CN116918061A - 石墨片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开所要解决的问题是提供一种能够通过降低在石墨片表面处的接触热阻而降低接触热阻的石墨片。石墨片(11)由在厚度方向上层叠的多个石墨层形成。构成石墨片(11)的除最外层以外的层的石墨层的至少一部分在构成最外层的石墨层的表面上暴露。石墨片(11)的通过SAICAS法在0.5‑19μm的深度范围内测量的表观剪切强度为0.1‑0.5MPa。

Description

石墨片及其制造方法
技术领域
本公开总体上涉及石墨片以及制造石墨片的方法，并且更具体地涉及夹在发热部和冷却构件之间的石墨片以及用于制造这样的石墨片的方法。
背景技术
近来，使用电动机作为其主要或辅助驱动源(即牵引电动机)的电动汽车和混合动力汽车已经以日益增长的数量投放市场。将绝缘栅双极晶体管(IGBT)用作逆变器以控制其电动机，并且例如利用螺栓附接至冷却构件以散发所产生的热量。
专利文献1是教导了这样的散热技术的文献之一。专利文献1公开了一种具有散热部的电源模块。电源模块包括基板、与基板结合的陶瓷绝缘基底和结合到陶瓷绝缘基底上的半导体元件。散热部附接至电源模块以经由散热片面向基板。专利文献1教导了将基板的与陶瓷绝缘基底相反的表面的平面度设定为20μm以下。
根据另一种技术，使用润滑脂将热量从IGBT平稳地传递至冷却构件。然而，当使用润滑脂时，导热性不够高。另外，当IGBT重复发热和冷却的循环时，IGBT膨胀而逐渐地将润滑脂从IGBT挤出，由此可能造成导热性下降。根据又一种技术，通过夹入固体导热片比如石墨片来传递热量。然而，如果利用螺栓来紧固这样的石墨片，则石墨片表面上相对于IGBT和冷却构件的接触热阻增大，由此阻止热量充分地传递。
用于这种目的的石墨片可以通过例如经过热解将聚合物膜变为石墨来获得。在变为石墨时，例如，将聚合物膜在高达2600℃的温度进行烧制。此时，在石墨片表面附近的结晶度更显著地提高而增大表面的硬度。因此，石墨片与IGBT或冷却构件接触的部分过硬而无法充分接触，由此造成接触热阻增大。
引用清单
专利文献
专利文献1：JP 2019-067801 A
发明内容
因此，本公开的一个目的是提供能够将表面的接触热阻降低到实现充足的散热效果的程度的石墨片以及用于制造这样的石墨片的方法。
在根据本公开的一个方面的石墨片中，多个石墨层在厚度方向上彼此层叠。所述多个石墨层包括：构成所述石墨片的最外层的第一石墨层；和不同于所述第一石墨层的第二石墨层。所述第二石墨层的至少一部分通过所述第一石墨层的表面而暴露。
根据本公开的一个方面的石墨片的通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度为等于或大于0.1MPa且等于或小于0.5MPa。
根据本公开的又一个方面的用于制造石墨片的方法包括：第一步骤：获得石墨基材；和第二步骤：通过除去在所述第一步骤中获得的石墨基材的表面部分来形成石墨片。
附图说明
图1是根据一个示例性实施方案的石墨片的表面的扫描电子显微镜照片；
图2是所述石墨片在其表面部分被除去之前的表面的扫描电子显微镜照片；以及
图3是示出如何测量根据该示例性实施方案的石墨片的表观剪切强度的示意图。
具体实施方式
(1)概要
现在将描述根据本公开的一个示例性实施方案的石墨片以及用于制造石墨片的方法。注意，以下描述的实施方案仅是本公开的一个示例，并且不应被解释为限制性的。而是，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实施方案。
通常，例如，可以将石墨片夹在IGBT和冷却构件之间，并且利用螺栓紧固，由此在压缩石墨片的同时使石墨片与IGBT和冷却构件紧密接触。以此方式，石墨片可以用于将由IGBT产生的热量平稳地传递至冷却构件。通常，石墨片通过在高温进行烧制来形成。此时，在石墨片表面附近的结晶度更显著地提高而增大表面的硬度。因此，石墨片与IGBT或冷却构件接触的部分过硬而无法充分接触，由此造成接触热阻增大。
为了克服该问题，本发明人发现，例如通过除去经过在高温烧制形成的石墨基材的表面部分将该石墨基材的表面变为特定结构而制造的石墨片可以在所述表面处具有降低的接触热阻，并且实现充足的散热效果，由此想到了本公开的构思。
具体地，根据一个示例性实施方案的石墨片具有以下两种结构(1)和(2)中的任一种：
(1)通过将多个石墨层在厚度方向上彼此层叠形成的石墨片，其中多个石墨层包括：构成石墨片的最外层的第一石墨层；和不同于第一石墨层的第二石墨层，并且第二石墨层的至少一部分通过第一石墨层的表面而暴露；或
