專利名稱：散熱片及其制造方法
技術領域：
本發明涉及在空氣中散發電子元件如計算機CPU芯片及類似物產生的熱量的散熱片及其制造方法，具體來說，涉及采用碳纖維制成的針狀翼片作為翼片的散熱片及其制造方法。
背景技術：
在近年來的電子器件中，由于高度集成及加速電子元件的熱量值一直在顯著增加，因而必須將產生的熱量有效地從電子元件散發到外部。為了有效地將熱量從電子元件散發到空氣中，增加散熱面積是有效的。作為增加散熱面積的一個實例，例如，已經知道使用散熱片作為電子器件的冷卻結構。
散熱片是用具有高導熱性的金屬制成的，并能夠從風扇向散熱片的表面送出空氣而施加冷卻作用。一種散熱片是鋁壓鑄產品，在許多情形中它能夠以低成本制造。但是，當散熱片是鋁壓鑄產品時，為了使從模具的拉出容易，翼片的間距和厚度不能被減小。另外，在用其它材料制成的散熱片的情形中，象鋁壓鑄產品一樣，從制造方法及成本的觀點來看，散熱面積的增大是有限的，這是改善冷卻性能的障礙。
如上所述，為了有效地在空氣中散發來自電子元件的熱量，散熱片最好具有高導熱性和大的散熱面積。為了滿足這些性能，已經有人提出具有碳纖維制成的針狀翼片的散熱片(例如，日本專利申請公開文本第8-303978(1996)號)。在這種散熱片的結構中，許多碳纖維被硬焊在金屬基片上以便被植絨。另外，用于制造這種散熱片的方法為首先在片狀基片上涂覆粘合劑，以便臨時聚積碳纖維而形成臨時植絨的基片。然后，植絨在臨時植絨的基片上的碳纖維的末端和被植絨的金屬基片通過金屬硬焊材料被固定，以便將臨時植絨的基片的碳纖維轉移附著在被植絨的金屬基片上。
在日本專利申請公開文本第8-3039 78(1996)號的方法中，由于碳纖維不易與金屬硬焊材料相容，因而難于將碳纖維附著在被植絨的金屬基片上。另外，甚至當被附著時，由于碳纖維和被植絨的金屬基片的結合較弱，存在的問題是碳纖維易于因振動或沖擊而從被植絨的金屬基片脫落。另外，在這樣制造的散熱片中，由于碳纖維和被植絨的金屬基片之間的熱阻大，因而也存在不能獲得高冷卻性能的問題。

發明內容
鑒于上述情形做出了本發明，本發明的目的是提供一種在碳纖維和基片具有牢固的機械連接的散熱片及其制造方法。
本發明的另一個目的是提供一種能夠施加高冷卻性能的散熱片及其制造方法。
本發明的散熱片的特征在于在許多碳纖維設置在基片上的散熱片中，碳纖維被鍍上金屬，碳纖維的末端與基片被硬焊起來。本發明的散熱片被構制成使具有鍍上了金屬的表面的碳纖維被硬焊固定在基片上。由于碳纖維的表面鍍有金屬，因而當碳纖維和基片進行硬焊時，碳纖維的表面變得易于被金屬硬焊材料浸潤，碳纖維易于固定在基片上，碳纖維和基片之間的機械連接牢固。另外，碳纖維和基片間的熱阻小。因此，在來自電子元件的熱量被傳至基片后，熱量以很小的熱阻傳至碳纖維，熱量從碳纖維的表面散入空氣中，因而冷卻性能高。
在本發明的散熱片中，在上述結構中，用于鍍金屬的材料最好是從下述組中選擇的一種或多種金屬，或者是含有從該組選擇的一種或多種金屬的合金，所述組由Cu，Ni，Au，Sn，Ag，Pd和Pt。在本發明的散熱片中，碳纖維的表面鍍有Cu，Ni，Au，Sn，Ag，Pd和Pt中的一種或多種金屬，或者鍍有含有這些元素中的一種或多種金屬的合金。因此，用于連接的硬焊材料間的浸潤性更好，而且碳纖維和基片之間的熱阻很小。
在本發明的散熱片中，在上述結構中，基片的材料最好從由Cu，Al和陶瓷的組中選擇。基片由具有較好導熱性的材料如Cu，Al，陶瓷和類似物構成。因此，來自電子元件的熱量可有效地從基片傳至碳纖維。
