CN103137846A - 均热结构与其制法及具有该均热结构的散热模块 - Google Patents

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杨恺祥
简国祥
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Abstract

一种均热结构及其制法以及具有该均热结构的散热模块，该均热结构包括具有第一凹槽的第一盖体、具有第二凹槽的第二盖体及夹置于两者之间的支撑体，其中，第一凹槽及第二凹槽的底面具有多个微结构，而支撑体内具有多个透孔。第一盖体及第二盖体以第一凹槽与第二凹槽面对支撑体的方式将支撑体夹置于第一盖体与第二盖体之间，使第一盖体、支撑体及第二盖体之间形成有腔室。腔室内容置有工作流体，其可借由第一凹槽及第二凹槽的多个微结构及支撑体内的多个透孔所提供的毛细作用而在腔室中流动，以将均热结构所承受的热能均匀分散。

Description

均热结构与其制法及具有该均热结构的散热模块
技术领域
本发明涉及一种均热结构及其制法以及具有该均热结构的散热模块，尤涉及一种可用于提高均热效果的均热结构及其制法以及具有该均热结构的散热模块。
背景技术
一般的发光二极管组件具有耗电量低、反应速度快、体积小等优点，近年来逐渐取代传统的白炽灯或荧光灯而成为照明主流。然而，发光二极管于发光过程中约有将近一半的输入功率会转变成热能，虽然只有数瓦等级，但因为体积小，其发热密度相当高，导致在芯片粘接处存在温度极高的热点(Hot spot)，此会造成发光二极管的效能降低或使用寿命缩短。
为了避免发光二极管芯片过热，现有技术通过将发光二极管芯片设置于散热基板上，例如铜箔印刷电路板、金属基印刷电路板或陶瓷基板。然而，铜箔印刷电路板的热传系数约为0.36W/mk，其热传性能不佳而易导致发光二极管芯片温度过高。金属基印刷电路板的使用示意可参阅图1，于散热模块1中，发光二极管芯片11以粘着剂12固定在基板13，并将基板13设置在具有介电层14和金属层15的散热基板上，再利用热接口材料(thermal interface material，TIM)16将该散热基板与散热结构17予以黏接。
于图1中，发光二极管芯片11的热能(如箭头所示)需依序经基板13、介电层14和金属层15才传播至散热结构17，期间需通过至少三层的扩散热阻(spreading resistance)。此外，介电层14难以将发光二极管芯片11的粘接处所产生的点状热源均匀分布至金属层15的水平面。此外，介电层通常是由导热性不佳的环氧树脂所制成，故介电层往往成为散热模块的散热瓶颈，使得整体的热传系数约只有1～12W/mk。另外，也有相关技术使用陶瓷基板作为散热基板，虽具有较佳的介电性质及较低的热膨胀系数，也有不错的热传导性能(热传导系数约为170W/mk)，但陶瓷基板仍无法解决目前高功率发光二极管所面临的热点问题。或者，即便是采用例如石墨类钻碳膜(Diamond like carbon)等高导热材料，虽然其在水平方向的热传导率可高达200～600W/mK之间，但在垂直方向热传率则低于10W/mK，也不足以解决目前高功率芯片所面临的热点(Hot spot)问题。
其次，美国第US6274924、US6943433、US7361940及US7208772号专利案以及第US2006/0086945及US2005/0269587号专利申请案，主要技术大多为在封装结构中含散热块的设计，但其热传性能均受限于散热块的金属材料本身的热传导性能。此外，美国第US6717246、6789610号专利案及第US2006/0243425号专利申请案使用平板式热管，其可利用热管内部工作流体的相变化传热，借由工作流体的两相变化及流动传热，其热扩散能力也较相同尺寸的金属板好，温度分布也较为均匀。然而，目前平板型热管所使用的材料通常为铜，与芯片工艺的整合有其困难度。
发明内容
鉴于上述现有技术的种种缺失，本发明提供一种均热结构及其制法及具有该均热结构的散热模块，可达到其良好的均热效果，使设置于散热模块中的芯片能增加其使用效能。
