專利名稱：具有熱傳導(dǎo)梯度的鉆石復(fù)合物散熱片及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含碳復(fù)合物裝置與系統(tǒng)，其可被用于自熱源傳導(dǎo)或吸收熱能，總體上，本發(fā)明涉及的領(lǐng)域有化學(xué)、物理、半導(dǎo)體技術(shù)與材料科學(xué)。具體地，本發(fā)明涉及一種具有熱傳導(dǎo)梯度的鉆石復(fù)合物散熱片(散熱器)及其制法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體的產(chǎn)品，包括如中央處理器(CPU，central processing unit)、激光二極管(Laser Diode)、發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)、微波發(fā)生器(Microwave Generator)等的芯片，其功率越來越高，而且其線路也越來越密，芯片上產(chǎn)生的能量密度現(xiàn)已超過煮飯的電爐。隨著芯片功率的提高及其內(nèi)線路的密集，廢熱也越來越多，而且也越來越難以排除，以致芯片的溫度逐漸超過容許的上限而有燒毀的虞慮。
以CPU為例，目前一般的CPU芯片還勉強可以用銅制的散熱片排除廢熱，但更高功率的CPU，其熱點將更大而且會在瞬間產(chǎn)生，若仍以銅片散熱則密集的線路被燒毀就會不可避免。要使廢熱盡快排除，不僅散熱片的熱傳導(dǎo)率要好，更重要的是它的熱擴散率要高，可以盡快的將熱傳導(dǎo)至熱沉，這樣瞬間產(chǎn)生的熱量才能及時排除，芯片的線路密集之處才不會過熱。
現(xiàn)今的散熱片制作技術(shù)中，將鉆石的成分包含在散熱片中為一種新的開發(fā)方向，其原因在于純鉆石的熱傳導(dǎo)率可達銅的五倍，是散熱最快的材料；而鉆石熱擴散率更可達銅的十倍以上，因此以鉆石做為散熱片不僅可降低芯片的平均溫度，更可在較短的時間內(nèi)減低芯片的“溫度梯度”，因而可有效的消除“熱點”來保護芯片使其不致過熱。
然而，鉆石雖為最好的散熱片，但因其成本高昂，難以成為普及的工業(yè)產(chǎn)品。在鉆石散熱片的制作技術(shù)中，一般分為化學(xué)氣相沉積法(CVD，chemical vapor deposition)制成的鉆石薄膜、天然鉆石與高壓成型的鉆石。除了成本高昂之外，化學(xué)氣相沉積的多晶鉆石薄膜面積雖大，但其厚度有限(如0.5mm)，因此不能有效的將熱量導(dǎo)出；高壓制的鉆石乃至天然鉆石又嫌太小，不足以覆蓋大型CPU的整個芯片，所以純鉆石做為散熱片并不切實際。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于減輕或解決上述鉆石散熱片的缺點，提供一種具有熱傳導(dǎo)梯度的鉆石復(fù)合物散熱片及其制法。
相對應(yīng)地，本發(fā)明提供了一種復(fù)合式散熱片，其可用于自一熱源引出并傳導(dǎo)熱能，在一方面，本發(fā)明的一種鉆石復(fù)合物散熱片其具有變化性的熱傳導(dǎo)系數(shù)，用以改進熱量流過散熱片的控制，散熱片上的含鉆區(qū)域中會包含有鉆石顆粒，藉由鉆石濃度與(或)鉆石顆粒變化以在散熱片上產(chǎn)生一預(yù)期的熱傳導(dǎo)性梯度，其中，靠近一熱源的區(qū)域會比其它較遠區(qū)域具有較高的熱傳導(dǎo)性。
在本發(fā)明的另一方面，薄鉆石膜同樣可以被用在微粒狀鉆石連接處，以提供連接一熱源的區(qū)域具有最大的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
在本發(fā)明中更為詳細地是，該熱傳導(dǎo)性梯度可以在實質(zhì)上由鉆石體積濃度變化來決定，因此該變化可以為連續(xù)性的或階梯式的。相似地，在其它方面，濃度上變化可以由提供一系列具有變化性平均自由熱傳路徑跨過鉆石材料的區(qū)域，該平均自由熱傳路可強烈地被沿著熱傳導(dǎo)性梯度的鉆石顆粒大小與體積濃度變化所影響。
具體地說，本發(fā)明所提供的鉆石復(fù)合物散熱片，其包含一具有變化性熱傳梯度的含鉆材質(zhì)，該熱傳梯度在含鉆材質(zhì)中自熱能涌入?yún)^(qū)到熱能流出區(qū)而遞減。
其中，所述熱傳梯度由鉆石體積濃度的變化而決定。該鉆石的體積濃度變化的范圍約為30％到95％，優(yōu)選由熱能涌入?yún)^(qū)到熱能流出區(qū)而連續(xù)性遞減；或，該變化為一系列不連續(xù)區(qū)域所形成，每一區(qū)域都有鉆石顆粒的不同濃度。
本發(fā)明中所述含鉆材質(zhì)可進一步包含有一系列的區(qū)域，區(qū)域中并包含熱能涌入?yún)^(qū)和熱能流出區(qū)，每一區(qū)中的鉆石濃度均比相鄰且靠近熱能涌入?yún)^(qū)的鄰區(qū)小。所述一系列的鉆石顆粒每一顆均與至少一顆的其它鉆石顆粒相接觸，或是燒結(jié)在一起。
另一方面，本發(fā)明還提供了一種制造散熱片的方法，其包括下列步驟決定散熱片體積；基于熱源特性來設(shè)計散熱片，使其具有一熱量變曲線；與在散熱片體積形成熱傳梯度的含鉆材質(zhì)，該熱傳梯度可達成所述熱量變曲線。
其中，所述形成含鉆材質(zhì)的步驟中包含有堆棧一系列的鉆石顆粒在一預(yù)定的路徑上，通過變化鉆石顆粒的大小來形成微粒鉆石區(qū)域。本發(fā)明中，堆棧一系列的鉆石顆粒的步驟可為先在一模具中放入第一層的鉆石顆粒，接著再堆棧一或多層的鉆石顆粒，而每一層的鉆石顆粒的大小都比其下一層的平均鉆石顆粒小?；蛘?，先堆棧一具有第一平均顆粒大小的第一系列鉆石顆粒，之后再以較小的鉆石顆粒填補于第一系列鉆石顆粒間的空隙，以形成一第一微粒鉆石區(qū)域。進一步，鋪設(shè)一第二系列鉆石顆粒于第一微粒鉆石區(qū)域，之后再以較小的鉆石顆粒填補于第二系列鉆石顆粒間的空隙，以形成一第二微粒鉆石區(qū)域。
總之，本發(fā)明藉由提供一變化性的熱傳梯度，更多如鉆石膜或鉆石顆粒分布密集的復(fù)合材料等昂貴材料，可以被選擇性地使用在靠近熱源的區(qū)域，同時，也允許較便宜的材料和鉆石顆粒分布疏松的復(fù)合材料使用在離熱源較遠、熱傳導(dǎo)性可以較低的區(qū)域，而不需使用遍布鉆石的散熱片。
即，本發(fā)明藉由散熱片上不同區(qū)域鉆石濃度不同及鉆石濃度梯度的改變，符合相對應(yīng)的熱能溫度梯度的改變，使散熱片的效能維持，同時能有效節(jié)省鉆石的使用成本。


圖1A為符合本發(fā)明的一散熱片實施例與一熱源和一熱沉的熱傳導(dǎo)概要示意圖。
圖1B為符合本發(fā)明的另一散熱片實施例與一熱源和一熱沉的熱傳導(dǎo)概要示意圖。
圖1C為符合本發(fā)明的又一散熱片實施例與一熱源和一熱沉的熱傳導(dǎo)概要示意圖。
圖2為本發(fā)明中一靠接熱源的散熱片的側(cè)邊剖面示意圖。
圖3為本發(fā)明中一含有鉆石膜且靠接熱源的散熱片的側(cè)邊剖面示意圖。
圖4為本發(fā)明中另一含有鉆石膜且靠接熱源的散熱片的側(cè)邊剖面示意圖。
圖5為本發(fā)明中又一散熱片實施例的側(cè)邊剖面示意圖，其包含有一非碳性材質(zhì)包圍在含鉆區(qū)域四周。
