CN106032580B - 提供方向性热传的枝晶构造成长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提供方向性热传的枝晶构造成长方法，包含下列步骤：A.提供一基材，该基材上设有复数晶体成核点；B.将该基材利用沈积法将复数金属离子沈积在该基材上，使前述金属离子在前述晶体成核点上成长一枝晶，而前述枝晶彼此间具有一间距。进而，在使用时，将前述基材接触一热源，使热量由该基材往前述枝晶产生方向性热传，或是将前述枝晶设置在热源处，以将该热源的热由该枝晶往该基材方向传递，以前述枝晶的碎形结构提供足够的散热面积及接触面积。
Description
技术领域
本发明有关于一种提供方向性热传的枝晶构造成长方法，尤指利用电流集中效应生长的提供方向性热传的枝晶，该枝晶与利用延性金属内应力挤出生成的须晶(whisker)并不相同。
背景技术
由于电子装置目前朝向轻量化、薄型化的趋势发展，因此如何让热传组件在体积更小的条件下，更为迅速、有效的冷却电子装置所产生的热，一直是相关业者有待克服的技术问题。
目前常见的热传组件，大多利用导热效果佳的铜金属或铝金属基板，并在该铜金属或铝金属基板设置有复数散热鳍片，由前述散热鳍片利用将冷却电子装置所产生的热往外传，不过利用散热鳍片及铜金属或铝金属基板本身所能提供的散热面积有限，难以进一步提升散热效率。
另有业者研发，利用原本被视为电镀过程中瑕疵的须晶构造作为热传组件，主要是运用于热管组件中，相关前案例如有欧洲专利编号EP0999590「Heat sink for electricand/or electronic devices」、美国专利编号US3842474「Heat transfer between solidsand fluids utilizing polycrystalline metal whiskers」及中国台湾专利编号201326718「散热装置之散热结构」等。
不过上述须晶是因为释放镀层残留的内应力而长出，此机制不仅成长速度相当慢，而需要较久的制备时间，再者，须晶大多呈杆状且径宽较细，且为单晶型态，无法提供更多晶界面积，因此能提供的散热面积同样有限，散热效果并不佳。
又目前电镀中常见的另一种瑕疵为枝晶体，产生原因是由于电镀过程中，金属离子因为电流集中突起处，此效应影响沈积集中在基材的突起处，长出类似树枝状的晶体，这种树枝状的晶体由于会严重影响镀件的光滑及美观，因此一直被视为需要防止的瑕疵。
例如蔡易达于2008年所著的国立中正大学硕士论文“错合剂于电镀锡-铋无铅焊料组成控制、黏着性与树枝状结构成长的效应”，摘要中便提及：「...过去的研究指出以电镀法所得的Sn-Bi镀层具有黏着性不佳及树枝状结构成长等问题存在。因此，为了有效抑制树枝状结构的发生，必须加入错合剂或加入界面活性剂予以抑制...」，是以，目前枝晶体在电镀领域中，仍一直被视为是瑕疵，并未有特殊功用。
发明内容
为改善现有散热组件散热面积有限的缺失，因此本发明人致力于研究，提出一种提供方向性热传的枝晶构造成长方法，包含下列步骤：
A.提供一基材，该基材上间隔设有复数晶体成核点；
B.将该基材利用沈积法将复数金属离子沈积在该基材上，前述金属离子在前述晶体成核点上成长一枝晶，而前述枝晶彼此间具有一间距。
进一步，在该步骤A中，在该基材上镀有一被覆须晶层，该被覆须晶层的材质为锡、镉、锌、锑、铟中任一或组合，以在该基材上形成复数须晶作为前述晶体成核点。
进一步，在该步骤A中，对该基材施予一加工处理，以在该基材上形成有前述晶体成核点。
进一步，该加工处理为一切削处理。
进一步，在该步骤B中，将该基材作为电镀的电极，电镀的电流密度为1A/dm2～5A/dm2，而前述电镀的时间为60min～180min。
进一步，前述枝晶的长度尺寸为0.1mm～15mm。
