散热材料及其制造方法

专利名称：：散热材料及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种散热材料，它用于使诸如半导体元器件、成像元器件、光学元件这样的电子元件所产生的热量向四周散发，以及这种散热材料的制造方法。
背景技术：
：从诸如半导体元器件、成像元器件、光学元件这样的电子设备的元器件所产生热量随着诸如膝上型个人电脑这样(具有代表性的)的半导体元器件的处理速度和集成度的增加而增加，也随着诸如液晶电视和等离子显示器这样的成像元器件亮度的高辉度化和诸如像光发射二极管(LEDs)的大功率化而不断增加，电子机器中电子元器件的发热会引起设备的故障乃至失效。因此，解决散热问题一直都是很重要的技术课题。在如上所说的装置和元器件中铜和铝是被用来作为一种壳体材料和/或散热板材料用于将热量从元器件向周边散发开来，因为这些材料即使在金属中其热传导性也是特别高的。然而，即使是铜在金属中具有极好的导热性，其热传导率还接近400W/(nrvK)，而铜的比重达8.9Mg/m3，换言之，由于其笨重带来了缺点。因此，近来有人建议制造和使用一种碳纤维和金属材料组成的复合材料作为散热材料，它通过使用轻质和高热导率的碳纤维来替代上述的金属材料。例如日本特许公开号为2003-46038(专利文献1)所描述的一种制造碳纤维和金属复合形成复合材料的方法，而该方法包括对碳纤维用诸如镍和铜这样的金属进行电镀，并且用金属材料的热熔体对碳纤维进行浸渍，再对电镀后的碳纤维进行液态金属锻造。此外，上述文章还叙述了一种包括用金属对碳纤维进行电镀的方法和对电镀后的碳纤维进行热压以将其烧结固化成型。根据后面的方法采用热压，在碳纤维的表面进行电镀，在热压的时侯起到缓冲剂的作用，也作为在碳纤维之间的间隙中的填充剂。从上述可见，这种包括碳纤维电镀的方法可以被看作是对碳纤维和金属形成复合物的有效技术和方法。
发明内容在上述专利文献1中所述的方法被认为是制造散热材料的有效技术，这种材料由碳纤维材料和一种金属复合构成。碳纤维的热传导率不小于500W/(m'K)，比较典型地在800W/(m'K)至1000W/(rrvK)的范围里，当碳纤维与热传导率比碳纤维还低的金属复合时其所形成的复合物的热传导率就会降低。因此，对于由复合材料构成的散热材料就产生这样一种需要，即，这种复合材料的热传导率显得比复合材料中的单种材料的热传导率稍微低一些。鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种由碳纤维的复合材料和金属材料形成的具有较高热传导率的散热材料及其制造方法。解决问题的手段本发明的发明人对于铜有特别的关注，铜在金属中的导热系数较高，而且其价格也相对便宜，并且本发明人发现在由碳纤维复合材料和铜形成的散热材料中铜的部分的组织结构与散热材料的热传导率有密切的联系，因此能用于本发明的实现。即，本发明涉及一种复合散热材料，这种复合材料由大体朝一个方向排齐的碳纤维复合材料和铜复合而成，在此，散热材料中的铜的金属结构是再结晶组织。本发明最好是关于再结晶组织中的平均晶粒尺寸为0.1pm至20pm的散热材料。进而，本发明涉及的散热材料其散热材料中碳纤维部分的体积率VCF为30%到90%，最好为30%到60%。本发明涉及的散热材料，在与碳纤维相垂直的任何5CVr^区域里至少存在一根碳纤维。所述垂直于碳纤维方向的截面积不小于1mm2。再，本发明涉及的散热材料满足以下关系式x(FCF/100)+/7C[/x(F^/100)}20.9在此，p(Mg/m3)为散热材料的密度，pcf(Mg/m"是碳纤维的密度，VCF(%)是碳纤维的体积率，pcu(Mg/m"是铜的密度，Vcu(%)(=100-VCF)是铜的视在体积率。本发明涉及散热材料的制造方法，它包括在直径为dCF的碳纤维的表面上镀铜至(0.05to0.60)xdCF的厚度；将镀铜后的碳纤维大体上沿一个方向对齐；将被对齐了的已镀铜的碳纤维在600。