CN1997271A - 散热装置和其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种散热装置，其包含一第一电极箔、一第二电极箔、一散热片和一导热高分子介电材料层。所述导热高分子介电材料层叠设于所述二个电极箔与所述散热片之间且具高导热系数(大于1W/mK)。所述导热高分子介电材料层与所述第一、第二电极箔和散热片间的接口包含至少一微粗糙面。所述微粗糙面可利用电着法形成复数个瘤状突出物而成。所述第一电极箔和所述第二电极箔彼此电气分离，用以串接一发热组件并用于电连接到一电源。

Description

散热装置和其制作方法
技术领域
本发明涉及一种散热装置和其制作方法，更具体而言，涉及一具有瘤状突出物的微粗糙面接口的散热装置和其制作方法。
背景技术
参看图1，因金属的导热系数高，常规的散热装置10主要是利用一金属散热片14来散热。但因金属不单单只是导热也会导电，因此散热装置10如果具有导电的正极(第一电极11)和负极(第二电极12)，那么必须在第一电极11、第二电极12与金属散热片14之间设一介电层13(dielectric layer)以防止短路，此介电层13通常可用任何含介电性质的材料，例如：石英、氧化硅、电木或绝缘塑料等。
但是，所述介电层13使用上经常出现无法快速散热以致发热组件(如发光二极管LED)的操作温度升高的问题，造成发热组件寿命快速降低或是在数次冷热冲击后，所述第一电极11、第二电极12与介电层13间的界面，和金属散热片14与介电层13间的接口因过于平滑导致结合力不足而产生剥离，而大幅降低所述介电层13的导热效果；或是因为所述介电层13与金属电极(第一电极11和第二电极12)和金属散热片14之间缺乏足够的结合力而导致散热装置10和其所承载的发热组件毁损。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种散热装置和其制作方法，利用二个金属箔和散热片与导热高分子介电材料层间的粗糙接口，形成一具高结合强度和高散热效率的散热装置，借以快速降低其上所承载的发热组件(例如：发光二极管)的温度，而延长发热组件的使用寿命和提高其可靠度。
为了达到上述目的，本发明揭示一种散热装置，其包含一第一电极箔、一第二电极箔、一散热片和一导热高分子介电材料层。所述二个金属箔与所述金属散热片包含至少一微粗糙面，所述微粗糙面包含复数个瘤状突出物(nodule)，其可由电着法(electrodeposition)形成。所述导热高分子介电材料层叠设于所述二个金属箔与所述金属散热片之间且具高导热系数(大于1.0W/mK)，其上、下表面以微粗糙面物理接触所述二金属箔与所述散热片。
就其制作方法而言，首先提供一金属箔和一散热片，所述金属箔和所述散热片的表面包含至少一微粗糙面，所述微粗糙面可利用电着法(electrodeposition)形成复数个瘤状突出物而成。其次，将一导热高分子介电材料层压合于所述金属箔与所述散热片之间，使得所述至少一微粗糙面与所述导热高分子介电材料层的上、下表面物理接触，其中所述导热高分子介电材料层的导热系数大于1.0W/mK。之后，蚀刻所述金属箔以形成电气分离的一第一电极箔和一第二电极箔。
另外，为增加电极的焊接强度和预防氧化，可在所述第一电极箔和所述第二电极箔的表面分别形成一第一电镀层和一第二电镀层。上述第一电镀层、第二电镀层、第一金属层、第二金属层、导热高分子介电材料层和所述金属散热片形成的结构可利用冲床冲切出一特定形状以供使用。
附图说明
图1是常规的散热装置的结构示意图；
图2到4显示本发明一实施例的散热装置的制作方法；
图5是本发明另一实施例的散热装置的结构示意图；和
图6示范本发明的散热装置结合发热组件的应用示意图。
具体实施方式
以下将通过附图说明本发明的散热装置的详细制作过程。
参看图2，首先提供一上金属箔21和一金属散热片24，其中所述上金属箔21和所述金属散热片24分别包含一微粗糙面210和241。所述微粗糙面210和241利用电着法形成，其表面包含复数个瘤状突出物250，所述瘤状突出物250的尺寸大小分布介于0.1微米到100微米之间。所述上金属箔21的材质以铜、铝或镍为主，还可使用其它金属或合金或多层的复合金属如：镀镍铜箔和镍铜压延箔等。所述金属散热片24的材质则可选自铜或铝。