进一步，前述枝晶的长度尺寸为1mm～5mm。
进一步，前述枝晶彼此间的该间距至少为0.1mm～0.5mm。
进一步，在步骤A中，该基材上的一预定位置设置导电性较差的一遮件，使该预定位置不成长前述枝晶。
进一步，前述枝晶在该基材上的密度为3根/cm2～15根/cm2。
进一步，该基材为导电金属，在步骤B中，该基材先经一用于清洁之前处理，该前处理包含一用于去除油脂的脱脂程序及一敏化程序，该敏化程序将该基材浸泡于一酸性溶液中，以增进电镀时前述金属离子的附着效果。
更包括一步骤C，该基材及该枝晶并镀上一抗氧化层。
进一步，将该基材作为电镀的电极，在步骤B中沈积的温度条件为30℃～60℃，沈积时间为2小时，电流密度为28A/dm2～8A/dm2，而前述基材浸在一铜电镀液中，该铜电镀液的pH值为0～2.5。
进一步，在步骤B中将该基材作为电镀的电极，电镀的温度条件为30℃～60℃，电镀时间为2小时，电流密度为2.8A/dm2～8A/dm2，而前述基材浸在一铜电镀液中，该铜电镀液的pH值为1.45，比重为1.190。
本发明的功效在于：
1.传统电镀技术一直以来将枝晶视为缺陷，但本发明克服此技术偏见，利用该枝晶应用于热传组件，以提供方向性热传，并由具碎形结构的枝晶提供更多的散热面积，以进一步提升散热效率。
2.本发明利用须晶或加工处理提供枝晶生长所需的晶体成核点，使枝晶的生长效果更佳，并可控制基材上生长枝晶的位置，而具有更佳的实用价值。
3.本发明利用须晶作为晶体成核点，将使枝晶紧密、稳固地结合在基材上，以进一步增进枝晶的散热效率。
4.本发明的复数枝晶彼此间具有一间距，以作为热交换的空间，以避免产生热淤积现象，确保枝晶的散热效果。
5.本发明复数枝晶在长度尺寸为1mm～5mm、枝晶彼此间的间距至少为0.1mm～5mm时，散热效果为最佳。
附图说明
图1是本发明实施例的生成枝晶的步骤示意图；
图2是本发明实施例的生成枝晶的流程示意图；
图3A是本发明实施例利用扫瞄式电子显微镜于不同倍率观察枝晶的外观图；
图3B是本发明另一实施例利用光学显微镜于450倍率观察枝晶的显微外观图一；
图3C是本发明另一实施例利用光学显微镜于450倍率观察枝晶的显微外观图二；
图3D是本发明另一实施例利用光学显微镜于450倍率观察枝晶的显微外观图三；
图4A是本发明实施例须晶的计算机造影外观图一；
图4B是本发明实施例须晶的电子显微镜外观图二；
图4C是本发明实施例须晶的电子显微镜外观图三；
图4D是本发明实施例须晶的电子显微镜外观图四；
图5是本发明实施例利用钻孔产生毛边的平面示意图；
图6是本发明实施例利用基材边缘成长枝晶的平面示意图；
图7是本发明实施例实际样品的外观示意图；
图8是本发明实施例图7的像示意图；
图9是本发明实施例与各式试片，在接触同样热源(LED灯)下，并持续30分钟的比较图；
图10是本发明实施例枝晶表面热空气情形的热像示意图；
图11是本发明实施例枝晶表面的温度曲线示意图；
图12是本发明实施例3㎜单根枝晶热传情形的热像示意图；
图13是本发明实施例3㎜单根枝晶热传情形的温度曲线示意图；
图14是本发明实施例0.75㎜单根枝晶热传情形的热像示意图；
图15是本发明实施例0.75㎜单根枝晶热传情形的温度曲线示意图；
图16是本发明实施例两根枝晶之间热空气情形的热像示意图；
图17是本发明实施例两根枝晶之间热传情形的温度曲线示意图；
图18是本发明利用不同沈积参数成型的不同枝晶型态图一；
图19是本发明利用不同沈积参数成型的不同枝晶型态图二；
图20是本发明利用不同沈积参数成型的不同枝晶型态图三；
图21是本发明利用不同沈积参数成型的不同枝晶型态图四
上述说明书附图中标记说明如下：
1、1a、1b 基材
100 被覆须晶层
11、11a、11b 晶体成核点
12 金属层
13 枝晶
