CN113498298A - 超薄型真空阻热元件 - Google Patents
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Abstract
一种超薄型真空阻热元件，包含有第一片状结构、第二片状结构、边墙结构以及多个支撑体。第一片状结构具有第一表面。第二片状结构具有相对应第一表面的第二表面。边墙结构系环形地设置于第一表面与第二表面之间，并于其中形成一个狭窄间隙空间，且狭窄间隙空间中的气压为不大于0.1大气压的真空状态。边墙结构包含固化粘胶结构，用以气密阻绝狭窄间隙空间与外界环境以维持狭窄间隙空间的真空状态。支撑体设置于第一表面，用以支撑并维持第一片状结构及第二片状结构间的狭窄间隙空间。由此，本发明的超薄型真空阻热元件具有良好的结构强度和阻热效果，更具创新性。
Description
技术领域
本发明提供一种超薄型真空阻热元件，尤指一种元件厚度小于0.25mm且具有高阻热效率的超薄型真空阻热元件。
背景技术
科技的快速发展，所有的电子装置的外形诉求逐渐走向轻、薄、小的设计，尤其是做为移动计算(Mobile Computing)及移动通讯的薄型笔电(Notebook PC)，智慧型手机(Smartphone)，智慧型眼镜(Smartglasses)等。然而，电子通讯装置为了达到薄型化，最常面临到的问题就是散热及热管理问题。5G通讯时代的来临使得智能手机需要功能更佳的热管理元件及热管理设计方案。扁型热导管或薄型均温板已成为5G移动计算装置必要的热管理元件。
薄型化的产品设计要求压缩了电路板上微处理器发热元件和机壳之间能够容置扁型热导管或均温板元件的厚度空间，要将微处理器所产生的高密度热量由机壳散发至空气之中，习知的做法是安置厚度不超过0.4mm的扁型热导管或薄型均温板在机壳的内侧，将吸热端的一面贴在微处理器上并让冷凝端接触机壳。微处理器所产生的高密度热量则由扁型热导管或薄型均温板的吸热端将热量快速的传导致冷凝端，再由冷凝端将热量传导至机壳进行散热。但在微处理器所在的热点处，扁型热导管或薄型均温板的吸热端的另一面也直接或间接的接触机壳内侧。热点产生的高温很容易就直接从扁型热导管或薄型均温板的垂直方向(即Z轴)传导到机壳表面，进而造成热点处的机壳表面的温度过高而超过了法规限制的温度值。
为了避免机壳表面温度过高，在热管理的设计上可置放一片薄型的阻热元件于热点区的机壳及扁型热导管或薄型均温板之间以设法阻絶热流向机壳的Z轴方向传导。然而为了维持电子装置的超薄设计，能够置放此薄型阻热元件的空间非常有限，往往要求不能超过扁型热导管或薄型均温板的元件厚度。
目前已知业界所生产用在5G智能手机的超薄均温板的元件厚度已可达0.25mm的厚度，因此薄型阻热元件的厚度也必须要小于0.25mm才能符合基本设计上的要求。在追求厚度设计的物理极限下，对于阻热元件的厚度要求甚至要达到0.1mm。在超薄的厚度限制下阻隔高能量密度热点上，即使以导热系数(K值)仅有0.026W/mk的空气来做阻隔都很难有效的达到隔热的效果，因此要做到导热系数(K值)比空气还低一个数量级的阻热元件只有借助于真空隔热，因此本发明就是要解决此一课题，设计等效导热系数(K值)小于空气的超薄的真空阻热元件。
目前已知厚度在0.25mm以下的薄型真空阻热元件，在结构上的设计是利用两片可焊性的金属片材由合金材料焊接在一起，并使得两片金属片材料间形成一个狭窄的真空空隙。由于合金材料的热传导系数(k值)至少50W/mk，接触金属片材一端的高密度热能亦会由合金材料墙传导致另一金属片材上，因而降低了薄型真空隔热片元件的阻热性能。因此有必要进一步的阻挡此热传导的路径。如何将超薄真空隔热片的环型外墙结构的热传导系数(k值)减低一个数量级，达到6W/mk以下又不影响外墙结构强度，为目前亟待解决的课题。
发明内容
有鉴于此，本发明利用真空腔体及低热传导系数材料降低热传导力，并解决使用上述两者时所衍生的结构支撑力问题。
为实现上述目的，本发明公开了一种超薄型真空阻热元件，其特征在于包含：
一第一片状结构，具有一第一表面；
一第二片状结构，具有相对应该第一表面的一第二表面；
一边墙结构，环形地设置于该第一表面与该第二表面之间，并于其中形成真空状态的一狭窄间隙空间，且该狭窄间隙空间中的气压不大于0.1大气压力，该边墙结构包含一固化粘胶结构，用以气密阻绝该狭窄间隙空间与外界环境；以及
多个支撑体，设置并分布于该狭窄间隙空间中，用以支撑并维持该第一片状结构及该第二片状结构间的该狭窄间隙空间；