C至1050。C的高温、5MPa至100MPa的高压、当最高温度维持在土5。C的范围时保持时间在0.1ks至1.8ks的条件下进行放电等离子烧结，使铜的金属组织再结晶。本发明的效果本发明的散热材料的热传导率可以明显地增长。因此，本发明对于诸如半导体设备，显像设备，和光学设备等需要控制发热的设备提供了一种十分必要的技术解决方案。图1是由电子扫描显微镜所拍摄的本发明所使用的碳纤维表面的照片；图2是由电子扫描显微镜所拍摄的根据本发明的制造方法镀铜后的碳纤维的表面照片；图3是由光学显微镜所拍摄的根据本发明的制造方法镀铜后的碳纤维的截面照片；，图4是由光学显微镜拍摄的根据本发明的散热材料中与碳纤维相垂直的截面的照片；图5是由光学显微镜拍摄的根据本发明的散热材料中铜部分的组织结构的照片；图6是由光学显微镜拍摄的比较例的散热材料中铜部分的组织结构的照片；图7是显示碳纤维的体积率关于本发明的散热材料的热传导率的影响；图8是显示散热材料所处的温度对本发明散热材料热传导率的影响；图9是处于高温下作试验之后的本发明散热材料的组织结构的照片的一个例子，照片是由电子扫描显微镜所拍得；图10是本发明散热材料处于高温下做试验后的组织结构的照片例子，照片是由电子扫描显微镜所拍得；图11是本发明的散热材料的抗弯试验的"负载-位移"曲线；图12是本发明的散热材料在温度周期试验后的组织结构的照片的一例，照片是由光学显微镜所拍得；图13是本发明的散热材料在温度周期试验后的组织结构的照片的一例，照片是由电子扫描显微镜所拍得。附图中的字母或数字标号的说明1:碳纤维，2:铜镀层，3:铜具体实施例方式如上所述，本发明的主要特征是在于由大体上呈一个方向排列的碳纤维和铜构成的复合散热材料里铜部分的金属结构是再结晶组织，致使散热材料的热传导率较高。所述的金属结构为再结晶组织是因为铜的再结晶组织对于增加散热材料中铜部分的导热率是必需的，并且对于增加散热材料的整体导热率也是必需的。如上所说，铜的热传导率通常说是400VW(rrvK)左右，然而，当存在诸如由在铜的塑性加工引起的晶格中的位移和空缺等晶格缺陷时，这种晶格缺陷会阻碍热传导，因此，使热传导率降低至低于400W/(nvK)。因此，为了实现铜的本来的热传导率，这是也就是大约400W/(rrvK)，有必要使散热材料中的铜形成无晶格缺陷的再结晶组织，提高散热材料的的热传导率。由于这样的结构，作为复合材料母材的铜的热传导率得以显著地增加，使得散热材料的热传导率可以更高。本发明中再结晶组织意味着一种在组织中可以被观察到的金属组织，这种组织是经过了再结晶的，并不是指那种在含有在不完整的再结晶过程中产生的非再结晶部分的残余组织中可以被观察到的金属结构。再结晶组织被作如上定义是因为在非再结晶部分残留中有晶格缺陷，从而降低热传导率。除此之外，本发明没有特别指定构成散热材料的铜的种类，但最好使用纯度不低于99%的纯铜，这是为了获得具有较高的热传导率的缘故。之所以希望上述的纯度是因为当铜包含有1%以上合金元素时热传导率会明显降低。更希望铜的纯度不少于3N(99.9%)。在说明书中铜的纯度是指散热材料中的铜的浓度(质量百分比)，它是由固定在扫描电子显微镜上的能量耗散型X-射线分析仪或固定在电子探测微量分析仪上的波长分散型X-射线分析仪对经过镜面抛光后的散热材料相关截面进行的分析，计测所得。接下去的内容是要说明为什么在铜部分所希望的平均晶体粒度要被定义。平均晶粒大小的下限被定为0.1|im是因为要减小出现在母材(铜部分)中再结晶组织中晶粒边界的量，以有利于热传导。晶粒边界妨碍热的传导。如果在再结晶组织中有大量的晶粒边界，散热材料的热传导率就会降低。因此，在再结晶组织中所要的平均晶粒大小的下限被定为0.1pm乃至更高，这样能更确切地保证铜的原始热传导率，也就是在散热材料的母材(铜部分)中接近于400W/(nrvK)的热传导率。