CN105990278A - 导热元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种导热元件及其制作方法，该导热元件用于将一电子元件产生的热能对外导出，并包含一支撑体及多条导热纤维。该支撑体具有一与该电子元件接触的底面，及一反向于该底面的基面，所述导热纤维的部分被该支撑体包覆，另一部分经由该基面裸露而与外界接触，所述导热纤维的导热系数介于380～2000W/m·K，且该导热元件沿所述导热纤维的排列方向的导热系数不小于300W/m·K。该导热元件的制作方法是利用将导热纤维与高分子基质掺混后，再将至少一部分的高分子基质移除，令导热纤维外露。由于导热纤维可裸露并与外界接触，因此，该导热元件可具有极佳的导热性与散热性。

Description

导热元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种导热元件及其制作方法，特别是涉及一种具有导热纤维的导热元件及其制作方法。

背景技术

随着半导体制程技术发展愈来愈成熟，半导体元件的集成化程度愈来愈高，因此，“散热”已成为半导体元件重要的技术。特别是对高功率元件而言，由于元件作动时产生的热能大幅增加，使得电子产品的温度会急速上升。而电子元件的平均工作温度每升高10℃时，元件寿命就会减少50％。因此，如何发展出更适用于高功率元件需求的散热方法，则为相关厂商亟待克服的难题。

一般元件的散热大都是在元件上设置一散热结构(例如散热鳍片、散热片)，再利用该散热结构将高功率元件产生的废热导出。前述该散热结构的构成材料一般是利用具有高导热性的金属，或是利用掺有高导热性无机材料，例如氮化硼、氮化铝等的高分子复合材料，或是，直接以具有高导热性的碳纤维或石墨片所制成。然而，金属的导热性虽佳，但是比重较重，因此会增加元件整体的重量，而一般用于掺混的高导热性无机材料，因为导热性的限制(氮化硼:250～300W/m·K、氮化铝140～180W/m·K)，若要达成导热元件预定的高导热效果(导热率>300W/m·K)，高导热性材料的掺混比例须极高(>50wt％)，然而，过高比例的高导热性无机材料，又会导致高分子复合材料整体的物性下降；此外，高导热性无机材料或是碳纤维、石墨片，因为是利用掺混方式与高分子混合，或是直接成形使用，因此，在使用过程中会有颗粒或纤维脱落的问题，而会有污染元件的缺点产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高导热性的导热元件的制作方法。

本发明导热元件的制作方法，包含：一混合步骤，及一移除步骤。

该混合步骤是将多条导热纤维与一高分子基质进行掺混，再令该高分子基质固化，形成一预固体，所述导热纤维的导热系数介于380～2000W/m·K。

该移除步骤是将该预固体的高分子基质的至少一部分移除，令所述导热纤维的至少一部分裸露而直接与外界接触。

本发明导热元件的制作方法，其中，该移除步骤是将该高分子基质完全移除，且所述导热纤维可通过移除该高分子基质后残留的碳粒子彼此黏结，而形成一导热纤维网，该导热元件的制作方法，还包含一支撑体形成步骤，将该导热纤维网的预定部分浸置于一含有可固化成形的成形基质中，令该成形基质包覆该导热纤维网的预定部分后，将该成形基质固化，让固化后的成形基质形成一支撑体，而制得该导热元件。

本发明导热元件的制作方法，其中，该移除步骤是利用激光或喷砂方式移除部分的高分子基质，而令所述导热纤维的至少一部分裸露。

本发明导热元件的制作方法，其中，该移除步骤是利用激光移除该高分子基质，且所述导热纤维的裸露部分会通过移除该高分子基质后残留的碳粒子彼此黏结。

本发明导热元件的制作方法，其中，所述导热纤维是以交错编织方式分布于该预固体。

本发明导热元件的制作方法，其中，所述导热纤维是沿一方向排列分布于该预固体。

本发明导热元件的制作方法，其中，该成形基质选自金属、合金金属、热固性高分子材料，或热塑性高分子材料。

本发明导热元件的制作方法，其中，该成形基质的构成材料选自下列群组其中一种:银、铝、铜、铝合金、酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂、聚硅氧树脂。