其中，该超薄型真空阻热元件的厚度不大于0.25mm。
其中，该边墙结构进一步包含有一支撑结构，用以维持该固化粘胶结构的高度。
其中，该边墙结构的导热系数(k)不大于5W/mk。
其中，该固化粘胶结构环形地设置于该第一片状结构的一外围区域，而该支撑结构环形地沿着该固化粘胶结构的内缘设置以形成该边墙结构。
其中，该固化粘胶结构环形地设置于该第一片状结构的一外围区域，而该支撑结构环形地设置于该固化粘胶结构的外缘设置以形成该边墙结构。
其中，该支撑结构包含多个支撑柱，该些支撑柱环形地设置于该第一片状结构的一外围区域，而该固化粘胶结构设置于邻近的两个该支撑柱之间以形成连续性的该边墙结构。
其中，该些支撑体为低导热系数的玻璃纤维复合材料，设置并分布于该狭窄间隙空间中，且该些支撑体的两端分别接触该第一表面及该第二表面。
其中，该第一片状结构及该第二片状结构的材质包含不锈钢。
其中，该第一片状结构及该第二片状结构的材质包含玻璃纤维复合材料。
其中，固化粘胶结构的材质包含玻璃纤维材料。
本发明所提供的厚度小于0.25mm的超薄型真空阻热元件，得以有效地降低两个片状结构间用以阻隔狭窄间隙空间内真空状态的环型边墙结构的热传导效能并降低超薄型真空阻热元件的等效热传导系数。
附图说明
图1：显示了本发明的超薄型真空阻热元件的一具体实施例的外观示意图。
图2：显示了根据图1的一具体实施例的A-A’剖面线剖面的剖面示意图。
图3：显示了根据图1的一具体实施例的B-B’剖面线剖面的剖面示意图。
图4：显示了根据图1的另一具体实施例的A-A’剖面线剖面的剖面示意图。
图5：显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第一具体实施例的结构示意图。
图6：显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第二具体实施例的结构示意图。
图7：显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第三具体实施例的结构示意图。
图8：显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第四具体实施例的结构示意图。
图9：显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第五具体实施例的结构示意图。
图10：显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第六具体实施例的结构示意图。
图11：显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第七具体实施例的结构示意图。
图12：显示了本发明的超薄型真空阻热元件的再一具体实施例的结构示意图。
图13：显示了本发明的超薄型真空阻热元件的又一具体实施例的结构示意图。
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。
请参阅图1至图3，图1显示了本发明的超薄型真空阻热元件1的一具体实施例的外观示意图，图2显示了根据图1的一具体实施例的A-A’剖面线剖面的剖面示意图，图3系显示了根据图1的一具体实施例的B-B’剖面线剖面的剖面示意图。如图1及图2所示，本发明的超薄型真空阻热元件1包含有第一片状结构10、第二片状结构11、边墙结构12以及支撑体13。第一片状结构10具有第一表面100，第二片状结构11具有相对应第一表面100的第二表面110。由图2的A-A’剖面线的剖面示意图可以看出，边墙结构12系环形地设置于第一表面100与第二表面110之间，并由图3的B-B’剖面线的剖面示意图可以明显地看出于第一片状结构10、第二片状结构11及边墙结构12之间形成有一个狭窄间隙空间120。于实际应用中，狭窄间隙空间120中的气压为小于0.1atm的真空状态，在不同实施例中，狭窄间隙空间120中的气压分别不高于0.01或0.001atm。其中，边墙结构包含固化粘胶结构，用以气密阻绝狭窄间隙空间内真空状态与外界环境一大气压状态。