另一方面，散热材料中碳纤维体积率的增加，那么母材(铜部分)的体积率就下降。那么，在母材的再结晶组织中晶粒的增长就会被碳纤维所阻扰。因此，碳纤维的体积率对再结晶组织的平均晶粒尺寸的上限具有较大的意义。鉴于下文中将谈到碳纤维的较佳的体积率。再结晶组织中晶粒尺寸的上限最好为20pm，更好是平均晶粒尺寸的范围定于0.5pm到10,。再，在本发明中散热材料中的碳纤维的体积率V^被设定为30%至90%。首先，这是因为当体积率不到30%时碳纤维不会对增加热传导率产生太大的影响。其次，当体积率大于90%时填充在碳纤维之间的空间中的起结合剂作用的铜的量明显少于碳纤维的量，因此，它很难形成碳纤维和铜相均匀结合的散热材料。当散热材料被要求在碳纤维的横向(以下简称为"垂直方向")也具有高热传导率时或者当散热被要求在高温环境下或者在一个温度循环下具有可靠性时，或者当散热材料被要求有一定的机械强度时，体积率Vcf在30%至60%的范围内更理想。当散热材料中碳纤维的比率增加时，在碳纤维方向上的热传导率增加，而垂直方向上的热传导率则下降。此外，如果存在于相邻碳纤维之间铜的量较少的话，在使用中散热材料在高温环境下放置时因为铜和碳纤维之间没有理想的浸润性，在碳纤维周围铜会经历塑性流动而形成间隙。那样，散热材料的散热特性就下降。另外，当存在于相邻碳纤维之间的铜的量较少时在碳纤维和铜之间强度弱的边界数目增加。作为整体，散热材料的强度就恶化。在这种情况下，如果散热材料被放置于温度循环中并且热应力较高，在散热材料中就会产生裂缝。考虑到以上因素，较佳的碳纤维的体积率被设定在30%至60%里。在本发明中，碳纤维的体积率大体等于其在与碳纤维相垂直方向上的截面中在散热材料中所占的面积率，这是通过光学显微镜对经过镜面抛光的横截面进行观察得到的结果。因此，体积率可以基于对截面的观察进行估算。更具体的做法是，当通过光学显微镜进行观察时散热材料的横截面中呈现白色的是铜部分，而呈现黑色的是碳纤维部分。从光学显微镜中被观察到的图像可以被数字化成为黑白色的。在图像中黑色部分的面积率可以被看到。这样，碳纤维的面积率在光学显微镜的视场中可以测量出来。然而，应该注意的是，当通过光学显微镜进行观察时沿碳纤维和铜的晶体边界处存在的细微的间隙也是呈现黑色。因此，通过上述方法所获得的碳纤维的面积率是大于其实际面积率的。然而，在本发明中在散热材料中的间隙部分的面积无论与碳纤维部分还是与铜部分所占的面积相比都显得不重要。因此，间隙部分在碳纤维的面积率的计量过程中可以被忽略。在本发明中对构成散热材料的碳纤维的种类(如PAN类和，pitch类)不作具体的规定。然而，碳纤维最好具有石墨结构并且是具有5pm至20的直径，这是为了形成具有高热传导率的散热材料。在此，为了获得在与碳纤维垂直方向横截面上具有均匀组织的散热材料，最好是使用具有同一直径的碳纤维。然而，如果希望用碳纤维对散热材料进行高密度填充来进一步提高碳纤维的体积率的话，可以使用直径在5pm到20!am范围里的不同直径不同种类的碳纤维。此外，为了让镀铜后的碳纤维大体按一个方向对齐，按照后面叙述的制造散热材料的方法，碳纤维最好取连续的纤维，其长度至少为100mm。如前所述希望在与在与碳纤维相垂直的50^m2横截面上至少有一根碳纤维存在。这是因为希望分布在散热材料中的碳纤维要尽可能地均匀。当碳纤维的分布不均匀时，散热材料的热传导率会降低，这是因为热传导在碳纤维稀疏的地方较慢，而在碳纤维较密的地方就快。如果在任一50|1巾2横截面上至少存在一根碳纤维，碳纤维的分布可以被看成大体上均匀。较理想的情况是在50)Lim2横截面上至少存在五根至五根以上的碳纤维。如前所述，希望散热材料具有至少1mrr^的与碳纤维方向相垂直的横截面。横截面的面积被作如上的限定是因为这样的面积是散热材料在电子设备中的合适的使用面积。例如，保证本发明的散热材料被安装在光发射组件中，光发射组件包括一个大输出的光发射二级管(LED)(以下这样的芯片将被称为LED芯片)并且LED芯片被用树脂封装。