CN1271710C - 电子元件散热件及其制法 - Google Patents
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Abstract
一种电子元件散热件及其制法。为提供一种散热效果好、适用于产生高热电子元件、加工方便、节省制造成本的散热件及其制法，提出本发明，散热件为以具有热传导性能的金属与钻石结合组成的薄膜制成的薄片；散热件制法为将钻石与具有热传导性能的金属结合成为薄膜而制成薄片。
Description
技术领域
本发明属于散热件及其制法，特别是一种电子元件散热件及其制法。
背景技术
电子元件在运作时均会伴随产生高热，而效率越高的电子元件运作时所产生的温度越高，高温将会对电子元件造成损坏，使其不堪使用，因此，一般电子元件上多半装设有散热件。
以电脑中央处理单元的散热而言，目前所开发的中央处理单元的运算效率已达GHz左右，因此所产生的高热已非传统散热器所能迅速加以散去。自1965年英代尔(Intel)的共同创始人Gordon·Moore已预言电晶体的密集趋势将长期以等比级数倍增(现为每18个月增加一倍)的Moore定律，此定律在过去40年持续至目前已面临热力学第二定律的考验。由于电子元件的线路越做越窄，因此热量将快速增加，故温度已达到积体电路(IC)所能承受的临界点(以硅晶为例，约为90℃)。
目前中央处理单元等电子元件的积体电路多以铜片或复合材料，如铜及碳、铝及碳化硅等作为散热器(Heat Spreader)，再以铝或铜制的散热片(HeatSink)将热量传导至鳍片的末端，最后，再以风扇加速空气对流以带走热量。然而，此种散热的方式仅能使约80w的中央处理单元免于烧毁。但使用0.13μm或线宽更细的下一代晶片将会使得中央处理单元的功率超过100w，因此传统的散热方式已不敷使用。
目前虽仍有其他的散热方法，如以热管内循环水的蒸发或以热电效应来吸热，但仍缓不济急。
再以光源半导体等电子元件的散热问题而言，自1879年爱迪生发明以电流通过导体，使其产生高热而发光的自炽灯(Incandescent light)至1930年科学家开始以电流激荡气体，使其产生辐射而制成萤光灯及1962年，科学家又以电流迫使半导体电子和电洞结合而开发出发光二极体(Light EmissionDiode；LED)，近十年来以LED为光源的技术突飞猛进。以目前红、绿、蓝三原色的LED而言，其单位能量所能产生的亮度(Lumens/watt)已超过标准白炽灯的20Lumens/watt，而散光的LED光源亦被制成同步的雷射光，并大量运用在纪录载体，如光碟的读取、印刷机(如雷射印刷)、通讯工业(如光纤的传递)乃至交通号志及看板显像等方面。
LED光源早期材料多以磷，如磷化镓或砷，如砷化镓为主，自1994年起氮化物则成为主力。由于氮化物的原子排列较密，因此可以被制作为更高功率及更宽频率的光源。
近年来由于LED及Laser Diode(雷射二极体)的功率越来越高，因此所伴随的温度亦不断上升至目前半导体光源所能承受的上限。为了确保半导体在发光时不致烧毁，因此将LED的半导体焊接于散热片上，散热片不仅需具有高热传导率，亦需要有适当的热膨胀率。如此一来，半导体在热胀冷缩时才不会由于与散热片界面产生应力而使得两者剥离。
另外，钻石的热传导率最高，但因其热膨胀率远低于一般LED半导体材料，如砷化镓，因此两者不宜直接焊在一起。除此之外，散热片亦可直接与半导体接触成为电极，但它必须能导电。然而一般的散热片，如氮化铝为电阻体或绝缘体，因此如何使散热片能导电亦成为必须解决的问题。
除了CPU、LED及雷射二极体外的电子元件，如射频、微波发生器也都面临散热的瓶颈，故需要有更有效的散热片。