圖6為本發(fā)明中再一散熱片實施例的側(cè)邊剖面示意圖，其包含有一非碳性材質(zhì)包圍在含鉆區(qū)域四周。
圖7為多種材料的熱膨脹系數(shù)對應(yīng)熱傳導(dǎo)性的圖表。
圖中代表符號12散熱器(片) 14CPU熱源 16熱沉 18鰭片22散熱管 24內(nèi)部流體 26焊接點 30a-d鉆石復(fù)合物散熱器32a-b熱能涌入?yún)^(qū) 34熱源 36熱能流出區(qū) 38鉆石膜40a-b微粒鉆石區(qū) 42焊接層 44非含碳區(qū)塊
具體實施例方式
首先需要說明的是本發(fā)明并不受限于文中所揭示的任何特定的結(jié)構(gòu)、制程步驟或材質(zhì)，下列術(shù)語僅供說明，并不造成任何限制。
在本發(fā)明的描述與主張中，使用的術(shù)語定義如下。
當(dāng)描述含碳材料的連結(jié)時，“顆?！焙汀吧暗[”可替換性地使用以說明這類材料的微粒狀型態(tài)，此時顆?；蛏暗[具有不同的型狀，包含有圓形、橢圓形、方形、自形的(euhedral)等等與特定的篩孔尺寸，如同本領(lǐng)域中所熟知的，篩孔為每單位面基上所具有的孔洞數(shù)量，除了有特別指定以外，本發(fā)明中的篩孔尺寸皆為美國規(guī)格，進一步地，篩孔尺寸通常被理解為指定被收集顆粒的平均篩孔尺寸，因為每一個顆粒在一特定的篩孔尺寸下，會有一尺寸上小分散的尺寸變化。
其中，所使用的“實質(zhì)上”或“實質(zhì)上地”，主要是提及一特定目的、操作、結(jié)構(gòu)上的機能性達成，如同這些目的或結(jié)構(gòu)已被確實獲得。因此，含碳顆粒近似于實質(zhì)上與其它顆粒相接，或幾乎近似，或?qū)嶋H上相接。同樣的考量之下，含碳顆粒實質(zhì)上為等顆粒操作，或所獲得的結(jié)構(gòu)具有同等尺寸，甚至于稍微的尺寸變化。
其中，所使用的“散熱器(片)”，其是指一種可分散或傳導(dǎo)熱能并自一熱源轉(zhuǎn)移走熱能的材料，散熱器與熱沉不同的地方在于熱沉被用于熱能的儲存，直到其可以被其它機制轉(zhuǎn)移走熱能，反之，散熱器僅會轉(zhuǎn)移走熱能而不儲存熱能。
其中，所提及的“熱源”，是指一具有熱能量或大于預(yù)期值熱度的裝置或物體，熱源可以包含操作產(chǎn)生熱能為副產(chǎn)品的裝置，和由其它熱源傳導(dǎo)過來而變熱至一高于預(yù)期溫度的物體。
其中，所提及的“含碳的”，是指主要以碳原子構(gòu)成的任何物質(zhì)，碳原子群的多樣化的結(jié)構(gòu)型態(tài)或“同素異形體”皆被涵蓋，包括有平面的、曲狀的、四面體的、和四面體的結(jié)合結(jié)構(gòu)。如同熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，這些特定的結(jié)合結(jié)構(gòu)決定特定的材質(zhì)，如石墨、似鉆碳、無定形鉆石和純鉆石，在另一方面，該含碳材質(zhì)可以為鉆石。
其中，所使用的“反應(yīng)元素”和“反應(yīng)金屬”兩者可以互換使用，當(dāng)提及一種元素，特別是金屬元素，其可以以化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)鍵結(jié)形成一碳化物連結(jié)于碳元素上，該相關(guān)元素例如但不受限于下列的過渡元素鈦、鉻；包含有耐火元素如鋯、鎢；和非過渡元素和其它材質(zhì)，如鋁。進一步地，某些非金屬元素如硅，在黃銅化合金(brazing alloy)中可被包含為一種反應(yīng)元素。
其中，所使用的“潤濕”是指將熔融狀態(tài)的金屬流過至少一部分含碳顆粒的表面，潤濕通常至少一部分是因為熔融狀態(tài)的金屬的表面張力所造成，并可藉由添加某些金屬至熔融的金屬中幫助潤濕，在某方面，潤濕可以幫助含碳顆粒與熔融金屬之間界面上化學(xué)鍵的形成。
其中，所使用的“化學(xué)鍵”與“化學(xué)鍵結(jié)”可以互換，是指一分子鍵在原子之間發(fā)揮吸引力，力量強至足以在原子間的界面上產(chǎn)生一個二元固態(tài)化合物，本發(fā)明中的化學(xué)鍵為典型的鉆石超磨蝕性顆粒的碳化物，或立方硼氮化物或硼化物。
其中，所使用的“焊料合金”和“焊料化合金”兩者可以互換使用，當(dāng)提及一種合金包含有一有效量的反應(yīng)元素，以允許合金與超磨蝕性顆粒之間化學(xué)鍵的形成，該合金可以為含有反應(yīng)元素溶質(zhì)的金屬載體溶媒，該金屬載體溶媒可以為固態(tài)或液態(tài)的溶液。此外，“被焊接(brazed)”可以被用來指出焊料與超磨蝕性顆粒之間化學(xué)鍵的形成。
其中，所使用的“燒結(jié)”是指將兩個以上或更多的粒子結(jié)合在一起，以形成一連續(xù)性固狀塊體，該燒結(jié)的程序包含有將粒子之間的空隙排除以合并粒子，燒結(jié)的狀況可以發(fā)生在金屬或者是如鉆石的含碳顆粒，金屬粒子的燒結(jié)可以因材料的組成物不同發(fā)生在各種溫度之下，鉆石粒子的燒結(jié)一般需要超高壓與碳溶劑的存在作為助劑，如下的詳細討論，燒結(jié)助劑通常使用以在燒結(jié)程序中幫助燒結(jié)，常會有部分殘留在最終產(chǎn)物中。
其中，所使用的“平均自由熱傳路徑”是指一路徑可讓熱在不需要跨過固體-固體界面的情形下轉(zhuǎn)移。進一步地，平均自由熱傳路徑一般對應(yīng)于區(qū)域或似鉆碳區(qū)域中鉆石顆粒的平均粒徑，或延著熱傳梯度方向的厚度。因此，平均自由熱傳路徑等同于穿過實質(zhì)上連續(xù)性鉆石的路徑，所以該路徑對關(guān)于固體-固體界面的熱接觸阻力是不受影響的。雖然平均自由熱傳路徑一般對應(yīng)于連續(xù)性鉆石，但埋藏在鉆石中的各種雜質(zhì)會降低平均自由熱傳路徑，也因此總體的熱傳系數(shù)會下降。
其中，所使用的“熱能流出區(qū)”是指一在設(shè)計上為相對低熱傳系數(shù)的含鉆區(qū)域，該熱能流出區(qū)并不需要對應(yīng)一相對低溫的區(qū)域，例如，熱能將會優(yōu)先地延著最小熱阻的路線傳導(dǎo)，然而，在某些實施例中，平均自由熱傳路徑會具有相對性低熱傳系數(shù)，也就是高熱阻。
其中，所使用的“熱傳導(dǎo)梯度”是指熱傳系數(shù)在位置函數(shù)橫跨過散熱器于三度向量中的改變，該熱傳導(dǎo)梯度可以為位置的連續(xù)性或非連續(xù)性函數(shù)，因此在熱傳系數(shù)上逐漸變化和逐步改變被包含在熱傳導(dǎo)梯度中。
濃度、總量、顆粒大小、體積和其它數(shù)字上的資料可以被顯示在區(qū)域表現(xiàn)上，可以理解的是，該區(qū)域表現(xiàn)僅用于方便簡述，因此其實質(zhì)上包含有不止是區(qū)域范圍之中所明確指出的數(shù)值，同時也包含個別的數(shù)值或包含于區(qū)域之中的副區(qū)域，如每一數(shù)值或副區(qū)域皆被明確指出一般。
舉例來說，數(shù)值范圍如“約1微米至約5微米(1-5)”應(yīng)被解釋為包含有不只是明確地指出其數(shù)值為約1微米至約5微米，同時包含有個別數(shù)值與在此區(qū)間內(nèi)的副區(qū)域，因此，包含在此數(shù)值范圍內(nèi)的個別數(shù)值為2、3、4，而副區(qū)域為1-3、2-4、3-5等等。