(2)通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度为等于或大于0.1MPa且等于或小于0.5MPa的石墨片。
例如，具有结构(1)的石墨片通过除去石墨基材的表面部分至出现这样的结构的程度而具有足够柔软的表面以降低该表面处的接触热阻，并且由此实现充足的散热效果。另一方面，例如，具有结构(2)的石墨片通过除去石墨基材的表面部分至表面变得具有这样的表观剪切强度的程度而具有足够柔软的表面以降低表面处的接触热阻，并且由此实现充足的散热效果。
根据本实施方案的用于制造石墨片的方法包括：第一步骤：获得石墨基材；和第二步骤：通过除去在第一步骤中获得的石墨基材的表面部分来形成石墨片。
根据本实施方案的用于制造石墨片的方法使得能够通过简单的方法来获得石墨片。
(2)详细内容
<石墨片>
根据本实施方案的石墨片11包括在厚度方向上彼此层叠的多个石墨层。如本文中使用的，“石墨层”是指形成单个解离面的石墨的层，并且包括单个或多个石墨烯层(优选地，一个至三个石墨烯层)。如本文中使用的“石墨烯层”是指其中碳原子排列形成六边形蜂窝网格的层，并且通常为单层。
图1是根据本实施方案的石墨片11的表面的扫描电子显微镜(SEM)照片。由图1可以看出，通过形成石墨片11的最外层的一个石墨层的表面，不同于形成最外层的所述石墨层的另一个石墨层的至少一部分暴露出来。由图1所示的SEM照片可以看出，石墨片11的最外石墨层的部分具有气隙，通过这些气隙看到在最外石墨层下方的另一个石墨层的表面。另外，还看到了在最外石墨层下方的石墨层的边缘部分。图2是与根据本实施方案的石墨片不同的石墨片在其表面部分被除去之前拍摄的表面的SEM照片。在图2所示的石墨片中，未识别出其中非最外石墨层通过最外石墨层而暴露的这种结构。
由图1所示的SEM照片可以看出，在石墨片11中，那些暴露的部分可以形成例如多个凹部。在表面上具有多个凹部的石墨片11可以与IGBT、冷却构件和其他构件更紧密地接触。这使得石墨片11能够进一步降低表面处的接触热阻，并且进一步改善散热效果。此外，在表面上的那些凹部使得能够利用树脂构件或任何其他合适的构件通过例如浸渍来形成复合结构。多个凹部的平均深度优选地等于或大于3μm且等于或小于30μm。使凹部的平均深度等于或大于3μm改善了石墨片11的表面的追从性(follow-up capability)，从而降低热阻。另外，其还使得甚至更容易利用树脂构件或任何其他合适的构件通过例如浸渍来形成复合结构。另外，使凹部的平均深度等于或小于30μm由于气隙不太宽而防止热阻增大。这也确保了石墨片11的足够的强度。因此，使凹部的平均深度在此范围内使得石墨片11能够具有进一步降低的接触热阻，由此也进一步改善散热效果。凹部的平均深度更优选地等于或大于5μm且等于或小于25μm，并且甚至更优选地等于或大于7μm且等于或小于20μm。如本文中使用的，“凹部的平均深度”是指在十个任意点处对于由照片(比如扫描电子显微镜照片)获得的多个凹部的相应深度计算的算术平均值。
凹部的平均等效直径优选地等于或大于30μm且等于或小于100μm。使凹部的平均等效直径在此范围内使得石墨片11能够进行甚至更紧密的表面接触，由此使得能够进一步降低表面处的接触热阻，并且进一步改善散热效果。凹部的平均等效直径更优选地等于或大于35μm且等于或小于80μm，并且甚至更优选地等于或大于40μm且等于或小于60μm。如本文中使用的，“凹部的平均等效直径”是指假设各凹部的开口的平面形状是与开口具有相同投影面积的圆形时，例如在十个任意点处计算的圆形的直径的算术平均值。
单位面积的凹部的的平均数优选地等于或大于5个/mm2且等于或小于30个mm2。使凹部的平均数在此范围内使得石墨片11能够进行甚至更紧密的表面接触，由此使得能够进一步降低表面处的接触热阻，并且进一步改善散热效果。单位面积的凹部的平均数更优选地等于或大于5个/mm2且等于或小于25个/mm2，并且甚至更优选地等于或大于10个/mm2且等于或小于20个/mm2。如本文中使用的，“凹部的平均数”可以由例如表示石墨片11的一定范围的表面的SEM照片获得。
