TWI521054B - Thermal element and its making method - Google Patents

Description

導熱元件及其製作方法

本發明是有關於一種導熱元件及其製作方法，特別是指一種具有導熱纖維的導熱元件及其製作方法。

隨著半導體製程技術發展愈來愈成熟，半導體元件的集成化程度愈來愈高，因此，”散熱”已成為半導體元件重要的技術之一。特別是對高功率元件而言，由於元件作動時產生的熱能大幅增加，使得電子產品的溫度會急速上升。而電子元件的平均工作溫度每升高10℃時，元件壽命就會減少50%。因此，如何發展出更適用於高功率元件需求的散熱方法，則為相關廠商亟待克服的難題。

一般元件的散熱大都是在元件上設置一散熱結構(例如散熱鰭片、散熱片)，再利用該散熱結構將功率元件產生的廢熱導出。前述該散熱結構的構成材料一般是利用具有高導熱性的金屬，或是利用摻有高導熱性無機材料，例如氮化硼、氮化鋁等的高分子複合材料，或是，直接以具有高導熱性的碳纖維或石墨片所製成。然而，金屬的導熱性雖佳，但是比重較重，因此會增加元件整體的重量，而一般用於摻混的高導熱性無機材料，因為導熱性的 限制(氮化硼：250~300W/m．K、氮化鋁140~180W/m．K)，若要達成導熱元件預定的高導熱效果(導熱率>300W/m．K)，高導熱性材料的摻混比例須極高(>50wt%)，然而，過高比例的高導熱性無機材料，又會導致高分子複合材料整體的物性下降；此外，高導熱性無機材料或是碳纖維、石墨片，因為是利用摻混方式與高分子混合，或是直接成形使用，因此，在使用過程中會有顆粒或纖維脫落的問題，而會有汙染元件的缺點產生。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有高導熱性的導熱元件的製作方法。

於是，本發明導熱元件的製作方法，包含：一混合步驟，及一移除步驟。

該混合步驟是將多數導熱纖維與一高分子基質進行摻混，之後，令該高分子基質固化，形成一預固體，其中，該等導熱纖維的導熱係數介於380~2000W/m．K。

該移除步驟是將該預固體的高分子基質的至少一部分移除，令該等導熱纖維的至少一部分裸露而直接與外界接觸。

此外，本發明還提供一種具有高導熱性的導熱元件。

於是，本發明的導熱元件，包含：一支撐體及多數導熱纖維，該等導熱纖維的部分被該支撐體包覆，另一部分裸露於該支撐體外而直接與外界接觸，該等導熱纖 維的導熱係數介於380~2000W/m．K，且該高導熱基材沿該等導熱纖維的排列方向的導熱係數不小於300W/m．K。

本發明之功效在於：利用將導熱纖維與高分子基質摻混後，再將至少一部分的該高分子基質移除而製得的導熱元件，由於該等導熱纖維的部分裸露而直接與外界接觸，因此，具有極佳的導熱及散熱性。

2‧‧‧導熱件

21‧‧‧支撐體

211‧‧‧底面

212‧‧‧基面

213‧‧‧接觸部

214‧‧‧導出部

215‧‧‧支撐塊

22‧‧‧導熱纖維

100‧‧‧電子元件

31‧‧‧混合步驟

32‧‧‧移除步驟

41‧‧‧混合步驟

42‧‧‧移除步驟

43‧‧‧支撐體形成步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明該導熱件的實施例；圖2是一示意圖，說明該實施例中，該等導熱纖維的另一種排列態樣；圖3是一示意圖，說明該實施例中，該支撐體的另一種態樣；圖4是一示意圖，說明該實施例中，該支撐體的又一種態樣；圖5是一文字流程圖，說明該實施例的製備方法；圖6是一文字流程圖，說明該實施例的另一種製備方法。

