专利名称：散热片及其制造方法
技术领域：
本发明涉及在空气中散发电子元件如计算机CPU芯片及类似物产生的热量的散热片及其制造方法，具体来说，涉及采用碳纤维制成的针状翼片作为翼片的散热片及其制造方法。
背景技术：
在近年来的电子器件中，由于高度集成及加速电子元件的热量值一直在显著增加，因而必须将产生的热量有效地从电子元件散发到外部。为了有效地将热量从电子元件散发到空气中，增加散热面积是有效的。作为增加散热面积的一个实例，例如，已经知道使用散热片作为电子器件的冷却结构。
散热片是用具有高导热性的金属制成的，并能够从风扇向散热片的表面送出空气而施加冷却作用。一种散热片是铝压铸产品，在许多情形中它能够以低成本制造。但是，当散热片是铝压铸产品时，为了使从模具的拉出容易，翼片的间距和厚度不能被减小。另外，在用其它材料制成的散热片的情形中，象铝压铸产品一样，从制造方法及成本的观点来看，散热面积的增大是有限的，这是改善冷却性能的障碍。
如上所述，为了有效地在空气中散发来自电子元件的热量，散热片最好具有高导热性和大的散热面积。为了满足这些性能，已经有人提出具有碳纤维制成的针状翼片的散热片(例如，日本专利申请公开文本第8-303978(1996)号)。在这种散热片的结构中，许多碳纤维被硬焊在金属基片上以便被植绒。另外，用于制造这种散热片的方法为首先在片状基片上涂覆粘合剂，以便临时聚积碳纤维而形成临时植绒的基片。然后，植绒在临时植绒的基片上的碳纤维的末端和被植绒的金属基片通过金属硬焊材料被固定，以便将临时植绒的基片的碳纤维转移附着在被植绒的金属基片上。
在日本专利申请公开文本第8-3039 78(1996)号的方法中，由于碳纤维不易与金属硬焊材料相容，因而难于将碳纤维附着在被植绒的金属基片上。另外，甚至当被附着时，由于碳纤维和被植绒的金属基片的结合较弱，存在的问题是碳纤维易于因振动或冲击而从被植绒的金属基片脱落。另外，在这样制造的散热片中，由于碳纤维和被植绒的金属基片之间的热阻大，因而也存在不能获得高冷却性能的问题。
发明内容
鉴于上述情形做出了本发明，本发明的目的是提供一种在碳纤维和基片具有牢固的机械连接的散热片及其制造方法。
本发明的另一个目的是提供一种能够施加高冷却性能的散热片及其制造方法。
本发明的散热片的特征在于在许多碳纤维设置在基片上的散热片中，碳纤维被镀上金属，碳纤维的末端与基片被硬焊起来。本发明的散热片被构制成使具有镀上了金属的表面的碳纤维被硬焊固定在基片上。由于碳纤维的表面镀有金属，因而当碳纤维和基片进行硬焊时，碳纤维的表面变得易于被金属硬焊材料浸润，碳纤维易于固定在基片上，碳纤维和基片之间的机械连接牢固。另外，碳纤维和基片间的热阻小。因此，在来自电子元件的热量被传至基片后，热量以很小的热阻传至碳纤维，热量从碳纤维的表面散入空气中，因而冷却性能高。
在本发明的散热片中，在上述结构中，用于镀金属的材料最好是从下述组中选择的一种或多种金属，或者是含有从该组选择的一种或多种金属的合金，所述组由Cu，Ni，Au，Sn，Ag，Pd和Pt。在本发明的散热片中，碳纤维的表面镀有Cu，Ni，Au，Sn，Ag，Pd和Pt中的一种或多种金属，或者镀有含有这些元素中的一种或多种金属的合金。因此，用于连接的硬焊材料间的浸润性更好，而且碳纤维和基片之间的热阻很小。
在本发明的散热片中，在上述结构中，基片的材料最好从由Cu，Al和陶瓷的组中选择。基片由具有较好导热性的材料如Cu，Al，陶瓷和类似物构成。因此，来自电子元件的热量可有效地从基片传至碳纤维。
