TW202204566A

TW202204566A - 複合材料製造方法及其應用

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Publication number: TW202204566A
Application number: TW109124239A
Authority: TW
Inventors: 梁晉睿; 林進評; 李信賢
Original assignee: 宏遠電子股份有限公司
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2022-02-01

Abstract

一種鑽石複合材料製造方法及其應用。以鑽石及陶瓷顆粒燒結成為有孔隙的基本結構後，將金屬滲入孔隙而成為一體的複合材料。該複合材料可成型為散熱片、有鰭型狀散熱片，或再用薄膜製程做成有線路之基板。

Description

複合材料製造方法及其應用

本發明係有關於一種散熱片，應用於電子元件等熱源，特別是關於一種鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件。

隨著資訊、消費與3C電子等產品朝輕薄短小高功率趨勢，造成電子元件產生的熱也愈來愈多，溫度也愈來愈高，使得電子元件的散熱不僅要高熱傳導性更要低熱膨脹係數，來避免因散熱不及造成的元件間的錯位而損壞元件，因此，對傳統導熱金屬材料的散熱片已經無法符合需求高熱傳導性(超過400瓦x米^-1x克爾文^-1)及低熱膨脹係數(小於10微米/攝氏度)等性能。另一方面，全球推行綠能下，高效率低耗能的高壓高功率元件如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、智慧功率模組(Intelligent Power Module,IPM)等元件也需要高熱傳導性及低熱膨脹係數的性能散熱片，來避免因散熱不及造成的元件間的錯位而損壞元件，因此，需要複合材料的金屬高熱傳導性及低熱膨脹係數的特性。

於傳統上，習知複合材料作法，如2018年10月4日美國專利公報第20180281230A1號所揭露將鋁與鑽石的複合材料作法，因需要用有機物及有機溶劑將原料先混合，製成箔片後，再跟金屬結合，除製程複雜外，易造成產品內含有機物污染，而使特性變差，加上不易處理有機物的廢料，造成生產成本高及效率低。

為解決上述問題，本發明係提出一種具低成本及製程簡單之鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件。利用材料本身均為無機物且耐高溫，因此，可以利用陶瓷與鑽石燒製成一體，再與金屬結合成一個散熱材料或元件，節省一些製程及成本。

本發明之目的在提供一種以鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件，其中鑽石基材係由陶瓷顆粒與鑽石顆粒燒結在一起，其中陶瓷顆粒體積量與鑽石顆粒體積量比為1：2，而且產生具有孔洞後，其中孔洞體積佔鑽石基材20~50%體積，再將金屬與鑽石基材溶合成一體，而成為一個複合材料的散熱材料或元件，其熱傳導性超過500瓦x米^-1x克爾文^-1，其熱膨脹係數小於5微米/攝氏度。

較佳地，鑽石顆粒可為鑽石、類鑽石、石墨烯或以上混合物。

較佳地，鑽石顆粒可為兩種顆粒直徑尺寸一起使用，且其中一種顆粒直徑尺寸為另一種顆粒直徑尺寸5~50%，或兩種以上顆粒直徑尺寸一起使用，且第二種顆粒直徑尺寸為第一種顆粒直徑尺寸5~50%，第三種顆粒直徑尺寸為第二種顆粒直徑尺寸5~50%，依此類推。

較佳地，陶瓷顆粒可為二氧化矽、碳化矽、氮化鋁、氮化鎵、氧化鋁、立方晶氮化硼、石墨、石墨烯或以上混合物。

較佳地，陶瓷顆粒可為兩種顆粒直徑尺寸一起使用，且其中一種顆粒直徑尺寸為另一種顆粒直徑尺寸5~50%，或兩種以上顆粒直徑尺寸一起使用，且第二種顆粒直徑尺寸為第一種顆粒直徑尺寸5~50%，第三種顆粒直徑尺寸為第二種顆粒直徑尺寸5~50%，依此類推。

較佳地，陶瓷的顆粒尺寸是鑽石的5~50%。

較佳地，陶瓷顆粒與鑽石顆粒燒結溫度是攝氏700度℃以下。

較佳地，金屬可為金、銀、銅、鋁、鎂、鈦、鎳、石墨烯或以上混合物。

較佳地，金屬與鑽石基材用壓鑄或精密鑄造成複合材料的使用溫度是在攝氏400~700度℃。

另外，應用本發明之一種以鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件之應用，其中鑽石基材係由陶瓷顆粒與鑽石顆粒燒結在一起，其中陶瓷顆粒體積量與鑽石顆粒體積量比為1：2，而且產生具有孔洞後，其中孔洞體積佔鑽石基材20~50%體積，再將金屬與鑽石基材溶合成一體時，應用模具方式而成為一個具有凸形散熱元件，其熱傳導性超過500瓦x米^-1x克爾文^-1，其熱膨脹係數小於5微米/攝氏度。