本發明的導熱元件2可用於與一會產生熱能的電子元件100接觸，而將該電子元件100的熱能導出。

參閱圖1，本發明該導熱元件2的一實施例包 含：一支撐體21及多數導熱纖維22。

該支撐體21具有一與該電子元件100接觸的底面211，及一反向於該底面211的基面212，可選自金屬、合金金屬、熱固性高分子材料，或熱塑性高分子材料所構成，較佳地，該支撐體21的構成材料選自銀、鋁、銅、鋁合金、酚醛樹脂、環氧樹脂、聚矽氧樹脂，或呋喃樹脂。

該等導熱纖維22為交錯分佈於該支撐體21，且部分被該支撐體21包覆，另一部分經由該基面212裸露於該支撐體21外。較佳地，該等導熱纖維22是以交錯編織方式排列分佈於該支撐體21，更佳地，裸露於該支撐體21而未被該支撐體21包覆的導熱纖維22之間，會藉由碳粒子彼此黏結成一體，而具有多孔性結構。

具體的說，該等導熱纖維22的導熱係數介於380~2000W/m．K，適用於本實施例的導熱纖維22可選自金屬纖維(metal fiber)、高導熱碳纖維(high thermal conductivity carbon fiber)、石墨化氣相沉積碳纖維(Graphitized VGCF)，且該高導熱基材沿該等導熱纖維的排列方向的導熱係數不小於300W/m．K。以該第一實施例的導熱纖維22的排列方式而言，該每一層的導熱纖維22於X-Y平面方向會具有最佳的導熱效果。

本發明利用將具有高導熱性的導熱元件2與電子元件100直接接觸，因此，該電子元件100產生的熱能可迅速的傳遞至與其接觸的該導熱元件2而對外導出；而由於該等導熱纖維22於遠離該電子元件100的部分裸露於 該支撐體21外，因此，該導熱元件2可迅速的藉由該等導熱纖維22將熱能導離該電子元件100，因此，可具有更佳的導熱效果。而當該等裸露於該支撐體21而未被該支撐體21包覆的導熱纖維22之間還藉由碳粒子彼此黏結成一體時，還可避免習知導熱纖維或顆粒因摻混掉落造成的元件汙染問題。

較佳地，該等導熱纖維22可選自長度不小於0.1mm，且導熱係數不低於1800W/m．K的石墨化氣相沉積碳纖維，利用氣相沉積碳纖維的高導熱性(導熱係數>1800W/m．K)，因此，可更有效的將熱能從該電子元件100導出，而利用具有較大長度的纖維，則可增加導熱路徑的連續性，而讓熱能可更容易藉由該等石墨化氣相沉積碳纖維對外導出。

參閱圖2，要說明的是，該等導熱纖維22的排列方式，也可以如圖2所示，是沿一與該電子元件100實質垂直的方向排列，而令該等導熱纖維22自遠離該電子元件100的基面212露出，由於該等導熱纖維22沿長度方向(Z軸方向)具有極佳的導熱性，因此，藉由控制該等導熱纖維22以垂直方向的排列方式，可更有效的將該電子元件100產生的熱能向外導出，較佳地，該導熱件2沿該等導熱纖維的排列方向(Z軸方向)的導熱係數不小於300W/m．K。

值得一提的是，雖然該導熱元件2可有效的將該電子元件100的熱能導出，但是，因為所導出的熱能也 容易會聚集在該電子元件100附近，而較不利於該電子元件100整體的散熱；所以，該導熱元件2的結構也可以如圖3所示，具有面積大於該電子元件100的該實心的支撐體21。也就是說，可令該支撐體21具有一與該作動元件100的表面接觸，且沿長度方向延伸的接觸部213，及一與該接觸部213連接並遠離該作動元件100的導出部214，並令該等導熱纖維22為分佈於該支撐體21，而自該導出部214裸露於外。此種結構的設計，因為是令該等導熱纖維22自相對遠離該電子元件100的基面212露出，因此，該電子元件100的熱能可藉由該等導熱纖維22被帶往遠離該電子元件100的位置對外導出，而可避免熱能聚集在該電子元件100附近的缺點。此外，前述該圖3的結構也可以用於為了配合產品的設計及需求，而使用厚度較低(<0.5mm)的該支撐體21時，避免自該支撐體21導出的熱能聚集在該電子元件100附近的缺點。

