專利名稱：電子元件散熱件及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于散熱件及其制法，特別是一種電子元件散熱件及其制法。
背景技術(shù)：
電子元件在運(yùn)作時(shí)均會(huì)伴隨產(chǎn)生高熱，而效率越高的電子元件運(yùn)作時(shí)所產(chǎn)生的溫度越高，高溫將會(huì)對(duì)電子元件造成損壞，使其不堪使用，因此，一般電子元件上多半裝設(shè)有散熱件。
以電腦中央處理單元的散熱而言，目前所開(kāi)發(fā)的中央處理單元的運(yùn)算效率已達(dá)GHz左右，因此所產(chǎn)生的高熱已非傳統(tǒng)散熱器所能迅速加以散去。自1965年英代爾(Intel)的共同創(chuàng)始人Gordon.Moore已預(yù)言電晶體的密集趨勢(shì)將長(zhǎng)期以等比級(jí)數(shù)倍增(現(xiàn)為每18個(gè)月增加一倍)的Moore定律，此定律在過(guò)去40年持續(xù)至目前已面臨熱力學(xué)第二定律的考驗(yàn).由于電子元件的線路越做越窄，因此熱量將快速增加，故溫度已達(dá)到積體電路(IC)所能承受的臨界點(diǎn)(以矽晶為例，約為90℃)。
目前中央處理單元等電子元件的積體電路多以銅片或復(fù)合材料，如銅及碳、鋁及碳化矽等作為散熱器(Heat Spreader)，再以鋁或銅制的散熱片(HeatSink)將熱量傳導(dǎo)至鰭片的末端，最后，再以風(fēng)扇加速空氣對(duì)流以帶走熱量。然而，此種散熱的方式僅能使約80w的中央處理單元免于燒毀。但使用0.13μm或線寬更細(xì)的下一代晶片將會(huì)使得中央處理單元的功率超過(guò)100w，因此傳統(tǒng)的散熱方式已不敷使用。
目前雖仍有其他的散熱方法，如以熱管內(nèi)循環(huán)水的蒸發(fā)或以熱電效應(yīng)來(lái)吸熱，但仍緩不濟(jì)急。
再以光源半導(dǎo)體等電子元件的散熱問(wèn)題而言，自1879年愛(ài)迪生發(fā)明以電流通過(guò)導(dǎo)體，使其產(chǎn)生高熱而發(fā)光的自熾燈(Incandescent light)至1930年科學(xué)家開(kāi)始以電流激蕩氣體，使其產(chǎn)生輻射而制成螢光燈及1962年，科學(xué)家又以電流迫使半導(dǎo)體電子和電洞結(jié)合而開(kāi)發(fā)出發(fā)光二極體(Light EmissionDiode；LED)，近十年來(lái)以LED為光源的技術(shù)突飛猛進(jìn)。以目前紅、綠、藍(lán)三原色的LED而言，其單位能量所能產(chǎn)生的亮度(Lumens/watt)已超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)白熾燈的20Lumens/watt，而散光的LED光源亦被制成同步的雷射光，并大量運(yùn)用在紀(jì)錄載體，如光碟的讀取、印刷機(jī)(如雷射印刷)、通訊工業(yè)(如光纖的傳遞)乃至交通號(hào)志及看板顯像等方面。
LED光源早期材料多以磷，如磷化鎵或砷，如砷化鎵為主，自1994年起氮化物則成為主力。由于氮化物的原子排列較密，因此可以被制作為更高功率及更寬頻率的光源。
近年來(lái)由于LED及Laser Diode(雷射二極體)的功率越來(lái)越高，因此所伴隨的溫度亦不斷上升至目前半導(dǎo)體光源所能承受的上限。為了確保半導(dǎo)體在發(fā)光時(shí)不致燒毀，因此將LED的半導(dǎo)體焊接于散熱片上，散熱片不僅需具有高熱傳導(dǎo)率，亦需要有適當(dāng)?shù)臒崤蛎浡省Ｈ绱艘粊?lái)，半導(dǎo)體在熱脹冷縮時(shí)才不會(huì)由于與散熱片界面產(chǎn)生應(yīng)力而使得兩者剝離。
另外，鉆石的熱傳導(dǎo)率最高，但因其熱膨脹率遠(yuǎn)低于一般LED半導(dǎo)體材料，如砷化鎵，因此兩者不宜直接焊在一起。除此之外，散熱片亦可直接與半導(dǎo)體接觸成為電極，但它必須能導(dǎo)電。然而一般的散熱片，如氮化鋁為電阻體或絕緣體，因此如何使散熱片能導(dǎo)電亦成為必須解決的問(wèn)題。