本发明的均热结构包含第一盖体及第二盖体，该第一盖体具有第一凹槽及该第二盖体具有第二凹槽，且该第一凹槽及该第二凹槽的底面分别形成有多个微结构；支撑体，其具有多个透孔，以由该第一盖体及该第二盖体夹置其中，其中，该第一凹槽与该第二凹槽面对该支撑体，以于在该第一盖体、该支撑体及该第二盖体之间形成腔室；以及工作流体，其容置于该腔室内，以借由该多个微结构及该多个透孔而在该腔室中自如流动。
于上述的腔室中，该第一凹槽的侧壁、该第二凹槽的侧壁、或该第一凹槽及该第二凹槽的侧壁也可形成有多个微结构。
于一实施例中，第一盖体及第二盖体的材料可为硅。支撑体的材料可为玻璃。工作流体可为水。
本发明的均热结构可以热接口材料结合于散热结构上，成为一种用于芯片散热的散热模块。该散热模块包括：散热结构；热接口材料，涂布于该散热结构上；本发明所述的均热结构，间隔着该热接口材料而设置于该散热结构上，其中，该均热结构的远离该热接口材料的表面具有绝缘层；金属层，其形成于该均热结构的绝缘层上；以及芯片，其设置于该金属层上。
本发明的均热结构的制法，包含下列步骤：1)于一第一盖体的第一凹槽及一第二盖体的第二凹槽的底面分别形成多个微结构，并在该第一盖体或该第二盖体上开设导引孔，且在该支撑体中形成多个透孔；2)令该第一盖体及该第二盖体以该第一凹槽及该第二凹槽面对该支撑体的方式将该支撑体夹置于该第一盖体与该第二盖体之间，使该第一盖体、支撑体及第二盖体之间形成腔室；以及3)通过该导引孔导入工作流体于该腔室内，再封闭该导引孔，使该工作流体借由该多个微结构及该多个透孔在该腔室中流动。
相较于现有技术，本发明的均热结构及其制法通过工作流体于多个微结构和透孔产生的毛细现象，因而在均热结构的腔室内流动的工作流体可将热能均匀分散，如此解决热点问题。此外，采用本发明的具有均热结构的散热模块能避免传统散热模块的多重热阻，提高散热模块的散热效率，进而稳定发光二极管芯片的效能。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为传统散热模块的示意图；
图2为本发明的均热结构的示意图；
图3为本发明的均热结构的制法的流程图；
图4为本发明的应用均热结构的散热模块的示意图；以及
图5A及图5B分别为传统散热模块及本发明的散热模块的温度测试结果。
其中，附图标记
1、3      散热模块
11        发光二极管芯片
12        粘着剂
13        基板
14        介电层
15        金属层
16        热接口材料
17        散热结构
20        均热结构
21        第一盖体
210       第一凹槽
211、231  底面
211a、212、231a、232    微结构
22        支撑体
220       透孔
23        第二盖体
230       第二凹槽
24        腔室
241       侧壁
25        工作流体
30        均热结构
300       腔室
301       侧壁
301a      微结构
302       一面
31        芯片
32        金属层
33        绝缘层
34        热接口材料
35        散热结构
S31～S33  步骤
具体实施方式
以下借由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效，也可借由其它不同的具体实施例加以施行或应用。
须知，本说明书所附的附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员的了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如「上」、「下」、「第一」及「第二」等用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，也当视为本发明可实施的范畴。
以下即配合所附的附图详细说明本发明所揭露的均热结构及其制法以及具有均热结构的散热模块。
