專利名稱：：散熱材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種散熱材料，它用于使諸如半導(dǎo)體元器件、成像元器件、光學(xué)元件這樣的電子元件所產(chǎn)生的熱量向四周散發(fā)，以及這種散熱材料的制造方法。
背景技術(shù)：
：從諸如半導(dǎo)體元器件、成像元器件、光學(xué)元件這樣的電子設(shè)備的元器件所產(chǎn)生熱量隨著諸如膝上型個(gè)人電腦這樣(具有代表性的)的半導(dǎo)體元器件的處理速度和集成度的增加而增加，也隨著諸如液晶電視和等離子顯示器這樣的成像元器件亮度的高輝度化和諸如像光發(fā)射二極管(LEDs)的大功率化而不斷增加，電子機(jī)器中電子元器件的發(fā)熱會(huì)引起設(shè)備的故障乃至失效。因此，解決散熱問題一直都是很重要的技術(shù)課題。在如上所說的裝置和元器件中銅和鋁是被用來作為一種殼體材料和/或散熱板材料用于將熱量從元器件向周邊散發(fā)開來，因?yàn)檫@些材料即使在金屬中其熱傳導(dǎo)性也是特別高的。然而，即使是銅在金屬中具有極好的導(dǎo)熱性，其熱傳導(dǎo)率還接近400W/(nrvK)，而銅的比重達(dá)8.9Mg/m3，換言之，由于其笨重帶來了缺點(diǎn)。因此，近來有人建議制造和使用一種碳纖維和金屬材料組成的復(fù)合材料作為散熱材料，它通過使用輕質(zhì)和高熱導(dǎo)率的碳纖維來替代上述的金屬材料。例如日本特許公開號(hào)為2003-46038(專利文獻(xiàn)1)所描述的一種制造碳纖維和金屬?gòu)?fù)合形成復(fù)合材料的方法，而該方法包括對(duì)碳纖維用諸如鎳和銅這樣的金屬進(jìn)行電鍍，并且用金屬材料的熱熔體對(duì)碳纖維進(jìn)行浸漬，再對(duì)電鍍后的碳纖維進(jìn)行液態(tài)金屬鍛造。此外，上述文章還敘述了一種包括用金屬對(duì)碳纖維進(jìn)行電鍍的方法和對(duì)電鍍后的碳纖維進(jìn)行熱壓以將其燒結(jié)固化成型。根據(jù)后面的方法采用熱壓，在碳纖維的表面進(jìn)行電鍍，在熱壓的時(shí)侯起到緩沖劑的作用，也作為在碳纖維之間的間隙中的填充劑。從上述可見，這種包括碳纖維電鍍的方法可以被看作是對(duì)碳纖維和金屬形成復(fù)合物的有效技術(shù)和方法。
發(fā)明內(nèi)容在上述專利文獻(xiàn)1中所述的方法被認(rèn)為是制造散熱材料的有效技術(shù)，這種材料由碳纖維材料和一種金屬?gòu)?fù)合構(gòu)成。碳纖維的熱傳導(dǎo)率不小于500W/(m'K)，比較典型地在800W/(m'K)至1000W/(rrvK)的范圍里，當(dāng)碳纖維與熱傳導(dǎo)率比碳纖維還低的金屬?gòu)?fù)合時(shí)其所形成的復(fù)合物的熱傳導(dǎo)率就會(huì)降低。因此，對(duì)于由復(fù)合材料構(gòu)成的散熱材料就產(chǎn)生這樣一種需要，即，這種復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)率顯得比復(fù)合材料中的單種材料的熱傳導(dǎo)率稍微低一些。鑒于上述原因，本發(fā)明的目的是提供一種由碳纖維的復(fù)合材料和金屬材料形成的具有較高熱傳導(dǎo)率的散熱材料及其制造方法。解決問題的手段本發(fā)明的發(fā)明人對(duì)于銅有特別的關(guān)注，銅在金屬中的導(dǎo)熱系數(shù)較高，而且其價(jià)格也相對(duì)便宜，并且本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在由碳纖維復(fù)合材料和銅形成的散熱材料中銅的部分的組織結(jié)構(gòu)與散熱材料的熱傳導(dǎo)率有密切的聯(lián)系，因此能用于本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)。即，本發(fā)明涉及一種復(fù)合散熱材料，這種復(fù)合材料由大體朝一個(gè)方向排齊的碳纖維復(fù)合材料和銅復(fù)合而成，在此，散熱材料中的銅的金屬結(jié)構(gòu)是再結(jié)晶組織。本發(fā)明最好是關(guān)于再結(jié)晶組織中的平均晶粒尺寸為0.1pm至20pm的散熱材料。進(jìn)而，本發(fā)明涉及的散熱材料其散熱材料中碳纖維部分的體積率VCF為30%到90%，最好為30%到60%。本發(fā)明涉及的散熱材料，在與碳纖維相垂直的任何5CVr^區(qū)域里至少存在一根碳纖維。所述垂直于碳纖維方向的截面積不小于1mm2。再，本發(fā)明涉及的散熱材料滿足以下關(guān)系式x(FCF/100)+/7C[/x(F^/100)}20.9在此，p(Mg/m3)為散熱材料的密度，pcf(Mg/m"是碳纖維的密度，VCF(%)是碳纖維的體積率，pcu(Mg/m"是銅的密度，Vcu(%)(=100-VCF)是銅的視在體積率。本發(fā)明涉及散熱材料的制造方法，它包括在直徑為dCF的碳纖維的表面上鍍銅至(0.05to0.60)xdCF的厚度；將鍍銅后的碳纖維大體上沿一個(gè)方向?qū)R；將被對(duì)齊了的已鍍銅的碳纖維在600。C至1050。