除了CPU、LED及雷射二極體外的電子元件，如射頻、微波發(fā)生器也都面臨散熱的瓶頸，故需要有更有效的散熱片。
最后，由于鉆石用于散熱片必須表面平整，但鉆石加工困難，其不僅成本高，而且加工面的品質(zhì)亦不佳，因此如何避免鉆石的大量加工，亦為極待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種散熱效果好、適用于產(chǎn)生高熱電子元件、加工方便、節(jié)省制造成本的電子元件散熱件及其制法。
本發(fā)明散熱件為以具有高熱傳系數(shù)的金屬與鉆石結(jié)合組成的薄膜制成的薄片；散熱件制法為將鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬結(jié)合成為薄膜而制成薄片。
其中一種電子元件散熱件，它為由具有高熱傳系數(shù)的金屬及與金屬結(jié)合的鉆石膜構(gòu)成的薄片。
具有高熱傳系數(shù)的金屬為銅。
具有高熱傳系數(shù)的金屬為鋁。
鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬系以燒結(jié)法結(jié)合，其系于高壓下加熱，使金屬燒結(jié)成連結(jié)并把鉆石顆粒包含在內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
高壓下加熱以燒結(jié)法結(jié)合鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬的壓力范圍為0.2GPa～8GPa、溫度范圍為900℃～1500℃。
鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬系以熔滲法結(jié)合，其系將金屬在高溫下熔化，再將其迫入鉆石的孔隙中。
金屬熔滲的溫度范圍為900℃～1500℃。
以熔滲法結(jié)合鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬前先將鉆石上鍍上其他金屬，然后再將金屬液灌入令金屬液濕潤(rùn)披覆鉆石的金屬鍍膜，并借由毛細(xì)力量把金屬液吸入鍍有金屬膜的鉆石孔隙中。
鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬系以加壓法結(jié)合，其系借由高壓將銅液注入鉆石孔隙中。
金屬液注入鉆石孔隙中的壓力范圍為0.1GPa～8GPa。
鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬系以鏡面模片法結(jié)合，其系于為鏡面的模板上披覆金屬層；利用蝕刻方式蝕刻出方格子狀框架；以化學(xué)氣相沉積法在銅框架的方格子內(nèi)沉積析出鉆石膜，在鉆石膜焊設(shè)基板，并加以焊固；溶解去除模板以得到底面極為平滑的鉆石膜。
基板為矽、鎢、碳化矽或氮化矽板。
由于本發(fā)明散熱件為以具有高熱傳系數(shù)的金屬與鉆石結(jié)合組成的薄膜制成的薄片；散熱件制法為將鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬結(jié)合成為薄膜而制成薄片。鉆石及金屬具有優(yōu)異的導(dǎo)熱效果，且可直接設(shè)置于電子元件上；散熱件中的鉆石不需要再經(jīng)研磨或拋光，故加工方便、節(jié)省制造成本；可制造大面積的散熱片，故可大量制造且單位成本甚低；散熱效果好、適用于產(chǎn)生高熱電子元件，而且加工方便、節(jié)省制造成本，從而達(dá)到本發(fā)明的目的。


圖1、為本發(fā)明電子元件用散熱件制法實(shí)施例四示意圖(一)。
圖2、為本發(fā)明電子元件用散熱件制法實(shí)施例四示意圖(二)。
圖3、為本發(fā)明電子元件用散熱件制法實(shí)施例四示意圖(三)。
圖4、為本發(fā)明電子元件用散熱件制法實(shí)施例四示意圖(四)。
圖5、為本發(fā)明電子元件用散熱件制法實(shí)施例四示意圖(五)。
