LED散熱新技術(shù)--鉆銅散熱Diamond Copper Heat Sink Composites

　　(中國專利號：ZL 03142946.7)

　　人造鉆石粒以銅滲透制成上下二層金屬，中間為鉆石的鉆銅散熱片。這種復(fù)合材料不僅熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的銅、鋁散熱片，它的熱膨脹率更可調(diào)整，使其與半導(dǎo)體的芯片接近。這樣鉆銅散熱片就可直接和芯片焊合，避免熱流被散熱膏阻斷。在高功率的電子產(chǎn)品中利用鉆銅散熱片可以解決散熱的問題。

　　用途：

　　1、LED高功率路燈、汽車頭燈電路板，可遠(yuǎn)超越業(yè)界現(xiàn)有材料。

　　2、筆記本電腦中CPU、GPU的導(dǎo)熱片，在熱傳導(dǎo)率及熱膨脹率均遠(yuǎn)超越業(yè)界現(xiàn)有材料。

　　3、大面板液晶電視的LED背光源電路板。

　　鉆石金屬散熱片

　　工業(yè)鉆石磨?？梢糟~或鋁滲透制成鉆石金屬(鉆金)散熱片。這種復(fù)合材料不僅熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的銅散熱片，它的熱膨脹率更可調(diào)整，使其與半導(dǎo)體的芯片同步。這樣鉆金散熱片就可直接和芯片焊合，避免熱流被散熱膏阻斷。

　　鉆石散熱片

　　鉆石在常溫的熱傳導(dǎo)率是銅的五倍，而其熱擴(kuò)散率更是十倍以上。鉆石可把芯片的廢熱帶走，也能實(shí)時(shí)降低芯片的溫度梯度，這樣就可避免熱點(diǎn)在瞬間升溫太高(圖三)。鉆石不僅散熱快而且熱脹小，它的抗壓強(qiáng)度(500GPa)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他材料。

　　圖三、鉆石可有效均溫芯片并消除其熱點(diǎn)。圖標(biāo)金屬散熱片的溫度梯度比鉆石大很多(即熱阻較高)。DiAl 為鉆鋁的復(fù)合散熱片

　　雖然鉆石的散熱效果良好，但因其價(jià)格昂貴，并不適合大量用在CPU 上。有鑒于此，宋健民乃發(fā)明鉆石結(jié)合金屬的復(fù)合材料，利用廉價(jià)(每克拉1 石墨及金屬的三元復(fù)合散熱片(圖五)。鉆石磨粒除了可以提高金屬的熱傳導(dǎo)率外，也能降低后者的熱膨脹率。硅芯片及半導(dǎo)體的熱膨脹率遠(yuǎn)低于金屬，因此銅散熱片不能焊接在CPU/毛美元)工業(yè)鉆石磨粒為骨材，再以銀、銅或鋁滲透其間，制成鉆金(鉆石金屬)散熱片。金屬催化劑(如鐵鎳合金)將石墨轉(zhuǎn)化成鉆石可一次形成鉆石上，只好以流質(zhì)的熱界面材料(Thermal Interface Materials;TIM)填充其間。TIM 的熱傳導(dǎo)率不到銅片的百分之一，因此它其實(shí)是一種斷熱材料，反而會使芯片上的熱點(diǎn)凝聚不散。宋健民也曾發(fā)明以鉆石微粉加入流質(zhì)的散熱膠使TIM 的熱傳導(dǎo)率提高至約7 W/mK ，但它仍比金屬焊料傳熱慢得多。若鉆石磨?？砂呀饘俚臒崤蛎浵禂?shù)降到半導(dǎo)體范圍，鉆金散熱片就可直接焊在芯片上，乃至下游的熱沈(Heat Sink)上，這樣就可將芯片和熱沈連成一體，避免熱流被TIM 阻斷。

