CN102569225A - 热传导装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种热传导装置及其制造方法，先将多个钻石颗粒以一预设图案排列在一平面上而形成一单层钻石颗粒层，再利用一成型步骤使一金属材料形成一包覆该钻石颗粒的金属基质，由此取得一由该单层钻石颗粒层埋设于该金属基质中所形成的复合体，接下来，再将多个该复合体相互层叠，并进行一加热步骤，使该金属基质间彼此结合，得到该热传导装置。由于该热传导装置是以平面布钻的方式形成单层钻石排列，且为由二维单层结构组装为三维多层的元件，通过控制该钻石颗粒的排列，该热传导装置可有优异的热传导性质。

Description

热传导装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热传导装置及其制造方法，尤其涉及一种可容易控制钻石颗粒在金属基质中的排列性的热传导装置及其制造方法。

背景技术

长期以来，电子产品的散热问题一直是影响其运作性能的关键，更牵涉到电子产品的技术发展走向。以计算机产品为例，其电路板上的芯片通常搭载有大量的晶体管，而在计算机产品的设计趋势走向轻薄化及高运算能力的需求下，将有更多的晶体管被局限在有限的狭小空间内，使得由电子元件所产生的热能难以排除。另以最近迅速发展用于照明光源的发光二极管而言，其转换成光能的同时也将产生大量的热能，在热能无法有效移除的状况下，将使得发光二极管的寿命大幅降低，因此，散热能力的高低将影响高功能发光二极管的技术开发。

有鉴于以上问题，已有许多散热片的相关技术被提出，以解决电子产品的散热问题，其中，就材料的选择上而言，由于钻石材料具备高热传导系数与低热膨胀系数等优点，故尤以包含钻石材料的散热片属相关业者的开发重点。此种热传导装置如美国专利第US 6,987,318号，揭示一种具有热传导梯度的钻石复合物散热片及其制法，其散热片是由钻石颗粒与包覆该钻石颗粒的焊料合金所组成，通过钻石浓度或颗粒的变化而在该散热片中产生一热传导梯度，由于仅须于靠近热源的区域提供高热传导性，故可减少钻石颗粒的用量，而关于其制造方法，先将不同颗粒大小的钻石颗粒依序堆叠在模具中，再加入间隙材料，使得间隙材料填充于钻石颗粒之间，然后以烧结、渗透或电沉积等方式使得间隙材料与钻石颗粒可以烧结为一体。

另如美国专利公开第US 2005/0189647号，揭示一种碳复合物散热器及其相关方法，在铝金属基质中散布钻石颗粒及石墨，通过添加石墨可提升该散热器的热传导性的等向性。关于其制造方法，先将一石墨层置于模具中，再于该石墨层上堆叠一钻石颗粒层，该钻石颗粒层由黏结剂连结钻石颗粒所形成，于连续堆叠该石墨层及该钻石颗粒层后，再将熔融的铝或铝合金倒入模具中，其固结后即得到该散热器。

于以上先前技术中，以美国专利第US 6,987,318号而言，由于钻石颗粒为先堆叠为立体结构而放置于模具内成型，在填入间隙材料的同时，将会推挤钻石颗粒而影响钻石颗粒在空间中的排列，故不易控制钻石颗粒最终的排列方式，成型后散热片的热性质将偏离原先预期的效果，另外，由于间隙材料与钻石颗粒之间本身即具有一定程度的热膨胀系数的差异，也将造成制作大体积散热片的困难度。而关于美国专利公开第US 2005/0189647号，则因为也须先将该石墨层与该钻石颗粒层堆叠成立体结构，因此具有相同的问题。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决现有热传导装置的制造方法中，不易控制钻石颗粒排列且难以控制适当热膨胀系数、热传导率和制作大尺寸热传导装置的问题。

