CN111273750A

CN111273750A - 一种毛细结构元件

Info

Publication number: CN111273750A
Application number: CN201811469131.9A
Authority: CN
Inventors: 陈振贤
Original assignee: Guangzhou Lihe Thermal Management Technology Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Lihe Thermal Management Technology Co Ltd
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-06-12

Abstract

本发明提供一种毛细结构元件，其包含一元件、多个铜粉颗粒以及一焊锡材料。元件具有一元件可焊性表面；多个铜粉颗粒位于元件可焊性表面上，每一铜粉颗粒包含一内核以及一氧化物结构，氧化物结构包覆于内核之外，内核的材质系为铜，氧化物结构的材质系为氧化铜；焊锡材料接合于元件可焊性表面与内核之间，亦接合于该等内核之间，以固定铜粉颗粒于元件可焊性表面，藉以于元件上形成一多孔性的毛细结构。本发明藉由焊锡材料与铜粉颗粒的焊接形成毛细结构的孔隙率，并藉由包覆在铜粉颗粒的氧化物结构增强毛细结构的亲水性及毛细力。

Description

一种毛细结构元件

技术领域

本发明系关于一种毛细结构元件；并且特别地，关于一种平板式热导管内的毛细结构。

背景技术

电子及手持通讯装置产品的发展趋势不断地朝向薄型化与高功能化，人们对装置内微处理器(Microprocessor)运算速度及功能的要求也越来越高。微处理器是电子及通讯产品的核心元件，在高速运算下容易产生热而成为电子装置的主要发热元件，如果没能即时将热散去，将产生局部性的处理热点(Hot Spot)。倘若没有良好热管理方案及散热系统，往往造成微处理器过热而无法发挥出应有的功能，甚至影响到整个电子装置系统的寿命及可靠度。因此，电子产品需要优良的散热设计，尤其像智能手机(Smartphone)及平板电脑(Tablet PC)这种超薄的电子装置更需要有优良的散热能力。目前电子及通讯产品处理热点(Hot Spot)的解热及散热的有效方案是将石墨片(Graphitte sheet)或扁平微热导管(Flatten Micro Heat Pipe)或均温板(Vapor Chamber)的一面接触发热源而另一面接触该电子装置的机殻，希望能以较有效的方式将微处理器所产生的高密度热量快速传导并分布至机壳并藉此将热辐射至空气中。

习知微热导管及均温板的毛细结构有沟槽(Groove)、纤维(Fiber)、铜网(Mesh)以及烧结铜粉末(Sintered Powder)四种类型，其中以烧结铜粉末(Sintered Powder)毛细力最佳。在烧结铜粉末的微热导管(Micro Heat Pipe)毛细结构的制造方式中，将一中心棒置入一铜质管体中心后，于铜质管体内部倒入铜粉末后进行长时的高温烧结。烧结完成后予以冷却，再将中心棒从铜质管体中拔出，以形成铜质管体内部管壁上的多孔性毛细结构。而均温板(Vapor Chamber)毛细结构的制造方式是将铜质粉末铺设在一铜板上，通入氮气进行高温烧结处理，烧结完成后予以冷却，以形成铜板表面上的毛细结构。由于铜粉末粒径大小和分布会影响孔隙率，并且要让铜粉在部分熔解的状况下烧结于铜质管体，又要避免孔隙率过低和铜质管体变形，实务上烧结的时间与温度必须精准的控制。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种毛细结构元件，其能有效克服现有技术的缺陷，具亲水性及毛细力，其结构简单，制作方法更为便利，且有助于薄型热导管或均温板的量产效率。

为实现上述目的，本发明公开了一种毛细结构元件，其特征在于包含：

一元件，具有一元件可焊性表面；

多个铜粉颗粒，位于该元件可焊性表面上，每一铜粉颗粒包含一内核以及一氧化物结构，该氧化物结构包覆于该内核之外，该内核的材质为铜，该氧化物结构的材质包含有氧化铜；以及