之后，将一导热高分子介电材料层23热压合于所述上金属箔21和所述金属散热片24之间形成一如图3所示的多层层叠结构。所述微粗糙面210和241与所述导热高分子介电材料层23的上、下表面呈物理接触，其中所述微粗糙面210和241中的瘤状突出物250嵌入所述导热高分子介电材料层23中形成机械式的互锁(mechanical interlocking)，因此所述上金属箔21、所述金属散热片24与中间的导热高分子介电材料层23产生非常强的结合力，即使在冷热温度冲击下仍有良好密实的接口(interface)。另外，在进行上述热压合步骤前，可先利用电镀、溅镀、旋涂、溶液披覆或粉末披覆等非电沉积方法在所述微粗糙面210和241上形成一抗氧化层防止氧化，以加强其与导热高分子介电材料层23的结合强度。所述抗氧化层的材质通常可选用镍、铬、锌、银与其合金等导热系数大于1.0W/mK的材料。所述微粗糙面210和241还可涂上一层化学药剂(如：偶合剂silane)或经由一表面处理方式(如等离子或电晕放电(corona))以便加强与所述导热高分子介电材料层23的结合力，达到稳定的导热性质。
所述导热高分子介电材料层23以高分子材料和至少一高导热介电填充料以适当比例加热混炼再以滚压形成，其中高分子材料因比其它金属或陶瓷材料容易处理和加工，且其本身已具有介电性质，因此适合作为所述导热高分子介电材料层23的基材。几乎大部分高分子材料都可被使用在此应用上，并不限定在以下所列举的材料：橡胶材料(例如：天然橡胶、硅胶、异丁烯胶、SBS或液态橡胶CTBN等)、热塑型塑料(例如：环氧树酯(epoxy)、聚酰胺(polyurethane)或聚酯类(polyester)等)或热固型塑料(例如：聚乙烯(polyethylene)、聚氟化亚乙烯(polyvinylidene fluoride)、聚丙烯(polypropylene)、尼龙(Nylon)、聚酯类(polyester)、ABS塑料或其共聚物。另外上述的热固型塑料还可含功能基如：胺基、酸基、卤基、醇基和环氧基等)。关于高导热介电填充料则可选用一种或数种导热系数大于1.0W/mK的材料，其导热系数的优选值大于5.0W/mK，最佳值大于10W/mK。所述高导热介电填充料的体积电阻值需大于108Ω-cm，优选值大于1010Ω-cm，最佳值大于1012Ω-cm。通常所述高导热介电填充料所占所述导热高分子介电材料层23的体积比介于20％到90％之间，优选值介于30％到80％之间，最佳值介于40％到70％之间。其含量越多，所述导热高分子介电材料层23的导热程度就越好。所述高导热介电填充料主要是金属氮化物，如氮化铝、氮化硼等。其它如金属氧化物、金属硼化物、金属盐类、金属碳化物、硅化合物和石墨等也可选用为高导热介电填充料。有时为了特殊用途还会添加其它如抗氧化剂、防潮剂等，只要混合后的高导热高分子介电材料层23具有散热功能(即导热系数大于1.0W/mK)即可。
另外，所述高导热介电填充料可为粉末形式，其形状可呈现出多种不同样式和结晶的颗粒，例如球体型(spherical)、方体型(cubic)、方体型(cubic)、六面体型(hexagonal)、片状型(flake)、多角型、尖刺型(spiky)、柱状型(rod)、珊瑚型、瘤状型(nodular)和丝线型(filament)等，且其主要粒径介于0.01到30μm之间，优选粒径介于0.1到10μm之间。其主要纵横比(aspect ratio)小于100。
在图3所示的多层结构中，所述导热高分子介电材料层23可以是复数个导热高分子介电材料子层所叠压而形成，其总厚度介于0.01mm到5mm之间，优选厚度是0.05mm到1mm之间，最佳厚度是0.1mm到0.5mm之间。另外，所述导热高分子介电材料层23的颜色主要视所述高导热介电填充料的颜色而定，还可添加其它不同颜色的填充料或颜料或特殊光学粉末(如：荧光粉)，以达到特定应用所需的颜色和功能，一般而言，在发光二极管的应用上较常使用的颜色是白色。