131 主枝
132 分枝
14 抗氧化层
A 热源
D 间距
具体实施方式
综合上述技术特征，本发明提供方向性热传的枝晶构造成长方法的主要功效将可于下述实施例清楚呈现。
先请参阅图1及图2，揭示本发明实施例提供方向性热传的枝晶构造成长方法的步骤流程图及制备流程图。
A.提供一基材1，该基材1上间隔设有复数晶体成核点11(crystal defect)。在此要先说明的是，晶体成核点11(crystal defect)的定义于本发明中不仅涵盖一般点缺陷、线缺陷等晶体结构规律性被破坏的型态，也涵盖须晶(whisker)型态。较佳的是，该基材1为导电性及导热性高的金属，例如铜或铝，并对该基材施予一前处理，该前处理包含一用于去除油脂的脱脂程序及一敏化程序，该敏化程序将该基材浸泡于一酸性溶液中，以增进电镀时前述金属离子的附着效果。
但要特别说明的是，该基材1并不限于导电材质，也可为塑料或陶瓷等不导电的材质，例如基材为塑料或陶瓷时，须先经过化学腐蚀、表面活性化等程序，惟此处为现有技术，因此并不予以赘述。
最好是，先在该基材上的一预定位置设置导电性较差的一遮件，使该预定位置不成长后述的枝晶13。例如说，在该基材1周围设置不锈钢片。
B.将该基材1利用沈积法将复数金属离子沈积在该基材1以形成一金属层12，前述金属离子将因为电流集中效应而在前述晶体成核点11上成长一枝晶13。但要特别说明的是，上述金属层12并非必须完整被覆在基材1上，可以利用电流集中效应原理而单独成长枝晶13即可。又该沈积法例如有电镀法、物理气相沈积(PVD)、化学气相沈积等(CVD)等皆为可行的手段，在本实施例中以基材1作为电镀的电极，并以电镀法作为例示。
并阅图3A，揭示利用扫瞄式电子显微镜(SEM)于不同倍率观察枝晶13的外观图，该枝晶13包含一主枝131及连接该主枝131的至少一分枝132。较佳的是，前述枝晶13的长度尺寸为0.1mm～15mm。最好是，前述枝晶13的长度尺寸为1mm～5mm，且前述枝晶13彼此间具有一间距D，该间距D最好至少为0.1mm～5mm，其中，枝晶的高度与断面对角线长度的比值大于2，以提供足够作为热交换的空间，以避免产生热淤积现象。较详细的说，该电镀的电流密度为1A/dm2～5A/dm2，而前述电镀的时间为60min～180min。
并阅图3B至图3D，揭示利用电子显微镜于450倍率下观察枝晶13A、13B、13C、13D的外观图，其电镀条件为：电镀温度条件：30℃～60℃、电镀时间：2小时、电流：2.8A/dm2～8A/dm2、电镀液为pH 0～2.5的含铜电镀液，其中含铜电镀液最佳为pH：1.45、比重：1.190，此形成强度更佳及散热效果更佳的铜材质枝晶13A、13B、13C、13D。又如图18至图21为利用不同参数成型的枝晶，整体型态例如有放射状(图18、图19)及柱状(图20、图21)，因此要特别说明的是，枝晶并不限于必须要有主枝及分枝的型态，仅为柱状枝晶也是可行的型态。
并阅图4A，较佳的是，在该步骤A中，该基材1上更镀有一被覆须晶层100，该被覆须晶层100的材质锡、镉、锌、锑、铟中任一或组合，该些金属材质为硬度较低且延展性佳，因此较容易在释放内应力时在该基材1上成长有用于作为前述晶体成核点11的一须晶，使该枝晶13有一定的结合强度。并阅图4B至图4D，为利用扫瞄式电子显微镜(SEM)于50倍率下观察不同型态的须晶，虽型态各有差异，但皆为利用延展性佳的金属释放内应力所生成。
但要注意的是，并不以此为限，并阅图5，也可对该基材1a施予一加工处理(如钻削、铣削、车削、锻孔、刨削等切削处理)，以在该基材1a上形成有作为晶体成核点11a的毛边。并阅图6，甚至于可以直接利用该基材1b上的一边缘作为晶体成核点11b，主要目的皆是在于利用晶体成核点11使电流在该处产生电流集中效应。