一焊锡材料，该焊锡材料接合于该元件可焊性表面与该内核之间及接合于该等内核之间，以固定该等铜粉颗粒于该元件可焊性表面，藉以于该元件上形成多孔性的一毛细结构。

其中，该毛细结构由涂布一浆料于该可焊元件表面，再加热该浆料与该元件至一温度后形成，且该浆料包含有该焊锡材料、一铜粉末以及一助焊剂。

其中，形成毛细结构的该温度介于该焊锡材料的熔点以及该铜粉末的熔点之间。

其中，该浆料以钢版印刷、网版印刷或喷涂的方式涂布于该元件可焊性表面。

其中，该毛细结构由铺置一混合粉末于该元件可焊性表面，再加热该混合粉末与该元件后形成，且该混合粉末包含有该焊锡材料以及一铜粉末。

其中，该元件的材质系为铜，且该毛细结构的该等铜粉颗粒的形状为非正圆形。

其中，每一铜粉颗粒的该氧化物结构具有多个微小孔隙。

其中，该毛细结构为一微热导管元件的一内表面结构。

其中，该毛细结构为一均温板元件的一内表面结构。

其中，该焊锡材料的表面形成有一氧化物，该氧化物为二氧化锡。

通过上述内容，本发明藉由焊锡材料与铜粉颗粒的结合形成毛细结构的孔隙率，以及包覆在铜粉颗粒的氧化物结构增强毛细结构的亲水性及毛细力。

综上所述，本发明的一种毛细结构元件藉由焊锡材料结合铜粉颗粒所形成的多孔性的毛细结构以及包覆于铜粉颗粒的氧化物结构，以具亲水性及毛细力的毛细结构。

附图说明

图1：绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构元件的结构示意图。

图2a：绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构中铜粉颗粒的结构示意图。

图2b：绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构中铜粉颗粒的结构示意图。

图2c：绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构中铜粉颗粒的结构示意图。

图3a：绘示根据图2a的具体实施例的铜粉颗粒的焊接示意图。

图3b：绘示根据图2b的具体实施例的铜粉颗粒的焊接示意图。

图3c：绘示根据图2c的具体实施例的铜粉颗粒的焊接示意图。

图4a至4b：绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构元件的制程示意图。

图5a至5b：绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构元件的制程示意图。

图6：绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构元件的结构示意图。

具体实施方式

为了让本发明的优点，精神与特征可以更容易且明确地了解，后续将以具体实施例并参照所附图式进行详述与讨论。值得注意的是，这些具体实施例仅为本发明代表性的具体实施例，其中所举例的特定方法、装置、条件、材质等并非用以限定本发明或对应的具体实施例。又，图中各装置仅系用于表达其相对位置且未按其实际比例绘述，合先叙明。

请参考图1、图2a、图2b以及图2c。图1绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构元件1的结构示意图。图2a绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构中铜粉颗粒14的结构示意图。图2b绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构中铜粉颗粒14’的结构示意图。图2c绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构中铜粉颗粒14”的结构示意图。本具体实施例的一种毛细结构元件1，其包含有一元件12、多个铜粉颗粒14以及一焊锡材料16。元件12具有一元件可焊性表面121；多个铜粉颗粒14位于元件可焊性表面121上，每一铜粉颗粒14包含一内核141以及一氧化物结构142，氧化物结构142包覆于内核141之外，内核141的材质系为铜，氧化物结构142的材质包含有氧化铜(CuO)；焊锡材料16接合于元件可焊性表面121与内核141之间及接合于不同内核141之间，以固定铜粉颗粒14于元件可焊性表面121，藉以于元件12上形成多孔性的毛细结构。而焊锡材料被一氧化物所包覆，氧化物的材质包含有二氧化锡(SnO₂)。

