制造金属复合材料的方法、 金属复合材料、 制造散热部件的 方法以及散热部件 【技术领域】
本发明涉及制造金属复合材料的方法、 金属复合材料、 制造散热部件的方法、 以及 散热部件。背景技术
近年来， 随着在 CPU( 中央处理单元 )、 GPU( 图形处理单元 ) 等中所使用的半导体 装置性能的改善和工作速度的提高， 这些半导体装置所产生的热量已经逐年增加。半导体 装置的温度随着所产生的热量的增大而增加， 这将导致诸如错误操作等问题。
为了避免此类问题的出现， 已经提出了用于对半导体装置散热并冷却的各种技 术。例如， 已经提出了将包括热传导性高的金属的散热板 ( 散热器 ) 连接至半导体装置并 将具有散热鳍片的热沉连接至该散热器的手段。在这种情况中， 待冷却的半导体装置所生 成的热一旦扩散至散热器后， 通过热沉进行散热。
此外， 还已经提出了在散热器和热沉之间插入热管或均热板 ( 其中， 工作流体密 封在密闭容器内并且毛细管结构物 ( 毛细芯 ) 设置在内壁上 )， 并借助于工作流体的蒸发潜 热， 通过散热器使半导体装置散热并冷却的手段。 在这种情况中， 半导体装置所生成的热一 旦扩散至散热器， 则热管或均热板接收来自散热器的热， 并且工作流体在夺去潜热的同时 被蒸发。 之后， 当工作流体的蒸汽流向低温侧时， 半导体装置所产生的热被扩散， 因此， 发热 体被冷却。
作为与上述所述的已有技术相关的现有技术， 公开了专利文献 1 和 2。
[ 专利文献 ]
[ 专利文献 1]JP-A-2005-180871
[ 专利文献 2]JP-A-2003-222481
在具有如上所述的散热或热传导功能的散热部件中， 为了提高散热效率， 已经将 热传导性高的金属 ( 例如铜或铝 ) 用作材料。此外， 在热管或均热板中， 使用由细铜丝编织 形成的芯或由铜粉烧结体形成的芯以提高与工作流体的接触面积并提高散热效率。然而， 由于这种金属具有预定的热传导性， 因此从材料的角度考虑不能进一步改善散热效率， 关 于这一点， 仍然留有提高的余地。 发明内容
本发明的示例性实施方案提供能够提高散热效率的金属复合材料的制造方法、 金 属复合材料、 以及散热部件的制造方法和散热部件。
根据示例性实施方案， 一种制造金属复合材料的方法， 包括 ：
以能够将碳材料粉碎的强度向所述碳材料和金属粉末施加机械冲击力， 从而使所 述碳材料附着至所述金属粉末表面的附着步骤。
根据该方法， 在附着步骤中使碳材料附着至金属粉末的表面。由于热传导性比金属粉末高的碳材料暴露于金属复合材料的表面， 因此可以提高金属复合材料的热传导性。
此外， 在附着步骤中， 将碳材料的至少一部分粉碎， 并通过粉碎提高了碳材料的亲 水性。由于亲水性得到提高的碳材料暴露于金属复合材料的表面， 因此可以提高金属复合 材料的亲水性。 因此， 当金属复合材料用作热管或均热板用的芯时， 工作流体还可以渗透入 狭窄间隙中， 并可以提高工作流体的接触面积从而获得大的散热面积。 因此， 可以提高散热 效率。
根据示例性实施方案， 一种金属复合材料， 包括 ：
金属粉末 ； 以及
碳材料， 其表面被活化从而具有亲水性，
其中所述碳材料附着在所述金属粉末上， 并且附着的碳材料暴露于所述金属粉末 表面的一部分。
根据上述所述的构造， 通过将热传导性比金属粉末高的碳材料暴露于金属复合材 料的表面， 可以提高所述金属复合材料的热传导性。 此外， 由于具有亲水性的碳材料暴露 于金属复合材料的表面， 因此可以提高金属复合材料的亲水性。 因此， 当金属复合材料用作 热管或均热板的芯时， 工作流体还可以渗透入狭窄的间隙中， 并可以提高工作流体的接触 面积从而获得大的散热面积。因此， 可以提高散热效率。 根据示例性实施方案， 一种制造散热部件的方法， 包括 ：
附着步骤， 其中， 以能够将碳材料粉碎的强度向所述碳材料和金属材料施加机械 冲击力， 从而形成其中所述碳材料附着至所述金属粉末表面的金属复合材料 ； 以及
烧结步骤， 其中， 将所述金属复合材料设置在散热部件的表面或内部空间并加热 该散热部件， 从而将所述金属复合材料附着在所述散热部件的表面或内壁面。
