LED散熱新技術--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。這種復合材料不僅熱傳導率遠高于現有的銅、鋁散熱片，它的熱膨脹率更可調整，使其與半導體的芯片接近。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，可遠超越業界現有材料。

　　2、筆記本電腦中CPU、GPU的導熱片，在熱傳導率及熱膨脹率均遠超越業界現有材料。

　　3、大面板液晶電視的LED背光源電路板。

　　鉆石金屬散熱片

　　工業鉆石磨粒可以銅或鋁滲透制成鉆石金屬(鉆金)散熱片。這種復合材料不僅熱傳導率遠高于現有的銅散熱片，它的熱膨脹率更可調整，使其與半導體的芯片同步。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率是銅的五倍，而其熱擴散率更是十倍以上。鉆石可把芯片的廢熱帶走，也能實時降低芯片的溫度梯度，這樣就可避免熱點在瞬間升溫太高(圖三)。鉆石不僅散熱快而且熱脹小，它的抗壓強度(500GPa)也遠遠超過其他材料。

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

　　雖然鉆石的散熱效果良好，但因其價格昂貴，并不適合大量用在CPU 上。有鑒于此，宋健民乃發明鉆石結合金屬的復合材料，利用廉價(每克拉1 石墨及金屬的三元復合散熱片(圖五)。鉆石磨粒除了可以提高金屬的熱傳導率外，也能降低后者的熱膨脹率。硅芯片及半導體的熱膨脹率遠低于金屬，因此銅散熱片不能焊接在CPU/毛美元)工業鉆石磨粒為骨材，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)將石墨轉化成鉆石可一次形成鉆石上，只好以流質的熱界面材料(Thermal Interface Materials;TIM)填充其間。TIM 的熱傳導率不到銅片的百分之一，因此它其實是一種斷熱材料，反而會使芯片上的熱點凝聚不散。宋健民也曾發明以鉆石微粉加入流質的散熱膠使TIM 的熱傳導率提高至約7 W/mK ，但它仍比金屬焊料傳熱慢得多。若鉆石磨粒可把金屬的熱膨脹系數降到半導體范圍，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。鋁可勉強潤濕鉆石，故可在低壓下制成鉆鋁散熱片，鉆金復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。鉆金散熱片內的鉆石體積比率越高，熱傳導的速度也會加快(圖十)。然而顆粒粗的鉆石磨粒，其體積比難以提高。但細粒的鉆石磨粒表面熱阻加大，也不利于傳熱。根據實驗，鉆金散熱片的最佳粒度及體積比率。

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

　　鉆金散熱片產品

　　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品(Ravi Bollina & Sven Knippscheer, Advanced Metal Diamond Composites-Love & Heat Relationship)。Plansee 鉆金散熱片的熱傳導率及熱膨脹率的范圍。圖十七為該鉆金散熱片的表層狀態。

圖十七、Plansee 鉆金散熱片的表層

　　單層鉆石鉆鋁散熱片

　　多層鉆石的復合材料鉆石分布不均，增加了熱阻。單層鉆石不僅可以規則排列，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)才能發揮最大效果。一般的工業鉆石顆粒很小(TM 技術可以將晶種排列生長成大顆粒的鉆石，這是全球首創的鉆石生長法，可以大幅提高鉆石的單產(9 克拉/㏄)及質量(晶形完整)。DiaCanTM 技術不僅可降低生產成本，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，其鉆石的熱傳導率可能超過1000W/mK ，比銅高兩倍以上。根據估計，以DiaCanTM 大量生產0.5mm 立方晶鉆石的成本約為NT 200 ，每個DiaCanTM 每小時可產出約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(如鑲入4141m的標準銅片)，每個CPU 的散熱片可能售價為NT$300 。另外根據Plansee 的估計，鉆金散熱片的熱傳導率及相對價格，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算機的新寵兒。

　　圖廿六、45452mm 散熱片的價格范圍

　　結　論

　　鉆金散熱片為臺灣發明的新產品，它可使CPU 的頻率加快，計算機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品的熱點溫度，包括密集LED(如照明用)晶粒或高亮投影機芯片等。