在实际应用中，毛细结构是将多个铜粉颗粒14以及焊锡材料16置于元件12的可焊元件表面121上，并经过加热烘烤后焊锡材料熔融后进行焊接而形成。在加热的过程中，焊锡材料16会熔解并焊接两个或两个以上的铜粉颗粒14。更准确地说，熔解后的焊锡材料16焊接两个或两个以上的铜粉颗粒14的铜材质部分。相较于习知技术，在本发明形成毛细结构元件1的加热过程中不须通入氮气，仅需通入空气，也就是说，当含有铜粉颗粒14以及焊锡材料16的元件12加热时，空气中的氧气也会与铜粉颗粒14以及焊锡材料16加热进而产生化学反应。由于铜粉颗粒14经过加热后，在铜粉颗粒14的表面会氧化而形成氧化物结构142(氧化铜)，使得铜粉颗粒14形成内部的内核141以及外部的氧化物结构142，由于氧化物的表面形成带有极性基团的分子，对水有大的亲和能力，使得铜粉颗粒14更具有亲水性。此外，氧化铜不溶于水，在热导管或均温板元件中可以维持毛细结构的功能并且不会破坏铜粉颗粒14的结构。当包含多个铜粉颗粒14以及焊锡材料16的元件12经过加热烘烤后，各铜粉颗粒14因受到焊锡材料16的焊接而形成一焊接结构。在多个铜粉颗粒14形成焊接结构时，熔解后的焊锡材料16同时也将铜粉颗粒14焊接于元件12的元件可焊性表面121上，更准确地说，熔解后的焊锡材料16将铜粉颗粒14的铜材质部分焊接于元件12的元件可焊性表面121。当焊锡材料16焊接铜粉颗粒14时，焊锡材料16仅焊接铜粉颗粒14的一部份，即铜粉颗粒14的内核141。此时，铜粉颗粒14与焊锡材料16所形成的焊接结构包含多个孔隙17；相同地，当焊接结构被焊锡材料16焊接于元件12的可焊元件表面121时，焊锡材料16仅焊接铜粉颗粒14的一部份于元件12的可焊元件表面121上而形成孔隙17。而当含有焊接结构的元件12经过冷却后，形成具有多孔性的毛细结构元件1。因此，毛细结构元件1的多孔性的毛细结构以及铜粉颗粒14的氧化物结构142皆能使该毛细结构具有毛细力。

由于铜粉颗粒14的大小不完全相同，因此在加热烘烤的过程中，各铜粉颗粒14的加热程度亦不相同。在一具体实施例中，铜粉颗粒14仅形成较薄的氧化物结构142包覆于铜粉颗粒的内核141(如图2a所示)。在另一具体实施例中，当颗粒较小的铜粉颗粒14’、14”加热时，其氧化物结构142’、142”的厚度大于内核141’、141”(如图2b及图2c所示)。另一方面，焊锡材料也会于一具体实施例中，当加热烘烤至一定温度时，焊锡材料16的表面亦会形成二氧化锡，因此，焊锡材料16和铜粉颗粒14经加热烘烤后形成氧化物的结构。由于焊锡材料16和铜粉颗粒14经加热后所形成的氧化物结构的熔点高于焊锡材料16和铜粉颗粒14的熔点，因此经由加热烘烤后所形成的毛细结构更不易被逼受后续热导管(Heat Pipe)或均温板(Vapor Chamber)元件焊接的加温制程而被破坏。

