CN114199055B - 具有一固化复合材料结构的片状金属元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有一固化复合材料结构的片状金属元件及其制作方法，所述片状金属元件包含有片状金属基板及固化复合材料结构，片状金属基板具有第一表面，第一表面具有沟槽结构。固化复合材料结构附着于沟槽结构内，包含有金属粉末及聚合物。金属粉末包含多个金属颗粒；固化的聚合物包覆且散布在金属颗粒之间。其中，固化复合材料的金属颗粒和聚合物彼此附着而形成连续性结构。由此，本发明的片状金属元件可以形成性质稳定的制作均温板元件及其毛细结构的半成品，有利于运输及库存管理，简化了制作均温板元件的流程，及提升了大量生产的效率。
Description
技术领域
本发明关于一种可用于进一步加工形成均温板元件及其毛细结构的片状金属元件，尤其是一种经过加热裂解及粉末烧结后会形成多孔隙毛细结构的片状金属元件，用以和另一片状金属元件封合并加工形成一均温板元件，特别涉及一种具有一固化复合材料结构的片状金属元件及其制作方法。
背景技术
习知薄型均温板(vapor chamber)的制作方法，系将片状铜基板蚀刻沟槽后，在铜基板上铺置铜粉网，经石墨治具压合并在高温下烧结而形成毛细结构于铜片基板的沟槽表面，接着将具有毛细结构的铜片基板以沟槽在内的的方式与另一片状铜基板焊接起来以形成气道空腔。进一步经过注水、抽真空、封合等加工，以制成具有毛细结构的薄型均温板。
习知均温板的毛细结构，依元件厚度及解热功率不同，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，亦不受重力影响。但在超均温板(Vapor Chamber)制作上，由于元件厚度及沟槽深度太小，铺置铜粉烧结的毛细结构很难制作，而铺设铜网(Mesh)成为主流。然而，要在元件厚度只有不到0.3mm超薄均温板中铺设铜网(Mesh)，工序相当繁琐及困难，不易自动化量产，而且铜网毛细力亦不佳，很难制作出高效率的均温板元件。
因此，如何简化繁琐的过程，使超薄均温板毛细结构的制作的过程能够符合大量生产及自动化作业，是本领域技术人员极力尝试解决的问题。
发明内容
本案发明人构思一种以印刷浆料的毛细结构制作方式。浆料中的金属颗粒外围包覆着聚合物。当聚合物被加热裂解，及金属颗粒经高温烧结之后，金属颗粒之间彼此粘结而形成一多孔隙毛细结构。此方式可以有效率的量产厚度极薄的均温板毛细结构，且在条件得宜下有较习知铜网毛细结构更佳的毛细吸水力，进而提升超薄均温板元件的导热及均热效率。然而，浆料本身含有易挥发的化学溶剂且具流变性，在长时间置放时，由于溶剂的挥发而造成浆料粘度的改变，进而改变浆料的流变性。并且，浆料内含金属粉末，因此也会产生变质及沈淀。因此在使用浆料来制作均温板元件的毛细结构时，对于浆料的粘度及流变性的变异控制将成为制作均温板元件高品质毛细结构的一个变数。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有固化复合材料结构的片状金属元件及其制作方法。让均温板金属片材的供应商或金属片材蚀刻沟槽加工或冲压沟槽加工的供应商，能够将毛细结构的半成品直接预铸在金属片材的沟槽内，供应给均温板元件的生产厂，让制作均温板元件的厂家能够很容易的再加工，经加热裂解及烧结制程而形成毛细结构，省去使用具流变性浆料印刷的各种麻烦与变数。本发明在金属片材的沟槽结构中形成一固化的复合材料结构，使聚合物散布于金属颗粒之间，而形成的固化复合材料结构。固化复合材料结构中的聚合物具一定粘滞性，分散的金属颗粒被聚合物包覆。并且，整体结构附着于片状金属元件，使其固定不流动，方便运输与保存，而成为制作均温板元件及其毛细结构的一个预铸材料片材。
