠性需求(特别是与回流和焊接相关的温度应力)。
随着在PCB本体中实施热解石墨片，出现的其他挑战有：
-附接至芯材料(在许多情况下为FR4)的热解石墨片无法在PCB制造期间直接被适当构造。原因涉及因产生可能高度导电的石墨粉造成生产线可能交叉污染。
-热解石墨片是导电的，并且应与成品PCB中的铜网络的其余部分隔离。
-应在部件承载件/热解石墨片制造中实施特殊堆积体，以便形成对于热机械应力而言可靠(即，具有小的CTE失配)的部件承载件。
为了将热解石墨片可靠且成功地集成入部件承载件堆积体中，应解决上述挑战。解决在部件承载件诸如PCB中实施热解石墨片的上述头两个挑战的第一种可能是根据应用的热要求及其布局来对热解石墨片层进行定制。
可以通过形成额外的设计实现这一点，该额外的设计可以基于原部件承载件设计。例如，可以直接对热解石墨片进行激光切割或机械切割来制作热解石墨片层。热解石墨片设计可以做成以避免部件承载件的层之间的铜互连。可以通过一个或多个基准实现热解石墨片层在部件承载件上的对齐。热解石墨片的材料可以嵌入介电壳体中，优选地其间具有粘附促进剂或预涂层(primer，底物)。如此获得的散热模块可以作为整体附接至部件承载件材料，诸如环氧树脂、铜和粘结剂。
根据期望的应用，可以利用激光或机械过程对被涂覆的热解石墨片进行图案化或结构化。该设计应使得避免热解石墨片与印刷电路板中的电网络接触。在结构化过程后，热解石墨片可以在切割边缘处保持无保护。为了隔离这些敞开边缘，可以利用层压过程对结构化材料进行覆盖。在该环境下，可以使用聚酰胺(例如薄至5μm)或B阶材料。
此时，受保护的结构化热解石墨片材料就可以嵌入部件承载件材料(诸如PCB本体)中。的结构化热解石墨片材料在层压后可以在预限定互连点处正常钻削和切割。
在部件承载件中实施热解石墨片的另一种可能是在特定方向上需要导热的情况下使用热解石墨片。对应的散热模块或嵌体可以用于替代主要用于热消散的重且厚的铜嵌体。热可以从热点被发送到散热模块或嵌体中，散热模块或嵌体具有到铜结构上的铜过孔(诸如经镀覆的通孔或经填充的过孔)，铜结构可以覆盖热解石墨片或其他碳结构。为了降低整个堆积体在z方向上的热阻，可以使热点的面积相对较大。对使用0.5W/mK的热导率的散热模块或嵌体中的25μm厚的绝缘材料进行的粗略估计显示大约0.5Kcm2/W的热绝缘值。但是，取决于特殊要求，嵌体的绝缘材料的厚度可以减小三倍。这种实施的一种变型是在用于无法使用铜币或嵌体的应用的整个部件承载件中将其用作有效的传热装置。这样，可以在部件承载件主表面的平面中使用热解石墨片或者以垂直于部件承载件主表面的方式使用热解石墨片，这形成紧凑的架构。因此，还可以在用于智能电话的部件承载件中使用热解石墨片。对应的堆积体还可以是刚挠结合的堆积体。在另一实施方式中，散热模块或热解石墨片嵌体还可以用在柔性PCB中(例如安装在散热器上或金属支撑件(例如铝)上)。
为了解决上文所列的所述最后的挑战，可以有利地使用低CTE的预浸料，以便在碳结构的基础上将散热模块或嵌体插入具有高可靠性的PCB中。
对基于热解石墨片的散热模块的热性能进行了测量和模拟。这种测量清楚地表明构造中存在热解石墨片或箔可以改善其散热性能。因此，部件承载件中热点的整体温度可以显著降低，例如降低40％或者更多。另外，进行的模拟在质量上也与所述测量中测得的数据一致。
根据本发明的示例实施方式，部件承载件诸如PCB中的热解石墨片或层可以使热传输更高效，因为其热导率可以显著比铜的热导率大(例如约四倍)。
在一实施方式中，提供了一种生产方法，该生产方法可以避免由于设施中形成石墨粉造成制造线中交叉污染。
此外，可以执行在部件承载件中嵌入导电热解石墨片，使得其保持与部件承载件中的导电(特别地是铜)网络隔离开。
在一实施方式中，设置碳结构诸如热解石墨片有利地提供了热导率高的非常薄的方案。
例如，热解石墨片可以作为常规嵌体嵌入现有PCB堆叠体中，设计限制较少。
实施有热解石墨片或其他碳结构的印刷电路板可以管理比常规PCB大量的热。特别地，具有一个或多个热解石墨片的PCB可以比常规方法更高效地处理热点。
此外，由于用介电壳体围封热解石墨片，因此示例实施方式降低了生产线中和PCB中石墨粉污染的风险。
因此，在电和热管理方面可以提供多功能PCB或其他部件承载件。
