CN1845321A - 利用超音波焊接的平板式热管制造方法 - Google Patents

Abstract

一种利用超音波焊接的平板式热管制造方法，用于配合一超音波焊接系统，将薄板状并具可延展性的一第一构件及一第二构件制成一平板式热管，且所述超音波焊接系统包含一用以产生超音波振动的焊头。所述制造方法包含下列步骤：(A)抵接所述焊头于相互叠合的第一、第二构件，以对所述第一、第二构件施予超音波焊接；(B)使所述焊头相对所述第一、第二构件沿一封闭路径移动，且固接的第一、第二构件相互配合界定一空腔；(C)对所述空腔除气及充填；及(D)封闭所述空腔。本发明不但改善以往无法扳折所述平板式热管的困扰，且可加快制造的速度。

Description

利用超音波焊接的平板式热管制造方法

技术领域

本发明涉及一种平板式热管制造方法，特别是涉及一种利用超音波焊接的平板式热管制造方法。

背景技术

热管为目前3C电子产品中效能极佳的导热元件，通常使用于不易安装大型散热鳍片的热源。例如笔记型计算机的微处理器、电视游乐器主机，或是通讯主机。热管的作用，即是将上述热源所产生的热量传导至设有散热鳍片的散热器。热管不但成本低廉，且因为热管是属于被动散热元件，所以热管的工作周期长达数十年。与以往铜质或铝质导热元件不同的是，热管的导热系数不为固定常数。随着热管长向长度的延展，其导热系数反而愈大。此外，以目前业界所制作的热管而言，其导热系数约为铜导热系数的数十倍至数万倍。

参阅图1，一般平板式热管1包含一中空封装体11、一设于所述封装体11内表面的毛细结构12，及容置于所述封装体11内的工作流体13。所述封装体11具有相反的一吸热端111及一散热端112，且所述封装体11内的压力即为所述工作流体13自身的饱和蒸气压，即所述工作流体13是常处于液、气态共存的稳定平衡态。此外，所述毛细结构12具有多数由所述工作流体13所浸润的毛细孔121。

当所述吸热端111受热而略升温时，破坏邻近所述吸热端111工作流体13的稳定平衡态，使邻近所述吸热端111的液态工作流体13蒸发。此时，所述吸热端111的蒸气压大于所述散热端112的蒸气压，使大量气态工作流体13由所述吸热端111流向所述散热端112。由于所述散热端112的温度较低，使邻近所述散热端112的气态工作流体13凝结，过量的液态工作流体13并沿所述毛细孔121流向所述吸热端111，此即完成一将热量由所述吸热端111传导至所述散热端112的导热周期。

由于所述导热周期是借破坏所述工作流体13的稳定平衡态而产生，所以即使所述封装体11二端的温差不大，所述导热周期仍然能持续循环不断，并传导大量的热能。因此，保持所述封装体11内的真空度，以维持所述工作流体13的稳定平衡态即是前述导热周期是否可被执行的关键。

以下进一步以图2说明现有制造所述平板式热管1的方法。

配合参阅图3，步骤191为制备形状相互补的一第一构件113及一第二构件114。所述第一、第二构件113、114均是以导热性佳的相同材质所组成。

步骤192为形成一毛细结构12。所述毛细结构12是以压印的方式直接形成于所述第一、第二构件113、114相向表面的直条沟纹。

步骤193为焊接所述第一、第二构件113、114及一钢管14。以往是涂布封胶或设置焊条等等现有的接着材料，于所述第一、第二构件113、114相向的表面周缘。再固接所述第一、第二构件113、114，使二者相互配合以形成一封装体11，同时所述封装体11具有一供一钢管14插设的角隅115。或者是使所述第一、第二构件113、114焊接点熔融，以使二者相互固接。然而不论是熔融待焊物或使用何种接着材料，所述第一、第二构件113、114接合处之间皆会存有不同于原组成材质的异质介面116(见图4)。

配合参阅图1及图4，步骤194为透过所述钢管14以一除气充填机具15进行充填。目前热管中常用的工作流体13为水，也有使用甲醇或丙醇等等作为工作流体13。不同的工作流体13代表的是热管适用的工作温度，当工作环境超出适用的温度范围时，所述导热周期皆无法被执行。

步骤195为透过所述钢管14以所述除气充填机具15进行除气，以排除气态的所述工作流体13以外的气体。为使所述导热周期可顺利的被执行，所述封装体11内的最佳工作压力应保持在所述工作流体13的稳定平衡态，因此，当所述封装体11内的压力等于所述工作流体13的蒸气压时，即已排除所述工作流体13以外的气体。

步骤196为使一夹合机具16夹合所述钢管14管口，步骤197则为使一剪断机具17剪断经所述夹合机具16夹合的钢管14。至此，所述封装体11已如图1所示的完全封闭。