以下對本發(fā)明進行詳述本發(fā)明所提供的一種具有變化性熱傳導(dǎo)梯度的鉆石復(fù)合物散熱片，其能在散熱器上促進熱轉(zhuǎn)移的控制，靠近熱源的最近區(qū)域具有較比其它遠離熱源區(qū)域較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，一微粒狀鉆石區(qū)域可以配合不同顆粒大小的鉆石，或者體積濃度以影響熱傳系數(shù)，薄的鉆石膜同樣可以被用在微粒狀鉆石連接處，以提供連接熱源區(qū)域具有最大的熱傳導(dǎo)系數(shù)，藉由提供一種變化性的熱傳導(dǎo)梯度，該散熱器的熱能傳導(dǎo)可以被特別設(shè)計使用時的溫度量變曲線，該微粒狀鉆石區(qū)域可以如下面所討論而具有廣泛的變化方式。
微粒狀鉆石區(qū)域本發(fā)明中包含有裝置、系統(tǒng)和自熱源轉(zhuǎn)移熱能的方法，本發(fā)明中的散熱器一般包含有一系列的含碳顆粒緊連排接，該含碳顆粒可以使用間隙材料(材質(zhì))填補，或用直接燒結(jié)或熔合含碳顆粒以成塊狀。
一方面，一般制作散熱器的程序包括有開始在一適當(dāng)?shù)哪＞咧卸褩Ｒ幌盗械暮碱w粒成為高含碳顆粒容積。選擇性地，第一系列的含碳顆粒每一粒能具有相同的篩目尺寸，然而，一大的顆粒尺寸分布同樣可被使用以增加推疊的密度，特定的顆粒尺寸可以由18篩目(1nm)到30篩目(0.5nm)和400篩目(37nm)之間。
如鉆石膜或較大鉆石顆?？梢赃x擇性的使用在靠近熱源的區(qū)域，其同時也允許較便宜的材料和小鉆石顆粒使用在離熱源較遠、熱傳導(dǎo)性可以較低的區(qū)域，而不需使用遍布鉆石的散熱片，當(dāng)顆粒的尺寸為變動性時，一般可以知道的是較大的粒子可以提供一具有較大熱轉(zhuǎn)移特性的路徑，近似于固體含碳材料，例如純鉆石。
堆棧的顆粒實際上會相接觸，在一堆棧群中每一顆粒至少會和一個以上的顆粒相接觸，本發(fā)明的另一方面，顆粒間的接觸可以提供實質(zhì)上針對于散熱器中的所有含碳顆粒的一有效路徑，自熱源的熱轉(zhuǎn)移經(jīng)由基本上顆粒對顆粒的接觸的幫助而完成，顆?？梢员欢褩Ｒ蕴畛浯蟛糠值目臻g并使顆粒間的空間最小化。
另一方面，顆粒堆棧包含將不同大小的含碳顆粒疊成一有效狀態(tài)以完成上述的功能，例如，較大的顆粒先堆棧于一模具中，該含碳顆粒的堆棧可以固定或壓緊，也就是說，以一震動器擾動模具。一系列較小的含碳顆粒再加入以填補較大含碳顆粒之間的空隙。取決于較小尺寸的顆粒，較小顆粒需要被多方面導(dǎo)入以填補大部分的空隙，該較小顆粒的尺寸可為變化性的，其能增加堆棧效益的典型范圍為較大顆粒直徑的1/3至1/20，優(yōu)選范圍為1/5至1/10，最優(yōu)選的范圍為1/7。使用有效的堆棧狀態(tài)，體積堆棧效益將大于2/3，必要時，可操作數(shù)種較小和均勻顆粒的增加而進一步增加堆棧效益。然而堆棧效益將會隨著填充的難度增加而遞減，本發(fā)明中堆棧顆粒的體積容量約為50-80％之間。
不同的選擇性實施例中，不同大小的含碳顆粒在早于導(dǎo)入間隙材料前先行混合再堆棧，這樣可以堆棧效益增加，然而，會造成一些較大顆粒之間無法緊密接觸而有熱傳效應(yīng)的損失，因此，熱能必須跨過為數(shù)較多、會增加散熱器熱阻的界面邊界。
另一個選擇性實施例中，鉆石的體積可以通過使用一致形狀的含碳顆粒來增加，特別是，實質(zhì)上呈立方體的鉆石顆粒較容易購得，這種立方體的鉆石顆?？梢赃厡叾褩Ｒ援a(chǎn)生一層或多層，讓堆棧的鉆石體積含量高達90％。特定的安排并不重要，顆?？梢远褩３捎兄刃虻呐艩睢⒅鶢?、或排柱交錯狀。在該實施例中，鉆石顆粒的排列產(chǎn)生實質(zhì)上顆粒之間較小的空隙而不需要燒結(jié)，此外，若所有顆粒的排列方向一致也會讓最后組成的熱性質(zhì)改良，下列將討論間隙材料與進行如上述的鉆石顆粒堆棧的制程。
本發(fā)明的一方面，可以使用間隙材料以將含碳顆粒粘結(jié)成塊，然而，由于如前所述顆粒的堆棧早于導(dǎo)入間隙材料，所以原本的顆粒對顆粒的狀態(tài)維持，且堆棧的效益遠超過混合含碳顆粒與間隙材料后熱壓成塊所產(chǎn)生的效益，在后面的例子中，含碳顆粒在裝置中的容量會少于1/2體積，當(dāng)間隙材料填補入鉆石顆粒之間，而將每一顆粒之間完全分離，在此情形下，熱能必須跨過非常廣的非含碳材質(zhì)區(qū)域。
因此，如前所述含碳顆粒鉆石顆粒的堆棧早于導(dǎo)入間隙材料，設(shè)計一含碳材質(zhì)散熱器的因子在含碳顆粒之間界面與非含碳顆粒和含碳顆粒間界面的熱傳特性，空隙與單純的物理性接觸于界面之間為一種熱阻礙，也就是熱接觸阻力。雖然顆粒表面大面積的緊密接觸能增進界面間的熱傳性質(zhì)，其效果仍低于純連續(xù)性含碳材質(zhì)，因此，界面之間實質(zhì)的填補比起單純的物理性接觸效果要好。
相對應(yīng)地，間隙材料需具有特定性質(zhì)，其一方面在高溫下可以作為碳燒結(jié)助劑或和含碳顆粒熔合一起，另一方面，間隙材料可以和堆棧的鉆石顆粒化學(xué)性結(jié)合。
間隙材料的選擇必須依據(jù)間隙材料本身的熱傳系數(shù)與熱容，包含有低熱傳系數(shù)材料的鉆石散熱器會成為一限制組件削減鉆石的熱傳導(dǎo)性，因此間隙材料必須要有高熱傳系數(shù)、低熱容，并能和堆棧的鉆石顆?；瘜W(xué)性結(jié)合，以促進熱傳導(dǎo)跨過界面。較大面積的鉆石對鉆石接觸同樣可以增加散熱器的熱傳導(dǎo)性。
用于結(jié)合或燒結(jié)含碳顆粒的間隙材料可以不同的方式施加，方法包含有滲透、燒結(jié)和電沉積。滲透為當(dāng)材料加熱至熔點以上時將其流入顆粒之間；燒結(jié)為有效加熱使相鄰粒子的表面邊緣熔化，并和間隙材料燒結(jié)成一體；電沉積為將一金屬材質(zhì)在一溶液中加熱到熔點之上并在一電流下沉積至含碳顆粒的表面。
間隙材料的類型包含有液態(tài)金屬和澆鑄陶瓷，當(dāng)化學(xué)性結(jié)合含碳顆粒以產(chǎn)生散熱器時，間隙材料應(yīng)具有至少一種的活性元素，以將碳反應(yīng)為碳化物，碳化形成物的存在幫助鉆石的濕潤并使得間隙材料受到毛細作用力吸引至空隙間。當(dāng)燒結(jié)含碳顆粒鉆石顆粒以產(chǎn)生散熱器時，間隙材料應(yīng)作為燒結(jié)助劑以增加碳燒結(jié)的程度，并不需要碳化形成物，而是需要碳溶劑。
間隙滲透合金可以作為滲透劑以將含碳顆粒結(jié)合成一塊體，一般來說沒有化學(xué)性結(jié)合的材料，僅將含碳顆粒物理性固著會造成熱傳阻礙，但銅材料不在此限制中。
進一步的考量中，當(dāng)含碳顆粒為鉆石時，間隙材料需考慮其滲透或燒結(jié)溫度低于1100℃以避免傷害鉆石，合成的鉆石通常會含有金屬結(jié)晶(如鐵、鈷、鎳或其合金)為內(nèi)含物，在高溫下，該內(nèi)含物會高度膨脹并能讓鉆石變回石墨碳，但其可以用大于5GPa的超高壓來避免。
