TW201433630A - 沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法及所製造的散熱片 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，這種散熱片適合作為防止LED晶片、半導體元件、大功率電氣電子設備劣化現象的散熱器使用。本發明的散熱片的製造方法包括(a)在板狀石墨粉末上塗敷金屬的步驟；(b)使塗敷金屬的石墨粉末受到振動，讓板狀石墨粉末沿水平方向定向排列的步驟；(c)對沿水平方向定向排列的石墨粉末加壓成型的步驟；(d)燒結經加壓的石墨粉末而製作大塊材料的步驟；以及(e)依照垂直於沿水平方向定向排列的方向，以規定厚度切割大塊材料來製作片材的步驟。

Description

沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法及所製造的散熱片
本發明涉及一種沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法和利用該方法製造的散熱片，這種散熱片適合作為防止LED晶片、半導體元件、大功率電氣電子設備劣化的散熱器使用，尤其是涉及一種沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法和利用該方法製造的散熱片，其特徵為：將塗敷金屬的板狀石墨粉末定向排列並進行燒結，製成石墨粉末依照一定方向定向排列的大塊金屬基複合材料後，把大塊複合材料切割成板狀，使板狀石墨粉末沿厚度方向平行排列。
隨著技術進步的速度越來越快，消費者越來越追求方便攜帶和小型化，如今電氣設備PCB電路板、記憶體、LED模組、電氣電子設備等也正在快速向整合化和大功率化方向發展。
由於電器電子設備伴隨電子的移動，所以越向整合化和大功率化方向發展，電氣電子設備所散發的熱量也越多，如果不能把熱量排放到設備外部，元件因受熱而劣化，產品性能和耐久性快速降低，由此而降低產品可靠性。
為了解決這些問題，從前靠採用導熱性優越的銅(Cu)、鋁(Al)等金屬材料製作散熱材料，用以進行電氣電子設備的散熱。
但是，只用金屬作為散熱材料時，由於金屬本身存在質量大、熱膨脹係數大的特點，如把散熱材料連接到元件上，因散熱材料與連接母材的熱膨脹係數不同而產生塗層開裂現象，進而產生容易脫落或產品 特性明顯降低的問題。
為此，最近作為質量輕且吸收元件熱量後容易向外散熱的方法，使用借助AlN,SiC等非金屬類無機材料的單體或兩種以上複合材料的例子逐漸增多。
但是，雖然這些材料的質量比鋁、銅輕，熱膨脹係數較低，具有適合電路板材料使用的特點，但存在導熱性低於200W/mk的缺點。
作為解決氮化物、碳化物所存在的上述問題，有人建議採用碳基(Carbon Fiber,Carbon Nanotube,Graphite等)複合材料。
如專利文獻1(大韓民國公開專利第2010-0135798號)揭露了利用碳纖維製作成型的碳纖維複合材料製造方法，這種材料沿X、Y方向，即平面方向呈現優越導熱性。這種複合材料具有質量輕、導熱性能(700W/mK)優越的特點，熱膨脹係數也非常好。但如該專利文獻所述，這種方法不僅需要在3000℃的高溫下進行熱處理，而且實際製作的複合材料沿X、Y方向導熱性為450-650W/mK左右，比銅(Cu)、鋁(Al)等金屬材料優越，但實際電子設備中更需要的厚度方向(即z方向)導熱性僅為100-140W/mK左右，所以存在著與昂貴的加工技術相較下導熱性較低的缺點。
另外，還有採用碳奈米管(CNT)散熱材料的例子，但碳奈米管存在著難以均勻分散而不能得到均勻散熱特性，和難以大量生產的問題，且由於碳奈米管本身的特點，與金屬物質不易結合的問題，所以在實際應用中受到限制。
【專利文獻】
專利文獻1：大韓民國公開專利第2010-0135798號
本發明為了解決習知技術問題而採用技術方案是：提供一種沿厚度方向導熱性優越的散熱片的製造方法，其特徵是散熱片採用金屬和石墨顆粒複合材料製造，因此重量輕、熱膨脹係數小；從組織結構方面，在金屬基上沿厚度方向定向排列著導熱性優越的石墨顆粒。
本發明另一種技術方案是：提供一種利用上述方法來製造 的散熱片，其特徵為由石墨顆粒沿厚度方向定向排列的金屬基複合材料所構成。