更包括一步骤C，该基材1及该枝晶13并镀上一抗氧化层15，以避免该基材1及该枝晶13氧化。
请参阅图8所示，本发明再提供一种提供方向性热传的枝晶构造的用途及其使用方法，包含下列步骤：
A.提供前述提供方向性热传的枝晶构造。
B.接着将前述提供方向性热传的枝晶构造的该基材1接触一热源A，以将该热源A的热由该基材1往前述枝晶13的主枝131及分枝132方向传递。以下将先配合实验说明本发明提供方向性热传的枝晶构造实际使用的情况。
并阅图7及图8，分别为实际样品的外观图以及该实际样品利用热像呈现枝晶13的热传效果。并在图7中取三个区域，分析温度变化，并阅表1，观察1号区域可知，枝晶在过于密集时，容易使温度累积，因此1号区域的枝晶末端处为47.08℃，温度相对高于其他树枝状结晶的末端温度；2号区域因为最靠近热源，因此热累积使得2号周围的温度偏高；3号区域为单一枝晶，观察到接近热源处的温度为47.39℃，而末端温度则降至32.01℃，可初步推断枝晶有助于散热。
表1微孔板成长枝晶热像区域温度比较表：
并阅图9揭示比较各式试片与本发明枝晶构造，在接触同样热源(LED灯)下，并持续30分钟的温度比较图，其中，试片包含纯铝板、微孔板、镀铜微孔板，而本发明枝晶构造则以一组在微孔板上成长高度尺寸3mm的树状枝晶及一种在微孔板上成长高度尺寸10mm的树状枝晶。
观察可知，在30分钟时，温度最低的3㎜枝晶(温度78.4℃)，温度次高的为10㎜枝晶(温度为79.6℃)；而微孔板镀铜及镀厚铜，散热效果较纯微孔板效果差，分别为85.7及83.9℃。
并阅表2，揭示计算各式试片及本发明枝晶构造的热阻值及热传系数，铝板与微孔板热阻值分别为12.35及12.10℃/W，微孔板镀枝晶分别为3㎜及10㎜热阻值为9.90及9.58℃/W，微孔板镀铜以30min与180min时间，热阻值为10.55及11.50℃/W。比较热阻值差异，可得知微孔板成长枝晶热阻值较低，其中以10mm为最佳。
表2各式试片及本发明枝晶构造的热阻值及热传系数：
以下，并由热像仪拍摄观察温度分布，进一步分析铜质枝晶散热情形及有效辐射区域。
先请参阅图10，观察可知枝晶表面与环境温度间具有温差，此温差以温度梯度的方式往外扩散，并阅图11，枝晶的温度为47.8℃，而枝晶表面温度为46.7℃，而温度渐渐往外扩散温度分别由45℃、39℃与37℃三个阶段，三个阶段的距离分别由0.38㎜、0.63㎜与1.25㎜，三阶段距离分别为0.25㎜及0.62㎜，所移除的热量比为1：1.9：1.17，图10中超过0.63mm后曲线渐趋平缓，又图10中热空气的热像并无空气流动造成的摇摆现象，验证实验在无风状态，也同时说明热量由枝晶表面由对流方式加热周遭空气，往外渐渐降温，达到散热效果，有高效的加热空气厚度为0.62mm。
续请参阅图12，为长度2.3㎜单根枝晶热传情形，并阅图13，可得知0.0㎜至0.5㎜为热源传导至枝晶，在0.5㎜至0.9㎜为枝晶将热散出，在1㎜至1.5㎜时，为枝晶最窄的地方，此区域因散热面积受局限，因此温度有所淤积，造成此区域温度无法散去，而到1.5㎜至2.5㎜，枝晶宽度较大使得淤积的温度可就此散去，整体枝晶温度由46.4℃降至37.0℃，相差9.4℃。
续请参阅图14，为长度0.75㎜单根枝晶热传情形，并阅图15，可得知枝晶的温度为38℃，枝晶热传在0.2㎜至0.3㎜间，因为宽度变小使得温度淤积在36℃，而0.3㎜以后至枝晶表面的温度为28.8℃，当中以0.3㎜至0.75㎜温度下降较快，由36℃降至28.8℃，而0.75㎜以后温度为持温。
续请参阅图16，揭示两根枝晶间热传情形，并阅图17温度在0.35㎜至0.5㎜为降温效果最佳区域，温度由51℃降至30℃，而0.5㎜至0.7㎜为持温，在0.75㎜的枝晶间，热辐射效果为0.2㎜，且无热淤积现象产生。由上述可推知，枝晶两侧应需有2.5㎜空间进行热传效果，如果间距太小会使得热传区域受影响，也无法将热源的热完全排出，会产生热淤积现象。而单根枝晶传热时，宽度需一致，宽度如果有所缩小时温度会热淤积在此区域，使得散热效果变差。