本发明导热元件的制作方法，其中，所述导热纤维选自金属纤维、高导热碳纤维，或石墨化气相沉积碳纤维。

本发明还提供一种便在提供一种具有高导热性的导热元件。

本发明的导热元件用于将一电子元件产生的热能对外导出，包含：一支撑体及多条导热纤维。

该支撑体具有一与该电子元件接触的底面，及一反向于该底面的基面。

所述导热纤维的部分被该支撑体包覆，另一部分经由该基面裸露而与外界接触，所述导热纤维的导热系数介于380～2000W/m·K，且该导热元件沿所述导热纤维的排列方向的导热系数不小于300W/m·K。

本发明的导热元件，其中，所述导热纤维为沿与该基面实质垂直的方向裸露于该支撑体外。

本发明的导热元件，其中，所述导热纤维是以交错编织方式排列并具有多孔性结构。

本发明的导热元件，其中，所述裸露的导热纤维通过碳粒子彼此黏结。

本发明导热元件，其中，该支撑体的构成材料选自金属、合金金属、酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂，及聚硅氧树脂。

本发明的导热元件，该金属选自下列群组其中一种:银、铝，或铜，该合金金属选自铝合金。

本发明的导热元件，其中，所述导热纤维选自金属纤维、高导热碳纤维、石墨化气相沉积碳纤维，或前述其中一组合。

本发明的导热元件，所述导热纤维还经由该底面裸露于该支撑体外，而与该电子元件接触。

本发明的导热元件，其中，该支撑体具有一与该电子元件接触且延长度方向延伸的接触部，及一与该接触连接并远离该电子元件的导出部，且所述导热纤维自该导出部裸露于外。

本发明的有益效果在于：利用将导热纤维与高分子基质掺混后，再将至少一部分的该高分子基质移除而制得的导热元件，由于所述导热纤维的部分裸露而直接与外界接触，因此，具有极佳的导热及散热性。

附图说明

图1是一示意图，说明本发明该导热元件的实施例；

图2是一示意图，说明该实施例中，所述导热纤维的另一种排列态样；

图3是一示意图，说明该实施例中，该支撑体的另一种态样；

图4是一示意图，说明该实施例中，该支撑体的又一种态样；

图5是一文字流程图，说明该实施例的制备方法；

图6是一文字流程图，说明该实施例的另一种制备方法。

具体实施方式

本发明的导热元件2可用于与一会产生热能的电子元件100接触，而将该电子元件100产生的热能对外导出。

参阅图1，本发明该导热元件2的一实施例包含:一支撑体21及多条导热纤维22。

该支撑体21具有一与该电子元件100接触的底面211，及一反向于该底面211的基面212，该支撑体21的构成材料可选自金属、合金金属、高分子材料，较佳地，该金属选自下列群组其中一种：银、铝，或铜，该合金金属选自铝合金，该高分子材料为热固性高分子材料或热塑性高分子材料，例如但不限于酚醛树脂、环氧树脂、聚硅氧树脂，或呋喃树脂。

所述导热纤维22为交错分布于该支撑体21，且部分被该支撑体21包覆，另一部分经由该基面212裸露于该支撑体21外而与外界接触。较佳地，所述导热纤维22是以交错编织方式排列分布于该支撑体21，更佳地，裸露于该支撑体21而未被该支撑体21包覆的导热纤维22之间，会通过碳粒子彼此黏结成一体，而具有多孔性结构。

具体的说，所述导热纤维22的导热系数介于380～2000W/m·K，适用于本实施例的导热纤维22可选自金属纤维(metal fiber)、高导热碳纤维(high thermal conductivity carbon fiber)、石墨化气相沉积碳纤维(Graphitized VGCF)，或前述其中一组合，且该导热元件2沿所述导热纤维的排列方向的导热系数不小于300W/m·K。以本实施例的导热纤维22的排列方式而言，每一层的导热纤维22于X-Y平面方向会具有最佳的导热效果。

本发明利用将具有高导热性的导热元件2与电子元件100直接接触，因此，该电子元件100产生的热能可迅速的传递至与其接触的该导热元件2而对外导出；而由于所述导热纤维22于远离该电子元件100的部分裸露于该支撑体21外，因此，该导热元件2可迅速的通过所述导热纤维22将热能导离该电子元件100，因此，可具有更佳的导热效果。而当所述裸露于该支撑体21而未被该支撑体21包覆的导热纤维22之间还通过碳粒子彼此黏结成一体时，还可避免现有导热纤维或颗粒因掺混掉落造成的元件污染问题。