为达到上述目的，本发明提供一种热传导装置的制造方法，其步骤包含有：

(a)将多个钻石颗粒以一预设图案排列于一平面上以形成一单层钻石颗粒层；

(b)对一金属材料施以一成型步骤，使该金属材料形成一包覆该钻石颗粒的金属基质，由此取得一由该单层钻石颗粒层埋设于该金属基质中所形成的复合体；以及

(c)将多个该复合体相互层叠，并进行一加热步骤使该金属基质间彼此结合。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该步骤(a)是将该钻石颗粒排列于一模具内而形成该单层钻石颗粒层，且该步骤(a)与步骤(b)之间，还包括：(d)将一第一金属材料置于该模具内并覆盖在该单层钻石颗粒层的一侧；以及(e)反转该模具，再将一第二金属材料置于该模具内并覆盖在该单层钻石颗粒层的另一侧，由此得到包括该第一金属材料与该第二金属材料的金属材料。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该步骤(d)与步骤(e)之间，还包括一对该第一金属材料进行预压的第一预压步骤。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该金属材料为选择自由铜、铝、铁、钴、铬及镍所组成的群组。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该第一金属材料与该第二金属材料为金属粉末。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该金属材料添加有烧结助剂。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该烧结助剂为选择自由钛、铬及镍所组成的群组。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该步骤(a)是将该钻石颗粒排列于一第一金属材料上而得到该单层钻石颗粒层，且该步骤(a)与步骤(b)之间，还包括：(f)将一第二金属材料置于单层钻石颗粒层上，由此得到包括该第一金属材料与该第二金属材料的金属材料。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该第一金属材料与该第二金属材料为金属粉末或金属板材。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该成型步骤为热压法或直接加压法。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中进行该加热步骤时，还同时对该复合体施以一加压成型手段。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中先在该复合体之间形成另一包含该钻石颗粒的单层钻石颗粒层，再将该复合体相互层叠。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该钻石颗粒排列为彼此间水平相隔一第一间距。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该钻石颗粒排列为彼此相互接触。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该金属材料具有一大于该单层钻石颗粒层的厚度。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该钻石颗粒的粒径介于20至1000μm之间的范围内。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该钻石颗粒相对该金属基质的体积百分比介于20％至70％的范围内。

本发明所述的热传导装置的制造方法，其中该钻石颗粒相对该金属基质的体积百分比介于30％至50％的范围内。

本发明的另一目的，在于解决现有热传导装置中，因钻石颗粒的排列性不佳而使得热性质不易控制的问题。

为达到上述另一目的，本发明另提供一种热传导装置，包含有一金属基质与多个单层钻石颗粒层，该单层钻石颗粒层埋设于该金属基质中，且该单层钻石颗粒层分别包括多个以一预设图案排列于一平面上的钻石颗粒。

本发明所述的热传导装置，其中该钻石颗粒彼此间水平相隔一第一间距。

本发明所述的热传导装置，其中该钻石颗粒于水平方向上彼此相互接触。

本发明所述的热传导装置，其中该单层钻石颗粒层之间垂直相隔一第二间距。

本发明所述的热传导装置，其中该钻石颗粒的粒径介于20至1000μm之间的范围内。

本发明所述的热传导装置，其中该钻石颗粒相对该金属基质的体积百分比介于20％至70％的范围内。

本发明所述的热传导装置，其中该钻石颗粒相对该金属基质的体积百分比介于30％至50％的范围内。

本发明所述的热传导装置，其中该金属基质为选择自由铜、铝、铁、钴、铬及镍所组成的群组。

本发明所述的热传导装置，其热传导系数介于200W/mk至900W/mk的范围之间。

本发明所述的热传导装置，其热膨胀系数介于2ppm/K至10ppm/K的范围之间。

经由以上可知，本发明热传导装置及其制造方法相比于现有技术所达到的有益效果在于：

一、本发明是以平面布钻的方式形成单层钻石排列，而由二维单层结构组装为三维多层结构，通过调整单层钻石颗粒层中该钻石颗粒的排列方式，可预先控制该复合体的热传导系数，进而使由多个该复合体所组成的热传导装置，可以依照需求而达到预期的热传导系数，例如，使各个该钻石颗粒具最大面积的一面均朝同一方向，以于该方向达到较佳的热传导系数；

二、同时，也可通过调整单层钻石颗粒层中该钻石颗粒的排列方式，使各个该复合体可具有相近的热膨胀系数，如此一来，在结合多个该复合体而由二维单层结构组装为三维多层结构时，将不会因为该钻石颗粒与该金属基质之间的热膨胀系数差异而限制该热传导装置的成型尺寸，因此，将更容易制作大尺寸的热传导装置；