C的高溫、5MPa至100MPa的高壓、當(dāng)最高溫度維持在土5。C的范圍時(shí)保持時(shí)間在0.1ks至1.8ks的條件下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，使銅的金屬組織再結(jié)晶。本發(fā)明的效果本發(fā)明的散熱材料的熱傳導(dǎo)率可以明顯地增長(zhǎng)。因此，本發(fā)明對(duì)于諸如半導(dǎo)體設(shè)備，顯像設(shè)備，和光學(xué)設(shè)備等需要控制發(fā)熱的設(shè)備提供了一種十分必要的技術(shù)解決方案。圖1是由電子掃描顯微鏡所拍攝的本發(fā)明所使用的碳纖維表面的照片；圖2是由電子掃描顯微鏡所拍攝的根據(jù)本發(fā)明的制造方法鍍銅后的碳纖維的表面照片；圖3是由光學(xué)顯微鏡所拍攝的根據(jù)本發(fā)明的制造方法鍍銅后的碳纖維的截面照片；，圖4是由光學(xué)顯微鏡拍攝的根據(jù)本發(fā)明的散熱材料中與碳纖維相垂直的截面的照片；圖5是由光學(xué)顯微鏡拍攝的根據(jù)本發(fā)明的散熱材料中銅部分的組織結(jié)構(gòu)的照片；圖6是由光學(xué)顯微鏡拍攝的比較例的散熱材料中銅部分的組織結(jié)構(gòu)的照片；圖7是顯示碳纖維的體積率關(guān)于本發(fā)明的散熱材料的熱傳導(dǎo)率的影響；圖8是顯示散熱材料所處的溫度對(duì)本發(fā)明散熱材料熱傳導(dǎo)率的影響；圖9是處于高溫下作試驗(yàn)之后的本發(fā)明散熱材料的組織結(jié)構(gòu)的照片的一個(gè)例子，照片是由電子掃描顯微鏡所拍得；圖10是本發(fā)明散熱材料處于高溫下做試驗(yàn)后的組織結(jié)構(gòu)的照片例子，照片是由電子掃描顯微鏡所拍得；圖11是本發(fā)明的散熱材料的抗彎試驗(yàn)的"負(fù)載-位移"曲線；圖12是本發(fā)明的散熱材料在溫度周期試驗(yàn)后的組織結(jié)構(gòu)的照片的一例，照片是由光學(xué)顯微鏡所拍得；圖13是本發(fā)明的散熱材料在溫度周期試驗(yàn)后的組織結(jié)構(gòu)的照片的一例，照片是由電子掃描顯微鏡所拍得。附圖中的字母或數(shù)字標(biāo)號(hào)的說明1:碳纖維，2:銅鍍層，3:銅具體實(shí)施例方式如上所述，本發(fā)明的主要特征是在于由大體上呈一個(gè)方向排列的碳纖維和銅構(gòu)成的復(fù)合散熱材料里銅部分的金屬結(jié)構(gòu)是再結(jié)晶組織，致使散熱材料的熱傳導(dǎo)率較高。所述的金屬結(jié)構(gòu)為再結(jié)晶組織是因?yàn)殂~的再結(jié)晶組織對(duì)于增加散熱材料中銅部分的導(dǎo)熱率是必需的，并且對(duì)于增加散熱材料的整體導(dǎo)熱率也是必需的。如上所說，銅的熱傳導(dǎo)率通常說是400VW(rrvK)左右，然而，當(dāng)存在諸如由在銅的塑性加工引起的晶格中的位移和空缺等晶格缺陷時(shí)，這種晶格缺陷會(huì)阻礙熱傳導(dǎo)，因此，使熱傳導(dǎo)率降低至低于400W/(nvK)。因此，為了實(shí)現(xiàn)銅的本來的熱傳導(dǎo)率，這是也就是大約400W/(rrvK)，有必要使散熱材料中的銅形成無晶格缺陷的再結(jié)晶組織，提高散熱材料的的熱傳導(dǎo)率。由于這樣的結(jié)構(gòu)，作為復(fù)合材料母材的銅的熱傳導(dǎo)率得以顯著地增加，使得散熱材料的熱傳導(dǎo)率可以更高。本發(fā)明中再結(jié)晶組織意味著一種在組織中可以被觀察到的金屬組織，這種組織是經(jīng)過了再結(jié)晶的，并不是指那種在含有在不完整的再結(jié)晶過程中產(chǎn)生的非再結(jié)晶部分的殘余組織中可以被觀察到的金屬結(jié)構(gòu)。再結(jié)晶組織被作如上定義是因?yàn)樵诜窃俳Y(jié)晶部分殘留中有晶格缺陷，從而降低熱傳導(dǎo)率。除此之外，本發(fā)明沒有特別指定構(gòu)成散熱材料的銅的種類，但最好使用純度不低于99%的純銅，這是為了獲得具有較高的熱傳導(dǎo)率的緣故。之所以希望上述的純度是因?yàn)楫?dāng)銅包含有1%以上合金元素時(shí)熱傳導(dǎo)率會(huì)明顯降低。更希望銅的純度不少于3N(99.9%)。在說明書中銅的純度是指散熱材料中的銅的濃度(質(zhì)量百分比)，它是由固定在掃描電子顯微鏡上的能量耗散型X-射線分析儀或固定在電子探測(cè)微量分析儀上的波長(zhǎng)分散型X-射線分析儀對(duì)經(jīng)過鏡面拋光后的散熱材料相關(guān)截面進(jìn)行的分析，計(jì)測(cè)所得。接下去的內(nèi)容是要說明為什么在銅部分所希望的平均晶體粒度要被定義。平均晶粒大小的下限被定為0.1|im是因?yàn)橐獪p小出現(xiàn)在母材(銅部分)中再結(jié)晶組織中晶粒邊界的量，以有利于熱傳導(dǎo)。晶粒邊界妨礙熱的傳導(dǎo)。如果在再結(jié)晶組織中有大量的晶粒邊界，散熱材料的熱傳導(dǎo)率就會(huì)降低。因此，在再結(jié)晶組織中所要的平均晶粒大小的下限被定為0.1pm乃至更高，這樣能更確切地保證銅的原始熱傳導(dǎo)率，也就是在散熱材料的母材(銅部分)中接近于400W/(nrvK)的熱傳導(dǎo)率。