另外，根据本实施方案的石墨片11通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度为等于或大于0.1MPa且等于或小于0.5MPa。因为从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度在此范围内，所以根据本实施方案的石墨片11可以具有足够软的表面。这使得石墨片11中石墨片11与IGBT或冷却构件接触的部分能够在压力下容易地变形而与IGBT或冷却构件紧密接触。因此，可以降低表面处的接触热阻，并且因此，实现了充足的散热效果。如果该表观剪切强度大于0.5MPa，则不能充分地降低接触热阻。另一方面，如果表观剪切强度小于0.1MPa，则该表面会易划伤并且难以处理。表观剪切强度优选地等于或大于0.2MPa且等于或小于0.5MPa，并且更优选地等于或大于0.3MPa且等于或小于0.5MPa。
如本文中使用的，SAICAS法是一种被称为“表面和界面切割分析系统(surfaceand interfacial cutting analysis systems)”法的评价方法，其包括使用具有锋利刀刃的刀片以低速从材料的表面部分切割材料。图3是示出如何测量根据该示例性实施方案的石墨片的表观剪切强度的示意图。在图3中，箭头D表示斜向切割石墨片，并且箭头d表示位移。使用SAICAS法使得能够测量在切割石墨片11的表面部分时施加至切割刀片的水平力(Fh)和垂直力(Fw)，并且还使得能够基于施加至切割刀片12的水平力(Fh)、切割刀片12的切角和切割刀片12的横截面积来计算表面部分的表观剪切强度。具体地，将石墨片11固定到SAICASDN-20(由DAIPLA WINTES Co.,Ltd.制造)上，使用宽度为2mm、前角为20度且后角为10度并且由氮化硼制成的刀片，并且在恒定速度模式中，将切割速率设定为水平方向0.5μm/s且垂直方向0.05μm/s。将水平载荷变得等于或大于0.002N的点设为切割刀片12与石墨片11接触的点。从该点开始，测量垂直地进行达到19μm的深度，由此计算从0.5μm的深度到19μm的深度的表观剪切强度。表观剪切强度通过下式计算：
其中，t是表观剪切强度，Fh是水平力，A是切割刀片的横截面积，并且是剪切角。
如果测量需要进行至甚至更深的区域，则进一步继续测量以基于各个深度之间的倾斜度来计算表观剪切强度。
另外，优选地满足0.5≤F1/F2<1，其中F1是从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度，并且F2是当石墨片的厚度为2a时从20μm的深度到a的深度测量的表观剪切强度。也就是说，优选的是F1小于F2。这使得石墨片11能够具有更加足够软的表面部分，由此改善凹部的追从性，并且由此进一步降低接触热阻。如果F1等于或大于F2，则表面部分会如此之硬以致于造成凹部的追从性降低并且造成接触热阻增大。此外，优选地满足F1/F2≥0.5。这使表面部分难以划伤，并且改善了石墨片11的可处理性。另一方面，如果F1/F2小于0.5，则表面部分会容易划伤，并且石墨片11会难以处理。
根据本实施方案的示例性石墨片11可以具有约200μm的厚度和在向其施加600kPa的压力时约70％的压缩率。例如，石墨片11的通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度可以是0.4MPa。另一方面，例如，石墨片11的通过SAICAS法从20μm的深度到100μm的深度测量的表观剪切强度可以是0.5MPa。
例如，石墨片11可以具有等于或大于50μm且等于或小于2000μm的平均厚度，优选地具有等于或大于100μm且等于或小于1000μm的平均厚度，并且更优选地具有等于或大于200μm且等于或小于800μm的平均厚度。
另外，石墨片11在向其施加600kPa的压力时优选地具有等于或大于60％的压缩率。这使得能够充分地降低接触热阻。如本文中使用的，“压缩率”是指(T0–T1)/T0的百分比表示法，其中T0是初始厚度，并且T1是在移除了已经施加的600kPa的压力时的厚度。
接触热阻仅受在石墨片11的表面周围的区域影响。也就是说，内部区域对接触热阻几乎没有贡献。小的表观剪切强度表示石墨片处于软的状态。这表示密度低，并且热导率也低。这就是为什么与表面区域相比，内部区域优选地具有更大的表观剪切强度。
在本实施方案中，石墨片11的厚度为2a时从20μm的深度到a的深度测量的表观剪切强度可以是例如0.5MPa，其大于从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度。这不仅使得能够降低接触热阻，而且使得能够提高在石墨片11夹在IGBT和冷却构件之间并且例如利用螺栓紧固时的热导率。