間隙材料可以包含一鉆石或碳的黃銅焊料作為金屬滲透劑或包含硅合金以作為陶瓷滲透劑，滲透劑可以“潤濕”碳，以毛細作用力吸引至堆棧的含碳顆?？障堕g，一般的碳潤濕劑包含有鈷、鎳、鐵、錳和鉻。當(dāng)間隙材料中應(yīng)含有碳化形成物以增加顆粒間界面的熱性質(zhì)時，這種碳化形成物包含有元素鈧(Sc)、鐿(Y)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、釩(V)、鈮(Nb)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、艋(Mn)、鉭(Ta)、鎢(W)、(Tc)、硅(Si)、硼(B)、鋁(Al)與其合金。
間隙或潤濕材料可包含有銀、銅、鋁、硅、鐵、鈷、錳、鎢或其合金或混合物，鉆石或碳的黃銅焊料所包含的紺化形成物為鈦、鋯或鉻。陶瓷滲透劑的硅合金為包含鎳、鈦或鉻。例如鎳-鉻合金如BNi2(Ni-Cr-B)或BNi7(Ni-Cr-B)為較好的滲透劑，其它的有效滲透劑包含有(Al-Si)、(Cu-Sn-Ti)、(Ag-Cu-Ti)、(Cu-Mn-Si)、(Cu-Mn-Zr)和(Cu-Ni-Zr-Ti)。大多數(shù)的含碳間隙材料包含有活性成分(如鉻、鈦等)并不能形成碳化物以連結(jié)碳，而容易被氧化。因此，間隙材料的導(dǎo)入需要在真空或惰性氣體環(huán)境下。
間隙材料可以不同的方式導(dǎo)入含碳顆粒的間隙之間，其中一種為水溶液中的電沉積(如銀、銅、鎳)，其中金屬多半存在于酸性溶液中，并為一種傳統(tǒng)的沉積技術(shù)。
本發(fā)明中含碳散熱器中所含的含碳顆粒的體積含量大于50％以上(與散熱器體積相比較，以下相同)，非碳性的滲透劑的體積含量為5％，該非碳性的滲透劑可為銅、鋁、銀等，另一方面，含碳顆粒的體積含量至少大于80％以上，或至少大于90％以上。
含碳顆粒可以包含鉆石顆粒，鉆石顆粒的體積含量大于約50％以上，在滲透劑方面，其包含約至少為碳化形成物的2％重量比，或者是體積含量大于5％以上。
本發(fā)明中的散熱器可包含有含碳顆粒和一非含碳滲透劑，該滲透劑與含碳顆粒之間可為銅、鋁、或銀。在高壓下的操作，非含碳滲透劑提高散熱器的熱散容積，同時增加含碳顆粒的堆棧密度，舉例來說，含碳顆粒為鉆石顆粒時，在超高壓下鉆石顆粒會在接處點上部分裂開，而讓鉆石的堆棧密度增加，而熔化的銅、鋁或銀會被注入鉆石顆粒中，鉆石濃度的體積含量為大于90％以上。
當(dāng)鉆石顆粒為高濃度且銅、鋁或銀填充鉆石顆粒之間，散熱器具有高度的熱傳導(dǎo)性，與純銅的散熱器相比較有1.5-3倍的熱傳導(dǎo)性，此外，銅、鋁或銀等材料相比之下是較便宜的材料，可以節(jié)省成本，其中，銅更具有低溫與低壓的操作特性。
傳統(tǒng)的部分鉆石復(fù)合散熱器為在鉆石顆粒外，形成碳化物或其形成材料，相反地，本發(fā)明的鉆石顆粒與銅、鋁或銀每一種可以使用其原本未處理狀態(tài)，這點可以免除滲透前涂布鉆石顆粒的程序，此外，可以使用相對較粗的顆粒，如50微米，甚至于300微米，以減少會阻擾熱流的顆粒邊界。
另一種提供間隙材料的方法為燒結(jié)填充于含碳顆粒間隙之間的固體粉末，具有多種方法但不受限于如下的方法，如熱壓合、減壓燒結(jié)、真空燒結(jié)、微波燒結(jié)等。熱壓合為常見方法，但由于微波燒結(jié)僅影響燒結(jié)材料而不影響到碳，當(dāng)含碳顆粒為鉆石顆粒時比較不會造成鉆石的衰退。
燒結(jié)用的間隙材料可以在堆棧時加入，其顆粒大小以可填充于含碳顆粒之間為佳，加入完成后進行燒結(jié)可以增進顆粒對顆粒間的接觸，但會造成孔隙降低熱傳導(dǎo)性。
第三種提供間隙材料的方法為以熔化材料對鉆石顆粒進行滲透，如鋁、硅、BNi2等，如電沉積法并不能產(chǎn)生化學(xué)性連結(jié)但將含碳顆粒包覆住，間隙材料并不能固定住顆粒，因為燒結(jié)過程中的連結(jié)為物理性的，因此滲透劑中需包含有活性元素以和碳反應(yīng)以碳化物的方式形成化學(xué)鍵結(jié)，該碳化形成物的存在同時也使得滲透劑潤濕顆粒表面，同時，使?jié)B透劑受到毛細作用力吸引至較內(nèi)空隙間。
當(dāng)使用鉆石顆粒時，為了降低鉆石的衰退，滲透過程的溫度需低于1100℃或高壓，以避免傷害鉆石，某些鐵、鈷、鎳合金和大多數(shù)的銅、鋁、銀合金符合上述的要求，在間隙材料的滲透或燒結(jié)過程中，加熱后的金屬不可避免地會造成鉆石的衰退，這一點可由縮短反應(yīng)時間與慎選間隙材料來彌補，硅由于其可以形成碳化硅為一優(yōu)選選擇，界面間的碳化硅和熔溶的硅會保護鉆石預(yù)防其衰退，純硅的熔解溫度約為1400℃，在高度真空(10-3-10-5torr)下具有良好的滲透效果。
因此，間隙材料可以用滲透、燒結(jié)和電沉積方法導(dǎo)入含碳顆粒的間隙之間，當(dāng)?shù)蛪翰僮鲿r，間隙材料僅僅填補空隙并連結(jié)顆粒，當(dāng)高壓操作時，有兩種基本狀態(tài)，第一種為間隙材料會和碳之間形成化學(xué)鍵結(jié)以增加界面上的熱傳導(dǎo)性，同時含碳顆粒會崩解以減少部分空隙，第二種為若間隙材料為碳溶劑如鐵、鈷或鎳及其合金時，含碳顆粒會燒結(jié)成一連續(xù)性含碳塊體，當(dāng)含碳顆粒燒結(jié)成塊時，熱傳路徑即為連續(xù)性的碳路徑，而不具有物理性界面與非含碳界面。
銅是一種理想的鉆石散熱器間隙材料，然而，其不是碳溶劑同時也不是石墨轉(zhuǎn)成鉆石的催化劑，更不是超高壓下的燒結(jié)助劑，因此若使用銅作為間隙材料，其可以電沉積與燒結(jié)法完成，但電沉積過于緩慢且難以填補到致密的空隙中，而燒結(jié)法會不可避免地產(chǎn)生孔隙，兩種方法讓鉆石堆棧效益相對降低(約60％體積容量)。
雖然銅不是燒結(jié)助劑，超高壓碳銅混合物的強化可以強迫含碳顆?？烤o以提高碳含量至70％到90％，壓力約為4GPa到6GPa。為了讓碳的含量提高至70％以上而不形成碳對碳的架橋，多余的銅必須由一沉降材料移除，該沉降材料具有多孔，同時不會在銅的熔解高溫下軟化，其材質(zhì)為陶瓷性粉末如碳化硅、氮化硅(SiN4)和氧化鋁(Al2O3)，另一種為多孔性材質(zhì)，如碳化鎢或氧化鋯，操作技術(shù)如實施例一中所示，此外，雖然銅不能潤濕鉆石，但其能填充鉆石顆粒間的孔隙，方法適當(dāng)?shù)臈l件下可以不產(chǎn)生孔隙，當(dāng)銅冷卻時，其會適度地收縮壓緊鉆石顆粒以降低熱接觸阻力。
間隙材料同時可為一種具有低體積容量碳潤濕劑的碳潤濕滲透合金，藉由提供一種高熱傳導(dǎo)性的滲透劑來降低物理性界面，例如高熱傳導(dǎo)性金屬如銀、銅和鋁，可以和一碳化形成物如鈦混成合金。
除了提供具有良好傳導(dǎo)性與鉆石潤濕性質(zhì)的滲透合金，滲透合金的選擇為相對性的最低熔點，可以避免程序中使用高溫及高壓，該最低熔點需低于1100℃，甚至可低于900℃。
良好的碳形成元素具有高熱傳導(dǎo)性，如銀、銅和鋁，滲透合金中可包含的上述碳形成元素至少為1％至10％的重量比，或至少1％的散熱器重量比。
滲透合金可包含銅-錳合金，銅-錳合金可為銅-錳(30％)-鎳(5％)合金，其熔點約為850℃，遠低于傳統(tǒng)的燒結(jié)溫度，另一種為銅-鋁-鋯(9％)和銅-鋯(1％)，其中由于鋯并不具有良好的傳導(dǎo)性，因此含量相對較低，一般而言，使用碳化物形成金屬能增進銅與鉆石的鍵結(jié)，然而大多數(shù)的碳化形成物為熱絕緣性，因此，碳化物與鉆石鍵結(jié)的程度增加相對于熱阻的成長。