另一方面，散熱材料中碳纖維體積率的增加，那么母材(銅部分)的體積率就下降。那么，在母材的再結(jié)晶組織中晶粒的增長(zhǎng)就會(huì)被碳纖維所阻擾。因此，碳纖維的體積率對(duì)再結(jié)晶組織的平均晶粒尺寸的上限具有較大的意義。鑒于下文中將談到碳纖維的較佳的體積率。再結(jié)晶組織中晶粒尺寸的上限最好為20pm，更好是平均晶粒尺寸的范圍定于0.5pm到10,。再，在本發(fā)明中散熱材料中的碳纖維的體積率V^被設(shè)定為30%至90%。首先，這是因?yàn)楫?dāng)體積率不到30%時(shí)碳纖維不會(huì)對(duì)增加熱傳導(dǎo)率產(chǎn)生太大的影響。其次，當(dāng)體積率大于90%時(shí)填充在碳纖維之間的空間中的起結(jié)合劑作用的銅的量明顯少于碳纖維的量，因此，它很難形成碳纖維和銅相均勻結(jié)合的散熱材料。當(dāng)散熱材料被要求在碳纖維的橫向(以下簡(jiǎn)稱為"垂直方向")也具有高熱傳導(dǎo)率時(shí)或者當(dāng)散熱被要求在高溫環(huán)境下或者在一個(gè)溫度循環(huán)下具有可靠性時(shí)，或者當(dāng)散熱材料被要求有一定的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，體積率Vcf在30%至60%的范圍內(nèi)更理想。當(dāng)散熱材料中碳纖維的比率增加時(shí)，在碳纖維方向上的熱傳導(dǎo)率增加，而垂直方向上的熱傳導(dǎo)率則下降。此外，如果存在于相鄰碳纖維之間銅的量較少的話，在使用中散熱材料在高溫環(huán)境下放置時(shí)因?yàn)殂~和碳纖維之間沒有理想的浸潤(rùn)性，在碳纖維周圍銅會(huì)經(jīng)歷塑性流動(dòng)而形成間隙。那樣，散熱材料的散熱特性就下降。另外，當(dāng)存在于相鄰碳纖維之間的銅的量較少時(shí)在碳纖維和銅之間強(qiáng)度弱的邊界數(shù)目增加。作為整體，散熱材料的強(qiáng)度就惡化。在這種情況下，如果散熱材料被放置于溫度循環(huán)中并且熱應(yīng)力較高，在散熱材料中就會(huì)產(chǎn)生裂縫?？紤]到以上因素，較佳的碳纖維的體積率被設(shè)定在30%至60%里。在本發(fā)明中，碳纖維的體積率大體等于其在與碳纖維相垂直方向上的截面中在散熱材料中所占的面積率，這是通過光學(xué)顯微鏡對(duì)經(jīng)過鏡面拋光的橫截面進(jìn)行觀察得到的結(jié)果。因此，體積率可以基于對(duì)截面的觀察進(jìn)行估算。更具體的做法是，當(dāng)通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察時(shí)散熱材料的橫截面中呈現(xiàn)白色的是銅部分，而呈現(xiàn)黑色的是碳纖維部分。從光學(xué)顯微鏡中被觀察到的圖像可以被數(shù)字化成為黑白色的。在圖像中黑色部分的面積率可以被看到。這樣，碳纖維的面積率在光學(xué)顯微鏡的視場(chǎng)中可以測(cè)量出來。然而，應(yīng)該注意的是，當(dāng)通過光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察時(shí)沿碳纖維和銅的晶體邊界處存在的細(xì)微的間隙也是呈現(xiàn)黑色。因此，通過上述方法所獲得的碳纖維的面積率是大于其實(shí)際面積率的。然而，在本發(fā)明中在散熱材料中的間隙部分的面積無論與碳纖維部分還是與銅部分所占的面積相比都顯得不重要。因此，間隙部分在碳纖維的面積率的計(jì)量過程中可以被忽略。在本發(fā)明中對(duì)構(gòu)成散熱材料的碳纖維的種類(如PAN類和，pitch類)不作具體的規(guī)定。然而，碳纖維最好具有石墨結(jié)構(gòu)并且是具有5pm至20的直徑，這是為了形成具有高熱傳導(dǎo)率的散熱材料。在此，為了獲得在與碳纖維垂直方向橫截面上具有均勻組織的散熱材料，最好是使用具有同一直徑的碳纖維。然而，如果希望用碳纖維對(duì)散熱材料進(jìn)行高密度填充來進(jìn)一步提高碳纖維的體積率的話，可以使用直徑在5pm到20!am范圍里的不同直徑不同種類的碳纖維。此外，為了讓鍍銅后的碳纖維大體按一個(gè)方向?qū)R，按照后面敘述的制造散熱材料的方法，碳纖維最好取連續(xù)的纖維，其長(zhǎng)度至少為100mm。如前所述希望在與在與碳纖維相垂直的50^m2橫截面上至少有一根碳纖維存在。這是因?yàn)橄Ｍ植荚谏岵牧现械奶祭w維要盡可能地均勻。當(dāng)碳纖維的分布不均勻時(shí)，散熱材料的熱傳導(dǎo)率會(huì)降低，這是因?yàn)闊醾鲗?dǎo)在碳纖維稀疏的地方較慢，而在碳纖維較密的地方就快。如果在任一50|1巾2橫截面上至少存在一根碳纖維，碳纖維的分布可以被看成大體上均勻。較理想的情況是在50)Lim2橫截面上至少存在五根至五根以上的碳纖維。如前所述，希望散熱材料具有至少1mrr^的與碳纖維方向相垂直的橫截面。橫截面的面積被作如上的限定是因?yàn)檫@樣的面積是散熱材料在電子設(shè)備中的合適的使用面積。