散熱器及其製備方法
2023-06-11 12:58:26
專利名稱：散熱器及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種散熱器，尤其涉及一種利用碳納米管導熱的散熱器及其製備方法。
背景技術：
近年來，隨著半導體器件集成工藝的快速發展，半導體器件的集成化程度越來越高，然而，器件體積變得越來越小，其對散熱的需求越來越高，已成為一個越來越重要的問題。為滿足該需要，風扇散熱、水冷輔助散熱及熱管散熱等各種散熱方式被廣泛運用，並取得一定的散熱效果，但因散熱器與熱源(半導體集成器件，如CPU)的接觸接口不平整，一般相互接觸面積不到2％，未有一個理想的接觸接口，從根本上影響半導體器件向散熱器傳遞熱量得效果，故，傳統的散熱器通過增加一導熱係數較高的熱界面材料於散熱器與半導體器件之間以增加接口的接觸程度，改善半導體器件與散熱器間的熱傳遞效果。
傳統熱界面材料是將導熱係數較高的顆粒分散於聚合物基體以形成複合材料，如石墨、氮化硼、氧化矽、氧化鋁、銀或其它金屬等。此種材料的導熱性能取決於聚合物基體的性質。其中以油脂、相變材料為基體的複合材料因其使用時為液態，能與熱源表面浸潤，故，接觸熱阻較小，而以矽膠或橡膠為基體的複合材料的接觸熱阻相對較大。該類材料的普遍缺陷是整體材質導熱係數較小，典型值為1W/mK，這已經不能適應半導體集成化程度的提高對散熱的需求。增加聚合物基體的導熱顆粒含量，使得顆粒與顆粒之間儘量相互接觸，可以增加複合材料整體的導熱係數，如某些特殊的接口材料因此可達到4-8W/mK，然而，聚合物基體的導熱顆粒含量增加至一定程度時，會使聚合物基體失去原本的性能，如油脂會變硬，從而浸潤效果變差，橡膠會變得較硬，從而失去應有的柔韌性，這都將使熱界面材料性能大大降低。
為改善熱界面材料的性能，提高導熱係數，各種材料被廣泛試驗。1991年，Ijima發現碳納米管(具體參見Nature，1991，354，56)。因碳納米管具有長徑比大，長度可為直徑的幾千倍；強度高，為鋼的100倍，但重量只有鋼的六分之一；韌性與彈性極佳的特性，且碳納米管沿其縱向方向有極高的熱導係數，使其成為最具潛力的熱界面材料之一。美國物理學會上發表一篇名為「碳納米管顯著熱導性」的文章指出對於「Z」字形(10，10)碳納米管在室溫下其導熱係數可達6600W/mK，具體可參閱文獻Phys.Rev.Lett，2000，84，4613。
美國專利第6,407,922號揭示一種利用碳納米管導熱的熱界面材料，其是將碳納米管摻到聚合物基體結成一體，通過注模方式製得熱界面材料。然而，該方法製成的熱界面材料，碳納米管於基體材料中呈無序排列，碳納米管在聚合物基體中分布的均勻性難以確保，且未充分利用碳納米管縱嚮導熱的優勢，因而所製得的熱界面材料其導熱均勻性不佳，導熱係數不高。另外，由於碳納米管在橫向方向幾乎不導熱，故當熱量傳遞到散熱鰭片上時會存在一導熱溫度梯度中心溫度較高，四周溫度較低。即使中心有著較好的導熱效果，但是四周卻比中心的導熱效果差，導致整體導熱效果降低。
有鑑於此，提供一種能與熱源良好接觸，具優良導熱效果的散熱器實為必要。
發明內容為解決現有技術的技術問題，本發明的第一目的是提供一種具優良導熱效果的散熱器。
本發明的另一目的是提供一種具優良導熱效果的散熱器的製備方法。
為實現本發明的第一目的，本發明提供一散熱器，其包括一基體，多個散熱鰭片從基體一表面沿遠離基體方向延伸，一碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜形成於基體的相對另一表面，及一導熱塗層形成於碳納米管薄膜，其中，該碳納米管薄膜包括多個碳納米管，該碳納米管彼此基本平行且基本垂直於散熱器基體的另一表面。
