專利名稱：含碳散熱器及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可以用于從熱源傳導(dǎo)或吸收熱量的含碳裝置和系統(tǒng)。因此，本發(fā)明涉及化學(xué)、物理和材料科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展一直跟隨著由英特爾的共同創(chuàng)始人Gordon Moore于1965年提出的Moore法則的趨勢(shì)。該趨勢(shì)需要集成電路(IC)或通常半導(dǎo)體芯片的能力每18個(gè)月增加一倍。這樣，2002年中央處理器(CPU)上的晶體管數(shù)量將接近100百萬。該密集電路的結(jié)果是，2002年的線寬窄到0.18微米，并且更先進(jìn)的芯片使用窄到0.13微米的布線。隨著該趨勢(shì)的繼續(xù)，設(shè)想在未來幾年可以獲得和超越看似不可超越的“亞微米”即0.1微米的極限。
隨著這種提高，帶來了各種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。通常被忽視的挑戰(zhàn)之一是散熱問題。多數(shù)情況下，在制造元件之前，該階段的設(shè)計(jì)被忽視，或在最后設(shè)計(jì)時(shí)被考慮。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在一個(gè)密閉系統(tǒng)中進(jìn)行的工作越多，獲得的熵越高。隨著CPU功率的增加，更大的電流產(chǎn)生更多的熱量。因此，為了防止電路短路或燒壞，必須除去熵增加帶來的熱量。一些現(xiàn)有的CPU的功率為約60瓦(W)。例如，利用0.13微米技術(shù)制造的CPU將超過100瓦。當(dāng)前的散熱方法，例如使用金屬(例如Al或Cu)散熱片和水蒸發(fā)熱管，將不足以充分冷卻未來一代CPU。
近來，已經(jīng)使用陶瓷散熱器(例如AlN)和金屬陣列復(fù)合物散熱器(例如SiC/Al)來解決增加的熱量產(chǎn)生。然而，這些材料的熱導(dǎo)率不大于Cu，因此從半導(dǎo)體芯片散熱的能力是有限的。
通常的半導(dǎo)體芯片包括接近組合的金屬導(dǎo)體(例如Al、Cu)和陶瓷絕緣體(例如氧化物、氮化物)。金屬的熱膨脹系數(shù)通常為陶瓷的5-10倍。當(dāng)芯片被加熱超過60℃時(shí)，金屬和陶瓷之間熱膨脹系數(shù)的不匹配可以產(chǎn)生微裂。重復(fù)的溫度循環(huán)將加劇對(duì)芯片的損壞。結(jié)果，半導(dǎo)體的性能將下降。此外，當(dāng)溫度達(dá)到高于90℃時(shí)，芯片的半導(dǎo)體部分將變成導(dǎo)體，結(jié)果失去了芯片的功能。此外，電路將被損壞，半導(dǎo)體不再可用(即被“燒壞”)。這樣，為了保持半導(dǎo)體的性能，必須保持其溫度低于閾值水平(例如90℃)。
散熱的常規(guī)方法是用金屬熱沉接觸半導(dǎo)體。通常的熱沉由鋁制成，其包括散熱片。將這些散熱片附在風(fēng)扇上。來自芯片的熱量將流到鋁基，然后被傳遞到散熱片，并通過空氣對(duì)流被帶走。因此，通常將熱沉設(shè)計(jì)為具有高熱容量，以充當(dāng)從熱源散熱的熱庫。
可選地，可以在熱沉和位于分離位置的冷卻器之間連接熱管。熱管包括密封在真空管中的水汽。水汽將在熱沉處蒸發(fā)并在冷卻器處凝結(jié)。凝結(jié)的水將通過多孔介質(zhì)(例如銅粉)的毛細(xì)作用回流到熱沉。因此，半導(dǎo)體芯片的熱量通過蒸發(fā)水而被帶走，并通過凝結(jié)水在冷卻器處被除去。
盡管熱管和熱板可以非常有效地散熱，但是復(fù)雜的真空室和精細(xì)的毛細(xì)系統(tǒng)不能使設(shè)計(jì)足夠小以直接從半導(dǎo)體元件散熱。結(jié)果，這些方法通常被限制于從較大的熱源例如熱沉傳遞熱量。這樣，通過傳導(dǎo)從電子元件散熱仍然是工業(yè)中研究的領(lǐng)域。
已經(jīng)開發(fā)用于散熱器的一種有希望的選擇是包含金剛石的材料。金剛石可以比任何其它材料更快地把熱量帶走。室溫下金剛石的熱導(dǎo)率(約2000W/mK)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通常使用的兩個(gè)最快的金屬熱導(dǎo)體銅(約400W/mK)或鋁(250W/mK)。此外，金剛石的熱容量(1.5J/cm3)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銅(17J/cm3)或鋁(24J/cm3)。金剛石的將熱量帶走而不存儲(chǔ)的能力使其成為希望的散熱器。與熱沉相比，散熱器很快地將熱量從熱源傳走而不存儲(chǔ)。表1示出了與金剛石相比的幾種材料的各種熱學(xué)特性(在300K的值)。
表1

此外，金剛石的熱膨脹系數(shù)是所有材料中最低的。低熱膨脹系數(shù)使金剛石與低熱膨脹系數(shù)的硅半導(dǎo)體更容易接合。因此，可以最小化在接合界面處的應(yīng)力。從而形成金剛石和硅之間的穩(wěn)定鍵合，所述鍵合在重復(fù)的熱循環(huán)下不會(huì)分層。
最近幾年，已經(jīng)使用金剛石散熱器從高功率激光二極管散熱，例如將所述散熱器用于增加光纖中的光能的激光二極管中。然而，大面積金剛石非常昂貴；因此，金剛石不能商業(yè)地用于發(fā)散來自CPU的熱量。為了將金剛石用作散熱器，必須拋光金剛石的表面以使其與半導(dǎo)體芯片可以緊密接觸。此外，金剛石的表面必須(例如通過Ti/Pt/Au)金屬化以通過焊接與常規(guī)的金屬熱沉連接。
許多當(dāng)前的金剛石散熱器由通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成的金剛石薄膜構(gòu)成。未加工的CVD金剛石薄膜的一個(gè)實(shí)例現(xiàn)在的價(jià)格高于$10/cm2，當(dāng)該薄膜被拋光和金屬化后價(jià)格將翻倍。如此高的價(jià)格限制了金剛石散熱器的廣泛使用，而只用于這樣的應(yīng)用(例如高功率激光二極管)中，其中只需要小面積的散熱器、或沒有有效的可選的散熱器可用。除了昂貴，CVD金剛石薄膜只能以非常低的速率(例如每小時(shí)幾微米)生長(zhǎng)；因此，這些薄膜很少超過1mm的厚度(通常為0.3-0.5mm)。然而，如果芯片的受熱面積很大(例如CPU)，優(yōu)選利用較厚(例如3mm)的散熱器。
除了利用CVD方法制造金剛石產(chǎn)品，還試圖利用大量顆粒金剛石或“多晶金剛石”(PCD)來形成散熱器。這種裝置的特定實(shí)例見美國(guó)專利6,390,181和美國(guó)專利申請(qǐng)公開2002/0023733，其在此引入作為參考。通常，通過在高壓、高溫(HPHT)條件下處理金剛石顆粒以使金剛石顆粒彼此以及/或者與間隙材料燒結(jié)或鍵合，來制造PCD產(chǎn)品(或“坯塊”)。結(jié)果，由于HPHT工藝需要極高的氣壓，因此多數(shù)PCD坯塊具有相對(duì)小的厚度。由于使用了極高氣壓，用于制造PCD坯塊的模型或腔局限于小厚度，以使產(chǎn)生極高氣壓的機(jī)械設(shè)備可以保持所需的氣壓和溫度。這種PCD坯塊有限地用于散熱器領(lǐng)域，因?yàn)樗鼈儌鬟f或傳導(dǎo)熱量的物理能力有限。
因此，仍需要通過目前的研究和開發(fā)成果來找出，能夠有效地從熱源傳走熱量的成本有效的系統(tǒng)或裝置。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了可以用于從熱源傳走或?qū)ё邿崃康纳崞?。在一個(gè)方案中，復(fù)合物散熱器可以包括多個(gè)含碳顆粒，每個(gè)基本上與至少一個(gè)其它含碳顆粒接觸。還可以提供不含碳材料，所述材料基本上與多個(gè)含碳顆粒結(jié)合成復(fù)合物塊。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，含碳顆?？梢允墙饎偸w粒。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供的散熱器可以包括多個(gè)金剛石顆粒，其中每個(gè)金剛石顆?；旧吓c至少一個(gè)其它金剛石顆粒燒結(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，金剛石顆?？梢韵嗷コ浞纸佑|以提供連續(xù)金剛石-金剛石路徑，所述路徑通到基本上每個(gè)金剛石顆粒。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，所述金剛石顆粒占散熱器的體積的約50％至約80％。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，所述金剛石顆粒占散熱器的體積的約70％至約98％。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，不含碳材料選自于如下的一種Fe、Ni、C0及其混合物或合金。