CN102131368B - 均温板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种均温板及其制造方法。均温板应用于电子装置。电子装置包含金属机壳。均温板包含上盖板、工作流体、防水层及毛细结构层。上盖板设置于金属机壳的内壁上，以定义容置空间。工作流体填充于容置空间内。防水层形成于容置空间的内壁上。毛细结构层形成于防水层上。

Description

均温板及其制造方法

技术领域

本发明涉及散热，特别涉及一种有效地节省设置热传界面材料以及均温板的底座的成本的均温板及其制造方法。

背景技术

近年来，随着电子装置的尺寸逐渐往轻薄短小的方向发展，电子装置的散热议题亦逐渐受到重视。尤其是目前的消费性电子产品，例如数码相机、手机及笔记本电脑等，由于其具有的功能愈来愈多且复杂，并且其所包含的功率晶体管元件的数目也不断增加，随着机体内部的空间愈来愈小，再加上为了降低电子装置所产生的噪音而限制风扇的使用，因而导致其热管理的问题变得更加严重，亟待解决。

一般而言，为了使得电子装置内的功率晶体管元件能够于正常的操作温度下运作，以维持其正常的使用寿命，目前的电子装置大多采用铝镁合金作为其机壳的材料，并经由热传界面材料(thermal interface material)及热传元件，例如导热膏、导热片、热管(heat pipe)、均温板(vapor chamber)及回路式热管(loop heat pipe)等，将电子装置的功率晶体管元件所散发出来的热量传递到其金属机壳上。由于金属机壳的散热面积较大，故可有效地降低功率晶体管元件的温度，用以达到散热的效果。

在众多的散热装置中，又称为平板式热管(flat plate heat pipe)的均温板由于具有优异的横向及纵向热传导特性，故已广泛地应用于中央处理器、绘图显示处理器、高功率晶体管、高功率发光二极管等电子装置的散热器，用以确保上述这些电子装置能在正常状态下运行而不会由于过热而故障。

请参照图1A及图1B，图1A及图1B分别所示为传统上将电子装置的功率晶体管元件通过均温板贴合于其金属机壳上的上视图及剖面视图。如图1A及图1B所示，电子装置1的功率晶体管元件10所散发出来的热量通过导热膏(或导热片)t1传导至均温板12的上盖板121(加热侧)。

接着，均温板12再利用其内部的工作流体于液相与气相之间的相变化，将上述热量大范围地传递至均温板12的底板122(冷却侧)。然后，均温板12的底板122再通过导热膏(或导热片)t2将热量传导至电子装置1的金属机壳14上，利用金属机壳14所具有的较大的散热面积进行散热，以减少电子装置中常出现的局部高温现象。

然而，上述传统的电子装置1中的散热方式仍存在着许多缺点。举例而言，电子装置1的功率晶体管元件10所散发出来的热量需通过导热膏(或导热片)t1传导至均温板12上，并且均温板12亦需通过导热膏(或导热片)t2将热量传导至金属机壳14上。由于导热膏(或导热片)t1及t2的热传导系数(thermal conductivity)甚低而存在较大的热阻，此外，无论是在功率晶体管元件10与导热膏(或导热片)t1之间、导热膏(或导热片)t1与均温板12之间、均温板12与导热膏(或导热片)t2之间以及导热膏(或导热片)t2与金属机壳14之间，均会由于两者间的接触面不平整光滑，而产生相当大的接触热阻，导致电子装置1的整体热传性能变差，故电子装置1的功率晶体管元件10所产生的热量并无法有效地加以排除，其操作温度仍会偏高，因而使得电子装置1的可靠度及使用寿命大幅降低。

发明内容

因此，本发明提出一种均温板及其制造方法，以解决上述问题。

根据本发明的一具体实施例为一种均温板。于此实施例中，均温板应用于电子装置。电子装置包含金属机壳。均温板包含上盖板、工作流体、防水层及毛细结构层。上盖板设置于电子装置的金属机壳的内壁上，以定义容置空间。工作流体填充于容置空间内。防水层形成于容置空间的内壁上。毛细结构层形成于防水层上。