為了解決上述問題，本發明提供一種沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其特徵為：作為一種金屬基石墨粉末的複合板材的製造方法，包括(a)在板狀石墨粉末上塗敷金屬的步驟；(b)使塗敷金屬的石墨粉末受到振動，使板狀石墨粉末沿水平方向定向排列的步驟；(c)對沿水平方向定向排列的石墨粉末加壓成型的步驟；(d)燒結經加壓的石墨粉末而製作大塊材料的步驟；以及(e)依照垂直於沿水平方向定向排列的方向，以規定厚度切割上述大塊材料來製作板材的步驟。
本發明所述的方法中，板狀石墨粉末可包括板狀、薄片(flake)狀或魚鱗狀。
本發明所述的方法中，金屬可以包括Cu、Au、Ni、Pd或從這些合金中選擇一種以上。
本發明所述的方法中，所述(a)步驟的金屬塗敷可以採用電鍍或非電鍍方式。
本發明所述的方法中，振動方式可以採用超聲波方式。
本發明所述的方法中，所述(c)步驟的加壓可採用單軸加壓、滾製或擠壓方式，壓力可以採用石墨表面塗敷金屬抗壓強度的80-110%。
本發明所述的方法中，所述(d)步驟的燒結可採用放電等離子燒結(spark plasma sintering)或高溫燒結方法。
本發明所述的方法中，所述(e)步驟的切割可以依照0.3-5毫米進行切割。
本發明所述的方法中，石墨粉末的平均粒度可以在1-500微米範圍內。
本發明所述的方法中，所述(e)步驟的切割可以採用金剛石絲切割、雷射切割及精密沖模沖壓方式。
本發明所述的方法中，散熱片的石墨粉末體積比可以低於60%，也可以在30-60%範圍內，最好在50-55%範圍內。
作為解決上述其他問題的方案，本發明提供一種利用上述方法製造且沿著板材厚度方向定向排列石墨粉末的散熱片。
本發明所述的方法中，依照適當比例混合導熱性優越的金屬和導熱性優越的輕質石墨粉末，以製造具有優越導熱性、輕量化及熱膨脹係數低的散熱片。
由於採用以簡單方式將塗敷金屬的石墨粉末進行定向加壓燒結的方法，所以可以連續生產，適合大量生產。
由於導熱性優越的石墨粉末沿板材厚度方向垂直定向排列，所以板材厚度方向散熱性較優越，重量輕、熱膨脹係數低，尤其適用於在厚度方向需要優越導熱性的半導體、大功率電氣電子成組產品等產品的散熱片。
S10、S20、S30、40、S50‧‧‧步驟
第1圖為顯示本發明實施例之散熱片的製造過程的流程圖；第2圖為本發明實施例中使用魚鱗狀石墨粉末，利用電子顯微鏡掃描的照片；第3圖為概略顯示在設有超聲波振盪器的模具中，裝入塗敷金屬的板狀石墨粉末的情況；第4圖為概略顯示在設有超聲波振盪器的模具中，裝入塗敷金屬的板狀石墨粉末後，透過振動使板狀石墨粉末沿水平方向定向排列的情況；第5圖為概略顯示對沿水平方向定向排列的板狀石墨粉末進行單軸加壓成型的步驟；第6圖為概略顯示利用第5圖所示之方法製造的成型件，再進行燒結所產生的燒結件；第7圖為概略顯示依照垂直於板狀石墨粉末定向排列的方向，切割第6圖所示的燒結件來製作片材的過程；第8圖為經由第7圖所示之切割過程獲得的片材組織，利用電子顯微鏡掃描的照片；以及第9圖為未經由超聲波振動製作的板材組織，利用電子顯微鏡掃描的照片。
下面結合實施例對本發明作進一步說明。但是，本發明並不限於下述揭露的實施例，而可以實現為各種不同的形式。本實施例的目的在於讓本發明所屬的技術領域中具有通常知識者完全瞭解本發明。
第1圖為顯示本發明實施例之散熱片的製造過程的流程圖。如第1圖所示，本發明散熱片的製造方法包括：(a)在板狀石墨粉末上塗敷金屬的步驟(S10)；(b)使塗敷金屬的石墨粉末受到振動，使板狀石墨粉末沿水平方向定向排列的步驟(S20)；(c)對沿水平方向定向排列的石墨粉末加壓成型的步驟(S30)；(d)燒結經加壓的石墨粉末而製作大塊材料的步驟(S40)；以及(e)依照垂直於沿水平方向定向排列的方向，以規定厚度切割上述大塊材料來製作片材的步驟(S50)。
石墨粉末塗敷步驟(S10)是在石墨粉末表面上形成金屬層的步驟。
石墨粉末應採用“板狀”，在本發明中“板狀石墨粉末”不僅可以是完全板狀的石墨粉末，還可以包括形狀類似於板狀的薄片(flake)及魚鱗狀等粉末。
如石墨粉末的平均粒度小於1微米，微細的粉末在塗敷攪拌過程中可能會產生懸浮或塗敷不均勻現象；如超過500微米，因石墨粉末巨觀組織殘留在板上，將對最終片材的薄片化和強度產生不好的影響，所以平均粒度應在1-500微米範圍內，最好在50-300微米範圍內。