本发明的示例实施方式可以实施在例如汽车应用、照明应用、移动设备或功率电子装置中。这些和其他应用要求越来越有效的板内热管理方案。此外，需要在移动设备(诸如智能电话、平板电脑、摄像机、强力笔记本电脑等)中实施热解石墨片或其他碳结构。
PCB级的散热在电子行业中已成为非常重要的话题。此外，改善PCB级的散热将例如通过对流增加冷却并增强PCB和冷却系统(诸如散热器)之间的接合处的热传输，等等。可以在根据本发明的示例实施方式的部件承载件中实施的热解石墨片材料可以携带大量的热。其热导率可以比铜胜过约四倍。
虽然热解石墨片在热导率方面表现突出，但该材料非常脆、在部件承载件中用作单个层不可靠。然而，密闭且完全周向地被介电壳体包围的热解石墨片可以可靠地嵌入PCB或其他部件承载件中，并用作散热层。
图1示出了根据本发明的示例实施方式的用于部件承载件100的散热模块102的截面图。
所示的散热模块102包括层型石墨结构104，该层型石墨结构密闭地围封在完全包围的介电壳体106内，该介电壳体围绕石墨结构104的整个周界密闭地密封该石墨结构。石墨结构104在此处被实施为热解石墨的平面层，高导热和导电。在所示实施方式中，整个介电壳体106由相同的非PCB材料同质制成。介电壳体106可以由柔性或可弯曲的电绝缘材料诸如液晶聚合物或聚酰亚胺制成。此外，散热模块102还包括粘附促进剂114的可选层，粘附促进剂促进粘附并且被布置作为石墨结构104与介电壳体106之间的表面涂层。粘附促进剂114确保石墨结构104与介电壳体106彼此适当粘附，不脱层。另外，散热模块102包括附接至介电壳体106的两个相反主外部表面的铜箔形式的导电层结构110。
特别地，在不存在可选的粘附促进剂114时，介电壳体106还可以由粘附促进材料制成。
还可以的是，在存在粘附促进剂114时，该粘附促进剂可以由粘附材料(例如基于环氧树脂的粘附材料)制成。
此外，还可以的是，在存在粘附促进剂114时，粘附促进剂可以具有硫醇基。硫醇可以表示为含碳结合巯基或氢硫基(-C-SH或R-SH)(其中，R代表烷基或其他有机取代基)的有机硫化合物。这种硫化合物经证明能够有效地促进粘附。然而，也可以实施其他粘附促进材料。粘附促进剂可以用作添加剂或预涂层，以促进碳结构和介电壳体的粘附。有利地，粘附促进剂114的材料相对于石墨结构104的材料和介电壳体106的材料应具有高亲和力。还优选的是粘附促进剂114的材料在宽泛的温度范围内是温度稳定的。
根据图1的散热模块102可以按此采用，并可以在要求突出冷却性能的可选地点(参见例如图3)在部件承载件的任何期望位置处实施(例如可以层压)。
图2示出了根据本发明的示例实施方式的具有散热模块102的柔性部件承载件100的截面图。图2中所示的结构非常简单，但在没有附加设置的情况下可以用作柔性板。
如从图2与图1的对比可以看出，通过简单地对导电层结构110(此处为铜箔)进行图案化，从而在介电壳体106上形成电导体结构116(诸如导电迹线)，可以在根据图1的散热模块102的基础上制造柔性板型部件承载件100。部件承载件100的电性能由电导体结构116提供，而部件承载件100的热性能由石墨结构104(其可以可替代地为任何其他类型的碳结构或同样导电的任何其他薄的高导热材料)提供。通过使附图标记为104和116的高导电元件彼此电解耦，介电壳体106保证了高的电力可靠性。同时，介电壳体106与片状石墨结构104一起使部件承载件100可弯曲。得益于粘附促进剂114和介电壳体106，可以抑制或防止在下述两方面之间直接接触的情况下可能出现的不期望的脱层现象：两方面的一方面为碳结构104，两方面的另一方面为导电结构116。
因此，图2中所示的部件承载件100由仅石墨结构104、密闭围封该石墨结构104的介电壳体106、介电壳体106上的图案化电导体结构116以及布置在石墨结构104与介电壳体106之间并促进其间的粘附的粘附促进剂114构成。电导体结构116上可以安装电子部件(参见图3中的附图标记118)。
图2示出了可以根据本发明的示例实施方式制造具有突出热性能的高度紧凑的柔性板。
在一实施方式中，图2中所示的部件承载件100可以用作另一部件承载件的嵌体(例如按照图6中所示的对应方式)。换言之，根据图2的部件承载件100可以形成板中板设备的部分。