参看图4，接着将所述上金属箔21以蚀刻或精密雕刻方法形成彼此电气分离的一第一电极箔211和一第二电极箔212，其中所述第一电极箔211包含与所述导热高分子介电材料层23接触的一第一微粗糙面2101，所述第二电极箔212包含与所述导热高分子介电材料层23接触的一第二微粗糙面2102。所述第一电极箔211和所述第二电极箔212是作为连接一发热组件(例如：发光二极管)的电极，以形成一导电回路(图未示)。到此即形成本发明的散热装置20。所述金属散热片24为要达到高散热效果和提供坚固不易变形的结构，通常选用稍厚(大于0.05mm)的金属箔，优选厚度是0.07mm到5.0mm，最佳厚度是0.10mm到1.0mm。所述金属散热片24包含一第三微粗糙面240，通过所述第三微粗糙面240与所述导热高分子介电材料层23结合。所述金属散热片24的材料可选用导热性好的金属材料，例如：铝、铜、镁和其合金等。为要防止金属表面在高温下产生氧化反应，所述金属散热片24的表面可镀上一层镍、锌、铬、锡、银或金。于另一实施例中，为了强化散热功能，在所述金属散热片24的底部，还可用锡膏涂布和回焊的方式加焊上一下层散热片(图未示)，此加焊上的所述下层散热片材质可以是金属、陶瓷或其它导热材料。
于另一实施例中可将如图3所示的多层结构(包含所述上金属箔21、所述导热高分子介电材料层23和所述金属散热片24)以蚀刻、钻孔研磨、热成型(thermal forming)或段差冲压方式，将其产生一个三维空间(3D)形状，所述三维空间形状的凹下部位可以作为产生电极的连接处，还可将一发热装置放置于此凹下部位，并填充覆盖物质如荧光粉等。另外，所述下层散热片如果使用金属材质，则可以将所述下层金属散热片的表面以计算机数值控制工具机(CNC)以钻研，冲压或蚀刻等方式，将其表面产生一3D凹陷部，再将所述上层金属箔21与所述导热高分子介电材料层23嵌入所述3D凹陷部，发热组件还可置于所述3D凹陷部。所述3D凹陷部可产生粗糙表面以便与所述导热高分子介电材料层23产生较强的结合力。所述3D凹陷部表面还可披覆一层镍或金电镀层，以便于与发热组件的底部结合。
实际上，本发明散热装置的下层散热片的材质并不限为金属，其它具散热功能的材质也可为本发明所使用。
图5是本发明另一实施例中的散热装置示意图，其为基于图4所示的结构以电镀(electroplating)或溅镀(sputtering)方法在所述第一电极箔211和所述第二电极箔212的表面分别镀上一第一电镀层221和一第二电镀层222，其材料可为金属如金、银、铜、锡、锌或铬等，以增加所述二金属箔211和212与所述发热组件焊接的强度并可预防所述第一电极箔211和所述第二电极箔212的氧化。据此，即可形成一可供承载发热组件(图未示)的散热装置20’。之后，将具有特定功能的电子组件等发热组件30(如LED芯片)置于本发明的散热装置20’上，并以具有导电功能的金属线(或金属片)31和32，以焊接方法连接到所述第一电镀层221和所述第二电镀层222。所述第一电镀层221和所述第二电镀层222分别电连接一电源的正、负极，而形成一如图6所示的具有高散热能力的电子组件导电回路40。另外，可在所述发热组件30与所述导热高分子介电材料层23之间涂上一层散热膏33以增加彼此间的附着力。
为了特定的应用场合，可将图5的散热装置20’利用模具(例如冲床)冲切、晶圆切割或曲线切割等方式制成具特定形状的散热装置。
所述散热片24、第一电极箔211和第二电极箔212与所述导热高分子介电材料层23间的接口并不需均为微粗糙面，只要所述接口中包含至少一微粗糙面，即可某程度达到提高结合强度和散热效率的效果。
本发明的散热装置应用在一发热组件(如：LED)时(如图6的配置)，所述发热组件产生的热量可经本发明的散热装置传导到周围环境中而达到热平衡，此散热功能使发热组件的温度被控制在特定温度之下，而使发热组件不致于因过热而损毁。另外因本发明的散热装置经常在加热和冷却的循环操作之下，通过至少一具复数个瘤状突出物的微粗糙面的二个金属箔和金属散热片与一导热高分子介电材料层压合，使得在金属箔、导热高分子介电材料层、和金属散热片的接口，不会因结合力不足而产生剥离。因此本发明的散热装置确可达到提供一具高结合强度和高散热效率的散热装置，和延长发热组件的使用寿命和提高其可靠度的预期目的。
本发明的技术内容和技术特点已揭示如上，然而所属领域的技术人员仍可能基于本发明的教示和揭示而作种种不背离本发明精神的替换和修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换和修饰，并为以上的权利要求所涵盖。

Claims (23)

1.一种散热装置，其特征在于包含：