为实现上述目的，本发明公开了一种具有一固化复合材料结构的片状金属元件，应用于制作一均温板元件及其毛细结构，其特征在于包含有：
一片状金属基板，具有一第一表面，该第一表面具有一沟槽结构；以及
一固化复合材料结构，附着于该沟槽结构内，进一步包含有：
一金属粉末，包含多个金属颗粒；
一聚合物，散布在该些金属颗粒之间并至少包覆该些金属颗粒的一部份表面；
其中，该固化复合材料的该些金属颗粒和该些聚合物彼此附着而形成连续性结构。
其中：该聚合物用于在加热时裂解去除而形成该些金属颗粒间的间隙，且该金属粉末用于在烧结时形成多孔隙的一毛细结构。
其中：该些金属颗粒包含有多个铜颗粒和多个铜合金颗粒的至少一者。
其中：进一步包含有一金属氧化物粉末，该金属氧化物粉末包含有多个金属氧化物颗粒，该些金属氧化物颗粒散布在该些金属颗粒之间。
其中：该些金属氧化物颗粒包含有多个氧化铜颗粒和多个氧化亚铜颗粒的至少一者。
其中：该氧化亚铜粉末为平均粒径(D50)小于5微米的八角形立方晶体。
其中：该些聚合物包含有多个可塑性高分子料件和多个合成纤维料件。
其中：该些可塑性高分子料件为聚甲基丙烯酸甲酯材料，该些合成纤维料件为聚酰胺纤维材料。
还公开了一种具有固化复合材料结构的片状金属元件的制作方法，其特征在于包含如下步骤：
提供具有一沟槽结构的一片状金属基板；
提供一浆料，该浆料混合有一金属粉末、一金属氧化物粉末、一聚合物和一有机溶剂；
铺置该浆料于该沟槽结构之中；
加温烘烤该浆料，使该有机溶剂挥发，且该金属粉末、该金属氧化物粉末和该聚合物固化以形成一固化复合材料结构而附着于该片状金属基板的该沟槽结构之中。
其中：该聚合物粉末用于在加热时裂解去除，使该金属粉末的颗粒与该金属氧化物粉末的颗粒之间形成间隙，藉此使该金属粉末与该金属氧化物粉末在含氢气氛下烧结后形成多孔隙的一毛细结构。
综上所述，本发明提供一种具有固化复合材料结构的片状金属元件及其制作方法，其聚合物可使金属颗粒受到保护并且彼此相连，并使固化复合材料结构附着于片状金属元件避免流动。用于进一步加工来制造时，能够有效地运输及保存以便分批量产，进而可达到自动化作业，提升生产效率。并且，在后续的加工烧结中，片状金属元件上的聚合物可以轻易地被烧除。并且利用加热裂解聚合物所遗留下来的孔隙以及金属粉末颗粒的烧结来形成多孔隙毛细结构。
附图说明
图1A：绘示根据本发明的一具体实施例的片状金属基板的示意图。
图1B：绘示根据本发明的一具体实施例的具有固化复合材料结构的片状金属元件的示意图。
图1C：绘示根据图1B的具体实施例中A区的放大示意图。
图2：绘示根据本发明的另一具体实施例的固化复合材料结构的剖面图。
图3：绘示根据图2的具体实施例的固化复合材料结构的烧结后的示意图。
图4：绘示根据本发明的一具体实施例的具有固化复合材料结构的片状金属元件的制作方法的步骤流程图。
图5：绘示另一具体实施例中具有固化复合材料结构的片状金属元件的制作方法的示意图。
图6：绘示根据本发明的另一具体实施例的具有固化复合材料结构的片状金属元件的示意图。