較佳地，陶瓷的顆粒尺寸是鑽石的5~50%。

較佳地，陶瓷顆粒與鑽石顆粒燒結溫度是攝氏700度℃以下。

另外，應用本發明之一種以鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件之應用，其中鑽石基材係由陶瓷顆粒與鑽石顆粒燒結在一起，其中陶瓷顆粒體積量與鑽石顆粒體積量比為1：2，而且產生具有孔洞後，其中孔洞體積佔鑽石基材20~50%體積，再將金屬與鑽石基材溶合成一體成為複合材料的散熱材料或元件後，應用一般鍍膜方式將絕緣層及金屬層加上，而成為一個具有電路的散熱元件，其熱傳導性超過500瓦x米^-1x克爾文^-1，其熱膨脹係數小於5微米/攝氏度。

較佳地，陶瓷的顆粒尺寸是鑽石的10~50%。

較佳地，陶瓷顆粒與鑽石顆粒燒結溫度是攝氏700度℃以下。

較佳地，絕緣層是陶瓷或有機材料。

較佳地，絕緣層及金屬層可以在複合材料的散熱材料或元件之任一面或兩面。

為使能更近一步暸解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

20:鑽石基材

30、40:金屬層

50:第一連結層

51:第二連結層

60:絕緣層

70:電極層

100、200:複合材料的散熱材料或元件

101~107:製造流程

300:具有電路複合材料的散熱材料或元件

圖1.1 係本發明之一種以鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件的製造流程示意圖

圖1.2 係本發明之一種以鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件之示意圖

圖2 係本發明之一種以鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件之應用，具有鰭片狀複合材料的散熱材料或元件示意圖

圖3 係本發明之一種以鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件之應用，具有電路複合材料的散熱材料或元件示意圖

下面結合附圖與具體實施方式對本發明進一步詳細描述。

本發明所揭示內容可能在不同實施例中使用重複的組件符號，並不代表不同實施例或圖式間具有關聯。此外，一組件形成於另一組件「上」或「下」可包含兩組件直接接觸的實施例，或也可包含兩組件之間夾設有其它額外組件的實施例。請注意，本創作所揭示內容的“第一”、“第二”等僅為方便說明製作工藝，與數量或排列順序無關。

請參閱圖1.1，圖1.1為本發明以鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件的製造流程示意圖，製造流程101為將陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合成鑽石基材所需之成分，其中陶瓷顆粒體積量與鑽石顆粒體積量比為1：2，其中鑽石顆粒直徑尺寸為鑽石基材所需厚度5~30%，其中陶瓷顆粒直徑尺寸為鑽石顆粒直徑尺寸5~50%。

製造流程102為將陶瓷與鑽石混合物加壓成鑽石基材所需之形狀。

製造流程103為將陶瓷與鑽石混合物中水份烘烤乾，避免因水份殘留而產生裂痕。

製造流程104為成型的陶瓷與鑽石混合物以常壓(一大氣壓)溫度攝氏400~700度℃燒結成鑽石基材，或以真空方式用溫度攝氏400~700度℃燒結成鑽石基材，或以充入氣體加壓方式用溫度攝氏300~600度℃燒結成鑽石基材，其中孔洞體積佔鑽石基材20~50%體積。

製造流程105為將鑽石基材研磨成所需之厚度及平坦度，或用雷射切割將鑽石基材成所需之厚度及平坦度。

製造流程106為將金屬與鑽石基材用溫度攝氏400~700度℃壓鑄成複合材料的散熱材料或元件，或用精密鑄造方式溫度攝氏400~700度℃將金屬灌入鑽石基材成複合材料的散熱材料或元件，或用濺鍍方式於真空度為0.0001大氣壓下，溫度為攝氏100~200度℃，將金屬植入鑽石基材成複合材料的散熱材料或元件。

製造流程107為鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件研磨成所需形狀之尺寸及平坦度，或用雷射方式將鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件切割成所需之尺寸及平坦度，其熱傳導性超過500瓦x米^-1x克爾文^-1，其熱膨脹係數小於5微米/攝氏度。