最后，由于钻石用于散热片必须表面平整，但钻石加工困难，其不仅成本高，而且加工面的品质亦不佳，因此如何避免钻石的大量加工，亦为极待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种散热效果好、适用于产生高热电子元件、加工方便、节省制造成本的电子元件散热件及其制法。
本发明散热件为以具有热传导性能的金属与钻石结合组成的薄膜制成的薄片；散热件制法为将钻石与具有热传导性能的金属结合成为薄膜而制成薄片。
其中：
一种电子元件散热件，它为由具有热传导性能的金属及与金属结合的钻石膜构成的薄片。
具有热传导性能的金属为铜。
具有热传导性能的金属为铝。
钻石与具有热传导性能的金属系以烧结法结合，其系于高压下加热，使金属烧结成连结并把钻石颗粒包含在内的结构。
高压下加热以烧结法结合钻石与具有热传导性能的金属的压力范围为0.2GPa～8GPa、温度范围为900℃～1500℃。
钻石与具有热传导性能的金属系以熔渗法结合，其系将金属在高温下熔化，再将其迫入钻石的孔隙中。
金属熔渗的温度范围为900℃～1500℃。
以熔渗法结合钻石与具有热传导性能的金属前先将钻石上镀上其他金属，然后再将金属液灌入令金属液湿润披覆钻石的金属镀膜，并借由毛细力量把金属液吸入镀有金属膜的钻石孔隙中。
钻石与具有热传导性能的金属系以加压法结合，其系借由高压将铜液注入钻石孔隙中。
金属液注入钻石孔隙中的压力范围为0.1GPa～8GPa。
钻石与具有热传导性能的金属系以镜面模片法结合，其系于为镜面的模板上披覆金属层；利用蚀刻方式蚀刻出方格子状框架；以化学气相沉积法在铜框架的方格子内沉积析出钻石膜，在钻石膜焊设基板，并加以焊固；溶解去除模板以得到底面极为平滑的钻石膜。
基板为硅、钨、碳化硅或氮化硅板。
由于本发明散热件为以具有热传导性能的金属与钻石结合组成的薄膜制成的薄片；散热件制法为将钻石与具有热传导性能的金属结合成为薄膜而制成薄片。钻石及金属具有优异的导热效果，且可直接设置于电子元件上；散热件中的钻石不需要再经研磨或抛光，故加工方便、节省制造成本；可制造大面积的散热片，故可大量制造且单位成本甚低；散热效果好、适用于产生高热电子元件，而且加工方便、节省制造成本，从而达到本发明的目的。
附图说明
图1、为本发明电子元件用散热件制法实施例四示意图(一)。
图2、为本发明电子元件用散热件制法实施例四示意图(二)。
图3、为本发明电子元件用散热件制法实施例四示意图(三)。
图4、为本发明电子元件用散热件制法实施例四示意图(四)。
图5、为本发明电子元件用散热件制法实施例四示意图(五)。
图6、为本发明电子元件用散热件结构示意剖视图。
具体实施方式
如图6所示，本发明电子元件用散热件为由具有热传导性能的金属及与金属结合的钻石膜构成的薄片。热传导性能的金属为铜或铝。
具有热传导性能的金属可构成长、宽约为50μm、厚度为20μm方格子状铜或铝框架110。钻石为沉积于铜或铝框架110格子内顶、底面分别为粗糙面及镜面的钻石膜12，并于钻石膜12粗糙的顶面借银铜锡钛的焊料13焊设钨板14。
本发明亦可为以铜或铝的具有热传导性能的金属与钻石混合并加压加温挤压结合组成的薄膜制成的直径36mm，厚1.8mm的圆形薄片，其中钻石体积比超过80％。
本发明电子元件用散热件的制法
实施例一