為實現本發明的另一目的，本發明的散熱器的製備方法包括以下步驟提供一散熱器，該散熱器包括一基體及多個從基體一表面延伸的散熱鰭片；拋光散熱器基體的另一表面；沉積催化劑於該散熱器基體的另一表面通入碳源氣，在散熱器基體的另一表面生長碳納米管，形成一碳納米管薄膜；
形成一導熱塗層於碳納米管薄膜上。
與現有的散熱器相比，本發明提供的散熱器具有以下優點其一，碳納米管是垂直於散熱器基體，使得碳納米管的縱嚮導熱特性得到最大限度發揮，此外，由於碳納米管分布均勻，使得導熱更加一致；其二，導熱塗層在橫向也有較佳的導熱係數，因而能均勻快速地將熱量傳送到散熱鰭片四周，避免當熱量傳遞到散熱鰭片上時溫度梯度的產生，極大改善散熱器的熱傳導性能，提高熱傳導的穩定性；其三，碳納米管高度可通過控制其生長時間來控制，厚度極薄，根據傅立葉熱傳導定律，相當於從另一方面增加散熱器的導熱係數，同時不影響散熱器體積及重量，利於整個器件安裝向小型化方向發展的需要；其四，利用本發明的方法製得的散熱器，可通過控制催化劑的分布形狀來生長出各種面形的碳納米管，不受散熱器形狀的限制。
圖1是製備本發明的散熱器的流程圖。
圖2是本發明的未形成碳納米管薄膜的散熱器的示意圖。
圖3是本發明的形成有碳納米管薄膜的散熱器的示意圖。
圖4是本發明在碳納米管薄膜上形成有導熱塗層的散熱器的側視圖。
圖5是本發明的散熱器的應用示意圖。
具體實施方式下面將結合附圖及具體實施例對本發明進行詳細說明。
請參閱圖1，本發明的散熱器的製備方法包括以下步驟步驟10提供一散熱器，該散熱器包括一基體及多個從基體一表面垂直延伸的散熱鰭片；步驟20是在散熱器基體的相對另一表面(即面對熱源的接觸底面)作一化學機械研磨拋光處理(Chemical Mechanical Polish，CMP)，使接觸底面的表面粗糙度降低至5～10埃，並洗淨該接觸底面；步驟30是在已處理的散熱器的接觸底面沉積一催化劑層，催化劑層的厚度為5～30納米，催化劑層沉積的方法可選用真空熱蒸鍍揮發法，也可選用電子束蒸發法。催化劑的材料可選用鐵、鈷、鎳或其合金，本實施方式選用鐵作為催化劑材料，其沉積的厚度為10納米；步驟40是將帶有催化劑層的散熱器置於空氣中，在300℃下退火，以使催化劑層氧化、收縮成為納米級的催化劑顆粒。待退火完畢，再將分布有催化劑顆粒的散熱器接觸底面置於反應室內(圖未示)，通入碳源氣乙炔，利用低溫熱化學氣相沉積法，在上述催化劑顆粒上生長碳納米管，形成碳納米管薄膜，碳源氣亦可選用其它含碳的氣體，如乙烯等。當前，碳納米管的生長方法已較為成熟，具體可參閱文獻Science，1999，283，512-414與文獻J.Am.Chem.Soc，2001，123，11502-11503。此外，美國專利第6,350,488號亦公開一種生長大面積碳納米管陣列的方法。本實施方式生長的碳納米管的直徑為20納米，高度為50微米，間距為100納米。
步驟50是將一導熱塗層通過直接塗布的方法形成於碳納米管薄膜上。該導熱塗層材料包括純銀或氧化鋅，氮化硼與氧化鋁混合陶瓷粉末，其中該導熱塗層的厚度為1～50微米，微粒平均直徑小於0.49微米。
請一併參閱圖2、圖3與圖4，本發明的散熱器11，其包括一長形平板狀基體12，多個片狀散熱鰭片14從基體12一表面沿遠離基體12的方向延伸，一碳納米管薄膜18形成於基體12的相對另一表面，即散熱器11的接觸底面16，及一導熱塗層19形成於碳納米管薄膜18上。其中，基體12與散熱鰭片14一體成型，其材料為鋁或銅，多個散熱鰭片14彼此平行且與基體12垂直。該散熱器11中央形成有一溝槽15將散熱鰭片14分隔成兩對稱區域，用於收容一散熱器扣合裝置(圖未示)。碳納米管薄膜18包括多個碳納米管，該多個碳納米管基本相互平行，且與散熱器11的接觸底面16基本垂直，該碳納米管的直徑為3～40納米，高度為1～100微米。導熱塗層19材料包括銀或氧化鋅，氮化硼及氧化鋁的混合陶瓷粉末，其中導熱塗層19厚度為1～50微米，微粒平均直徑小於0.49微米。