根据该方法， 在附着步骤中碳材料附着在金属粉末的表面。由于热传导性比金属 粉末高的碳材料暴露于金属复合材料的表面， 因此可以提高金属复合材料的热传导性。此 外， 在附着步骤中， 所述碳材料的至少一部分被粉碎并且通过粉碎提高了碳材料的亲水性。 由于亲水性得到提高的碳材料暴露于金属复合材料的表面， 因此可以提高金属复合材料的 亲水性。之后， 在烧结步骤中， 该金属复合材料附着在散热部件的表面或内壁面， 因此可以 提高所述金属复合材料的热传导性和亲水性。
根据示例性实施方案， 一种散热部件， 包括 ：
附着在所述散热部件表面或内壁面上的金属复合材料，
其中所述金属复合材料具有金属粉末以及其表面被活化从而具有亲水性的碳材 料， 所述碳材料附着在金属粉末上， 并且所附着的碳材料暴露于所述金属粉末表面的一部 分。
根据上述所述的构造， 通过将热传导性比金属粉末高的碳材料暴露于金属复合材 料的表面， 可以提高所述金属复合材料的热传导性。 此外， 由于具有亲水性的碳材料暴露于 金属复合材料的表面， 因此可以提高金属复合材料的亲水性。 此外， 该金属复合材料附着在 散热部件的表面或内壁面， 因此可以提高金属复合材料的热传导性和亲水性。
根据所述制造金属复合材料的方法、 所述金属复合材料、 所述制造散热部件的方 法以及所述散热部件， 可以提高散热效率。
附图简要说明
图 1 是示出制造金属复合材料的方法的流程图。 图 2 是示出高速碰撞装置的示意图。 图 3 是示出在附着步骤之后金属复合材料的截面结构的示意图。 图 4 是附着步骤之后金属复合材料截面结构的扫描离子显微镜图像。 图 5 是附着步骤之后金属复合材料的超高分辨能 FE-SEM 图像。 图 6 是升华步骤之后金属复合材料的扫描电子显微镜图像。 图 7 是示出热管的截面视图。 图 8 是示出制造热管的方法的截面视图。 图 9A 和 9B 是示出制造散热部件的方法的流程图。 图 10 是示出制造芯用线材的方法的截面视图。 图 11 是示出制造热管的方法的截面视图。 图 12 是示出沟槽的透视截面视图。 图 13 是示出制造均热板的方法的截面视图。 图 14 是示出制造均热板的方法的截面视图。 图 15 是示出散热器的截面视图。 图 16 是示出散热器的使用状态的例子的截面视图。 图 17A 至 17D 是在滴下纯水时的光学显微镜图像。 图 18 是示出蒸发潜热的热特性测定结果的图。具体实施方式
下面参考图 1 至图 16 对优选实施方案进行说明。
( 金属复合材料 )
在该实施方案的金属复合材料中， 使表面被活化从而具有亲水性的碳材料附着在 金属粉末上， 并且使所附着的碳材料暴露于金属复合材料表面的一部分。 具体而言， 在金属 复合材料中， 使被机械能粉碎 的碳材料和未被粉碎的碳材料 ( 下面称之为 “未被粉碎的碳 材料” ) 附着在金属粉末的表面以及金属粉末表面的正下方， 并使该碳材料暴露于金属复合 材料表面的一部分。 更具体而言， 在金属复合材料中， 通过上述所述的碳材料以及金属粉末 晶粒形成了凹凸状形状的表面。
作为金属粉末， 可以使用诸如铜 (Cu)、 银 (Ag)、 金 (Au)、 铝 (Al)、 铅 (Pb)、 锡 (Sn) 和铟 (In) 等金属的粉末， 或包含至少一种这些金属的合金 ( 焊料等 ) 的粉末。关于金属材 料， 可以混合使用同一种类不同粒度的金属粉末。通过使用热传导性高的金属粉末， 例如 Cu、 Ag、 Au、 Al 等的粉末， 可以获得热传导性较高的金属复合材料。
作为碳材料， 可以使用无定形碳、 碳纤维或纳米碳。作为纳米碳， 可以使用诸如碳 纳米管 (CNT)、 石墨、 石墨烯、 富勒烯和纳米金刚石等结晶性碳材料。可以单独使用碳材料， 也可以以它们的多种组合方式使用。 通过使用结晶性高的纳米碳， 例如碳纳米管或石墨， 可 以获得热传导性高的金属复合材料。
碳材料的含量相对于金属复合材料 ( 例如 ) 为 0.1 质量％至 5 质量％。金属复 合材料中碳材料的含量可以通过在超高分辨能 FE-SEM 或透过型电子显微镜下进行形态观 察， 或通过元素分析， 或通过根据 JIS Z 2615“用于确定金属材料中的碳的通则” 进行分析而测得。 ( 金属复合材料的制造方法 )
下面将参考图 1 至图 6 对制造具有上述构造的金属复合材料的方法进行说明。