石墨片11通常具有两个表面，即主表面和背面。石墨片11的主表面和背面均优选地具有上述特定结构。使主表面和背面均具有特定结构，从而使得两个表面都能够软到足以使石墨片11在两侧甚至更紧密地接触。这使得能够进一步降低表面处的接触热阻，由此进一步改善散热效果。
<用于制造石墨片的方法>
接下来，将描述一种用于制造根据本实施方案的石墨片的方法。
根据本实施方案的用于制造石墨片的方法包括：第一步骤：获得石墨基材；和第二步骤：通过除去在第一步骤中获得的石墨基材的表面部分来形成石墨片。
(第一步骤)
在该步骤中，获得石墨基材。首先，例如，通过将厚度为约100μm聚酰亚胺膜热解来获得碳化膜。将碳化膜在约2600℃进一步烧制而变为石墨。以此方式，获得石墨基材。石墨基材在进行热解并且变为石墨时在内部产生气体，并且在厚度方向上膨胀。因此，例如，石墨基材变得具有约500μm的厚度，并且因此，在承受压力时容易被整体压缩。然而，该表面层已经显著地结晶而仅使表面层相当硬。这就是为什么即使该石墨基材夹在IGBT和冷却构件之间并且利用螺栓紧固，石墨基材也不能充分接触，由此造成接触热阻增大。
(第二步骤)
在该步骤中，除去在第一步骤中获得的石墨基材的表面部分以形成石墨片。
根据用于除去表面部分的方法，可以使用切片器，比如由Nippy Kikai Co.,Ltd.制造的NP1240C。使用切片器除去石墨基材的表面部分使得能够更容易地制造石墨片11。首先，将通过烧制获得的石墨基材固定到切片器上。接下来，在距表面约50μm的位置处对石墨基材进行切片。石墨片11可以通过在与预定厚度对应的位置处对石墨基材进行切片来获得。如果石墨基材足够厚，则可以获得多个石墨片11，由此还造成量产性提高。
如上所述，根据本实施方案的制造方法通过在第二步骤中除去表面部分而实现了以下优点：
(1)通过形成石墨片的最外层的一个石墨层的表面，另一个石墨层(不同于形成最外层的所述石墨层)的至少一部分暴露出来；以及
(2)通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度可以在特定范围内，由此使得石墨片11能够与IGBT和冷却构件紧密接触并且降低接触热阻。
(概括)
由以上实施方案描述可以看出，在根据第一方面的石墨片(11)中，多个石墨层在厚度方向上彼此层叠。多个石墨层包括：构成石墨片(11)的最外层的第一石墨层；和不同于第一石墨层的第二石墨层。第二石墨层的至少一部分通过第一石墨层的表面而暴露。
第一方面使得使得石墨片(11)能够具有足够软的表面，由此使得能够降低表面处的接触热阻，并且由此实现了充足的散热效果。
在根据第二方面(其可以与第一方面结合实施)的石墨片(11)中，第二石墨层的所述至少一部分形成多个凹部，所述多个凹部的平均深度等于或大于3μm且等于或小于30μm。
第二方面很大程度上改善了石墨片(11)的表面部分的追从性，从而降低热阻。另外，因为气隙不太宽，所以热阻不增大。这使得能够进一步降低表面处的接触热阻并且进一步改善散热效果。此外，表面上的具有这样的平均深度的多个凹部不仅使得甚至更容易利用树脂构件或任何其他合适的构件通过例如浸渍来形成复合结构，而且还确保了石墨片(11)的充足的强度。
在根据第三方面(其可以与第二方面结合实施)的石墨片(11)中，多个凹部的平均等效直径为等于或大于30μm且等于或小于100μm。
第三方面使得石墨片(11)能够进行甚至更紧密的表面接触，由此使得能够进一步降低表面处的接触热阻，并且进一步改善散热效果。
在根据第四方面(其可以与第二方面或第三方面结合实施))的石墨片(11)中，单位面积的多个凹部的平均数等于或大于5个/mm2且等于或小于30个/mm2。
第四方面使得石墨片(11)能够进行甚至更紧密的表面接触，由此使得能够进一步降低表面处的接触热阻，并且进一步改善散热效果。
根据第五方面的石墨片(11)的通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度为等于或大于0.1MPa且等于或小于0.5MPa。
第五方面使得使得石墨片(11)能够具有足够软的表面，由此使得能够降低表面处的接触热阻，并且由此实现了充足的散热效果。
在根据第六方面(其可以与第五方面结合实施)的石墨片(11)中，F1小于F2，其中F1是石墨片(11)通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度，并且F2是当石墨片(11)的厚度为“2a”时石墨片(11)的从20μm的深度到“a”的深度测量的表观剪切强度。
第六方面使得石墨片(11)能够具有更加足够软的表面，由此改善凹部的追从性，并且由此进一步降低接触热阻。