例如，保證本發(fā)明的散熱材料被安裝在光發(fā)射組件中，光發(fā)射組件包括一個(gè)大輸出的光發(fā)射二級(jí)管(LED)(以下這樣的芯片將被稱為L(zhǎng)ED芯片)并且LED芯片被用樹脂封裝。當(dāng)散熱材料中與碳纖維相垂直的橫截面被用來與LED芯片的底面相接觸時(shí)，LED芯片所產(chǎn)生的熱能夠被從光發(fā)射組件的內(nèi)部傳送到外面。因此，為了有效地傳輸散熱，希望散熱材料有一個(gè)比光發(fā)射二級(jí)管芯片的底面積來得大的一個(gè)接觸表面。因?yàn)橐话銇碚f，大功率光發(fā)射二極管的底部表面為將近1mr^的面積，在散熱材料中與碳纖維方向相垂直的橫截面的尺寸就被設(shè)定在不小于1mm2。最好是不小于1.5mm2。再，如前所述，由以下表達(dá)式所表達(dá)的關(guān)系-〃Wxl膽)+x(^/膽)}^0.9應(yīng)當(dāng)作為所希望的范圍被滿足，在此，p(Mg/m"為散熱材料的密度，pcF(Mg/m3)為碳纖維的密度，VCF(%)為碳纖維的體積率，pcu(Mg/m3)為銅的密度，Vcu(%)(=(100-VCF))銅的視在體積率。該關(guān)系式被按上述那樣限定是為了提供這種具有高熱傳導(dǎo)率的散熱材料。上述的{^—(^/100)+/^><(^/畫)}值表示相當(dāng)于散熱材料的一個(gè)理論密度，也就是它的理想密度。因此，^(^x^f/1一+Po/X(^/100》的值相當(dāng)于一個(gè)相對(duì)密度。該值越接近于1,在復(fù)合材料中所含的間隙量就越小。在散熱材料中一旦存在間隙，因?yàn)樵撻g隙阻礙熱量的傳導(dǎo)，所以，散熱材料的熱傳導(dǎo)率就低下。當(dāng)Wk^(^/ioo)+^x(^/io(^y的值小于0.9時(shí)這樣的不便會(huì)突現(xiàn)出來。因此，所希望的范圍被規(guī)定為WWxl/麵)+Po/x(^;/訓(xùn))}》0.9.更希望是.根據(jù)本發(fā)明的制造方法，在對(duì)碳纖維和銅的復(fù)合進(jìn)行預(yù)先處理的過程中銅被電鍍到碳纖維上。這種處理的主要特點(diǎn)是碳纖維和銅的均勻復(fù)合，換句話說，電鍍厚度的調(diào)節(jié)可以使相互結(jié)合在一起的碳纖維之間的間隔接近均等。因此，在一個(gè)平面里散熱特性的不穩(wěn)定性可以被降低，對(duì)于散熱材料的質(zhì)量來說是很有意義的。再，上述的方法無論從經(jīng)濟(jì)效率來說還是從再現(xiàn)性來說都適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。再一方面，在如上所說的根據(jù)本發(fā)明獲得所希望的復(fù)合散熱材料的制造方法中，銅電鍍的厚度被規(guī)定，將鍍過銅的碳纖維固化成形的條件也被規(guī)定。在本發(fā)明的制造方法中作這些規(guī)定的理由在下文中將要被敘述。施加在碳纖維表面的銅鍍層厚度被限定在(0.05至0.60)xdcF的厚度，在此，cb:為碳纖維的直徑，因?yàn)檫@樣的厚度對(duì)于實(shí)現(xiàn)既讓鍍銅層起緩沖作用自身又具有高熱傳導(dǎo)性來說是必需的。就電鍍層的厚度來說是在如上所說的范圍里，散熱材料的碳纖維部分的體積率在碳纖維被鍍銅后又被固化定型形成散熱材料后可以被調(diào)節(jié)至30%到90%的范圍，散熱材料是由碳纖維和銅的復(fù)合材料構(gòu)成。當(dāng)鍍銅的厚度小于0.05xdcF時(shí)就無法有效地起到緩沖作用。相反，當(dāng)鍍銅的厚度大于0.60xdCF時(shí)散熱材料的碳纖維部分體積率就小于30%，它很難使散熱材料得到所希望的高熱傳導(dǎo)率。因此，銅鍍層的厚度所希望的范圍被作如上所說的規(guī)定。更好的范圍是(0.15至0.60)xdCF.當(dāng)厚度范圍為(0.15至0.60)xdcF時(shí)，散熱材料的VcF可以被調(diào)整為更希望的范圍，那就是30%到60%的范圍。在碳纖維被用銅電鍍后，碳纖維被大體上按一個(gè)方向?qū)R。這是為了增加散熱材料在碳纖維方向上的熱傳導(dǎo)率。碳纖維的方向可以用這樣的方法來對(duì)齊，如對(duì)經(jīng)過電鍍的碳纖維按預(yù)定的長(zhǎng)度切割，再把切割好的碳纖維按相同的方向排齊?；蛘?，經(jīng)過電鍍的碳纖維可以按均勻的長(zhǎng)度被折疊。這樣，碳纖維的方向大體上可以在一個(gè)方向上被對(duì)直。而讓它保持大體上沿一個(gè)方向?qū)χ钡那闆r下再被進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，由此，鍍過銅的碳纖維被固化成型。放電等離子燒結(jié)類似于熱壓。然而，由于在燒結(jié)初期產(chǎn)生的放電等離子和放電的沖擊壓力有利于擴(kuò)散，所以，放電等離子燒結(jié)工藝可以比熱壓工藝用更少的時(shí)間完成燒結(jié)任務(wù)。在放電等離子燒結(jié)中很重要的一點(diǎn)是進(jìn)行加工條件的調(diào)節(jié)，要使銅的部分實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶。因?yàn)橐@得散熱材料的高熱導(dǎo)率僅僅得到高密度還是不夠的。在本發(fā)明中，在放電等離子燒結(jié)時(shí)所達(dá)到的最高溫度是被限定的，是為了使散熱材料中銅部分成為再結(jié)晶組織，也為了提高W(/^x^+z^x^)的值。當(dāng)最高溫度低于600°C時(shí)銅部分的再結(jié)晶和燒結(jié)不會(huì)進(jìn)行，并且，難以獲得具有在本發(fā)明中規(guī)定的組織和密度的散熱材料。另一方面，當(dāng)最高溫度高于1050°C時(shí)(它恰好低于銅的熔點(diǎn)1080°C)，這么細(xì)小的溫度變化會(huì)使銅熔化。因此，最高溫度被確定在600°C至1050°C的范圍里。在放電等離子燒結(jié)中更令人希望的最高溫度是700。C至1000°C。放電等離子燒結(jié)的最高壓力被限定為5MPa至100MPa的理由如下最高壓力低于5MPa時(shí)不足以引起塑性變形，而這種塑性變形會(huì)在銅部分產(chǎn)生再結(jié)晶，并且，最高壓力不足以增加^^^xf^+z^xf^)的值。另一方面，當(dāng)最高壓力超過100MPa時(shí)需要較大的壓力負(fù)載，特別是當(dāng)我們要生產(chǎn)大的散熱件時(shí)，沒有工業(yè)實(shí)用性。因此，我們對(duì)于最高壓力作如上所述的限定。最理想的壓力范圍是10MPa至80MPa。雖然本發(fā)明的制造方法中沒有對(duì)壓力特別的限制，為了便于在燒結(jié)的初起階段放電等離子的產(chǎn)生在加熱之前最好是施加初壓，初始?jí)毫ψ詈檬窃?MPa至15MPa的范圍內(nèi)。再，當(dāng)壓力自初起壓力值增加到最大壓力時(shí)，希望溫度控制在500°C到800°C的范圍內(nèi)。在放電等離子燒結(jié)過程中在可達(dá)到的最高溫度的士5。C的范圍內(nèi)被規(guī)定要保持0.1ks至1.8ks的時(shí)間，其原因就是，這樣一個(gè)時(shí)間段便于在散熱材料的銅部分產(chǎn)生再結(jié)晶和晶粒的生長(zhǎng)。即使最高溫度被維持在例如0.06ks(它比0.1ks，短)左右散熱材料也會(huì)做成高密度。然而，當(dāng)最高溫度被維持僅僅這么短的一段時(shí)間，在銅部分的再結(jié)晶和晶粒生長(zhǎng)是不夠充分的，結(jié)果難以得到高熱傳導(dǎo)率。因此，所需時(shí)間長(zhǎng)度的下限被設(shè)定在0.1ks。另一方面，當(dāng)所需的時(shí)間長(zhǎng)度超過1.8ks時(shí)，所需的加工時(shí)間太長(zhǎng)，沒有工業(yè)使用性。因此，所需時(shí)間長(zhǎng)度的上限被設(shè)定在1.8ks。最希望的所需時(shí)間長(zhǎng)度的范圍是0.2ks至1.2ks。雖然本發(fā)明的制造方法中沒有對(duì)真空度特別的限制，放電等離子燒結(jié)時(shí)的真空度被希望高于100Pa，這是為了防止銅的氧化，因?yàn)殂~的氧化會(huì)妨礙燒結(jié)。最好，真空度高于50Pa.。實(shí)施例1本發(fā)明將以下面的實(shí)施例為基礎(chǔ)進(jìn)行說明。在第一實(shí)施例中，瀝青型(pitch-type)碳纖維被作為具有高熱傳導(dǎo)率的碳纖維使用。再在第一實(shí)施例中被使用的碳纖維具有具有相同的直徑。碳纖維的直徑dcf:如圖1中所見的那樣，從用電子掃描顯微鏡拍到的照片中能夠知道它的直徑dcF為10^m。在第一實(shí)施例中使用的碳纖維是商用的產(chǎn)品，它是長(zhǎng)度約270m的2,000根無間斷的連續(xù)纖維被捆成束，并被巻繞在線軸上出售。碳纖維的標(biāo)稱的熱傳導(dǎo)率是800W/(rrvK)，其密度pcf是2.2Mg/m3。當(dāng)碳纖維的結(jié)構(gòu)被X射線衍射檢查時(shí)可以發(fā)現(xiàn)碳纖維有石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維被按每500mm長(zhǎng)度為一根的規(guī)格切斷后，在被切的纖維上進(jìn)行無電解鍍銅，電鍍?cè)?.8pm(=0.08xdCF)至5.0pm^0.50xdcF)范圍里分六個(gè)不同檔次的目標(biāo)電鍍厚度進(jìn)行。所有被設(shè)定的電鍍厚度落在本發(fā)明的制造方法所規(guī)定的范圍內(nèi)。作為一個(gè)例子，在圖2所顯示的照片是電子掃描顯微鏡拍到的照片，它顯示在碳纖維的表面上銅鍍層的厚度達(dá)5^m。鍍銅后的表面形態(tài)與鍍銅前的(見圖1)明顯不同，可見銅的細(xì)粒沉積在碳纖維的表面上。再，鍍銅后的碳纖維被埋在樹脂里，其一個(gè)截面通過電子掃描顯微鏡被觀察。圖3顯示一張截面的照片?？梢?，被施鍍?cè)谔祭w維(1)的表面上的銅的鍍層(2)厚度大體均勻。在銅的鍍層被按照六個(gè)不同的目標(biāo)厚度的級(jí)別施鍍到碳纖維上后，碳纖維被切成20mm長(zhǎng)度或40mm長(zhǎng)度。此后，被切成段的碳纖維按一個(gè)方向大體排齊，并被放置在一個(gè)石墨模具里。石墨模具被放置在一個(gè)放電等離子燒結(jié)機(jī)器的腔室里，并且，抽真空達(dá)大約10Pa的真空度。