当散热材料中与碳纤维相垂直的横截面被用来与LED芯片的底面相接触时，LED芯片所产生的热能够被从光发射组件的内部传送到外面。因此，为了有效地传输散热，希望散热材料有一个比光发射二级管芯片的底面积来得大的一个接触表面。因为一般来说，大功率光发射二极管的底部表面为将近1mr^的面积，在散热材料中与碳纤维方向相垂直的横截面的尺寸就被设定在不小于1mm2。最好是不小于1.5mm2。再，如前所述，由以下表达式所表达的关系-〃Wxl膽)+x(^/膽)}^0.9应当作为所希望的范围被满足，在此，p(Mg/m"为散热材料的密度，pcF(Mg/m3)为碳纤维的密度，VCF(%)为碳纤维的体积率，pcu(Mg/m3)为铜的密度，Vcu(%)(=(100-VCF))铜的视在体积率。该关系式被按上述那样限定是为了提供这种具有高热传导率的散热材料。上述的{^—(^/100)+/^><(^/画)}值表示相当于散热材料的一个理论密度，也就是它的理想密度。因此，^(^x^f/1一+Po/X(^/100》的值相当于一个相对密度。该值越接近于1,在复合材料中所含的间隙量就越小。在散热材料中一旦存在间隙，因为该间隙阻碍热量的传导，所以，散热材料的热传导率就低下。当Wk^(^/ioo)+^x(^/io(^y的值小于0.9时这样的不便会突现出来。因此，所希望的范围被规定为WWxl/麵)+Po/x(^;/訓)}》0.9.更希望是.根据本发明的制造方法，在对碳纤维和铜的复合进行预先处理的过程中铜被电镀到碳纤维上。这种处理的主要特点是碳纤维和铜的均匀复合，换句话说，电镀厚度的调节可以使相互结合在一起的碳纤维之间的间隔接近均等。因此，在一个平面里散热特性的不稳定性可以被降低，对于散热材料的质量来说是很有意义的。再，上述的方法无论从经济效率来说还是从再现性来说都适合大规模工业生产。再一方面，在如上所说的根据本发明获得所希望的复合散热材料的制造方法中，铜电镀的厚度被规定，将镀过铜的碳纤维固化成形的条件也被规定。在本发明的制造方法中作这些规定的理由在下文中将要被叙述。施加在碳纤维表面的铜镀层厚度被限定在(0.05至0.60)xdcF的厚度，在此，cb:为碳纤维的直径，因为这样的厚度对于实现既让镀铜层起缓冲作用自身又具有高热传导性来说是必需的。就电镀层的厚度来说是在如上所说的范围里，散热材料的碳纤维部分的体积率在碳纤维被镀铜后又被固化定型形成散热材料后可以被调节至30%到90%的范围，散热材料是由碳纤维和铜的复合材料构成。当镀铜的厚度小于0.05xdcF时就无法有效地起到缓冲作用。相反，当镀铜的厚度大于0.60xdCF时散热材料的碳纤维部分体积率就小于30%，它很难使散热材料得到所希望的高热传导率。因此，铜镀层的厚度所希望的范围被作如上所说的规定。更好的范围是(0.15至0.60)xdCF.当厚度范围为(0.15至0.60)xdcF时，散热材料的VcF可以被调整为更希望的范围，那就是30%到60%的范围。在碳纤维被用铜电镀后，碳纤维被大体上按一个方向对齐。这是为了增加散热材料在碳纤维方向上的热传导率。碳纤维的方向可以用这样的方法来对齐，如对经过电镀的碳纤维按预定的长度切割，再把切割好的碳纤维按相同的方向排齐。或者，经过电镀的碳纤维可以按均匀的长度被折叠。这样，碳纤维的方向大体上可以在一个方向上被对直。而让它保持大体上沿一个方向对直的情况下再被进行放电等离子烧结，由此，镀过铜的碳纤维被固化成型。放电等离子烧结类似于热压。然而，由于在烧结初期产生的放电等离子和放电的冲击压力有利于扩散，所以，放电等离子烧结工艺可以比热压工艺用更少的时间完成烧结任务。在放电等离子烧结中很重要的一点是进行加工条件的调节，要使铜的部分实现再结晶。因为要获得散热材料的高热导率仅仅得到高密度还是不够的。在本发明中，在放电等离子烧结时所达到的最高温度是被限定的，是为了使散热材料中铜部分成为再结晶组织，也为了提高W(/^x^+z^x^)的值。