TWI640495B - 複合構件及其用途與製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種複合構件及其用途與製作方法，該複合構件的製作方法包括步驟：(a)提供多個鋁金屬粉體及多個碳化矽粉體，該鋁金屬粉體及該碳化矽粉體之純度大於99.5%；(b)將該鋁金屬粉體及該碳化矽粉體於一有機載體中進行一濕式混粉程序，以形成一漿體；(c)乾燥該漿體，以形成多個鋁-碳化矽複合粉體；及(d)將該鋁-碳化矽複合粉體與一金屬薄片進行一成型及緻密化程序，以形成該複合構件。該複合構件可應用於作為一具散熱、抗電磁干擾或其結合功能之元件。
Description
本發明係關於一種複合構件，特別是關於一種將金屬薄片與碳化矽粉體複合為一體的複合構件及其用途與製作方法。
由於電子元件的高度積體化、微型化，在電子元件運作時伴隨著高熱量產出，如何有效地對電子元件散熱以避免損及元件，逐漸成為系統設計的重要課題。其中，利用散熱材料輔助增加散熱面積及效率，是熱管理技術中最常見且最基本的方式。舉例而言，具高導熱率的金屬材料，如鋁(熱傳導率~200W/m．K)及銅(熱傳導率~400W/m．K)，是最常用的散熱材料，然而鋁(熱膨脹係數~23ppm/K)、銅(熱膨脹係數~16ppm/K)的熱膨脹係數非常高，與半導體材料(熱膨脹係數~5ppm/K)的差距甚鉅，使得上述金屬材料應用於半導體元件散熱時，會有因熱應力導致元件損壞的情況。
而今已發展出熱傳導率較高、熱膨脹係數為可調控的及比重較低的新散熱材料，以鋁-矽化複材為例，鋁-矽化複合材料可應用於各種散熱場合，例如：用於電子元件及微處理器的構裝及散熱材料、印刷電路板、LED及IGBT散熱基板、手機外殼等。
舉例而言，中華民國公告第I357788號發明專利案揭露以浸
漬法進行鋁-碳化矽複材之製造，即先製作多孔性、相對密度僅55~75%的碳化矽預型體，之後，再利用高壓方式將鋁或鋁合金壓入碳化矽預型體中。然而，由於碳化矽的熔點為2830℃，欲製作出多孔性且具一定強度的碳化矽預型體，困難度頗高，因此須加入一些陶瓷助劑輔助燒結，但這樣會降低碳化矽的熱傳導率；此外，多孔性預型體局部會形成封閉氣孔，導致鋁或鋁合金無法被壓入，進而造成鋁-碳化矽複材的密度較低。
有鑑於此，有必要提供一種有別以往的鋁-碳化矽的製作方法，以解決習用技術所存在的問題。
本發明之一目的在於提供一種複合構件，係將鋁-碳化矽複合粉體與金屬薄片一體成型及緻密化，可無須預先製作碳化矽預型體用於壓入金屬材料，以改善熱傳導率及密度。
本發明之次一目的在於提供一種複合構件的用途，係將鋁-碳化矽複合粉體與金屬薄片一體成型及緻密化，可用於製造具抗電磁干擾及散熱功能之元件。
本發明之再一目的在於提供一種複合構件的製作方法，係將鋁-碳化矽複合粉體與金屬薄片一體成型及緻密化，可無須預先製作碳化矽預型體用於壓入金屬材料，以簡化製作過程。
為達上述之目的，本發明提供一種複合構件的製作方法，可包括步驟：(a)提供多個鋁金屬粉體及多個碳化矽粉體，該鋁金屬粉體及該碳化矽粉體之純度大於99.5%；(b)將該鋁金屬粉體及該碳化矽粉體於一有機載體中進行一濕式混粉程序，以形成一漿體；(c)乾燥該漿體，以形成多個
鋁-碳化矽複合粉體；及(d)將該鋁-碳化矽複合粉體與一金屬薄片進行一成型及緻密化程序，以形成該複合構件。
在本發明之一實施例中，在步驟(a)中，該鋁金屬粉體可呈球形或類球形。
在本發明之一實施例中，在步驟(a)中，該碳化矽粉體可呈不規則形。
在本發明之一實施例中，在步驟(a)中，以重量百分比計：該鋁金屬粉體可大於20%，及以該碳化矽粉體補足至100%。
在本發明之一實施例中，在步驟(a)中，該碳化矽粉體可為碳化矽陶瓷粉。
在本發明之一實施例中，在步驟(b)中，該有機載體可選自二乙二醇單丁醚、二乙二醇單丁醚醋酸酯、松油醇、乙醇及異丙醇中的一種。
在本發明之一實施例中，在步驟(b)中，該濕式混粉程序的一操作時間可為0.5至4小時。
在本發明之一實施例中，在步驟(c)中，該漿體可用真空乾燥法進行乾燥。
在本發明之一實施例中，在步驟(c)中，該真空乾燥法的一操作溫度可為80至250℃，該真空乾燥法的一操作時間可為0.5至4小時。
在本發明之一實施例中，在步驟(c)中，該真空乾燥法的一真空度可小於760托。
在本發明之一實施例中，在步驟(d)中，該金屬薄片可由鋁、
銅、銀、金或其合金所構成。
在本發明之一實施例中，在步驟(d)中，該金屬薄片的一厚度可選為0.01至1毫米。