本发明系以烧结法将钻石与具有热传导性能的金属结合成为薄膜而制成薄片，其将钻石颗粒及铜或铝金属粉末混合，并置放在为无氧铜的铜制的罐体内。钻石及铜的比率可自由调整，但若钻石的体积比率提高至超过50％，则可将大小钻石先行混合，使得小颗钻石充填至大颗钻石的孔隙中，其后再以更细的铜粉末填入其内。以此种充填方式提高钻石比率时，大颗钻石的直径要为小颗钻石的7倍以上为佳。由于大颗钻石的热传效果较佳，因此应尽量使用大颗钻石颗粒。然后再将为无氧铜的铜片置放其上，以六面顶高压机(Cubic Preers)加压至5万个大气压，于铜罐外围设置石墨管并通电流加温以使铜金属熔化，高压下加热铜液会因为高压而注入钻石颗粒间，使铜烧结成连结并把钻石颗粒包含在内的结构；此时，钻石颗粒本身亦会受到挤压，最后制成为直径36mm，厚1.8mm的圆形薄片。钻石与铜的结合薄片含有超过体积比80％的钻石，其热传导系数为铜的2倍以上，因此薄片所制成的散热片可用于电脑的中央处理单元或LED。
由于钻石在高温，大于700℃下会产生氧化或碳化，因此，在压力0.2GPa～8GPa、温度900℃～1500℃下进行烧结。
在钻石颗粒与铜粉混合制成散热片时，钻石的体积比率通常不超过50％即使以充填方式将小颗钻石塞入大颗钻石的孔洞中，钻石的整体体积亦不会超过70％。
实施例二
本发明系以熔渗法(Infiltration)将钻石与具有热传导性能的金属结合成为薄膜而制成薄片，其为将外加的铜金属在高温，1100℃熔化，并在温度900℃～1500℃下进行熔渗，以将其迫入钻石的孔隙中，以使得钻石体积提高。但是铜液不会湿润渗透入钻石孔隙中，因此，需先将钻石镀上其他金属如钛、铬、镍、铜，然后再将铜液灌入，以金属膜辅助铜液渗入钻石孔隙的，此时铜液便会湿润披覆钻石的金属镀膜，并借由毛细力量(Capillary Force)把铜液吸入镀有金属膜的钻石孔隙中。在温度900℃～1500℃下进行熔渗时应避免氧气的存在，故本发明宜在真空或惰性气氛下加热。
实施例三
本发明系以加压法将钻石与具有热传导性能的金属结合成为薄膜而制成薄片，其为借由高压，0.1GPa～8GPa下将金属液注入钻石孔隙中，此作法便不需在钻石外镀上金属膜。倘若压力甚大，如两万大气压力以上，则钻石亦会被挤压在一起，如此便可得到较高的钻石体积比，如85％，且铜液凝固后亦不会留下气孔，借由此法所制成的散热片的热传效率可达铜散热片的三倍。在0.1GPa～8GPa下进行高压注入时应避免氧气的存在，故本发明宜在真空或惰性气氛下加热。但若是加压至钻石的稳定区内进行熔渗，则钻石便不会有氧化或碳化的问题。以铜即能形成碳化物的元素，如锰配合能溶解碳的元素，如铁、镍形成合金，在高压下直接溶渗未镀金属膜的钻石。
实施例四
本发明系以镜面模片法将钻石与具有热传导性能的金属结合成为薄膜而制成薄片，其包括提供如图1所示的为镜面的硅晶模板10：如图2所示，于为镜面的硅晶模板10上披覆铜金属层11；如图3所示，利用蚀刻方式在铜金属层11蚀刻出长、宽约为50μm、厚度为20μm的方格子，并以热钨丝方法加热积比率1％甲烷体与积比率99％氢气使得两者分解，以形成并方格子状框架110；如图4所示，以化学气相沉积法在铜框架110的方格子内沉积析出与铜框架110结合的钻石膜12，沉积的钻石膜12形成粗糙的表面；如图5所示，由于沉积于铜框架110方格子内钻石膜12甚薄而容易翘曲，因此在钻石膜12粗糙的表面上以银铜锡钛的焊料13焊设基板14，并在10-5拖耳的真空内加以焊固，基板14为硅、钨、碳化硅或氮化硅板；如图6所示，利用氢氧化钾溶解去除硅晶模板10，由于钻石膜12与硅晶模板10接触的底面为镜面，因此，去除硅晶模板10便可得到底面极为平滑的钻石膜12，并借此钨板14使钻石膜12不再翘曲，且不会由铜框架110内掉出，便得到的厚度约为100μm钻石膜及金属所混合的片体。
藉由本实施例所制成的钻石与铜金属的薄片具有下述的优点：
1、钻石不需要再经研磨或抛光，其底面已经由硅晶膜板形成为平滑的镜面，由于钻石硬度最大，因此甚难加工，故本发明可省去钻石加工步骤而节省制造成本。