由于本發(fā)明中使用有良好傳導(dǎo)性、鉆石潤濕性質(zhì)與低熔點的滲透合金，操作溫度降低連帶使操作壓力降低，讓散熱器形成的厚度比傳統(tǒng)用的制法中增加，其厚度約大于1mm，甚至于2mm，具有較厚鉆石層厚度的散熱器能在單位時間內(nèi)傳導(dǎo)出大量的熱能，有較好的冷卻效益。
<現(xiàn)有散熱器的配合>
本發(fā)明中的散熱器基于使用目的有不同的形態(tài)，含碳物質(zhì)可以被制作成各種形狀配合熱源，一般電器用品所使用的散熱器其厚度約為0.1mm到1mm，其形狀可為圓形、橢圓形片狀或四邊形如正方形或矩形等其它形狀的晶片等。熱源可為電氣或其它生熱組件。
本發(fā)明中包含有一自熱源轉(zhuǎn)移走熱能的冷卻單元，如圖1A-圖1C所示，其包含一如前面原理所制的散熱器12，其同時連接一如CPU的熱源14和一熱沉16，散熱器12將CPU產(chǎn)生的熱能源傳導(dǎo)至熱沉16，熱沉裝置為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以為鋁或銅制，如圖1A所示，其結(jié)構(gòu)中包含有冷卻鰭片18以將熱能散去。
如圖1B所示，所述散熱器12至少一部分埋在熱源14和熱沉16中，這樣熱能不僅從散熱器底部散至熱沉中，而且也從散熱器側(cè)邊散出，散熱器的連結(jié)方式可為在部分埋入熱沉16后再與其焊接在一起，或壓迫結(jié)合，其中，采用壓迫結(jié)合方式不會產(chǎn)生焊接材質(zhì)對熱傳效應(yīng)造成障礙。
如圖1C所示，所述熱沉包含有一具有內(nèi)部流體24的散熱管22，其中所述內(nèi)部流體為傳統(tǒng)的水或水蒸氣，散熱器可鄰接或焊接于所述散熱管，如圖所示，散熱器穿過散熱管壁讓其底部直接與內(nèi)部流體接觸，散熱器和散熱管以焊接連結(jié)，如圖中26所標(biāo)示，以維持散熱管的穩(wěn)固。
<熱傳導(dǎo)性梯度>
本發(fā)明中的鉆石復(fù)合散熱片可以包含一含有特定梯度的含鉆材質(zhì)，該熱傳梯度可以多種形成方法，熱傳導(dǎo)性為特定材質(zhì)和熱傳路徑的函數(shù)，因此當(dāng)材質(zhì)組成改變，熱傳導(dǎo)性也會改變，大多數(shù)的變因都會影響如鉆石體積濃度、平均自由熱傳路徑和雜質(zhì)。通常鉆石體積濃度的提高相對增加整體的熱傳導(dǎo)性，但相同鉆石體積濃度下不同的顆粒大小會有不同的熱傳導(dǎo)性，特別是在平均粒徑增加時，鉆石顆粒間與和非含碳材質(zhì)間的邊界也增加，造成必須跨過為數(shù)多的固態(tài)-固態(tài)邊界，該邊界的增多使得熱傳阻力增加。平均自由熱傳路徑為不包含固態(tài)-固態(tài)邊界僅穿過鉆石顆粒的熱傳途徑的平均距離。在一需要高熱傳導(dǎo)性的區(qū)域，鉆石顆粒大小必須加大或是使用固態(tài)鉆石膜。
典型地，熱傳導(dǎo)為多方向性，但會偏好熱傳導(dǎo)阻力最小的路徑以自表面散出，含鉆材質(zhì)可在靠近熱源的熱能涌入?yún)^(qū)設(shè)計成具有較高的熱傳導(dǎo)性，并在遠離熱源的區(qū)域設(shè)計成具有較低的熱傳導(dǎo)性。
本發(fā)明中含鉆材料可以為鉆石復(fù)合材料，同時，其它已知的含有鉆石成分的鉆石散熱器也可以被使用，熱傳梯度的設(shè)計為橫跨過整個散熱器，其中溫度量變曲線和熱傳導(dǎo)性上不連續(xù)或突然的改變必須被最小化，如圖2-圖6所示，可以理論上選擇熱傳梯度的態(tài)樣以平衡產(chǎn)品成本。熱傳梯度可以影響溫度梯度，當(dāng)降低整體的溫度梯度時，理想的熱傳導(dǎo)量變曲線會減小熱阻。這樣一來，雖然散熱器可以快速散熱，但同時可以將儲熱熱容最大化。
在設(shè)計各種含鉆材料時，熱傳梯度可以自熱能涌入?yún)^(qū)至熱能流出區(qū)遞減，熱傳梯度的變化為約1％-80％，優(yōu)選為10％-60％。
請參考圖2所示的鉆石復(fù)合物散熱器30，其具有遍布整個散熱器的含鉆區(qū)域，熱能涌入?yún)^(qū)32最接近熱源34，而熱能流出區(qū)36最遠離熱源34。
在一些實施例中，熱傳梯度可以由鉆石體積濃度的變化而決定，鉆石體積濃度的變化自熱能涌入?yún)^(qū)至熱能流出區(qū)連續(xù)性遞減，該濃度變化由一系列不同鉆石顆粒濃度的不連續(xù)區(qū)域所構(gòu)成，如圖2-圖6所示，區(qū)域的數(shù)量依散熱器的設(shè)計而定，部分實施例中，區(qū)域可以轉(zhuǎn)向以控制熱傳梯度。同樣地，熱傳導(dǎo)性、鉆石濃度與鉆石顆粒的變化可以為沿著含鉆材料的幅射狀、水平向形成。
部分實施例中，熱傳梯度可以由實施例中具有變化性平均自由熱傳路徑的區(qū)域來控制，變化性平均自由熱傳路徑可以藉由改變沿著熱傳梯度分布的平均鉆石顆粒粒徑來完成，因此每一區(qū)域中的平均鉆石粒徑都比相鄰且靠近熱能涌入?yún)^(qū)的鄰區(qū)小。
散熱器可以被設(shè)計成為接觸多個熱源，同時，雖然圖面上所顯示的為二維方向，但事實上散熱器可以為三維結(jié)構(gòu)，因此熱傳梯度可以在三維的方向上調(diào)節(jié)整個熱傳導(dǎo)性。
如圖3所示，一鉆石膜38形成在相鄰的微粒鉆石區(qū)，鉆石膜可經(jīng)由化學(xué)氣相滲透法(chemical vapor infiltration，CVI)沉積至微粒鉆石區(qū)的表面，或者是化學(xué)氣相沉積法或其它方法來形成，材質(zhì)如純鉆石膜、無定形鉆、類鉆碳或其它，化學(xué)氣相滲透法常用在多孔性表面，其會在靠近微粒鉆石區(qū)的表面處的鉆石顆粒間的空隙中形成有鉆石，因此該鉆石膜與微粒鉆石區(qū)的表面為一體性連結(jié)，藉此可降低鉆石膜與微粒鉆石區(qū)之間邊界的熱接觸阻力，進一步地，組成物的逐步改變讓熱傳梯度在邊界的變化也較為溫和。
選擇性地，鉆石膜與微粒鉆石區(qū)為分離性的結(jié)合，如焊接至微粒鉆石區(qū)的表面，例如圖4所示，其中鉆石膜38是通過一焊接層42焊接至微粒鉆石區(qū)40，雖然與化學(xué)氣相滲透法相比會產(chǎn)生不連續(xù)的熱傳變化，但焊接料仍能填補微粒鉆石區(qū)的空隙，選擇具有高熱傳導(dǎo)性的焊接料，或?qū)⑵湫纬蔀閿?shù)微米厚的薄膜以降低熱阻，可用的材質(zhì)為銀-銅-鈦合金，金-鉭合金。
使用鉆石膜作為連結(jié)的一項優(yōu)點為該鉆石膜具有接近純鉆的良好熱傳導(dǎo)性(純鉆為2400W/mK)，但成本昂貴且耗時，因此以降低厚度來解決這些問題，其適合厚度約為0.1mm至1mm，優(yōu)選的厚度約為0.3mm至0.7mm；最優(yōu)選的厚度約為0.5mm。以這種方法，雖然可以略為降低，但仍能有效傳導(dǎo)熱能，其特別適用于如CPU的電氣設(shè)備，因為其高溫為暫時且波動性地。在使用鉆石膜的實施例中，熱能涌入?yún)^(qū)的熱傳導(dǎo)性最高為2400W/mK，熱能流出區(qū)的熱傳導(dǎo)性約為200W/mK-2000W/mK，典型為500W/mK至1000W/mK，最優(yōu)選為600W/mK左右。