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，所述含碳顆粒占散熱器的體積的至少約50％，以及不含碳材料占散熱器的體積的至少約5％。不含碳材料包括選自于如下的一種元素Cu、Al和Ag。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，金剛石顆粒是無涂層的金剛石顆粒。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供了用于從熱源傳走熱量的冷卻單元，所述單元可以包括熱沉和根據(jù)上述方面的散熱器。散熱器可以設(shè)置成與熱沉和熱源都進(jìn)行熱交換。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，散熱器可以至少部分鑲嵌在熱源和/或熱沉中?？梢酝ㄟ^壓緊安裝將散熱器裝在熱沉中，該壓緊安裝是熱致壓緊安裝。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供了制造散熱器的方法，所述方法包括以下步驟提供多個(gè)含碳顆粒；以及用上述方案中的不含碳材料滲透多個(gè)含碳顆粒，以形成熱傳導(dǎo)塊。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供了冷卻熱源的方法，包括以下步驟提供上述方案中的散熱器；以及將散熱器設(shè)置成與熱沉和熱源都進(jìn)行熱交換。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供了制造復(fù)合物散熱器的方法，包括以下步驟提供具有第一平均目尺寸的多個(gè)金剛石顆粒；這樣組合金剛石顆粒，使每個(gè)金剛石顆粒基本上與至少一個(gè)其它金剛石顆粒接觸；提供不含碳材料；以及利用不含碳材料鍵合所組合的金剛石顆粒，使得不含碳材料至少部分填充組合的金剛石顆粒之間的任何空隙。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供了從熱源除去熱量的方法，包括以下步驟提供上述方案中的散熱器；以及將散熱器放置為與熱源有效地連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，提供了制造金剛石散熱器的方法，包括以下步驟提供具有第一平均目尺寸的第一組多個(gè)金剛石顆粒；這樣組合金剛石顆粒，使金剛石顆粒相互緊密接觸；提供不含碳材料；以及在不含碳材料的存在下，在約4GPa和約8GPa之間的氣壓下燒結(jié)多個(gè)金剛石顆粒，以使金剛石顆粒部分燒結(jié)在一起，從而提供金剛石成分為約70體積％和約98體積％之間的基本上燒結(jié)的金剛石顆粒塊。
上文已經(jīng)較全面地概括了本發(fā)明的多個(gè)特征，以使下面的詳細(xì)說明更加容易理解，并使對(duì)本領(lǐng)域的貢獻(xiàn)更加明顯。通過下面對(duì)根據(jù)所附權(quán)利要求書的本發(fā)明的詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的其它特征更加明顯，所述其它特征還可以通過實(shí)施本發(fā)明來獲知。


圖1a是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的與熱源和熱沉進(jìn)行熱交換的散熱器的示意圖；圖1b是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的與熱源和熱沉進(jìn)行熱交換的散熱器的示意圖；以及圖1c是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的與熱源和熱沉進(jìn)行熱交換的散熱器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在公開和說明本發(fā)明之前，應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于這里公開的特定結(jié)構(gòu)、工藝步驟、或材料，而是包括本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員所認(rèn)識(shí)的等同替換。應(yīng)該理解，這里采用的術(shù)語只用于說明具體實(shí)施例的目的，并不是為了限制。
應(yīng)該注意，在本說明書和權(quán)利要求書中所用的單數(shù)形式“a”、“an”和“the”包括多個(gè)所指物，除非所述內(nèi)容另外清楚地指出。這樣，例如，提及“a金剛石顆粒”，則包括一個(gè)或多個(gè)這樣的顆粒，提及“a不含碳材料”或“間隙材料”，則包括一種或多種這樣的材料，以及提及“the顆?！保瑒t包括一個(gè)或多個(gè)這樣的顆粒。
定義在說明本發(fā)明和要求其權(quán)利中，將使用根據(jù)如下定義的術(shù)語。
這里使用的“顆?！焙汀吧傲！笨梢曰Q，當(dāng)用于含碳材料時(shí)，指這種材料的顆粒形式。這種顆?；蛏傲？梢允歉鞣N形狀，包括圓形、長(zhǎng)方形(oblong)、正方形、自形等，以及多種特定的目(mesh)尺寸。本領(lǐng)域公知的是，“目”指在目數(shù)(U.S.mesh)單位下每單位面積上的孔眼數(shù)。全部目尺寸在這里都是指目數(shù)，除非另外指出。此外，通常將目尺寸理解為給定顆粒集合的平均目尺寸，因?yàn)樵谔囟ā澳砍叽纭眱?nèi)的每個(gè)顆粒將實(shí)際上在尺寸分布的小范圍上變化。
這里使用的“基本的”或“基本上”是指，將對(duì)希望的目的、操作或結(jié)構(gòu)的作用實(shí)現(xiàn)看作實(shí)際上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這些目的或結(jié)構(gòu)。因此，基本上互相接觸的含碳或金剛石顆粒被看作或被幾乎看作它們實(shí)際上互相接觸地作用。同樣，基本上具有相同的尺寸的含碳顆粒實(shí)現(xiàn)或獲得這樣的結(jié)構(gòu)，其中看作每一個(gè)所述顆粒都具有完全相同的尺寸，即使它們可能在尺寸上有一些改變。
這里使用的“散熱器”指從熱源散布或傳導(dǎo)熱量并將熱量傳走的材料。散熱器與熱沉明顯不同，熱沉用作在其中保持熱量的熱庫，直到通過其它機(jī)制將熱量從熱沉傳走，而散熱器不保留大量的熱量，而是僅僅從熱源把熱量傳走。
這里使用的“熱源”指具有高于希望的大量熱能或熱量的裝置或物體。熱源可以包括這樣的裝置，所述裝置產(chǎn)生熱量作為它們運(yùn)行的副產(chǎn)物，還包括這樣的物體，所述物體通過從另一熱源傳遞到其上的熱量而被加熱到高于希望的溫度。
這里使用的“含碳”指主要由碳原子構(gòu)成的任何材料。公知碳原子有各種鍵合排列或“同素異形體”，包括平面、變形(distorted)四面體和四面體鍵合排列。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員公知，這樣的鍵合排列確定了特定的形成材料，例如石墨、類金剛石(DLC)、或非晶金剛石和純金剛石。在一個(gè)方案中，含碳材料可以是金剛石。
這里使用的“活性元素”和“活性金屬”可以互換，指可以通過形成碳鍵(carbide bond)與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)鍵合的元素，特別是金屬元素?；钚栽氐睦影ǖ幌抻谶^渡金屬元素，如鈦(Ti)和鉻(Cr)，其中包括難熔元素如鋯(Zr)和鎢(W)；以及非過渡金屬元素和其它材料，如鋁(Al)。此外，可以包括例如硅(Si)的特定非金屬元素作為焊接合金中的活性元素。
這里使用的“潤(rùn)濕(wetting)”指在含碳顆粒的至少部分表面上流過熔融金屬的工藝。浸濕的發(fā)生通常由于或至少部分由于熔融金屬的表面張力，并可以通過在熔融金屬中使用或添加特定的金屬而變得容易。在某些方案中，當(dāng)利用金屬形成碳化物時(shí)，浸濕有助于在含碳顆粒和熔融金屬的界面處形成含碳顆粒和熔融金屬之間的化學(xué)鍵。
這里使用的“化學(xué)鍵”和“化學(xué)鍵合”可以互換，指在原子之間施加吸引力的分子鍵，所述吸引力足夠強(qiáng)以在原子之間的界面處形成二元固體化合物。本發(fā)明中包括的化學(xué)鍵在金剛石高級(jí)研磨(superabrasive)顆粒的情況下通常是碳鍵，或在立方系氮化硼的情況下是氮鍵(nitride)或硼鍵(boride)。
這里使用的“焊接合金”和“用于焊接的合金”可以互換，指這樣的合金，其包含足夠量的活性元素以在合金和高級(jí)研磨顆粒之間形成化學(xué)鍵。合金可以是固體或是溶液，所述溶液是其中具有活性元素溶質(zhì)的金屬載體溶劑的溶液。此外，術(shù)語“焊接”用于指在高級(jí)研磨顆粒和焊接合金之間形成化學(xué)鍵。