三、此外，可通过改变该复合体之间的连接方式，使得该热传导装置在结构设计上具有更高的变化性。

附图说明

图1-1至图1-7为本发明热传导装置的制造方法第一实施例的步骤流程示意图；

图2-1至图2-6为本发明热传导装置的制造方法第二实施例的步骤流程示意图；

图3-1至图3-5为本发明热传导装置的制造方法第三实施例的步骤流程示意图；

图4-1至图4-3为本发明热传导装置的制造方法第四实施例的步骤流程示意图。

具体实施方式

有关本发明热传导装置及其制造方法的详细说明及技术内容，现就配合附图说明如下：

请先参阅图1-1至图1-7，为本发明热传导装置的制造方法第一实施例的步骤流程示意图，先将多个钻石颗粒21以一预设图案排列于一平面X上，而形成一单层钻石颗粒层20。首先提供一模具，该模具包括一上冲91、一中模92与一下冲93，将该钻石颗粒21以该预设图案排列于该模具内，使该钻石颗粒21可排列在该平面X上，而得到该单层钻石颗粒层20，如图1-1所示。在本实施例中，该钻石颗粒21排列为彼此间水平相隔一第一间距，但依照实际设计需求，该钻石颗粒21也可排列为其它方式，例如可控制该第一间距为零，使该钻石颗粒21彼此接触而达最致密的平面排列。此外，该钻石颗粒21的粒径介于20至1000μm之间的范围，而该第一间距与该钻石颗粒21的粒径可依照实际设计需求而进行调整。

请参阅图1-2，将一第一金属材料10覆盖在该单层钻石颗粒层20的一侧，并利用该上冲91对该第一金属材料10进行一第一预压步骤，再将该模具反转，并将该下冲93移开，如图1-3所示。接下来，将一第二金属材料30置于该单层钻石颗粒层20的另一侧，得到包括该第一金属材料10与该第二金属材料30的金属材料40，如图1-4所示。本实施例中，该第一金属材料10与该第二金属材料30同样为金属粉末，为选用相同的材料，其可为铜、铝、铁、钴、铬或镍的纯金属或合金。

接着，对该金属材料40进行一成型步骤，该成型步骤可为一热压法或是一直接加压法，而该热压法可以是于真空下进行、放电电浆烧结(Spark PlasmaSintering，简称SPS)或是在特定气氛下进行等方式，并配合模具加压或直接以荷重施加于该金属材料40上，且在进行该成型步骤前，可先使用该上冲91或该下冲92对该金属材料40进行一第二预压步骤。在本实施例中，该成型步骤是使用放电电浆烧结工艺，而温度略低于该金属材料40的熔点。请参阅图1-5，于进行该成型步骤后，该金属材料40将形成一包覆该钻石颗粒21的金属基质50，由此取得一由该单层钻石颗粒层20埋设于该金属基质50中所形成的复合体60，而该钻石颗粒21维持在该平面X。在本实施例中，该金属材料40的厚度大于该单层钻石颗粒层20，以使得形成该金属基质50后，该钻石颗粒21不致露出该金属基质50。

请再参阅图1-6，得到该复合体60后，再将多个该复合体60相互层叠，在本实施例中，是以该复合体60叠置于另一复合体60的顶面作为举例说明，然于实际制造上并不限于此，也可为更多数量的该复合体60相互层叠；或者，该复合体60之间也可由侧面相连接。最后，再进行一加热步骤，使该金属基质50间彼此结合，而于进行该加热步骤的同时，也可对该复合体60施以一加压成型手段。该加热步骤可于真空下进行、于特定气氛下进行或是放电电浆烧结等方式，本实施例中，该加热步骤同样使用放电电浆烧结，且温度略低于该金属基质50的熔点。

如图1-7所示，进行该加热步骤后，将得到一包括有该金属基质50与多个该单层钻石颗粒层20的热传导装置70，该单层钻石颗粒层20埋设于该金属基质50中，该钻石颗粒21将以该预设图案排列于该平面X且彼此间水平相隔该第一间距，另外，该单层钻石颗粒层20之间垂直相隔一第二间距。其中，该热传导装置70的热传导系数介于200W/mk至900W/mk的范围之间，且热膨胀系数可控制在2ppm/K至10ppm/K的范围内。本发明中，该钻石颗粒21相对该金属基质50的体积百分比介于20％至70％的范围内，且较佳地介于30％至50％的范围内。

以本实施例而言，该第一金属材料10与该第二金属材料30均选择为铜，而该成型步骤及该加热步骤所使用的是放电电浆烧结工艺，温度约为900℃至1050℃之间，而压力则是设定在10MPa至40MPa之间的范围内，此外，该金属材料40可添加一烧结助剂，以帮助其结合，该烧结助剂可为钛、铬、镍或其混合物。然而，本发明并不限于此，如加热温度、升温速率、持温时间、气氛种类及压力等工艺参数或是烧结助剂的种类，是依照实际上该金属材料40的材料选用，以及该钻石颗粒21的数量、排列方式及晶形等因素而决定。

