CN102019543A

CN102019543A - 均温板及其制作方法

Info

Publication number: CN102019543A
Application number: CN2009101738958A
Authority: CN
Inventors: 刘睿凯; 钟兆才
Original assignee: Pegatron Corp
Current assignee: Pegatron Corp
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: CN102019543B

Abstract

本发明提供一种均温板及其制作方法。其中均温板的制作方法，包含下列步骤：首先，提供上盖板与下盖板。随后，以冷熔射喷覆程序形成毛细结构于下盖板。接着，上盖板与下盖板被组装，以形成出至少一个容置空间，且毛细结构位于容置空间内。最后，于容置空间充填工作流体后，再密封容置空间。因此，根据本发明提供的制作方法而完成的均温板包含壳体、工作流体与毛细结构。壳体的内部具有容置空间。工作流体填充于容置空间。毛细结构通过冷熔射喷覆程序形成于容置空间的内壁。

Description

均温板及其制作方法

技术领域

本发明与导热装置相关，并且尤其与可用以为电子系统散热的均温板相关。

背景技术

均温板(vapor chamber)是属于热导管(heat pipe)的一种，由于它具有优异的热传导特性，因此被广泛应用来冷却高功率的半导体芯片，例如电子系统中的中央处理器、绘图处理器，或是高功率发光二极管。利用快速将半导体芯片运作中产生的热量带离其工作环境，可确保电子系统在正常状态下有效率地运行。

均温板的外壳材料通常为铜、铝、不锈钢等金属，其中的内部空间填充有材料化学性质与该金属兼容的工作流体。图1所示为一典型的均温板示意图。如图1所示，热源20(例如一高功率电子芯片)与均温板10的下表面12相接触。热源20产生的热量会被传导至均温板10。均温板10与热源20接触的区域可被视为一加热区，其中的工作流体由此吸收热量后会被蒸发为汽态，扩散至整个均温板内部。

当汽态工作流体接触到均温板上半部温度相对较低的冷却区后，会释放出潜热并重新被冷凝为液态的工作流体，并因本身重力的影响直接往下滴落，或是沿着均温板10上下半部之间的支撑结构流回下半部，或是沿着毛细结构16流回下半部。上述潜热将通过均温板10的上表面14被发散到周边的空气中。

利用毛细结构16(图1中标有阴影的区域)所提供的毛细力，回到均温板10下半部的液态工作流体则是被导引至加热区，完成一个循环。利用工作流体液、汽两相变化之间的热量传递，均温板10可达到为热源20散热的效果。

已知均温板的毛细结构大多属于粉末多孔式、网状式、沟槽式，或上述三种样式组合而成的复合式毛细结构。沟槽式毛细结构的成本较低，但其热通量(heat flux)最大仅为每平方厘米30瓦，不适合做为配合高功率半导体晶体应用的均温板的加热区毛细结构。

网状式毛细结构与均温板的上盖板或下底板的贴合状态攸关均温板的热传导效能；若贴合状态不佳，会导致均温板的热阻(thermal resistance)大幅增加。已知技术多以高温烧结(sintering)的手段增加网状材料与板材之间的密合度。然而，高温烧结工艺所需的成本甚高且生产耗时长、能源消耗大，使得均温板的制造成本高居不下。

此外，高温烧结工艺所需的工作温度远超过均温板外壳材料的退火温度(annealing temperature)。举例而言，铜材的退火温度一般为摄氏450度，而烧结工艺的温度高于摄氏850度。均温板外壳的机械强度往往会因此大幅下降，甚至在填充工作流体之后的抽真空除气的过程中，会出现板材内凹的现象，反而导致均温板与热源之间的接触热阻上升。

粉末多孔式毛细结构通常也是利用高温烧结工艺将金属粉或陶瓷粉黏结在均温板的板材上。这种毛细结构同样会有烧结工艺破坏均温板外壳的机械强度以及接触热阻增加的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种均温板及其制作方法，以冷熔射(cold plasma spray)喷覆技术制作均温板的毛细结构，以提高均温板的机械强度并降低其生产成本。