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1A、1B及1C，图1A系绘示根据本发明的一具体实施例的片状金属基板的示意图。图1B系绘示根据本发明的一具体实施例的具有固化复合材料结构的片状金属元件的示意图。图1C系绘示根据图1B的具体实施例中A区的放大示意图。如图1A、1B及1C所示，具有固化复合材料结构的片状金属元件1包含有片状金属基板10及固化复合材料结构12。片状金属基板10，具有第一表面102，第一表面102具有沟槽结构104。固化复合材料结构12，附着于沟槽结构104内，进一步包含有金属粉末及固化的聚合物125。金属粉末包含多个金属颗粒121。固化的聚合物125散布并包覆在金属颗粒121之间。
其中，因聚合物125具有粘附性质，藉由加入聚合物125可稳定金属颗粒121的相对位置。此外，聚合物125填充了金属粉末的金属颗粒121之间的缝隙，环绕、包覆并保护金属颗粒，使金属颗粒121不容易被氧化及变质。含聚合物125及金属粉末的浆料，经烘干后形成的固化复合材料结构12，其可藉由聚合物125附着于片状金属基板10，避免流动、滑动、溢漏。固化后的聚合物并没有固定的形状，可能是网状、块状或条状，而像是填补金属颗粒121之间的空隙。而聚合物之间也可能有间隙127。
进一步的来说，本发明的片状金属元件中的聚合物125可帮助形成附着于片状金属基板10的固化复合材料结构12，而形成均温板元件的毛细结构半成品预铸件。均温板元件制造厂只要将此具有一固化复合材料结构的片状金属元件做进一步加热，让聚合物裂解去除并让金属粉未烧结，即可形成多孔隙毛细结构于该金属片材的沟槽中，故利于大量生产时的分批作业。固化复合材料结构12的金属颗粒121和聚合物125彼此附着而形成连续性结构，在用于制作薄型均温板元件的具体实施例，该片状金属结构的片状金属基板10的厚度小于1.0mm，以及固化复合材料结构的厚度小于0.5mm。
进一步说明前述的固化复合材料结构12。请参阅图2，图2系绘示根据本发明的另一具体实施例的具有固化复合材料结构的片状金属元件1的剖面图。如图2所示，固化复合材料结构12除了包含前述的金属粉末，包含金属颗粒121，还进一步包含有金属氧化物粉末，金属氧化物粉末包含多个金属氧化物颗粒123。固化复合材料结构12系从浆料经一烘干步骤形成，浆料含有金属颗粒121、金属氧化物颗粒123、聚合物125和有机溶剂。有机溶剂能够增加浆料的流动性以容易地布置于片状金属基板10的第一表面102，而后进行加温烘烤时，再去除溶剂以形成固化复合材料结构12。聚合物125的一项好处是，加热后聚合物125被裂解去除，于金属颗粒121及金属氧化物颗粒123佊此之间形成间隙。当具有固化复合材料结构的片状金属元件被进一步加工时，固化复合材料结构12中的聚合物125被加热而裂解并去除，将仅留下金属颗粒121和金属氧化物颗粒123彼此之间的空隙。
在一具体实施例中，金属粉末的平均粒径(D50)小于53微米(53um)，金属氧化物粉末平均粒径(D50)小于5微米(5um)。金属颗粒121及金属氧化物颗粒123的总重量大于聚合物的总重量，重量比值介于3-10之间。此外，金属颗粒121系为类球状铜颗粒，金属氧化物颗粒123系为呈八面体晶体的氧化亚铜(Cu2O)。金属颗粒121、金属氧化物颗粒123与聚合物125均匀地分布形成固化复合材料结构12中，并附着在片状金属基板10的沟槽结构104中。