请参考图3a、图3b以及图3c。图3a绘示根据图2a的具体实施例的铜粉颗粒14的焊接示意图。图3b绘示根据图2b的具体实施例的铜粉颗粒14’的焊接示意图。图3c绘示根据图2c的具体实施例的铜粉颗粒14”的焊接示意图。在一具体实施例中，焊锡材料16系与铜粉颗粒14的内核141接合，而被氧化物结构142包覆。在实际应用中，当多个铜粉颗粒14以及焊锡材料16加热烘烤时，焊锡材料16熔解并接触铜粉颗粒14之间的一部份。此时，铜粉颗粒14与焊锡材料16接触的部份，经过加热烘烤后，焊锡材料呈熔融状态，经冷却后焊锡材料16凝固为固体并焊接铜粉颗粒14，此时，铜粉颗粒14未焊接的部份则暴露于含氧的空气之中而与氧产生反应形成氧化物结构142(氧化铜)，也就是说，铜粉颗粒14形成铜质的内核141以及氧化铜质的氧化物结构142。因此，当焊锡材料16焊接铜粉颗粒14时，焊锡材料16系焊接铜粉颗粒14的内核141，而铜粉颗粒14的未焊接处则形成氧化物结构142。加热烘烤后的铜粉颗粒14，除了在表面形成氧化铜(CuO)，亦可能会形成过氧化铜(Cu₂O)。在此具体实施例中，铜粉颗粒14之间由焊锡材料16焊接后并在铜粉颗粒14表面形成较薄的氧化物结构142(如图3a所示)。在另一具体实施例中，当焊锡材料16焊接颗粒较小的铜粉颗粒14’、14”时，焊锡材料16焊接铜粉颗粒14’、14”的一部份，而铜粉颗粒14’、14”表面所形成的氧化物结构142’、142”的厚度大于甚至远大于内核141’、141”(如图3b及图3c所示)。在本发明中，形成过氧化铜亦具有类似氧化铜的效果。

请参考图4a以及图4b。图4a至4b绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构元件1的制程示意图。在一具体实施例中，毛细结构系由涂布一浆料18于元件可焊性表面121，再加热浆料18与元件12至一温度后形成，且浆料18包含有焊锡材料186以及一铜粉末184。其中，浆料18系以钢板印刷(Stencil Printing)、网版印刷(Screen Printing)或喷涂(SprayCoating)的方式涂布于元件可焊性表面121；且温度介于焊锡材料186的熔点以及铜粉末184的熔点之间。

在实际应用中，浆料18可包含焊锡材料186、铜粉末184以及助焊剂187。其中，焊锡材料186可为一锡基合金，例如含铅的63/37比例的锡铅合金或无铅的96.5/3/0.5比例的锡银铜合金，且焊锡材料186的形状可为膏状、粉末状或颗粒状；助焊剂187为含有树脂、表面活性剂、添加剂、有机溶剂等的混合溶剂。当浆料18与元件12加热烘烤时，焊锡材料186会熔解，且助焊剂187内有机溶剂会因加热而挥发，表面活性剂使得焊接材料186更容易焊接铜粉末184以及铜粉末184与元件12的元件可焊性表面121。

由于浆料18通常呈现为胶状，因此，可使用钢板印刷(Stencil Printing)、网版印刷(Screen Printing)或喷涂(Spray Coating)的方式将浆料18涂布在元件12的元件可焊性表面121。

在本具体实施例中，焊锡(锡银铜合金)的熔点为218℃，而铜的熔点为1085℃。当浆料18与元件12加热达到或超过218℃且低于1085℃时，焊锡材料186熔解并接触于铜粉末184，而铜粉末184因未达到熔点而仍为颗粒状。当浆料18与元件12加热烘烤后，焊锡材料186焊接铜粉末184以及铜粉末184与元件可焊性表面121。因此，当浆料18与元件12加热烘烤的温度介于焊锡材料186的熔点以及铜粉末184的熔点之间时，即可形成毛细结构。在另一具体实施例中，由于要考量后续制作扁型热导管或均温板元件的硬焊密合焊接制程，浆料18与元件12加热烘烤的温度可高达640℃以上。

请参考图5a以及图5b。图5a至5b绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构元件1的结构示意图。在另一具体实施例中，毛细结构系由铺置一混合粉末19于元件可焊性表面121，再加热混合粉末19与可焊元件表面121后形成，且混合粉末19包含有一焊锡材料196以及一铜粉末194。在实际应用中，混合粉末19中的焊锡材料196的材料可为一锡基合金，例如：含铅的63/37比例的锡铅合金，或无铅的96.5/3/.05比的锡银铜合金等。当混合粉末19与元件12加热烘烤后，混合粉末19中的焊锡材料196熔解并焊接铜粉末194以及铜粉末194与元件12的元件可焊性表面121，进而形成毛细结构。