所述制造金属复合材料的方法包括将金属粉末与碳材料混合的混合步骤 ( 步骤 S1)、 使碳材料附着在金属粉末上的附着步骤 ( 步骤 S2)、 分级从而除去未附着颗粒的分级 步骤 ( 步骤 S3)、 以及使金属粉末部分升华从而使一部分碳材料暴露于表面的升华步骤 ( 步 骤 S4)。接下来对使用铜粉作为金属粉末以及使用碳纳米管作为碳材料的制造金属复合材 料的方法进行说明。
( 混合步骤 )
首先， 在混合步骤中， 混合铜粉和碳纳米管 ( 步骤 S1)。在该 步骤中， 虽然对铜粉 和碳纳米管的混合比没有特别限制， 但是， 它们混合 ( 例如 ) 使得混合物中含有 0.1 质量％ 至 5 质量％的碳纳米管。此外， 尽管对铜粉颗粒的形状和粒度没有特别限制， 但是使用粒度 为 40μm 至 3mm 的铜粉。通过如上所述的混合比和粒度， 碳纳米管可以在接下来的附着步 骤中优选附着在铜粉上。
碳纳米管具有包括六边形网络形状的石墨板 ( 石墨烯 ) 的筒状结构。碳纳米管可 以是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。此外， 其可以是混合有富勒烯的碳纳米管。对碳纳米 管的制造方法没有特别限制， 包括 ( 例如 ) 电弧放电法、 激光烧蚀法和化学气相沉积法。
( 附着步骤 )
之后， 在附着步骤中， 向铜粉和碳纳米管的混合物施加机械冲击， 从而使碳纳米管 附着在铜粉表面以及铜粉表面正下方内部 (S2)。 施加机械冲击的方法包括 ( 例如 ) 使用图 2 所示的高速碰撞装置 10 的方法。首先对高速碰撞装置 10 的结构进行说明。
高速碰撞装置 10 具有冲击室 12、 旋转轴 13 和盘状轮子 14。冲击室 12 包括筒状 定子 11 和封闭定子 11 两个端面的覆盖件 ( 未示出 )。盘状轮子 14 在冲击室 12 内被旋转 轴 13 枢轴旋转。多个刀片 15 径向固定到轮子 14 的盘周上。此外， 高速碰撞装置 10 具有一 端向定子 11 内壁的一部分开口、 另一端向覆盖件的一部分开口从而形成闭合回路的循环 管 16。用于提供原料的材料漏斗 17 通过开闭阀 18 和材料供应溜槽 19 连接至循环管 16。 此外， 高速碰撞装置 10 具有排出溜槽 21， 其通过设置在定子 11 的一部分上的排出阀 20 而 开闭。排出溜槽 21 与用于在处理后回收粉末的粉末回收装置 22 相连接。
接下来， 对使用具有如上所述构造的高速碰撞装置 10 的附着步骤中的处理方法 进行说明。
首先， 在其中碳纳米管不会进行氧化燃烧的气氛中， 例如在惰性气体 ( 氩气等 ) 或 氮气气氛中， 通过材料供应溜槽 19 将混合步骤中混合的铜粉和碳纳米管提供至冲击室 12 中。在该步骤中， 在开闭阀 18 和排出阀 20 闭合的状态下， 通过驱动装置 ( 未示出 ) 以约 50m/s 至 150m/s 的圆周速度借助旋转轴 13 使轮子 14 旋转 1 至 3 分钟。因 此， 铜粉和碳纳 米管在冲击室 12 中高速旋转的同时被分散， 在此期间， 在相对于定子 11 表面和刀片 15 旋 转的情况下发生碰撞。铜粉和碳纳米管通过向定子 11 开口的循环管 16 而循环， 之后被再 次提供至冲击室 12。如上所述， 铜粉和碳纳米管在轮子 14 旋转的同时在冲击室 12 和循环 管 16 之间多次循环。由于在此过程中对定子 11 和轮子 14 进行多次碰撞， 因此在碳纳米管 的表面产生强烈的机械能从而将一部分碳纳米管粉碎。在如此粉碎的碳纳米管中， 粉碎等
的机械能以化学能状态在表面处累积， 因此， 引起物理化学性质的改变从而提高了表面活 性 ( 机械化学效果 )。通过该机械化学效果， 提高了粉碎后碳纳米管中的亲水性。
在冲击室 12 和循环管 16 之间进行循环时， 除了如上所述相对于定子 11 和刀片 15 的冲击力之外， 还对铜粉和碳纳米管施加颗粒彼此之间的冲击力。 由于机械冲击力， 碳纳米 管附着在铜粉表面， 此外， 附着在铜粉表面的碳纳米管通过铜粉彼此之间的碰撞而撞击， 并 且碳纳米管埋入铜粉表面的正下方。即， 碳纳米管通过轮子 14 旋转所产生的机械冲击力而 附着在铜粉表面以及铜粉表面的正下方。因此， 如图 3 和 4 所示， 形成包含复合碳纳米管和 铜粉的金属复合材料 1， 并在金属复合材料 1 的最外表面处形成其中附着有铜粉晶粒和碳 纳米管的附着层 2。如图 5 所示， 未被粉碎的碳纳米管和已粉碎的碳纳米管被埋入在附着 层 2 中。其中埋有碳纳米管的金属复合材料表面正下方区域 ( 附着层 2) 为距离金属复合 材料 1 表面 ( 例如 ) 约 5μm 至 12μm 的范围。此外， 如图 3 和 4 所示， 从附着层 2 的一侧 向中心形成如上所述通过机械冲击力由铜粉母晶体精细化而成的精细晶体结构 3。 此外， 从 精细晶体结构 3 的一侧向中心形成未粉碎铜粉的母晶体结构 4。
