TWI472388B - Casting with metal insert and its manufacturing method - Google Patents

Description

具有金屬嵌入件的鑄件及其製造方法

本發明係有關於一種鑄件及其製造方法，特別是有關於一種具有金屬嵌入件的鑄件及其製造方法。

常見的電子設備之散熱裝置，是將一固態的熱沉與一電子元件熱源作緊密接觸，再將一熱管之一端與該熱沉作表面之接觸，該熱管是由銅管內盛裝水液製成，該熱沉吸收熱量後經由該熱管一端將熱傳導至另一端，再以風扇或其他方式將熱散逸至大氣中。業界常用的嵌入式熱沉組是先將熱沉鑽一孔洞，該熱管塞裝於該孔洞中，而且該熱管於製作時該熱管之端部形成一細長針狀之邊角尖部，如僅將熱沉鑽孔供熱管插伸，必定會因該邊角尖部之緣故而無法完全緊密結合，增加二者之接觸熱阻，降低散熱效率。

另外如圖1A、圖1B所示，有些熱沉10與熱管11間是利用一蓋板12以鉚接、銲接、表面接觸、嵌入等方式結合，但上述工法仍無法避免熱沉與熱管間接觸熱阻過大之現象。除此之外，對於形狀複雜之熱管，例如圓形或順延曲面而設置之熱管，實難以利用機械加工方式在熱沉上進行孔洞加工，其熱傳效能亦無法完全發揮。

再請參照圖1C，如以鑄造方式將鋁質的熱沉10’與銅質的熱管11’結合則可使熱沉10’緊密地包覆於熱管11’外周面，大幅降低二者間之接觸熱阻。圖1D至圖1E顯示圖1C之不同位置的局部放大倍率照片。但是，鑄造過程中不論是以半開放式砂模、溼砂模、或於砂模底部設置以水冷卻之冷激底座，或者將該熱管之另一端以冷水、甚至是以液態氮的冷卻方式鑄造製作熱沉時，都會因熔融之金屬液溫度過高，高溫熱能無法即時散熱至外界，而造成熱管爆裂而損壞。以鋁質熱沉10’為例，其熔融之鋁液溫度高達660℃，按照目前使用的鑄造技術結合銅材質的熱管11’勢必因銅質熱管11’與鋁液直接接觸，雖未達銅質熱管11’本身之熔點，但因液態鋁液極易與銅質材料反應或因銅質材料在鋁中之固溶度高而在鑄造冷卻過程中有時間使該銅質材料被鋁所溶蝕，如熱管溶蝕處A,B，而導致銅質熱管11’破損。使熔融之金屬液充填進入熱管11’內，使熱管熱管11’失去散熱之功效。

本發明目的係提供一種以鑄造方式嵌入金屬嵌入件之鑄件，同時在不需要對模具或金屬嵌入件設置額外散熱件下，也不會發生鑄件使金屬嵌入件產生由既有的固態轉換為液態的溶蝕反應，而損壞金屬嵌入件的製造方法；本發明另一目的係提供具有金屬嵌入件的鑄件。

為達成上述製程目的，本發明提供一種具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，包含：首先提供一具有模穴之鑄模，再於金屬嵌入件之表面形成一隔離層，再固定該金屬嵌入件於該模穴中，之後注入溶融態的鑄件本體於該模穴中，之後注入溶融態的鑄件本體於該模穴中，使該金屬嵌入件浸泡於鑄件本體溶液中，並於冷卻後形成該具有金屬嵌入件的鑄件。

上述隔離層可以使用塗佈或噴塗方式形成。

上述在該注入溶融態的鑄件本體於該模穴中步驟前可預先塗佈一氮化硼於該模穴表面。

上述的金屬嵌入件的熔點可與鑄件本體不同，或者該金屬嵌入件為純銅、純鋁、純鎂、純金或純銀，其形狀可為管狀、棒狀、或塊狀等造型。

為達成上述物品目的，本發明提供一種具有金屬嵌入件的鑄件，包含：一金屬嵌入件、一隔離層，配置於該金屬嵌入件之表面，其中該隔離層為一陶瓷材質所製，用以避免該隔離層產生一固態轉換成液態的溶蝕反應、以及一鑄件本體，包覆該金屬嵌入件之隔離層。