首先，施加初始?jí)毫?2.5MPa，接著加熱使壓力上升。在表1中所列的七種不同的條件下散熱材料從A到G被加工制成，其尺寸規(guī)格可以從以下兩種規(guī)格中任選，艮卩，5mmx20mmx20mm或5mmx40mmx40mm。在A到G中，從A到F是按照本發(fā)明的方法加工制成的。在表1中所謂"時(shí)間"是代表當(dāng)溫度處于最高溫度土5。C范圍里的時(shí)間長(zhǎng)度。散熱材料A在這樣的條件下被制造的，gp，銅鍍層目標(biāo)厚度為0.8pm，當(dāng)進(jìn)行放電等離子燒結(jié)時(shí)的最高溫度為900°C，最高壓力50MPa，時(shí)間為0.90ks。散熱材料B至F是在像A材料同樣的放電等離子燒結(jié)工藝條件下被加工的，其目標(biāo)銅鍍層厚度被分別設(shè)定在1.0pm(B)，2.5(C)，3.0|im(D)，4.0|iim(E)，and5.0jim(F)。另一方面，散熱材料G根據(jù)比較例的方法被制造。散熱材料G與材料A至F相同，被施以厚度為5.0的鍍銅，而在接下來的放電等離子燒結(jié)工藝中最高溫度為9Q0。C，最高壓力為50MPa。然而，材料G被維持在900°C溫度下的時(shí)間較短，僅為0.06ks，這是本發(fā)明的制造方法所限定的范圍之外。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>從每個(gè)散熱材料切出5mmx5mmx5mm的試樣并且被埋入樹脂，讓與碳纖維方向相垂直的截面可以被看到。此后，試樣被作鏡面拋光，并且用光學(xué)顯微鏡在無腐蝕狀態(tài)下進(jìn)行觀察。一張散熱材料F的截面照片作為一個(gè)本發(fā)明的散熱材料的例子通過光學(xué)顯微鏡被觀察到并顯示在圖4中。圖4中被顯示的圖形被數(shù)字化成為黑白的圖像，在圖像中黑色部分的面積率被計(jì)量。這樣就得到了碳纖維的面積率。該面積率為34.0%。在散熱材料中碳纖維的面積率等于碳纖維部分的體積率VCF。以相同的方式對(duì)自A至E和G中的每種散熱材料作碳纖維的體積率的測(cè)量。此外，用與電子傳感微量分析儀相連接的波長(zhǎng)分散分析儀每種散熱材料的銅部分進(jìn)行分析。結(jié)果，除了銅以外沒有雜質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，可以確認(rèn)，在每種試樣中銅是100%的純度。被顯示于圖4中的散熱材料F的銅(3)部分是用硝酸，硫酸和水以1:1:184的比率構(gòu)成的酸來進(jìn)行蝕刻并對(duì)F材料的組織進(jìn)行檢查。結(jié)果，可以確認(rèn)，銅部分被形成再結(jié)晶組織，如圖5所示，滿足本發(fā)明散熱材料所要求的規(guī)定。再，銅部分的平均晶粒尺寸通過對(duì)圖5的圖像分析測(cè)出是9.1pm。類似于材料F從散熱材料A至E，每一種散熱材料的銅部分被形成再結(jié)晶組織，并且從A至E這些散熱材料被確認(rèn)是符合本發(fā)明要求的散熱材料。另一方面，比較例的散熱材料G的銅部分的組織中如圖6所示再結(jié)晶是不完整的。再結(jié)晶組織不能夠被清晰地觀察到。表2顯示了是否出現(xiàn)了再結(jié)晶組織，如果有的話，在再結(jié)晶組織中平均晶粒尺寸，碳纖維的V^(%)，和在根據(jù)本發(fā)明的散熱材料A至F里和比較例的散熱材料F里任何50pr^的面積里存在的碳纖維的條數(shù)。再結(jié)晶組織中平均晶粒的尺寸為1.1pm至9.1pm，體積率VcF為77.0%至34.0%，正好落在本發(fā)明所希望的范圍里。此外，可見，再結(jié)晶組織的平均晶粒尺寸隨著體積率VcF的增加而減少。在具有5mm2與碳纖維方向相垂直的橫截面的散熱材料中任何50pm2的面積里存在的碳纖維的條數(shù)隨著VcF的增加而增加。在散熱材料F(其Vw為34.0%)碳纖維的條數(shù)為6條，而在散熱材料A(其Vw為77.0%)里碳纖維的條數(shù)為13條。在本發(fā)明的散熱材料中可見，在至少1mrr^的橫截面中，要在任何50^im2的區(qū)域中與碳纖維方向相垂直的橫截面里至少存在一根的碳纖維，這是理想的范圍。更具體地說，如所希望的規(guī)定那樣，多于5根的碳纖維存在，因此，就可以說，在散熱材料中碳纖維的分布是均勻的。再，密度p(Mg/mS)是在對(duì)每一種散熱材料剩余部分的重量和尺寸進(jìn)行計(jì)量的基礎(chǔ)上被確定的。每種散熱材料的密度p(Mg/m"和相對(duì)密度一{^^(^/訓(xùn))+/^><(^/100)}被顯示在表2中。為了計(jì)算，pcF和pcu分別被設(shè)置為2.2和8.9。每一種散熱材料的密度p(Mg/mS)隨VCF的增加而減少。散熱材料F，其體積率Va為34.0%，密度為6.63(Mg/m3);而散熱材料A，其體積率V^為77.0。/。，密度為3.50(Mg/m3)。每一種散熱材料的相對(duì)密度不小于0.90，即，在所希望的范圍內(nèi)。再，從每種散熱材料上切割出大體為5mmx10mmx5mm的兩個(gè)試樣，并且用粘結(jié)劑將它們粘結(jié)在一起。這樣就得到10mmx10mmx5mm尺寸的試樣。