本發明的用于制造散熱片的方法是用于制造許多碳纖維設置在基片上的一種散熱片的方法，該方法包括使許多碳纖維承受金屬鍍處理的步驟、將鍍有金屬的碳纖維的一端臨時附著在臨時基片上的步驟和將碳纖維的未被臨時附著的另一端硬焊固定在基片上的步驟。在具有鍍有金屬的表面的碳纖維的一端被臨時附著在臨時基片上以后，碳纖維的另一端被硬焊固定在基片上以制造散熱片。因此，易于制造具有上述性質的散熱片。
本發明的制造散熱片的方法是用于制造許多碳纖維設置在基片上的散熱片的方法，該方法包括將許多碳纖維的一端臨時附著在臨時基片上的步驟、使臨時附著的碳纖維的另一端部承受金屬鍍處理的步驟和將碳纖維的鍍有金屬的另一端硬焊固定在一基片上的步驟。在碳纖維的一端被臨時附著在臨時基片上之后，碳纖維的另一端部承受金屬鍍處理，碳纖維的另一端被硬焊固定在基片上以制造散熱片。因此，易于制造具有上述性質的散熱片。
通過對照以下附圖的詳細描述可更全面地理解本發明的上述的和進一步的目的和特征。


圖1是表示本發明的散熱片的結構的一個實例的視圖，圖2是表示本發明的散熱片的結構的另一實例的視圖，圖3A至3G是表示本發明的制造散熱片的方法的過程的一個實例的視圖，以及圖4A至4F是表示本發明的制造散熱片的方法的過程的另一實例的視圖。
具體實施例方式
下面參閱表示本發明實施例的附圖具體描述本發明。圖1是表示本發明的散熱片10的結構的一個實例的視圖。
在圖1中，附圖標記1代表例如用Cu板制成的基片，附圖標記2代表許多碳纖維，所述碳纖維的表面鍍有金屬鍍層3，例如Cu鍍層。每根碳纖維2的末端通過如焊料構成的硬焊材料4附著在基片1上。
例如，Mitsubishi Chemical Functional Products Inc.制造的Dialead(K223 HG)可以用作碳纖維2，但是，碳纖維并不局限于此，只是碳纖維具有高導熱性即可。另外，碳纖維2具有10μm至1mm的換算直徑(conversion diameter)及5至100的縱橫比(aspect ratio)。當碳纖維2具有這樣的尺寸時，在靜電植絨中很容易使碳纖維流動。在本文中，“換算直徑”是指將纖維的橫截面積換算成具有相同橫截面積的圓的直徑而得到的值，“縱橫比”是指纖維的長度除以其厚度而得到的值。
本發明的散熱片10被構制成使表面具有金屬鍍層3(Cu鍍層)的碳纖維2用硬焊材料(焊料)4硬焊固定在基片1(Cu板)上。由于碳纖維2的表面鍍有金屬，因而在碳纖維2和基片1之間硬焊時，碳纖維2表面上的金屬鍍層3和硬焊材料4易于浸潤，碳纖維2易于固定在基片1上，碳纖維2和基片1之間的機械連接牢固。
另外，金屬鍍層3和硬焊材料4介入碳纖維2和基片1之間，其間熱阻很小。因此，在來自電子元件的熱量傳至基片1以后，熱量以很小的熱阻傳至碳纖維2，熱量從碳纖維2的表面散入空氣中，因而散熱片10的冷卻性能得到顯著改善。
圖2是表示本發明的散熱片10的結構的另一實例的視圖。在圖1所示的實例中，金屬鍍層3(Cu鍍層)設置在碳纖維2的整個表面上，但是，在圖2的實例中，金屬鍍層3(Cu鍍層)只在與由焊料構成的硬焊材料4接觸的部分(末端部分)設置。在圖2所示的實例中，除了具有與圖1所示實例相同的效果以外，由于金屬鍍層3的量可以減少，從而可以降低成本。
如上所述，在本發明的散熱片10中，由于鍍有金屬的碳纖維2被硬焊固定在基片1上，因而在碳纖維2和基片1之間進行硬焊時，碳纖維2的表面易于被金屬硬焊材料4浸潤，碳纖維2可以容易地固定在基片1上，可使碳纖維2和基片1之間的機械連接牢固。另外，由于碳纖維2和基片1之間的熱阻小，因而在來自電子元件的熱量傳至基片1以后，熱量以很小的熱阻傳至碳纖維2，并且熱量從碳纖維2的表面散入空氣中，因此，冷卻性能可以得到顯著改善。