图3示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有嵌入式电子部件118的部件承载件100的截面图。所示部件承载件100是具有层压式构成部分的板型印刷电路板。
图3中所示的部件承载件100包括示意示出的部件承载件材料130，该部件承载件材料为导电层结构110(由铜制成)和电绝缘层结构112(由预浸材料或FR4材料即树脂基质中的玻璃纤维制成)的堆叠体108(对照细节图140)的形式。在堆叠体108中，两个散热模块102——例如如图1中所示的构成——分别嵌入在嵌入式电子部件118(诸如半导体芯片)的上方和下方，。从图3可以看出，电子部件118竖向位于两个散热模块102之间，使得在电子部件118的运行期间生成的热可以被散热模块102有效地移除，从而防止电子部件118过热。
图4和图5示出了根据本发明的示例实施方式的部件承载件100的构成部分的不同截面图，其中，这些构成部分是散热模块102的预成型件以及所制造的散热模块102。
参照图4，以截面图和平面图示出了围封在介电壳体106内的石墨结构104，其中，所示的布置指示了待形成的凹部152的位置，在所制造的部件承载件100中的该位置处不应存在石墨结构104。还示出了用于对准的基准154(更准确地，用于在部件承载件100上对齐石墨结构104)。
参照图5，示出了对石墨结构104进行图案化(例如通过激光或机械或化学过程)以用于在石墨结构104中物理地形成凹部152的过程的结果。因此，可以对用介电壳体106的介电材料涂覆的石墨结构104进行处理，以露出石墨结构104的部分，即，移除材料的区域附近的边缘。随后，可以用另外的介电材料132覆盖石墨结构104的露出部分，从而封闭或完成石墨结构104的介电壳体106。这允许用任何期望形状的石墨结构100——特别是仅存在于一个或多个岛状区域中但被介电壳体106完全封装——制造散热模块102。因此，图5示出了之前无保护的、层压后用介电材料覆盖的结构化石墨结构104。
图6示出了根据本发明的示例实施方式的具有两个表面安装的(另外地或可替代地为嵌入式)电子部件118和集成散热模块102的部件承载件100的截面图。
因此，根据图6的部件承载件100具有两个电子部件118，该两个电子部件在部件承载件100的运行期间作为热点，即，生成大量的热。可以根据图4和图5所述制造的两个散热模块102嵌入在导电层结构110以及电绝缘层结构112的堆叠体108中。如图6中用水平箭头所示，通过在堆叠体108的相对侧向边缘处的散热模块102提供相应的热移除通道。导电竖向互连结构120——此处实施为(一个或多个)铜过孔并形成电网络156——将散热模块102上方的部分和该散热模块下方的部分电连接。如图6中另外的箭头所指示的，导电层结构110和竖向互连结构120的铜材料也有助于热移除。
电绝缘层结构112包括例如树脂(特别是环氧树脂)和纤维(特别是玻璃纤维)的混合物，特别是预浸材料或FR4材料。优选地，电绝缘层结构112由低收缩材料——即，在存在压力时或在冷却期间仅有很小的收缩倾向的材料——制成。另外，电绝缘层结构112应由热膨胀系数低的例如低于10ppm/K的材料制成。这使热失配较小。此外，电绝缘层结构112应由杨氏模量值低(优选地在250℃低于10GPa)的材料制成。足够软的介电材料减小了应力，并且防止不期望的脱层。
图7、图8和图9示出了根据本发明的其他示例实施方式的具有嵌入式散热模块102的部件承载件100的部分的截面图，还通过箭头指示了热流动方向。出于全面考虑，合理的是强调图7、图8和图9的铜过孔也可以是通孔。通孔式铜过孔可以如图6中所述的进行绝缘。
参照图7，提供了嵌入式散热模块102(也可以指示为具有热解石墨的嵌体)与热过孔158(可以由铜制成)直接连接的部件承载件100。根据图7的箭头再次示出了热流动。
参照图8，示出了具有散热模块102的大致Z形弯曲的石墨结构104的部件承载件100。石墨结构104包括两个平行的水平对准区段160、162，这两个区段经由其间的一个垂直竖向对准的区段164连接。因此，根据图8的实施方式示出了可以用于垂直于石墨结构104的表面传输热的散热模块102。参照图9，提供了用刚挠结合的构造实现热传输的部件承载件100。根据图9，可以例如表面安装热源166(诸如摄像机模块)，如用虚线所示。此处的热源166还可以有利地安装在该组过孔158中。这样的原因是箭头所示的热流动。
