CN100364081C - 散热器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种散热器及其制造方法，该散热器包括一基体，多个散热鳍片从基体一表面延伸，及多个碳纳米管形成于基体的另一表面，该多个碳纳米管彼此基本平行且基本垂直于散热器基体的另一表面。另外，本发明还提供该散热器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：提供一散热器，该散热器包括一基体及多个从基体一表面延伸的散热鳍片；抛光散热器基体的另一表面；沉积催化剂于该散热器基体的另一表面；通入碳源气，于散热器基体的另一表面生长碳纳米管。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种散热器及其制造方法，尤其涉及一种利用碳纳米管导热的散热器及其制造方法。
【背景技术】
近年来，随着半导体器件集成工艺的快速发展，半导体器件的集成化程度越来越高，然而，器件体积却变得越来越小，其对散热的需求越来越高，已成为一个越来越重要的问题。为满足该需要，风扇散热、水冷辅助散热及热管散热等各种散热方式被广泛运用，并取得一定的散热效果，但因散热器与热源(半导体集成器件，如CPU)的接触界面不平整，一般相互接触面积不到2％，未有一个理想的接触界面，从根本上影响半导体器件向散热器传递热量的效果，故，传统的散热器通过增加一导热系数较高的热界面材料于散热器与半导体器件之间以增加界面的接触程度，改善半导体器件与散热器间的热传递效果。
传统热界面材料将导热系数较高的颗粒分散于聚合物基体以形成复合材料，如石墨、氮化硼、氧化硅、氧化铝、银或其它金属等。此种材料的导热性能取决于聚合物基体的性质。其中以油脂、相变材料为基体的复合材料因其使用时为液态，能与热源表面浸润，故，接触热阻较小，而以硅胶或橡胶为载体的复合材料的接触热阻相对较大。该类材料的普遍缺陷是整体材质导热系数较小，典型值为1W/mK，这已经不能适应半导体集成化程度的提高对散热的需求。增加聚合物基体的导热颗粒含量，使得颗粒与颗粒之间尽量相互接触，可以增加整个复合材料的导热系数，如某些特殊的界面材料因此可达到4-8W/mK，然而，聚合物基体的导热颗粒含量增加至一定程度时，会使聚合物基体失去原本的性能，如油脂会变硬，从而浸润效果变差，橡胶亦会变得较硬，从而失去应有的柔韧性，这都将使热界面材料性能大大降低。
为改善热界面材料的性能，提高导热系数，各种材料被广范试验。1991年，发现了碳纳米管(具体参见Nature，1991，354，56)。因碳纳米管具有长径比大，长度可为直径的几千倍；强度高，为钢的100倍，但重量只有钢的六分之一；韧性与弹性极佳的特性，且碳纳米管沿其纵向方向有极高的热导系数，使其成为最具潜力的热界面材料之一。美国物理学会上发表一篇名为“碳纳米管显著热导性”的文章指出对于“Z”字形(10，10)碳纳米管在室温下其导热系数可达6600 W/mK，具体可参阅文献Phys.Rev.Lett，2000年，84，4613由Savasberber、Young-Kyun Kwon及David Tomanek发表的论文“Unusually HighThermal Conductivity of Carbon Nanotubes”。
美国专利第6,407,922号揭示一种利用碳纳米管导热的热界面材料，其将碳纳米管掺到聚合物基体结成一体，通过注模方式制得热界面材料。但是，该方法制成的热界面材料，碳纳米管在基体材料中是无序排列，碳纳米管在聚合物基体分布的均匀性难以确保，且未充分利用碳纳米管纵向导热的优势，因而所制得的热界面材料其导热均匀性不佳，导热系数不高。
有鉴于此，提供一种能与热源良好接触，具优良热接触界面的散热器实为必要。
【发明内容】
为解决现有技术中的技术问题，本发明的目的是提供一种具优良热接触界面的散热器。
本发明的另一目的是提供一种具优良热接触界面的散热器的制备方法。
为实现本发明的第一目的，本发明所提供具优良热接触界面的散热器，其包括一基体，多个散热鳍片从基体一表面沿远离基体方向延伸，及多个碳纳米管形成于基体的另一表面，其中，该多个碳纳米管彼此基本平行且基本垂直于散热器基体的另一表面。
为实现本发明的另一目的，本发明具优良热接触界面散热器的制备方法包括以下步骤：
提供一散热器，该散热器包括一基体及多个从基体一表面延伸的散热鳍片；
抛光散热器基体的另一表面；
沉积催化剂于该散热器基体的另一表面；；
通入碳源气，在散热器基体的另一表面生长碳纳米管。
与现有技术中的散热器相比较，本发明提供的基于碳纳米管的散热器具有以下优点：其一，碳纳米管强度高，韧性与弹性极佳，且在纵向方向有极高的热导系数，能够实现碳纳米管与热源的直接良好接触，增加接触面积，极大改善散热器的热传导性能，而且碳纳米管是直接形成于散热器基体上，故无需添加任何其它导热胶等热界面材料；其二，碳纳米管高度可通过控制其生长时间来控制，厚度极薄，根据傅立叶热传导定律，相当于从另一方面增加了散热器的导热系数，同时不影响散热器的体积及重量，利于整个器件安装向小型化方向发展的需要；其三，碳纳米管垂直于散热器基体，使得碳纳米管的纵向导热特性得到最大限度的发挥，此外，由于碳纳米管分布均匀，使得导热更加一致；其四，利用本发明的方法制得的散热器，可通过控制催化剂的分布形状来生长出各种面形的碳纳米管，不受散热器形状的限制。