下面描述制造散熱片10的方法。圖3A至3G是表示制造本發明的散熱片10的方法的過程的一個實例的視圖。
首先，使許多已被切短的碳纖維2(例如，長度為6mm，直徑為10μm，傳熱性為620W/mk)承受金屬鍍處理(例如，無電鍍銅處理)(圖3A，3B)。然后，經過金屬鍍(鍍銅)處理帶有金屬鍍層3(Cu鍍層)的表面的碳纖維2借助靜電植絨法豎直地設置在平板狀臨時基片11上，碳纖維2的一端臨時地借助粘合劑12附著在臨時基片11上(圖3C，3D)。
任何臨時基片如不銹鋼板、Al，Cu及類似物的金屬板和具有熱阻的玻璃布基片-環氧樹脂基片可以用作臨時基片11，只是它是具有大約200℃的熱阻的材料板即可，200℃是焊接溫度。另外，熱塑性合成樹脂粘合劑如聚丙烯酸樹脂、聚氨酯樹脂、多乙酸乙烯酯樹脂和類似物可用作用于臨時固定的粘合劑12，并且可以使用可溶性粘合劑，從而在后處理中可以容易地進行碳纖維2和臨時基片11的分離。可以使用已知方法(例如，日本專利申請公開文本第6-24793(1994)號中公開的植絨法)作為靜電植絨方法，向上方法(up method)和向下方法(down method)都可以使用，但是鑒于附著強度，纖維的找齊及纖維的豎直狀態，向上方法更為理想。
然后，使碳纖維2的未臨時附著的另一端與表面涂有作為硬焊材料的焊膏13的基片1(例如Cu板)接觸，在這種狀態中，硬焊材料(焊料)被熔化并冷卻，以便硬焊(焊接)碳纖維2和基片1(Cu板)(圖3E，3F)。當碳纖維2鍍有銅作為硬焊材料，且Cu板被用作基片1時，可以使用Sn-Pb焊膏和在普通電子元件封裝中使用的Sn-Ag焊膏。在這種狀態中可以使用熱板、紅外線回流爐、熱風回流爐或類似物進行硬焊材料的加熱，在任何情形中，在大致加熱至焊料的熔點+(30至100)℃之后進行冷卻，可以牢固連接碳纖維2和基片1(Cu板)。
最后，在基片1(Cu板)和碳纖維2的機械和熱連接完成之后，將其浸入溶劑如乙醇、丙酮和類似物中，以便將被臨時附著的臨時基片11從碳纖維2剝離，從而制成如圖1所示的散熱片10。另外，當使用熱塑性樹脂制成的粘合劑作為粘合劑12時，可將其再次加熱，以便使臨時基片11與碳纖維2剝離。
在本發明的這種制造散熱片的方法中，使許多碳纖維2承受金屬鍍處理，鍍有金屬的碳纖維2的一端被臨時附著在臨時基片11上，碳纖維2的未被臨時附著的另一端被硬焊固定在基片1上，因而可容易地制成具有上述效果的散熱片。
圖4A至4F是表示本發明的制造散熱片10的方法的過程的另一實例的視圖。首先，制備許多被切短的碳纖維2(例如，長度為6mm，直徑為10μm，傳熱性為620W/mk)，借助靜電植絨法將這些碳纖維2豎直地設置在平板狀的臨時基片11上，使用粘合劑12將碳纖維2的一端附著在臨時基片11上(圖4A，4B)。臨時基片11的材料、粘合劑12的材料和靜電植絨的過程與圖3A至3D所示相同。
然后，碳纖維2的未被臨時附著的另一端的部分被浸入鍍液中進行金屬鍍處理，以便在碳纖維2的所述另一端的部分的表面上開成金屬鍍層3(Cu鍍層)(圖4c)。然后，使碳纖維2的未被臨時附著的且其上形成金屬鍍層3(Cu鍍層)的另一端與表面涂有作為硬焊材料的焊膏的基片1(如銅板)接觸，在這種狀態中，將硬焊材料(焊料)熔化并冷卻，以便硬焊(焊接)碳纖維2和基片1(銅板)(圖4D，4E)。硬焊材料的用料和加熱硬焊材料的方法與圖3E和3F所示相同。