請參閱圖1.2，圖1.2為本發明鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件100之一實施例，複合材料的散熱材料或元件100包含鑽石基材20及外圍的金屬層30。其中鑽石基材20為陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合組合而成，而陶瓷顆粒體積量與鑽石顆粒體積量比為1：2，其中鑽石顆粒直徑尺寸為鑽石基材20所需厚度5~30%，其中陶瓷顆粒直徑尺寸為鑽石顆粒直徑尺寸5~50%。

再將陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合物加壓成鑽石基材20所需之形狀後。將陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合物中水份烘烤乾，避免因水份殘留而產生裂痕。再將成型的陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合物以常壓(一大氣壓)溫度攝氏400~700度℃燒結成鑽石基材20，其中孔洞體積佔鑽石基材20的20~50%。再將鑽石基材20研磨成所需之厚度及平坦度。再將金屬30與鑽石基材20用溫度攝氏400~700度℃壓鑄成複合材料的散熱材料或元件100。

較佳地，陶瓷顆粒與鑽石顆粒燒結溫度是攝氏700度℃以下。

再將複合材料的散熱材料或元件100研磨成所需形狀之尺寸及平坦度，或用雷射方式將鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件100切割成所需之尺寸及平坦度，其熱傳導性超過500瓦x米^-1x克爾文^-1，其熱膨脹係數小於5微米/攝氏度。

請參閱圖2，圖2為本發明鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件之應用一實施例2，複合材料的散熱材料或元件200包含鑽石基材20及外圍的具有散熱效果的凸出形狀的鰭片狀金屬層40。其中鑽石基材20為陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合組合而成，而陶瓷顆粒體積量與鑽石顆粒體積量比為1：2，其中鑽石顆粒直徑尺寸為鑽石基材20所需厚度5~30%，其中陶瓷顆粒直徑尺寸為鑽石顆粒直徑尺寸5~50%。

再將陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合物加壓成鑽石基材20所需之形狀後。將陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合物中水份烘烤乾，避免因水份殘留而產生裂痕。再將成型的陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合物以常壓(一大氣壓)溫度攝氏400~700度℃燒結成鑽石基材20，其中孔洞體積佔鑽石基材20的20~50%。再將鑽石基材20研磨成所需之厚度及平坦度。再將金屬40與鑽石基材20用凸出形狀而形成鰭片狀模具在溫度攝氏400~700度℃壓鑄成複合材料的散熱材料或元件200。

較佳地，陶瓷顆粒與鑽石顆粒燒結溫度是攝氏700度℃以下。

再將複合材料的散熱材料或元件200研磨成所需形狀之尺寸及平坦度，或用雷射方式將鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件200切割成所需之尺寸及平坦度，其熱傳導性超過500瓦x米^-1x克爾文^-1，其熱膨脹係數小於5微米/攝氏度。

請參閱圖3，圖3為本發明鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件之應用一實施例，具有電路複合材料的散熱材料或元件300包含複合材料的散熱材料或元件100、與金屬層30上面結合用的第一連結層50、在連結層50上面絕緣用的絕緣層60、在絕緣層60上面結合用的第二連結層51與最外側的電極層70。其中複合材料的散熱材料或元件100 包含鑽石基材20及外圍的金屬層30。複合材料的散熱材料或元件100的實施方式如圖1.2，在此不再贅述。在複合材料的散熱材料或元件100上面用鍍膜方式將第一連結層50做在金屬層30上面，再用鍍膜方式將絕緣用的絕緣層60做在連結層50上面，再用鍍膜方式將第二連結層51做在絕緣層60上面，再用鍍膜方式將最外側的電極層70做在第二連結層51上面行成為一個具有電路複合材料的散熱材料或元件300，其熱傳導性超過500瓦x米^-1x克爾文^-1，其熱膨脹係數小於5微米/攝氏度。其中鍍膜方式為習知技術在此不再贅述。其中鑽石基材20為陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合組合而成，而陶瓷顆粒體積量與鑽石顆粒體積量比為1：2，其中鑽石顆粒直徑尺寸為鑽石基材20所需厚度5~30%，其中陶瓷顆粒直徑尺寸為鑽石顆粒直徑尺寸5~50%。