這里使用的“燒結(jié)”指將兩個(gè)或多個(gè)單個(gè)顆粒接合以形成連續(xù)固體塊。燒結(jié)工藝包括固化顆粒以至少部分消除顆粒之間的空隙。燒結(jié)可以在金屬或含碳顆粒如金剛石中發(fā)生。金屬顆粒的燒結(jié)根據(jù)材料的成分在各種溫度下發(fā)生。金剛石顆粒的燒結(jié)通常需要超高氣壓和作為金剛石助燒結(jié)劑的碳溶劑的存在，這將在下面進(jìn)行詳細(xì)說明。通常存在助燒結(jié)劑來協(xié)助燒結(jié)工藝，且其部分將保留在最終的產(chǎn)物中。
濃度、數(shù)量、顆粒尺寸、體積和其它數(shù)字的數(shù)據(jù)在這里將以范圍形式表示或存在。應(yīng)該理解，使用這種范圍形式只是為了方便和簡(jiǎn)短，因此應(yīng)該將所述范圍靈活地解釋為，不僅包括被列舉為范圍邊界的具體數(shù)值，而且包括該范圍內(nèi)包含的所有單個(gè)數(shù)值或子范圍，即如每個(gè)數(shù)值或子范圍都被具體列舉。
例如，數(shù)值范圍“約1微米到約5微米”應(yīng)該解釋為不僅包括具體列舉的數(shù)值約1微米到約5微米，而且包括所述范圍內(nèi)的單個(gè)數(shù)值和子范圍。因此，在該數(shù)值范圍內(nèi)包括單個(gè)數(shù)值如2、3和4，子范圍如1-3、2-4和3-5等。同樣的原理適用于只列舉單個(gè)數(shù)值的范圍。此外，不管范圍的幅度或?qū)⒁f明的特征，這樣的解釋同樣適用。
本發(fā)明本發(fā)明包括從熱源傳走熱量的裝置、系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明的方法制造的散熱器通常包括多個(gè)含碳顆粒，在實(shí)施例中每個(gè)含碳顆?；旧匣ハ嘟佑|。通過使用不含碳材料或直接將含碳顆粒燒結(jié)或熔合成塊，將多個(gè)含碳顆粒結(jié)合在一起。
在一個(gè)方案中，制造具有高含碳顆粒體積的散熱器的常規(guī)工藝開始于在合適的模型中組合第一組多個(gè)含碳顆粒?？蛇x地，第一組多個(gè)顆粒可以每個(gè)近似具有相同的目尺寸。這些顆粒的具體尺寸可以高達(dá)約18目(1mm)，通常在約30目(0.5mm)和約400目(37微米)之間。雖然顆粒的尺寸可以改變，通常的原理認(rèn)為，越大的含碳顆粒提供越大的路徑，所述路徑的熱傳遞特性被改進(jìn)為接近固態(tài)含碳材料如純金剛石的傳熱特性。
這樣組合顆粒以使顆粒之間基本上接觸。在組合組中，每個(gè)顆粒應(yīng)該與至少另一個(gè)顆粒接觸。這樣，可能存在這樣的顆粒組，其中顆粒兩兩接觸而與其它顆粒分離。在本發(fā)明的另一方案中，顆粒之間的接觸足以為散熱器中基本上所有的含碳顆粒提供連續(xù)路徑。通過基本上顆粒-顆粒的接觸，很容易從熱源將熱量傳走。可以這樣組合顆粒使得占用大部分體積并最小化顆粒之間的空隙量。
在一個(gè)方案中，可以通過在連續(xù)的步驟中組合尺寸不同的含碳顆粒來實(shí)現(xiàn)獲得上述目標(biāo)的顆粒組合。例如，將較大的含碳顆粒組合到合適的模型中。可以通過下沉或壓緊，例如通過振動(dòng)器在模型內(nèi)部振動(dòng)，來改善含碳顆粒的組合。然后可以添加多個(gè)較小的含碳顆粒以填充較大含碳顆粒周圍的空隙。根據(jù)較小顆粒的尺寸，需要從組合的碳材料的多個(gè)側(cè)面引入較小顆粒，以填充大多數(shù)可獲得的空隙。較小含碳顆粒的尺寸可以變化。通常在較大金剛石直徑的約1/3到約1/20之間的范圍內(nèi)的顆粒會(huì)增加組合效率。也可以使用在約1/5和約1/10之間的顆粒，而使用直徑是較大顆粒直徑的1/7的顆粒已經(jīng)獲得了很好的結(jié)果。使用這種連續(xù)組合步驟，體積組合效率達(dá)到高于三分之二。如果需要，甚至可以添加更小的含碳顆粒來進(jìn)一步增加組合效率。然而，當(dāng)填充變得越來越困難，同時(shí)，組合效率的增加變得越來越小時(shí)，則該連續(xù)組合方法將很快到達(dá)遞減點(diǎn)。根據(jù)上述理論原理形成的組合的顆粒將提供在約50％到約80％之間的碳體積含量。
在一個(gè)可選實(shí)施例中，首先混合不同大小的含碳顆粒，然后在引入間隙材料之前將其組合在一起。該方法可以使組合效率增加，然而，由于較大顆粒沒有與其它較大顆粒緊密接觸，可能會(huì)犧牲一些熱利益。這樣，熱量必須穿過更多的顆粒-顆粒界面邊界，增加了最終的散熱器的熱阻。
在另一個(gè)可選實(shí)施例中，通過使用均勻形狀的含碳顆?？梢栽黾咏饎偸暮?。特別是，市場(chǎng)上可以獲得基本上為立方系金剛石的顆粒，盡管可以使用其它形狀。立方系金剛石可以邊緣-邊緣地組合以形成單層或多層組合的金剛石顆粒，其中具有高達(dá)約90％-98％的金剛石體積含量。具體的排列不重要，可以以規(guī)則的行和列或錯(cuò)開的行和列組合顆粒。在該實(shí)施例中，對(duì)金剛石顆粒的排列使顆粒之間具有基本上較小體積的空隙，而不需要將金剛石顆粒燒結(jié)在一起。此外，如果顆粒的取向相同，而不是任意的方向，則改善了最終的復(fù)合物的熱學(xué)特性。下文討論對(duì)如上述組合的金剛石顆粒的組合金剛石顆粒的排列施加間隙材料或不含碳材料及所述施加的處理。
在本發(fā)明的一個(gè)方案中，可以結(jié)合含碳顆粒使用間隙材料，以將它們鍵合成復(fù)合物塊。然而，通過如上所述在引入間隙材料之前組合顆粒，可以保持初始的顆粒-顆粒接觸，從而組合效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通過首先混合含碳顆粒和間隙材料、然后通過熱壓固化所獲得的效率。在后一情況中，含碳顆?？赡軜?gòu)成小于器件體積的一半，因?yàn)殚g隙材料趨于填充在金剛石顆粒周圍和它們之間，從而完全將多個(gè)顆?；ハ喾珠_。在此情況下，熱量必須穿過不含碳材料的大量區(qū)域。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方案，如上所述在引入任何不含碳材料之前組合含碳顆粒。在設(shè)計(jì)本發(fā)明的含碳復(fù)合物散熱器中所考慮的一個(gè)因素是，在含碳顆粒之間的界面和在不含碳材料和含碳顆粒之間的界面處的復(fù)合物的熱學(xué)特性。空的空隙和在界面間的僅僅機(jī)械接觸成為熱的阻礙。盡管沿顆粒的絕大部分表面的含碳顆粒的緊密接觸改善了在這些邊界處的熱學(xué)特性，但結(jié)果比完全連續(xù)的含碳材料的差。這樣，希望是界面的絕大部分不只是僅僅機(jī)械接觸。
因此，可以使用這樣的間隙材料，所述間隙材料具有適于獲得特定理想工具的特定特征。在一個(gè)方案中，間隙材料可以適于充當(dāng)在超高氣壓下的碳燒結(jié)輔助劑，以將含碳顆粒燒結(jié)或?qū)嶋H熔融在一起。在本發(fā)明的另一個(gè)方案中，可以選擇將組合的金剛石顆粒化學(xué)鍵合在一起的間隙材料。
間隙材料的選擇必須考慮到間隙材料本身的熱導(dǎo)率和熱容量。包含低熱導(dǎo)率材料的金剛石小型散熱器將成為結(jié)構(gòu)中的限制元件，從而消除了金剛石的一些熱傳遞優(yōu)勢(shì)。因此，如下的間隙材料極大地促進(jìn)了穿過界面邊界的熱傳遞，所述材料具有高熱導(dǎo)率、低熱容量、并能提供與金剛石的化學(xué)鍵。當(dāng)然，較大程度的金剛石-金剛石接觸也可以改善散熱器的熱傳遞特性。
可以通過多種方法提供用于鍵合或燒結(jié)含碳顆粒的間隙材料，所述方法包括滲透、燒結(jié)和電沉積。當(dāng)材料被加熱到其熔點(diǎn)并以液體的形式流過顆粒之間的間隙時(shí)，發(fā)生滲透。當(dāng)材料被充分加熱以使材料的臨近顆粒在它們的邊緣附近熔化，并在所述材料主要是固態(tài)的過程中將臨近顆粒燒結(jié)在一起時(shí)，發(fā)生燒結(jié)。這樣，基本上沒有間隙材料的流動(dòng)發(fā)生。電沉積涉及在電流作用下在含碳顆粒的表面上沉積在溶液中被加熱到其熔點(diǎn)之上的金屬。
兩種基本的間隙材料包括液態(tài)金屬和熔融陶瓷。當(dāng)鍵合含碳顆粒以產(chǎn)生含碳復(fù)合物散熱器時(shí)，間隙材料將包含至少一種可以與碳反應(yīng)形成碳化物的活性元素。碳化物形成劑的存在有助于潤(rùn)濕金剛石顆粒潤(rùn)濕，并使間隙材料通過毛細(xì)作用進(jìn)入間隙。當(dāng)燒結(jié)含碳顆粒以產(chǎn)生含碳散熱器時(shí)，間隙材料應(yīng)該充當(dāng)燒結(jié)輔助劑以增加碳燒結(jié)的程度，并不需要包含碳化物形成劑，而是包含碳溶劑在本發(fā)明的一個(gè)方案中，可以將間隙滲透合金用作滲透劑以將含碳顆粒鍵合成基本上固態(tài)的散熱塊。如上所述，許多間隙材料實(shí)際上會(huì)妨礙穿過散熱器的熱傳遞。例如，沒有與碳化學(xué)鍵合而僅僅被機(jī)械地保持的間隙材料將減緩熱傳遞。此外，許多作為好的碳化物形成劑的難熔材料是差的熱導(dǎo)體。