最后，在基片1(銅板)和碳纖維2之間的機械和熱連接完成以后，將其浸入溶劑如乙醇、丙酮和類似物中，以便將使臨時附著的臨時基片11與碳纖維2剝離，從而制成圖2所示的散熱片10(圖4F)。當使用熱塑性樹脂制成的粘合劑作為粘合劑12時，可將其再次加熱，以便使臨時基片11與碳纖維2剝離。
在本發明的這種制造散熱片的方法中，由于碳纖維2的一端被臨時附著在臨時基片11上，使被臨時附著的碳纖維2的另一端的部分承受金屬鍍處理，將鍍有金屬的碳纖維2的另一端硬焊固定在基片1上，以便制成散熱片10，因而可以容易地制成具有上述效果的散熱片。
在上述方法實例中，在基片1(銅板)上設置焊膏13，但是，焊膏13可以設置在碳纖維2的未被臨時附著的另一端上，碳纖維2可以連接于基片1(銅板)。
在前述實例中，在碳纖維2上的金屬鍍是銅鍍。但是，這只是一個實例，可以使用從下述組中選擇的一種或多種金屬或含有從該組中選擇的一種或多種金屬的合金作為金屬鍍的材料，所述組是由Cu，Ni，Au，Sn，Ag，Pd和Pt構成的。在本發明的散熱片10中，由于使用從Cu，Ni，Au，Sn，Ag，Pd和Pt構成的組中選擇的一種或多種金屬或含有從該組中選擇的一種或多種金屬的合金作為金屬鍍的材料，因而與用于連接的硬焊材料的浸潤性較好，碳纖維2和基片1之間的熱阻很小。
使用銅板作為基片1，但這只是一個實例，也可以使鋁板和具有較好傳熱性的陶瓷板。另外，可以使用已承受表面處理如Cu鍍、Ni/Au鍍等的碳板。在本發明的散熱片10中，由于使用從Cu，Al和陶瓷構成的組中選擇的材料作為基片1的材料，因而基片1的傳熱性較好，來自電子元件的熱量可從基片1有效地傳至碳纖維2。
權利要求
1.一種散熱片，其中許多碳纖維設置在一基片上，其中碳纖維被鍍有金屬，碳纖維的末端被硬焊在該基片上。
2.如權利要求1所述的散熱片，其特征在于用于金屬鍍的材料是從Cu，Ni，Au，Sn，Ag，Pd和Pt構成的組中選擇的一種或多種金屬或含有從該組中選擇的一種或多種金屬的合金。
3.如權利要求1所述的散熱片，其特征在于基片的材料是從Cu，Al和陶瓷構成的組中選擇的。
4.如權利要求2所述的散熱片，其特征在于基片的材料是從Cu，Al和陶瓷構成的組中選擇的。
5.一種制造散熱片的方法，在所述散熱片中許多碳纖維設置在一基片上，該方法包括使許多碳纖維承受金屬鍍處理的步驟；將經過金屬鍍的碳纖維的一端臨時附著在一臨時基片上的步驟；以及將碳纖維的未被臨時附著的另一端硬焊固定在基片上的步驟。
6.一種制造散熱片的方法，在所述散熱片中許多碳纖維被設置在一基片上，該方法包括將許多碳纖維的一端臨時附著在一臨時基片上的步驟；使被臨時附著的碳纖維的另一端的部分承受金屬鍍處理的步驟；以及將碳纖維的鍍有金屬的另一端硬焊固定在基片上的步驟。
全文摘要
表面具有金屬鍍層(銅鍍層)的許多碳纖維借助靜電植絨法豎直地設置在一平板狀臨時基片上，碳纖維的一端用粘合劑臨時附著在臨時基片上。使碳纖維的未被臨時附著的另一端與表面涂有焊膏的基片(銅板)接觸，在這種狀態中，硬焊材料(焊料)被熔化并冷卻，從而使碳纖維和基片被硬焊(焊接)起來。在基片和碳纖維之間的機械和熱連接完成以后，將其浸入有機溶劑中，使臨時附著的臨時基片與碳纖維剝離，以便制成散熱片。
文檔編號H05K7/20GK1755923SQ20051000442
公開日2006年4月5日 申請日期2005年1月17日 優先權日2004年9月29日
發明者內田浩基, 德平英士, 石鍋稔, 伊達仁昭, 谷口淳 申請人:富士通株式會社