TWI404698B - 氮化鋁陶瓷散熱片與其製造方法 - Google Patents

Description

氮化鋁陶瓷散熱片與其製造方法

本發明是有關於一種氮化鋁(AlN)陶瓷散熱片與其製造方法。特別是有關於一種高厚度的氮化鋁陶瓷散熱片與其製造方法。

隨著科技的日新月異，電子與光電產品均朝輕、薄、短、小與高功率的趨勢發展。如此的發展將使得電子與光電產品的發熱密度隨之提高，因而電子與光電產品對於散熱的需求也大幅增加。例如：發光二極體(Light Emitting Diode；LED)發光時所產生的熱能若無法導出，將會使LED結面溫度過高，進而影響產品生命週期、發光效率、穩定性，而LED結面溫度、發光效率及壽命之間的關係。因此，必須加裝散熱片裝置至電子與光電產品，以改善散熱的問題。

散熱片的種類主要有金屬散熱片和陶瓷散熱片兩類。金屬散熱片係以鋁或銅為材料，而陶瓷散熱片係使用氧化鋁、碳化矽(SiC)、氮化鋁等材料。應用金屬散熱片時尚需絕緣層的處理，而陶瓷散熱片本身是絕緣體，故不需絕緣層的處理。此外，陶瓷散熱片的熱膨脹系數匹配性佳，可減少熱應力及熱變形產生也是其優點之一。

由於氮化鋁具有獨特的物理特性，例如：接近於金屬並十倍於氧化鋁的高熱導性；可與矽和碳化矽相比擬的低熱膨脹係數與高電絕緣性；優良的抗熱震性；與氧化鋁陶瓷材料相當的機械強度；優良的抗腐蝕性，故氮化鋁已成為用以製作陶瓷散熱片之相當重要的散熱材料。然而，習知之氮化鋁陶瓷散熱片係使用粒徑小於2微米之粉末，其比重為3.26，而收縮率大於10%。由於習知之氮化鋁陶瓷散熱片的收縮率太大，製作厚度較大的散熱片時，容易發生翹曲的現象，因而造成良率太低的問題。此外，習知技術通常只能製作出厚度為1公釐(mm)以下的氮化鋁陶瓷散熱片，已無法滿足日趨複雜與多樣化之電子與光電產品的散熱需求。

有鑑於此，目前亟需一種可製造出高厚度且低收縮率之氮化鋁陶瓷散熱片的方法。

本發明之一態樣就是在提供氮化鋁陶瓷散熱片的製造方法，藉以製造出高厚度且低收縮率的氮化鋁陶瓷散熱片。

根據本發明之上述目的，提出一種氮化鋁陶瓷散熱片的製造方法。在此氮化鋁陶瓷散熱片的製造方法中，首先製備包含有燒結助劑之氮化鋁複合物，其中燒結助劑於氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於2%至9%之間。接著，過濾此氮化鋁複合物，以分別篩出具有第一平均粒徑之第一氮化鋁複合物、具有第二平均粒徑之第二氮化鋁複合物、及具有第三平均粒徑之第三氮化鋁複合物，其中第一平均粒徑係實質介於30微米至80微米之間，第一氮化鋁複合物於氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於50%至75%之間；第二平均粒徑係實質介於10微米至29微米之間，第二氮化鋁複合物於該氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於10%至30%之間；第三平均粒徑係實質介於3微米至9微米之間，第三氮化鋁複合物於氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於10%至20%之間。然後，將第一氮化鋁複合物、第二氮化鋁複合物、第三氮化鋁複合物、可塑劑和黏結劑混合在一起攪拌而獲得一混合物，其中第一氮化鋁複合物、第二氮化鋁複合物和第三氮化鋁複合物之總和於混合物中的重量比值係實質介於73%至90%之間；可塑劑於混合物中的重量比值係實質介於3%至12%之間；黏結劑於混合物中的重量比值係實質介於5%至15%之間。接著，使用具預設網目數(Mesh)之篩網過篩此混合物，而獲得通過此篩網之顆粒混合物，其中預設網目數係實質介於20mesh至120mesh之間。然後，將顆粒混合物壓模、射出或押出成型成一散熱片生胚，再於一燒結溫度持續燒結散熱片生胚經一預設時間，而獲得一散熱片。