一散热片；
一第一电极箔；
一第二电极箔，与所述第一电极箔电气分离；和
一导热高分子介电材料层，其导热系数大于1.0W/mK，且叠设于所述第一和第二电极箔与所述散热片之间形成物理接触，所述导热高分子介电材料层与所述第一、第二电极箔和散热片间的接口包含至少一微粗糙面。
2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于所述微粗糙面包含复数个瘤状突出物。
3.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于所述瘤状突出物是由电着法所形成。
4.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于所述瘤状突出物的大小分布于0.1微米到100微米之间。
5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于所述第一电极箔和所述第二电极箔通过一金属箔经蚀刻分离而成。
6.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于另外包含一第一电镀层和一第二电镀层，其分别位于所述第一电极箔和所述第二电极箔表面以用于焊接时增加强度。
7.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于所述第一电极箔和所述第二电极箔串接一电源和一发热组件形成导电回路。
8.根据权利要求7所述的散热装置，其特征在于所述发热组件为一发光二极管。
9.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于所述导热高分子介电材料层包含至少一高导热介电填充料。
10.根据权利要求9所述的散热装置，其特征在于所述高导热介电填充料为氮化铝或氮化硼。
11.根据权利要求9所述的散热装置，其特征在于所述高导热介电填充料的导热系数大于10.0W/mK。
12.根据权利要求9所述的散热装置，其特征在于所述高导热介电填充料占所述导热高分子介电材料层的体积百分比介于40％到70％之间。
13.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于所述散热片的材质为铜或铝。
14.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于所述导热高分子介电材料层包含复数个导热高分子介电材料子层。
15.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于所述微粗糙面包含一抗氧化层。
16.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于所述散热片的厚度大于0.05mm。
17.一种散热装置的制造方法，其特征在于包含以下步骤：
提供一金属箔和一散热片，且至少所述金属箔和散热片的一表面为微粗糙面：
将一导热高分子介电材料层热压合于所述金属箔与散热片之间，使得所述微粗糙面与所述导热高分子介电材料层形成物理接触，其中所述导热高分子介电材料层的导热系数大于1.0W/mK；和
蚀刻所述金属箔以形成电气分离的一第一电极箔和一第二电极箔。
18.根据权利要求17所述的散热装置的制造方法，其特征在于另外包含以下步骤：在所述第一电极箔和所述第二电极箔的表面分别形成一第一电镀层和一第二电镀层。
19.根据权利要求18所述的散热装置的制造方法，其特征在于另外包含切割所述第一电镀层、第二电镀层、第一电极箔、第二电极箔、金属散热片和所述导热高分子介电材料层的步骤，以形成一具特定形状的散热装置。
20.根据权利要求19所述的散热装置的制造方法，其特征在于所述切割是采用冲切方式。
21.根据权利要求17所述的的散热装置的制造方法，其特征在于所述微粗糙面包含复数个瘤状突出物。
22.根据权利要求21所述的散热装置的制造方法，其特征在于所述瘤状突出物是由电着法所形成。
23.根据权利要求21所述的散热装置的制造方法，其特征在于所述瘤状突出物的大小是分布于0.1微米到100微米之间。
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