图10示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有嵌入式散热模块102和散热器122的部件承载件100。附加设置的散热器122——例如由铝或铜制成——与散热模块102(此处可以实施为柔性的热解石墨嵌体)热耦接。散热器122包括具有集成形成的冷却翅片170的高导热材料的实体168。因此，根据图10的实施方式示出了作为柔性PCB安装在散热器122上的散热模块102。
图11示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有集成散热模块102的部件承载件100的截面图。根据图11，散热模块102(如上所述)被按压在具有铜的两个芯之间。更具体地，散热模块102的上主表面和下主表面均与相应的预浸料层172(可以是低CTE预浸料)和相应的芯174(诸如FR4)按压在一起，预浸料层和芯分别由相应的导电层结构110(特别地为铜箔)彼此隔开。在图11中未示出在石墨结构104与介电壳体106之间的可选的有利预涂层或粘附促进层。
图12示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有集成散热模块102的所制成的部件承载件100的截面图。根据图12的散热模块102已用功率2W的二极管作为热源进行了测试。
图13和图14是示出了根据本发明的示例实施方式的具有图12的散热模块102的部件承载件100的冷却性能的图1300、1400。
参照图13，图1300具有横坐标1302，沿着横坐标以分钟标绘了时间。沿着纵坐标1304，以摄氏度标绘了温度。因此，图13示出了热源的温度随时间变化。第一曲线1306与铜材料相关。第二曲线1308与散热模块102的石墨结构104相关。
参照图14，所示的图1400以曲线1402标绘了铜模拟件与具有热解石墨的示教者(demonstrator，证明者)之间的温度差异。
因此，图13和图14示出了测量结果，其中，热解石墨片嵌体或散热模块102集成在如图12中所述的简单堆积体中。在堆积体中有热解石墨片嵌体以及没有热解石墨片嵌体的情况下对同一结构进行了测量。图13示出了两种情况下定位在样本中心的热点的温度(铜指没有热解石墨片嵌体的样本，其中，热传输仅依靠于铜箔)。清楚的是，热解石墨片层改善了结构的平面内的温度传输，通过对流促进了冷却。这解释了测得的较低温度。图14示出了两个样本随时间变化的温度差异。在稳定状态下，温度差异稳定在14K。认为当用有效的铜填充过孔将热解石墨片嵌体连接至热点时，可以甚至更多地改善热解石墨片嵌体的温度性能。
图15至图17示出了根据本发明的其他示例实施方式的具有嵌入式散热模块102的部件承载件100的截面图。
参照图15，示出了其中散热模块102(可以如上所述地构成)的两个相反主表面被对称地覆盖的布置。散热模块102的主表面分别在第一区段被电绝缘层结构112(诸如预浸料)覆盖，在第二区段被释放层180覆盖。然后，用相应的芯174(诸如完全固化的树脂、FR4等)覆盖相应的电绝缘层结构112和并置的释放层180。沿切割线182切割时，可以移除芯174在释放层180上方和下方的部分。由于释放层180与相邻材料缺少粘附的性质，沿切割线182切割后可以直接移除芯174的部分。图16中示出了结果。
参照图16，然后在参照图15所述的切割后得到的结构就可以与另外的芯174、另外的电绝缘层结构112(可以由预浸料制成)和电子部件118(诸如以板中板实施的PCB嵌体)层压在一起。
参照图17，示出了如何可以得到散热模块102的弯曲结构，例如具有根据图15和图16的架构。
图18至图20示出了在实施根据本发明的示例实施方式的制造部件承载件100的方法期间得到的具有嵌入式散热模块102的部件承载件100的预成型件的截面图。
