LED散热新技术

gearss 2016-10-05

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　　LED散热新技术--钻铜散热Diamond Copper Heat Sink Composites

　　(中国专利号：ZL 03142946.7)

　　人造钻石粒以铜渗透制成上下二层金属，中间为钻石的钻铜散热片。这种复合材料不仅热传导率远高于现有的铜、铝散热片，它的热膨胀率更可调整，使其与半导体的芯片接近。这样钻铜散热片就可直接和芯片焊合，避免热流被散热膏阻断。在高功率的电子产品中利用钻铜散热片可以解决散热的问题。

　　用途：

　　1、LED高功率路灯、汽车头灯电路板，可远超越业界现有材料。

　　2、笔记本电脑中CPU、GPU的导热片，在热传导率及热膨胀率均远超越业界现有材料。

　　3、大面板液晶电视的LED背光源电路板。

　　钻石金属散热片

　　工业钻石磨粒可以铜或铝渗透制成钻石金属(钻金)散热片。这种复合材料不仅热传导率远高于现有的铜散热片，它的热膨胀率更可调整，使其与半导体的芯片同步。这样钻金散热片就可直接和芯片焊合，避免热流被散热膏阻断。

　　钻石散热片

　　钻石在常温的热传导率是铜的五倍，而其热扩散率更是十倍以上。钻石可把芯片的废热带走，也能实时降低芯片的温度梯度，这样就可避免热点在瞬间升温太高(图三)。钻石不仅散热快而且热胀小，它的抗压强度(500GPa)也远远超过其他材料。

　　图三、钻石可有效均温芯片并消除其热点。图标金属散热片的温度梯度比钻石大很多(即热阻较高)。DiAl 为钻铝的复合散热片

　　虽然钻石的散热效果良好，但因其价格昂贵，并不适合大量用在CPU 上。有鉴于此，宋健民乃发明钻石结合金属的复合材料，利用廉价(每克拉1 石墨及金属的三元复合散热片(图五)。钻石磨粒除了可以提高金属的热传导率外，也能降低后者的热膨胀率。硅芯片及半导体的热膨胀率远低于金属，因此铜散热片不能焊接在CPU/毛美元)工业钻石磨粒为骨材，再以银、铜或铝渗透其间，制成钻金(钻石金属)散热片。金属催化剂(如铁镍合金)将石墨转化成钻石可一次形成钻石上，只好以流质的热界面材料(Thermal Interface Materials;TIM)填充其间。TIM 的热传导率不到铜片的百分之一，因此它其实是一种断热材料，反而会使芯片上的热点凝聚不散。宋健民也曾发明以钻石微粉加入流质的散热胶使TIM 的热传导率提高至约7 W/mK ，但它仍比金属焊料传热慢得多。若钻石磨粒可把金属的热膨胀系数降到半导体范围，钻金散热片就可直接焊在芯片上，乃至下游的热沈(Heat Sink)上，这样就可将芯片和热沈连成一体，避免热流被TIM 阻断。

　　图五、以宋健民专利DiaCanTM技术可合成密集的排列钻石，因此可能直接由石墨制成钻金散热片

　　钻铜及钻铝

　　由于熔融的铜不能润湿钻石，必须在超高压下才能渗透并填满钻石磨粒间的空隙，这样就可制成各种形状的钻铜散热片。铝可勉强润湿钻石，故可在低压下制成钻铝散热片，钻金复合材料的外部可形成金属表层。这样就可加工磨平，乃至焊接在芯片或热沈上。钻金散热片内的钻石体积比率越高，热传导的速度也会加快(图十)。然而颗粒粗的钻石磨粒，其体积比难以提高。但细粒的钻石磨粒表面热阻加大，也不利于传热。根据实验，钻金散热片的最佳粒度及体积比率。

　　图十、钻金散热片的内部构造显示钻石颗粒密集紧靠，可缩短热流在金属内的传播路径

　　钻金散热片产品

　　自从2002 年由美国Adranced DiamondSolutions (ADS)推出中砂制造的DiCu 及DiAl 的HeaThruTM 钻金散热片后，若干公司在2008 年也试制相似产品，例如奥地利的Plansee及台湾的Advonced Diamond Technology 等。2008年底Electronics Cooling, 14-4, p18-24刊载了Plansee 钻金散热片的制程及产品(Ravi Bollina & Sven Knippscheer, Advanced Metal Diamond Composites-Love & Heat Relationship)。Plansee 钻金散热片的热传导率及热膨胀率的范围。图十七为该钻金散热片的表层状态。

图十七、Plansee 钻金散热片的表层

　　单层钻石钻铝散热片

　　多层钻石的复合材料钻石分布不均，增加了热阻。单层钻石不仅可以规则排列，使钻石体积比极大化，而且其制造成本也可大幅降低。单层钻石靠排列立方体的大颗钻石(如1mm)才能发挥最大效果。一般的工业钻石颗粒很小(TM 技术可以将晶种排列生长成大颗粒的钻石，这是全球首创的钻石生长法，可以大幅提高钻石的单产(9 克拉/㏄)及质量(晶形完整)。DiaCanTM 技术不仅可降低生产成本，更可长出立方体的钻石，如图廿四所示。立方晶可密集排列后以熔铝渗透，制成单层钻石散热片，其钻石的热传导率可能超过1000W/mK ，比铜高两倍以上。根据估计，以DiaCanTM 大量生产0.5mm 立方晶钻石的成本约为NT 200 ，每个DiaCanTM 每小时可产出约5000 颗钻石，故每颗的成本可低至不及NT$0.1 。CPU 的芯片小于1cm ，若散热片的面积为22 cm ，需1600 颗钻石立方晶，其成本约NT$160 。加上渗透铝及其他制作费(如镶入4141m的标准铜片)，每个CPU 的散热片可能售价为NT$300 。另外根据Plansee 的估计，钻金散热片的热传导率及相对价格，如图廿六所示。虽然该类散热片比大量使用的铜散热片仍贵数倍，但因钻铝散热片可使CPU 的频率突破4GHz ，所以它有望成为未来超速计算机的新宠儿。