圖6、為本發(fā)明電子元件用散熱件結(jié)構(gòu)示意剖視圖。
具體實(shí)施例方式
如圖6所示，本發(fā)明電子元件用散熱件為由具有高熱傳系數(shù)的金屬及與金屬結(jié)合的鉆石膜構(gòu)成的薄片。高熱傳系數(shù)的金屬為銅或鋁。
具有高熱傳系數(shù)的金屬可構(gòu)成長(zhǎng)、寬約為50μm、厚度為20μm方格子狀銅或鋁框架110。鉆石為沉積于銅或鋁框架110格子內(nèi)頂、底面分別為粗糙面及鏡面的鉆石膜12，并于鉆石膜12粗糙的頂面借銀銅錫鈦的焊料13焊設(shè)鎢板14。
本發(fā)明亦可為以銅或鋁的具有高熱傳系數(shù)的金屬與鉆石混合并高壓高溫下擠壓結(jié)合組成的薄膜制成的直徑36mm，厚l.8mm的圓形薄片，其中鉆石體積比超過(guò)80％。
本發(fā)明電子元件用散熱件的制法實(shí)施例一本發(fā)明系以燒結(jié)法將鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬結(jié)合成為薄膜而制成薄片，其將鉆石顆粒及銅或鋁金屬粉末混合，并置放在為無(wú)氧銅的銅制的罐體內(nèi)。鉆石及銅的比率可自由調(diào)整，但若鉆石的體積比率提高至超過(guò)50％，則可將大小鉆石先行混合，使得小顆鉆石充填至大顆鉆石的孔隙中，其后再以更細(xì)的銅粉末填入其內(nèi)。以此種充填方式提高鉆石比率時(shí)，大顆鉆石的直徑要為小顆鉆石的7倍以上為佳。由于大顆鉆石的熱傳效果較佳，因此應(yīng)盡量使用大顆鉆石顆粒。然后再將為無(wú)氧銅的銅片置放其上，以六面頂高壓機(jī)(Cubic Preers)加壓至5萬(wàn)個(gè)大氣壓，于銅罐外圍設(shè)置石墨管并通電流加溫以使銅金屬熔化，高壓下加熱銅液會(huì)因?yàn)楦邏憾⑷脬@石顆粒間，使銅燒結(jié)成連結(jié)并把鉆石顆粒包含在內(nèi)的結(jié)構(gòu)；此時(shí)，鉆石顆粒本身亦會(huì)受到擠壓，最后制成為直徑36mm，厚1.8mm的圓形薄片。鉆石與銅的結(jié)合薄片含有超過(guò)體積比80％的鉆石，其熱傳導(dǎo)系數(shù)為銅的2倍以上，因此薄片所制成的散熱片可用于電腦的中央處理單元或LED。
由于鉆石在高溫，大于700℃下會(huì)產(chǎn)生氧化或碳化，因此，在壓力0.2GPa～8GPa、溫度900℃～1500℃下進(jìn)行燒結(jié)。
在鉆石顆粒與銅粉混合制成散熱片時(shí)，鉆石的體積比率通常不超過(guò)50％即使以充填方式將小顆鉆石塞入大顆鉆石的孔洞中，鉆石的整體體積亦不會(huì)超過(guò)70％。
實(shí)施例二本發(fā)明系以熔滲法(Infiltration)將鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬結(jié)合成為薄膜而制成薄片，其為將外加的銅金屬在高溫，1100℃熔化，并在溫度900℃～1500℃下進(jìn)行熔滲，以將其迫入鉆石的孔隙中，以使得鉆石體積提高。但是銅液不會(huì)濕潤(rùn)滲透入鉆石孔隙中，因此，需先將鉆石鍍上其他金屬如鈦、鉻、鎳、銅，然后再將銅液灌入，以金屬膜輔助銅液滲入鉆石孔隙的，此時(shí)銅液便會(huì)濕潤(rùn)披覆鉆石的金屬鍍膜，并借由毛細(xì)力量(Capillary Force)把銅液吸入鍍有金屬膜的鉆石孔隙中。在溫度900℃～1500℃下進(jìn)行熔滲時(shí)應(yīng)避免氧氣的存在，故本發(fā)明宜在真空或惰性氣氛下加熱。
實(shí)施例三本發(fā)明系以加壓法將鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬結(jié)合成為薄膜而制成薄片，其為借由高壓，0.1GPa～8GPa下將金屬液注入鉆石孔隙中，此作法便不需在鉆石外鍍上金屬膜。倘若壓力甚大，如兩萬(wàn)大氣壓力以上，則鉆石亦會(huì)被擠壓在一起，如此便可得到較高的鉆石體積比，如85％，且銅液凝固后亦不會(huì)留下氣孔，借由此法所制成的散熱片的熱傳效率可達(dá)銅散熱片的三倍。在0.1GPa～8GPa下進(jìn)行高壓注入時(shí)應(yīng)避免氧氣的存在，故本發(fā)明宜在真空或惰性氣氛下加熱。但若是加壓至鉆石的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)進(jìn)行熔滲，則鉆石便不會(huì)有氧化或碳化的問(wèn)題。以銅即能形成碳化物的元素，如錳配合能溶解碳的元素，如鐵、鎳形成合金，在高壓下直接溶滲未鍍金屬膜的鉆石。