配参阅图5，步骤198为使一焊缝机具18针对经所述剪断机具17剪断的钢管14进行点焊，以达到完全封口气密的效果。

步骤199为对所述封装体11加工成型。目前笔记型计算机多朝向轻薄短小发展，所以为了安插于电子元件之间以节省空间，使用于笔记型计算机的平板式热管1便不可避免地还需要经过弯折的处理。但是需说明的是，在弯折所述封装体11的过程，容易使形成于步骤193的异质介面116产生断裂或出现裂痕，并影响所述工作流体13的稳定平衡态。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种可以确保成品品质的平板式热管制造方法。

本发明的另一目的在于提供一种弯折加工过程中不受破坏的平板式热管制造方法。

本发明的再一目的在于提供一种利用超音波焊接的平板式热管制造方法。

本发明利用超音波焊接的平板式热管制造方法用于配合一超音波焊接系统，将薄板状并具可延展性的一第一构件及一第二构件制成一平板式热管。所述超音波焊接系统包含一可沿一直线移动，并用以产生超音波振动的焊头，所述制造方法的特征在于：包含下列步骤：

(A)沿所述直线抵接所述焊头于相互叠合的第一、第二构件，以对所述第一、第二构件施予超音波焊接；

(B)使所述焊头相对所述第一、第二构件沿一垂直所述直线的封闭路径移动，且固接的第一、第二构件相互配合界定一空腔；

(C)抽除所述空腔内的气体；

(D)充填一工作流体至所述空腔；及

(E)封闭所述空腔。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明利用超音波焊接的平板式热管制造方法进行详细说明：

图1是一般平板式热管的立体图，说明所述热管的工作原理；

图2是过去制造所述平板式热管的流程图；

图3是一封装体及一钢管的立体图，配合图2说明所述平板式热管的制造流程；

图4是所述封装体、钢管，及一除气充填机具的俯视图，配合图2说明所述平板式热管的制造流程；

图5是所述封装体、钢管，及一焊缝机具的俯视图，配合图2说明所述平板式热管的制造流程；

图6是本发明利用超音波焊接的平板式热管制造方法的第一较佳实施例的流程图；

图7是一平板式热管的立体分解图，配合图6说明所述第一较佳实施例；

图8是一超音波焊接方法的流程图，配合图6说明所述第一较佳实施例；

图9是一超音波焊接系统的立体图，配合图8说明所述超音波焊接方法；

图10是所述超音波焊接系统的未完整侧视图，配合图8说明所述超音波焊接方法；

图11是一焊齿的仰视图，配合图8说明所述超音波焊接方法；

图12是一封装体及一除气充填管的俯视图，配合图6说明所述第一较佳实施例；

图13是所述封装体、除气充填管、一除气充填机构，及一封口机构的侧视剖切图，配合图6说明所述第一较佳实施例；

图14是所述封装体、除气充填管，及一焊缝机构的侧视剖切图，配合图6说明所述第一较佳实施例；

图15是另一封装体的俯视图，说明本发明利用超音波焊接的平板式热管制造方法的第二较佳实施例；及

图16是所述封装体、除气充填机构，及所述封口机构的侧视剖切图，说明所述第二较佳实施例。

具体实施方式

为了方便说明，以下的实施例，相同的元件以相同标号表示。

如图6所示，本发明利用超音波焊接的平板式热管制造方法的第一较佳实施例包含步骤91至99。

配合图7所示，在步骤91中，以现有的金属加工方式制成形状互补的一薄板状第一构件31及一薄板状第二构件32，二者的组成材质可为铜或铝，也可为其它具可延展性且导热性佳的材质。所述第一、第二构件113、114的组成材质可为相同或不相同的材质所组成，且二者均在相对位置处形成一供一除气充填管35设置的角隅37。

在步骤92中，以现有的金属加工方式制成一毛细结构4，其组成材质可为铜、铝或其它导热性佳的材质。所述毛细结构4在本较佳实施例中为一金属网，并具有多数相互通连的毛细孔41。这里所指的毛细孔41为可使液体产生毛细现象的细微孔洞，也就是说，当所述毛细结构4某一部份与一液体接触时，所述液体即可迅速借由所述毛细孔41扩散至所述毛细结构4其它部份，且所述扩散过程与重力方向无关。因此，所述毛细孔41的实际大小需视所述毛细结构4的组成材质，及配合所述毛细结构4使用的液体而定。此外，当所述第一、第二构件31、32及所述毛细结构4相互叠合时，所述第一、第二构件31、32的外缘突出所述毛细结构4的外缘。