其它的考慮是，當(dāng)含碳材料是金剛石，必須注意選擇間隙材料以避免滲透或燒結(jié)的溫度足夠高而損壞金剛石。因此，在本發(fā)明的一個(gè)方案中，間隙材料是在約1,100℃以下的溫度熔化或燒結(jié)的合金。當(dāng)在高于該溫度下加熱時(shí)，應(yīng)該將時(shí)間最小化以避免過度損壞金剛石顆粒。由于金剛石在金屬夾雜物的地方破裂，還會(huì)從內(nèi)部引起對(duì)金剛石顆粒的損壞。合成金剛石通常包括金屬催化劑(例如Fe、Co、Ni或其合金)作為夾雜物。這些金屬夾雜物具有高的熱膨脹系數(shù)，且它們可以將金剛石轉(zhuǎn)變回石墨碳。因此，在高溫下，由于金屬夾雜物的熱膨脹系數(shù)不同，金剛石將破裂或轉(zhuǎn)變回碳。
根據(jù)本發(fā)明，間隙材料可以包括金剛石或碳的焊接合金作為金屬滲透劑、或可以包括硅合金作為陶瓷滲透劑。此外，滲透劑能夠“潤(rùn)濕”碳潤(rùn)濕，從而可以通過毛細(xì)作用被帶到含碳顆粒的間隙中。間隙材料基本上填充組合的含碳顆粒之間的任何剩余空隙。通常的碳浸濕劑包括Co、Ni、Fe、Si、Mn和Cr。當(dāng)將要把含碳顆?；瘜W(xué)鍵合在一起時(shí)，間隙材料可以包含碳化物形成劑，其在顆粒之間的邊界處提供改善的熱學(xué)特性。該碳化物形成劑包括Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Cr、Mo、Mn、Ta、W、Tc、Si、B、Al及其合金。
本發(fā)明的間隙或滲透材料可以包括這樣的成分，如Ag、Cu、Al、Si、Fe、Ni、Co、Mn、W、或它們的合金或混合物。金剛石或碳黃銅包括顯現(xiàn)出對(duì)含碳顆粒的浸濕的Fe、Co或Ni合金。這些黃銅的合金還可以包括碳化物形成劑如Ti、Zr或Cr。陶瓷硅合金可以包括Ni、Ti或Cr。例如，Ni-Cr合金如BNi2(Ni-Cr-B)或BNi7(Ni-Cr-P)是好的滲透劑。有效的滲透劑的其它例子包括Al-Si、Cu-Sn-Ti、Ag-Cu-Ti和Cu-Ni-Zr-Ti。大多數(shù)含碳間隙材料包括活性元素(例如Cr、Ti)，該活性元素既能通過形成碳化物與碳鍵合，又容易被氧化。因此，應(yīng)該在真空爐中或在惰性氣氛的保護(hù)下進(jìn)行對(duì)間隙材料的引入。
可以通過至少部分地在含碳顆粒中的孔或間隙中填充可以相當(dāng)快地傳導(dǎo)熱量的間隙材料，來制造上述含碳復(fù)合物散熱器。可以通過各種方法將間隙材料引入組合的顆粒中。提供間隙材料的一種方法是通過在水溶液中的電沉積(例如Ag、Cu、Ni)。通常在酸溶液中提供金屬，這可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)行。還可以添加各種附加元素以減小溶液的表面張力或另一方面改善進(jìn)入空隙的滲透。
在本發(fā)明的另一個(gè)方案中，提供的含碳散熱器包括至少占散熱器體積的約50％的量的多個(gè)含碳顆粒。不含碳滲透劑的量至少占散熱器體積的約5％。不含碳滲透劑可以包括選自Cu、Al和Ag的元素。在該實(shí)施例的另一方案中，含碳顆粒的量可以至少占散熱器體積的約80％，或至少占散熱器體積的約90％。
在本發(fā)明的其它方面，含碳顆?？梢园ń饎偸w粒。金剛石顆粒的含量可以大于散熱器體積的約50％。滲透劑的量可以大于散熱器體積的約5％，所述滲透劑至少包含約2％w/w的碳化物形成劑。
在本發(fā)明的另一方案中，所提供的散熱器包括含碳顆粒和不含碳滲透劑，所述不含碳滲透劑可以與或不與含碳顆?；瘜W(xué)鍵合。在該實(shí)施例中，不含碳滲透劑可以是例如Cu、Al或Ag。通過在相當(dāng)高的氣壓下處理散熱器，不含碳滲透劑增加了散熱器的最終散熱能力，同時(shí)增加了含碳顆粒的組合密度。例如，在含碳顆粒是金剛石的情況下，當(dāng)在超高壓下處理散熱器時(shí)，金剛石顆粒在金剛石-金剛石接觸點(diǎn)處被至少部分?jǐn)D壓。當(dāng)金剛石顆粒被擠壓時(shí)，熔融Cu、Al或Ag可以部分地被注入到金剛石顆粒中，并因此導(dǎo)致金剛石顆粒密度的增加。
當(dāng)最終的散熱器包括高濃度的金剛石顆粒、金剛石顆粒之間的基本上所有的空隙都被Cu、Al或Ag填充時(shí)，散熱器可以顯現(xiàn)出高的熱導(dǎo)率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)該實(shí)施例形成的散熱器顯現(xiàn)出的熱導(dǎo)率是純銅的熱導(dǎo)率的1/2到2倍的量級(jí)。此外，Cu、Al和Ag相對(duì)是非昂貴材料，根據(jù)該實(shí)施例的散熱器可以以商業(yè)上有競(jìng)爭(zhēng)力的成本形成。而且，通常，Cu具有相對(duì)低的熔點(diǎn)(低于約1100℃)，因此可以在較低的溫度和氣壓下進(jìn)行所述工藝，然而在常規(guī)的金剛石PCD形成工藝中需要高溫和高壓。
已經(jīng)使用涂覆有碳化物或碳化物形成材料的金剛石顆粒形成了一些現(xiàn)有技術(shù)的金剛石復(fù)合物散熱器。相反，在本發(fā)明的一個(gè)方案中，金剛石顆粒和Cu、Al或Ag中的每個(gè)可以在它們的基本、未處理的形式下使用。這可以消除在用滲透劑滲透金剛石塊之前涂覆金剛石顆粒的昂貴工藝。此外，在根據(jù)本發(fā)明的散熱器中使用的金剛石顆?？梢允褂镁哂邢鄬?duì)粗顆粒的金剛石顆粒，例如50微米或更大的顆粒。這可以使得存在更少的使熱流減慢的顆粒邊界。
提供間隙材料的另一個(gè)方法是通過燒結(jié)在含碳顆粒之間的空隙中的固態(tài)粉末?？梢酝ㄟ^本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的各種方法來實(shí)現(xiàn)燒結(jié)，這些方法例如但不限于熱壓、減壓燒結(jié)、真空燒結(jié)和微波燒結(jié)。盡管熱壓是通常的方法，微波燒結(jié)正在成為越來越有用的方法，因?yàn)樗涌炝藷Y(jié)時(shí)間并減小了孔隙率。這在本發(fā)明中非常有利，因?yàn)槲⒉ㄖ饕糜诩訜峥蔁Y(jié)的金屬材料而不是碳。當(dāng)使用金剛石時(shí)，這有利于在處理期間降低金剛石的降級(jí)。
在燒結(jié)的材料占據(jù)了含碳顆粒之間的大部分空間并阻止了基本上顆粒-顆粒接觸的情況下，可以在組合工藝中提供可燒結(jié)的間隙材料。然而，可以以與連續(xù)組合較小金剛石顆粒相似的方式引入可燒結(jié)的間隙材料，其中選擇間隙材料的尺寸以使在組合含碳顆粒之后所述材料基本上填充含碳顆粒之間的空隙。一旦空隙被充分填充，燒結(jié)間隙材料。以這種方式可以改善顆粒-顆粒接觸。
提供間隙材料的第三種方法是用熔融材料(例如Al、Si、BNi2)滲透金剛石顆粒。電沉積金屬不能與碳化學(xué)鍵合，從而將含碳顆粒包圍在其中。此外，燒結(jié)材料不能牢固地保持顆粒，因?yàn)樵跓Y(jié)期間與含碳顆粒的鍵合主要是機(jī)械的。滲透劑應(yīng)該包含活性元素，從而它可以與碳反應(yīng)形成碳化物形式的化學(xué)鍵。碳化物形成劑的存在還使?jié)B透劑將顆粒表面潤(rùn)濕并通過毛細(xì)作用將滲透劑進(jìn)一步引入間隙。
當(dāng)使用金剛石顆粒時(shí)，為了最小化金剛石降級(jí)，優(yōu)選在低于1100℃的溫度下進(jìn)行滲透。許多上述的Fe、Ni和Co合金具有該范圍內(nèi)的熔點(diǎn)溫度。在間隙材料的滲透或燒結(jié)過程中，熱金屬將不可避免地引起一些小程度的金剛石降級(jí)。然而，可以通過降低處理時(shí)間和仔細(xì)選擇間隙材料來最小化該效應(yīng)。硅非常有利于填充在金剛石之間的間隙中，由于其趨向于通過反應(yīng)形成SiC。在金剛石和熔融Si之間的界面處形成的SiC的可以防止金剛石進(jìn)一步降級(jí)。純Si的熔點(diǎn)溫度為約1400℃。在高真空(例如低于約10-3如10-5torr)下，熔融Si或其合金可以有效地滲透到金剛石中，而不會(huì)過于損壞金剛石，從而可以制造優(yōu)質(zhì)的散熱器。
這樣，可以通過滲透、燒結(jié)或電沉積將間隙材料引入組合的含碳顆粒中。當(dāng)在低壓下進(jìn)行時(shí)，這些間隙材料僅僅填充顆粒之間的空隙并將顆粒鍵合在一起。在非常高的氣壓下，有兩種基本的可能。首先，間隙材料會(huì)與碳化學(xué)鍵合并且/或者在含碳材料與間隙材料的界面上提供有利的熱學(xué)特性，以及含碳材料將被部分?jǐn)D壓以消除部分空隙。其次，如果間隙材料是碳溶劑例如但不限于鐵、鈷、鎳或這些材料的合金，含碳顆粒將燒結(jié)在一起形成連續(xù)的含碳?jí)K。當(dāng)含碳顆粒燒結(jié)在一起時(shí)，熱傳遞的路徑主要是基本上不用通過機(jī)械或不含碳界面的連續(xù)碳路徑。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用銅作為間隙材料。銅是用于制造金剛石散熱器的希望熱導(dǎo)體。然而，銅不是碳溶劑，且不是石墨到金剛石轉(zhuǎn)變的催化劑，其也不能充當(dāng)在超高壓下的燒結(jié)輔助劑。因此，如果使用銅作為間隙材料，也可以通過電沉積或燒結(jié)來完成。然而，電沉積在填充緊密組合的金剛石顆粒中的孔時(shí)非常慢且沒有效率。另一方面，燒結(jié)將不可避免地在金剛石顆粒之間留下銅。在上兩種方法中，在最終的散熱器中含碳顆粒的組合效率都較低(例如60體積％)。