要說明的是，為了提昇該導熱元件2的導熱性，該等導熱纖維22也可以進一步自該支撐體21的該底面211露出；或是該支撐體21也可以是具有鏤空的結構，而令該等導熱纖維22可自該支撐體21的其它位置裸露，以增加該等導熱纖維22與該支撐體21的接觸面積或是與外界接觸面積，而提昇該導熱元件2整體的導熱及散熱性。

前述該支撐體21的鏤空結構，只要是可讓該等導熱纖維22裸露於該支撐體21外即可，並無特別限制。 例如，參閱圖4，可已將該支撐體21的部分移除，而令該支撐體21形成具有多個彼此間隔的支撐塊215，如此，該等導熱纖維22則是分佈於該等支撐塊215，並自該等支撐塊215之間的間隙露出，而可增加該等導熱纖維22與該支撐體21與外界的接觸面積，以提昇該導熱元件2的散熱性。

值得一提的是，當該等導熱纖維22之間是以交錯編織方式排列而成網狀結構時，則露出於該等支撐塊215之間的導熱纖維22會形成多孔結構，熱能可藉由該等孔隙更有效率的向外導出；此外，當該等導熱纖維22之間進一步藉由碳粒子彼此黏結時，該等導熱纖維22與該等支撐塊215彼此不會分離而可視為一體，因此，不會影響熱能的傳導路徑，且於使用過程中導熱纖維22也不易自該支撐體21掉落，而可避免習知導熱纖維或顆粒因摻混掉落造成的元件汙染問題。

此外，要再說明的是，於本較佳實施中該電子元件100的表面為以一平坦的面做說明，因此，該導熱元件2與該電子元件100接觸的表面也會成一平坦面，但是要說明的是，該電子元件的表面也可以是具有弧面或曲面等不同表面型態，此時，該導熱元件2與該電子元件100接觸的表面也可以配合該電子元件100的表面型態而具有弧面或曲面，以提升與該電子元件100間的接觸密合性。

茲將前述該實施例的製備方法說明如下。

參閱圖5，本發明該實施例的一第一製備方法 包含一混合步驟31及一移除步驟32。

該混合步驟31是將多數導熱纖維22與一高分子基質進行摻混，之後，令該高分子基質固化，形成一預固體。

詳細的說，該混合步驟31是先將該等導熱纖維22以所要的排列方式進行預排列後，再與該高分子基質摻混。例如，當要得到該等導熱纖維22是以交錯堆疊方式，則是將導熱纖維22以交錯堆疊方式平鋪於一模具內，再將該高分子基質注入該模具中令其浸潤包覆該等導熱纖維22，再經熱壓成型後，即可得到該預固體，且該預固體內的導熱纖維22為交錯編織排列的結構。

而當要得到沿一固定方向排列的導熱纖維22時，則先將該等導熱纖維22以一固定方向平鋪排列於一模具後，再將該高分子基質注入該模具中，令其浸潤包覆該等導熱纖維22，再經熱壓成型後，即可得到該預固體，且該預固體內的導熱纖維22為沿一預定方向排列。

或是也可先將交錯編織的導熱纖維22與成固定方向排列的導熱纖維22交錯鋪設，再將該高分子基質注入該模具中，令其浸潤包覆該等導熱纖維22，再經熱壓成型後，即可得到該預固體，且該預固體內的導熱纖維22可同時具有交錯編織及沿一預定方向排列的結構。