请参阅图2，其为本发明的均热结构的剖视图。均热结构20包含第一盖体21、支撑体22、第二盖体23及工作流体25。
第一盖体21具有第一凹槽210，其中，于第一凹槽210的底面211上形成有多个微结构211a。第二盖体23具有第二凹槽230，其中，于第二凹槽230的底面231上形成有多个微结构231a。微结构211a和231a可利用例如蚀刻或其它技术而分别形成在第一凹槽210的底面211和第二凹槽230的底面231上。如图2所示，微结构211a和231a可为凸出于底面211和231的凸部。需说明者，第一盖体21和第二盖体23原则上为相同的构件，且多个微结构211a、231a的延伸方向大体上彼此平行，然而，不限制需对齐同一条法线。此外，第一盖体21和第二盖体23的材料为硅，使用微影工艺硅材料制成。
支撑体22具有多个透孔220，而透孔220可例如使用激光或其它技术形成支撑体22中，其中，多个透孔220的延伸方向大体上彼此平行。支撑体22夹置于第一盖体21及第二盖体23之间，且第一盖体21的第一凹槽210及第二盖体23的第二凹槽230隔着支撑体22而相互面对，其中，可使用高温高压阳极工艺将第一盖体21、第二盖体23和支撑体22结合成一体。此外，如图2所示，第一盖体21及第二盖体23将支撑体22夹置于第一盖体21与第二盖体23之间，且于第一盖体21、支撑体22及第二盖体23之间形成有腔室24，而腔室24内为近似真空状态，约10-3Torr。另外，支撑体22的材料为玻璃或含4％的Na2O的玻璃。
工作流体25容置于腔室24内，工作流体25可借由多个微结构211a和231a及多个透孔220而在腔室24中流动。工作流体25可例如为水。详言之，可于第一盖体21或第二盖体23上开设一导入孔(未图式)，以将工作流体25导入腔室24内，并于导入工作流体25于腔室24内之后，再封闭该导入孔。
需说明者，腔室24中的多个微结构211a和231a、透孔220的延伸方向大体上平行，微结构211a和231a、透孔220用以让工作流体于腔室24内产生毛细现象，使得工作流体25得以借由微结构211a和231a、透孔220的毛细作用在腔室24中流动，应注意本发明并未限制微结构211a和231a、透孔220的尺寸或导入腔室24的工作流体25的流体量。如图2所示，工作流体25的流体量并没有完全覆盖住多个微结构231a。另外，工作流体25可在腔室24中流动，故，当翻转均热结构20时，因重力关系工作流体25便呈覆盖住多个微结构211a的状态。
于一具体实施例中，若芯片所产生的点状热源在图2的第二盖体23下方，则热源可通过以下过程而均匀化分散：工作流体25在多个微结构231a处产生毛细作用而将点状热源分散呈平面式，接着多个透孔220将工作流体25因毛细作用而吸至多个微结构211a之处，再经多个微结构211a而分散于第一凹槽210中，最后工作流体25再下降至第二凹槽230，如此完成循环。于工作流体25在腔室24内循环期间，工作流体25受热可从液态相变化为气态，待流至未受热的一方则再从气态相变化为液态，借此达到散热效果。
其次，于腔室24的侧壁241(包括第一凹槽210的侧壁、第二凹槽230的侧壁、或第一凹槽210及第二凹槽230的侧壁)也可形成多个微结构212、232，借此增加腔室24内的毛细作用，增进工作流体25在腔室24中的流动能力。
由图2可知，本发明的均热结构通过腔室内的微结构和透孔，使得腔室内的工作流体通过该些微结构和透孔产生毛细现象，以将均热结构上的热能均匀分散，借此避免设置芯片时所产生的热点问题，增强芯片效能。另外，由硅和玻璃所工艺的均热结构也便于芯片的设置。
请参阅图3，其为本发明均热结构的制法的流程图。首先提供支撑体、第一盖体及第二盖体。该第一盖体或该第二盖体的材料可例如硅，该支撑体的材料可为玻璃或含4％的Na2O的玻璃。
于步骤S31中，分别在该第一盖体形成第一凹槽及在该第二盖体形成第二凹槽，以在该第一凹槽及第二凹槽的底面上分别形成多个微结构，并在该第一盖体或该第二盖体上开设导引孔；以及在支撑体内形成多个透孔。接着进至步骤S32。
