专利名称：具有单层钻石颗粒的均热板及其相关方法
技术领域：
本发明是关于一种含碳的复合装置以及通过传导与吸收热源的热而散热的方法。 因此，本发明涉及化学、物理、半导体科技以及材料科学等领域。
背景技术：
半导体工业的发展追随着英特尔的共同创始人哥登摩尔(GordonMoore)在1965 年所提出的摩尔定律的趋势。该趋势指出，集成电路(IC)或是一般的半导体晶片，其效能 每十八个月便成长一倍。伴随此进展，产生了各种设计上的挑战。其中一项常被忽略的挑战便是散热问 题。通常，此散热方面的设计会被忽略，或者是到了元件要生产前才增加该设计。根据热 力学第二定律，在一封闭系统中，做越多功则会获得越多熵(Entropy)。伴随着中央处理器 (CPU)功率的增加，其产生更多的电子流会产生更多的热。因此，为了避免电路短路或是 烧毁，必须移除因熵的增加所产生的热。一些中央处理器现有的技术其功率约为70瓦以 上。例如一以0.13微米科技所制造的中央处理器，其耗电功率可超过100瓦。目前的散热 方法，如使用金属散热鳍片(metal fin radiators)，例如铝或是铜等金属，和水蒸式热管 (waterevaporation pipes)将无法对下一时代的处理器进行充分的散热。近来，陶瓷均热板(例如氮化铝)以及金属复合均热板(例如碳化硅/铝)已用 于应付不断增加的热。然而，这些材料的热传导率并不大于铜的热传导率，因此，这些材料 对于半导体的散热能力有限。一般的半导体晶片包含紧密堆迭的金属导体(例如铝、铜)以及陶瓷绝缘体(例 如氧、氮)。金属的热膨胀率一般是陶瓷热膨胀率的5-10倍。当晶片加热超过摄氏60度 时，金属与陶瓷之间的热膨胀率差异会造成微小裂缝。反复的温度升降循环致使晶片的损 害恶化。结果，半导体的效能会下降。此外，当晶片温度超过摄氏90度以上时，晶片内半导 体部分会成为导体，因而导致晶片的功能失效。此外，电路可能损毁而半导体无法再使用 (如转为“烧毁”)。因此，为了维持半导体的效能，其温度必须保持在低于一临界值(例如 摄氏90度)。传统的散热方法是令一金属热沉(Heat Sink)接触该半导体。一般的热沉是以数 片散热鳍片(Fins)的铝材所制造而成的。该数片散热鳍片上附加有一风扇。晶片所产生 的热会流向铝基座，并且会传输到散热鳍片上，接着通过循环的空气对流将热自散热鳍片 处带走。热沉因此经常被设计为具有高热容量而作为热的储存器，以移除热源的热。或者，可使用热管(heat pipe)连接于该热沉与一冷却器(radiator)之间，该冷 却器是与该热沉相分离。该热管是密封有水蒸气的真空管。热管内的水分在热沉处蒸发， 且在冷却器处凝固。凝固的水分会通过热管内的多孔媒介(例如铜粉)所产生的毛细现象 而回流到热沉处。因此，可通过蒸发的水分带走一半导体晶片上的热，并且可通过在冷却器 处的凝固水分移除热。虽然热管以及热板可极有效率地移除热，复杂的真空管内腔以及精密的毛细管系统阻止此热管式散热设计在尺寸上缩小到直接对一半导体元件进行散热。结果，该热管式 散热方法通常限制在对较大型的热源进行热传导，例如一热沉。因此.如何通过热传导方 式来移除一电子元件上的热，是现今工业中仍然持续研究的议题。目前已发现能有望作为均热板的另一项选择是富含钻石的材料。钻石相较其他任 何材料能更快速地带走热。钻石在室温下的热传导率(大约2000瓦/公尺.绝对温度(W/ mK))是铜热传导率(大约400W/mK)的五倍之高，并且是铝热传导率(大约250W/mK)的八 倍之高，铜和铝是目前最常使用的具有高热传导率的金属热导体。此外，钻石的热扩散率 (Thermal Diffusivity) (12. 7 平方厘米 / 秒(cm2/sec))是铜热扩散率(1. 17cm2/sec)或 是铜热扩散率(0.971cm7sec)的11倍。钻石迅速带走热而不储存热的能力使钻石成为理 想的均热板。相比于热沉，均热板运作时能快速地将热传导离开热源而不储存热。表1显 示各种不同材料相比于钻石的热性质(在绝对温度300度时的数值)。表 权利要求
1.一种具有单层钻石颗粒的均热板，其包含一包覆复数钻石颗粒的金属块体，该复数钻石颗粒配置为一单层结构，该单层结构具 有单一颗粒的厚度，该金属块体与钻石颗粒固结在一起，且其内部大致上不具有其他钻石 颗粒。
2.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该金属块体为单一金属材料。
3.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该金属块体包含一种以上的 金属材料。
4.根据权利要求3所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该金属块体包含多层不同的 金属材料。
5.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该金属块体包含一金属合
6.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该金属块体包含一成分，该 成分是选自铝、硅、铜、金、银或其合金的其中一种。
7.根据权利要求6所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该金属块体包含铝。
8.根据权利要求7所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该金属块体包含一铝镁合
9.根据权利要求7所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该铝的至少一部分有阳极化处理。
10.根据权利要求6所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该金属块体包含硅。