在一具体实施例中，元件的材质系为铜(Cu)，且毛细结构的铜粉颗粒的形状系为非正圆形。于实际应用中，当含有铜粉颗粒以及焊锡材料的元件加热至一定温度时，除了焊锡材料熔解之外，铜粉颗粒的表面也可能会熔解，因此，当铜粉颗粒以及焊锡材料冷却后形成毛细结构元件时，铜粉颗粒的形状可能是各种不同形状，包括圆形、椭圆形或其他不规则形，而大部份皆为非正圆形。

请参考图6。图6绘示根据本发明的一具体实施例的毛细结构元件1的结构示意图。在一具体实施例中，每一铜粉颗粒14的氧化物结构142具有多个微小孔隙144。因此，毛细结构元件1的多孔性毛细结构除了由铜粉颗粒14、焊锡材料16以及元件可焊性表面121所形成的孔隙17之外，铜粉颗粒14本身氧化铜的微小孔隙144也是形成多孔性毛细结构的因素之一，而这些多孔性的结构皆有助于毛细结构的毛细力。

在一具体实施例中，毛细结构系为一扁平微热导管元件(Flattern Micro HeatPipe)的一内表面结构。在另一具体实施例中，其中该毛细结构系为一均温板元件(VaporChamber)的一内表面结构。在实际应用中，毛细结构元件可为微热导管元件或均温板元件，毛细结构元件藉由多孔性毛细结构的毛细力将冷凝端的工作流体快速引导至吸热端。而图4a、图4b、图5a、图5b的制程示意图可以应用在制作微热导管元件或均温板元件当中的毛细结构。而本发明的毛细结构元件1可为微热导管元件或均温板元件的一部份。

综上所述，本发明的一种毛细结构元件系一种藉由焊锡材料结合铜粉颗粒所形成的多孔性的毛细结构，并且于铜粉颗粒内核表面形成氧化铜材质的氧化物结构，以增强毛细结构的亲水性及毛细力。这样的毛细结构元件可作为微热导管元件或均温板元件的一部份。相较于习知技术中制作微热导管元件毛细结构的方法系为通入氮气烧结纯铜质粉末或是塞入金属网，本发明的制作毛细结构的方法更为便利，且有助于薄型热导管或均温板的量产效率。

藉由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专利范围的范畴内。因此，本发明所申请的专利范围的范畴应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及具相等性的安排。

Claims

1.一种毛细结构元件，其特征在于包含：

一元件，具有一元件可焊性表面；

2.如权利要求1所述的一种毛细结构元件，其特征在于，该毛细结构由涂布一浆料于该可焊元件表面，再加热该浆料与该元件至一温度后形成，且该浆料包含有该焊锡材料、一铜粉末以及一助焊剂。

3.如权利要求2所述的一种毛细结构元件，其特征在于，形成毛细结构的该温度介于该焊锡材料的熔点以及该铜粉末的熔点之间。

4.如权利要求2所述的一种毛细结构元件，其特征在于，该浆料以钢版印刷、网版印刷或喷涂的方式涂布于该元件可焊性表面。

5.如权利要求1所述的一种毛细结构元件，其特征在于，该毛细结构由铺置一混合粉末于该元件可焊性表面，再加热该混合粉末与该元件后形成，且该混合粉末包含有该焊锡材料以及一铜粉末。

6.如权利要求1所述的一种毛细结构元件，其特征在于，该元件的材质系为铜，且该毛细结构的该等铜粉颗粒的形状为非正圆形。

7.如权利要求1所述的一种毛细结构元件，其特征在于，每一铜粉颗粒的该氧化物结构具有多个微小孔隙。

8.如权利要求1所述的一种毛细结构元件，其特征在于，该毛细结构为一微热导管元件的一内表面结构。

9.如权利要求1所述的一种毛细结构元件，其特征在于，该毛细结构为一均温板元件的一内表面结构。

10.如权利要求1所述的一种毛细结构元件，其特征在于，该焊锡材料的表面形成有一氧化物，该氧化物为二氧化锡。