盡管銅不是燒結(jié)輔助劑以沿含碳顆粒邊界將含碳顆粒燒結(jié)在一起，碳銅混合物的超高壓固化可以使含碳顆粒更緊密地靠在一起，以達(dá)到更高的碳含量如70體積％。氣壓的范圍從約4GPa到約6GPa。在這些高壓下，一些含碳顆粒被部分?jǐn)D壓而消除了顆粒之間的部分空隙。為了獲得高于70體積％的碳并不形成碳-碳橋，必須通過吸收材料(sink material)吸取過剩的銅。該吸收材料在超高氣壓條件下包含孔并在銅的熔點(diǎn)溫度下不會(huì)變軟。該吸收材料可以由陶瓷粉如SiC、Si3N4和AL2O3構(gòu)成，但也可以由任何多孔材料形成，該多孔材料提供用于吸收過剩的銅的充分介質(zhì)。其它可用的多孔材料包括WC和ZrO2。通過參考下面的實(shí)例1將進(jìn)一步說明該技術(shù)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方案中，間隙材料可以是碳潤(rùn)濕滲透合金，所述合金中具有低體積百分比含量的碳潤(rùn)濕劑。以這種方式，顯著減少了碳和滲透劑之間的機(jī)械界面，而提供了具有相當(dāng)高的熱導(dǎo)率的滲透劑。例如，好的熱傳導(dǎo)金屬如Ag、Cu或Al會(huì)與碳化物形成劑如Ti形成合金。
除了通過包括具有好的導(dǎo)電性和金剛石潤(rùn)濕特性的滲透合金提供利益之外，可以這樣選擇滲透合金，以使所述合金具有相對(duì)低的共晶熔點(diǎn)。以這種方式，可以避免相關(guān)于在極高溫度和氣壓下處理金剛石顆粒的上述不利。在一個(gè)方案中，所用合金的共晶熔點(diǎn)可以小于約1100℃。在另一個(gè)方案中，熔點(diǎn)可以小于約900℃。
好的碳化物形成元素的例子包括但不限于上述那些。此外，具有高熱導(dǎo)率的材料的例子包括但不限于Ag、Cu和Al。可以使用寬范圍的特定合金，該合金可以獲得希望的熱傳遞和化學(xué)鍵合特性并具有上述溫度內(nèi)的共晶熔點(diǎn)。然而，在本發(fā)明的一個(gè)方案中，滲透合金可以包括碳化物形成元素和至少1wt％到約10wt％的Ag、Cu或Al。在另一個(gè)方案中，碳化物形成元素的量至少占散熱器的約1％w/w。
在另一個(gè)方案中，滲透合金可以包括Cu-Mn合金。Cu-Mn合金可以是Cu-Mn(30％)-Ni(5％)，其熔點(diǎn)為約850℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于過去使用的燒結(jié)溫度。例如熔點(diǎn)為1500℃的Co在用于形成PCD坯塊的HPHT工藝中通常用作燒結(jié)輔助劑。如上所述，該溫度不利于含碳材料的完整性并引起含碳材料的降級(jí)。這對(duì)于金剛石顆粒來說尤其如此。相反，從完整性角度和工藝控制和成本的角度出發(fā)，在約850℃的相對(duì)低的溫度下處理金剛石顆粒更理想。除了上述這些材料以外，本發(fā)明使用的滲透合金可以包括多種其它材料。例如，在本發(fā)明的一個(gè)方案中，可以使用CuAlZr(9％)和CuZr(1％)。雖然Zr不是特別好的熱導(dǎo)體，但在滲透合金中所占的體積相對(duì)小，從而不會(huì)顯著抑制通過散熱器的熱傳導(dǎo)。
通過利用具有相對(duì)低的熔點(diǎn)并具有好的潤(rùn)濕和導(dǎo)電特性的滲透合金，可以提供很好的含碳散熱器。較低的工作溫度導(dǎo)致較低的工作氣壓。由于需要較低的工作氣壓，可以利用本發(fā)明形成厚度比現(xiàn)有技術(shù)方法高很多的含碳散熱器，因?yàn)樾纬蒔CD所需的極高氣壓限制了過去使用的模型的尺寸。例如，在一個(gè)方案中，可以利用本發(fā)明形成厚度大于約1mm的散熱器。在另一個(gè)方案中，根據(jù)本發(fā)明形成的散熱器具有大于等于約2mm的厚度。通過形成具有較大厚度的散熱器，最終的散熱器具有每單位時(shí)間傳遞或傳播更多的熱量的能力，并因此具有顯著更大的冷卻能力。
根據(jù)本發(fā)明形成的散熱器可以根據(jù)需要采用各種結(jié)構(gòu)?？梢愿鶕?jù)將要使用的熱源的特定需要對(duì)如上述形成的含碳材料拋光或成形。與CVD不同，這里的含碳復(fù)合物可以被相對(duì)快速地形成為幾乎任何尺寸。最通常，對(duì)于電子應(yīng)用，散熱器的厚度將在約0.1mm和約1mm之間，或可以在高達(dá)5mm的厚度范圍內(nèi)變化?？梢詫⑸崞餍纬蔀閳A形或橢圓形的盤或四邊形如正方形、矩形或其它形狀的片。熱源可以是產(chǎn)生熱量的任何電子或其它部件。
一旦形成散熱器，則基于設(shè)計(jì)和熱傳遞的原理合適地放置。散熱器可以直接與部件緊密接觸，甚至可以被形成為包圍形式或者被成形為與熱源在大表面區(qū)域上直接接觸?？蛇x地，可以通過熱導(dǎo)管或其它熱傳遞裝置將散熱器從熱源除去。
除了這里公開的散熱器之外，本發(fā)明包括冷卻單元，用于將熱量從熱源傳走。如圖1a所示，根據(jù)這里描述的原理形成的散熱器12可以設(shè)置成與如CPU14的熱源和熱沉16都進(jìn)行熱交換。散熱器將CPU產(chǎn)生的熱量傳遞到熱沉。熱沉可以是本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員公知的多個(gè)熱沉，包括其材料和結(jié)構(gòu)。例如，公知將鋁和銅用作熱沉，以及如圖1a所示，可以具有包括冷卻片18的結(jié)構(gòu)。當(dāng)通過散熱器將熱量快速有效地從CPU傳走時(shí)，熱沉吸收熱量，并且冷卻片幫助將熱量發(fā)散到周圍環(huán)境中。根據(jù)將要獲得的特定結(jié)果，可以使用熱沉、熱源和散熱器之間的多個(gè)接觸結(jié)構(gòu)。例如，可以彼此相鄰地設(shè)置部件，還可以將部件鍵合或耦合在一起。在本發(fā)明的一個(gè)方案中，可以將散熱器焊接到熱沉上。
盡管在圖中將熱沉18示出為包括冷卻片的熱沉，可以理解，本發(fā)明可以使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何熱沉。在美國(guó)專利6,538,892中描述了公知的熱沉的例子，在此引入其作為參考。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，熱沉包括具有內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)流體的熱管。在美國(guó)專利6,517,221中描述了熱管熱沉的例子，在此引入其作為參考。
如圖1b所示，在本發(fā)明的一個(gè)方案中，將散熱器12至少部分嵌入熱沉和/或熱源中。以此方式，不僅將熱量從散熱器的底部傳遞到熱沉，而且將熱量從散熱器的側(cè)面至少部分地傳遞到熱沉。在被嵌入熱沉中之后，可以將散熱器鍵合或焊接到熱沉上。在一個(gè)方案中，可以通過壓緊安裝將散熱器保持在熱沉中。以此方式，在散熱器和熱沉之間不存在鍵合或焊接材料，所述材料會(huì)成為從散熱器到熱沉的有效熱傳遞的障礙。
雖然可以通過各種本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的機(jī)制將散熱器保持在熱沉中，但是在本發(fā)明的一個(gè)方案中，通過熱致壓緊安裝(compression fit)將散熱器保持在熱沉中。在該實(shí)施例中，可以將熱沉加熱到升高的溫度，以擴(kuò)大在熱沉中形成的開口。然后將散熱器裝入該擴(kuò)大的開口中，并將熱沉冷卻。一旦冷卻，具有相對(duì)高的熱膨脹系數(shù)的熱沉將圍繞散熱器收縮，并形成熱致壓緊安裝，所述安裝將散熱器保持為嵌在熱沉中而不需要引入鍵合材料。還可以使用機(jī)械摩擦安裝將散熱器保持在熱沉中。
如圖1c所示，在本發(fā)明的一個(gè)方案中，熱沉可以包括具有內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)流體(未示出)的熱管22。內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)流體可以是任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的，以及在一個(gè)方案中是水或水蒸汽。可以基本上密封熱管以將運(yùn)轉(zhuǎn)流體保持在熱管內(nèi)。散熱器可以被設(shè)置成鄰接熱管，以及在一個(gè)方案中被焊接到熱管上。在圖1c所示的實(shí)施例中，散熱器從熱管的壁突出，從而散熱器的底部直接與運(yùn)轉(zhuǎn)流體接觸?？梢詫⑸崞骱附釉跓峁苤?，如在26處所示，以輔助保持熱管的基本密封的條件。