于实际应用中，工作流体为水；毛细结构层为粉末式多孔性毛细结构层；防水层及毛细结构层为与水不发生反应的材料。均温板还包含电绝缘导热陶瓷层。电绝缘导热陶瓷层形成于防水层与容置空间的内壁之间。电绝缘导热陶瓷层、防水层及毛细结构层经由熔射喷覆成型法依序形成于金属机壳的内壁上。

根据本发明的另一具体实施例为一种均温板制造方法。于上述制造方法中，首先，形成上盖板于电子装置的金属机壳的内壁上，以定义容置空间；然后，形成防水层于容置空间的内壁上；接着，形成毛细结构层于防水层上；之后，于容置空间内填充工作流体；最后，密封容置空间。

相较于先前技术，本发明所提出的均温板及其制造方法将均温板与电子装置的金属机壳整合为一体，并将电子装置的金属机壳当作均温板的底座，故可省去先前技术中均温板与金属机壳之间所采用的热传导系数甚低的热传界面材料，除了能够节省热传界面材料及均温板的底座的成本外，还可以达到降低热阻以提升整体热传性能的功效。

此外，本发明还可通过熔射喷覆技术在均温板的内壁依序形成电绝缘导热陶瓷层、防水层及粉末式多孔性毛细结构层，使得均温板能够采用于常温下具有较佳热传输能力的水作为其冷却用的工作流体，用以大幅提升均温板的散热效果，还可通过电绝缘导热陶瓷层的形成，避免均温板由于异质材料标准电位差所引起的电化学腐蚀的现象。

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。

附图说明

图1A及图1B分别所示为传统上将电子装置的功率晶体管元件通过均温板贴合于其金属机壳上的上视图及剖面视图。

图2所示为根据本发明的一具体实施例所提出的均温板的剖面视图。

图3A及图3B分别所示为图2中的均温板的上盖板及电子装置的金属机壳的剖面视图。

图4A所示为图2中的区域R1的放大视图。

图4B所示为图2中的区域R2的放大视图。

图5所示为根据本发明的另一具体实施例的均温板制造方法的流程图。

具体实施方式

根据本发明的一具体实施例为一种均温板。实际上，均温板应用于电子装置，并与电子装置的金属机壳进行整合。其中，电子装置可以是数码相机、手机、笔记本电脑或台式电脑，但并不以此为限。至于金属机壳的材料则可为铝镁合金、铝合金、镁合金、铝、钢或铁材料，但亦不以此为限。

请参照图2，图2所示为本实施例所提出的均温板的剖面视图。如图2所示，均温板2的上盖板22设置于电子装置的金属机壳20的内壁上，以定义容置空间。熔射喷覆层24则形成于容置空间的内壁上。更详细地说，熔射喷覆层24形成于金属机壳20上以及均温板2的上盖板22的内壁上，用以使得上述容置空间均被熔射喷覆层24所包覆，并且上述容置空间内填入水W作为均温板22内的工作流体。其中，上盖板的材料为金属材料，其可为铝镁合金、铝合金、镁合金、铝、钢或铁材料，且上盖板的材料可与金属机壳相同，亦可不同，并不以此为限。

此外，均温板2亦可进一步包含支撑板220，如图2所示的肋板，但不以此为限。支撑板220的表面亦形成有熔射喷覆层24，支撑板220抵持于上盖板22与金属机壳20之间，用以加强支撑整个均温板2的结构。至于支撑板220的数目及其设置于均温板2的位置端视实际需求而定，并无一定的限制。

接着，请参照图3A及图3B，图3A及图3B分别所示为图2中的均温板2的上盖板22及电子装置的金属机壳20的剖面视图。如图3A所示，熔射喷覆层24形成于上盖板22的内壁以及支撑板220的表面上，使得上盖板22的内壁以及支撑板220的表面上均被熔射喷覆层24所覆盖住。