如圖5所示的散熱器30c包含有一非含碳區(qū)塊(塊體)44，特別是一含鉆材質(zhì)40a可以被嵌入非含碳區(qū)塊44中，該非含碳區(qū)塊為具高熱傳導(dǎo)性如銅、無氧高傳導(dǎo)性銅(oxygen free high conductivity OFHC)、銀、鋁、金及上述金屬的合金，圖6中顯示一非含碳區(qū)塊44中具有一接受部以容置含鉆材質(zhì)40b。
下表一列出各種材質(zhì)的熱能特性。
表一

*熱傳導(dǎo)性為熱擴散性、熱容與密度的計算產(chǎn)物其中，DiaCu(購自Kinik公司)為本發(fā)明中的一種實施例，其具有勻相組成與遍布的熱傳導(dǎo)性，其中鉆銅比率約為9，由于結(jié)晶缺陷與雜質(zhì)使其有效率約為3.7，燒結(jié)石不像金屬，鉆石傳熱是通過晶格震動而不是電子運動。鉆石晶格的不完美和缺陷會阻斷晶格震動，因此雖然理論數(shù)據(jù)很高，但實際量出的鉆石散熱片的熱傳導(dǎo)性僅為銅的兩倍。
除了上述的討論，熱膨脹性也為材質(zhì)選擇的考慮因素，如圖7所示的數(shù)種材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)對應(yīng)于熱傳系數(shù)的關(guān)系，其中三角區(qū)域為最大鉆石復(fù)合物與含鉆石材質(zhì)所座落的區(qū)間，優(yōu)選地，任何材料如間隙材料、焊料或相鄰區(qū)域，應(yīng)具有接近于鉆石材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)，過大的熱膨脹差異會造成鉆石材質(zhì)的疲勞與壓力，關(guān)于學(xué)術(shù)用語“石墨上c”代表graphene平面垂直于“c”的結(jié)晶軸，而“石墨//c”代表graphene平面平行于“c”的結(jié)晶軸，這是石墨在各向異性的自然特性，此外，在對應(yīng)使用含硅的裝置時，硅的熱膨脹系數(shù)同時也被考量。
含鉆材質(zhì)可以被不同方式形成，上述關(guān)于勻相組成的結(jié)合方法同樣可以用在具有不同鉆石體積濃度與顆粒尺寸變化的含鉆材料上，例如一系列的鉆石顆粒可以堆棧成特定圖樣以形成微粒鉆石區(qū)，其可在模具中分批將鉆石由大至小或由小至大分層堆棧，或者在相鄰兩層中填充間隙材料。
另一選擇性實施例中，每一層的可以有不同的平均鉆石顆粒，以達到高的堆棧效益，例如先行堆棧大尺寸的鉆石顆粒，在空隙間再行填補小尺寸的鉆石顆粒，以形成第一鉆石顆粒區(qū)間，此項程序多次重復(fù)以形成多層。因此含鉆材質(zhì)可以具有高鉆石體積濃度以提高整體的熱傳導(dǎo)性。
下面為本發(fā)明中散熱片的數(shù)種制作實施例，其意僅在于說明，而本發(fā)明的保護范圍并不受其限制。
實施例一鉆石顆粒為美規(guī)篩目50/60與銅粉混合成混合物，該混合物經(jīng)冷壓形成鉆銅小塊，一種以耐火金屬(如鈦、鋯、鉬、鉭、鎢)材料制成的薄璧模具，具有粗顆粒(40/50篩目)的陶瓷顆粒(如碳化硅、氮化硅和氧化鋁)首先被加入模具中，之后被鉆銅小塊所覆蓋，模具被放入一高壓腔室并加壓至5GPa以上，由一電流通過加熱管以提供加熱至1100℃以上，在此溫度及壓力下，銅被熔化并流入包含有陶瓷顆粒的模具底部，陶瓷顆粒含有孔隙會吸收銅液。在高壓下鉆石會部分崩離并填補銅液流失所遺留下來的空隙，而部分的銅仍留在復(fù)合材料中與鉆石結(jié)合在一起以固定顆粒，其會包含鉆石散熱器的兩邊。
因為缺少鉆石-鉆石的架橋，銅粘緊鉆石組成的復(fù)合物，其內(nèi)鉆石含量約為80-90％(V/V)，雖然鈷燒結(jié)的多晶鉆石(polycrystalline diamond(PCD))可能含有較多的鉆石含量，(可至95％的體積含量)，但相較的電沉積所能達到鉆石的體積含量或熱壓合方法(約為70％(V/V))，本發(fā)明的鉆銅仍具有更高的鉆石含量，因此其熱傳導(dǎo)性比低壓性的鉆石復(fù)合物散熱器高。此外，本發(fā)明采用遠比PCD更粗的鉆石顆粒，而且以高熱傳導(dǎo)性的銅取代PCD的鈷，所以熱傳導(dǎo)率會比PCD高兩倍。
多晶鉆石常用于機械性的用途，如切割工具、鉆頭、劃線塊等，在散熱器中使用多晶鉆石其機械物理性質(zhì)比較不重要，堆棧效益及熱能特性才是主要考量，因此其設(shè)計有別于傳統(tǒng)研磨上的應(yīng)用，特別是顆粒尺寸與其配合使用的滲透劑與燒結(jié)助劑才為重要。
為了增加熱傳效益，鉆石顆粒的邊界需最小化，這與傳統(tǒng)燒結(jié)中需要將邊界最大化相沖突，使用大顆粒的鉆石顆粒不僅降低邊界，同時增加堆棧效益，更進一步增加熱傳導(dǎo)性，因此本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)可用于所有鉆石與鉆石復(fù)合物的散熱器。
實施例二在一鋁制熱沉裝置的平面基板上形成有一直徑約20mm的圓形接孔，該熱沉裝置具有用風(fēng)扇散熱的散熱鰭片，該接孔涂布一導(dǎo)熱膏并在靠近中心處形成有一氣孔，熱沉裝置加熱至約200℃以張開接孔，之后將一同樣直徑約20mm的鉆石復(fù)合物散熱器插入接孔中，氣孔可以讓過多的導(dǎo)熱膏流出，以確保兩者之間并沒有任何的空氣存在。冷卻后即可以讓散熱器穩(wěn)固地固接在熱沉裝置上，散熱器的頂面磨去收縮后的殘礫，該散熱器并與一芯片或一CPU接觸，以將熱能藉由散熱器的底部及側(cè)邊導(dǎo)引至熱沉裝置。
實施例三鉆石顆粒為美規(guī)篩目50/60以酸清洗，并放入一圓柱狀的鉭杯，一無氧高傳導(dǎo)性銅碟放置于鉆石顆粒的頂面，樣本在2000噸的立方壓力機六面頂中施壓約5.5GPa，其使用六個鐵砧靠近以加壓，由一電流通過石墨管以提供加熱，至1150℃以上，銅被熔化滲透穿過鉆石顆粒，在冷卻與泄壓后，樣本被研磨以去除鉭杯與鉆銅復(fù)合體的表面與底面，最后完成的碟體直徑為50.8mm，厚2.7mm，其鉆石體積含量約為90％，并具有純銅熱傳導(dǎo)性的1.5-2.5倍。
實施例四本散熱器與實施例三中制法相同，但滲透的銅內(nèi)含有約1％重量比的鋯以增加對鉆石的親合力使銅鉆熔液可以潤濕鉆石。
實施例五本散熱器與實施例三中制法相同，但是使用銅-銀合金來增加材料的熱傳導(dǎo)性。
實施例六將一石墨的薄卷(購自Graftech International Ltd，商品名GRAFOIL)放置于一鋁容器中，并以30/40篩目的鉆石顆粒覆蓋，使用一平板將鉆石顆粒壓入石墨薄卷中，銀-銅-錫-鈦的薄卷平鋪于鉆石/石墨組成物頂面，最后放入真空燒爐中以950℃加熱15分鐘，完成一鋁-鉆石-石墨的復(fù)合物，該復(fù)合物的熱傳導(dǎo)率與純銅相當(dāng)，但其熱膨脹系數(shù)只有銅的1/3而已，與許多的半導(dǎo)體(如GaN)接近，因此可與半導(dǎo)體結(jié)合成為散熱片。
實施例七將50/60篩目的鉆石顆粒(約為500微米)混合銅系的焊料粉末(約20微米)以達成50％體積效益，混合物在石墨模具中以40MPa(400大氣壓)加壓，并以750℃加熱10分鐘，最后完成的鉆石金屬復(fù)合碟直徑為30mm，厚3mm。
實施例八將30/40篩目的鉆石顆?；旌箱X粉放入一鋁托盤中，樣本以真空燒爐在10-5torr下以750℃加熱5分鐘讓鋁熔化，冷卻后形成一鉆石-鋁復(fù)合物。