當(dāng)散熱器直接與運(yùn)轉(zhuǎn)流體接觸時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)流體可以更有效地將熱量從散熱器傳走。在圖1c所示的實(shí)施例中，在此情況下為水(未示出)的運(yùn)轉(zhuǎn)流體接觸散熱器并在吸收來自散熱器的熱量后汽化。然后，水蒸汽可以在熱管的底部凝結(jié)為液態(tài)，此后，由于毛細(xì)作用，液體將移24回到熱管的壁上，并到達(dá)散熱器，在那里液體將再次汽化并重復(fù)該循環(huán)。當(dāng)熱管的壁可以由高熱導(dǎo)率系數(shù)的材料構(gòu)成時(shí)，熱量將從熱管的壁傳到周圍環(huán)境中。
如上所述，組合的含碳顆粒，特別是金剛石也可以被燒結(jié)在一起以形成大部分為碳的基本上燒結(jié)的顆粒的塊。當(dāng)含碳顆粒被燒結(jié)在一起時(shí)，存在連接相鄰碳顆粒的碳橋。上述組合方法可以增加初始的碳組合效率。通過在連續(xù)的步驟中組合不同大小的含碳顆粒，可以使組合效率增加到約80體積％。然而，因?yàn)闆]有碳-碳鍵合，組合效率達(dá)到極限。因此，為了進(jìn)一步增加組合效率和熱導(dǎo)率，必須將含碳顆粒燒結(jié)在一起。此外，當(dāng)將含碳顆粒燒結(jié)在一起使得存在連接相鄰碳顆粒的碳橋時(shí)，為熱流提供了無阻礙的路徑。通過此方法，熱量可以快速通過含碳散熱器，而沒有在僅僅是緊密接觸的單個(gè)顆粒之間的界面處變慢。
為了將金剛石顆粒燒結(jié)在一起，必須在金剛石的穩(wěn)定區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行加熱，否則，金剛石將轉(zhuǎn)變成更穩(wěn)定形式的石墨。美國(guó)專利3,574,580、3,913,280、4,231,195以及4,948,388中更加詳細(xì)地說明了該過程，并在此引入作為參考。對(duì)金剛石的燒結(jié)通常在非常高的氣壓下進(jìn)行。通常，需要大于約4GPa到約8GPa的氣壓，盡管已經(jīng)開發(fā)了少數(shù)方法來降低該氣壓需要，例如美國(guó)專利4,231,195。更典型的燒結(jié)氣壓是約5到約6GPa。在該氣壓下，通過公知的液相燒結(jié)的機(jī)制將金剛石顆粒燒結(jié)在一起。
可以提供間隙材料用作金剛石或含碳顆粒的燒結(jié)輔助劑。在此過程中，間隙材料(例如Fe、Co、Ni、Si、Mn、Cr)可以將金剛石顆粒潤(rùn)濕。由于溶解度在所述氣壓下增加，金剛石將溶解在該間隙材料中。在金剛石顆粒的接觸點(diǎn)處的局部氣壓較高，從而金剛石顆粒將首先在這些點(diǎn)處溶解。相反，在金剛石顆粒之間的初始空隙中的氣壓較低，從而以碳原子的形式溶解在熔融液態(tài)中的金剛石將在空隙中析出為金剛石。因此，金剛石的接觸點(diǎn)將逐漸溶解，以及在金剛石顆粒之間的空隙中將逐漸填滿析出的金剛石。結(jié)果是，使金剛石顆粒超過了初始的接觸點(diǎn)而更加靠近，并基本上消除了初始的空隙，從而形成了金剛石成分在約70體積％和約98體積％之間的金剛石結(jié)構(gòu)。此外，不像上述低壓過程，金剛石顆粒不會(huì)經(jīng)歷任何降級(jí)，因?yàn)闇囟群蜌鈮簵l件在金剛石的穩(wěn)定區(qū)域。
超高壓燒結(jié)金剛石的最終產(chǎn)物是多晶體金剛石(PCD)，其中將剩余金剛石顆粒燒結(jié)在一起。在該結(jié)構(gòu)中，初始金剛石顆粒的結(jié)構(gòu)大部分消失，而是形成了顯著的金剛石-金剛石橋。如果可以幾乎完全地實(shí)現(xiàn)金剛石燒結(jié)，整個(gè)塊將由包括小團(tuán)非金剛石材料的金剛石構(gòu)成，所述非金剛石材料被包括在PCD內(nèi)部的初始空隙中。這種結(jié)構(gòu)將包括大于95體積％的連續(xù)結(jié)構(gòu)金剛石，因此導(dǎo)熱效率很高并達(dá)到了純金剛石的熱學(xué)特性。
該超高壓方法還可以用于這樣的含碳復(fù)合物散熱器，其通過在上述熱壓的情況下，在較低氣壓(＜2GPa)下將金屬燒結(jié)在一起而形成。該超高壓方法還可以用于固化合碳復(fù)合物散熱器，以將碳含量增加為超過只通過熱壓獲得的碳含量。
根據(jù)本發(fā)明的方法適合超高壓制造散熱器的間隙材料包括Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Mn、W、La、Ce和這些材料的混合物或合金。不是所有的這些材料可以充當(dāng)燒結(jié)輔助劑。
在本發(fā)明的另一個(gè)方案中，提供吸收材料如陶瓷以加速對(duì)燒結(jié)輔助劑的去除。如上所述，該吸收材料是多孔的、并在用于燒結(jié)金剛石顆粒的超高壓下不會(huì)變軟。該吸收材料最通常是陶瓷粉末如SiC、Si3N4和Al2O3，但可以是能夠用于吸收過剩的燒結(jié)輔助劑材料的任何多孔介質(zhì)。其它可用的多孔材料包括WC和ZrO2。
除了上述系統(tǒng)和裝置之外，本發(fā)明還提供了制造散熱器的方法，所述方法可以包括以下步驟，提供多個(gè)含碳顆粒；以及利用如上述各種方案中描述的不含碳滲透劑滲透多個(gè)含碳顆粒，從而形成導(dǎo)熱塊。在另一個(gè)方案中，提供了冷卻熱源的方法，該方法包括，提供如上述各種方案中描述的散熱器，以及設(shè)置散熱器與熱源和熱沉都進(jìn)行熱交換。
下面的實(shí)例呈現(xiàn)出制造本發(fā)明的散熱器的各種方法。這些實(shí)例只是為了說明，而并不意味著對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。
實(shí)例實(shí)例1金剛石顆?？梢耘c粉末銅混合以形成混合物。然后冷壓該混合物以形成毛坯(slug)。提供由難熔金屬(例如Ti、Zr、W、Mo、Ta)構(gòu)成的薄壁模型。首先將具有粗顆粒尺寸(例如40/50目)的陶瓷顆粒(例如SiC、Si3N4和Al2O3)置于模型中，然后用金剛石-銅毛坯覆蓋陶瓷顆粒。然后將樣品組件置于高壓?jiǎn)卧?，并將氣壓設(shè)到高于5GPa。然后通過使電流流過包圍樣品組件的加熱管，將組件加熱到高于1200℃。在該溫度和氣壓下，銅熔化并從金剛石顆粒之間被擠出。液態(tài)銅流到容納陶瓷顆粒的模型的底部。陶瓷顆粒包含充足的空孔以容納液態(tài)銅。這樣，金剛石顆粒被部分?jǐn)D壓并基本上填充了銅留下的空間。從而獲得了高金剛石含量(例如85體積％)的散熱器。部分銅保留在復(fù)合物材料中，并與金剛石鍵合以將顆粒保持在一起。
由于缺少金剛石-金剛石橋，上述銅接合的金剛石復(fù)合物沒有達(dá)到PCD中的燒結(jié)的金剛石的高達(dá)95體積％的金剛石含量，但是它的金剛石含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通過電沉積或熱壓所獲得的。因此，熱導(dǎo)率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本發(fā)明的低壓金剛石復(fù)合物散熱器。此外，當(dāng)與PCD相比時(shí)銅的高熱導(dǎo)率部分補(bǔ)償了較低的金剛石含量(約80體積％)，而PCD包含熱導(dǎo)率低于銅的碳溶劑金屬例如Co。
已經(jīng)常規(guī)地制造了PCD，但是PCD通常被設(shè)計(jì)并專門用于機(jī)械功能，例如切割工具、鉆頭和布線制圖硬模。為了改善機(jī)械磨光并增加機(jī)械強(qiáng)度(例如沖撞強(qiáng)度)，PCD由非常精細(xì)的金剛石粉末構(gòu)成。最好的PCD包含非常精細(xì)的金剛石顆粒，如亞微米尺寸(例如由日本的Sumitomo ElectricCompany制造的)。通過在散熱器中使用PCD，機(jī)械特性變得不重要了。代替沖撞強(qiáng)度和表面磨光，主要關(guān)心金剛石組合效率和熱學(xué)特性。這樣，用于散熱器的PCD的設(shè)計(jì)有別于常規(guī)的研磨應(yīng)用。特別是，本發(fā)明的金剛石顆粒具有相對(duì)大的顆粒尺寸，以及滲透劑或燒結(jié)輔助劑需要高的熱導(dǎo)率，而不是常規(guī)PCD中的機(jī)械粗糙度。
為了改善散熱器的熱傳遞效率，最小化金剛石顆粒的顆粒邊界，這與常規(guī)的金剛石復(fù)合物的設(shè)計(jì)相反，在所述常規(guī)設(shè)計(jì)中最大化顆粒邊界。較大金剛石顆粒的使用不僅減少了使熱傳遞降低的顆粒邊界，而且適合增加金剛石組合效率，并進(jìn)一步增加了熱導(dǎo)率。因此，該設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以應(yīng)用于這里所述的所有的金剛石和金剛石復(fù)合物散熱器。