详言之，可利用蚀刻技术在该第一盖体及第二盖体分别形成该第一凹槽及该第二凹槽，并分别在该第一凹槽及该第二凹槽的底面形成多个微结构。此外，可在该第一盖体或该第二盖体的任意处开设一导引孔，以供导入工作流体。此外，可利用激光技术在该支撑体内形成多个透孔。需说明者，本发明的形成第一凹槽底面的多个微结构、形成第二凹槽底面的多个微结构、及形成支撑体内的多个透孔的步骤并无先后或顺序的限制。
于步骤S32中，令该第一盖体、该支撑体及该第二盖体，以该第一凹槽及该第二凹槽面对该支撑体的方式将该支撑体夹置于该第一盖体及该第二盖体之间，使该第一盖体、该支撑体及该第二盖体之间形成腔室。接着进至步骤S33。
详言之，该第一、第二盖体的材料通常为硅，该支撑体的材料通常为玻璃或含4％Na2O的玻璃，而玻璃和硅的结合可利用高温(如：约300～500℃)高压(如：约500～1000V)的方式予以结合，使玻璃中的O2-与硅中的Si4+生成SiO2而共价在一起，结合后的硅和玻璃其强度可达20～50Mpa。该第一盖体和该支撑体以及该第二盖体和该支撑体可根据此方法来结合。另外，以硅为主要材料的第一盖体和第二盖体可方便与芯片的工艺结合。此外，于该第一盖体、该支撑体及该第二盖体结合后所形成的腔室中，该第一凹槽底面的多个微结构、该第二凹槽底面的多个微结构、以及该支撑体的多个透孔的延伸方向为大体上平行。
于步骤S33中，通过该导引孔导入流体(例如：水)于该腔室内，再封闭该导引孔。如此可使该流体借由该多个微结构及透孔在该腔室中流动。而在封闭该导引孔之前，使该腔室呈真空状态，约10-3Torr。
由图3可知，通过本发明均热结构的制法，可于均热结构中形成封闭的腔室，而组成该腔室的第一凹槽及第二凹槽的底面具有多个微结构，腔室内介于该第一凹槽及该第二凹槽之间的支撑体内具有多个透孔，使腔室内的工作流体可在该第一凹槽、该第二凹槽及该透孔中流动，达到均热效果。
请参阅图4，其为应用本发明的均热结构的散热模块的剖视图。图4为将图2所示的均热结构20或根据图3所示的步骤所制作的均热结构，应用在载有芯片的散热模块3中。
散热模块3包括芯片31、金属层32、绝缘层33、均热结构30、热接口材料34及散热结构35。
散热结构35可为散热鳍片(heat sink)，热接口材料(thermal interfacematerial，TIM)34涂布于散热结构35上，而均热结构30间隔着热接口材料34而设置于散热结构35上。热接口材料34可填补均热结构30和散热结构35之间的接合间隙，以扩大均热结构30和散热结构35之间的散热面积。
均热结构30具有图2所示的均热结构20的所有特征，均热结构30的腔室300的侧壁301也具有多个微结构301a。此外，均热结构30的远离热接口材料34的一面302上可具有绝缘层33，为一层二氧化硅层。
金属层32形成于均热结构30的绝缘层33上，可利用溅镀或电镀等技术将金属(如：铜)形成于均热结构30的绝缘层33上，以作为线路层。芯片31设置于金属层32上，以发光二极管芯片为例，可通过共晶合金(eutectic alloys)而粘着于金属层32上。
因此，于图4中，均热结构30可将芯片31所产生的点状热源平均分散成平面式热源，再通过热接口材料34与散热结构35的结合，如此大面积地接触可协助热的传导，最后热能则借由散热结构35而消散。
接着，如图5A及图5B所示，其分别为显示传统散热模块及本发明的散热模块的温度测试结果。主要是将载有发光二极管芯片的散热模块与现有技术中图1所示的现有载有发光二极管芯片的散热模块进行比较。
请参阅图5A及图5B，现有技术自芯片至散热结构需至少经过基板、介电层及金属层三个扩散热阻，反观本发明的散热模块仅需经过绝缘层及散热结构，大幅减少扩散热阻，可增加热传导效率。其次，现有技术通常使用环氧树脂作为介电层，其传热性能不佳以至于无法将芯片所产生的热点热能均匀化，导致图5A的散热结构至芯片的温差较图5B的散热结构至芯片的温差大相当多，表示现有技术的热能仍集中在芯片本身和粘晶处，其会产生热点，造成发光二极管的使用期限缩减及其效率下降。此外，现有技术仅依靠金属本身的热传性能来导热，如图5A所示，金属层和散热结构的温差也很大，也就是无法将热能传至散热结构上；反观本发明通过均热结构，由于均热结构中有工作流体的相变化及对流，可将芯片所产生的点状热源均匀分散，因而得以将热良好地传导至散热结构。
