專利名稱：散熱裝置及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種散熱裝置及其制備方法，尤其涉及一種具有碳納米管的散熱裝置及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電子裝置內(nèi)部所設(shè)的發(fā)熱元件(如中央處理器、顯卡等)的處理數(shù)據(jù)能力也愈來愈強(qiáng)。然而，伴隨發(fā)熱組件運(yùn)算速度的提升，其產(chǎn)生的熱量也大幅度增加。為將所述熱量迅速排出，使發(fā)熱組件能在正常工作溫度下運(yùn)行，以確保數(shù)據(jù)處理、儲(chǔ)存及傳輸?shù)陌踩?，通常在該發(fā)熱組件的表面設(shè)置一散熱裝置進(jìn)行散熱。
散熱裝置一般包括用以散發(fā)熱量的散熱器，以及介于發(fā)熱組件與散熱器間的熱介面材料。
1991年Iijima在電弧放電的產(chǎn)物中首次發(fā)現(xiàn)碳納米管，發(fā)表于1991年出版的Nature 354，56，Hellical Microtubules of Graphitic Carbon。碳納米管具有優(yōu)異的軸向?qū)嵝?，其?dǎo)熱系數(shù)可達(dá)20000W/mK(大約為銅材料的50倍)。近年來，因碳納米管導(dǎo)熱系數(shù)極高，可大大提高發(fā)熱組件與散熱器間的導(dǎo)熱性能，從而提高該散熱裝置的散熱性能，故而成為熱介面材料的研究熱點(diǎn)。
先前技術(shù)中，散熱器通常采用鋁或銅做為基座材料，為獲得形成在散熱器基座上有序排列的碳納米管，通常是在散熱器基座上沉積鎳、鐵、鈷等催化劑后，再通過化學(xué)氣相沉積法等方法生長碳納米管。而如Ch.Emmenegger等人在文獻(xiàn)Applied Surface Science 162-163、452-456(2000)，Carbon nanotubesynthetisized on metallic substrates中揭示一種在鋁基座上形成碳納米管陣列的方法。他們在鋁基座上涂覆Fe(NO3)3，通過熱處理使Fe(NO3)3涂層形成奈米級(jí)Fe2O3顆粒，然后通入碳源氣乙炔與保護(hù)氣體的混合氣體生長碳納米管陣列。
為解決發(fā)熱組件越來越高的散熱需求，現(xiàn)有的散熱裝置越來越多采用銅做為基座材料(銅導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)401W/mK，而鋁導(dǎo)熱系數(shù)為237W/mK)。然，如果直接在銅基座上沉積鎳、鐵、鈷等催化劑，由于銅原子擴(kuò)散性非常好，所以極易擴(kuò)散到催化劑層而與催化劑反應(yīng)，從而使催化劑失去活性，導(dǎo)致無法順利長出可應(yīng)用于散熱裝置的碳納米管。故，要將碳納米管作為熱介面材料應(yīng)用于以銅材料為基座的散熱裝置，則如何在銅基座表面形成有序排列的碳納米管成為關(guān)鍵。
為解決銅原子擴(kuò)散而影響碳納米管生長的問題，通常需要在銅基座上預(yù)先蒸鍍或?yàn)R鍍一層擴(kuò)散障層(Diffusion Barrier)，以阻止銅擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生。目前提出的擴(kuò)散障層多使用半導(dǎo)體制程中常用的氮化鈦(TiN)材料。如中國大陸專利申請第03114708.9號(hào)公開一種化學(xué)氣相法沉積氮化鈦及銅金屬層大馬士革工藝，該方法是在一臺(tái)多腔體真空設(shè)備中，依次連續(xù)沉積TiN擴(kuò)散障層、Cu金屬薄膜，并在H2-N2氣氛中進(jìn)行快速熱退火，從而得到晶粒大小及電阻分布都很均勻的擴(kuò)散障層及Cu金屬薄膜。
但是，銅基座在蒸鍍或?yàn)R鍍過程中極易被氧化，從而在基座表面形成氧化膜，該氧化膜成分通常為氧化亞銅Cu2O。導(dǎo)致下列缺點(diǎn)首先，該氧化膜并不致密，因而無法保護(hù)基座內(nèi)層未被氧化部分，使得銅基座持續(xù)被氧化；其次，該氧化膜厚度約100微米以上，且導(dǎo)熱系數(shù)很小(小于1W/mK)，從而嚴(yán)重影響整個(gè)散熱裝置的散熱效率。
有鑒于此，提供一種高散熱效率的散熱裝置及其制備方法實(shí)為必要。