實(shí)施例四本發(fā)明系以鏡面模片法將鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬結(jié)合成為薄膜而制成薄片，其包括提供如圖1所示的為鏡面的矽晶模板10如圖2所示，于為鏡面的矽晶模板10上披覆銅金屬層11；如圖3所示，利用蝕刻方式在銅金屬層11蝕刻出長(zhǎng)、寬約為50μm、厚度為20μm的方格子，并以熱鎢絲方法加熱積比率1％甲烷體與積比率99％氫氣使得兩者分解，以形成并方格子狀框架110；如圖4所示，以化學(xué)氣相沉積法在銅框架110的方格子內(nèi)沉積析出與銅框架110結(jié)合的鉆石膜12，沉積的鉆石膜12形成粗糙的表面；如圖5所示，由于沉積于銅框架110方格子內(nèi)鉆石膜12甚薄而容易翹曲，因此在鉆石膜12粗糙的表面上以銀銅錫鈦的焊料13焊設(shè)基板14，并在10-5拖耳的真空內(nèi)加以焊固，基板14為矽、鎢、碳化矽或氮化矽板；如圖6所示，利用氫氧化鉀溶解去除矽晶模板10，由于鉆石膜12與矽晶模板10接觸的底面為鏡面，因此，去除矽晶模板10便可得到底面極為平滑的鉆石膜12，并借此鎢板14使鉆石膜12不再翹曲，且不會(huì)由銅框架110內(nèi)掉出，便得到的厚度約為100μm鉆石膜及金屬所混合的片體。
藉由本實(shí)施例所制成的鉆石與銅金屬的薄片具有下述的優(yōu)點(diǎn)
1、鉆石不需要再經(jīng)研磨或拋光，其底面已經(jīng)由矽晶膜板形成為平滑的鏡面，由于鉆石硬度最大，因此甚難加工，故本發(fā)明可省去鉆石加工步驟而節(jié)省制造成本。
2、本發(fā)明可制造大面積的散熱片，故可大量制造且單位成本甚低，具有產(chǎn)業(yè)上的利用性價(jià)值。
3、本發(fā)明所使用的矽及鎢板的熱膨脹率均與鉆石接近，因此焊接的界面應(yīng)力不大，不會(huì)有剝離的問(wèn)題，加上鉆石膜已利用銅框架加以區(qū)隔，因此所制得的散熱片不僅可具有優(yōu)異的導(dǎo)熱效果，且可直接焊在半導(dǎo)體晶片上；由于其可導(dǎo)電，故可直接形成電極，并可取代半導(dǎo)體的基板，因而可以節(jié)省半導(dǎo)體電子元件的零件及成本。
雖本發(fā)明所述的散熱片用于LED或二極體的散熱，其亦可應(yīng)用在中央處理單元的散熱片、表面聲波濾波器(Surface Accoustic wave Filter)的振動(dòng)膜、感測(cè)器及微波處理發(fā)生器等，只要能應(yīng)用平滑的鉆石膜皆可使用本發(fā)明。
另外，本發(fā)明所使用的化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)在工業(yè)界已使用多年，其原理是將甲烷或其他含碳?xì)怏w在高溫下分解，同時(shí)以過(guò)量的氫原子，如體積百分比約99％作為催化劑，使得沉積出來(lái)的碳結(jié)合成鉆石膜。其中，上述氣體的加熱方式有許多種，包括有電阻加熱(HotFilament)、微波激蕩(Micro wave Agitation)及直流電弧(DC Arc)等。
權(quán)利要求
1.一種電子元件散熱件，其特征在于它為以具有高熱傳系數(shù)的金屬與鉆石混合并高壓高溫下擠壓結(jié)合組成的薄膜制成的薄片。
2.一種電子元件散熱件，其特征在于它為由具有高熱傳系數(shù)的金屬及與金屬結(jié)合的鉆石膜構(gòu)成的薄片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子元件散熱件，其特征在于所述的具有高熱傳系數(shù)的金屬為銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電子元件散熱件，其特征在于所述的具有高熱傳系數(shù)的金屬為鋁。