如图3B所示，于电子装置的金属机壳20的内壁上亦形成有熔射喷覆层24，并且熔射喷覆层24形成于金属机壳20的内壁上的凹陷处，致使形成于金属机壳20上的熔射喷覆层24的表面能够与旁边的金属机壳20的内壁同高，但不以此为限。

接下来，请参照图4A，图4A所示为图2中的区域R1的放大视图。如图4A所示，于区域R1中，形成于金属机壳20的内壁上的熔射喷覆层24包含有毛细结构层241、防水层242及电绝缘导热陶瓷层243。其中，电绝缘导热陶瓷层243、防水层242与毛细结构层241依序以熔射喷覆成型法形成于金属机壳20的内壁上，也就是说，首先是电绝缘导热陶瓷层243形成于金属机壳20的内壁上；接着是防水层242形成于电绝缘导热陶瓷层243上；最后才是毛细结构层241形成于防水层242上。

于实际应用中，熔射喷覆成型法可以是电浆熔射喷覆、电弧熔射喷覆、火焰熔射喷覆或高速火焰熔射喷覆等不同形式的熔射喷覆成型法，并且可以在高温环境或低温环境下进行，而无一定的限制。

值得注意的是，熔射喷覆成型法所采用的喷覆材料选择与均温板2内的工作流体化学性质兼容且不发生反应的金属或陶瓷材料。于此实施例中，由于均温板2采用水作为工作流体，因此，熔射喷覆成型法即采用与水化学性质兼容且不发生反应的喷覆材料，例如铜、黄铜、镍或钛等材料作为形成熔射喷覆层24的喷覆材料，但不以此为限。

于金属机壳20的内壁上形成电绝缘导热陶瓷层243的目的是为了避免因为异质材料的标准电位差所引起的电化学腐蚀现象，亦即伽凡尼腐蚀(Galvanic corrosion)现象。于此实施例中，形成电绝缘导热陶瓷层243的喷覆材料先被熔融为液状后，再利用高压气体吹出成直径10至500纳米的陶瓷粉末颗粒2430并高速喷射堆叠于金属机壳20的内壁上，形成厚度约10至50微米的电绝缘导热陶瓷层243，但不以此为限。

实际上，电绝缘导热陶瓷层243的材料可为氮化铝、氧化铝、氮化硅或氮化硼材料或其它具有高导热系数且电绝缘的材料。此外，电绝缘导热陶瓷层243的孔隙率小于或等于10％，并且形成电绝缘导热陶瓷层243的陶瓷粉末颗粒2430的尺寸约为10至500纳米，但并不以此为限。

于此实施例中，形成防水层242的喷覆材料先被熔融为液状后，再利用高压气体吹出成直径5至200纳米的防水层粉末颗粒2420并高速喷射堆叠于电绝缘导热陶瓷层243上，形成厚度约10至50微米的防水层242。类似地，形成毛细结构层241的喷覆材料先被熔融为液状后，再利用高压气体吹出成直径35至250微米的毛细结构层粉末颗粒2410并高速喷射堆叠于防水层242的表面上，形成厚度约0.1至0.8毫米的粉末式多孔性毛细结构层241，但并不以此为限。

由图4A可知，形成于金属机壳20的内壁上的电绝缘导热陶瓷层243的厚度与形成于电绝缘导热陶瓷层243上的防水层242的厚度相当，均约为10至50微米的厚度，但并不以此为限。然而，形成电绝缘导热陶瓷层243的陶瓷粉末颗粒2430的尺寸则远小于形成防水层242的防水层粉末颗粒2420。至于防水层242的厚度则远小于形成于防水层242上的毛细结构层241的厚度，并且形成防水层242的防水层粉末颗粒2420的尺寸远小于形成毛细结构层241的毛细结构层粉末颗粒2410的尺寸。