發(fā)明內(nèi)容為解決先前技術(shù)的散熱裝置的散熱效率不高的問題，本發(fā)明的目的是提供一種高散熱效率的散熱裝置及其制備方法。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種散熱裝置，其包括一具有相對二表面的基座，所述基座一表面具有一鈍化層；一形成于所述鈍化層上的擴(kuò)散障層；一形成于所述擴(kuò)散障層上的催化劑層以及一由碳納米管陣列及導(dǎo)熱膏(Thermal Grease)形成的熱介面材料。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提供一種散熱裝置的制備方法，其包括下述步驟提供一基座，其具有相對二表面；在所述基座一表面形成鈍化層；在所述鈍化層上形成一擴(kuò)散障層；在所述擴(kuò)散障層上形成一催化劑層；
在所述催化劑層上長出碳納米管陣列；在所述碳納米管陣列中填入導(dǎo)熱膏，形成熱介面材料。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的散熱裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，在基座表面形成鈍化層，可有效防止基座材料被氧化而降低散熱效率；還在所述鈍化層上形成一擴(kuò)散障層，該擴(kuò)散障層避免基座與催化劑直接接觸，可有效防止基座材料擴(kuò)散至催化劑層，與催化劑反應(yīng)而影響碳納米管的生長，可確保散熱裝置的高散熱效率。

圖1是本發(fā)明散熱裝置的基座鈍化處理前的示意圖。
圖2是本發(fā)明散熱裝置的基座鈍化處理后的示意圖。
圖3是本發(fā)明散熱裝置在基座鈍化層上形成擴(kuò)散障層的示意圖。
圖4是本發(fā)明散熱裝置在擴(kuò)散障層上形成催化劑層的示意圖。
圖5是本發(fā)明散熱裝置的催化劑層蝕刻后的示意圖。
圖6是本發(fā)明散熱裝置在催化劑層上長出碳納米管陣列的示意圖。
圖7是本發(fā)明散熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明散熱裝置的使用示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
請先參閱圖7，是本發(fā)明較佳實(shí)施例的散熱裝置100的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括一包括相對二表面的基座10，所述基座10一表面具有一鈍化層11；一形成于所述鈍化層11上的擴(kuò)散障層20；一形成于所述擴(kuò)散障層20上的催化劑層30以及形成于催化劑層30上的由碳納米管陣列50及導(dǎo)熱膏60形成的熱介面材料(未標(biāo)示)。
優(yōu)選的，所述碳納米管陣列50相互平行，且垂直于基座10。
請一并參閱圖1至圖7，對本發(fā)明較佳實(shí)施例所提供的散熱裝置100的制備方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明較佳實(shí)施例的散熱裝置100的制備方法包括以下步驟1)提供一基座10；2)對所述基座10進(jìn)行鈍化處理，使其表面具有一層鈍化層11；3)在所述鈍化層11上形成一擴(kuò)散障層20；
4)在所述擴(kuò)散障層20上形成一催化劑層30；5)蝕刻所述催化劑層30，形成預(yù)定圖案；6)在所述催化劑層30上長出碳納米管陣列50；7)在所述碳納米管陣列50中填入導(dǎo)熱膏60，形成熱介面材料(未標(biāo)示)。
下面結(jié)合實(shí)施例對各步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。
步驟1，提供一基座10。所述基座10材料包括無氧銅、C 1100銅。本實(shí)施例中選用無氧銅。
步驟2，對所述基座10進(jìn)行鈍化處理，使其至少一表面具有一層鈍化層11。所述鈍化處理包括化學(xué)鈍化及陽極鈍化?；瘜W(xué)鈍化是在80℃～100℃的溫度下，將基座置于含有0.2～0.4克/升的鉻酸及0.2～0.4克/升的磷酸的混合溶液中20～30秒，通過反應(yīng)時(shí)間控制鈍化層的厚度范圍在幾微米到幾十微米之間。所述鈍化層成分主要為鉻酸銅及磷酸銅。本實(shí)施例在80℃的溫度下，將基座10置于含有0.2克/升的鉻酸及0.2克/升的磷酸的混合溶液中20秒，形成5微米厚的鈍化層11。
步驟3，在所述鈍化層11上形成一擴(kuò)散障層20。擴(kuò)散障層材料包括氮化鈦(TiN)、氮化鈦鎢(TiWN)、鈦鎢合金(TiW)等，可以通過蒸鍍或?yàn)R鍍法形成，厚度范圍為10奈米至100奈米。本實(shí)施例擴(kuò)散障層20選用直流濺鍍法在室溫下沈積形成氮化鈦鎢層，厚度為20奈米。