在此，沿碳纖維方向上的試樣長(zhǎng)度是5mm，在每一種散熱材料中在碳纖維方向上的熱傳導(dǎo)率(W/(rrvK))按照激光閃光方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量所得結(jié)果顯示在表2中。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>從表2中可見，當(dāng)銅部分有再結(jié)晶組織時(shí)，再結(jié)晶組織的平均晶粒尺寸，體積率VCF，在任意50prr^的區(qū)域里存在的碳纖維數(shù)目，相對(duì)密度/>/{/^—(^/10())+/^><(/100)}被調(diào)節(jié)至在本發(fā)明所要求的范圍里，從a至F中的每一種散熱材料沿碳纖維的方向展現(xiàn)出高的熱傳導(dǎo)率，g卩，熱傳導(dǎo)率在570W/(m'K)至726W/(rrvK)范圍內(nèi)的水平上。另一方面，在比較例的散熱材料G中，雖然體積率VCF，在任意50pm2的區(qū)域里所存在的碳纖維的數(shù)目，和相對(duì)密度大體上與本發(fā)明的散熱材料F的這些參數(shù)相同，熱傳導(dǎo)率為508W/(rrvK)，它比散熱材料F的熱傳導(dǎo)率值來得低，因?yàn)?，銅部分的再結(jié)晶還沒有完成。根據(jù)上述實(shí)施例1，可以看出，為了在由碳纖維和銅構(gòu)成的復(fù)合材料所加工成的散熱材料中獲得高的熱傳導(dǎo)率僅僅調(diào)節(jié)碳纖維的體積率或散熱材料的密度是不夠的。只有當(dāng)銅部分被做成有如本發(fā)明所規(guī)定的再結(jié)晶組織時(shí)散熱材料的高熱傳導(dǎo)率才可以獲得?；诒景l(fā)明所規(guī)定的方法來制造散熱材料對(duì)于獲得如上所述的散熱材料來說是有效的。因?yàn)楸景l(fā)明的散熱材料有較高的熱傳導(dǎo)率它超過銅的熱傳導(dǎo)率400W/(rrvK)，本發(fā)明的散熱材料適合用作為對(duì)諸如半導(dǎo)體設(shè)備，成像設(shè)備，和光學(xué)設(shè)備這樣的電子設(shè)備進(jìn)行熱量的控制。實(shí)施例2在本發(fā)明實(shí)施例1中所獲得的每種散熱材料的垂直方向的熱傳導(dǎo)率(W/(rrvK))按照激光閃光方法被測(cè)量。圖7顯示諸如像在實(shí)施例1中所測(cè)定的在碳纖維方向上的這樣的熱傳導(dǎo)率和碳纖維的體積率VCF之間的關(guān)系。在圖7中純銅的熱傳導(dǎo)率被顯示為Vc^0用來比較。如圖7所示，在碳纖維方向上的熱傳導(dǎo)率隨著VcF的增加而增加。然而，垂直方向的熱傳導(dǎo)率(它與碳纖維的方向相垂直)大大地減小?？梢?，當(dāng)體積率VcF的范圍被調(diào)節(jié)到本發(fā)明更希望的范圍，即，30%至60%的范圍時(shí)，熱傳導(dǎo)率在垂直方向也可以做到80W/(rrvK)至200W/(mK)。再，為了評(píng)估散熱材料A，C和D的可靠性，在散熱材料被放置于高溫真空的環(huán)境下時(shí)對(duì)碳纖維方向上的熱傳導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量的結(jié)果被顯示在圖8中。如圖8所示，隨著散熱材料所處的溫度的增加，每種散熱材料的熱傳導(dǎo)率降低。然而，可以確認(rèn)，在散熱材料A中熱傳導(dǎo)率的降低具有特別的影響，散熱材料A的具有較高的碳纖維體積率，當(dāng)散熱材料A在800°C的溫度下放置24小時(shí)時(shí)體積率V7為77.0%。在高溫下被放置后對(duì)散熱材料A的組織進(jìn)行觀察。觀察的結(jié)果顯示于圖10中。在結(jié)構(gòu)中可以觀察到有間隙，而在測(cè)試前是沒有看到的?？梢酝茰y(cè)，在高溫下銅發(fā)生了塑性流動(dòng)。這種現(xiàn)象被推斷為是由碳纖維和銅之間不良的浸潤(rùn)性而引起的，并且，可歸因于是小量的銅出現(xiàn)在碳纖維之間。另一方面，體積率Va為46.1%的散熱材料D被放置在800°C度的溫度下達(dá)24小時(shí)時(shí)以同樣的方法對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，從圖9可見，沒有看到組織有明顯的變化。因此，為了確保在高溫下的可靠性更希望把體積率VcF的范圍調(diào)節(jié)到30%到60%之間。再，從A和D的每一種散熱材料中切割出尺寸為5mmx5mmx40mm試樣。對(duì)試樣進(jìn)行一種叫"三點(diǎn)彎曲"的試驗(yàn)，跨度設(shè)定在30mm，位移速度設(shè)定在0.5mm/每分鐘，以測(cè)定一個(gè)"負(fù)載-位移"曲線。測(cè)試結(jié)果顯.示于圖11中。在圖11中"纖維方向"表示試樣40mm側(cè)的方向?qū)?yīng)于碳纖維的方向被切出的試樣，而"垂直方向"表示試樣40mm側(cè)的方向?qū)?yīng)于與碳纖維相垂直方向被切出的試樣。在每種散熱材料中沿垂直方向上的強(qiáng)度低于沿纖維方向的強(qiáng)度?？