此外，由于毛细结构层241的孔隙率约介于30％至70％之间，远大于防水层242小于或等于2％的孔隙率以及电绝缘导热陶瓷层243小于或等于10％的孔隙率，故相较于防水层242及电绝缘导热陶瓷层243而言，毛细结构层241有较高的孔隙率而具有多孔性，并且防水层242能够有效避免水与防水层242下方的电绝缘导热陶瓷层243及金属机壳20的内壁接触而产生反应。

于实际应用中，形成防水层242与毛细结构层241的喷覆材料可以是同一材料(例如均为铜)，抑或是不同材料(例如分别为镍及黄铜)，并无一定的限制，但以同一材料为较佳。至于电绝缘导热陶瓷层243的材料则以氮化铝为较佳，但并不以此为限。

请参照图4B，图4B所示为图2中的区域R2的放大视图。如图4B所示，于区域R2中，形成于均温板2的上盖板22内壁上的熔射喷覆层24包含有毛细结构层241、防水层242及电绝缘导热陶瓷层243。其中，电绝缘导热陶瓷层243、防水层242与毛细结构层241依序以熔射喷覆成型法形成于上盖板22的内壁上。至于熔射喷覆层24所包含的毛细结构层241、防水层242及电绝缘导热陶瓷层243的详细结构及其形成方式，则如同前述实施例的相关说明，于此不另行赘述。

根据本发明的另一具体实施例为一种均温板制造方法。于实际应用中，上述制造方法所制造的均温板应用于电子装置，并与电子装置的金属机壳进行整合。其中，电子装置可以是数码相机、手机、笔记本电脑或台式电脑，但并不以此为限。至于金属机壳的材料则可为铝镁合金、铝合金、镁合金、铝、钢或铁材料，但亦不以此为限。

请参照图5，图5所示为上述均温板制造方法的流程图。如图5所示，首先，执行步骤S10，以压铸成型法制作电子装置的金属机壳。接着，执行步骤S11，以压铸成型法制作上盖板。然后，执行步骤S 12，对与工作流体接触的金属机壳及上盖板的表面进行喷砂粗糙化及阳极处理。

实际上，上述与工作流体接触的表面包含上盖板及金属机壳的内壁，也就是说，步骤S12是针对上盖板及金属机壳的内壁进行喷砂粗糙化及阳极处理等程序。

接下来，依序执行步骤S13至步骤S15，以熔射喷覆成型法依序于上述这些表面上形成电绝缘导热陶瓷层、防水层及铜质多孔毛细结构层。其中，步骤S13形成电绝缘导热陶瓷层于上盖板及金属机壳的内壁上；步骤S14形成防水层于电绝缘导热陶瓷层上；步骤S15形成铜质多孔毛细结构层于防水层上。于实际应用中，熔射喷覆成型法可以是电浆熔射喷覆、电弧熔射喷覆、火焰熔射喷覆或高速火焰熔射喷覆等不同形式的熔射喷覆成型法，并且可以在高温环境或低温环境下进行，而无一定的限制。

值得注意的是，熔射喷覆成型法所采用的喷覆材料选择与均温板内的工作流体化学性质兼容且不发生反应的金属或陶瓷材料。于此实施例中，由于均温板系采用水作为工作流体，因此，熔射喷覆成型法即采用与水化学性质兼容且不发生反应的喷覆材料，例如铜、黄铜、镍或钛等材料作为形成电绝缘导热陶瓷层、防水层及铜质多孔毛细结构层的喷覆材料，但不以此为限。

于步骤S13中，形成电绝缘导热陶瓷层的喷覆材料先被熔融为液状后，再利用高压气体吹出成直径10至500纳米的粉末颗粒并高速喷射堆叠于上盖板及金属机壳的内壁上，以形成厚度约10至50微米的电绝缘导热陶瓷层，但不以此为限。

实际上，电绝缘导热陶瓷层的材料可以选择自由氮化铝、氧化铝、氮化硅及氮化硼材料所组成的群组或其它具有高导热系数且电绝缘的材料。此外，电绝缘导热陶瓷层的孔隙率小于或等于10％，并且形成电绝缘导热陶瓷层的陶瓷粉末颗粒的尺寸约为10至500纳米，但并不以此为限。