当最高温度低于600°C时铜部分的再结晶和烧结不会进行，并且，难以获得具有在本发明中规定的组织和密度的散热材料。另一方面，当最高温度高于1050°C时(它恰好低于铜的熔点1080°C)，这么细小的温度变化会使铜熔化。因此，最高温度被确定在600°C至1050°C的范围里。在放电等离子烧结中更令人希望的最高温度是700。C至1000°C。放电等离子烧结的最高压力被限定为5MPa至100MPa的理由如下最高压力低于5MPa时不足以引起塑性变形，而这种塑性变形会在铜部分产生再结晶，并且，最高压力不足以增加^^^xf^+z^xf^)的值。另一方面，当最高压力超过100MPa时需要较大的压力负载，特别是当我们要生产大的散热件时，没有工业实用性。因此，我们对于最高压力作如上所述的限定。最理想的压力范围是10MPa至80MPa。虽然本发明的制造方法中没有对压力特别的限制，为了便于在烧结的初起阶段放电等离子的产生在加热之前最好是施加初压，初始压力最好是在2MPa至15MPa的范围内。再，当压力自初起压力值增加到最大压力时，希望温度控制在500°C到800°C的范围内。在放电等离子烧结过程中在可达到的最高温度的士5。C的范围内被规定要保持0.1ks至1.8ks的时间，其原因就是，这样一个时间段便于在散热材料的铜部分产生再结晶和晶粒的生长。即使最高温度被维持在例如0.06ks(它比0.1ks，短)左右散热材料也会做成高密度。然而，当最高温度被维持仅仅这么短的一段时间，在铜部分的再结晶和晶粒生长是不够充分的，结果难以得到高热传导率。因此，所需时间长度的下限被设定在0.1ks。另一方面，当所需的时间长度超过1.8ks时，所需的加工时间太长，没有工业使用性。因此，所需时间长度的上限被设定在1.8ks。最希望的所需时间长度的范围是0.2ks至1.2ks。虽然本发明的制造方法中没有对真空度特别的限制，放电等离子烧结时的真空度被希望高于100Pa，这是为了防止铜的氧化，因为铜的氧化会妨碍烧结。最好，真空度高于50Pa.。实施例1本发明将以下面的实施例为基础进行说明。在第一实施例中，沥青型(pitch-type)碳纤维被作为具有高热传导率的碳纤维使用。再在第一实施例中被使用的碳纤维具有具有相同的直径。碳纤维的直径dcf:如图1中所见的那样，从用电子扫描显微镜拍到的照片中能够知道它的直径dcF为10^m。在第一实施例中使用的碳纤维是商用的产品，它是长度约270m的2,000根无间断的连续纤维被捆成束，并被巻绕在线轴上出售。碳纤维的标称的热传导率是800W/(rrvK)，其密度pcf是2.2Mg/m3。当碳纤维的结构被X射线衍射检查时可以发现碳纤维有石墨结构。碳纤维被按每500mm长度为一根的规格切断后，在被切的纤维上进行无电解镀铜，电镀在0.8pm(=0.08xdCF)至5.0pm^0.50xdcF)范围里分六个不同档次的目标电镀厚度进行。所有被设定的电镀厚度落在本发明的制造方法所规定的范围内。作为一个例子，在图2所显示的照片是电子扫描显微镜拍到的照片，它显示在碳纤维的表面上铜镀层的厚度达5^m。镀铜后的表面形态与镀铜前的(见图1)明显不同，可见铜的细粒沉积在碳纤维的表面上。再，镀铜后的碳纤维被埋在树脂里，其一个截面通过电子扫描显微镜被观察。图3显示一张截面的照片。可见，被施镀在碳纤维(1)的表面上的铜的镀层(2)厚度大体均匀。在铜的镀层被按照六个不同的目标厚度的级别施镀到碳纤维上后，碳纤维被切成20mm长度或40mm长度。此后，被切成段的碳纤维按一个方向大体排齐，并被放置在一个石墨模具里。石墨模具被放置在一个放电等离子烧结机器的腔室里，并且，抽真空达大约10Pa的真空度。首先，施加初始压力12.5MPa，接着加热使压力上升。在表1中所列的七种不同的条件下散热材料从A到G被加工制成，其尺寸规格可以从以下两种规格中任选，艮卩，5mmx20mmx20mm或5mmx40mmx40mm。