于一具体实施例中，第一片状结构10与第二片状结构11的其一用以接触热源(如：微处理器)的扁型热导管或薄型均温板的吸热端，另一用以接触机壳内表面。本发明的超薄型真空阻热元件1在两片状结构材料中间为真空状态且靠着多个均匀分布的支撑体13及边墙结构12来支撑狭窄间隙空间120的真空状态。本发明的超薄型真空阻热元件的设计与扁型热导管或薄型均温板配套安置，得以有效的阻隔微处理器所产生的高密度热能直接朝Z轴方向传导至机壳表面；又，狭窄间隙空间120内的真空度越高阻热效果则越佳。
于本发明的超薄型真空阻热元件1的制作过程中，可先将边墙结构12环形地设置于第一表面100或第二表面110的外围区域101(如图2所示)，接着由真空处理以及接合处理，以形成超薄型真空阻热元件1，且其中的狭窄间隙空间120为负压状态。其中，真空处理以及接合处理的过程可为将第一片状结构10、第二片状结构11及边墙结构12接合时，预留一个通道在第一片状结构10与第二片状结构11之间，且此通道可用以连通狭窄间隙空间120以及外界环境。接着，再经由此通道对狭窄间隙空间120抽真空，并立即将此通道封合，以得到超薄型真空阻热元件1。除此之外，真空处理以及接合处理的过程亦可为将第一片状结构10、第二片状结构11及边墙结构12放置于一个真空的工作环境，并于此真空的工作环境下进行接合，以得到超薄型真空阻热元件1。
原则上，第一片状结构10与第二片状结构11为扁平片状，其主要面的面积(X-Y轴)至少为其厚度(Z轴)的10倍。超薄型真空阻热元件1为扁薄形状，于多数实施例中，边墙结构12尽可能沿着阻热元件边缘布设。再者，狭窄间隙空间120中的气压为负压状态，因此阻热元件的中心处容易向内塌陷，使第一片状结构10与第二片状结构11直接接触。两者直接接触时，热传导能轻易发生，将失去真空阻热的效果。是以，阻热元件中心的塌陷必须要避免。
于图1至图3的实施例中，本发明的超薄型真空阻热元件1包含有多个支撑体13设置并分布于狭窄间隙空间120中。分布均匀的支撑体13系用以支撑狭窄间隙空间120并维持第一片状结构10及第二片状结构11间之间距呈真空状态。支撑体13可用以维持第一片状结构10与第二片状结构11间之间距，进而保持狭窄间隙空间120的高度并增强超薄型真空阻热元件1的结构强度。于具体实施例中，此多个支撑体为直径不大于300um的圆柱体，并由低导热系数且高结构强度的玻璃纤维复合材料所形成。如此一来，即可避免狭窄间隙空间120的真空状态因为外在大气压力的施加，而发生第一片状结构10及第二片状结构11塌陷的问题。
请合并参阅图4，图4系显示了根据图1的另一具体实施例的A-A’剖面线剖面的剖面示意图。由于一般热固型或光固型固化粘胶结构的强度低于多个支撑体的结构强度，边墙结构12进一步为包含有支撑结构122的复合边墙结构(如图4所示)，用以维持固化粘胶结构121的支撑高度。于图3的具体实施例中，支撑结构122可为导热系数不大于5W/mk的材料所构成，可以是玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、克维拉纤维复合材料、硼纤维复合材料、碳化硅纤维复合材料等。于具体实施例的制作过程中，将具有导热系数不大于1.0W/mk的复合材料的具流变性浆料铺置于第一表面100或第二表面110上，其中流变性浆料可包含有热固化材料或光固化材料，因此可由加热或照光将此流变性浆料固化以形成支撑结构122。其中，支撑结构122的形状可为柱状、球状、不规则形状，并不以此为限。
再者，支撑结构122和支撑体13可以为不同材料制成，亦可以为相同材料制成。当支撑结构122和支撑体13为相同材料制成时，在制造过程中，可以一次性的进行支撑结构122和支撑体13的铺置，再将两者一起固化，以节省工序。
于一具体实施例中，固化粘胶结构121系由一种具流变性的粘胶材料于真空环境中固化而得，在固化的过程中环型固化粘胶结构同时气密的粘着住第一片材结构10的第一表面100及第二片材结构11的第二表面110的外围处。此粘胶材料包含有一种含聚合物环氧树脂材质，亦可包含玻璃纤维材料。本发明中所述的玻璃纤维复合材料或玻璃纤维材料内包含有多个玻璃纤维丝，每个玻璃纤维丝的长度不超过100um。粘胶材料和固化后的固化粘胶结构121的导热系数低于常见的焊锡合金一个数量级。
为了接合第一片状结构10及第二片状结构11及强化超薄型真空阻热元件1的结构，于第一片状结构10及第二片状结构11之间的边墙结构12更包含有固化粘胶结构121及支撑结构122。固化粘胶结构121系用以气密阻绝狭窄间隙空间120与外界大气环境以维持狭窄间隙空间120的真空状态。支撑结构122系用以支撑狭窄间隙空间120并维持第一片状结构10及该第二片状结构11间的间距。其中，边墙结构12中的固化粘胶结构121与支撑结构122更可以不同的形式搭配设置，后续将对此分类说明。于实际应用中，支撑结构122可为连续性的墙面结构，亦可为间隔排列的支撑柱，并不以此为限。