　　圖五、以宋健民專利DiaCanTM技術(shù)可合成密集的排列鉆石，因此可能直接由石墨制成鉆金散熱片

　　鉆銅及鉆鋁

　　由于熔融的銅不能潤濕鉆石，必須在超高壓下才能滲透并填滿鉆石磨粒間的空隙，這樣就可制成各種形狀的鉆銅散熱片。鋁可勉強(qiáng)潤濕鉆石，故可在低壓下制成鉆鋁散熱片，鉆金復(fù)合材料的外部可形成金屬表層。這樣就可加工磨平，乃至焊接在芯片或熱沈上。鉆金散熱片內(nèi)的鉆石體積比率越高，熱傳導(dǎo)的速度也會加快(圖十)。然而顆粒粗的鉆石磨粒，其體積比難以提高。但細(xì)粒的鉆石磨粒表面熱阻加大，也不利于傳熱。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，鉆金散熱片的最佳粒度及體積比率。

　　圖十、鉆金散熱片的內(nèi)部構(gòu)造顯示鉆石顆粒密集緊靠，可縮短熱流在金屬內(nèi)的傳播路徑

　　鉆金散熱片產(chǎn)品

　　自從2002 年由美國Adranced DiamondSolutions (ADS)推出中砂制造的DiCu 及DiAl 的HeaThruTM 鉆金散熱片后，若干公司在2008 年也試制相似產(chǎn)品，例如奧地利的Plansee及臺灣的Advonced Diamond Technology 等。2008年底Electronics Cooling, 14-4, p18-24刊載了Plansee 鉆金散熱片的制程及產(chǎn)品(Ravi Bollina & Sven Knippscheer, Advanced Metal Diamond Composites-Love & Heat Relationship)。Plansee 鉆金散熱片的熱傳導(dǎo)率及熱膨脹率的范圍。圖十七為該鉆金散熱片的表層狀態(tài)。

圖十七、Plansee 鉆金散熱片的表層

　　單層鉆石鉆鋁散熱片

　　多層鉆石的復(fù)合材料鉆石分布不均，增加了熱阻。單層鉆石不僅可以規(guī)則排列，使鉆石體積比極大化，而且其制造成本也可大幅降低。單層鉆石靠排列立方體的大顆鉆石(如1mm)才能發(fā)揮最大效果。一般的工業(yè)鉆石顆粒很小(TM 技術(shù)可以將晶種排列生長成大顆粒的鉆石，這是全球首創(chuàng)的鉆石生長法，可以大幅提高鉆石的單產(chǎn)(9 克拉/㏄)及質(zhì)量(晶形完整)。DiaCanTM 技術(shù)不僅可降低生產(chǎn)成本，更可長出立方體的鉆石，如圖廿四所示。立方晶可密集排列后以熔鋁滲透，制成單層鉆石散熱片，其鉆石的熱傳導(dǎo)率可能超過1000W/mK ，比銅高兩倍以上。根據(jù)估計(jì)，以DiaCanTM 大量生產(chǎn)0.5mm 立方晶鉆石的成本約為NT 200 ，每個(gè)DiaCanTM 每小時(shí)可產(chǎn)出約5000 顆鉆石，故每顆的成本可低至不及NT$0.1 。CPU 的芯片小于1cm ，若散熱片的面積為22 cm ，需1600 顆鉆石立方晶，其成本約NT$160 。加上滲透鋁及其他制作費(fèi)(如鑲?cè)?141m的標(biāo)準(zhǔn)銅片)，每個(gè)CPU 的散熱片可能售價(jià)為NT$300 。另外根據(jù)Plansee 的估計(jì)，鉆金散熱片的熱傳導(dǎo)率及相對價(jià)格，如圖廿六所示。雖然該類散熱片比大量使用的銅散熱片仍貴數(shù)倍，但因鉆鋁散熱片可使CPU 的頻率突破4GHz ，所以它有望成為未來超速計(jì)算機(jī)的新寵兒。

　　圖廿六、45452mm 散熱片的價(jià)格范圍

　　結(jié)　論

　　鉆金散熱片為臺灣發(fā)明的新產(chǎn)品，它可使CPU 的頻率加快，計(jì)算機(jī)的指令周期因此會更上層樓。除了做為CPU 的散熱片外，鉆金散熱片也可并成更大面積，用來降低其他光電產(chǎn)品的熱點(diǎn)溫度，包括密集LED(如照明用)晶粒或高亮投影機(jī)芯片等。