本发明的用于制造散热片的方法是用于制造许多碳纤维设置在基片上的一种散热片的方法，该方法包括使许多碳纤维承受金属镀处理的步骤、将镀有金属的碳纤维的一端临时附着在临时基片上的步骤和将碳纤维的未被临时附着的另一端硬焊固定在基片上的步骤。在具有镀有金属的表面的碳纤维的一端被临时附着在临时基片上以后，碳纤维的另一端被硬焊固定在基片上以制造散热片。因此，易于制造具有上述性质的散热片。
本发明的制造散热片的方法是用于制造许多碳纤维设置在基片上的散热片的方法，该方法包括将许多碳纤维的一端临时附着在临时基片上的步骤、使临时附着的碳纤维的另一端部承受金属镀处理的步骤和将碳纤维的镀有金属的另一端硬焊固定在一基片上的步骤。在碳纤维的一端被临时附着在临时基片上之后，碳纤维的另一端部承受金属镀处理，碳纤维的另一端被硬焊固定在基片上以制造散热片。因此，易于制造具有上述性质的散热片。
通过对照以下附图的详细描述可更全面地理解本发明的上述的和进一步的目的和特征。
图1是表示本发明的散热片的结构的一个实例的视图，图2是表示本发明的散热片的结构的另一实例的视图，图3A至3G是表示本发明的制造散热片的方法的过程的一个实例的视图，以及图4A至4F是表示本发明的制造散热片的方法的过程的另一实例的视图。
具体实施例方式
下面参阅表示本发明实施例的附图具体描述本发明。图1是表示本发明的散热片10的结构的一个实例的视图。
在图1中，附图标记1代表例如用Cu板制成的基片，附图标记2代表许多碳纤维，所述碳纤维的表面镀有金属镀层3，例如Cu镀层。每根碳纤维2的末端通过如焊料构成的硬焊材料4附着在基片1上。
例如，Mitsubishi Chemical Functional Products Inc.制造的Dialead(K223 HG)可以用作碳纤维2，但是，碳纤维并不局限于此，只是碳纤维具有高导热性即可。另外，碳纤维2具有10μm至1mm的换算直径(conversion diameter)及5至100的纵横比(aspect ratio)。当碳纤维2具有这样的尺寸时，在静电植绒中很容易使碳纤维流动。在本文中，“换算直径”是指将纤维的横截面积换算成具有相同横截面积的圆的直径而得到的值，“纵横比”是指纤维的长度除以其厚度而得到的值。
本发明的散热片10被构制成使表面具有金属镀层3(Cu镀层)的碳纤维2用硬焊材料(焊料)4硬焊固定在基片1(Cu板)上。由于碳纤维2的表面镀有金属，因而在碳纤维2和基片1之间硬焊时，碳纤维2表面上的金属镀层3和硬焊材料4易于浸润，碳纤维2易于固定在基片1上，碳纤维2和基片1之间的机械连接牢固。
另外，金属镀层3和硬焊材料4介入碳纤维2和基片1之间，其间热阻很小。因此，在来自电子元件的热量传至基片1以后，热量以很小的热阻传至碳纤维2，热量从碳纤维2的表面散入空气中，因而散热片10的冷却性能得到显著改善。
图2是表示本发明的散热片10的结构的另一实例的视图。在图1所示的实例中，金属镀层3(Cu镀层)设置在碳纤维2的整个表面上，但是，在图2的实例中，金属镀层3(Cu镀层)只在与由焊料构成的硬焊材料4接触的部分(末端部分)设置。在图2所示的实例中，除了具有与图1所示实例相同的效果以外，由于金属镀层3的量可以减少，从而可以降低成本。
如上所述，在本发明的散热片10中，由于镀有金属的碳纤维2被硬焊固定在基片1上，因而在碳纤维2和基片1之间进行硬焊时，碳纤维2的表面易于被金属硬焊材料4浸润，碳纤维2可以容易地固定在基片1上，可使碳纤维2和基片1之间的机械连接牢固。另外，由于碳纤维2和基片1之间的热阻小，因而在来自电子元件的热量传至基片1以后，热量以很小的热阻传至碳纤维2，并且热量从碳纤维2的表面散入空气中，因此，冷却性能可以得到显著改善。