之后， 在经过预定的时间之后， 通过打开图 2 中所示的排出阀 20， 通过排出溜槽 21 将处理后的包含金属复合材料 1 的样品回收到回收装置 22 中。 在如上所述的附着步骤中， 由于碳纳米管埋入铜粉中， 因此抑制了碳纳米管从铜 粉中脱离， 并在后续步骤 ( 升华步骤 ) 中可以获得均 一的复合材料。
( 分级步骤 )
如图 1 所示， 在接下来的分级步骤 ( 步骤 3) 中， 为了仅回收金属复合材料 1， 将除 金属复合材料 1 之外的样品分级并除去。具体而言， 通过分级除去未附着的碳纳米管、 未附 着的铜粉、 以及铜粉彼此附着而成的铜粉。分级步骤可以 ( 例如 ) 通过弯头喷嘴空气分级 机来进行。
( 升华步骤 )
之后， 在升华步骤中， 将在分级步骤中回收的金属复合材料 1 加热以使金属复合 材料 1 的表面 ( 即， 附着层 2 中铜的一部分 ) 升华 ( 步骤 4)。具体而言， 在其中碳纳米管不 会氧化燃烧的气氛 ( 例如真空、 惰性气体或氮气 ) 中， 在铜的升华条件下加热金属复合材料 1， 从而使附着层 2 中的一部分铜升华。 更具体而言， 例如在真空炉中， 在真空度为 1×10-3Pa 至 1×10-4Pa 的气氛以及 800℃至 1100℃的温度下加热金属复合材料 1， 以使附着层 2 中的 一部分铜升华， 从而使附着层 2 中的碳纳米管暴露于金属复合材料 1 表面的一部分 ( 例如， 约 1％至 70％的表面积 )。 对升华时间没有特别限制， 可以设定升华时间使得碳纳米管在金 属复合材料 1 的 1％至 70％的表面上暴露。碳纳米管在金属复合材料 1 上的暴露程度可以 ( 例如 ) 通过超高分辨能 FE-SEM 或电子显微镜进行组织观察而测定。
如图 6 所示， 在上述升华步骤后获得的金属复合材料 1A 在其表面由碳纳米管和铜 形成凹凸形状， 并且表面积比形成复合状态前铜粉的表面积提高。由于热传导性约为铜的 三倍至四倍高的碳纳米管暴露于金属复合材料的表面， 因此热倾向于转移到金属复合材料 1A 的表面上， 并且与形成复合状态之前铜粉的热传导性相比， 金属复合材料 1A 的热传导性 可以显著提高。此外， 暴露于金属复合材料表面的碳纳米管包含上述粉碎后的碳纳米管， 即， 亲水性高的碳纳米管。因此， 与上述形成复合状态前铜粉的亲水性相比， 金属复合材料 1A 的亲水性可以大幅提高。 此外， 由于通过金属复合材料表面的凹凸形状提高了表面积， 因
此当金属复合材料 1A 应用于 ( 例如 ) 热管或均热板时， 与工作流体的接触面积可以大幅 扩展。因此， 可以提高受热效率和散热效率。
( 应用例 )
如上所述， 由于金属复合材料 1A( 或金属复合材料 1) 具有优异的热传导性和亲水 性， 因此该材料可以广泛地应用于具有散热或热传导功能的散热部件， 例如热管、 均热板、 散热器、 热沉、 或热交换器。 将金属复合材料 1A 应用于这些散热部件的具体例子如下所述。
( 应用例 1)
首先， 对如上所述的金属复合材料 1A 应用于热管的情况进行说明。
作为用于热管的材料， 通常使用铜。如图 7 所示， 热管 30 具有这样的结构 ： 其中冷 凝流体 ( 例如水或醇 ) 作为工作流体密封在密闭容器 31 中。构造该热管 30， 使得通过从外 部引入的热将工作流体在蒸发部中蒸发， 使蒸汽流向冷凝部， 之后通过散热而被冷凝， 从而 输送作为工作流体潜热的热。在热管 30 中， 向冷凝部输送热之后， 通过芯 32 的毛细管压力 使液相中的冷凝工作流体循环回到蒸发部。芯包括芯部件， 例如粉末烧结体、 编织物、 细线 束、 沟槽等。下面对金属复合材料 1A 用于芯部件的方法进行说明。