梢?，在體積率Vcp為77.0%碳纖維的體積率較大的散熱材料A中抗彎負(fù)載的降低特別明顯。其原因被推斷是在散熱材料A中出現(xiàn)許多碳纖維和銅的強(qiáng)度弱的邊界。由圖11中每一條"負(fù)載-位移"曲線所描繪出的最大負(fù)載值和試樣的尺寸，根據(jù)下列的表達(dá)式(1)來確定每種散熱材料的抗彎強(qiáng)度o(MPa)，其結(jié)果顯示于表3中。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>在表示式(1)中，W為最大負(fù)載(N)，L為跨度(30mm)，b為試樣的寬度(5mm)，t為試樣的厚度(5mm)。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>對(duì)散熱材料A和D進(jìn)行溫度周期試驗(yàn)高達(dá)200個(gè)周期。在每個(gè)周期中，在室溫的溫度維持10分鐘，在-40。C的溫度維持10分鐘，在室溫下再維持10分鐘，在125°C的溫度下維持10分鐘。在溫度周期試驗(yàn)后散熱材料A和D的組織結(jié)構(gòu)分別被顯示于圖12和圖13中。在散熱材料A中(它的VcF是較高的，為77.0%的體積率)在試驗(yàn)后出現(xiàn)開裂(見圖12)，而在散熱材料D中(其Vw為46.1%)沒有觀察到裂縫(見圖13)。因此，為了確保機(jī)械強(qiáng)度和溫度周期試驗(yàn)的可靠性，更希望將體積率VCF的范圍調(diào)至30%至60%。從以上描述的實(shí)施例2可見，當(dāng)散熱材料被要求在與碳纖維相垂直的方向具有高的熱傳導(dǎo)率時(shí)，或者，當(dāng)散熱材料被要求在高溫環(huán)境下和在加熱周期環(huán)境下具有可靠性，或者當(dāng)散熱材料被要求具有一定的機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，更希望體積率Vor的范圍被確定為30。/。至60c/0。權(quán)利要求1、一種由大體朝向一個(gè)方向的碳纖維和銅組成的復(fù)合材料構(gòu)成的散熱材料，其特征在于在所述散熱材料中銅的金屬結(jié)構(gòu)是一種再結(jié)晶組織。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的散熱材料，其特征在于再結(jié)晶組織的平均晶粒尺寸是0.1pm至20pm。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的散熱材料，其特征在于在散熱材料中的碳纖維部分的體積分?jǐn)?shù)VcF為30%至90%。4、根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的散熱材料，其特征在于在散熱材料中的碳纖維部分的體積率Va為30%至60%。5、根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的散熱材料，其特征在于在與碳纖維方向相垂直的任何50^r^的截面區(qū)域中至少存在一根碳纖維。6、根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的散熱材料，其特征在于所述垂直于碳纖維方向的截面區(qū)域不小于1mm2。7、根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的散熱材料，其特征在于，以下關(guān)系式成立<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>在此，p(Mg/m3)為散熱材料的密度，pcF(Mg/m"是碳纖維的密度，VCF(%)是碳纖維的體積率，pcu(Mg/mS)是銅的密度，Vcu(%)(^00-VcF)是銅的視在體積率。8、根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述散熱材料的制造方法，包括在直徑為dCF的碳纖維的表面上鍍銅至(0.05至0.60)xdcF的厚度；將鍍銅后的碳纖維大體上沿一個(gè)方向?qū)R；將被對(duì)齊了的鍍過銅的碳纖維在最高溫度600°C至1050°C，最高壓力5MPa至100MPa，當(dāng)最高溫度被維持在士5。C的范圍里時(shí)保持時(shí)間0.1ks至1.8ks的條件下進(jìn)行放電等離子燒結(jié)，使銅的金屬結(jié)構(gòu)再結(jié)晶。全文摘要本發(fā)明是關(guān)于一種散熱材料，它由大體上按一個(gè)方向?qū)R的碳纖維和銅復(fù)合而成的復(fù)合材料構(gòu)成，其特征在于在散熱材料中所說的銅的金屬組織是再結(jié)晶組織。本發(fā)明能提供由碳纖維和銅復(fù)合而成的復(fù)合材料構(gòu)成的具有高熱傳導(dǎo)率的散熱材料。文檔編號(hào)C23C18/31GK101103458SQ200680002080公開日2008年1月9日申請(qǐng)日期2006年2月15日優(yōu)先權(quán)日2005年2月16日發(fā)明者佐藤公紀(jì),橫山紳一郎申請(qǐng)人:日立金屬株式會(huì)社;島根縣