該移除步驟32則是將該預固體的高分子基質的部分移除，令該等導熱纖維22的至少一部分裸露於外。

具體的說，該移除步驟32是利用噴砂或是雷射 方式，將該預固體預定部分的該高分子基質101移除，例如可自該預固體的其中一表面將該高分子基質移除，讓該等導熱纖維22自該表面裸露於外，而得到具有如圖1所示之導熱元件2，或是進一步將該預固體的高分子基質的其它部分移除，而形成具有如圖3~4所示，或其它不同鏤空形狀之支撐體21結構的導熱元件2。該導熱元件2後續則可視需求進一步進行裁切，而適用於不同面積或形狀需求的電子元件100。

要說明的是，當該移除步驟32中是利用雷射將該高分子基質碳化移除時，不僅可讓該等導熱纖維22的預定部分裸露出，且該高分子基質碳化後殘留的碳粒子還可成為裸露部分的導熱纖維22之間的黏結材料，讓該等導熱纖維22彼此黏結成一體，可讓該等導熱纖維仍維持完整的導熱網絡，並令該等裸露的導熱纖維22不易掉落。

參閱圖6，本發明該實施例也可利用一第二製備方法製得，該第二製備方法包含一混合步驟41、一移除步驟42，及一支撐體形成步驟43。

具體的說，該混合步驟41是將多數的導熱纖維22與一高分子基質進行摻混，之後，再令該高分子基質固化，形成一預固體。由於該混合步驟41與該第一製備方法的該混合步驟31相同，因此，不再多加說明。

該移除步驟42是將該預固體的高分子基質全部移除。

該移除步驟42可利用雷射或是燒結方式將該高 分子基質移除。以製程便利性考量，可選用燒結方式移除該高分子基質全部移除。

以燒結方式移除該高分子基質做說明，該步驟42是先將該預固體置放於一高溫爐中，以氬氣做為保護氣體，在450~950℃的溫度下進行碳化處理，將該預固體的高分子基質碳化移除，碳化後殘留的碳粒子即可成為該等導熱纖維22之間的黏結材料，令該等導熱纖維22彼此黏結成一體，而得到一實質上可視為一體的導熱纖維網。

當該混合步驟41中，該等導熱纖維22為交錯排列時，該導熱纖維網為一具有多孔性的導熱纖維網；而當該等導熱纖維22為以一預定方向排列時，該導熱纖維網為一具有方向性的導熱纖維網。

接著，進行該支撐體形成步驟43，將該導熱纖維網的預定部分浸置於一含有可固化成形的成形基質中，令該成形基質包覆該導熱纖維網的預定部分後，再將該成形基質固化成形，令固化後的成形基質形成如圖2~4所示，或其它具有預定高度或形狀的該支撐體21，即可完成該導熱元件2的製作。

該成形基質可選自熔融的金屬、合金金屬，或是熱固性或熱塑性高分子材料，具體的說，該成形基質可選自銀、鋁、銅、錫、銻、氧化鋁合金、酚醛樹脂、環氧樹脂、呋喃樹脂、聚矽氧樹脂等。該支撐體形成步驟43是先將選用的金屬、合金金屬，或是高分子材料熔融，得到成液態的成形基質後，將該導熱纖維網的預定部分浸置於 液態的成形基質中，之後再令該液態的成形基質固化，即可得到該導熱元件2。

綜上所述，本發明利用將導熱纖維22與高分子基質摻混，再將至少一部分的該高分子基質移除而製得的導熱元件2，由於該等導熱纖維22可部分裸露，因此，該導熱元件2可具有極佳的導熱及散熱性；此外，裸露的導熱纖維22之間，因為可藉由移除該高分子基質後殘留的碳粒子彼此黏結不脫落，因此，還可避免習知導熱纖維或顆粒因摻混掉落所造成的元件汙染問題，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧導熱元件

21‧‧‧支撐體

211‧‧‧底面

212‧‧‧基面

22‧‧‧導熱纖維

100‧‧‧電子元件

Claims (18)