2、本发明可制造大面积的散热片，故可大量制造且单位成本甚低，具有产业上的利用性价值。
3、本发明所使用的硅及钨板的热膨胀率均与钻石接近，因此焊接的界面应力不大，不会有剥离的问题，加上钻石膜已利用铜框架加以区隔，因此所制得的散热片不仅可具有优异的导热效果，且可直接焊在半导体晶片上；由于其可导电，故可直接形成电极，并可取代半导体的基板，因而可以节省半导体电子元件的零件及成本。
虽本发明所述的散热片用于LED或二极体的散热，其亦可应用在中央处理单元的散热片、表面声波滤波器(Surface Accoustic wave Filter)的振动膜、感测器及微波处理发生器等，只要能应用平滑的钻石膜皆可使用本发明。
另外，本发明所使用的化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)在工业界已使用多年，其原理是将甲烷或其他含碳气体在高温下分解，同时以过量的氢原子，如体积百分比约99％作为催化剂，使得沉积出来的碳结合成钻石膜。其中，上述气体的加热方式有许多种，包括有电阻加热(HotFilament)、微波激荡(Micro wave Agitation)及直流电弧(DC Arc)等。
Claims (14)
1、一种电子元件散热件，其特征在于它为以具有热传导性能的金属与钻石混合并加压加温挤压结合组成的薄膜制成的薄片。
2、一种电子元件散热件，其特征在于它为由具有热传导性能的金属及与金属结合的钻石膜构成的薄片。
3、根据权利要求1或2所述的电子元件散热件，其特征在于所述的具有热传导性能的金属为铜。
4、根据权利要求1或2所述的电子元件散热件，其特征在于所述的具有热传导性能的金属为铝。
5、一种电子元件散热件制法，其特征在于它系将钻石与具有热传导性能的金属结合成为薄膜而制成薄片。
6、根据权利要求5所述的电子元件散热件制法，其特征在于所述的钻石与具有热传导性能的金属系以烧结法结合，其系于高压下加热，使金属烧结成连结并把钻石颗粒包含在内的结构。
7、根据权利要求6所述的电子元件散热件制法，其特征在于所述的高压下加热以烧结法结合钻石与具有热传导性能的金属的压力范围为0.2GPa～8GPa、温度范围为900℃～1500℃。
8、根据权利要求5所述的电子元件散热件制法，其特征在于所述的钻石与具有热传导性能的金属系以熔渗法结合，其系将金属在高温下熔化，再将其迫入钻石的孔隙中。
9、根据权利要求8所述的电子元件散热件制法，其特征在于所述的金属熔渗的温度范围为900℃～1500℃。
10、根据权利要求8所述的电子元件散热件制法，其特征在于所述的以熔渗法结合钻石与具有热传导性能的金属前先将钻石上镀上其他金属，然后再将金属液灌入令金属液湿润披覆钻石的金属镀膜，并借由毛细力量把金属液吸入镀有金属膜的钻石孔隙中。
11、根据权利要求5所述的电子元件散热件制法，其特征在于所述的钻石与具有热传导性能的金属系以加压法结合，其系借由高压将铜液注入钻石孔隙中。
12、根据权利要求11所述的电子元件散热件制法，其特征在于所述的金属液注入钻石孔隙中的压力范围为0.1GPa～8GPa。
13、根据权利要求5所述的电子元件散热件制法，其特征在于所述的钻石与具有热传导性能的金属系以镜面模片法结合，其系于为镜面的模板上披覆金属层；利用蚀刻方式蚀刻出方格子状框架；以化学气相沉积法在铜框架的方格子内沉积析出钻石膜，在钻石膜焊设基板，并加以焊固；溶解去除模板以得到底面极为平滑的钻石膜。
14、根据权利要求13所述的电子元件散热件制法，其特征在于所述的基板为硅、钨、碳化硅或氮化硅板。
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