請參閱圖5，為本發明的散熱器的應用示意圖。將本發明的散熱器11置於電子器件31上，散熱器11接觸底面的導熱塗層19與電子器件31相接觸，通過散熱器扣合裝置33將散熱器11固定於電子器件31。本發明的方法製得的生長有碳納米管的散熱器31，其利用相互平行的碳納米管作為導熱材料，碳納米管垂直於散熱器的接觸底面有序排列，充分利用碳納米管的軸嚮導熱性，因而具有較佳的導熱係數。另外，在碳納米管薄膜上形成一層導熱塗層使熱量能均勻快速地傳送到散熱鰭片四周，避免當熱量傳遞到散熱鰭片上時產生的溫度梯度所導致的散熱不均勻現象，極大改善散熱器的熱傳導性能，提高熱傳導的穩定性，可廣泛應用於包括中央處理器(CPU)、功率電晶體、視頻圖形陣列晶片(VGA)，射頻晶片在內的電子器件31中。
權利要求
1.一散熱器，用以提供電子器件散熱，其包括一基體，多個散熱鰭片，該散熱鰭片從基體一表面沿遠離基體的方向延伸，其特徵在於，該散熱器進一步包括一碳納米管薄膜，該碳納米管薄膜形成於基體的相對另一表面，及一導熱塗層形成於碳納米管薄膜上，其中，該碳納米管薄膜包括多個碳納米管，該碳納米管彼此基本平行且基本垂直於散熱器基體的另一表面。
2.如權利要求1所述的散熱器，其特徵在於，該散熱器基體與多個散熱鰭片一體成型，該多個散熱鰭片彼此平行且垂直於散熱器基體。
3.如權利要求1所述的散熱器，其特徵在於，該碳納米管的高度為1～100微米，直徑為3～40納米。
4.如權利要求1所述的散熱器，其特徵在於，該導熱塗層材料包括銀或氧化鋅，氮化硼及氧化鋁的混合陶瓷粉末。
5.如權利要求4所述的散熱器，其特徵在於，該導熱塗層的厚度為1～50微米，導熱塗層中材料微粒平均直徑小於0.49微米。
6.一種散熱器的製備方法，其包括以下步驟提供一散熱器，該散熱器包括一基體及多個從基體一表面延伸的散熱鰭片；拋光散熱器基體的另一表面；沉積催化劑於該散熱器基體的另一表面；通入碳源氣，在散熱器基體的另一表面生長碳納米管，形成碳納米管薄膜；形成一導熱塗層於碳納米管薄膜上。
7.如申請專利範圍第6項所述的散熱器的製備方法，其特徵在於，該拋光方法包括化學機械研磨拋光處理。
8.如申請專利範圍第6項所述的散熱器的製備方法，其特徵在於，拋光後該散熱器基體的另一表面粗糙度為5～10埃。
9.如申請專利範圍第6項所述的散熱器的製備方法，其特徵在於，該催化劑包括鐵、鈷、鎳、銠或其合金。
10.如申請專利範圍第6項所述的散熱器的製備方法，其特徵在於，沉積催化劑的方法包括真空熱蒸鍍揮發法、電子束蒸發法。
11.如申請專利範圍第6項所述的散熱器的製備方法，其特徵在於，該碳納米管的生長方法包括低溫化學氣相沉積法。
12.如申請專利範圍第6項所述的散熱器的製備方法，其特徵在於，該導熱塗層的形成方法包括直接塗布法。
全文摘要
本發明涉及一種散熱器，其包括一基體，多個散熱鰭片從基體一表面延伸，一碳納米管薄膜形成於基體的另一表面，該碳納米管薄膜包括多個碳納米管，該碳納米管彼此基本平行且基本垂直於散熱器基體的另一表面，及一導熱塗層形成於碳納米管薄膜上。另外，本發明還提供該散熱器的製備方法，該製備方法包括以下步驟提供一散熱器，該散熱器包括一基體及多個從基體一表面延伸的散熱鰭片；拋光散熱器基體的另一表面；沉積催化劑於該散熱器基體的另一表面；通入碳源氣，在散熱器基體的另一表面生長碳納米管，形成碳納米管薄膜；形成一導熱塗層於碳納米管薄膜上。
文檔編號H01L23/34GK1619800SQ20031011233
公開日2005年5月25日 申請日期2003年11月22日 優先權日2003年11月22日
發明者顏士傑 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司