依據本發明之又一實施例，在一種氮化鋁陶瓷散熱片的製造方法中，首先將具有第一平均粒徑之第一氮化鋁粉、具有第二平均粒徑之第二氮化鋁粉、及具有第三平均粒徑之第三氮化鋁粉混合成氮化鋁粉混合物，其中第一平均粒徑係實質介於30微米至80微米之間，第一氮化鋁粉於氮化鋁粉混合物中的重量比值係實質介於50%至75%之間；第二平均粒徑係實質介於10微米至29微米之間，第二氮化鋁粉於氮化鋁粉混合物中的重量比值係實質介於10%至30%之間；第三平均粒徑係實質介於3微米至9微米之間，第三氮化鋁粉於該氮化鋁粉混合物中的重量比值係實質介於10%至20%之間。然後，添加燒結助劑至氮化鋁粉混合物中而獲得第一混合物，其中燒結助劑於第一混合物中的重量比值係實質介於2%至9%之間。接著，將第一混合物、可塑劑和黏結劑混合在一起攪拌而獲得第二混合物，其中第一混合物於第二混合物中的重量比值係實質介於73%至90%之間；可塑劑於第二混合物中的重量比值係實質介於3%至12%之間；黏結劑於第二混合物中的重量比值係實質介於5%至15%之間。然後，使用具預設網目數之篩網過篩第二混合物，而獲得通過篩網之顆粒混合物，其中預設網目數係實質介於20mesh至100mesh之間。接著，將顆粒混合物壓模、射出或押出成型成一散熱片生胚，再於一燒結溫度持續燒結散熱片生胚經一預設時間，而獲得一散熱片。

依據本發明之上述實施例所製得之散熱片的比重係實質介於1.4至2.2之間，其形狀為例如鰭型或平板，平均厚度係實質介於1公釐至2公分之間。

因此，藉由本發明之實施例之氮化鋁陶瓷散熱片的製造方法，可提供高厚度且低收縮率的氮化鋁陶瓷散熱片，並具有優良的良率。

本發明之實施例主要是使用粒徑較大之氮化鋁粉或氮化鋁複合物來製作散熱片，藉以製造出高厚度且低收縮率的氮化鋁陶瓷散熱片。所謂「氮化鋁複合物」係將鋁粉、氮化鋁、及例如氧化釔之燒結助劑均勻混合後，再經例如燃燒合成反應製成。製造氮化鋁複合物的方法與裝置可參見中華民國專利前案第I297672號「氮化鋁與其複合物的合成方法」，但本發明之實施例並不在此限。至於本發明之實施中所使用的裝置，例如：攪伴機、篩網、成型機、燒結爐等，皆為習知裝置，故不在此贅述。

實施例1：使用氮化鋁複合物、可塑劑和黏結劑。

請參照第1圖，其繪示依據本發明之一實施例之氮化鋁陶瓷散熱片製造方法的流程示意圖。首先，製備包含有燒結助劑之氮化鋁複合物(步驟100)，其中燒結助劑於氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於2%至9%之間，且可為例如：氧化釔、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋰、氧化鋁、氧化鈦、氧化釹、氧化釤、氧化鏑、碳酸鈣、碳酸鎂、碳酸鋰或氟化鈣以及其混合物所組成之一族群。接著，使用例如不同網目數之篩網來過濾此氮化鋁複合物(步驟110)，以分別篩出具有第一平均粒徑之第一氮化鋁複合物、具有第二平均粒徑之第二氮化鋁複合物、及具有第三平均粒徑之第三氮化鋁複合物，其中第一平均粒徑係實質介於30微米至80微米之間，第一氮化鋁複合物於氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於50%至75%之間；第二平均粒徑係實質介於10微米至29微米之間，第二氮化鋁複合物於該氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於10%至30%之間；第三平均粒徑係實質介於3微米至9微米之間，第三氮化鋁複合物於氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於10%至20%之間。然後，將第一氮化鋁複合物、第二氮化鋁複合物、第三氮化鋁複合物、可塑劑和黏結劑混合在一起攪拌(步驟120)，而獲得一混合物，其中第一氮化鋁複合物、第二氮化鋁複合物和第三氮化鋁複合物之總和於混合物中的重量比值係實質介於73%至90%之間；可塑劑於混合物中的重量比值係實質介於3%至12%之間；黏結劑於混合物中的重量比值係實質介於5%至15%之間。可塑劑可為例如：矽油、己二酸酯、苯二酸酯、石蠟或白腊油，黏結劑可為例如：木質纖維素、乙烯纖維素、聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl Butyral)、聚乙烯、聚丙烯、壓克力或樹脂。