请继续参阅图2-1至图2-6，为本发明热传导装置的制造方法第二实施例的步骤流程示意图，其中，首先将该第一金属材料10置于该模具中，该第一金属材料10同样为一金属粉末。然后，将该钻石颗粒21以该预设图案排列于该第一金属材料10上，并使该钻石颗粒21之间相隔该第一间距，而于该第一金属材料10上形成如图2-2所示的该单层钻石颗粒层20。本实施例中，可使用一胶膜固定该钻石颗粒21，该胶膜可为聚醋酸乙烯酯(Polyvinyl acetate，简称PVA或PVAC)、聚乙二醇(Polyethylene glycol，简称PEG)或其它等效材料。请参阅图2-3，将该第二金属材料30置于该单层钻石颗粒层20上，得到包括该第一金属材料10与该第二金属材料30的金属材料40，该第二金属材料30同样为一金属粉末，选用相同的材料，且该第一金属材料10与该第二金属材料30可为铜、铝、铁、钴、铬或镍的纯金属或合金，且较佳地均为铜。

接下来进行该成型步骤，令该金属材料40烧结成该金属基质50，然后，再移除该模具后即得到该复合体60，如图2-4所示。请再参阅图2-5，接着将多个该复合体60相互层叠，并进行该加热步骤，即得到如图2-6所示的该热传导装置70。本实施例中，该成型步骤与该加热步骤同样使用放电电浆烧结工艺，且温度也略低于该金属材料40的熔点，此外，该金属材料40同样可添加该烧结助剂，该烧结助剂可为钛、铬、镍或其混合物。在本实施例中，该第二金属材料30的厚度大于该单层钻石颗粒层20，以使得形成该金属基质50后，该钻石颗粒21不致露出该金属基质50。

请继续参阅图3-1至图3-5，为本发明热传导装置的制造方法第三实施例的步骤流程示意图，其中，该第一金属材料10与该第二金属材料30均选用一金属板材，其可为铜、铝、铁、钴、铬或镍的纯金属或合金，而较佳地均为铜。首先提供该第一金属材料10，接着在该第一金属材料10上形成该单层钻石颗粒层20，将该钻石颗粒21排列于该第一金属材料10上，使该钻石颗粒21可排列在该平面X上，其中，该钻石颗粒21是以一预设图案进行排列，在本实施例中，该钻石颗粒21排列为彼此接触，如图3-2所示。

接着，请参阅图3-3，将该第二金属材料30覆盖于该单层钻石颗粒层20上，由此得到包括该第一金属材料10与该第二金属材料30的金属材料40，如图3-4所示。于本实施例中，该第一金属材料10与该第二金属材料30选用同样的材料，其较佳地均为铜。然后，对该金属材料40施以该成型步骤，如图3-5所示，于进行该成型步骤后，金属材料40将形成该金属基质50，即取得一由该单层钻石颗粒层20埋设于该金属基质50中所形成的复合体60，而该钻石颗粒21维持在该平面X上。然后，再如图1-6至图1-7所示，将多个该复合体60相互层叠，并进行该加热步骤，使该金属基质50间彼此结合，于进行该加热步骤时，也可对该复合体60施以一加压成型手段。在本实施例中，该成型步骤与该加热步骤均使用放电电浆烧结工艺，且温度也略低于该金属材料40的熔点。

请继续参阅图4-1至图4-3，为本发明热传导装置的制造方法第四实施例的步骤流程示意图，其中，先于该复合体60之间形成另一包含该钻石颗粒21的单层钻石颗粒层20，再将该复合体60相互层叠。如图4-1所示，在取得该复合体60后，先将该钻石颗粒21以该预设图案排列在该复合体60的上表面，以于其上形成该单层钻石颗粒层20，接着，如图4-2所示将另一复合体60叠置于该单层钻石颗粒层20上，再进行该加热步骤，得到如图4-3所示的该热传导装置70。

综上所述，本发明热传导装置及其制造方法主要是利用平面布钻的方式形成单层钻石排列，并再从二维单层结构组装为三维多层结构，由于在单层钻石颗粒层中的钻石颗粒，无论是排列方式、体积或其间距均较容易控制，因此，通过预先于单层钻石颗粒层针对以上参数进行调整，再将多个含有单层钻石颗粒层的复合体相互堆叠结合，可以更精确地控制该热传导装置的热传导系数，以根据需求达到最佳化的热传导性能。例如，可以将呈六八面体的该钻石颗粒，使其具有最大面积的一面朝同一方向(如热源方向)，由此使该热传导装置在该方向的热热传导系数可较高。

除外，更可以通过调整各个该复合体的热膨胀系数，而降低该复合体之间的热膨胀系数差异，此将可使得该复合体能够更容易地接合，以制作大尺寸的热传导装置，且可依照设计需求改变该复合体间的接合方式，而使得该热传导装置的结构设计更具弹性。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能限定本发明实施的范围。即凡依本发明所作的均等变化与修饰等，均应仍属本发明的保护范围内。