请参阅图5及图6，图5系显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第一具体实施例的结构示意图，图6系显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第二具体实施例的结构示意图。如图5及图6所示，边墙结构12中的固化粘胶结构121可环形地设置于第一片状结构10的外围区域。支撑结构122可环形的沿着固化粘胶结构121的内缘设置。其中，第一具体实施例的支撑结构122为墙面结构，而第二具体实施例的支撑结构122为支撑柱1220。
请参阅图7及图8，图7系显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第三具体实施例的结构示意图，图8系显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第四具体实施例的结构示意图。如图7及图8所示，边墙结构12中的固化粘胶结构121可环形地设置于第一片状结构10的外围区域。支撑结构122可环形的沿着固化粘胶结构121的外缘设置。其中，第三具体实施例的支撑结构122为墙面结构，而第四具体实施例的支撑结构122为支撑柱1220。
请参阅图9至图11，图9系显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第五具体实施例的结构示意图，图10系显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第六具体实施例的结构示意图，图11系显示了本发明的超薄型真空阻热元件的第七具体实施例的结构示意图。如图9至图11所示，边墙结构12中的支撑结构122系设置于固化粘胶结构121之中。其中，第五具体实施例及第六具体实施例的支撑结构122为支撑柱1220，两者的不同在于，第五具体实施例的固化粘胶结构121系设置于两相邻支撑柱1220之间，而第六具体实施例的支撑柱1220则系设置于固化粘胶结构121之中。第七具体实施例的支撑结构122为墙面结构。
在此需要说明的是，本领域通常知识者可依个人需求(制程需求、成本需求)选择以上述的七个具体实施例中的任一者的配置方式，亦可基于上述实施例延伸出其他配置方式，并不以此为限。且上述实施例中系于狭窄间隙空间中设置有支撑体，然而本领域通常知识者可依个人需求调整支撑体的数量、形状以及排列方式，并不以此为限。
于制作过程中，固化粘胶结构及支撑结构系由流变性浆料固化而成。而制作的流程可依据形成固化粘胶结构的流变性浆料特性、形成支撑结构的流变性浆料的材料特性、以及制程流畅性，决定固化粘胶结构和支撑结构的铺置固化顺序，其固化顺序亦可能为两者交错或是两者同时。
此外，为了于实际应用中方便拿取超薄型真空阻热元件1进行热管理系统的组装，本发明的超薄型真空阻热元件1更包含有夹持部以供夹取。请参阅图12及图13，图12系显示了本发明的超薄型真空阻热元件的再一具体实施例的结构示意图，图13系显示了本发明的超薄型真空阻热元件的又一具体实施例的结构示意图。如图12所示，环形设置的边墙结构12可以以需求内凹设置，以使第一片状结构10与第二片状结构之间具有夹持部14以供夹取。除了如图12的由改变边墙结构12的设置形状以形成夹持部14之外，如图13所示，亦可以改变第一片状结构10的形状以形成夹持部14。由此可知，本领域的通常知识者可以个人需求调整边墙结构12的设置形状或调整第一片状结构或第二片状结构的形状，并不以此为限。
本说明书中进一步提供超薄型真空阻热元件的制作方式，包含有下列步骤。步骤S1：提供具有第一凹槽的第一治具平台以及具有第二凹槽的第二治具平台。步骤S2：吸附第一表面具有多个支撑体分布的第一片状结构于第一凹槽中，并吸附第二片状结构于第二凹槽中。步骤S3：环形地铺设胶体材料于具有内铺设支撑体材料的第一片材结构的第一表面外围。步骤S4：迭合第二治具平台与第一治具平台，使第一片状结构的位置间隔一定高度地对应第二片状结构的位置，且第一片状结构以及第二片状结构之间有环形的胶体材料，且支撑体材料位于环型胶体材料的内侧。步骤S5：置入已迭合的第二治具平台与第一治具平台于一工作腔体内。步骤S6：加热腔体内部至作用温度，及对工作腔体内抽真空，使胶体材料被固化形成固化粘胶结构并同时气密粘着于第一表面及第二表面。