步骤93为配合一超音波焊接系统2组合所述第一、第二构件31、32及所述除气充填管35。

如图9、10与图11所示，所述超音波焊接系统包含一本体20，及分别由所述本体20一端同向延伸出，且沿一直线X排列的一载台21及一焊头22，所述焊头22并用以产生振动方向垂直于所述直线X的超音波振动。另外，为防止所述第一、第二构件31、32因受超音波振动影响而产生相对滑动，所述载台21与所述焊头22分别具有沿所述直线X排列的一止滑片211，及一焊齿221，所述焊齿221邻近所述止滑片211的端面并形成多数相互配合以提供所述第一、第二构件31、32相当侧向摩擦力的凸伸部222及凹陷部223(见图11)。

如图8、10所示，步骤93包括下列子步骤：

步骤931-分别依序叠合所述第二构件32、毛细结构4，及所述第一构件31于所述止滑片211。由于此处只需焊接所述第一、第二构件31、32，因此叠合时，只有所述第一、第二构件31、32突出所述毛细结构4的外缘对准所述焊齿221及所述止滑片211的相对位置。

步骤933-使所述焊齿221沿所述直线X邻近所述止滑片211，并抵接于所述第一构件31，且借由所述焊齿221及所述止滑片211的相互邻近，使所述第一、第二构件31、32突出所述毛细结构4的外缘相互抵接。

步骤935-所述焊头22以垂直所述直线X方向施予超音波振动。施加的超音波振动视所述第一、第二构件31、32组成的材质而定，一般频率约为20至40千赫且振幅为60微米。施加的超音波振动使所述第一、第二构件31、32之间受力相互磨擦，并移除位于所述第一、第二构件31、32表面的金属氧化层及杂质，最后使所述第一、第二构件31、32露出的干净表层紧密结合。

步骤937-移动所述第一、第二构件31、32。也就是施予所述第一、第二构件31、32垂直于所述直线X的张力，使所述焊齿221相对所述第一、第二构件31、32沿所述第一、第二构件31、32外缘移动，以形成一封装体3(见图12)。

相较于其它需要执行多数步骤的焊接技术，如：电阻热焊接、激光焊接、硬焊接，及软焊接，超音波金属焊接只需一步骤即可达到相同的功效目的。超音波金属焊接技术不但排除加热用焊条，且不需要焊接前置作业或焊接后续清理。另外，超音波金属焊接所须的能量不高(约一般熔焊的1/30)，不但执行过程中不使用有毒的化学物质，也不产生致命的焊接浓烟，而且超音波金属焊接技术可被及时的监控，及精确的操作，以确保成品的品质。

除此以外，超音波金属焊接属于一低温的处理程序。一般而言，因摩擦而产生的高温低于被焊接物熔点的三分之一。正因为产生的热量不多，所以不需额外用水冷却冶具，且由于被焊接物不需经过熔化及退火(anneal)过程，因此已焊接的被焊接物即可直接进入下一道处理程序，以加快制造速度。

上述的低温特性在热管的使用中极为重要。在熔融焊接的过程中，易产生一些不具导电性且易碎的金属互化物(intermetallic compound)，且所述化合物会降低焊接点的延展性。由于超音波金属焊接并不造成被焊接物的熔融，因此也不产生所述破坏延展性的化合物。

如图12、13所示，最后形成的封装体3界定出一空腔33，且受焊接处并相对所述焊齿221的外型(见图11)形成一压纹36。若所述压纹36愈密，则所述封装体3的密闭封装性愈佳。所述毛细结构4位于所述空腔33，且二相背的侧面分别接触所述封装体3内表面，借此，热能即可自所述封装体3传导至所述毛细结构4，或自所述毛细结构4传导至所述封装体3。

需说明的是，前述步骤91至步骤93只是本较佳实施例而已，实际使用时，也可在步骤92中使所述毛细结构4直接以压印或篆刻等现有加工技术形成于所述第一、第二构件31、32二相对的表面。则在步骤93以超音波焊接组合所述第一、第二构件31、32后，也可获得类似的构造。

如图6、13所示，在步骤94中，透过所述除气充填管35以一除气充填机构6进行充填一工作流体5至所述空腔33。所述工作流体5可为水，也可使用甲醇或丙醇等等作为工作流体5，实施上并不以此为限。所述除气充填机构6是借由泵浦推动的方式进行充填所述工作流体5，且每次充填的容量固定，以使所述工作流体5完全浸润所述毛细孔41。

步骤95同样是透过所述除气充填机构6降低所述除气充填管35及所述空腔33内的压力，使所述空腔33的压力值等于所述工作流体5工作温度下的蒸气压，以排除所述空腔33内多余的气体。