石墨粉末表面形成的金屬層應採用導熱性優越的金屬材料，如Cu、Au、Ni、Pd及其合金等導熱性優越的金屬(純金屬或合金)。
在透過形成金屬層來製造複合粉末時，為了獲得連續均勻的金屬層和提高金屬塗敷效率，需要使核心顆粒(即石墨粉末)整個表面成為預備的狀態，為此應在上述金屬塗敷之前，對石墨粉進行預備處理。
作為對核心顆粒的預備處理的方法有以適當溫度加熱來去除核心顆粒表面上存在的揮發性物質和吸附氣體的方法，以及利用PdCl2溶液的方法和添加有機添加劑的方法等眾所周知的各種方法。
作為塗敷金屬的方法，即在石墨粉末上形成金屬層的方法，有利用液狀反應溶液的濕潤法和氣態蒸鍍，或固態蒸鍍等乾燥法。濕 潤法包括無電解鍍法、電解鍍法、化學沉澱法以及利用氫氣從鹼性溶液還原金屬離子的氫還原法等，乾燥法有使含有金屬的蒸氣接觸石墨粉末來塗敷金屬的置換法，透過加熱分解金屬化合物蒸氣來形成塗覆層的熱分解法，以及將金屬氯化物蒸氣還原成氫氣的氫還原法等各種方法。
金屬塗敷量應保證最終複合體質量輕、導熱性優越，且不存在與電路板結合力低的問題，對於塗敷金屬的複合粉末，其石墨粉末體積比應小於60%，最好在50-60%範圍內，如達到50-55%更佳。
石墨粉末定向排列步驟(S20)是指使裝入塗敷金屬的石墨粉末的容器振動，從而使板狀石墨粉末依照一定方向定向排列的過程。
其容器可以是加壓燒結塗敷金屬層的石墨粉末的模具，也可採取用各自的容器，分別進行定向排列和加壓後進行燒結的方式。
關於定向排列方法，採用超聲波振盪器等方式使塗敷金屬的石墨粉末振動，使板狀石墨粉末依照規定方向(大多依照水平方向)定向排列。雖然在本發明實施例中採用了超聲波振盪器，但可根據模具或容器體積採用各種振動方式。
成型步驟(S30)是指將依照規定方向定向排列的、塗敷金屬的石墨粉末，依照規定壓力加壓成型，以製作後續的燒結用母材的過程。
成型加壓方法應採用從能夠原封不動地保持定向組織的側面進行單軸加壓方式，但如果對定向排列的石墨粉末不會造成很大的損壞，也可以採用多軸加壓方式。如加壓壓力小於80%，擠壓和燒結後相互結合的銅鍍層表面接觸比例減少，如超過110%，則因壓力過大而產生破壞石墨或銅鍍層與石墨相互剝離的現象，所以加壓壓力應在石墨粉末表面上塗敷的金屬材料抗壓強度的80-110%範圍內。另外，塗敷金屬的石墨粉末成型還可以透過滾製或擠壓等方法進行。
燒結步驟(S40)是指對石墨粉末表面上塗敷的金屬進行燒結來製作大塊材料的過程，燒結可採取放電燒結法或高溫燒結發等眾所周知的方法。
如燒結溫度低於塗敷金屬熔化溫度的80%，因燒結熱量不夠而產生未燒結的部分，如高於95%，靠加壓壓力的影響而產生部分熔化的現象，所以燒結溫度應在塗敷金屬熔化溫度的80-95%範圍內。同時，燒 結壓力應在10MPa/mm2-80MPa/mm2範圍內，以便使最終燒結體的相對密度大於95%。
如第4圖所示，經過上述燒結過程，形成含有在金屬基體組織上大致依照水平方向定向排列的石墨粉末的複合體。
切割步驟(S50)是指將依照規定方向定向排列的板狀石墨粉末切割成板材，使其成為平行於依照板材厚度方向平行排列的狀態。切割可以採用金剛石絲切割、雷射切割、精密沖模沖裁等各種切割方法。將第7圖所示的大塊材料依照垂直於石墨粉末定向排列方向切割成規定厚度後，就會得到如第7圖所示的組織，即石墨粉末沿被切割的片材厚度方向平行排列。
[實施例]
將平均粒度130微米的500克石墨粉末，用電爐在300-400℃溫度下加熱30-90分鐘左右，對石墨粉末進行了預備處理。第2圖為本發明實施例中使用的石墨粉末利用電子顯微鏡掃描的照片。如第2圖所示，本發明實施例中使用的石墨粉末形狀為魚鱗狀。
然後，用無電解鍍銅液對預備的石墨粉末進行鍍銅。具體來說，首先在380℃溫度下進行1小時熱處理，以進行表面預備處理。再加入3wt%冰醋酸進行處理，使經熱處理的石墨粉末表面順利形成銅塗覆層，並製作石墨粉末與冰醋酸的重量比為20wt%，且含有70wt%CuSO4、10wt%水的懸浮液。在上述懸浮液中，添加約20wt%比作為置換溶劑使用的銅鹽水溶液電負值大的0.7mm大小的Zn、Fe、Al顆粒物後，在常溫下以25rpm左右速度進行攪拌，以進行塗敷工作。
為了防止經無電解塗敷的鍍銅石墨粉末在大氣中腐蝕，產生了鈍化，為此將石墨粉末在依照75：10：10：5的重量比混合的蒸餾水、H2SO4、H3PO4及果酸混合溶液中浸泡20分鐘。最後，為了去除石墨粉末表面殘留的酸，經水洗後在大氣中依照50-60℃溫度加熱乾燥，以結束塗敷粉末的製造過程。