較佳地，陶瓷顆粒與鑽石顆粒燒結溫度是攝氏700度℃以下。

較佳地，連結層可為鈦、鎳、鉻或以上混合物。

較佳地，絕緣層可為二氧化矽、氧化鈦、氧化鋁、塑膠或以上混合物。

較佳地，電極層可為金、銀、銅、鋁、錫、鉛或以上混合物。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

20:鑽石基材

40:金屬層

200:複合材料的散熱材料或元件

Claims

一種複合材料的散熱材料或元件的製造方法，複合材料包含：一鑽石基材；以及

一外圍的金屬層。其製造流程如下：

製造流程一；為將陶瓷顆粒與鑽石顆粒混合成鑽石基材所需之成分，其中陶瓷顆粒體積量與鑽石顆粒體積量比為1：2，其中鑽石顆粒直徑尺寸為鑽石基材所需厚度5~30%，其中陶瓷顆粒直徑尺寸為鑽石顆粒直徑尺寸5~50%。

製造流程二；為將陶瓷與鑽石混合物加壓成鑽石基材所需之形狀。

製造流程三；為將陶瓷與鑽石混合物中水份烘烤乾，避免因水份殘留而產生裂痕。

製造流程四；為成型的陶瓷與鑽石混合物以常壓(一大氣壓)溫度攝氏400~700度℃燒結成鑽石基材，或以真空方式用溫度攝氏400~700度℃燒結成鑽石基材，或以充入氣體加壓方式用溫度攝氏300~600度℃燒結成鑽石基材，其中孔洞體積佔鑽石基材的20~50%。

製造流程五；為將鑽石基材研磨成所需之厚度及平坦度，或用雷射切割將鑽石基材成所需之厚度及平坦度。

製造流程六；為將金屬與鑽石基材用溫度攝氏400~700度℃壓鑄成複合材料的散熱材料或元件，或用精密鑄造方式溫度攝氏400~700度℃將金屬灌入鑽石基材成複合材料的散熱材料或元件，或用濺鍍方式於真空度為0.0001大氣壓下，溫度為攝氏100~200度℃，將金屬植入鑽石基材成複合材料的散熱材料或元件。

製造流程七；為鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件研磨成所需形狀之尺寸及平坦度，或用雷射方式將鑽石為基材與金屬合成為複合材料的散熱材料或元件切割成所需之尺寸及平坦度。
如請求項1所述之鑽石顆粒可為鑽石、類鑽石、石墨烯或以上混合物。
如請求項1所述之鑽石顆粒可為兩種顆粒直徑尺寸一起使用，且其中一種顆粒直徑尺寸為另一種顆粒直徑尺寸5~50%，或兩種以上顆粒直徑尺寸一起使用，且第二種顆粒直徑尺寸為第一種顆粒直徑尺寸5~50%，第三種顆粒直徑尺寸為第二種顆粒直徑尺寸5~50%，依此類推。
如請求項1所述之陶瓷顆粒可為二氧化矽、碳化矽、氮化鋁、氮化鎵、氧化鋁、立方晶氮化硼、石墨、石墨烯或以上混合物。
如請求項1所述之陶瓷顆粒可為兩種顆粒直徑尺寸一起使用，且其中一種顆粒直徑尺寸為另一種顆粒直徑尺寸5~50%，或兩種以上顆粒直徑尺寸一起使用，且第二種顆粒直徑尺寸為第一種顆粒直徑尺寸5~50%，第三種顆粒直徑尺寸為第二種顆粒直徑尺寸5~50%，依此類推。
如請求項1所述之金屬可為金、銀、銅、鋁、鎂、鈦、鎳、石墨烯或以上混合物。
如請求項1所述之複合材料的散熱材料或元件，其熱傳導性超過500瓦x米^-1x克爾文^-1，其熱膨脹係數小於5微米/攝氏度。
一種有鰭片狀複合材料的散熱材料或元件，複合材料包含：一鑽石基材；以及

一具鰭片狀的外圍金屬層。
如請求項8所述之具鰭片狀的外圍金屬層，鰭片狀可以在複合材料之任一面或兩面。
一種有電路複合材料的散熱材料或元件，複合材料包含：

一鑽石基材；

一外圍金屬層；

一第一連結層；

一絕緣層；

一第二連結層；以及

一電極層。
如請求項10所述之絕緣層及金屬層可以在複合材料的散熱材料或元件之任一面或兩面。
如請求項10所述之連結層可為鈦、鎳、鉻或以上混合物。
如請求項10所述之絕緣層可為二氧化矽、氧化鈦、氧化鋁、塑膠或以上混合物。
如請求項10所述之電極層可為金、銀、銅、鋁、錫、鉛或以上混合物。