在A到G中，从A到F是按照本发明的方法加工制成的。在表1中所谓"时间"是代表当温度处于最高温度土5。C范围里的时间长度。散热材料A在这样的条件下被制造的，gp，铜镀层目标厚度为0.8pm，当进行放电等离子烧结时的最高温度为900°C，最高压力50MPa，时间为0.90ks。散热材料B至F是在像A材料同样的放电等离子烧结工艺条件下被加工的，其目标铜镀层厚度被分别设定在1.0pm(B)，2.5(C)，3.0|im(D)，4.0|iim(E)，and5.0jim(F)。另一方面，散热材料G根据比较例的方法被制造。散热材料G与材料A至F相同，被施以厚度为5.0的镀铜，而在接下来的放电等离子烧结工艺中最高温度为9Q0。C，最高压力为50MPa。然而，材料G被维持在900°C温度下的时间较短，仅为0.06ks，这是本发明的制造方法所限定的范围之外。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>从每个散热材料切出5mmx5mmx5mm的试样并且被埋入树脂，让与碳纤维方向相垂直的截面可以被看到。此后，试样被作镜面抛光，并且用光学显微镜在无腐蚀状态下进行观察。一张散热材料F的截面照片作为一个本发明的散热材料的例子通过光学显微镜被观察到并显示在图4中。图4中被显示的图形被数字化成为黑白的图像，在图像中黑色部分的面积率被计量。这样就得到了碳纤维的面积率。该面积率为34.0%。在散热材料中碳纤维的面积率等于碳纤维部分的体积率VCF。以相同的方式对自A至E和G中的每种散热材料作碳纤维的体积率的测量。此外，用与电子传感微量分析仪相连接的波长分散分析仪每种散热材料的铜部分进行分析。结果，除了铜以外没有杂质被发现，可以确认，在每种试样中铜是100%的纯度。被显示于图4中的散热材料F的铜(3)部分是用硝酸，硫酸和水以1:1:184的比率构成的酸来进行蚀刻并对F材料的组织进行检查。结果，可以确认，铜部分被形成再结晶组织，如图5所示，满足本发明散热材料所要求的规定。再，铜部分的平均晶粒尺寸通过对图5的图像分析测出是9.1pm。类似于材料F从散热材料A至E，每一种散热材料的铜部分被形成再结晶组织，并且从A至E这些散热材料被确认是符合本发明要求的散热材料。另一方面，比较例的散热材料G的铜部分的组织中如图6所示再结晶是不完整的。再结晶组织不能够被清晰地观察到。表2显示了是否出现了再结晶组织，如果有的话，在再结晶组织中平均晶粒尺寸，碳纤维的V^(%)，和在根据本发明的散热材料A至F里和比较例的散热材料F里任何50pr^的面积里存在的碳纤维的条数。再结晶组织中平均晶粒的尺寸为1.1pm至9.1pm，体积率VcF为77.0%至34.0%，正好落在本发明所希望的范围里。此外，可见，再结晶组织的平均晶粒尺寸随着体积率VcF的增加而减少。在具有5mm2与碳纤维方向相垂直的横截面的散热材料中任何50pm2的面积里存在的碳纤维的条数随着VcF的增加而增加。在散热材料F(其Vw为34.0%)碳纤维的条数为6条，而在散热材料A(其Vw为77.0%)里碳纤维的条数为13条。在本发明的散热材料中可见，在至少1mrr^的横截面中，要在任何50^im2的区域中与碳纤维方向相垂直的横截面里至少存在一根的碳纤维，这是理想的范围。更具体地说，如所希望的规定那样，多于5根的碳纤维存在，因此，就可以说，在散热材料中碳纤维的分布是均匀的。再，密度p(Mg/mS)是在对每一种散热材料剩余部分的重量和尺寸进行计量的基础上被确定的。每种散热材料的密度p(Mg/m"和相对密度一{^^(^/訓)+/^><(^/100)}被显示在表2中。为了计算，pcF和pcu分别被设置为2.2和8.9。每一种散热材料的密度p(Mg/mS)随VCF的增加而减少。散热材料F，其体积率Va为34.0%，密度为6.63(Mg/m3);而散热材料A，其体积率V^为77.0。