根据本发明一方面提供一种制作均温板的方法。上述方法首先提供上盖板与下盖板。随后以冷熔射喷覆程序形成毛细结构于下盖板。接着，上盖板与下盖板被组装，以形成出至少一个容置空间，且毛细结构位于容置空间内。最后，于容置空间充填工作流体后，再密封容置空间。

根据本发明另一方面提供一种均温板，其中包含壳体、工作流体与毛细结构。壳体的内部具有至少一个容置空间。工作流体填充于填充于容置空间。毛细结构通过冷熔射喷覆程序形成于容置空间的内壁。

本发明的有益技术效果是：本发明以冷熔射喷覆技术制作均温板的毛细结构的方式可有效缩短均温板的生产工时，提高生产效率并降低成本，提升产品竞争性。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以利用以下的发明详述及附图得到进一步的了解，其中：

图1所示为一典型的均温板示意图。

图2所示为根据本发明的一具体实施例中的均温板制作方法流程图。

图3(A)及图3(B)所示为均温板的上盖板与下盖板的范例。

图4所示为冷熔射喷覆程序的示意图。

图5所示为根据本发明的毛细结构及下盖板的示意图。

图6所示为根据本发明的上盖板与下盖板组装后的示意图。

图7所示为根据本发明的另一具体实施例中的均温板制作方法流程图。

具体实施方式

根据本发明的一具体实施例为一种制作均温板的方法。请参阅图2，图2为根据本发明的一具体实施例中的均温板制作方法流程图。该方法首先执行步骤S21，提供一上盖板与一下盖板。举例而言，制作者可利用铜、铝、不锈钢等金属平板为材料，通过锻造、挤压或铸造等方式制造出形式如图3(A)所示的上盖板32。根据一较佳实施例，上盖板32以冷锻冲压的方式制作，但并不以此为限。另外，上盖板32下方的多个柱状结构可做为分隔上盖板32与下盖板34的支撑结构32A。

图3(B)所示为根据本发明的上下盖板的另一范例。此范例中形状较不规则的支撑结构32A可通过针对上盖板32进行化学蚀刻的方式来实现。制作者同样可采用金属薄板为材料，以冷锻冲压成型方式制造如图3(A)及图3(B)所示的下盖板34，但不以此为限。

接下来，步骤S22以一冷熔射喷覆程序形成一毛细结构于下盖板。图4为冷熔射喷覆程序的示意图，亦即实现步骤S22的示意图范例，标号40的装置代表一冷熔射喷枪。在这个范例中，冷熔射喷枪40的上下两端各有一个进料处42，喷覆材料由此被送入冷熔射喷枪40的前端。实际应用上，送入进料处42的喷覆材料可以为一棒状或线状的金属或陶瓷材料，也可以是粉末状的材料颗粒。

该冷熔射喷覆程序可首先以高压电极44形成一电弧(arc)区46，由此解离通过于电弧区46的一第一工作气体(例如氩气等惰性气体)，以形成温度大约为摄氏2000度至3000度的等离子体。喷覆材料由进料处42被送入冷熔射喷枪40的前端之后，会因等离子体的高温被熔融，形成一熔融状材料液。

在产生熔融状材料液的过程中，一第二工作气体(例如高压氮气及/或氢气)持续由冷熔射喷枪40后端的进风口沿图4所示的A方向被吹向前端。该熔融状材料液受此第二工作气体吹袭，将会被吹散为许多飞向下盖板34的喷覆颗粒48。实际应用中，这些喷覆颗粒48的平均直径大约在35微米至250微米之间。

根据本发明，该喷覆材料可被等离子体完全熔融。利用适当选择冷熔射喷枪40与下盖板34之间的距离，这些喷覆颗粒48可于飞行途中有足够的时间冷却，并在被吹送至下盖板34之前固化。这些喷覆颗粒48高速撞击下盖板34之后会因机械撞击力而附着于下盖板34的表面上，进而堆叠形成如图5所示的厚度大约为0.1厘米至0.8厘米的多孔状结构36，其中图5为根据本发明的毛细结构及下盖板的示意图。此多孔状结构36即可做为下盖板34的毛细结构。

实际应用中，上述第一工作气体可包含在由后端的进风口吹进冷熔射喷枪40的第二工作气体中。换言之，第二工作气体可包含氮气、氢气、氩气或是这几种气体的混合物。在第二工作气体中加入氮气可防止喷覆颗粒48在飞行途中与周边的氧气反应而被氧化，氢气则可还原喷覆颗粒48表面的氧化层。