接著，使用具預設網目數之篩網過篩此混合物(步驟130)，而獲得通過此篩網之顆粒混合物，其中預設網目數係實質介於20mesh至120mesh之間。然後，將顆粒混合物壓模、射出或押出成型成一散熱片生胚(步驟140)，再於具一燒結溫度之燒結爐中，持續燒結散熱片生胚經一段預設時間(步驟150)，而獲得一散熱片，其中預設時間係實質介於1.5小時至3小時之間，燒結溫度係實質介於1750℃至1950℃之間。在進行步驟150前，燒結爐的升溫曲線可為例如：先以每分鐘升溫2～4℃的速率由常溫升至1200℃；再以每分鐘升溫1～3℃的速率由1200℃升至1850℃。然後，進行步驟150，以維持1850℃的溫度經1.5小時～3小時。接著，將散熱片自然降溫或持續降溫至常溫(步驟160)。依據本實施例所製得之散熱片的比重係實質介於1.4至2.2之間，其形狀為例如鰭型或平板，平均厚度係實質介於1公釐至2公分之間。值得一提的是，鰭型散熱片之鰭部的幾何形狀可為長方體、圓柱體、或任意形狀的角柱體，但本發明之實施例並不在此限。

以下以應用例1至4來說明本實施例。請參照表一，表一為應用例1至4所使用之材料與製程條件，用以分別進行上述之步驟100至160。

請參照表二，表二為應用例1至4所製成之氮化鋁陶瓷散熱片與碳化矽散熱片之比較例於一藍光DVD主機中的測試結果，其中散熱片的底部係與中央處理器(CPU)相接觸，以將CPU所產生的熱帶走。當散熱片底部與CPU相接觸的溫度愈低時，代表散熱片的散熱能力愈好；當散熱片頂部溫度愈低時，代表散熱片底部至頂部的溫差愈小，散熱片的散熱係數愈大。由表二可知，應用例1至3所製成之氮化鋁陶瓷散熱片的散熱能力與散熱係數均比習知之碳化矽散熱片佳。此外，應用例1至4所製成之氮化鋁陶瓷散熱片的厚度為3.8mm和2.85mm，遠大於習知之氮化鋁散熱片之1mm的厚度。應用例1至3所製成之氮化鋁陶瓷散熱片的收縮率分別為5.12%、5.15%和5.13%，遠低於習知之氮化鋁散熱片之10%以上的收縮率。應用例1至4所製成之氮化鋁陶瓷散熱片的比重分別為1.64、1.69、1.71和1.72，遠低於習知之氮化鋁散熱片之3.26的比重。

實施例2：使用氮化鋁粉混合物、燒結助劑、可塑劑和黏結劑。

在本實施例，首先將具有第一平均粒徑之第一氮化鋁粉、具有第二平均粒徑之第二氮化鋁粉、及具有第三平均粒徑之第三氮化鋁粉混合成氮化鋁粉混合物(步驟200)，其中第一平均粒徑係實質介於30微米至80微米之間，第一氮化鋁粉於氮化鋁粉混合物中的重量比值係實質介於50%至75%之間；第二平均粒徑係實質介於10微米至29微米之間，第二氮化鋁粉於氮化鋁粉混合物中的重量比值係實質介於10%至30%之間；第三平均粒徑係實質介於3微米至9微米之間，第三氮化鋁粉於該氮化鋁粉混合物中的重量比值係實質介於10%至20%之間。然後，添加燒結助劑至氮化鋁粉混合物中而獲得第一混合物(步驟210)，其中燒結助劑於第一混合物中的重量比值係實質介於3%至9%之間。接著，將第一混合物、可塑劑和黏結劑混合在一起攪拌而獲得第二混合物(步驟220)，其中第一混合物於第二混合物中的重量比值係實質介於73%至90%之間；可塑劑於第二混合物中的重量比值係實質介於3%至12%之間；黏結劑於第二混合物中的重量比值係實質介於5%至15%之間。可塑劑可為例如：矽油、己二酸酯、苯二酸酯、石蠟或白腊油，黏結劑可為例如：木質纖維素、乙烯纖維素、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯、聚丙烯、壓克力或樹脂。