在具体实施例中，金属氧化物颗粒123可经由在氮氢环境下烧结后还原成铜。其中，金属氧化物颗粒123包含有多个氧化亚铜(Cu2O)颗粒和多个氧化铜(CuO)颗粒的至少一者。其中的差异是在含氢的气氛下进行还原烧结时所需的温度不同,氧化铜(CuO需要在较高的温度下烧结才能和金属颗粒形成多孔隙毛细结构.在较佳实施例中，固化复合材料结构12中的氧化亚铜粉末为八面体晶体结构的颗粒，在氮氢混合气氛下高温烧结时于晶体两尖端开始还原形成铜(Cu)，进而一边还原一边拉伸而形成一链状的铜构件。当聚合物125裂解除去后，留下的空隙有利于氧化亚铜晶体还原成铜时拉伸成链状金属铜构件并与金属颗粒121烧结。因此，片状金属元件的沟槽结构104中的固化复合材料结构12中的氧化亚铜颗粒与铜颗粒在氮氢混合气氛下一起烧结时，链状铜构件与类球状铜构件连结并堆叠架构形成三维多孔隙的毛细结构。
其中，前述的金属颗粒121，进一步详细的来说，金属颗粒可以包含有多个铜(Cu)颗粒和多个铜合金(Cu alloy)颗粒的至少一者。
其中，聚合物125包含有多个可塑性高分子料件和多个合成纤维料件。其中可塑性高分子料件为聚甲基丙烯酸甲酯材料，合成纤维料件为聚酰胺纤维材料。聚甲基丙烯酸甲酯材料为又称压克力，沸点约为摄氏200度。聚酰胺纤维为又称尼龙。在未达到金属熔点的温度下，聚合物会先裂解。裂解后会在原位置留下孔隙。这样的孔隙有助于铜颗粒及氧化亚铜颗粒在氮氢混合气下的烧结以形成良好的多孔隙毛细结构。
设置固化复合材料结构12于片状金属基板10的方式，系将含有化学溶剂的浆料布置于片状金属基板10的第一表面102之上，并加温烘烤形成固化复合材料结构12。其中，布置方式可为钢板印刷或网板印刷或点胶或涂布的方式使浆料能够平均地分布于片状金属基板10的沟槽结构104中。当加热含有固化复合材料结构12的片状金属元件时，固化复合材料结构12中的聚合物经由固化后能够固定粘附于片状金属基板10的第一表面102之上。于具体实施例中，烘干步骤是在一烘干环境下进行10～60分钟，温度介于摄氏90-110度之间。此温度可去除有机溶剂，加热烘干的方式可用一般热气加温或红外线加温。
请参阅图3，图3系绘示根据如图2的具体实施例的固化复合材料结构的烧结后的示意图。本发明的具有固化复合材料结构的片状金属元件在加热后，其中固化复合材料结构12中的聚合物125被裂解并去除，并留下金属颗粒121及金属氧化物颗粒123及孔隙，接下来在含氢的气氛中进行烧结后，金属氧化物颗粒会逐渐还原，同时因其晶体结构的性质而形成链状金属铜构件2。另一方面，金属颗粒如铜颗粒进而形成类球状金属铜构件3，链状金属铜构件2与类球状金属铜构件3交叉堆叠形成三维度多孔毛细结构4。根据片状金属元件的固化复合材料结构12中聚合物、金属颗粒和金属氧化物颗粒的混合比例，可以调整烧结后毛细结构的孔隙密度和大小。
详细的来说，当片状金属元件被加热时固化复合材料结构中聚合物被裂解而去除，留下铜颗粒及氧化亚铜颗粒(或氧化铜颗粒)。接着，在含氢的气氛中进行更高温的烧结过程，氧化亚铜颗粒进行还原及扩散反应形成链状铜构件相互烧结并且与类球状铜颗粒进行烧结，而相互连结形成三维度的多孔隙毛细结构4。
请参阅图4，图4系绘示根据本发明的一具体实施例的具有固化复合材料结构的片状金属元件的制作方法的步骤流程图。如图4所示，本具体实施例的具有固化复合材料结构的片状金属元件制作方法包含以下步骤：步骤S1：提供具有一沟槽结构的片状金属基板；步骤S2：提供浆料，浆料混合有多个金属颗粒、多个金属氧化物颗粒、聚合物和有机溶剂；步骤S3：铺置浆料于沟槽结构中；步骤S4：加温烘烤浆料，使有机溶剂挥发，且金属颗粒、金属氧化物颗粒和聚合物固化以形成固化复合材料结构而附着于片状金属基板的沟槽结构中，以利后续保存或生产作业。其中，金属颗粒可包含铜(Cu)颗粒和铜合金(Cu alloy)颗粒的至少一者，金属氧化物颗粒可以是氧化铜(CuO)颗粒或/和氧化亚铜(Cu2O)颗粒。其中有机溶剂可以为醇类溶剂。