以喷覆材料的材料为铜且下盖板34的材料为铝的情况为例，以冷熔射喷覆程序中在铝基材上喷覆铜材颗粒时，铝基材的温度仅由室温上升至摄氏40度，远低于铝基材的退火温度。因此，根据本发明的下盖板34的机械强度并不会因为制作毛细结构的程序受到破坏。

于实际应用中，除了下盖板34，制作者亦可利用冷熔射喷覆技术将喷覆材喷涂堆叠于均温板的上盖板32，在上盖板32的内侧也形成毛细结构。此外，制作者亦可利用冷熔射喷覆技术于支撑结构32A的表面形成毛细结构。

接下来，步骤S23为组装上盖板32与下盖板34，以形成出至少一容置空间38。请参考图6，图6为根据本发明的上盖板与下盖板组装后的示意图。在图6的范例中，毛细结构36分布于下盖板34。如图6所示，在组装上盖板32及下盖板34之后，支撑结构32A抵持于上盖板32及下盖板34间，形成出多个容置空间38。

实际应用中，制作者可利用一激光焊接程序或一等离子体电弧焊接程序组装上盖板32与下盖板34。等离子体电弧焊及激光焊接等焊接方式在焊接时的热影响区域小。通过适当的均温板结构设计，此焊接程序并不会破坏均温板导热及散热区域的结构强度。

步骤S24于容置空间38中充填一工作流体。实际应用中，制作者可在焊接上盖板32与下盖板34的同时，以钨极惰性气体(tungsten inert gas，TIG)焊接的方式在两个盖板之间焊接一个填充管(未出现在附图中)，并通过此填充管充填工作流体。

在执行步骤S25密封容置空间38之后，根据本发明的制作方法即完成均温板的制作过程。于实际应用中，在密封容置空间38与填充管前，制作者可先由容置空间38抽除其中的非凝结性气体，以使均温板产生效用。

请参阅图7，图7为根据本发明的另一具体实施例中的均温板制作方法的流程图。除了步骤S21～步骤S25之外，此制作方法进一步在步骤S21之后包含步骤S26及步骤S27。步骤S26针对上盖板32、下盖板34或其组合进行例如喷砂等表面粗糙化程序，以加强后续毛细结构36与上盖板32、下盖板34之间的附着力。步骤S27则是以超音波清洗程序清洗上盖板32及下盖板34，除去上面的灰尘或杂质。

根据本发明的另一实施例即为利用如图2的制作方法制作的均温板。此均温板包含一壳体、一工作流体与一毛细结构。壳体的内部具有至少一容置空间。工作流体填充于填充于容置空间。毛细结构通过一冷熔射喷覆程序形成于容置空间的内壁。

如先前所述，除了壳体、工作流体、毛细结构外，根据本发明的均温板可进一步包含至少一支撑结构，用以分隔均温板的上下盖板。此外，毛细结构可仅分布于均温板的壳体的下盖板，亦可同时分布于壳体的上盖板与下盖板。

本发明提出以冷熔射喷覆技术制作均温板的毛细结构的概念。由于冷熔射喷覆技术不会使喷覆基材的温度大幅增加，因此在制作毛细结构的过程中，均温板的温度不会超过其退火温度；由此，可以保持本发明的均温板的机械强度，同时确保均温板的接触热阻不会因为制作毛细结构的程序大幅上升。

此外，相较于先前技术中采用的高温烧结工艺所需的成本甚高且生产耗时长、能源消耗大，本发明提出以冷熔射喷覆技术制作均温板的毛细结构的方式可有效缩短均温板的生产工时，提高生产效率并降低成本，提升产品竞争性。

利用以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求书的范畴内。

Claims

1.一种制作均温板的方法，其特征是，包含下列步骤：

(a)提供上盖板与下盖板；

(b)以冷熔射喷覆程序形成毛细结构于所述下盖板；

(c)组装所述上盖板与所述下盖板，形成出至少一个容置空间，所述毛细结构位于所述容置空间内；

(d)于所述容置空间中充填工作流体；以及

(e)密封所述容置空间。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是，于步骤(a)及步骤(c)之间进一步包含下列步骤：