在根据第七方面(其可以与第六方面结合实施)的石墨片(11)中，F1和F2满足F1/F2≥0.5。
第七方面使石墨片(11)的表面部分难以划伤，由此使得更容易处理石墨片(11)。
在根据第八方面(其可以与第一方面至第七方面中任一方面结合实施)的石墨片(11)中，石墨片(11)在承受600kPa的压力时的压缩率等于或大于60％。
第八方面使得能够充分地降低接触热阻。
根据第九方面的用于制造石墨片(11)的方法包括：第一步骤：获得石墨基材；和第二步骤：通过除去在第一步骤中获得的石墨基材的表面部分来形成石墨片(11)。
第九方面使得能够通过简单的方法来获得石墨片(11)。
在根据第十方面(其可以与第九方面结合实施)的用于制造石墨片(11)的方法中，在第二步骤中形成的石墨片(11)包括：构成石墨片(11)的最外层的第一石墨层；和不同于第一石墨层的第二石墨层。第二石墨层的至少一部分通过第一石墨层的表面而暴露。
第十方面使得能够通过简单的方法来提供具有软到足以降低表面处的接触热阻并由此实现充足的散热效果的石墨片(11)。
在根据第十一方面(其可以与第九方面或第十方面结合实施)的用于制造石墨片(11)的方法中，在第二步骤中形成的石墨片(11)的通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度为等于或大于0.1MPa且等于或小于0.5MPa。
第十一方面使得能够通过简单的方法来提供具有软到足以降低表面处的接触热阻并由此实现充足的散热效果的石墨片(11)。
在根据第十方面(其可以与第九方面至第十一方面中任一方面结合实施)的用于制造石墨片(11)的方法中，第二步骤包括使用切片器除去表面部分。
第十二方面使得甚至更容易地通过使用切片器除去石墨基材的表面部分来制造石墨片(11)。
工业实用性
根据本公开的石墨片使得能够降低表面处的接触热阻，并且由此实现充足的散热效果，因此，有效地适用在工业上。
附图标记清单
11 石墨片
12 切割刀片

Claims (12)

1.一种石墨片，在所述石墨片中多个石墨层在厚度方向上彼此层叠，
所述多个石墨层包括：构成所述石墨片的最外层的第一石墨层；和不同于所述第一石墨层的第二石墨层，所述第二石墨层的至少一部分通过所述第一石墨层的表面而暴露。
2.根据权利要求1所述的石墨片，其中
所述第二石墨层的所述至少一部分形成多个凹部，并且
所述多个凹部的平均深度为等于或大于3μm且等于或小于30μm。
3.根据权利要求2所述的石墨片，其中
所述多个凹部的平均等效直径为等于或大于30μm且等于或小于100μm。
4.权利要求2或3所述的石墨片，其中
单位面积的所述多个凹部的平均数为等于或大于5个/mm2且等于或小于30个/mm2。
5.一种石墨片，所述石墨片的通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度为等于或大于0.1MPa且等于或小于0.5MPa。
6.根据权利要求5所述的石墨片，其中
F1小于F2，其中F1是所述石墨片通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度，并且F2是当所述石墨片的厚度为“2a”时所述石墨片的从20μm的深度到“a”的深度测量的表观剪切强度。
7.根据权利要求6所述的石墨片，其中
F1和F2满足F1/F2≥0.5。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的石墨片，其中
所述石墨片在承受600kPa的压力时的压缩率等于或大于60％。
9.一种用于制造石墨片的方法，所述方法包括：
第一步骤：获得石墨基材；和
第二步骤：通过除去在所述第一步骤中获得的石墨基材的表面部分来形成石墨片。
10.根据权利要求9所述的方法，其中
在所述第二步骤中形成的所述石墨片包括：构成所述石墨片的最外层的第一石墨层；和不同于所述第一石墨层的第二石墨层，所述第二石墨层的至少一部分通过所述第一石墨层的表面而暴露。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中
在所述第二步骤中形成的所述石墨片通过SAICAS法从0.5μm的深度到19μm的深度测量的表观剪切强度为等于或大于0.1MPa且等于或小于0.5MPa。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中
所述第二步骤包括使用切片器除去所述表面部分。
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