在本發明之一實施例中，在步驟(d)中，該成型及緻密化程序可為一熱壓製程。
在本發明之一實施例中，在步驟(d)中，該成型及緻密化程序可用一乾壓製程配合一惰氣燒結製程。
在本發明之一實施例中，在步驟(d)中，該惰氣燒結製程所使用的惰氣可為氬氣或氮氣。
在本發明之一實施例中，在步驟(d)中，該成型及緻密化程序的一操作溫度可為500至650℃，該成型及緻密化程序的一操作時間可為1至4小時。
在本發明之一實施例中，在步驟(d)中，該複合構件的金屬薄片之至少一部分可被露出。
為達上述之目的，本發明另提供一種複合構件，可為如上所述之複合構件的製作方法所製成。
為達上述之目的，本發明另提供一種複合構件的用途，可應用於作為具散熱、抗電磁干擾或其結合功能之一元件。
1‧‧‧複合構件
11a‧‧‧鋁金屬粉體
11b‧‧‧碳化矽粉體
12‧‧‧金屬薄片
S1‧‧‧步驟
S2‧‧‧步驟
S3‧‧‧步驟
S4‧‧‧步驟
第1圖：本發明實施例之複合構件的製作方法之流程示意圖。
第2圖：本發明實施例之複合構件之局部放大剖視示意圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
請參照第1及2圖所示，本發明實施例之複合構件的製作方法的步驟S1~S4係舉例說明如下，惟不以此為限。
步驟S1，提供多個鋁金屬粉體11a及多個碳化矽粉體11b，該鋁金屬粉體11a及該碳化矽粉體11b之純度大於99.5%。在一實施例中，該鋁金屬粉體11a及該碳化矽粉體11b之純度可大於99.7%；該鋁金屬粉體11a之粒徑可為1至10微米(μm)，該碳化矽粉體11b之粒徑可為1至15微米；該鋁金屬粉體11a可呈球形或類球形，該碳化矽粉體11b可呈不規則形，如：該碳化矽粉體可為碳化矽陶瓷粉等；該鋁金屬粉體11a之重量百分比可大於20%，其餘之重量百分比可為該碳化矽粉體11b含量，以取得較佳製作成果。
步驟S2，將該鋁金屬粉體11a及該碳化矽粉體11b於一有機載體中進行一濕式混粉程序，以形成一漿體。在一實施例中，該有機載體可選自二乙二醇單丁醚(butyl carbitol)、二乙二醇單丁醚醋酸酯(butyl carbitol acetate)、松油醇(terpineol)、乙醇(ethanol)及異丙醇(isopropanol)中的一種；該濕式混粉程序的一操作時間可為0.5至4小時，以取得較佳製作成果。
步驟S3，乾燥該漿體，以形成多個鋁-碳化矽複合粉體。在
一實施例中，該漿體可用真空乾燥法進行乾燥，例如：該真空乾燥法的一操作溫度可為80至250℃，該真空乾燥法的一操作時間可為0.5至4小時，該真空乾燥法的一真空度可小於760托(torr)，以取得較佳製作成果。
步驟S4，將該鋁-碳化矽複合粉體與一金屬薄片12進行一成型及緻密化程序，以形成該複合構件1。在一實施例中，該金屬薄片12可為高熱傳導性金屬構成，如：該金屬薄片12可由鋁、銅、銀、金或其合金所構成，惟不以此為限；該金屬薄片12的一厚度可選為0.01至1毫米(mm)；該成型及緻密化程序可選為一熱壓製程(hot pressing)，或者，可選用一乾壓製程(die forming)配合一惰氣燒結製程(sintering)，例如：該惰氣燒結製程所使用的惰氣可為氬氣或氮氣；該成型及緻密化程序的一操作溫度可為500至650℃，該成型及緻密化程序的一操作時間可為1至4小時；該複合構件1的金屬薄片12之至少一部分(如一光滑表面)可被露出，用以貼接一發熱物，如：各式資料處理元件等，以便應用於光電、半導體、電腦、手機通訊等產業。以下係舉例說明本發明上述實施例的實施態樣，惟不以此為限。
實例1：本實例係以金屬鋁箔複合鋁-碳化矽散熱構件之製作為例。首先，按照60%鋁與40%碳化矽之重量百分比例，提供純度高達99.7%以上的鋁金屬粉體(平均粒徑為6微米)及純度高達99.9%以上的碳化矽粉體(平均粒徑為10微米)。接著，將鋁金屬粉體與碳化矽粉體放入二乙二醇單丁醚之有機載體中進行該濕式混粉程序，操作時間為4小時。
然後，將混合均勻的鋁-碳化矽漿體放入一真空烘箱中，在真空度為76托(torr)的環境下進行真空乾燥過程，其中，乾燥溫度為160℃，
乾燥時間為4小時，即可獲得鋁-碳化矽複合粉體。
最後，將厚度為0.01毫米(mm)的純鋁箔放入一乾壓模具中，隨後將鋁-碳化矽複合粉體倒入該乾壓模具中進行成型，再將已成型的鋁箔-鋁-碳化矽胚體，在氮氣的保護氣氛下，以常壓燒結方式，在600℃、持溫2小時之條件下，將純鋁箔與鋁-碳化矽粉體燒製成鋁-鋁-碳化矽散熱構件，該散熱構件之厚度為3.5毫米、相對密度為98.7%、熱傳導率為200W/m．K、熱膨脹係數為11.9ppm/K。