参照图18，在图1所示的散热模块102中形成了一个或多个通孔188。通孔188可以例如通过机械钻削、通过激光钻削、通过铣削等形成。作为形成通孔188的替代方案，还可以在散热模块102中形成一个或多个盲孔，例如用于改善所制造的部件承载件100的散热性质。作为另一替代方案，还可以通过在散热模块102中嵌入与周围材料粘附性质不佳的释放层(未示出，例如由蜡质或聚四氟乙烯基材料制成)形成盲孔或通孔188。然后，可以在散热模块102中形成一直延伸至释放层的周向孔。考虑到释放层与周围材料的材料粘附性差，那么可以将散热模块102在释放层上方的和由周向孔周向限制的一块散热模块取出，从而完成孔188的形成。
在形成一个或多个孔188后，有利的可以是在进一步加工前对该一个或多个孔188的壁进行光滑化。例如，可以用激光处理进行这种光滑化，激光处理可以例如移除石墨材料在相应孔188内露出的部分。通过采用这种措施，可以减小在所制造的部件承载件100的运行期间的机械应力，可以抑制任何脱层倾向，并且可以防止电力短路。对于这种光滑化程序的另外或替代方案，可选地还可以通过侧壁涂层192(其可以由电绝缘材料或导电材料制成)涂覆或覆盖该一个或多个孔188的露出侧壁。
参照图19，通孔188填充有导电材料190诸如铜。这可以例如通过镀覆、通过无电沉积、通过镀锌等完成。
参照图20，图19中所示的修改的散热模块102嵌入部件承载件材料130中，从而得到根据本发明的示例实施方式的部件承载件100。特别地，通孔188填充有导电材料190的散热模块102可以嵌入(特别地通过层压嵌入)一个或多个电绝缘层结构112和/或一个或多个导电层结构110中。通过采用这种措施，可以建立竖向延伸通过散热模块102的导电连接。这可以使电路径短，可以形成紧凑的部件承载件100，并允许保持低的欧姆损失。在所示实施方式中，部件承载件100的两个相反主表面上的导电层结构110可以通过延伸通过散热模块102的导电材料190电互连。
因此，通过在散热模块102中钻出至少一个通孔188并用导电材料190(特别是铜)至少部分地填充通孔188，可以实现散热模块102上方和下方的导电迹线之间的互连。
图21示出了根据本发明的另一示例实施方式的具有被导电材料190形式的导电结构穿过的嵌入式散热模块102的部件承载件100的截面图。如从图21可以看出，电绝缘侧壁涂层192使导电材料190与散热模块102特别是与石墨结构104电解耦且机械解耦。结果，特别是在电绝缘侧壁涂层192由与介电壳体106或粘附促进剂114相同的材料制成的情况下，石墨结构104保持密闭密封。有利地，导电材料190形成延伸通过散热模块102的金属连接(在侧向上被电绝缘侧壁涂层192电绝缘)。例如，该导电材料190可以用于传输电信号或电流通过散热模块102。
应注意的是，术语“包括(comprising)”不排除其他元素或步骤，“一(a)”或“一(an)”不排除复数。另外，可以组合与不同实施方式相关的元件。
还应注意的是，权利要求中的附图标记不应理解为限制权利要求的范围。
本发明的实施不限于附图中的和上述的优选实施方式。相反，可以有使用根据本发明的所示方案和原理的多种变型，即使是在基础不同的实施方式的情况下。

Claims (38)

1.一种部件承载件(100)，包括：
部件承载件材料(130)；以及
散热模块(102)，所述散热模块包括介电壳体(106)和碳结构特别是石墨结构(104)，所述碳结构被围封在所述介电壳体(106)内，以禁止所述碳结构与所述部件承载件材料(130)之间的接触。
2.根据权利要求1所述的部件承载件(100)，其中，所述碳结构特别是所述石墨结构(104)是碳片，特别地为石墨片。
3.根据权利要求1或2所述的部件承载件(100)，其中，所述石墨结构(104)包括热解石墨或由热解石墨构成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述部件承载件材料(130)包括至少一个导电层结构(110)和/或至少一个电绝缘层结构(112)的堆叠体(108)，其中，所述散热模块(102)安装在所述堆叠体(108)上和/或嵌入所述堆叠体中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述介电壳体(106)密闭地密封所述碳结构特别是所述石墨结构(104)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的部件承载件(100)，其中，整个所述介电壳体(106)由相同材料同质地制成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述介电壳体(106)包括由下述构成的组中的至少一种：柔性材料、热塑材料、聚酰亚胺和液晶聚合物。