于步骤S14中，形成防水层的喷覆材料先被熔融为液状后，再利用高压气体吹出成直径5至200纳米的粉末颗粒并高速喷射堆叠于电绝缘导热陶瓷层上，以形成厚度约10至50微米的防水层。类似地，于步骤S15中，形成毛细结构层的喷覆材料先被熔融为液状后，再利用高压气体吹出成直径35至250微米的粉末颗粒并高速喷射堆叠于防水层的表面上，以形成厚度约0.1至0.8毫米的粉末式多孔性毛细结构层，但并不以此为限。

于此实施例中，电绝缘导热陶瓷层的厚度与形成于电绝缘导热陶瓷层上的防水层的厚度相当，均约为10至50微米的厚度，但并不以此为限。然而，形成电绝缘导热陶瓷层的陶瓷粉末颗粒的尺寸则远小于形成防水层的粉末颗粒。至于防水层的厚度则远小于形成于防水层上的毛细结构层的厚度，并且形成防水层的粉末颗粒的尺寸远小于形成毛细结构层的粉末颗粒的尺寸。

此外，由于毛细结构层的孔隙率约介于30％至70％之间，远大于防水层小于或等于2％的孔隙率及电绝缘导热陶瓷层小于或等于10％的孔隙率，故相较于防水层及电绝缘导热陶瓷层而言，毛细结构层有较高的孔隙率而具有多孔性，并且防水层能够有效避免水与防水层下方的电绝缘导热陶瓷层以及金属机壳的内壁接触而产生反应。

于实际应用中，形成防水层与毛细结构层的喷覆材料可以是同一材料(例如均为铜)，抑或是不同材料(例如分别为镍及黄铜)，并无一定的限制，但以同一材料为较佳。至于电绝缘导热陶瓷层的材料则以氮化铝为较佳，但并不以此为限。

之后，执行步骤S16，将上盖板设置于金属机壳的内壁上，以定义容置空间。接着，执行步骤S17，激光焊接密封上盖板与金属机壳。然后，执行步骤S 18，充填工作流体至容置空间内。最后，执行步骤S19及步骤S20，抽真空除气密封均温板，并对均温板进行性能测试及尺寸检验。

综上所述，相较于先前技术，根据本发明的均温板及其制造方法将均温板与电子装置的金属机壳整合为一体，并将电子装置的金属机壳当作均温板的底座，故可省去先前技术中均温板与金属机壳之间所采用的热传导系数甚低的热传界面材料，除了能够节省热传界面材料及均温板的底座的成本外，还可以达到降低热阻以提升整体热传性能的功效。

此外，本发明还可通过熔射喷覆技术在均温板的内壁依序形成电绝缘导热陶瓷层、防水层及粉末式多孔性毛细结构层，使得均温板能够采用于常温下具有较佳热传输能力的水作为其冷却用的工作流体，用以大幅提升整合均温板的金属机壳的散热效果，还可利用电绝缘导热陶瓷层避免因异质材料标准电位差引起电化学腐蚀的现象。

利用以上较佳具体实施例的详述，希望能更清楚描述本发明的特征与精神，并非以上述所揭露的较佳具体实施例对本发明的保护范围加以限制。相反，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附权利要求书所限定的范围内。

Claims (27)