一般而言，当片状结构的厚度远小于主要面面积时，片状结构会发生卷曲、变形等物理变化。在此状况下，要有效率的将两个片状结构贴合就相当困难。为解决此问题，本发明使用具有吸附力的治具平台，以吸附力来暂时稳定片状结构的位置及形状，接着再铺设胶体材料或支撑材料在第一片状结构或第二片状结构之上并固化。此方式可以准确地铺设胶体材料或支撑材料在预设的位置之上，进而有效地提高成品的优良率。
于实际应用中，第一片状结构及该第二片状结构的材质可以包含有不锈钢片、强化玻璃片、玻璃纤维复合材料、工程塑胶片等高结构强度且低导热系数的材料。如此一来，本发明的超薄型真空阻热元件可以有效地减低热能在X-Y平面上的热传导，加上在两片状结构间的支撑体、支撑结构、固化粘胶结构在Z轴方向皆有很低的导热系数。由此，本发明的超薄型真空阻热元件可以降低元件的等效导热系数，进而有效地达到在超薄空间的阻热效果。
于实际应用中，本发明的超薄型真空阻热元件的厚度不大于0.25mm，甚至可以达到仅有0.1mm的超薄厚度。且狭窄间隙空间的真空高度不大于0.15mm，甚至可以达到仅有0.05mm的超薄高度。此元件厚度将可以满足大多数的移动电子产品，尤其是因应5G趋势的智能手机薄型化设计的需求。
相较于现有技术，本发明的超薄型真空阻热元件可以由边墙结构中的固化粘胶结构接合第一片状结构及第二片状结构，取代以导热系数较高的焊锡材质接合第一片状结构及第二片状结构。此外，本发明的超薄型真空阻热元件于狭窄间隙空间中设置有支撑体用以维持狭窄间隙空间的高度及强化超薄型真空阻热元件的结构性，而不受外在大气压力影响而发生形变。再加上，边墙结构及支撑体的导热系数不大于5W/mk，可有效地阻绝Z轴方向的热能传导，进而克服以焊锡边墙结构进行气密接合所导致的Z轴热能传导的问题。
由以上较佳具体实施例的详述，系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 (10)
1.一种超薄型真空阻热元件，其特征在于包含：
一第一片状结构，具有一第一表面；
一第二片状结构，具有相对应该第一表面的一第二表面；
一边墙结构，环形地设置于该第一表面与该第二表面之间，并于其中形成真空状态的一狭窄间隙空间，且该狭窄间隙空间中的气压不大于0.1大气压力，该边墙结构包含一固化粘胶结构，用以气密阻绝该狭窄间隙空间与外界环境；以及
多个支撑体，设置并分布于该狭窄间隙空间中，用以支撑并维持该第一片状结构及该第二片状结构间的该狭窄间隙空间；
其中，该超薄型真空阻热元件的厚度不大于0.25mm。
2.如权利要求1所述的超薄型真空阻热元件，其特征在于，该边墙结构进一步包含有一支撑结构，用以维持该固化粘胶结构的高度。
3.如权利要求1所述的超薄型真空阻热元件，其特征在于，该边墙结构的导热系数(k)不大于5W/mk。
4.如权利要求2所述的超薄型真空阻热元件，其特征在于，该固化粘胶结构环形地设置于该第一片状结构的一外围区域，而该支撑结构环形地沿着该固化粘胶结构的内缘设置以形成该边墙结构。
5.如权利要求2所述的超薄型真空阻热元件，其特征在于，该固化粘胶结构环形地设置于该第一片状结构的一外围区域，而该支撑结构环形地设置于该固化粘胶结构的外缘设置以形成该边墙结构。
6.如权利要求2所述的超薄型真空阻热元件，其特征在于，该支撑结构包含多个支撑柱，该些支撑柱环形地设置于该第一片状结构的一外围区域，而该固化粘胶结构设置于邻近的两个该支撑柱之间以形成连续性的该边墙结构。
7.如权利要求1所述的超薄型真空阻热元件，其特征在于，该些支撑体为低导热系数的玻璃纤维复合材料，设置并分布于该狭窄间隙空间中，且该些支撑体的两端分别接触该第一表面及该第二表面。
8.如权利要求1所述的超薄型真空阻热元件，其特征在于，该第一片状结构及该第二片状结构的材质包含不锈钢。
9.如权利要求1所述的超薄型真空阻热元件，其特征在于，该第一片状结构及该第二片状结构的材质包含玻璃纤维复合材料。
10.如权利要求1所述的超薄型真空阻热元件，其特征在于，该固化粘胶结构的材质包含玻璃纤维材料。
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2020
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