( 粉末烧结体 ) 首先， 在图 9 所示的设置步骤 ( 步骤 S5) 中， 将在分级步骤 (S3) 中回收的金属复 合材料 1 设置在如图 8 所示一端 ( 例如蒸发部一侧的末端 ) 密封的容器 31 的内部空间 33 中。之后， 在图 9A 所示的烧结步骤 ( 步骤 S6) 中， 通过已知的烧结方法对其中设置有金属 复合材料 1 的容器 31 在铜的升华条件下进行加热， 从而使金属复合材料 1 的附着层 2 中的 一部分铜升华 ( 参见图 3)， 并将金属复合材料 1 彼此烧结。因此， 金属复合材料 1 中的一 部分碳纳米管暴露于金属复合材料 1 表面的一部分， 从而形成金属复合材料 1A( 其表面由 碳纳米管和铜形成为凹凸形状 )。此外， 使暴露于金属复合材料 1A 表面的铜彼此结合以形 成金属复合材料 1A 的烧结体。在该过程中， 由于容器 31 的内壁面 31A 由铜形成， 因此当形 成金属复合材料 1A 的烧结 体时， 该烧结体可以同时附着在容器 31 的内壁面 31A。换句话 说， 包括金属复合材料 1A 烧结体的芯可以形成在容器 31 的内壁面 31A 上。
可以通过已知的烧结方法进行上述所述的烧结步骤， 例如脉冲电流烧结法、 热压 法、 真空烧结法、 气压烧结法、 热等静压烧结法等。该烧结步骤优选在真空或在惰性气氛下 进行。此外， 可以根据所采用的烧结方法、 所使用的金属粉末种类、 所采用的金属粉末升华 条件 ( 真空度、 温度等 ) 来适当确定诸如烧结温度等烧结条件。
之后， 在烧结步骤后， 通过向容器 31 中注入工作流体、 将容器 31 内部抽真空并且 密封冷凝一侧的端部， 从而可以制造热管 30。
( 变形实施方案 )
在如上所述的应用方法中， 将在分级步骤 (S3) 中回收的金属复合材料 1 设置在容 器 31 中。然而， 如图 9B 所示， 可以将升华步骤 (S4) 之后的金属复合材料 1A 设置在容器 31 中。具体而言， 在图 9B 所示的设置步骤 (S7) 中， 将在升华步骤 (S4) 中获得的金属复合材 料 1A 设置在如图 8 所示一端被密封的容器 31 的内部空间 33 中。在这种情况下， 在后面将 要进行的烧结步骤 (S8) 中， 通过用已知的烧结方法加热其中设置有金属复合材料 1A 的容 器 31， 金属复合材料 1A 附着在容器 31 的内壁面 31A。在该过程中， 由于暴露于金属复合材 料 1A 表面的铜彼此结合从而形成金属复合材料 1A 的烧结体， 因此金属复合材料 1A 的烧结
体可以附着在容器 31 的内壁面 31A。
( 编织物或细线束 )
如图 10 所示， 在向拉模 40 的内表面提供在分级步骤中回收的金属复合材料 1 时， 通过拉丝工艺使纯铜线 41 形成为细线。因此， 在金属复合材料 1 埋入铜线 41 表面的同时， 铜线变细成所期望的直径。 在该过程中， 金属复合材料 1 在拉丝工艺中还用作固体润滑剂。
之后， 在连续的真空炉中， 将变细后的铜线 41 在铜的升华条件下加热， 从而将铜 线 41( 具体而言， 埋入铜线 41 中的金属复合材料 1 的表面 ) 的一部分铜升华。因此， 金属 复合材料 1 中碳纳米管的一部分暴露于铜线 41 表面的一部分， 并且铜线 41 的表面由碳纳 米管和 铜形成为凹凸形状。即， 金属复合材料 1A 形成在铜线 41 的表面。
接下来， 可以通过将如此形成的铜线 41( 细线 ) 编织成网状以形成包括编织物的 芯部件。此外， 如上所述形成的铜线 41( 细线 ) 还可以用作包括细线束的芯部件。包括编 织物的芯部件和包括细线束的芯部件还可以用作后述的蒸发室用芯部件。
之后， 将包括编织物的芯部件或者包括细线束的芯部件设置在一端密封的容器 中。接下来， 通过加热该容器， 使芯部件附着在容器的内壁面。之后， 通过向该容器中注入 工作流体并将容器内部抽真空以及密封另一端， 可以制造具有包括编织物的芯部件和包括 细线束的芯部件的热管。
( 沟槽 )
如图 11 所示， 将铜管 50 设置在模具 51 中， 并将用于沟槽制造的栓塞 52( 即， 在外 周表面具有沟和脊的栓塞 52) 插入铜管 50 中。接下来， 在向栓塞 52 与铜管 50 之间的间隙 中供给在分级步骤中回收的金属复合材料 1 的状态下， 对铜管 50 施加拉丝或挤出加工。因 此， 如图 12 所示， 在铜管 50 的内壁形成与栓塞 52 的沟和脊相对应的沟槽 50G。与此同时， 如图 11 所示， 金属复合材料 1 摩擦进入沟槽 50G 中。