實施例九將30/40篩目的鉆石顆粒放入一石墨模具中，并以約325篩目的NICROBRAZLM粉末(購自Wall Colmonoy)覆蓋，樣本以真空燒爐在10-5torr下以1010℃加熱12分鐘讓鎳-鉻合金熔化，以滲透進入鉆石顆粒之間形成一鉆石金屬復(fù)合物。
實施例十將30/40篩目的鉆石顆粒放入一石墨模具中，并以硅晶片的碎片覆蓋，樣本以真空燒爐在10-5torr下以1470℃加熱9分鐘讓硅熔化，以滲透進入鉆石顆粒之間形成一鉆石與硅或碳化硅的復(fù)合物。
實施例十一將30/40篩目的鉆石顆粒放入一石墨模具中并擾動，之后放入220/230篩目的鉆石顆粒并擾動直到小顆粒的鉆石填補大顆粒鉆石之間的空隙，堆棧后的鉆石以325篩目的NICROBRAZLM粉末(購自Wall Colmonoy)覆蓋，樣本以真空燒爐在10-5torr下以1010℃加熱12分鐘讓鎳-鉻合金熔化，以滲透進入鉆石顆粒之間形成一鉆石金屬復(fù)合物。
實施例十二將30/40篩目的鉆石顆粒堆棧在一陰極周圍，并浸入一含有銅離子的酸浴中，在電流通過后，銅會逐漸沉積在鉆石顆粒的孔隙中，最后形成一鉆石銅復(fù)合物。
實施例十三將20/25篩目近似立方體的鉆石顆粒(SDA-100S由De Beers公司制作)，邊靠邊地對齊于一鋁板上以形成約40mm2的單層，將一0.7mm厚度的硅晶片，放于單層的表面，樣本以真空燒爐在10-5torr下以1450℃加熱15分鐘讓硅熔化，以滲透進入鉆石顆粒之間，在冷卻后，該復(fù)合物經(jīng)由機械研磨以去除多余的硅，最后形成一厚約0.8mm的鉆石復(fù)合散熱片，其包含有90％體積濃度含量，本實施例中使用立方體鉆石顆?？梢苑奖闫涠褩！?br> 實施例十四將40/50篩目的鉆石顆粒與硅和鈦的粉末混合，整個混合物放入石墨模具之后整個放入一鈦的加熱管，之后放在一葉蠟石(pyrophyllite)塊體上，該塊體置于一種立方壓力機中并施壓5.5GPa，并以電流通過鈦管來加熱，當(dāng)硅熔化會溶解鈦并滲透進入鉆石顆粒之間，讓鉆石顆粒與硅溶液助劑燒結(jié)在一起，在冷卻與減壓后，該復(fù)合物由塊體上移走，最后形成一厚約3mm、直徑為20mm的鉆石復(fù)合散熱片，其包含有92％體積濃度含量，該鉆石復(fù)合物以鉆石砂輪研磨，并經(jīng)過測量其熱傳導(dǎo)性為銅的兩倍。
實施例十五將厚約0.5mm、直徑為5mm的鉆石膜放置在一直徑為20mm的耐火金屬杯體，以20/30篩目的鉆石顆粒鋪約1mm厚度在鉆石膜的頂面和周圍形成第一層，將50/60篩目的鉆石顆粒鋪約1mm厚度，形成第二層在第一層上，最后將80/100篩目的鉆石顆粒鋪約1mm厚度在第二層頂面形成第三層，整個系統(tǒng)以熔化的無氧高傳導(dǎo)性銅在真空下滲透，完成后的鉆石復(fù)合物散熱器具有熱傳導(dǎo)梯度。
實施例十六本散熱器與實施例十四中制法相同，然而，鉆石膜與鉆石顆粒預(yù)先覆蓋一層1μm的鈦以改進銅滲透劑的結(jié)合。
實施例十七本散熱器與實施例十四中制法相同，然而，不包含鉆石膜。將鉆石復(fù)合物放入化學(xué)氣相滲透系統(tǒng)，再于第一層上形成一層0.1mm的鉆石膜，之后散熱器的周圍再抵靠形成一無氧高傳導(dǎo)性的銅環(huán)，以制成具有變化性熱傳梯度的散熱器。
本發(fā)明的特點是在接觸芯片處可改用鉆石膜或鉆石片，而在散熱片末端的較大體積處則以更多的銅取代鉆石。這兩種改進方法可同時使用或分別使用，視芯片散熱的需求與價格競爭的情況而定。另一方面，由于鉆石具有所有晶體材料最低的平均熱膨脹系數(shù)，所以鉆銅體復(fù)合材料的熱膨脹率也比金屬小很多。因此以鉆銅體和半導(dǎo)體的芯片結(jié)合時，其界面的應(yīng)力較低，這樣芯片就不易剝離或撕裂，這是本發(fā)明中使用鉆銅體的散熱片的另一優(yōu)點。
綜上所述，本發(fā)明的具有鉆石濃度梯度的散熱片，不僅可以在使用上具有良好的散熱效益及耐用性，更可以在制作上節(jié)省成本，為一種高效能且兼具經(jīng)濟效益的實用發(fā)明，特提出專利申請。
權(quán)利要求
1.一種鉆石復(fù)合物散熱片，其包含一具有變化性熱傳梯度的含鉆材質(zhì)，該熱傳梯度在含鉆材質(zhì)中自熱能涌入?yún)^(qū)到熱能流出區(qū)而遞減。
2.如權(quán)利要求1所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述熱傳梯度由鉆石體積濃度的變化而決定。
3.如權(quán)利要求2所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述鉆石體積濃度的變化由熱能涌入?yún)^(qū)到熱能流出區(qū)而連續(xù)性遞減。
4.如權(quán)利要求2所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述鉆石體積濃度的變化為一系列不連續(xù)區(qū)域所形成，每一區(qū)域都有鉆石顆粒的不同濃度。
5.如權(quán)利要求2所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中所述含鉆材質(zhì)進一步包含有一系列的區(qū)域，區(qū)域中并包含熱能涌入?yún)^(qū)和熱能流出區(qū)，每一區(qū)中的鉆石濃度均比相鄰且靠近熱能涌入?yún)^(qū)的鄰區(qū)小。
6.如權(quán)利要求2所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述鉆石的體積濃度變化的范圍為30％到95％。
7.如權(quán)利要求1所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述熱傳梯度由一系列具有變化性且跨過含鉆材質(zhì)的平均自由熱傳路徑所決定。
8.如權(quán)利要求7所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述變化性的平均自由熱傳路徑由沿著熱傳梯度上的平均鉆石顆粒大小而決定。
9.如權(quán)利要求8所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述含鉆材質(zhì)進一步包含有一系列的區(qū)域，區(qū)域中并包含熱能涌入?yún)^(qū)和熱能流出區(qū)，每一區(qū)中的鉆石濃度均比相鄰且靠近熱能涌入?yún)^(qū)的鄰區(qū)小。
10.如權(quán)利要求1所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述熱能涌入?yún)^(qū)包含鉆石膜。
11.如權(quán)利要求10所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述熱能涌入?yún)^(qū)的厚度為0.1mm至1mm。
12.如權(quán)利要求11所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述熱能涌入?yún)^(qū)的厚度為0.3mm至0.7mm。