Claims (28)

1.一种热传导装置的制造方法，其特征在于步骤包含有：

(a)将多个钻石颗粒(21)以一预设图案排列于一平面(X)上以形成一单层钻石颗粒层(20)；

(b)对一金属材料(40)施以一成型步骤，使该金属材料(40)形成一包覆该钻石颗粒(21)的金属基质(50)，由此取得一由该单层钻石颗粒层(20)埋设于该金属基质(50)中所形成的复合体(60)；以及

(c)将多个该复合体(60)相互层叠，并进行一加热步骤使该金属基质(50)间彼此结合。

2.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该步骤(a)是将该钻石颗粒(21)排列于一模具内而形成该单层钻石颗粒层(20)，且该步骤(a)与步骤(b)之间，还包括：

(d)将一第一金属材料(10)置于该模具内并覆盖在该单层钻石颗粒层(20)的一侧；以及

(e)反转该模具，再将一第二金属材料(30)置于该模具内并覆盖在该单层钻石颗粒层(20)的另一侧，由此得到包括该第一金属材料(10)与该第二金属材料(30)的金属材料(40)。

3.如权利要求2所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该步骤(d)与步骤(e)之间，还包括一对该第一金属材料(10)进行预压的第一预压步骤。

4.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该金属材料(40)为选择自由铜、铝、铁、钴、铬及镍所组成的群组。

5.如权利要求2所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该第一金属材料(10)与该第二金属材料(30)为金属粉末。

6.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该金属材料(40)添加有烧结助剂。

7.如权利要求6所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该烧结助剂为选择自由钛、铬及镍所组成的群组。

8.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该步骤(a)是将该钻石颗粒(21)排列于一第一金属材料(10)上而得到该单层钻石颗粒层(20)，且该步骤(a)与步骤(b)之间，还包括：

(f)将一第二金属材料(30)置于单层钻石颗粒层(20)上，由此得到包括该第一金属材料(10)与该第二金属材料(30)的金属材料(40)。

9.如权利要求8所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该第一金属材料(10)与该第二金属材料(30)为金属粉末或金属板材。

10.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该成型步骤为热压法或直接加压法。

11.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于进行该加热步骤时，还同时对该复合体(60)施以一加压成型手段。

12.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于先在该复合体(60)之间形成另一包含该钻石颗粒(21)的单层钻石颗粒层(20)，再将该复合体(60)相互层叠。

13.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该钻石颗粒(21)排列为彼此间水平相隔一第一间距。

14.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该钻石颗粒(21)排列为彼此相互接触。

15.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该金属材料(40)具有一大于该单层钻石颗粒层(20)的厚度。

16.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该钻石颗粒(21)的粒径介于20至1000μm之间的范围内。

17.如权利要求1所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该钻石颗粒(21)相对该金属基质(50)的体积百分比介于20％至70％的范围内。

18.如权利要求17所述的热传导装置的制造方法，其特征在于该钻石颗粒(21)相对该金属基质(50)的体积百分比介于30％至50％的范围内。

19.一种热传导装置，其特征在于包含有：

一金属基质(50)；以及

多个单层钻石颗粒层(20)，埋设于该金属基质(50)中，该单层钻石颗粒层(20)分别包括多个以一预设图案排列于一平面(X)上的钻石颗粒(21)。

20.如权利要求19所述的热传导装置，其特征在于该钻石颗粒(21)彼此间水平相隔一第一间距。

21.如权利要求19所述的热传导装置，其特征在于该钻石颗粒(21)于水平方向上彼此相互接触。

22.如权利要求19所述的热传导装置，其特征在于该单层钻石颗粒层(20)之间垂直相隔一第二间距。

23.如权利要求19所述的热传导装置，其特征在于该钻石颗粒(21)的粒径介于20至1000μm之间的范围内。

24.如权利要求19所述的热传导装置，其特征在于该钻石颗粒(21)相对该金属基质(50)的体积百分比介于20％至70％的范围内。

25.如权利要求24所述的热传导装置，其特征在于该钻石颗粒(21)相对该金属基质(50)的体积百分比介于30％至50％的范围内。

26.如权利要求19所述的热传导装置，其特征在于该金属基质(50)为选择自由铜、铝、铁、钴、铬及镍所组成的群组。

27.如权利要求19所述的热传导装置，其特征在于热传导系数介于200W/mk至900W/mk的范围之间。

28.如权利要求19所述的热传导装置，其特征在于热膨胀系数介于2ppm/K至10ppm/K的范围之间。

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