之后， 在真空炉中， 使摩擦进入到铜管 50 的沟槽 50G 中的金属复合材料 1 中的铜 表面的一部分升华， 从而使金属复合材料 1 中碳纳米管的一部分暴露于沟槽 50G 的表面一 部分。因此， 在铜管 50 的内壁 50A 形成包括金属复合材料 1A( 其表面由碳纳米管和铜形成 为凹凸形状 ) 的沟槽芯。
将如上所述形成的铜管切割成预定长度， 将铜管 50 的一端密封， 将工作流体注入 铜管 50 中， 将铜管 50 的内部抽真空， 并密封铜管 50 的另一端。因此， 可以制得具有沟槽芯 的热管， 所述沟槽芯包括金属复合材料 1A。
( 应用实施方案 2)
之后， 对将如上所述的金属复合材料 1A 应用于蒸汽室的例子进行说明。
作为用于蒸汽室的材料， 通常使用铜。蒸汽室为平板热管。因此， 蒸汽室具有与 热管基本相同的结构， 其通过密封在容器中的工作流体的蒸发和冷凝之间的相转变而输送 热。与热管一样， 蒸汽室也具有用于促进工作流体循环的芯。下面将描述制造蒸汽室的方 法， 该蒸汽室具有包括金属复合材料 1A 的烧结体的芯。
首先， 如图 13 所示， 将在分级步骤中回收的金属复合材料 1 设置在下部容器部件 60 和上部容器部件 61 的内部空间 ( 参见图 14。在图 13 中， 仅示出了下部容器部件 60)。 接下来， 当在铜升华条件下通过已知的烧结方法加热下部容器部件 60 和上部容器部件 61 时， 金属复合材料 1 中的一部分铜升华， 并且金属复合材料 1A 彼此烧结 ( 烧结步骤 )。因此， 金属复合材料 1 中碳纳米管的一部分暴露于金属复合材料 1 表面的一部分， 并且如图 14 所示， 形成了其中表面由碳纳米管和铜形成为凹凸形状的金属复合材料 1A。 此外， 暴露于金 属复合材料 1A 表面的铜彼此结合从而形成金属复合材料 1A 的烧结体。在该过程中， 由于 下部容器部件 60 的内壁面 60A 和上部容器 61 的内壁面 61A 由铜形成， 当形成金属复合材 料 1A 的烧结体时， 烧结体可以同时附着在下部容器部件 60 的内壁面 60A 和上部容器部件 61 的内壁面 61A。 换句话说， 包括金属复合材料 1A 烧结体的芯可以形成在下部容器部件 60 的内壁面 60A 和上部容器部件 61 的内壁面 61A。
之后， 如图 14 所示， 除工作流体的供给口 ( 未示出 ) 之外， 下部容器部件 60 的外 周和上部容器部件 61 的外周通过已知的方法结合从而形成容器 62。接下来， 向容器 62 内 通过供给口注入容器 62 体积的约 10％至 50％的量的工作流体。之后， 可以通过将容器 62 内部抽真空并将供给口密封来制造蒸发室 63， 其具有包括金属复合材料 1A 烧结体的芯。
( 变形实施方案 )
在上述所述的应用方法中， 将在分级步骤 ( 步骤 S3) 中回收的金属复合材料 1 设 置在容器部件 60、 61 中。然而， 如图 9B 所示的方法， 可以将升华步骤 (S4) 之后的金属复合 材料 1A 设置在容器部件 60、 61 中。 ( 应用实施方案 3)
下面对将如上所述的金属复合材料 1A 应用于散热器的例子进行说明。
散热器为用于将工作中半导体装置所生成的热释放到环境空气中的散热板。首 先， 对散热器的结构进行说明。
如图 15 所示， 散热器 70 具有这样的结构 ： 其主要包括成型为板状的板状部件 71 和一体成型为板状部分 71 外周的侧壁 72。板状部分 71 和侧壁部分 72 限定了凹部 73。如 图 16 所示， 设置散热器 70 凹部 73 的底部 73A 使得其与半导体表面 80( 非装置表面 ) 的外 表面接触， 并且侧壁部分 72 固定在包装件 81 上。例如， 蒸汽室 82 附着在散热器 70 板状部 分 71 的上表面 71A， 并且具有热沉鳍片 83A 的热沉 83 附着在蒸汽室 82 上。关于散热器 70 的材料， 通常使用铜 (Cu)， 并且还将镍 (Ni) 镀层施加到其表面上。