于一具体实施例中，步骤S4烘干步骤是在一烘干环境下进行10-60分钟，且温度介于摄氏90-110度之间。
步骤S4：加温烘烤时，浆料中的有机溶剂挥发，形成一固化复合材料结构。请再次参考图3，在本发明的步骤S4之后，本发明的固化复合材料结构可进一步地持续加温。加温过程中，固化复合材料结构中的聚合物被裂解并去除。再进一步在含氢的气氛中加热，铜氧化物颗粒还原并扩散成一链状铜构件，铜颗粒或铜合金颗粒形成类球状铜构件。链状铜构件与类球状铜构件互相烧结而形成多孔隙结构的毛细结构。类球状铜构件尺寸普遍大于链状铜构件直径，形成穿插分布于链状铜构件之间的类球状铜构件，将可以有效提升多孔隙金属毛细结构的毛细力。
请参阅图5，图5系绘示另一具体实施例中具有固化复合材料结构的片状金属元件1的制作方法的示意图。首先，提供具有沟槽结构104的片状金属基板10，大致可分为第一区5及第二区6；接着，提供第一浆料141及第二浆料142，第一浆料141及第二浆料142皆有混合金属颗粒121、金属氧化物颗粒123、聚合物125和有机溶剂。第一浆料141及第二浆料142的差异在于，两者中的金属颗粒121及金属氧化物颗粒123的混合数量比例或粒径的大小不同。最后，加温烘烤第一浆料141及第二浆料142，使有机溶剂挥发。挥发后，第一浆料141及第二浆料142中的金属颗粒121、金属氧化物颗粒123和聚合物125固化形成一连续性结构附着在片状金属基板10第一表面102的沟槽结构104中。第一浆料141形成第一型次结构131。第二浆料142形成第二型次结构132。第一型次结构131和第二型次结构132连续性地接合形成固化复合材料结构12。并且，第一型次结构131位于第一区5，第二型次结构132位于第二区6。第一区5作为均温板的吸热区，第二区6包含均温板的冷凝区。
因此，详细的来说，固化复合材料结构包含有第一型次结构131和第二型次结构132，第一型次结构131和第二型次结构132具连续性。于一具体实施例，第一型次结构131的金属颗粒的第一平均粒径大于25um，第二型次结构132的金属颗粒的第二平均粒径小于25um，且第一平均粒径大于第二平均粒径。其中，第一型次结构131和第二型次结构132的金属粉末成分相同，都包含有金属颗粒和金属氧化物颗粒，差别在于两者的金属颗粒和金属氧化物颗粒的混合数量比例和粒径大小不同。
此外，片状金属基板10的第一区5和第二区6的支撑方式也不相同。请参阅图6，图6系绘示根据本发明的另一具体实施例的具有固化复合材料结构的片状金属元件1的示意图。如图6所示，本发明片状金属元件1的片状金属基板10的第一区5进一步包含有多个柱状支撑结构1041，而第二区6进一步包含有长条支撑结构墙1043形成于沟槽内。长条支撑结构墙1043系自第二区6的一端延伸至另一端所形成的长条结构。其中柱状支撑结构1041可以让气态工作流体扩散，长条支撑结构墙1043可以帮助液态工作流体在毛细结构中的流动速度，进而达到快速导热的功效
请再次参考图5及图6，于一具体实施例中，本发明的片状金属元件的第一区5吸热区对应固化复合材料结构铺设的第一型次结构131。同理，本发明的片状金属元件的第二区6非吸热区对应固化复合材料结构铺设的第二型次结构132。其中，本发明的固化复合材料结构的第一型次结构131的金属颗粒平均粒径大于第二型次结构132的金属颗粒粒径，并且第一型次结构131的金属颗粒平均数量小于第二型次结构132的金属颗粒平均数量。当固化复合材料结构进一步进行后续烧结时，第一型次结构131的金属颗粒经由烧结形成第一毛细结构，第二型次结构132的金属颗粒经由烧结形成第二次毛细结构。第一毛细结构中的毛细孔洞相较于第二毛细结构中的毛细孔洞大。均温板的功效系藉由两种不同的毛细结构，产生了不同的的垂直向气化能力与水平向液态输送能力，其提升了工作流体于薄型均温板中的液相及气相循环的效率，进而达到快速的散热功效。