/。，密度为3.50(Mg/m3)。每一种散热材料的相对密度不小于0.90，即，在所希望的范围内。再，从每种散热材料上切割出大体为5mmx10mmx5mm的两个试样，并且用粘结剂将它们粘结在一起。这样就得到10mmx10mmx5mm尺寸的试样。在此，沿碳纤维方向上的试样长度是5mm，在每一种散热材料中在碳纤维方向上的热传导率(W/(rrvK))按照激光闪光方法进行测量，测量所得结果显示在表2中。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>从表2中可见，当铜部分有再结晶组织时，再结晶组织的平均晶粒尺寸，体积率VCF，在任意50prr^的区域里存在的碳纤维数目，相对密度/>/{/^—(^/10())+/^><(/100)}被调节至在本发明所要求的范围里，从a至F中的每一种散热材料沿碳纤维的方向展现出高的热传导率，g卩，热传导率在570W/(m'K)至726W/(rrvK)范围内的水平上。另一方面，在比较例的散热材料G中，虽然体积率VCF，在任意50pm2的区域里所存在的碳纤维的数目，和相对密度大体上与本发明的散热材料F的这些参数相同，热传导率为508W/(rrvK)，它比散热材料F的热传导率值来得低，因为，铜部分的再结晶还没有完成。根据上述实施例1，可以看出，为了在由碳纤维和铜构成的复合材料所加工成的散热材料中获得高的热传导率仅仅调节碳纤维的体积率或散热材料的密度是不够的。只有当铜部分被做成有如本发明所规定的再结晶组织时散热材料的高热传导率才可以获得。基于本发明所规定的方法来制造散热材料对于获得如上所述的散热材料来说是有效的。因为本发明的散热材料有较高的热传导率它超过铜的热传导率400W/(rrvK)，本发明的散热材料适合用作为对诸如半导体设备，成像设备，和光学设备这样的电子设备进行热量的控制。实施例2在本发明实施例1中所获得的每种散热材料的垂直方向的热传导率(W/(rrvK))按照激光闪光方法被测量。图7显示诸如像在实施例1中所测定的在碳纤维方向上的这样的热传导率和碳纤维的体积率VCF之间的关系。在图7中纯铜的热传导率被显示为Vc^0用来比较。如图7所示，在碳纤维方向上的热传导率随着VcF的增加而增加。然而，垂直方向的热传导率(它与碳纤维的方向相垂直)大大地减小。可见，当体积率VcF的范围被调节到本发明更希望的范围，即，30%至60%的范围时，热传导率在垂直方向也可以做到80W/(rrvK)至200W/(mK)。再，为了评估散热材料A，C和D的可靠性，在散热材料被放置于高温真空的环境下时对碳纤维方向上的热传导率进行测量。测量的结果被显示在图8中。如图8所示，随着散热材料所处的温度的增加，每种散热材料的热传导率降低。然而，可以确认，在散热材料A中热传导率的降低具有特别的影响，散热材料A的具有较高的碳纤维体积率，当散热材料A在800°C的温度下放置24小时时体积率V7为77.0%。在高温下被放置后对散热材料A的组织进行观察。观察的结果显示于图10中。在结构中可以观察到有间隙，而在测试前是没有看到的。可以推测，在高温下铜发生了塑性流动。这种现象被推断为是由碳纤维和铜之间不良的浸润性而引起的，并且，可归因于是小量的铜出现在碳纤维之间。另一方面，体积率Va为46.1%的散热材料D被放置在800°C度的温度下达24小时时以同样的方法对其结构进行观察，从图9可见，没有看到组织有明显的变化。因此，为了确保在高温下的可靠性更希望把体积率VcF的范围调节到30%到60%之间。再，从A和D的每一种散热材料中切割出尺寸为5mmx5mmx40mm试样。对试样进行一种叫"三点弯曲"的试验，跨度设定在30mm，位移速度设定在0.5mm/每分钟，以测定一个"负载-位移"曲线。测试结果显.示于图11中。在图11中"纤维方向"表示试样40mm侧的方向对应于碳纤维的方向被切出的试样，而"垂直方向"表示试样40mm侧的方向对应于与碳纤维相垂直方向被切出的试样。