【附图说明】
图1是制备本发明的散热器的流程图。
图2是本发明形成碳纳米管前的散热器的示意图。
图3是本发明形成有碳纳米管的散热器的示意图。
图4是本发明的散热器的应用示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
请先参阅图2与图3，本发明的散热器11，其包括一长形平板状基体12，多个片状散热鳍片14从基体12一表面沿远离基体12的方向延伸，及多个碳纳米管18形成于基体12的相对另一表面，即散热器11的接触底面16。其中，基体12与散热鳍片14一体成型，其材料为铝或铜。多个散热鳍片14彼此平行且与基体12垂直。该散热器11中央形成有一沟槽15将散热鳍片14分隔成两对称区域，用于收容一散热器扣合装置(图未示)。多个碳纳米管18基本相互平行，且与散热器11的接触底面16基本垂直，该碳纳米管18的直径为3～40纳米，高度为1～100微米。
请参阅图1，本发明的散热器的制备方法包括以下步骤：
步骤10为提供一散热器，该散热器包括一基体及多个从基体一表面垂直延伸的散热鳍片；
步骤20在散热器基体的相对另一表面(接触底面)作一化学机械研磨抛光处理(Chemical Mechanical Polish，CMP)，使接触底面的表面粗糙度降低至5～10埃，并洗净该接触底面；
步骤30在已处理的散热器的接触底面沉积一催化剂层，催化剂层的厚度为5～30纳米，催化剂层沉积的方法可选用真空热蒸镀挥发法，亦可选用电子束蒸发法。催化剂的材料可选用铁、钴、镍、铑或其合金，本实施方式选用铁作为催化剂材料，其沉积的厚度为10纳米；
步骤40将带有催化剂层的散热器11置于空气中，在300℃下退火，以使催化剂层氧化、收缩成为纳米级的催化剂颗粒。待退火完毕，再将分布有催化剂颗粒的散热器接触底面置于反应室内(图未示)，通入碳源气乙炔，利用低温热化学气相沉积法，于上述催化剂颗粒上生长碳纳米管，碳源气亦可选用其它含碳的气体，如乙烯等。当前，碳纳米管的生长方法已较为成熟，具体可参阅文献Science，1999，283，512-414与文献J.Am.Chem.Soc，2001，123，11502-11503。此外，美国专利第6,350,488号亦公开一种生长大面积碳纳米管阵列的方法。本实施例生长的碳纳米管18的直径为20纳米，高度为50微米，间距为100纳米。
请参阅图4，为本发明的散热器的应用示意图。将本发明的散热器31置于电子器件31上，散热器31接触底面的碳纳米管(图未示)与电子器件31相接触，通过散热器扣合装置33将散热器31固定于电子器件31。本发明的方法制得的生长有碳纳米管的散热器31，其利用基本相互平行的碳纳米管作为导热材料，碳纳米管基本垂直于散热器的接触底面有序排列，能与电子器件31直接接触，且不需添加任何其它热界面材料，充分利用碳纳米管的轴向导热性，因而具有较佳的导热系数，可广泛应用于包括中央处理器(CPU)、功率晶体管、视频图形阵列芯片(VGA)，射频芯片在内的电子器件31中，能提供电子器件31与散热器31之间一优良热接触。因本发明制得的多个碳纳米管高度仅在微米级，具有较好柔韧性，即使在电子器件表面参差不齐的情况下，本发明的散热器亦能保证碳纳米管与电子器件直接接触，不会影响散热器的热传导性能。
Claims (10)
1.一种散热器，用以提供电子器件散热，其包括：一基体和多个散热鳍片，该散热鳍片从基体一表面沿远离基体的方向延伸，其特征在于，该散热器进一步包括多个碳纳米管，该碳纳米管形成于基体的相对另一表面，该多个碳纳米管彼此基本平行且基本垂直于散热器基体的另一表面。
2.如权利要求1所述的散热器，其特征在于，该散热器基体与多个散热鳍片一体成型。
3.如权利要求2所述的散热器，其特征在于，该基体与散热鳍片材料包括铝或铜。
4.如权利要求1所述的散热器，其特征在于，该碳纳米管的高度为1～100微米，该碳纳米管的直径为3～40纳米。
5.一种散热器的制备方法，其包括以下步骤：
提供一散热器，该散热器包括一基体及多个从基体一表面延伸的散热鳍片；
抛光散热器基体的另一表面；
沉积催化剂于该散热器基体的另一表面；
对催化剂退火，以使其氧化、收缩成为纳米级的催化剂颗粒；
通入碳源气，在散热器基体的另一表面生长碳纳米管。
6.如权利要求5所述的散热器的制备方法，其特征在于，该抛光方法包括化学机械研磨抛光处理。
7.如权利要求5所述的散热器的制备方法，其特征在于，该散热器基体的另一表面的表面粗糙度为5～10埃。
8.如权利要求5所述的散热器的制备方法，其特征在于，该催化剂包括铁、钴、镍、铑或其合金。
9.如权利要求5所述的散热器的制备方法，其特征在于，沉积催化剂的方法包括真空热蒸镀挥发法、电子束蒸发法。
10.如权利要求5所述的散热器的制备方法，其特征在于，该碳纳米管的生长方法包括低温化学气相沉积法。
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