综上所述，本发明提供了一种具有一固化复合材料结构的片状金属元件及其制造方法，其聚合物可使金属颗粒受到保护并且彼此相连，并使固化复合材料结构附着于片状金属基板避免流动。于实务制造时，能够有效地保存以分批生产并且避免金属颗粒氧化、变质、溢漏的可能性，进而可达到自动化作业，提升生产效率。并且，在后续的加工烧结中，片状金属元件上的聚合物可以轻易地被烧除。
藉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 (8)
1.一种具有一固化复合材料结构的片状金属元件，应用于制作一均温板元件及其毛细结构，其特征在于包含有：
一片状金属基板，具有一第一表面，该第一表面具有一沟槽结构；以及
一固化复合材料结构，附着于该沟槽结构内，进一步包含有：
一金属粉末，包含多个金属颗粒；
一金属氧化物粉末，包含有多个金属氧化物颗粒，该些金属氧化物颗粒散布在该些金属颗粒之间，并且该些金属氧化物颗粒包含有多个氧化铜颗粒和多个氧化亚铜颗粒的至少一者；以及
一聚合物，散布在该些金属颗粒之间并至少包覆该些金属颗粒的一部分表面；
其中，该固化复合材料的该些金属颗粒和该些聚合物彼此附着而形成连续性结构，并且该些金属氧化物颗粒用于在烧结时还原拉伸成链状金属铜构件。
2.如权利要求1所述的具有一固化复合材料结构的片状金属元件，其特征在于：该聚合物用于在加热时裂解去除而形成该些金属颗粒间的间隙，且该金属粉末用于在烧结时形成多孔隙的一毛细结构。
3.如权利要求1所述的具有一固化复合材料结构的片状金属元件，其特征在于：该些金属颗粒包含有多个铜颗粒和多个铜合金颗粒的至少一者。
4.如权利要求1所述的具有一固化复合材料结构的片状金属元件，其特征在于：该些氧化亚铜颗粒为平均粒径(D50)小于5微米的八角形立方晶体。
5.如权利要求1所述的具有一固化复合材料结构的片状金属元件，其特征在于：该些聚合物包含有多个可塑性高分子料件和多个合成纤维料件。
6.如权利要求5所述的具有一固化复合材料结构的片状金属元件，其特征在于：该些可塑性高分子料件为聚甲基丙烯酸甲酯材料，该些合成纤维料件为聚酰胺纤维材料。
7.一种具有固化复合材料结构的片状金属元件的制作方法，其特征在于包含如下步骤：
提供具有一沟槽结构的一片状金属基板；
提供一浆料，该浆料混合有一金属粉末、一金属氧化物粉末、一聚合物和一有机溶剂，其中该金属氧化物粉末包含多个金属氧化物颗粒，该些金属氧化物颗粒包含有多个氧化铜颗粒和多个氧化亚铜颗粒的至少一者，并且该些金属氧化物颗粒用于在烧结时还原拉伸成链状金属铜构件；
铺置该浆料于该沟槽结构之中；
加温烘烤该浆料，使该有机溶剂挥发，且该金属粉末、该金属氧化物粉末和该聚合物固化以形成一固化复合材料结构而附着于该片状金属基板的该沟槽结构之中。
8.如权利要求7所述的具有固化复合材料结构的片状金属元件的制作方法，其特征在于：该聚合物粉末用于在加热时裂解去除，使该金属粉末的颗粒与该金属氧化物粉末的颗粒之间形成间隙，藉此使该金属粉末与该金属氧化物粉末在含氢气氛下烧结后形成多孔隙的一毛细结构。
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