實(shí)例2將直徑為約20mm的圓形孔形式的接觸腔形成為底部平坦的鋁熱沉，所述熱沉具有通過風(fēng)扇冷卻的散熱片。將熱沉加熱到約200℃的溫度以擴(kuò)大接觸腔，然后將直徑為約20mm的金剛石復(fù)合物散熱器插入接觸腔。一旦冷卻，鋁熱沉的較高的熱膨脹系數(shù)收縮將把金剛石復(fù)合物散熱器緊緊地壓在接觸腔中。研磨金剛石復(fù)合物散熱器的上表面，以除去由收縮安裝形成的任何碎片。設(shè)置散熱器與芯片或CPU接觸，并通過散熱器將熱量傳入熱沉，熱量從散熱器的底部和側(cè)面?zhèn)魅霟岢痢?br> 實(shí)例3將50/60目的金剛石顆粒進(jìn)行酸清洗并裝入圓柱形的鉭(tatalum)杯中。將無氧銅盤置于金剛石顆粒的頂部。在2000噸立方壓下將裝料氣壓設(shè)為5.5GPa，利用6個(gè)砧板(anvil)壓向容納裝料的葉蠟石(pyrophllite)立方體。將電流通過包圍裝料的石墨管。在1150℃的溫度下，使熔融銅滲透通過金剛石顆粒。一旦冷卻并減壓，研磨裝料以除去鉭(tatalium)容器以及金剛石-銅復(fù)合物的上表面和下表面。最終的盤的直徑為37mm，厚度為2mm。金剛石含量為約82V％。最終的金剛石-銅散熱器的熱傳遞速率是純銅的1.5-2倍。
實(shí)例4根據(jù)實(shí)例3制造散熱器，除了使用濃度為約1wt％的Cu-Zr來改善銅和金剛石的潤(rùn)濕特征。
實(shí)例5將石墨薄片(grafoil)置于鋁容器中，并用30/40金剛石晶體覆蓋。通過使用平板將晶體壓入石墨薄片。將AgCuSnTi薄片置于金剛石/石墨薄片混合物的頂部。在真空爐中將組件加熱到950℃，持續(xù)15分鐘。從而形成合金滲透金剛石-石墨。
實(shí)例6將30/40目的金剛石顆粒(約500微米)與黃銅粉末(約20微米)混合以獲得50％的體積效率。將混合物熱壓在石墨模型中至40MPa(400個(gè)大氣壓)的氣壓，并加熱到750℃持續(xù)10分鐘。獲得直徑為30mm、厚度為3mm的金剛石金屬復(fù)合物盤。
實(shí)例7將30/40目的金剛石顆粒與鋁粉末混合并裝入氧化鋁盤中。將裝料在10-5torr的真空爐中加熱到700℃持續(xù)5分鐘，從而使鋁熔化。在冷卻之后，獲得了金剛石鋁復(fù)合物。
實(shí)例8將30/40目的金剛石置于石墨模型中，并用約325目的NICROBRAZLM(Wall Colmonoy)粉末覆蓋。將裝載物(load)在10-5torr的真空爐中加熱到1010℃持續(xù)12分鐘。熔融Ni-Cr合金滲入金剛石顆粒而形成金剛石金屬復(fù)合物。
實(shí)例9將30/40目的金剛石置于石墨模型中并用碎硅晶片覆蓋。將裝載物在10-5torr的真空爐中加熱到1470℃持續(xù)9分鐘。熔融Si滲入金剛石顆粒以形成復(fù)合物。
實(shí)例10將30/40目的金剛石置于石墨模型中并攪動(dòng)。然后將220/230目的金剛石置于該模型中并輕輕地?cái)噭?dòng)直到大多數(shù)空隙被較小顆粒填充。然后用約325目的NICROBRAZ LM(Wall Colmonoy)粉末覆蓋組合的金剛石。將裝載物在10-5torr的真空爐中加熱到1010℃持續(xù)12分鐘。熔融Ni-Cr合金滲入金剛石顆粒而形成金剛石金屬復(fù)合物。
實(shí)例11將30/40目的金剛石圍繞陰極組合并浸入包含銅離子的酸浴中。在電流通過之后，銅逐漸沉積在這些金剛石顆粒的孔中。從而獲得金剛石銅復(fù)合物。
實(shí)例12將基本上為立方系的20/25目的金剛石顆粒(由De Beers制造的SDA-100S)在氧化鋁盤上邊緣-邊緣對(duì)準(zhǔn)，以形成約40mm2的單層金剛石顆粒。將0.7mm厚的硅晶片置于該層顆粒上。然后將組件置于真空爐中并抽到10-5torr。然后將溫度上升到1,450℃持續(xù)15分鐘。硅熔化并滲透到金剛石顆粒之間。冷卻之后，加工復(fù)合物以除去過剩的硅。獲得了約0.8mm的金剛石散熱器。該散熱器包含約90體積％的金剛石。使用基本上立方系的顆粒使金剛石含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使用上述連續(xù)組合方法常規(guī)獲得的。
實(shí)例13將40/50目的金剛石顆粒與Si和Ti粉末的混合物混合，并將全部混合物裝載到石墨模型中，再將該石墨模型裝到鈦加熱管中。然后將組件置于葉蠟石塊的中間。將該決裝在立方壓中并承受5.5GPa的氣壓。通過在鈦管中流過電流來加熱。當(dāng)硅熔化后，硅溶解鈦，且二者流到金剛石顆粒周圍。然后金剛石顆粒在硅液的幫助下燒結(jié)。在淬火和減壓后，將金剛石復(fù)合物與葉蠟石和其它氣壓媒介分離。獲得了金剛石含量為92體積％的金剛石復(fù)合物。形成20個(gè)這樣的金剛石復(fù)合物，每個(gè)的尺寸為20mm的直徑和3mm的厚度。通過金剛石砂輪拋光這些金剛石復(fù)合物盤，并測(cè)量出其熱導(dǎo)率是銅的約兩倍。
當(dāng)然，應(yīng)該理解，上述配置只是為了說明本發(fā)明的原理的應(yīng)用。只要不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)各種修改和替換設(shè)置，所附權(quán)利要求書旨在包括這些修改和設(shè)置。這樣，雖然根據(jù)目前認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的本發(fā)明的實(shí)施例詳細(xì)并具體地說明了本發(fā)明，但是對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的是，在不偏離這里所述的原理和概念下可以進(jìn)行多種修改，所述修改包括但不限于如下物理量的變化尺寸、材料、形狀、形式、功能以及操作、組裝和使用的方式。
權(quán)利要求
1.一種散熱器，包括多個(gè)含碳顆粒，每個(gè)所述含碳顆?；旧吓c至少一個(gè)其它所述含碳顆粒接觸；以及不含碳材料，其基本上與所述多個(gè)含碳顆粒結(jié)合成復(fù)合物塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱器，其中所述含碳顆粒是金剛石顆粒。
3.一種散熱器，包括多個(gè)金剛石顆粒，其中每個(gè)所述金剛石顆?；旧吓c至少一個(gè)其它所述金剛石顆粒燒結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3的散熱器，其中所述金剛石顆粒相互充分接觸以提供連續(xù)金剛石-金剛石路徑，所述路徑通到基本上每個(gè)所述金剛石顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的散熱器，其中所述金剛石顆粒的量占所述散熱器的約50體積％至約80體積％之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的散熱器，其中所述金剛石顆粒的量占所述散熱器的約70體積％至約98體積％之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2的散熱器，其中所述不含碳材料是選自如下的材料Fe、Ni、Co及其混合物或合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的散熱器，其中所述不含碳材料是選自如下的Ni合金Ni-Cr-B和Ni-Cr-P。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的散熱器，其中所述不含碳材料是選自如下材料的Fe、Ni或Co合金Ti、Zr和Cr。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2的散熱器，其中所述不含碳材料是選自如下元素的Si合金Ni、Ti、Al和Cr。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2的散熱器，其中所述不含碳材料包括至少50重量％的選自如下的元素Si、Ti、Fe、Co、Ni、Cu、Mn、W、La、Ce及其混合物或合金。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的散熱器，其中所述含碳顆粒的量占所述散熱器的至少約50體積％；以及所述不含碳材料的量占所述散熱器的至少約5體積％，所述不含碳材料包括選自如下的元素Cu、Al和Ag。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的散熱器，其中所述含碳顆粒的量占所述散熱器的至少約80體積％。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的散熱器，其中所述含碳顆粒的量占所述散熱器的至少約90體積％。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的散熱器，其中所述含碳顆粒是金剛石顆粒。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的散熱器，其中所述金剛石顆粒是無涂層的金剛石顆粒。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的散熱器，其中所述不含碳材料主要包括Cu、Al或Ag。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的散熱器，其中所述不含碳材料包括占其約1％w/w到約10％w/w的碳化物形成元素。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的散熱器，其中所述碳化物形成元素的量為至少約1％w/w。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的散熱器，其中所述碳化物形成元素選自于如下Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Cr、Mo、Mn、Ta、W、Tc、Si、B、Al及其合金。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的散熱器，其中所述碳化物形成元素是Cu-Mn合金。