然後，使用具預設網目數之篩網過篩第二混合物(步驟230)，而獲得通過篩網之顆粒混合物，其中預設網目數係實質介於20mesh至100mesh之間。接著，將顆粒混合物壓模、射出或押出成型成一散熱片生胚(步驟240)，再於一燒結溫度持續燒結散熱片生胚經一預設時間(步驟250)，而獲得一散熱片，其中預設時間係實質介於1.5小時至3小時之間，燒結溫度係實質介於1750℃至1950℃之間。在進行步驟250前，燒結爐的升溫曲線可為例如：先以每分鐘升溫2～4℃的速率由常溫升至1200℃；再以每分鐘升溫1～3℃的速率由1200℃升至1850℃。然後，進行步驟250，以維持1850℃的溫度經1.5小時～3小時。接著，將散熱片自然降溫或持續降溫至常溫(步驟260)。依據本實施例所製得之散熱片的比重係實質介於1.4至2.2之間，其形狀為例如鰭型或平板，平均厚度係實質介於1公釐至2公分之間。應用例5、6所製成之氮化鋁陶瓷散熱片的比重分別為1.64和1.67，遠低於習知之氮化鋁散熱片之3.26的比重。

以下以應用例5至7來說明本實施例。請參照表三，表三為應用例5至7所使用之材料與製程條件，用以分別進行上述之步驟200至260。

請參照表四，表四為應用例5、6所製成之氮化鋁陶瓷散熱片與碳化矽散熱片之比較例於一藍光DVD主機中的測試結果。由表四可知，應用例5所製成之氮化鋁陶瓷散熱片的散熱能力與散熱係數均比習知之碳化矽散熱片佳。此外，應用例5、6所製成之氮化鋁陶瓷散熱片的厚度為3.8mm，遠大於習知之氮化鋁散熱片之1mm的厚度。應用例5、6所製成之氮化鋁陶瓷散熱片的收縮率分別為5.15%和5.13%，遠低於習知之氮化鋁散熱片之10%以上的收縮率。應用例5、6所製成之氮化鋁陶瓷散熱片的比重分別為1.64和1.67，遠低於習知之氮化鋁散熱片之3.26的比重。

由上述實施方式可知，本發明之優點就是可提供高厚度且低收縮率的氮化鋁陶瓷散熱片，並具有優良的良率。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．製備包含有燒結助劑之氮化鋁複合物

110．．．過濾氮化鋁複合物以分別篩出第一、第二、第三氮化鋁複合物

120．．．混合第一、第二、第三氮化鋁複合物、可塑劑和黏結劑成混合物

130．．．過篩混合物而獲得顆粒混合物

140．．．將顆粒混合物壓模、射出或押出成型成散熱片生胚

150．．．持續燒結散熱片生胚而獲得散熱片

160．．．將散熱片自然降溫或持續降溫至常溫

200．．．混合第一、第二、第三氮化鋁粉成氮化鋁粉混合物

210．．．添加燒結助劑至氮化鋁粉混合物中而獲得第一混合物

220．．．混合第一混合物、可塑劑和黏結劑成第二混合物

230．．．過篩第二混合物而獲得顆粒混合物

240．．．將顆粒混合物壓模、射出或押出成型成散熱片生胚

250．．．持續燒結散熱片生胚而獲得散熱片

260．．．將散熱片自然降溫或持續降溫至常溫

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：

第1圖係繪示依據本發明之一實施例之氮化鋁陶瓷散熱片製造方法的流程示意圖。

第2圖係繪示依據本發明之又一實施例之氮化鋁陶瓷散熱片製造方法的流程示意圖。

100．．．製備包含有燒結助劑之氮化鋁複合物

110．．．過濾氮化鋁複合物以分別篩出第一、第二、第三氮化鋁複合物

120．．．混合第一、第二、第三氮化鋁複合物、可塑劑和黏結劑成混合物

130．．．過篩混合物而獲得顆粒混合物

140．．．將顆粒混合物壓模、射出或押出成型成散熱片生胚

150．．．持續燒結散熱片生胚而獲得散熱片

160．．．將散熱片自然降溫或持續降溫至常溫

Claims (10)