图 16 所示的构造为示出使用散热器 70 状态的例子。例如， 在省略蒸汽室 82 的 同时可以将热沉 83 直接附着在散热器 70 的上表面 71A， 或者也可以省略蒸汽室 82 和热沉 83。
之后， 对将金属复合材料 1A 应用到如上所述构造的散热器 70 的方法进行说明。
首先， 如图 15 所示， 在散热器 70 的上表面 71A 上以预定的间距制造深度约为 0.1mm 至 1mm 的沟槽 74。将在上述分级步骤中回收的金属复合材料 1 填充到沟槽 74 中。在 该步骤中， 可以通过冷喷雾法将金属复合材料 1 沉积并涂覆在散热器 70 的上表面 71A 上。
接下来， 通过摩擦搅拌焊接使金属复合材料 1 摩擦进入包括沟槽 74 内部的上表面 71A 中， 以使金属复合材料 1 附着在上表面 71A。之后， 通过在铜升华条件下在真空炉中加 热其中附着有金属复合材料 1 的散热器 70， 使金属复合材料 1 中的一部分铜升华以使金属 复合材料 1 中碳纳米管的一部分暴露于散热器 70 的上表面 71A。因此， 表面由碳纳米管和 铜形成为凹凸形状的金属复合材料 1A 可以形成在散热器 70 的上表面 71A。
( 应用实施方案 4)
下面对将金属复合材料 1A 应用到大气散热平板的例子进行说明。
按照与上述的散热器相同的方式， 在铜板表面上以预定的间距制造深度约为 0.1mm 至 1mm 的沟槽， 并将金属复合材料 1 填充到沟槽中。接下来， 通过摩擦搅拌焊接使金 属复合材料 1 摩擦进入铜板的表面， 以使金属复合材料 1 附着在铜板表面。之后， 通过在真 空中使附着于铜板上的金属复合材料 1 中的铜升华， 以使金属复合材料 1 中碳纳米管的一 部分暴露于铜板表面的一部分， 因此在铜板表面形成表面由碳纳米管和铜形成为凹凸形状 的金属复合材料 1A。
还可以通过将金属复合材料 1 平铺在铜板的整个表面上并通过真空热压对其进 行热压粘合， 从而在铜板的表面形成金属复合材料 1A。 在这种情况下， 还可以 ( 例如 ) 通过 在加压状态下提供高电流来加热铜板。这可以提高制造效率。
( 其他应用实施方案 )
在其中所生成的热会对产品寿命和可靠性产生显著影响的产品中， 通常已经要求 更高效地冷却和散热技术。例如， 通过将金属复合材料 1、 1A 应用至 LED 灯泡所具有的热沉 板中， LED 灯泡可以高效地释放热并冷却。这可以延长 LED 灯泡的寿命。
此外， 在现有的小型投影机中， 由于不能充分地进行对产品寿命产生影响的散热， 因此在抑制亮度的同时使用它们。相反， 由于通过将使用本实施方案的金属复合材料 1、 1A 的散热部件应用于该小型投影机中可以有效散热， 因此预期不再需要抑制亮度。 此外， 还可以通过将如上所述的金属复合材料 1、 1A 高压烧结成大型化或平面化， 提高用于接合金属的焊料或铟等粘结金属或合金的热传导性或电传导性。因此， 还可以制 造热传导性或电传导性得以提高的接合金属用粘结部件。
上述所述的实施方案可以提供下述有益效果。
(1) 在金属复合材料 1、 1A 中， 热传导性高达铜的三倍或四倍的碳纳米管暴露于金 属复合材料的表面。因此， 热往往转移到金属复 合材料 1、 1A 的表面上， 并且与复合前的铜 粉相比， 金属复合材料 1、 1A 的热传导性显著提高。
(2) 暴露于金属复合材料表面的碳纳米管包含被粉碎从而表面被活化的碳纳米 管， 即， 具有高亲水性的碳纳米管。因此， 与复合前铜粉的亲水性相比， 金属复合材料 1、 1A 的亲水性可以极大地提高。因此， 当将金属复合材料 1、 1A 用于 ( 例如 ) 热管或蒸汽室的芯 时， 工作流体甚至可以渗透入狭窄的间隙中， 从而可以获得大的受热面积和散热面积。 这可 以提高受热效率和散热效率。
(3) 金属复合材料 1A 的表面由碳纳米管和铜形成为凹凸形状。因此， 由于凹凸形 状 1A 的表面积增大， 因此当金属复合材料 1A 用于热管或蒸汽室的芯时， 与工作流体的接触 面积可以极大地增加。因此， 可以提高受热效率和散热效率。
(4) 通过将其中碳纳米管暴露于表面的金属复合材料 1、 1A 铺设在大气散热部分， 红外线的发射度提高， 可以容易地将热释放到大气中。