透過上述過程，製造出塗敷銅的體積比約為50%左右的石墨粉末。
如第3圖所示，塗敷銅的石墨粉末裝入模具內。
然後，利用超聲波振盪器振動10分鐘模具。此時，塗敷銅的石墨粉末呈魚鱗狀，如第4圖所示，隨著振動大致依照水平方向定向排列。
如第5圖所示，待定向排列到一定程度後，用沖頭從上到下單軸加壓來製作燒結用成型母材。
如第6圖所示，利用放電燒結裝置，將依照上述方法製作的成型母材，以930℃、80MPa的燒結條件燒結20分鐘後，就會得到具有銅基體上石墨粉末大致依照水平方向定向排列的組織的大塊材料。
如第7圖所示，利用金剛石絲切割機依照垂直於沿水平方向定向排列的方向，以厚度約0.3-5毫米的間隔切割上述大塊材料來製作片材。
第8圖是利用電子顯微鏡掃描觀察，透過上述過程製作的銅與石墨粉末複合體板材剖面組織的照片。如第8圖所示，在依照本發明實施例製造的散熱片中，石墨粉末呈沿厚度方向排列的狀態。因此，如依照厚度方向排列石墨粉末時，可以從接觸熱源的散熱片迅速向相反方向散熱，所以特別適用於需要依照厚度方向迅速散熱的散熱片上。
[比較例]
依照比較例製作的複合板材，僅省略透過振動塗敷金屬的石墨粉末來定向排列的工序，其餘依照與上述實施例相同條件進行了製造程序。
第9圖為利用電子顯微鏡掃描觀察，依照上述方法製造的板材組織的照片，如圖所示，依照比較例製作的複合板材中，可以看到石墨粉末呈不均勻分佈。

Claims (12)

  1. 一種沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，包括：(a)在板狀石墨粉末上塗敷金屬的步驟；(b)使塗敷金屬的石墨粉末受到振動，使板狀石墨粉末沿水平方向定向排列的步驟；(c)對沿水平方向定向排列的石墨粉末加壓成型的步驟；(d)燒結經加壓的石墨粉末而製作大塊材料的步驟；以及(e)依照垂直於沿水平方向定向排列的方向，以規定厚度切割大塊材料來製作片材的步驟。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其中，所述板狀石墨粉末包含板狀、薄片狀或魚鱗狀。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其中，所述金屬採用Cu、Au、Ni、Pd或從這些合金中選擇一種以上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其中，所述(a)步驟的金屬塗敷採用電鍍或非電鍍方式。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其中，所述振動方式採用超聲波方式。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其中，所述(c)步驟的加壓採用單軸加壓、滾製或擠壓方式，壓力採用石墨表面塗敷金屬抗壓強度的80-110%。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其中，所述(d)步驟的燒結採用放電等離子燒結(spark plasma sintering)或高溫燒結方法。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其中，所述(e)步驟的切割依照0.3-5毫米厚度進行切割。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其中，所述石墨粉末的平均粒度在1-500微米範圍內。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其中，所述(e)步驟的切割採用金剛石絲切割、雷射切割及精密沖模沖壓方式。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之沿厚度方向具有優越導熱性的散熱片的製造方法，其中，所述散熱片的石墨粉末體積比低於60%。
  12. 一種散熱片，依據申請專利範圍第1項至第10項其中任一項所述的製造方法製造。
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