以所述冷熔射喷覆程序形成所述毛细结构于所述上盖板。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是，其中步骤(a)中进一步包含下列步骤：

利用化学蚀刻程序于所述上盖板形成至少一个支撑结构。

4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征是，在步骤(c)组装所述上盖板与所述下盖板后，所述支撑结构抵持于所述上盖板及所述下盖板间，协助形成出多个所述容置空间。

5.根据权利要求3所述的制作方法，其特征是，于步骤(a)及步骤(c)之间进一步包含下列步骤：

以所述冷熔射喷覆程序形成所述毛细结构于所述支撑结构的表面。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是，步骤(a)包含利用冷锻冲压程序制作所述下盖板。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是，步骤(a)包含针对所述上盖板、所述下盖板或其组合进行一表面粗糙化程序。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是，于步骤(a)及步骤(b)之间进一步包含下列步骤：

以超音波清洗程序清洗所述上盖板及所述下盖板。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是，步骤(c)以激光焊接程序或等离子体电弧焊接程序组装所述上盖板与所述下盖板。

10.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是，所述冷熔射喷覆程序包含：

以高压电极形成电弧区；

解离通过所述电弧区的第一工作气体，以形成具有温度的等离子体；

提供喷覆材料；

利用所述等离子体熔融所述喷覆材料，形成熔融状材料液；

以第二工作气体吹袭所述熔融状材料液，由此产生多个喷覆颗粒并将所述这些喷覆颗粒吹向所述下盖板；以及

形成堆叠于所述下盖板且为多孔状的所述毛细结构。

11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征是，所述喷覆材料于所述利用所述等离子体熔融所述喷覆材料以形成所述熔融状材料液的步骤前为线状材料或棒状材料。

12.根据权利要求10所述的制作方法，其特征是，所述喷覆材料为金属材料或陶瓷材料。

13.根据权利要求10所述的制作方法，其特征是，所述第一工作气体包含氩气。

14.根据权利要求10所述的制作方法，其特征是，所述第二工作气体包含氢气或氮气。

15.根据权利要求10所述的制作方法，其特征是，于所述利用所述等离子体熔融所述喷覆材料以形成所述熔融状材料液的步骤中，所述喷覆材料被所述等离子体完全熔融。

16.根据权利要求10所述的制作方法，其特征是，所述这些喷覆颗粒于被吹送至所述下盖板之前固化。

17.根据权利要求10所述的制作方法，其特征是，所述这些喷覆颗粒的平均直径在35微米至250微米之间。

18.根据权利要求10所述的制作方法，其特征是，所述等离子体的所述温度介于2000℃至3000℃之间。

19.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是，所述下盖板具有退火温度，并且所述下盖板于所述冷熔射喷覆程序中具有工作温度，所述工作温度低于所述退火温度。

20.根据权利要求1所述的制作方法，其特征是，于步骤(c)及步骤(d)之间进一步包含下列步骤：

抽除所述容置空间中的非凝结性气体。

21.一种均温板，其特征是，包含：

壳体，其内部具有至少一个容置空间；

工作流体，填充于所述容置空间；以及

毛细结构，通过冷熔射喷覆程序形成于所述容置空间的内壁。

22.根据权利要求21所述的均温板，其特征是，所述壳体包含上盖板与下盖板，所述上盖板组装于所述下盖板上以形成所述容置空间。

23.根据权利要求22所述的均温板，其特征是，所述均温板进一步包含：

支撑结构，所述支撑结构抵持于所述上盖板与所述下盖板之间，用以将所述壳体内部分隔为多个所述容置空间。

24.根据权利要求22所述的均温板，其特征是，所述毛细结构分布于所述下盖板。

25.根据权利要求22所述的均温板，其特征是，所述毛细结构同时分布于所述上盖板及所述下盖板。

26.根据权利要求21所述的均温板，其特征是，所述壳体为金属材料。

27.根据权利要求21所述的均温板，其特征是，所述毛细结构与所述工作流体为化学性质兼容的材料。

28.根据权利要求21所述的均温板，其特征是，所述毛细结构以金属材料或陶瓷材料经所述冷熔射喷覆程序而形成。