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的部件承载件(100)，还包括粘附促进剂(114)，所述粘附促进剂促进所述碳结构特别是所述石墨结构(104)与所述介电壳体(106)之间的粘附并布置在所述碳结构特别是所述石墨结构与所述介电壳体之间。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述介电壳体(106)由粘附促进材料制成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述介电壳体(106)和所述粘附促进剂(114)中的至少一个包括粘附材料。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述散热模块(102)包括在所述介电壳体(106)上和/或上方的至少一个电导体结构(116)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的部件承载件(100)，还包括安装在所述部件承载件材料(130)上和/或嵌入所述部件承载件材料中的电子部件(118)。
13.根据权利要求12所述的部件承载件(100)，其中，所述电子部件(118)被定位成邻近所述散热模块(102)，使得在所述电子部件(118)的运行期间生成的热至少部分地由所述散热模块(102)移除。
14.根据权利要求12或13所述的部件承载件(100)，其中，所述电子部件(118)选自由下述构成的组：有源电子部件、无源电子部件、电子芯片、存储设备、过滤器、集成电路、信号处理部件、功率管理部件、光电子接口元件、电压转换器、加密部件、发射器和/或接收器、机电换能器、传感器、致动器、微机电系统、微处理器、电容器、电阻器、电感、电池、开关、摄像机、天线、磁性元件和逻辑芯片。
15.根据权利要求4至14中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述至少一个电绝缘层结构(112)由低收缩材料制成。
16.根据权利要求4至15中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述至少一个电绝缘层结构(112)由具有低热膨胀系数的材料制成。
17.根据权利要求16所述的部件承载件(100)，其中，所述电绝缘层结构(112)的材料具有在1ppm/K至10ppm/K之间的范围内的热膨胀系数值。
18.根据权利要求4至17中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述至少一个电绝缘层结构(112)由具有低杨氏模量值的材料制成。
19.根据权利要求18所述的部件承载件(100)，其中，所述至少一个电绝缘层结构(112)的材料具有在250℃小于15GPa特别地在250℃小于10Gpa的杨氏模量值。A
20.根据权利要求4至19中任一项所述的部件承载件(100)，包括嵌入所述堆叠体(108)中的至少两个散热模块(102)，其中在所述堆叠体(108)的侧向边缘处具有相应的热移除通道，其中，至少一个导电竖向互连结构(120)将所述散热模块(102)上方的部分与所述散热模块下方的部分电连接。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述碳结构特别是所述石墨结构(104)包括由下述构成的组中的至少一种：平面层，以及具有至少一个水平层区段(160、162)和竖向区段(164)的连续结构。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的部件承载件(100)，还包括与所述散热模块(102)热耦接的散热器(122)。