5.一種電子元件散熱件制法，其特征在于它系將鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬結(jié)合成為薄膜而制成薄片。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子元件散熱件制法，其特征在于所述的鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬系以燒結(jié)法結(jié)合，其系于高壓下加熱，使金屬燒結(jié)成連結(jié)并把鉆石顆粒包含在內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電子元件散熱件制法，其特征在于所述的高壓下加熱以燒結(jié)法結(jié)合鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬的壓力范圍為0.2GPa～8GPa、溫度范圍為900℃～1500℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子元件散熱件制法，其特征在于所述的鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬系以熔滲法結(jié)合，其系將金屬在高溫下熔化，再將其迫入鉆石的孔隙中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子元件散熱件制法，其特征在于所述的金屬熔滲的溫度范圍為900℃～1500℃。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電子元件散熱件制法，其特征在于所述的以熔滲法結(jié)合鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬前先將鉆石上鍍上其他金屬，然后再將金屬液灌入令金屬液濕潤(rùn)披覆鉆石的金屬鍍膜，并借由毛細(xì)力量把金屬液吸入鍍有金屬膜的鉆石孔隙中。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子元件散熱件制法，其特征在于所述的鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬系以加壓法結(jié)合，其系借由高壓將銅液注入鉆石孔隙中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電子元件散熱件制法，其特征在于所述的金屬液注入鉆石孔隙中的壓力范圍為0.1GPa～8GPa。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子元件散熱件制法，其特征在于所述的鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬系以鏡面模片法結(jié)合，其系于為鏡面的模板上披覆金屬層；利用蝕刻方式蝕刻出方格子狀框架；以化學(xué)氣相沉積法在銅框架的方格子內(nèi)沉積析出鉆石膜，在鉆石膜焊設(shè)基板，并加以焊固；溶解去除模板以得到底面極為平滑的鉆石膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電子元件散熱件制法，其特征在于所述的基板為矽、鎢、碳化矽或氮化矽板。
全文摘要
一種電子元件散熱件及其制法。為提供一種散熱效果好、適用于產(chǎn)生高熱電子元件、加工方便、節(jié)省制造成本的散熱件及其制法，提出本發(fā)明，散熱件為以具有高熱傳系數(shù)的金屬與鉆石結(jié)合組成的薄膜制成的薄片；散熱件制法為將鉆石與具有高傳熱系數(shù)的金屬結(jié)合成為薄膜而制成薄片。
文檔編號(hào)H01L23/36GK1567131SQ0314294
公開(kāi)日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月11日
發(fā)明者宋健民 申請(qǐng)人:宋健民