實例2：本實例係以金屬銅箔複合鋁-碳化矽散熱構件之製作為例。首先，按照50%鋁與50%碳化矽之重量百分比例，提供純度高達99.7%以上的鋁金屬粉體(平均粒徑為10微米)及純度高達99.9%以上的碳化矽粉體(平均粒徑為15微米)。接著，將鋁金屬粉體與碳化矽粉體放入乙醇之有機載體中進行該濕式混粉程序，操作時間為1小時。
然後，將混合均勻的鋁-碳化矽漿體放入一真空烘箱中，在真空度為190托(torr)的環境下進行真空乾燥過程，其中，乾燥溫度為80℃，乾燥時間為2小時，即可獲得鋁-碳化矽複合粉體。
最後，將厚度為0.03毫米(mm)的銅箔放入一石墨模具(熱壓模具)中，隨後將鋁-碳化矽複合粉體倒入該熱壓模具中，以熱壓方式，在550℃、持溫2小時之條件下，將銅箔與鋁-碳化矽粉體壓成銅-鋁-碳化矽散熱構件，該散熱構件之厚度為3.5毫米、相對密度為99.4%、熱傳導率為187W/m．K、熱膨脹係數為9.7ppm/K。
本發明上述實施例之複合構件的製作方法，其特點在於：可
將具高熱傳導性的金屬薄片與鋁-碳化矽粉體複合為一體，以形成緻密的金屬-鋁-碳化矽複合構件。由於該複合構件的外層具有高熱傳導率的金屬材料，因此，可提供兼具加工性、散熱性及抗電磁干擾(EMI)功能的光滑表面；該複合構件的內層則為高熱傳導率的鋁-碳化矽複合材料，而且，該鋁-碳化矽的比例可改變以調整該複合構件的熱膨脹係數。
相較於現有技術的浸漬法，本發明上述實施例之複合構件的製作方法，係將鋁-碳化矽複合粉體與金屬薄片一體成型及緻密化，無須預先製作碳化矽預型體用於壓入金屬材料，以簡化製作過程。並且，該製作方法可直接應用於光電、半導體、電腦、手機通訊等產業之具散熱、抗電磁干擾或其結合功能之一元件的製造。
本發明上述實施例之複合構件的製作方法，可用於提供一種複合構件，該複合構件係以如上所述之複合構件的製作方法所製成；該複合構件可應用於作為具散熱、抗電磁干擾或其結合功能之一元件，其實施方式已說明如上，在此不再贅述。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
Claims (9)
- 一種複合構件的製作方法，包括步驟：(a)提供多個鋁金屬粉體及多個碳化矽粉體，該鋁金屬粉體及該碳化矽粉體之純度大於99.5%；(b)將該鋁金屬粉體及該碳化矽粉體於乙醇中進行一濕式混粉程序，操作時間為1小時，以形成一漿體；(c)乾燥該漿體，在真空度為190托的環境下進行真空乾燥過程，乾燥溫度為80℃，乾燥時間為2小時，以形成多個鋁-碳化矽複合粉體；及(d)將該鋁-碳化矽複合粉體與一銅箔進行一成型及緻密化程序，以熱壓方式，在溫度為550℃且持溫2小時之條件下，形成該複合構件。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合構件的製作方法，其中在步驟(a)中，該鋁金屬粉體係呈球形或類球形。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合構件的製作方法，其中在步驟(a)中，該碳化矽粉體係呈不規則形。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合構件的製作方法，其中在步驟(a)中，以重量百分比計：該鋁金屬粉體大於20%，及以該碳化矽粉體補足至100%。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合構件的製作方法，其中在步驟(a)中，該碳化矽粉體為碳化矽陶瓷粉。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合構件的製作方法，其中在步驟(d)中，該銅箔的一厚度係選為0.03毫米。
- 如申請專利範圍第1項所述之複合構件的製作方法，其中在步驟(d)中，該複合構件的銅箔之至少一部分被露出。
- 一種複合構件，係以如申請專利範圍第1至7項任一項所述之複合構件的製作方法所製成。
- 一種如申請專利範圍第8項所述之複合構件的用途，係應用於作為具散熱、抗電磁干擾或其結合功能之一元件。
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Patent Citations (4)
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