1. 一種導熱元件的製作方法，包含：一混合步驟，將多數導熱纖維與一高分子基質進行摻混，之後，令該高分子基質固化，形成一預固體，其中，該等導熱纖維的導熱係數介於380~2000W/m．K；及一移除步驟，將該預固體的高分子基質的至少一部分移除，令該等導熱纖維的至少一部分裸露而直接與外界接觸。
2. 如請求項1所述的導熱元件的製作方法，其中，該移除步驟是將該高分子基質完全移除，且該等導熱纖維可藉由移除該高分子基質後殘留的碳原子彼此黏結，而形成一導熱纖維網，該導熱元件的製作方法，還包含一支撐體形成步驟，將該導熱纖維網的預定部分浸置於一含有可固化成形的成形基質中，令該成形基質包覆該導熱纖維網的預定部分後，將該成形基質固化，讓固化後的成形基質形成一支撐體，而製得該導熱元件。
3. 如請求項1所述的導熱元件的製作方法，其中，該移除步驟是利用雷射或噴砂方式移除部分的高分子基質，而令該等導熱纖維的至少一部分裸露。
4. 如請求項3所述的導熱元件的製作方法，其中，該移除步驟是利用雷射移除該高分子基質，且該等導熱纖維的裸露部分會藉由移除該高分子基質後殘留的碳粒子彼此黏結。
5. 如請求項1或2所述的導熱元件的製作方法，其中，該等導熱纖維是以交錯編織方式分佈於該預固體。
6. 如請求項1所述的導熱元件的製作方法，其中，該等導熱纖維是沿一方向排列分佈於該預固體。
7. 如請求項2所述的導熱元件的製作方法，其中，該成形基質選自金屬、合金金屬、熱固性高分子材料，或熱塑性高分子材料。
8. 如請求項7所述的導熱元件的製作方法，其中，該成形基質的構成材料選自下列群組其中之一：銀、鋁、銅、鋁合金、酚醛樹脂、呋喃樹脂、環氧樹脂、聚矽氧樹脂。
9. 如請求項1所述的導熱元件的製作方法，其中，該等導熱纖維選自金屬纖維、高導熱碳纖維，或石墨化氣相沉積碳纖維。
10. 一種導熱元件，用於將一電子元件產生的熱能對外導出，該導熱元件包含：一支撐體及多數導熱纖維，該支撐體具有一與該功率元件接觸的底面，及一反向於該底面的基面，該等導熱纖維的部分被該支撐體包覆，另一部分經由該基面裸露而與外界接觸，其中，該等導熱纖維的導熱係數介於380~2000W/m．K，且該導熱元件沿該等導熱纖維的排列方向的導熱係數不小於300W/m．K。
11. 如請求項10所述的導熱元件，其中，該等導熱纖維為沿與該基面實質垂直的方向裸露於該支撐體外。
12. 如請求項10所述的導熱元件，其中，該等導熱纖維是以交錯編織方式排列並具有多孔性結構。
13. 如請求項10所述的導熱元件，其中，該等裸露的導熱纖維藉由碳原子彼此黏結。
14. 如請求項10所述的導熱元件，其中，該支撐體的構成材料選自金屬、合金金屬、酚醛樹脂、呋喃樹脂、環氧樹脂，及聚矽氧樹脂。
15. 如請求項14所述的導熱元件，其中，該金屬選自下列群組其中之一：銀、鋁，或銅，該合金金屬選自鋁合金。
16. 如請求項10所述的導熱元件，其中，該等導熱纖維選自金屬纖維、高導熱碳纖維、石墨化氣相沉積碳纖維，或前述其中一組合。
17. 如請求項10所述的導熱元件，其中，該等導熱纖維還經由該底面裸露於該支撐體外，而與該電子元件接觸。
18. 如請求項10所述的導熱元件，其中，該支撐體具有一與該電子元件接觸且延長度方向延伸的接觸部，及一與該接觸連接並遠離該電子元件的導出部，且該等導熱纖維自該導出部裸露於外。