综上所述，本发明的均热结构或通过本发明的均热结构制法所制成的均热结构具有良好的均热效果。采用本发明的均热结构的散热模块能降低热阻、避免热点问题以及方便结合芯片制成，除了可应用于发光二极管芯片以提升其效能之外，更可应用于其它点状热源，以提供较佳的热传性能。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (18)

1.一种均热结构，其特征在于，包括：
具有第一凹槽的第一盖体及具有第二凹槽的第二盖体，且该第一凹槽及该第二凹槽的底面分别形成有多个微结构；
支撑体，其具有多个透孔，以由该第一盖体及该第二盖体夹置其中，其中，该第一凹槽与该第二凹槽面对该支撑体，以于该第一盖体、该支撑体及该第二盖体之间形成腔室；以及
工作流体，其容置于该腔室内，以借由该多个微结构及该多个透孔而在该腔室中自如流动。
2.根据权利要求1所述的均热结构，其特征在于，该第一凹槽的侧壁、该第二凹槽的侧壁、或该第一凹槽及该第二凹槽的侧壁形成有多个微结构。
3.根据权利要求1所述的均热结构，其特征在于，该腔室内为真空状态。
4.根据权利要求1所述的均热结构，其特征在于，形成该第一盖体及该第二盖体的材料为硅。
5.根据权利要求1所述的均热结构，其特征在于，形成该支撑体的材料为玻璃。
6.根据权利要求1所述的均热结构，其特征在于，该工作流体为水。
7.根据权利要求1所述的均热结构，其特征在于，该第一凹槽及该第二凹槽的多个微结构为凸部。
8.根据权利要求1所述的均热结构，其特征在于，该第一盖体、第二盖体和支撑体使用高温高压阳极工艺而结合成一体。
9.一种均热结构的制法，其特征在于，包含下列步骤：
1)于一第一盖体的第一凹槽及一第二盖体的第二凹槽的底面分别形成多个微结构，并在该第一盖体或该第二盖体上开设导引孔，且在一支撑体中形成多个透孔；
2)令该第一盖体及该第二盖体以该第一凹槽及该第二凹槽面对该支撑体的方式将该支撑体夹置于该第一盖体与该第二盖体之间，使该第一盖体、支撑体及第二盖体之间形成腔室；以及
3)通过该导引孔导入工作流体于该腔室内，再封闭该导引孔，使该工作流体借由该多个微结构及该多个透孔在该腔室中流动。
10.根据权利要求9所述的均热结构的制法，其特征在于，步骤1)还包括在该第一凹槽的侧壁、该第二凹槽的侧壁、或该第一凹槽及该第二凹槽的侧壁形成多个微结构。
11.根据权利要求9所述的均热结构的制法，其特征在于，在该第一凹槽及该第二凹槽的底面上形成该多个微结构是以蚀刻技术为之。
12.根据权利要求9所述的均热结构的制法，其特征在于，在该支撑体中形成该多个透孔是以激光技术为之。
13.根据权利要求9所述的均热结构的制法，其特征在于，步骤2)还包括以高温高压使该第一盖体及该第二盖体夹置该支撑体并予以结合。
14.根据权利要求9所述的均热结构的制法，其特征在于，于执行步骤3)封闭该导引孔之前，还包括使该腔室呈真空状态的步骤。
15.根据权利要求9所述的均热结构的制法，其特征在于，该第一盖体和该第二盖体是使用微影工艺硅材料制成。
16.一种散热模块，其应用于芯片的散热，其特征在于，该散热模块包括：
散热结构；
热接口材料，其涂布于该散热结构上；
均热结构，其间隔着该热接口材料而设置于该散热结构上，且该均热结构远离该热接口材料的表面具有绝缘层，其中，该均热结构包括：
具有第一凹槽的第一盖体及具有第二凹槽的第二盖体，且该第一凹槽及该第二凹槽的底面分别形成有多个微结构；
支撑体，其具有多个透孔，以由该第一盖体及该第二盖体夹置其中，其中，该第一凹槽与该第二凹槽面对该支撑体，且该第一盖体、支撑体及第二盖体之间形成有腔室；及
工作流体，其容置于该腔室内，以借由该多个微结构及该多个透孔而在该腔室中自如流动；
金属层，其形成于该均热结构的绝缘层上；以及
芯片，其设置于该金属层上。
17.根据权利要求16所述的散热模块，其特征在于，该芯片为发光二极管芯片。
18.根据权利要求16所述的散热模块，其特征在于，该绝缘层为二氧化硅层。
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