此处需说明的是，透过所述除气充填机构6执行步骤94及步骤95只为本较佳实施例而已，在实施上不应以使用的机具为限制。目前业界常用的方式：人工充填及真空泵除气，也可达到相同的功效，因此也可用于执行步骤94及步骤95。

步骤96及步骤97是利用一封口机构7封闭所述空腔33。所述封口机构7包含一夹合件71及一剪断件72，二者皆是以水压或油压等目前业界常用的驱动方式驱动。步骤96为使所述夹合件71夹合所述除气充填管35管口，步骤97则为使所述剪断件72剪断经所述夹合件71夹合的除气充填管35，并形成一裁截断面351。至此，所述空腔33已完全封闭。

如图6、14所示，步骤98为使一焊缝机构8针对所述裁截断面351进行焊缝，以达到完全封口气密的效果。实施方式包括以点胶或点焊等技术焊缝。点胶是利用环氧树脂(Epoxy resin)、硅胶，或UV胶等现有的胶着体黏着于所述裁截断面351以达永久气密。点焊的一种方式为使用所述超音波焊接系统2施予焊接，实施的方式与步骤93类似，所以此处不再赘述。点焊的另一种方式为锡膏或银锡对所述裁截断面351进行热焊，也就是将锡膏或银锡设于所述裁截断面351后，再送入回焊炉或以热风枪使锡膏或银锡熔融，并黏着于所述裁截断面351以达永久气密。诚如熟悉所述项技艺人士所能做的简单联想，可使用于金属焊缝的技术并不只限于上述几种方式，因此上述只是本较佳实施而已，并不限定其它可能的实施方式。

最后，步骤99为对所述封装体3加工成型。由于所述封装体3并不具有其它焊接方式所形成的异质介面116(见图4)，因此在弯折所述封装体3的过程并不产生断裂或裂痕，并排除影响所述工作流体5稳定平衡态的可能性。

如图15、16所示，本发明利用超音波焊接的平板式热管制造方法的第二较佳实施例与所述第一较佳实施例类似，惟不同处在于，组合后的封装体3不具有所述第一较佳实施中所述的角隅37(见图12)，但是还包含一突出部34，并于所述突出部34侧面形成一开口341。因此在本较佳实施例中，所述除气充填管35是于所述封装体3组合后，再以焊接或胶合等现有方式连接至所述开口341，并连通所述空腔33。

此外，步骤96及步骤97的夹合及剪断动作是实行于所述突出部34，而非所述除气充填管35。借此省去在步骤93中以超音波焊接时，需同时焊接所述除气充填管35的不便。同样地，在步骤98中，则是针对所述突出部34已裁截的一裁截段342进行点焊。

本发明利用所述超音波焊接系统2的特性，改善以往在扳折所述封装体3时，利用焊接或胶合等方式连接的接合处会产生断裂或裂痕的缺点。且利用超音波金属焊接不需额外用水冷却冶具，可加快制造流程的速度。

Claims (7)

1.一种利用超音波焊接的平板式热管制造方法，用于配合一超音波焊接系统，将薄板状并具可延展性的一第一构件及一第二构件制成一平板式热管，所述超音波焊接系统包含一可沿一直线移动，并用以产生超音波振动的焊头，所述制造方法的特征在于：包含下列步骤：

(A)沿所述直线抵接所述焊头于相互叠合的第一、第二构件，以对所述第一、第二构件施予超音波焊接；

(B)使所述焊头相对所述第一、第二构件沿一垂直所述直线的封闭路径移动，且固接的第一、第二构件相互配合界定一空腔；

(C)抽除所述空腔内的气体；

(D)充填一工作流体至所述空腔；以及

(E)封闭所述空腔。

2.如权利要求1所述的利用超音波焊接的平板式热管制造方法，其特征在于：步骤(C)包括下列子步骤：

(C-1)嵌插一连通所述空腔的除气充填管于所述第一、第二构件之间；以及

(C-2)降低所述除气充填管内压以进行除气。

3.如权利要求1所述的利用超音波焊接的平板式热管制造方法，其特征在于：

步骤(D)是借由一连通所述空腔的除气充填管充填所述工作流体。

4.如权利要求1所述的利用超音波焊接的平板式热管制造方法，其特征在于：

所述制造方法还包含步骤(F)叠置一毛细结构于所述第一、第二构件之间。

5.如权利要求1所述的利用超音波焊接的平板式热管制造方法，其特征在于：

所述制造方法还包含步骤(G)焊缝所述开口以密封所述空腔。

6.如权利要求5所述的利用超音波焊接的平板式热管制造方法，其特征在于：

步骤(G)是以点胶方式焊缝所述开口。

7.如权利要求5所述的利用超音波焊接的平板式热管制造方法，其特征在于：

步骤(G)是以点焊方式焊缝所述开口。

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