补充说明本发明实验仪器的红外线热像仪(Thermal Imager Camera)及扫瞄式电子显微镜(SEM)的规格，红外线热像仪(Thermal Imager Camera)为一利用红外探测器和光学成像物镜吸收被测物的红外线辐射能量分布，图形反应到红外探测器的光敏组件上，从中取得红外线热像图，此热像图与物体的热分布场相互对应。本发明的实验使用两台热像仪分析，分别分析巨观与微观，以了解热传导情形与对流现象。
表1为本发明实验热像分析仪器的规格：
表2为本发明扫瞄式电子显微镜的规格：
综合上述实施例的说明，当可充分了解本发明的操作、使用及本发明产生的功效，惟以上所述实施例仅系为本发明的较佳实施例，当不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及发明说明内容所作简单的等效变化与修饰，皆属本发明涵盖的范围内。
Claims (9)
1.一种提供方向性热传的枝晶构造成长方法，其特征在于：包含下列步骤：
A.提供一基材，该基材上有间隔设有复数晶体成核点；
B.将该基材利用沈积法将复数金属离子沈积在该基材上，前述金属离子在前述晶体成核点上成长一枝晶，而前述枝晶彼此间具有一间距，该枝晶包含一主枝及连接该主枝之至少一分枝，枝晶的高度与断面对角线长度的比值大于2，以提供足够作为热交换的空间，前述枝晶的长度尺寸为1mm～5mm，前述枝晶彼此间的该间距至少为0.1mm～0.5mm，前述枝晶在该基材上的密度为3根/cm2～15根/cm2；
C.该基材及该枝晶并镀上一抗氧化层。
2.根据权利要求1所述的提供方向性热传的枝晶构造成长方法，其特征在于：在该步骤A中，是对该基材施予一加工处理，以在该基材上形成有前述晶体成核点。
3.根据权利要求2所述的提供方向性热传的枝晶构造成长方法，其特征在于：该加工处理为一切削处理。
4.根据权利要求1所述的提供方向性热传的枝晶构造成长方法，其特征在于：在该步骤A中，在该基材上镀有一被覆须晶层，该被覆须晶层的材质为锡、镉、锌、锑、铟中任一或组合，以在该基材上形成复数须晶作为前述晶体成核点。
5.根据权利要求1所述的提供方向性热传的枝晶构造成长方法，其特征在于：在该步骤B中，将该基材作为电镀的电极，电镀的电流密度为1A/dm2～5A/dm2，而前述电镀的时间为60min～180min。
6.根据权利要求1所述的提供方向性热传的枝晶构造成长方法，其特征在于：在步骤A中，该基材上的一预定位置设置导电性较差的一遮件，使该预定位置不成长前述枝晶。
7.根据权利要求1所述的提供方向性热传的枝晶构造成长方法，其特征在于：该基材为导电金属，在步骤B中，该基材先经一用于清洁之前处理，该前处理包含一用于去除油脂之脱脂程序及一敏化程序，该敏化程序将该基材浸泡于一酸性溶液中，以增进电镀时前述金属离子的附着效果。
8.根据权利要求1所述的提供方向性热传的枝晶构造成长方法，其特征在于：在步骤B中将该基材作为电镀的电极，电镀的温度条件为30℃～60℃，电镀时间为2小时，电流密度为2.8A/dm2～8A/dm2，而前述基材浸在一铜电镀液中，该铜电镀液的pH值为0～2.5。
9.根据权利要求8所述的提供方向性热传的枝晶构造成长方法，其特征在于：在步骤B中将该基材作为电镀的电极，电镀的温度条件为30℃～60℃，电镀时间为2小时，电流密度为2.8A/dm2～8A/dm2，而前述基材浸在一铜电镀液中，该铜电镀液的pH值为1.45，比重为1.190。
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