步驟4，在所述擴(kuò)散障層20上形成一催化劑層30。首先，將催化劑金屬利用電子束蒸發(fā)沉積法、熱沉積法或?yàn)R射法等方法形成于擴(kuò)散障層表面；然后，將沉積有催化劑金屬的基座10放置在空氣中，在300～400℃熱處理約10小時(shí)，使催化劑金屬氧化成催化劑氧化物顆粒；最后，將該催化劑氧化物顆粒用還原性氣體還原成奈米級(jí)催化劑粒子，從而在擴(kuò)散障層表面形成一由奈米級(jí)催化劑粒子組成的催化劑層30。其中，催化劑金屬包括鎳、鐵、鈷及其合金中一種或幾種，本實(shí)施例中選用鐵；所述催化劑金屬的沉積厚度為幾奈米到幾百奈米，本實(shí)施例中為5奈米；還原性氣體可為氫氣或氨氣等。
步驟5，蝕刻所述催化劑層30，形成預(yù)定圖案。通過光刻法以干蝕刻方式蝕刻所述催化劑層30，形成預(yù)定形狀的催化劑圖案。
步驟6，在所述催化劑層30上長出碳納米管50。首先，將帶有擴(kuò)散障層20及催化劑層30的基座10放入反應(yīng)室(圖未示)中，向反應(yīng)室內(nèi)通入保護(hù)氣體并加熱至一預(yù)定溫度。其中，該保護(hù)氣體可為氬氣、氦氣等惰性氣體或氮?dú)?，本?shí)施例中選用氬氣；該預(yù)定溫度因催化劑材料的不同而不同，當(dāng)選用金屬鐵為催化劑金屬時(shí)，則一般加熱到500～700℃，以650℃為較佳。然后，向反應(yīng)室內(nèi)通入碳源氣進(jìn)行反應(yīng)，從催化劑層30上長出碳納米管陣列50。其中，碳源氣為碳?xì)浠衔?，包括乙炔、乙烯等，本?shí)施例中選用乙炔；所述碳納米管陣列50相互平行，且垂直于基座10。
步驟7，在所述碳納米管陣列50中填入導(dǎo)熱膏60，形成熱介面材料(未標(biāo)示)。所述導(dǎo)熱膏60包括硅膠系列、聚乙烯乙二醇、環(huán)氧樹脂系列、缺氧膠系列和壓克力膠系列。
本發(fā)明在散熱裝置基座表面形成鈍化層，該鈍化層成分主要為鉻酸銅及磷酸銅，可有效防止基座材料被氧化，且該鈍化層熱傳導(dǎo)率約20W/mK，遠(yuǎn)高于氧化層的熱傳導(dǎo)率，厚度也更薄，因而可有效防止散熱效率降低；本發(fā)明還在所述鈍化層上形成一擴(kuò)散障層，該擴(kuò)散障層避免基座與催化劑直接接觸，可有效防止基座材料擴(kuò)散至催化劑層，與催化劑反應(yīng)而影響碳納米管的生長，可確保散熱裝置的高散熱效率。
另，本發(fā)明的散熱裝置也可包括由銅、鋁等金屬制成的復(fù)數(shù)散熱鰭片，其斷面可為U字形、L字形等形狀，該復(fù)數(shù)散熱鰭片可通過沖壓方式形成在基座10的另一面，也可通過鍛壓、熔接、軟焊、硬焊、擴(kuò)散接合、滾軋、雷射焊接、塑性變形、金屬粉末燒結(jié)等技術(shù)接合或通過中間物如導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱脂等方式與基座10相連。
請參閱圖8，為本發(fā)明散熱裝置200的使用示意圖。發(fā)熱組件80所產(chǎn)生的熱量經(jīng)碳納米管陣列50及導(dǎo)熱膏60形成的熱介面材料、催化劑層30、擴(kuò)散障層20及鈍化層11傳遞到基座10，再由基座10傳遞到散熱鰭片12上，最終由基座10及散熱鰭片12將熱量散發(fā)到周圍流動(dòng)的空氣中，從而完成散熱裝置200的散熱效能。且，由于熱介面材料、催化劑層30擴(kuò)散障層20及鈍化層11均具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，可確保發(fā)熱組件80所產(chǎn)生的熱量及時(shí)被排出，使發(fā)熱組件80能在正常工作溫度下運(yùn)行，以確保數(shù)據(jù)處理、儲(chǔ)存及傳輸?shù)陌踩?br> 權(quán)利要求
1.一種散熱裝置，其包括一基座，其具有相對二表面；形成于所述基座一表面上的擴(kuò)散障層；形成于所述擴(kuò)散障層上的催化劑層；及一由碳納米管陣列及導(dǎo)熱膏形成的熱介面材料；其特征在于，形成所述擴(kuò)散障層的基座表面具有一層鈍化層。
2.如權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于，所述散熱裝置進(jìn)一步包括復(fù)數(shù)散熱鰭片，該散熱鰭片位于基座的另一表面。
3.如權(quán)利要求2所述的散熱裝置，其特征在于，所述基座及散熱鰭片由銅制成。
4.如權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于，所述鈍化層的成分包括鉻酸銅及磷酸銅。
5.如權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于，所述鈍化層的厚度為幾微米到幾十微米。