1. 一種氮化鋁陶瓷散熱片的製造方法，包含：備包含有一燒結助劑之一氮化鋁複合物，其中該燒結助劑於該氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於2%至9%之間；過濾該氮化鋁複合物，以分別篩出具有一第一平均粒徑之一第一氮化鋁複合物、具有一第二平均粒徑之一第二氮化鋁複合物、及具有一第三平均粒徑之一第三氮化鋁複合物，其中該第一平均粒徑係實質介於30微米至80微米之間，該第一氮化鋁複合物於該氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於50%至75%之間；該第二平均粒徑係實質介於10微米至29微米之間，該第二氮化鋁複合物於該氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於10%至30%之間；該第三平均粒徑係實質介於3微米至9微米之間，該第三氮化鋁複合物於該氮化鋁複合物中的重量比值係實質介於10%至20%之間；將該第一氮化鋁複合物、該第二氮化鋁複合物、該第三氮化鋁複合物、一可塑劑和一黏結劑混合在一起攪拌而獲得一混合物，其中該第一氮化鋁複合物、該第二氮化鋁複合物和該第三氮化鋁複合物之總和於該混合物中的重量比值係實質介於73%至90%之間；該可塑劑於該混合物中的重量比值係實質介於3%至12%之間；該黏結劑於該混合物中的重量比值係實質介於5%至15%之間；使用具一預設網目數(Mesh)之一篩網過篩該混合物，而獲得通過該篩網之一顆粒混合物，其中該預設網目數係 實質介於20mesh至120mesh之間；將該顆粒混合物壓模、射出或押出成型成一散熱片生胚；以及在一燒結溫度持續燒結該散熱片生胚經一預設時間，而獲得一散熱片，其中該散熱片的比重係實質介於1.4至2.2之間。
2. 如請求項1所述之氮化鋁陶瓷散熱片的製造方法，其中該預設時間係實質介於1.5小時至3小時之間，該燒結溫度係實質介於1750℃至1950℃之間。
3. 如請求項1所述之氮化鋁陶瓷散熱片的製造方法，更包含：將該散熱片自然降溫或持續降溫至常溫。
4. 如請求項1所述之氮化鋁陶瓷散熱片的製造方法，其中該燒結助劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋰、氧化鋁、氧化鈦、氧化釹、氧化釤、氧化鏑、碳酸鈣、碳酸鎂、碳酸鋰或氟化鈣以及其混合物所組成之一族群，該可塑劑為矽油、己二酸酯、苯二酸酯、石蠟或白腊油，該黏結劑為木質纖維素、乙烯纖維素、聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl Butyral)、聚乙烯、聚丙烯、壓克力或樹脂。
5. 一種氮化鋁陶瓷散熱片的製造方法，包含： 將具有一第一平均粒徑之一第一氮化鋁粉、具有一第二平均粒徑之一第二氮化鋁粉、及具有一第三平均粒徑之一第三氮化鋁粉混合成一氮化鋁粉混合物，其中該第一平均粒徑係實質介於30微米至80微米之間，該第一氮化鋁粉於該氮化鋁粉混合物中的重量比值係實質介於50%至75%之間；該第二平均粒徑係實質介於10微米至29微米之間，該第二氮化鋁粉於該氮化鋁粉混合物中的重量比值係實質介於10%至30%之間；該第三平均粒徑係實質介於3微米至9微米之間，該第三氮化鋁粉於該氮化鋁粉混合物中的重量比值係實質介於10%至20%之間；添加一燒結助劑至該氮化鋁粉混合物中而獲得一第一混合物，其中該燒結助劑於該第一混合物中的重量比值係實質介於3%至9%之間；將該第一混合物、一可塑劑和一黏結劑混合在一起攪拌而獲得一第二混合物，其中該第一混合物於該第二混合物中的重量比值係實質介於73%至90%之間；該可塑劑於該第二混合物中的重量比值係實質介於3%至12%之間；該黏結劑於該第二混合物中的重量比值係實質介於5%至15%之間；使用具一預設網目數之一篩網過篩該第二混合物，而獲得通過該篩網之一顆粒混合物，其中該預設網目數係實質介於20mesh至100mesh之間；將該顆粒混合物壓模、射出或押出成型成一散熱片生胚；以及在一燒結溫度持續燒結該散熱片生胚經一預設時間， 而獲得一散熱片，其中該散熱片的比重係實質介於1.4至2.2之間。。
6. 如請求項5所述之散熱片的製造方法，包含：將該散熱片自然降溫或持續降溫至常溫。
7. 如請求項5所述之散熱片的製造方法，其中該預設時間係實質介於1.5小時至3小時之間，該燒結溫度係實質介於1750℃至1950℃之間。
8. 如請求項5所述之散熱片的製造方法，其中該燒結助劑為氧化釔、氧化鈣、氧化鎂、氧化鋰、氧化鋁、氧化鈦、氧化釹、氧化釤、氧化鏑、碳酸鈣、碳酸鎂、碳酸鋰或氟化鈣以及其混合物所組成之一族群，該可塑劑為矽油、己二酸酯或苯二酸酯，該黏結劑為木質纖維素、乙烯纖維素、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯、聚丙烯、壓克力或樹脂。
9. 如請求項1或5所述之散熱片，其中該散熱片的形狀為鰭片型或平板。
10. 如請求項1或5所述之散熱片，其中該散熱片的平均厚度係實質介於1公釐至2公分之間。