较佳地，所述导热纤维22可选自长度不小于0.1mm，且导热系数不低于1800W/m·K的石墨化气相沉积碳纤维，利用气相沉积碳纤维的高导热性(导热系数>1800W/m·K)，因此，可更有效的将热能从该电子元件100导出，而利用具有较大长度的纤维，则可增加导热路径的连续性，而让热能可更容易通过所述石墨化气相沉积碳纤维对外导出。

该参阅图2，要说明的是，所述导热纤维22的排列方式，也可以如图2所示，是沿一与该电子元件100的基面212实质垂直的方向排列，而令所述导热纤维22自远离该电子元件100的基面212裸露于该支撑体21外，由于所述导热纤维22沿长度方向(Z轴方向)具有极佳的导热性，因此，通过控制所述导热纤维22以垂直方向的排列方式，可更有效的将该电子元件100产生的热能向外导出，较佳地，该导热元件2沿所述导热纤维的排列方向(Z轴方向)的导热系数不小于300W/m·K。

值得一提的是，虽然该导热元件2可有效的将该电子元件100的热能导出，但是，因为所导出的热能也容易聚集在该电子元件100附近，而较不利于该电子元件100整体的散热；所以，该导热元件2的结构也可以如图3所示，具有面积大于该电子元件100的该实心的支撑体21。也就是说，可令该支撑体21具有一与该电子元件100的表面接触，且沿长度方向延伸的接触部213，及一与该接触部213连接并远离该电子元件100的导出部214，并令所述导热纤维22为分布于该支撑体21，而自该导出部214裸露于外。此种结构的设计，因为是令所述导热纤维22自相对远离该电子元件100的基面212露出，因此，该电子元件100的热能可通过所述导热纤维22被带往远离该电子元件100的位置对外导出，而可避免热能聚集在该电子元件100附近的缺点。此外，前述该图3的结构也可以用于为了配合产品的设计及需求，而使用厚度较低(<0.5mm)的该支撑体21时，避免自该支撑体21导出的热能聚集在该电子元件100附近的缺点。

要说明的是，为了提升该导热元件2的导热性，所述导热纤维22也可以进一步自该支撑体21的该底面211裸露于该支撑体21外而与该电子元件100接触；或是该支撑体21也可以是具有镂空的结构，而令所述导热纤维22可自该支撑体21的其它位置裸露，以增加所述导热纤维22与该支撑体21的接触面积或是与外界接触面积，而提升该导热元件2整体的导热及散热性。

前述该支撑体21的镂空结构，只要是可让所述导热纤维22裸露于该支撑体21外便可，并无特别限制。例如，参阅图4，可以将该支撑体21的部分移除，而令该支撑体21形成具有多个彼此间隔的支撑块215，如此，所述导热纤维22则是分布于所述支撑块215，并自所述支撑块215之间的间隙露出，而可增加所述导热纤维22与该支撑体21与外界的接触面积，以提升该导热元件2的散热性。

值得一提的是，当所述导热纤维22之间是以交错编织方式排列而成网状结构时，则露出于所述支撑块215之间的导热纤维22会形成多孔结构，热能可通过所述孔隙更有效率的向外导出；此外，当所述导热纤维22之间进一步通过碳粒子彼此黏结时，所述导热纤维22与所述支撑块215彼此不会分离而可视为一体，因此，不会影响热能的传导路径，且于使用过程中导热纤维22也不易自该支撑体21掉落，而可避免现有导热纤维或颗粒因掺混掉落造成的元件污染问题。

此外，要再说明的是，于本较佳实施中该电子元件100的表面为以一平坦的面做说明，因此，该导热元件2与该电子元件100接触的表面也会成一平坦面，但是要说明的是，该电子元件的表面也可以是具有弧面或曲面等不同表面型态，此时，该导热元件2与该电子元件100接触的表面也可以配合该电子元件100的表面型态而具有弧面或曲面，以提升与该电子元件100间的接触密合性。