在每种散热材料中沿垂直方向上的强度低于沿纤维方向的强度。可见，在体积率Vcp为77.0%碳纤维的体积率较大的散热材料A中抗弯负载的降低特别明显。其原因被推断是在散热材料A中出现许多碳纤维和铜的强度弱的边界。由图11中每一条"负载-位移"曲线所描绘出的最大负载值和试样的尺寸，根据下列的表达式(1)来确定每种散热材料的抗弯强度o(MPa)，其结果显示于表3中。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>在表示式(1)中，W为最大负载(N)，L为跨度(30mm)，b为试样的宽度(5mm)，t为试样的厚度(5mm)。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>对散热材料A和D进行温度周期试验高达200个周期。在每个周期中，在室温的温度维持10分钟，在-40。C的温度维持10分钟，在室温下再维持10分钟，在125°C的温度下维持10分钟。在温度周期试验后散热材料A和D的组织结构分别被显示于图12和图13中。在散热材料A中(它的VcF是较高的，为77.0%的体积率)在试验后出现开裂(见图12)，而在散热材料D中(其Vw为46.1%)没有观察到裂缝(见图13)。因此，为了确保机械强度和温度周期试验的可靠性，更希望将体积率VCF的范围调至30%至60%。从以上描述的实施例2可见，当散热材料被要求在与碳纤维相垂直的方向具有高的热传导率时，或者，当散热材料被要求在高温环境下和在加热周期环境下具有可靠性，或者当散热材料被要求具有一定的机械强度时，更希望体积率Vor的范围被确定为30。/。至60c/0。权利要求1、一种由大体朝向一个方向的碳纤维和铜组成的复合材料构成的散热材料，其特征在于在所述散热材料中铜的金属结构是一种再结晶组织。2、根据权利要求1所述的散热材料，其特征在于再结晶组织的平均晶粒尺寸是0.1pm至20pm。3、根据权利要求1或2所述的散热材料，其特征在于在散热材料中的碳纤维部分的体积分数VcF为30%至90%。4、根据权利要求1至3任一项所述的散热材料，其特征在于在散热材料中的碳纤维部分的体积率Va为30%至60%。5、根据权利要求1至4任一项所述的散热材料，其特征在于在与碳纤维方向相垂直的任何50^r^的截面区域中至少存在一根碳纤维。6、根据权利要求1至5任一项所述的散热材料，其特征在于所述垂直于碳纤维方向的截面区域不小于1mm2。7、根据权利要求1至6任一项所述的散热材料，其特征在于，以下关系式成立<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>在此，p(Mg/m3)为散热材料的密度，pcF(Mg/m"是碳纤维的密度，VCF(%)是碳纤维的体积率，pcu(Mg/mS)是铜的密度，Vcu(%)(^00-VcF)是铜的视在体积率。8、根据权利要求1至7中任一项所述散热材料的制造方法，包括在直径为dCF的碳纤维的表面上镀铜至(0.05至0.60)xdcF的厚度；将镀铜后的碳纤维大体上沿一个方向对齐；将被对齐了的镀过铜的碳纤维在最高温度600°C至1050°C，最高压力5MPa至100MPa，当最高温度被维持在士5。C的范围里时保持时间0.1ks至1.8ks的条件下进行放电等离子烧结，使铜的金属结构再结晶。全文摘要本发明是关于一种散热材料，它由大体上按一个方向对齐的碳纤维和铜复合而成的复合材料构成，其特征在于在散热材料中所说的铜的金属组织是再结晶组织。本发明能提供由碳纤维和铜复合而成的复合材料构成的具有高热传导率的散热材料。文档编号C23C18/31GK101103458SQ200680002080公开日2008年1月9日申请日期2006年2月15日优先权日2005年2月16日发明者佐藤公纪,横山绅一郎申请人:日立金属株式会社;岛根县