22.根據(jù)權(quán)利要求12的散熱器，其中所述不含碳材料是共晶熔點(diǎn)低于約1100℃的合金。
23.根據(jù)權(quán)利要求12的散熱器，其中所述不含碳材料是使所述含碳顆粒潤(rùn)濕的合金。
24.根據(jù)權(quán)利要求15的散熱器，其中所述不含碳材料包括至少約2％w/w的碳化物形成劑。
25.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或12中任一權(quán)利要求的散熱器，其中所述散熱器的厚度大于約1毫米。
26.一種冷卻單元，用于從熱源將熱量傳走，所述單元包括熱沉；以及根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或12中任一權(quán)利要求的散熱器，其被設(shè)置為與所述熱沉和所述熱源都進(jìn)行熱交換。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的冷卻單元，其中所述散熱器至少部分嵌在所述熱源中。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的冷卻單元，其中所述散熱器至少部分嵌在所述熱沉中。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的冷卻單元，其中所述散熱器通過壓緊安裝被保持在所述熱沉中。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的冷卻單元，其中將所述散熱器保持在所述熱沉中的所述壓緊安裝是熱致壓緊安裝。
31.根據(jù)權(quán)利要求26的冷卻單元，其中所述散熱器被焊接到所述熱沉上。
32.根據(jù)權(quán)利要求26的冷卻單元，其中所述熱沉包括具有內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)流體的熱管。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的冷卻單元，其中所述散熱器從所述熱管的壁突出，并具有與所述熱管的所述運(yùn)轉(zhuǎn)流體直接接觸的底部表面。
34.一種制造散熱器的方法，包括以下步驟提供多個(gè)含碳顆粒；以及利用根據(jù)權(quán)利要求12或17-23中任一權(quán)利要求的不含碳材料滲透所述多個(gè)含碳顆粒，以形成熱傳導(dǎo)塊。
35.一種冷卻熱源的方法，包括以下步驟提供根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或12中任一權(quán)利要求的散熱器；以及將所述散熱器設(shè)置成與所述熱沉和所述熱源都進(jìn)行熱交換。
36.一種制造散熱器的方法，包括以下步驟提供具有第一平均目尺寸的第一組多個(gè)金剛石顆粒；組合所述金剛石顆粒，以使每個(gè)所述金剛石顆?；旧吓c至少一個(gè)其它所述金剛石顆粒接觸；提供不含碳材料；以及鍵合所述組合的金剛石顆粒和所述不含碳材料，使得所述不含碳材料至少部分填充所述組合的金剛石顆粒之間的任何空隙。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中通過所述不含碳材料的滲透來進(jìn)行所述鍵合步驟，其中在低于約1100℃的溫度下進(jìn)行所述滲透。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中通過所述不含碳材料的滲透來進(jìn)行所述鍵合步驟，其中在氣壓低于約10-3torr的真空爐中進(jìn)行所述滲透。
39.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所述組合步驟還包括，在提供所述不含碳材料之前將所述金剛石組合為占所述散熱器的50體積％以上。
40.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所述金剛石顆粒彼此充分接觸以提供連續(xù)金剛石-金剛石路徑，所述路徑通到基本上每個(gè)所述多個(gè)金剛石顆粒。
41.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，還包括以下步驟在所述鍵合步驟之前提供多孔陶瓷材料；以及在所述鍵合步驟之前將所述陶瓷材料鄰接所述組合的金剛石顆粒地放置。
42.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述陶瓷材料包括至少50體積％的選自如下的材料SiC、Si3N4、Al2O3、WC和ZrO2。
43.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中所述不含碳材料是銅，以及其中在約4GPa和約6GPa之間的氣壓下進(jìn)行所述鍵合步驟。
44.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述不含碳材料是選自如下的材料Fe、Ni、Co及其混合物或合金。
45.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中所述不含碳材料是選自如下的Ni合金Ni-Cr-B和Ni-Cr-P。
46.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中所述不含碳材料是選自如下材料的Fe、Ni或Co合金Ti、Zr和Cr。
47.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述不含碳材料是選自如下材料的Si合金Ni、Ti、Al和Cr。
48.一種將熱量從熱源除去的方法，包括以下步驟提供根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或12中任一權(quán)利要求的散熱器；以及放置所述散熱器與所述熱源有效連接。
49.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中所述熱源是CPU。
50.一種制造金剛石散熱器的方法，包括以下步驟提供具有第一平均目尺寸的第一組多個(gè)金剛石顆粒；組合所述金剛石顆粒，以使所述金剛石顆粒相互緊密接觸；提供不含碳材料；以及在存在所述不含碳材料的情況下，在約4GPa和約8GPa之間的氣壓下燒結(jié)所述多個(gè)金剛石顆粒，以使所述金剛石顆粒至少部分燒結(jié)在一起，從而提供金剛石成分占約70體積％至約98體積％的基本上燒結(jié)的金剛石顆粒塊。
51.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其中所述不含碳材料選自于如下Si、Ti、Ni、Fe、Co、Cu、Mn、Cr、Al、La、Ce及其混合物或合金。
52.根據(jù)權(quán)利要求50的方法，其中所述金剛石散熱器的金剛石成分占約90體積％至約98體積％之間。
53.根據(jù)權(quán)利要求35或50的方法，還包括如下步驟，將第二組多個(gè)金剛石顆粒添加到所述組合的金剛石顆粒中，其中所述第二組多個(gè)金剛石顆粒的第二平均目尺寸小于所述第一平均目尺寸，以使所述第二組多個(gè)金剛石顆粒部分填充所述較大顆粒之間的空隙，從而形成金剛石占約50體積％和約80體積％之間的組合的金剛石聚集物。
全文摘要
一種散熱器，包括多個(gè)含碳顆粒，每個(gè)基本上與至少一個(gè)其它含碳顆粒接觸。不含碳材料基本上與多個(gè)含碳顆粒結(jié)合成復(fù)合物塊。含碳顆粒是金剛石顆粒。含碳顆粒的量占散熱器的至少約體積50％。不含碳材料的量占散熱器的至少約5體積％。不含碳材料包括選自如下的元素Cu、Al和Ag。在另一個(gè)方案中，散熱器包括多個(gè)金剛石顆粒，其中每個(gè)金剛石顆?；旧吓c至少一個(gè)其它金剛石顆粒燒結(jié)。
文檔編號(hào)H01L23/373GK1703776SQ200380101053
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2003年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月11日
發(fā)明者宋簡(jiǎn)民 申請(qǐng)人:宋簡(jiǎn)民