兹将前述该导热元件2的制作方法说明如下。

参阅图5，本发明该实施例的一第一制作方法包含一混合步骤31及一移除步骤32。

该混合步骤31是将多条导热纤维22与一高分子基质进行掺混，随后，令该高分子基质固化，形成一预固体。

详细的说，该混合步骤31是先将所述导热纤维22以所要的排列方式进行预排列后，再与该高分子基质掺混。例如，当要得到所述导热纤维22是以交错堆叠方式，则是将导热纤维22以交错堆叠方式平铺于一模具内，再将该高分子基质注入该模具中令其浸润包覆所述导热纤维22，再经热压成型后，便可得到该预固体，且该预固体内的导热纤维22为交错编织排列的结构。

而当要得到沿一固定方向排列的导热纤维22时，则先将所述导热纤维22以一固定方向平铺排列于一模具后，再将该高分子基质注入该模具中，令其浸润包覆所述导热纤维22，再经热压成型后，便可得到该预固体，且该预固体内的导热纤维22为沿一预定方向排列。

或是也可先将交错编织的导热纤维22与成固定方向排列的导热纤维22交错铺设，再将该高分子基质注入该模具中，令其浸润包覆所述导热纤维22，再经热压成型后，便可得到该预固体，且该预固体内的导热纤维22可同时具有交错编织及沿一预定方向排列的结构。

该移除步骤32则是将该预固体的高分子基质的至少一部分移除，令所述导热纤维22的至少一部分裸露而直接与外界接触。

具体的说，该移除步骤32是利用喷砂或是激光方式，将该预固体预定部分的该高分子基质移除，例如可自该预固体的其中一表面将该高分子基质移除，让所述导热纤维22的至少一部分自该表面裸露于外，而得到如图1所示的导热元件2，或是进一步将该预固体的高分子基质的其它部分移除，而形成具有如图3～4所示，或其它不同镂空形状的支撑体21结构的导热元件2。该导热元件2后续则可视需求进一步进行裁切，而适用于不同面积或形状需求的电子元件100。

要说明的是，当该移除步骤32中是利用激光将该高分子基质碳化移除时，不仅可让所述导热纤维22的预定部分裸露出，且该高分子基质碳化后残留的碳粒子还可成为裸露部分的导热纤维22之间的黏结材料，让所述导热纤维22彼此黏结成一体，可让所述导热纤维仍维持完整的导热网络，并令所述裸露的导热纤维22不易掉落。

参阅图6，本发明该实施例也可利用一第二制备方法制得，该第二制备方法包含一混合步骤41、一移除步骤42，及一支撑体形成步骤43。

具体的说，该混合步骤41是将多条的导热纤维22与一高分子基质进行掺混，随后，再令该高分子基质固化，形成一预固体。由于该混合步骤41与该第一制备方法的该混合步骤31相同，因此，不再多加说明。

该移除步骤42是将该预固体的高分子基质全部移除。

该移除步骤42可利用激光或是烧结方式将该高分子基质移除。以制程便利性考虑，可选用烧结方式将该高分子基质全部移除。

以烧结方式移除该高分子基质做说明，该步骤42是先将该预固体置放于一高温炉中，以氩气做为保护气体，在450～950℃的温度下进行碳化处理，将该预固体的高分子基质碳化移除，碳化后残留的碳原子便可成为所述导热纤维22之间的黏结材料，令所述导热纤维22彼此黏结成一体，而得到一实质上可视为一体的导热纤维网。

在该混合步骤41中，所述导热纤维22为交错排列时，该导热纤维网为一具有多孔性的导热纤维网；而当所述导热纤维22为以一预定方向排列时，该导热纤维网为一具有方向性的导热纤维网。

接着，进行该支撑体形成步骤43，将该导热纤维网的预定部分浸置于一含有可固化成形的成形基质中，令该成形基质包覆该导热纤维网的预定部分后，再将该成形基质固化成形，令固化后的成形基质形成如图2～4所示，或其它具有预定高度或形状的该支撑体21，便可完成该导热元件2的制作。

该成形基质可选自熔融的金属、合金金属，或是热固性高分子材料或热塑性高分子材料，具体的说，该成形基质的构成材料可选自下列群组其中一种:银、铝、铜、锡、锑、铝合金、酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚硅氧树脂等。该支撑体形成步骤43是先将选用的金属、合金金属，或是高分子材料熔融，得到成液态的成形基质后，将该导热纤维网的预定部分浸置于液态的成形基质中，再令该液态的成形基质固化，便可得到该导热元件2。