(5) 通过将金属复合材料 1、 1A 应用到多种散热部件中， 可以有效地从发热体中散 热。因此， 这可以有助于提高可靠性并延长发热体的寿命。此外， 由于散热部件的尺寸可以 降低， 因此还可以有助于装置尺寸降低。
还可以将上述的实施方案以下述适当变形的实施方案来实施。
· 在上述实施方案中的混合步骤可以省略。 这种情况下， 可以将金属粉末和碳材料 在 ( 例如 ) 附着步骤中所用的高速碰撞装置 10 中进行混合。
·上述实施方案中的分级步骤可以省略。
·上述实施方案中的升华步骤可以省略。
·对实施方案中高速碰撞装置 10 中轮子 14 的转数没有特别限制。即， 轮子 14 的 转数可以是能够向金属粉末和碳材料提供强度能够将碳材料的一部分粉碎并使碳材料附 着在金属粉末上的机械冲击力这样的转数。因此， 轮子 14 的转数可以根据所使用的金属粉 末的种类 ( 硬度等 ) 和碳材料的种类 ( 硬度等 ) 适当确定。
·在上述实施方案中的附着步骤中所用的装置并不特别限于图 2 中的高速碰撞装 置 10。 即， 对装置的构造没有特别限制， 只要该装置能够向金属粉末和碳材料提供强度足以 将碳材料的一部分粉碎并使碳材料附着在金属粉末上的机械冲击力即可。
[ 实施例 ]
下面根据实施例和比较例对上述实施方案进行更具体地说明。
( 实施例 1)
制备平均粒度为 100μm 的铜粉、 以及平均直径为 10nm 至 25nm 且平均长度为 2μm 至 10μm 的碳纳米管， 并称重使得碳纳米管在铜粉和碳纳米管的混合物中的含量为 1.0 质 量％。如图 2 所示， 使用高速碰撞装置 10， 在使转子 14 在氩气气氛中以 70m/s 的圆周速度 旋转 3 分钟的同时对所述混合物施加机械冲击力。通过分级来回收在附着步骤中所获得的 金属复合材料。 另一方面， 将如上所述回收的金属复合材料设置在尺寸为 30×30mm 并且板状部 分厚度为 3mm 的散热器的凹部中。将该散热器置于真空炉中并在真空度为 1×10-3Pa 和温 度为 900℃的升华条件下使铜的一部分升华， 从而使碳纳米管暴露于 50％的表面。
关于如上所述制造的散热器， 评价对水的润湿性。结果在图 17 中示出。此外， 测 定如上所述制造的散热器的蒸发潜热的热性质。结果在图 18 中示出。
( 润湿性的评价 )
在大气中， 当向底部滴加 20μl 纯水时观察实施例 1 中散热器凹部的底部状态 ( 参见图 17A)。作为比较例， 当在大气中向铜板 ( 参见图 17B)、 铜粉烧结体 ( 参见图 17C) 和氧化铜粉末烧结体 ( 参见图 17D) 的表面分别滴加 20μl 纯水时， 观察各表面的状态。
如图 17B 至 17D 显而易见的是， 在比较例中， 纯水在各表面上为圆顶形状或球形形 状， 与滴加的纯水接触角大， 并且对纯水的润湿性差。 此外， 在比较例中， 因暴露于大气中导 致即刻形成氧化物膜， 并且由于该氧化物膜进一步使得润湿性变差。
相反， 在实施例 1 中， 滴加的纯水立即吸收到散热器内部， 证实了对纯水的润湿 性， 即， 亲水性得到改善。 据认为， 在附着步骤中粉碎的碳纳米管的亲水性得到改善， 并且碳 纳米管暴露于散热器凹部的底部。此外， 在实施例 1 中， 即使在大气中重复相同的测定时， 也没有发现润湿性劣化。即， 在实施例 1 中， 即使当表面暴露于大气时， 散热器的表面也没 有被氧化。据认为， 通过在散热器表面上存在的碳纳米管， 以机械化学方式抑制了氧化。
< 关于热性质的测定 >
( 比较例 1)
使用尺寸为 30×30mm 并且板状部分的厚度为 3mm 的铜制散热器进行测定。
( 测定方法 )
在将各例子的散热器的凹部底部朝上并且打开上部以暴露于大气的状态下， 在室
温下向凹部的底部滴加 1000μl 纯水。之后， 通过加热器 (100℃ ) 对与散热器凹部底部相 对侧的散热器表面接触的预热器 (heater block) 加热， 以测定预热器内部的温度变化。
( 测定结果 )
从图 18 中明显看到， 与比较例 1 相比， 稳定区域 ( 即， 其中滴加的水被蒸发的期间 ( 约 210 秒至 450 秒 )) 中的温度低 14℃至 24℃。此外， 可以看出， 与比较例 1 相比， 实施例 1 中滴加的纯水完全蒸发的时间 ( 约 450 秒 ) 极大地缩短， 并且散热效率极大地改善。