散热材料及其制造方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种散热材料，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。
技术介绍
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400 W/(nrvK)，而铜的比重达8.9 Mg/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。
技术实现思路
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500 W/(m'K)，比较典型地在800 W/(m'K)至1000 W/(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，本专利技术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。解决问题的手段本专利技术的专利技术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，并且本专利技术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， 因此能用于本专利技术的实现。即，本专利技术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。本专利技术最好是关于再结晶组织中的平均晶粒尺寸为0.1 pm至20 pm 的散热材料。进而，本专利技术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%。本专利技术涉及的散热材 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，本专利技术涉及的散热材料满足以下关系式 x (FCF /100)+ /7C[/ x (F^ /100)} 2 0.9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。本专利技术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(0.05 to 0.60)x dCF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、 5 MPa至100 MPa的高压、当最高温度维持在土5。C的范围时保持时间在 0.1 ks至1.8 ks的条件下进行放电等离子烧结，使铜的金属组织再结晶。本专利技术的效果本专利技术的散热材料的热传导率可以明显地增长。因此，本专利技术对于诸 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。附图说明图1是由电子扫描显微镜所拍摄的本专利技术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专利技术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专利技术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专利技术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专利技术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专利技术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专利技术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专利技术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是本专利技术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是本专利技术的散热材料的抗弯试验的"负载-位移"曲线；图12是本专利技术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是本专利技术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，本专利技术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400 VW(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400 W/(nvK)。因此，为了实现铜的本来的热传导率，这是也就是大约400 W/(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。本专利技术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，本专利技术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)，它本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：横山绅一郎，佐藤公纪，
申请(专利权)人：日立金属株式会社，岛根县，
类型：发明
国别省市：JP[日本]