11.根据权利要求6所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该金属块体基本上由铝或 是硅所组成。
12.根据权利要求6所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该金属块体包含一铝以及 硅的混合物或是合金。
13.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该钻石颗粒为高等级的钻 石颗粒。
14.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该钻石颗粒是大致上具有 均勻一致的尺寸或是外形。
15.根据权利要求14所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该钻石颗粒是立方体型的 方晶钻石。
16.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该由钻石颗粒组成的单层 结构中以放电等离子烧结法烧结金属材料，该烧结制造方法是在低于大约摄氏1200度的 温度下进行。
17.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该钻石颗粒通过热处理、电 浆处理以及化学溶剂处理的其中一种处理程序进行表面改质。
18.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该钻石颗粒的网目尺寸是 约从20到100。
19.根据权利要求18所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该钻石颗粒的网目尺寸是 约从30到50。
20.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该由钻石颗粒组成的单层 结构是较靠近金属块体的一侧并且较远离金属块体的另一相对侧。
21.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该由钻石颗粒组成的单层 结构的填充效率是约大于50%。
22.根据权利要求21所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该由钻石颗粒组成的单层 结构的填充效率是约大于80%。
23.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该均热板的厚度是单一钻 石颗粒厚度的大约1.1到30倍。
24.根据权利要求1所述的均热板，其中该由钻石颗粒组成的单层结构中熔渗有金属 材料。
25.根据权利要求M所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该熔渗程序是在低于大约 摄氏1000度的温度下进行。
26.根据权利要求M所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该熔渗程序是在真空条件 下进行。
27.根据权利要求沈所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该熔渗程序是在低于100 大气压的压力下进行。
28.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其进一步包含有一附加在均热 板一表面上的聚晶钻石层。
29.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该钻石颗粒经过一热压程 序处理，该热压程序的压力为从IOOMPa到5. SGpa，温度为从摄氏700到1000度。
30.根据权利要求1所述具有单层钻石颗粒的均热板，其中该钻石颗粒电镀有一电镀 层，该电镀层是选自钛、铬、镍、铜、钨、钒、铌、锆、钼或其合金的其中一种。
31.一种以均热板转移热源的热的方法，其包含自一热源将其热能吸取到一均热板的钻石层之中，其中该均热板是热接触于该热源， 该钻石层为一具有单一钻石颗粒厚度的单层结构，且进一步将热传输通过该钻石层并且传 输入一金属块体，该金属块体大致上包覆且与该钻石颗粒固结在一起，且该金属块体除了 钻石层内的钻石颗粒，大致上不包含其他的钻石颗粒。
32.根据权利要求31所述以均热板转移热源的热的方法，其进一步包含将热能由该金 属块体传输到一额外的材料。
33.根据权利要求32所述以均热板转移热源的热的方法，其中进一步将热能传输到一 热沉或是一热管。
34.根据权利要求31所述以均热板转移热源的热的方法，其中该均热板是附加到该热 源上。
35.根据权利要求34所述以均热板转移热源的热的方法，其中该均热板硬焊或是焊接 到该热源上。
36.根据权利要求31所述以均热板转移热源的热的方法，其中该均热板包含一金属材 料，该金属材料选自铝、硅、铜、金、银或其合金的其中一种。
全文摘要
本发明提供一种具有单层钻石颗粒的均热板及其相关方法，其可以具有成本效率的方式提供有效的热管理。该均热板包含有多钻石颗粒，该钻石颗粒配置为一单层结构并且被一金属块体所包覆。该金属块体与钻石颗粒固结在一起。该钻石颗粒层具有单一钻石颗粒的厚度。除了单层结构中的钻石颗粒，该金属块体内部大致上不包含其他的钻石颗粒。本发明还提供一种热管理系统，其具有一热源以及一均热板。还提供此均热板的制造方法与使用方法。
文档编号G06F1/20GK102130077SQ20101000421
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者宋健民, 甘明吉, 胡绍中 申请人:宋健民