13.如權(quán)利要求10所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述含鉆材質(zhì)于熱能涌入?yún)^(qū)鄰側(cè)進一步包含一微粒鉆石區(qū)域，該微粒鉆石區(qū)域包含有一系列的鉆石顆粒。
14.如權(quán)利要求13所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述一系列的鉆石顆粒每一顆均與至少一顆的其它鉆石顆粒相接觸。
15.如權(quán)利要求14所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述每一顆鉆石顆粒與至少一顆的其它鉆石顆粒燒結(jié)在一起。
16.如權(quán)利要求14所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述微粒鉆石區(qū)域中進一步包含有一種間隙材質(zhì)。
17.如權(quán)利要求16所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述間隙材質(zhì)選自下列群組銅、銀、鋁及其合金。
18.如權(quán)利要求14所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述熱能涌入?yún)^(qū)是直接形成于微粒鉆石區(qū)域上。
19.如權(quán)利要求14所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述熱能涌入?yún)^(qū)是直接焊接微粒鉆石區(qū)域上。
20.如權(quán)利要求1所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述含鉆材質(zhì)是抵觸結(jié)合于一非含碳塊體中。
21.如權(quán)利要求20所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述非含碳塊體為銅。
22.如權(quán)利要求1所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述含鉆材質(zhì)是焊結(jié)于一非含碳塊體中。
23.如權(quán)利要求1所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，該散熱片包含有一系列的熱能涌入?yún)^(qū)域。
24.如權(quán)利要求1所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，該散熱片包含有一系列的熱能流出區(qū)域。
25.如權(quán)利要求1所述的鉆石復(fù)合物散熱片，其中，所述熱能涌入?yún)^(qū)域的熱傳導(dǎo)性為2400W/mK，熱能流出區(qū)域的熱傳導(dǎo)性為600W/mK。
26.一種制造散熱片的方法，其包括下列步驟決定散熱片體積；基于熱源特性來設(shè)計散熱片，使其具有一熱量變曲線；與在散熱片體積形成熱傳梯度的含鉆材質(zhì)，該熱傳梯度可達成所述熱量變曲線。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述形成含鉆材質(zhì)的步驟中包含有堆棧一系列的鉆石顆粒在一預(yù)定的路徑上，其特征在于變化鉆石顆粒的大小來形成微粒鉆石區(qū)域。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述堆棧一系列的鉆石顆粒的步驟為先在一模具中放入第一層的鉆石顆粒，接著再堆棧一或多層的鉆石顆粒，而每一層的鉆石顆粒的大小都比其下一層的平均鉆石顆粒小。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，堆棧一具有第一平均顆粒大小的第一系列鉆石顆粒，之后再以較小的鉆石顆粒填補于第一系列鉆石顆粒間的空隙，以形成一第一微粒鉆石區(qū)域。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述堆棧進一步包含有鋪設(shè)一第二系列鉆石顆粒于第一微粒鉆石區(qū)域，之后再以較小的鉆石顆粒填補于第二系列鉆石顆粒間的空隙，以形成一第二微粒鉆石區(qū)域。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，進一步包含有形成一鉆石膜鄰接于微粒鉆石區(qū)域。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述鉆石膜的形成方法是由化學(xué)氣相滲透法直接形成于微粒鉆石區(qū)域的表面。
33.如權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述鉆石膜的形成方法是由焊接法直接結(jié)合于微粒鉆石區(qū)域的表面。
34.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述微粒鉆石區(qū)域抵觸接合于一非含碳塊體。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述非含碳塊體含有銅。
36.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，該方法中包含將所述微粒鉆石區(qū)域以一非含碳材質(zhì)滲透。
37.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，該方法中包含燒結(jié)所述微粒鉆石區(qū)域。
38.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，堆棧時每一鉆石顆粒會與至少一顆的其它鉆石顆粒相接觸。
39.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述熱源為CPU。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有熱傳導(dǎo)梯度的鉆石復(fù)合物散熱片及其制法，其能在特定應(yīng)用方面促進熱轉(zhuǎn)移的控制，散熱片上的鉆石含量區(qū)中包含有鉆石顆粒，其中藉由改變鉆石濃度和/或鉆石顆粒的大小，來產(chǎn)生所需要的熱傳梯度，熱源的最近區(qū)域可具有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，薄的鉆石膜同樣可以被用在微粒狀鉆石連接處，以提供連接熱源區(qū)域具有最大的熱傳導(dǎo)系數(shù)，藉由提供一種變化性的熱傳導(dǎo)梯度，如鉆石膜或較大鉆石顆粒可以選擇性的使用在靠近熱源的區(qū)域，其同時也允許較便宜的材料和小鉆石顆粒使用在離熱源較遠、熱傳導(dǎo)性可以較低的區(qū)域，而不需使用遍布鉆石的散熱片。
文檔編號H05K7/20GK1716584SQ20041005948
公開日2006年1月4日 申請日期2004年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月28日
發(fā)明者宋健民 申請人:宋健民