6.如權(quán)利要求4所述的散熱裝置，其特征在于，所述鈍化層的厚度為5微米。
7.如權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于，所述擴(kuò)散障層的材料包括氮化鈦、氮化鈦鎢、鈦鎢合金。
8.如權(quán)利要求1所述的散熱裝置，其特征在于，所述擴(kuò)散障層的厚度為幾奈米到幾百奈米。
9.如權(quán)利要求1至8任意一項(xiàng)所述的散熱裝置，其特征在于，所述碳納米管陣列相互平行，且垂直于所述基座。
10.一種散熱裝置制備方法，其包括下述步驟提供一基座；在所述基座表面形成鈍化層；在所述鈍化層形成一擴(kuò)散障層；在所述擴(kuò)散障層上形成一催化劑層；在所述催化劑層上長出碳納米管陣列；及在所述碳納米管陣列中填入導(dǎo)熱膏，形成熱介面材料。
11.如權(quán)利要求10所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，形成所述鈍化層的步驟是采用鉻酸及磷酸的混合溶液處理。
12.如權(quán)利要求10所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，所述混合溶液中鉻酸及磷酸的濃度范圍為0.2～0.4克/升。
13.如權(quán)利要求10所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，所述鈍化層的厚度范圍為幾微米到幾十微米。
14.如權(quán)利要求10所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，所述鈍化層的厚度范圍為5微米。
15.如權(quán)利要求10所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，所述擴(kuò)散障層的材料包括氮化鈦、氮化鈦鎢、鈦鎢合金。
16.如權(quán)利要求10所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，形成所述擴(kuò)散障層的步驟是采用濺鍍法或蒸鍍法。
17.如權(quán)利要求10所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，所述擴(kuò)散障層的厚度為幾奈米到幾百奈米。
18.如權(quán)利要求10所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，所述催化劑金屬包括鎳、鐵、鈷及其合金中一種或幾種。
19.如權(quán)利要求10所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，所述催化劑金屬的沉積厚度為幾奈米到幾百奈米。
20.如權(quán)利要求10所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，在該基座的另一表面形成有復(fù)數(shù)散熱鰭片。
21.如權(quán)利要求20所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，所述復(fù)數(shù)散熱鰭片是通過沖壓、鍛壓、熔接、軟焊、硬焊、擴(kuò)散接合、滾軋、雷射焊接、塑性變形、金屬粉末燒結(jié)方式或通過導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱脂方式與基座的另一面相連。
22.如權(quán)利要求21所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，所述散熱裝置基座及散熱鰭片由銅制成。
23.如權(quán)利要求10至22任意一項(xiàng)所述的散熱裝置制備方法，其特征在于，所述復(fù)數(shù)碳納米管相互平行，且垂直于所述基座。
全文摘要
本發(fā)明提供一種散熱裝置，其包括一具有相對二表面的基座，所述基座一表面具有一鈍化層；一形成于所述鈍化層上的擴(kuò)散障層；一形成于所述擴(kuò)散障層上的催化劑層以及一由碳納米管陣列及導(dǎo)熱膏形成的熱介面材料。本發(fā)明還提供上述散熱裝置的制備方法。
文檔編號(hào)H05K7/20GK1787208SQ20041007741
公開日2006年6月14日 申請日期2004年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月8日
發(fā)明者顏士杰 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司