下面描述制造散热片10的方法。图3A至3G是表示制造本发明的散热片10的方法的过程的一个实例的视图。
首先，使许多已被切短的碳纤维2(例如，长度为6mm，直径为10μm，传热性为620W/mk)承受金属镀处理(例如，无电镀铜处理)(图3A，3B)。然后，经过金属镀(镀铜)处理带有金属镀层3(Cu镀层)的表面的碳纤维2借助静电植绒法竖直地设置在平板状临时基片11上，碳纤维2的一端临时地借助粘合剂12附着在临时基片11上(图3C，3D)。
任何临时基片如不锈钢板、Al，Cu及类似物的金属板和具有热阻的玻璃布基片-环氧树脂基片可以用作临时基片11，只是它是具有大约200℃的热阻的材料板即可，200℃是焊接温度。另外，热塑性合成树脂粘合剂如聚丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、多乙酸乙烯酯树脂和类似物可用作用于临时固定的粘合剂12，并且可以使用可溶性粘合剂，从而在后处理中可以容易地进行碳纤维2和临时基片11的分离。可以使用已知方法(例如，日本专利申请公开文本第6-24793(1994)号中公开的植绒法)作为静电植绒方法，向上方法(up method)和向下方法(down method)都可以使用，但是鉴于附着强度，纤维的找齐及纤维的竖直状态，向上方法更为理想。
然后，使碳纤维2的未临时附着的另一端与表面涂有作为硬焊材料的焊膏13的基片1(例如Cu板)接触，在这种状态中，硬焊材料(焊料)被熔化并冷却，以便硬焊(焊接)碳纤维2和基片1(Cu板)(图3E，3F)。当碳纤维2镀有铜作为硬焊材料，且Cu板被用作基片1时，可以使用Sn-Pb焊膏和在普通电子元件封装中使用的Sn-Ag焊膏。在这种状态中可以使用热板、红外线回流炉、热风回流炉或类似物进行硬焊材料的加热，在任何情形中，在大致加热至焊料的熔点+(30至100)℃之后进行冷却，可以牢固连接碳纤维2和基片1(Cu板)。
最后，在基片1(Cu板)和碳纤维2的机械和热连接完成之后，将其浸入溶剂如乙醇、丙酮和类似物中，以便将被临时附着的临时基片11从碳纤维2剥离，从而制成如图1所示的散热片10。另外，当使用热塑性树脂制成的粘合剂作为粘合剂12时，可将其再次加热，以便使临时基片11与碳纤维2剥离。
在本发明的这种制造散热片的方法中，使许多碳纤维2承受金属镀处理，镀有金属的碳纤维2的一端被临时附着在临时基片11上，碳纤维2的未被临时附着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热片。
图4A至4F是表示本发明的制造散热片10的方法的过程的另一实例的视图。首先，制备许多被切短的碳纤维2(例如，长度为6mm，直径为10μm，传热性为620W/mk)，借助静电植绒法将这些碳纤维2竖直地设置在平板状的临时基片11上，使用粘合剂12将碳纤维2的一端附着在临时基片11上(图4A，4B)。临时基片11的材料、粘合剂12的材料和静电植绒的过程与图3A至3D所示相同。
然后，碳纤维2的未被临时附着的另一端的部分被浸入镀液中进行金属镀处理，以便在碳纤维2的所述另一端的部分的表面上开成金属镀层3(Cu镀层)(图4c)。然后，使碳纤维2的未被临时附着的且其上形成金属镀层3(Cu镀层)的另一端与表面涂有作为硬焊材料的焊膏的基片1(如铜板)接触，在这种状态中，将硬焊材料(焊料)熔化并冷却，以便硬焊(焊接)碳纤维2和基片1(铜板)(图4D，4E)。硬焊材料的用料和加热硬焊材料的方法与图3E和3F所示相同。