本發明之特點係在於，本發明應用氮化硼材料具有高絕緣性、高導熱性、高潤滑性、耐高溫和不沾黏特性，在一金屬嵌入件表面形成一隔離層的塗層，此隔離層在鑄造時至少可表現出下列特質：(1)具有良好緻密性與穩定性，能形成隔離介面，阻絕金屬嵌入件與外界介質之反應，提供良好之耐蝕性能(2)具有良好之熱傳特性，可減少一般金屬嵌入件在經過表面處理後而使其熱傳性能降低之現象。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式均為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本方法或結構。因此在該等圖示中僅標示與本發明有關之元件或步驟，且所顯示之元件或步驟並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態或步驟次數有可能更為複雜，閤先述明。

首先請參照圖2所繪示的本發明實施例之具有金屬嵌入件的鋁鑄件或鋁合金鑄件的製造方法的流程圖，以及圖3至圖6繪示本發明實施例之具有金屬嵌入件的鋁鑄件或鋁合金鑄件的製造方法之剖面圖。本實施例中的鑄件本體係以鋁或鋁合金為例來作說明，但並不以此為限，同樣地本實施例中的隔離層材料係以氮化硼材料作說明，但並不以此為限。請參照圖3，本實施例之製造方法包含：先提供一具有模穴21的鑄模20(步驟S10)，考慮脫模的容易性，可進一步該模穴21表面塗上氮化硼(步驟S11)。

請參照圖4，藉由噴塗或塗佈製程，以氮化硼於一金屬嵌入件30的表面形成一隔離層40(步驟S20)。圖4所繪示的本發明之具有金屬嵌入件的鋁鑄件或鋁合金鑄件實施例的金屬嵌入件及其隔離層的徑向剖面圖。

請參照圖5，繼而固定該金屬嵌入件30於該模穴21之中(步驟S30)，其固定方式可業界經常使用方式，例如，以細線垂吊於模穴21的方式為之。

續注入溶融態的鋁液50或鋁合金液51於該模穴21中成為鑄件本體52，使該金屬嵌入件30浸泡於該鑄件本體52溶液之中(步驟S40)。圖5所繪示的本發明之具有金屬嵌入件的鋁鑄件或鋁合金鑄件實施例的鑄造示意圖。

請參照圖6，俟冷卻後形成該具有金屬嵌入件30的鋁或鋁合金的鑄件60(步驟S50)。圖6繪示本發明之具有金屬嵌入件的鋁鑄件或鋁合金鑄件實施例的剖面示意圖。

續請同樣再參照圖6，本實施例之具有金屬嵌入件的鑄件，包含：一金屬嵌入件30、一配置在該金屬嵌入件30表面的隔離層40以及一包覆該金屬嵌入件30隔離層40的鑄件本體52。其中，該隔離層40係一種在接觸了溶融態的鑄件本體52後，仍維持既有固態的陶瓷材質所製成。

上述實施例中，該隔離層40可用噴塗或塗佈等方式形成，該隔離層40係選用避免該隔離層40本身產生一溶蝕反應的陶瓷材質，該溶蝕反應是指由固態轉換成液態。金屬嵌入件30的熔點可與鑄件材質(鋁或鋁合金)的熔點相同、相近或具有較大的差距，這都可受隔離層40的阻絕保護，該金屬嵌入件30的材質可為但不限於純銅、純鋁、純鎂、純金或純銀，而其外觀形狀也無特別限制，可為但不限於管狀、棒狀、或塊狀。

請參照圖7A，其顯示本發明之具有金屬嵌入件的鋁鑄件或鋁合金鑄件實施例的金屬嵌入件與鑄件介面的剖視圖照片。圖7B至圖7C顯示圖7A之不同位置的局部放大倍率照片，其中該金屬嵌入件30因受到隔離層40的阻絕，而避免與外界介質如鑄件本體52溶液反應，故可保有原來外觀，如金屬嵌入件表面C,D處，該金屬嵌入件30無損壞而遭鑄件本體52溶液侵入內部之虞。