23.根据权利要求4至22中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述至少一个导电层结构(110)包括由铜、铝和镍构成的组中的至少一种。
24.根据权利要求4至23中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述至少一个电绝缘层结构(112)包括由下述构成的组中的至少一种：树脂，特别是环氧树脂、双马来酰亚胺-三嗪树脂；氰酸酯；玻璃，特别是玻璃纤维；预浸材料；聚酰亚胺；聚酰胺；聚四氟乙烯；液晶聚合物；环氧基积层膜；FR4材料；FR5材料；陶瓷和金属氧化物。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述部件承载件(100)被成形为板。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的部件承载件(100)，其中，所述部件承载件(100)被构造为由印刷电路板和IC基板构成的组中的一个。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的部件承载件(100)，被构造为层压型部件承载件(100)。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的部件承载件(100)，包括延伸通过所述散热模块(102)的导电材料(190)，所述导电材料通过电绝缘材料(192)特别地与所述散热模块(102)电解耦，更特别地与所述碳结构电解耦。
29.一种部件承载件(100)，包括下述或由下述构成：
碳结构，特别是石墨结构(104)；
介电壳体(106)，所述介电壳体密闭地围封所述碳结构特别是所述石墨结构(104)；
在所述介电壳体(106)上的图案化的电导体结构(116)。
30.根据权利要求29所述的部件承载件(100)，包括粘附促进剂(114)，所述粘附促进剂布置在所述碳结构特别是所述石墨结构(104)与所述介电壳体(106)之间并促进所述碳结构特别是所述石墨结构与所述介电壳体之间的粘附。
31.根据权利要求29或30所述的部件承载件(100)，其中，所述部件承载件(100)是柔性的和/或可弯曲的。
32.一种将根据权利要求29至31中任一项所述的部件承载件(100)用作待嵌入较大部件承载件中的嵌体的方法。
33.一种制造部件承载件(100)的方法，其中，所述方法包括：
提供散热模块(102)，所述散热模块包括由介电壳体(106)围封的碳结构特别是石墨结构(104)；以及
将所述散热模块(102)集成在部件承载件材料(130)中。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述方法包括将至少一个导电层结构(110)和/或至少一个电绝缘层结构(112)的堆叠体(108)与所述散热模块(102)互连。
35.根据权利要求33或34所述的方法，其中，所述方法包括：
对涂覆有介电材料的所述碳结构特别是石墨结构(104)进行图案化，从而露出所述碳结构的一部分；
随后用另外的介电材料(132)覆盖所述碳结构特别是石墨结构(104)所露出的部分，从而完成所述碳结构的所述介电壳体(106)。
36.根据权利要求33至35中任一项所述的方法，其中，所述方法包括：
在所述散热模块(102)中形成至少一个孔(188)，特别是通孔(188)；
用导电材料(190)至少部分地填充所述至少一个孔(188)。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述方法包括：通过所述导电材料(190)填充延伸通过所述散热模块(102)的所述至少一个通孔(188)，使所述部件承载件材料(130)的两个导电层结构(110)在竖向上电互连。
38.一种使用散热模块(102)移除印刷电路板的电子部件(118)的热的方法，所述散热模块包括由介电壳体(106)围封的碳结构特别是石墨结构(104)。
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