最后，在基片1(铜板)和碳纤维2之间的机械和热连接完成以后，将其浸入溶剂如乙醇、丙酮和类似物中，以便将使临时附着的临时基片11与碳纤维2剥离，从而制成图2所示的散热片10(图4F)。当使用热塑性树脂制成的粘合剂作为粘合剂12时，可将其再次加热，以便使临时基片11与碳纤维2剥离。
在本发明的这种制造散热片的方法中，由于碳纤维2的一端被临时附着在临时基片11上，使被临时附着的碳纤维2的另一端的部分承受金属镀处理，将镀有金属的碳纤维2的另一端硬焊固定在基片1上，以便制成散热片10，因而可以容易地制成具有上述效果的散热片。
在上述方法实例中，在基片1(铜板)上设置焊膏13，但是，焊膏13可以设置在碳纤维2的未被临时附着的另一端上，碳纤维2可以连接于基片1(铜板)。
在前述实例中，在碳纤维2上的金属镀是铜镀。但是，这只是一个实例，可以使用从下述组中选择的一种或多种金属或含有从该组中选择的一种或多种金属的合金作为金属镀的材料，所述组是由Cu，Ni，Au，Sn，Ag，Pd和Pt构成的。在本发明的散热片10中，由于使用从Cu，Ni，Au，Sn，Ag，Pd和Pt构成的组中选择的一种或多种金属或含有从该组中选择的一种或多种金属的合金作为金属镀的材料，因而与用于连接的硬焊材料的浸润性较好，碳纤维2和基片1之间的热阻很小。
使用铜板作为基片1，但这只是一个实例，也可以使铝板和具有较好传热性的陶瓷板。另外，可以使用已承受表面处理如Cu镀、Ni/Au镀等的碳板。在本发明的散热片10中，由于使用从Cu，Al和陶瓷构成的组中选择的材料作为基片1的材料，因而基片1的传热性较好，来自电子元件的热量可从基片1有效地传至碳纤维2。
权利要求
1.一种散热片，其中许多碳纤维设置在一基片上，其中碳纤维被镀有金属，碳纤维的末端被硬焊在该基片上。
2.如权利要求1所述的散热片，其特征在于用于金属镀的材料是从Cu，Ni，Au，Sn，Ag，Pd和Pt构成的组中选择的一种或多种金属或含有从该组中选择的一种或多种金属的合金。
3.如权利要求1所述的散热片，其特征在于基片的材料是从Cu，Al和陶瓷构成的组中选择的。
4.如权利要求2所述的散热片，其特征在于基片的材料是从Cu，Al和陶瓷构成的组中选择的。
5.一种制造散热片的方法，在所述散热片中许多碳纤维设置在一基片上，该方法包括使许多碳纤维承受金属镀处理的步骤；将经过金属镀的碳纤维的一端临时附着在一临时基片上的步骤；以及将碳纤维的未被临时附着的另一端硬焊固定在基片上的步骤。
6.一种制造散热片的方法，在所述散热片中许多碳纤维被设置在一基片上，该方法包括将许多碳纤维的一端临时附着在一临时基片上的步骤；使被临时附着的碳纤维的另一端的部分承受金属镀处理的步骤；以及将碳纤维的镀有金属的另一端硬焊固定在基片上的步骤。
全文摘要
表面具有金属镀层(铜镀层)的许多碳纤维借助静电植绒法竖直地设置在一平板状临时基片上，碳纤维的一端用粘合剂临时附着在临时基片上。使碳纤维的未被临时附着的另一端与表面涂有焊膏的基片(铜板)接触，在这种状态中，硬焊材料(焊料)被熔化并冷却，从而使碳纤维和基片被硬焊(焊接)起来。在基片和碳纤维之间的机械和热连接完成以后，将其浸入有机溶剂中，使临时附着的临时基片与碳纤维剥离，以便制成散热片。
文档编号H05K7/20GK1755923SQ20051000442
公开日2006年4月5日 申请日期2005年1月17日 优先权日2004年9月29日
发明者内田浩基, 德平英士, 石锅稔, 伊达仁昭, 谷口淳 申请人:富士通株式会社