本發明應用的隔離層材料，係一種具有高絕緣性、高導熱性、高潤滑性、耐高溫和不沾黏特性的陶瓷材質如氮化硼(BN)、氧化鋁(Al₂ O₃ )等材料，在一金屬嵌入件表面形成一氮化硼隔離層，此隔離層在鑄造時至少可表現出的特質有：具有良好緻密性與穩定性，能形成隔離介質，可隔離鑄造製程中之金屬液與金屬嵌入件，不致於直接接觸，避免金屬嵌入件表層與鑄造金屬液反應或被沖蝕，提供良好之耐蝕性能。故本發明可以使用鑄造技術量產、提高產品良率，並大大節省人力成本；本發明之氮化硼隔離層具有良好之熱傳特性，可減少一般金屬嵌入件在經過表面處理後而使其熱傳性能降低之現象，故本發明之方法所製之散熱模組產品適合應用於半導體、光電、晶圓加熱器、發光二極體照明、燈具及背光模組等產業。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

[先前技術部分]

10,10’．．．熱沉

11,11’．．．熱管

12．．．蓋板

A,B．．．熱管溶蝕處

[本發明部分]

步驟S10至步驟S50　本發明方法之步驟

20．．．鑄模

21．．．模穴

30．．．金屬嵌入件

40．．．隔離層

50．．．鋁液

51．．．鋁合金液

52．．．鑄件本體

60．．．鑄件

C,D．．．金屬嵌入件表面

圖1A繪示先前技術之散熱裝置的銲接式熱沉與熱管構件之分解剖面圖；

圖1B繪示圖1A之立體組合圖；

圖1C顯示先前技術之散熱裝置的鑄造式熱沉與熱管介面的剖視圖照片；

圖1D至圖1E顯示圖1C之不同位置的局部放大照片；

圖2繪示本發明實施例之具有金屬嵌入件的鋁鑄件或鋁合金鑄件的製造方法的流程圖；

圖3至圖6繪示本發明實施例之具有金屬嵌入件的鋁鑄件或鋁合金鑄件的製造方法之剖面圖；

圖7A顯示本發明實施例之具有金屬嵌入件的鋁鑄件或鋁合金鑄件的金屬嵌入件與鑄件介面的剖視圖照片；以及

圖7B至圖7C顯示圖7A之不同位置的局部放大倍率照片。

步驟S10~步驟S50　本發明方法之步驟

Claims (16)

1. 一種具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，包含：提供一具有至少一模穴之鑄模；於一金屬嵌入件之表面形成一隔離層；固定該金屬嵌入件於該模穴中；注入溶融態的鑄件本體於該模穴中，使該金屬嵌入件之隔離層浸泡於該鑄件本體溶液中，其中該隔離層為一接觸溶融態鑄件本體後仍維持既有固態的陶瓷材質所製；以及冷卻後形成該具有金屬嵌入件的鑄件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，其中該隔離層係以塗佈方式形成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，其中該隔離層係以噴塗方式形成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，其中該注入溶融態的鑄件本體於該模穴中步驟前更包含形成一氮化硼於該模穴表面。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，其中該金屬嵌入件的熔點與鋁不同。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，其中該金屬嵌入件為純銅、純鋁、純鎂、純金或純銀。
7. 如申請專利範圍第1項所述之具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，其中該金屬嵌入件為管狀、棒狀、或塊狀。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，其中該鑄件本體為鋁、鋁合金、鎂、鎂合金及之其中一者所製。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，其中該陶瓷材質為氮化硼(BN)。
10. 如申請專利範圍第1項所述之具有金屬嵌入件的鑄件的製造方法，其中該陶瓷材質為氧化鋁(Al₂ O₃ )。
11. 一種具有金屬嵌入件的鑄件，包含：一金屬嵌入件；一隔離層，配置於該金屬嵌入件之表面；以及一鑄件本體，包覆該金屬嵌入件之隔離層，其中該隔離層為一接觸溶融態鑄件本體後仍維持既有固態的陶瓷材質所製。
12. 如申請專利範圍第11項所述之具有金屬嵌入件的鑄件，其中該金屬嵌入件為純銅、純鋁、純鎂、純金或純銀。
13. 如申請專利範圍第11項所述之具有金屬嵌入件的鑄件，其中該金屬嵌入件為管狀、棒狀、或塊狀。
14. 如申請專利範圍第11項所述之具有金屬嵌入件的鑄件，其中該鑄件本體為鋁、鋁合金、鎂、鎂合金及鐵之其中一者所製。
15. 如申請專利範圍第11項所述之具有金屬嵌入件的鑄件，其中該陶瓷材質為氮化硼(BN)。
16. 如申請專利範圍第11項所述之具有金屬嵌入件的鑄件，其中該陶瓷材質為氧化鋁(Al₂ O₃ )。