1.一种均温板，应用于电子装置，上述电子装置包含金属机壳，其特征是，上述均温板包含：

上盖板，设置于上述电子装置的上述金属机壳的内壁上，该上盖板与该金属机壳定义容置空间；

工作流体，填充于上述容置空间内；

防水层，形成于上述容置空间的内壁上；以及

毛细结构层，形成于上述防水层上。

2.根据权利要求1所述的均温板，其特征是，上述均温板还包含：

电绝缘导热陶瓷层，形成于上述防水层与上述容置空间的内壁之间。

3.根据权利要求2所述的均温板，其特征是，上述电绝缘导热陶瓷层、上述防水层及上述毛细结构层经由熔射喷覆成型法依序形成于上述金属机壳的内壁上。

4.根据权利要求2所述的均温板，其特征是，上述电绝缘导热陶瓷层的材料为氮化铝、氧化铝、氮化硅或氮化硼材料。

5.根据权利要求2所述的均温板，其特征是，上述电绝缘导热陶瓷层的孔隙率小于或等于10%。

6.根据权利要求1所述的均温板，其特征是，上述金属机壳的材料为铝镁合金、铝合金、镁合金、铝、钢或铁材料。

7.根据权利要求1所述的均温板，其特征是，上述上盖板的材料为金属材料，上述金属材料为铝镁合金、铝合金、镁合金、铝、钢或铁材料。

8.根据权利要求1所述的均温板，其特征是，上述工作流体为水。

9.根据权利要求8所述的均温板，其特征是，上述防水层及上述毛细结构层为与水不发生反应的材料，其材料为铜、黄铜、镍或钛材料。

10.根据权利要求1所述的均温板，其特征是，上述毛细结构层为粉末式多孔性毛细结构层。

11.根据权利要求1所述的均温板，其特征是，上述毛细结构层的厚度大于上述防水层的厚度。

12.根据权利要求1所述的均温板，其特征是，上述防水层的孔隙率小于或等于2%。

13.根据权利要求1所述的均温板，其特征是，上述毛细结构层的孔隙率介于30%至70%之间。

14.一种均温板制造方法，其特征是，包含下列步骤：

于电子装置的金属机壳的内壁上形成上盖板，该上盖板与该金属机壳定义容置空间；

于上述容置空间的内壁上形成防水层；

于上述防水层上形成毛细结构层；

于上述容置空间内填充工作流体；以及

密封上述容置空间。

15.根据权利要求14所述的均温板制造方法，其特征是，上述均温板制造方法还包含下列步骤：

于上述防水层与上述容置空间的内壁之间形成电绝缘导热陶瓷层。

16.根据权利要求15所述的均温板制造方法，其特征是，上述的于上述防水层与上述容置空间的内壁之间形成上述电绝缘导热陶瓷层的步骤经由熔射喷覆成型法来完成。

17.根据权利要求15所述的均温板制造方法，其特征是，上述电绝缘导热陶瓷层的材料为氮化铝、氧化铝、氮化硅或氮化硼材料。

18.根据权利要求15所述的均温板制造方法，其特征是，上述电绝缘导热陶瓷层的孔隙率小于或等于10%。

19.根据权利要求14所述的均温板制造方法，其特征是，上述的于上述容置空间的内壁上形成上述防水层与上述的于上述防水层上形成上述毛细结构层的步骤均经由熔射喷覆成型法来完成。

20.根据权利要求14所述的均温板制造方法，其特征是，上述金属机壳的材料为铝镁合金、铝合金、镁合金、铝、钢或铁材料。

21.根据权利要求14所述的均温板制造方法，其特征是，上述上盖板的材料为金属材料，上述金属材料为铝镁合金、铝合金、镁合金、铝、钢或铁材料。

22.根据权利要求14所述的均温板制造方法，其特征是，上述工作流体为水。

23.根据权利要求22所述的均温板制造方法，其特征是，上述防水层及上述毛细结构层为与水不发生反应的材料，其材料为铜、黄铜、镍或钛材料。

24.根据权利要求14所述的均温板制造方法，其特征是，上述毛细结构层为粉末式多孔性毛细结构层。

25.根据权利要求14所述的均温板制造方法，其特征是，上述毛细结构层的厚度大于上述防水层的厚度。

26.根据权利要求14所述的均温板制造方法，其特征是，上述防水层的孔隙率小于或等于2%。

27.根据权利要求14所述的均温板制造方法，其特征是，上述毛细结构层的孔隙率介于30%至70%之间。

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