综上所述，本发明利用将导热纤维22与高分子基质掺混，再将至少一部分的该高分子基质移除而制得的导热元件2，由于所述导热纤维22可部分裸露，因此，该导热元件2可具有极佳的导热及散热性；此外，裸露的导热纤维22之间，因为可通过移除该高分子基质后残留的碳粒子彼此黏结不脱落，因此，还可避免现有导热纤维或颗粒因掺混掉落所造成的元件污染问题，所以确实能达成本发明的目的。

Claims (18)

1.一种导热元件的制作方法，其特征在于：包含一混合步骤，以及一移除步骤，该混合步骤是将多条导热纤维与一高分子基质进行掺混，再令该高分子基质固化，形成一预固体，所述导热纤维的导热系数介于380～2000W/m·K，该移除步骤是将该预固体的高分子基质的至少一部分移除，令所述导热纤维的至少一部分裸露而直接与外界接触。

2.如权利要求1所述的导热元件的制作方法，其特征在于：该移除步骤是将该高分子基质完全移除，且所述导热纤维可通过移除该高分子基质后残留的碳粒子彼此黏结，而形成一导热纤维网，该导热元件的制作方法，还包含一支撑体形成步骤，将该导热纤维网的预定部分浸置于一含有可固化成形的成形基质中，令该成形基质包覆该导热纤维网的预定部分后，将该成形基质固化，让固化后的成形基质形成一支撑体，而制得该导热元件。

3.如权利要求1所述的导热元件的制作方法，其特征在于：该移除步骤是利用激光或喷砂方式移除部分的高分子基质，而令所述导热纤维的至少一部分裸露。

4.如权利要求3所述的导热元件的制作方法，其特征在于：该移除步骤是利用激光移除该高分子基质，且所述导热纤维的裸露部分会通过移除该高分子基质后残留的碳粒子彼此黏结。

5.如权利要求1或2所述的导热元件的制作方法，其特征在于：所述导热纤维是以交错编织方式分布于该预固体。

6.如权利要求1所述的导热元件的制作方法，其特征在于：所述导热纤维是沿一方向排列分布于该预固体。

7.如权利要求2所述的导热元件的制作方法，其特征在于：该成形基质选自金属、合金金属、热固性高分子材料，或热塑性高分子材料。

8.如权利要求7所述的导热元件的制作方法，其特征在于：该成形基质的构成材料选自下列群组其中一种:银、铝、铜、铝合金、酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂、聚硅氧树脂。

9.如权利要求1所述的导热元件的制作方法，其特征在于：所述导热纤维选自金属纤维、高导热碳纤维，或石墨化气相沉积碳纤维。

10.一种导热元件，用于将一电子元件产生的热能对外导出，该导热元件包含：一支撑体及多条导热纤维；其特征在于：该支撑体具有一与该电子元件接触的底面，及一反向于该底面的基面，所述导热纤维的部分被该支撑体包覆，另一部分经由该基面裸露而与外界接触，所述导热纤维的导热系数介于380～2000W/m·K，且该导热元件沿所述导热纤维的排列方向的导热系数不小于300W/m·K。

11.如权利要求10所述的导热元件，其特征在于：所述导热纤维为沿与该基面实质垂直的方向裸露于该支撑体外。

12.如权利要求10所述的导热元件，其特征在于：所述导热纤维是以交错编织方式排列并具有多孔性结构。

13.如权利要求10所述的导热元件，其特征在于：所述裸露的导热纤维通过碳粒子彼此黏结。

14.如权利要求10所述的导热元件，其特征在于：该支撑体的构成材料选自金属、合金金属、酚醛树脂、呋喃树脂、环氧树脂，及聚硅氧树脂。

15.如权利要求14所述的导热元件，其特征在于：该金属选自下列群组其中一种:银、铝，或铜，该合金金属选自铝合金。

16.如权利要求10所述的导热元件，其特征在于：所述导热纤维选自金属纤维、高导热碳纤维、石墨化气相沉积碳纤维，或前述其中一组合。

17.如权利要求10所述的导热元件，其特征在于：所述导热纤维还经由该底面裸露于该支撑体外，而与该电子元件接触。

18.如权利要求10所述的导热元件，其特征在于：该支撑体具有一与该电子元件接触且沿长度方向延伸的接触部，及一与该接触部连接并远离该电子元件的导出部，且所述导热纤维自该导出部裸露于外。