CN219718887U - 整合式均热板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种整合式均热板，至少包括金属上盖板、金属下盖板、工作空间、毛细结构及工作流体。金属上盖板包括有冷凝内表面，冷凝内表面具有相互平行排列的复数条上沟槽以及凸起于沟槽之间的复数个支撑结构。金属下盖板包括有吸热外表面及蒸发内表面，吸热外表面具有至少一凹陷空间，用以容置放热元件，蒸发内表面具有相互平行排列的复数条下沟槽。工作空间由金属上盖板的上边框与金属下盖板的下边框相互接合所形成的气密空间，所述复数个支撑结构从冷凝内表面凸起延伸并接抵蒸发内表面的下沟槽之间，以支撑工作空间。毛细结构位于下沟槽内。工作流体，存在于工作空间及毛细结构。

Description

整合式均热板

技术领域

本实用新型有关于一种均热板，特别是一种整合式均热板。

背景技术

高功率电子元件是新世代的半导体元件，随着5G通信和人工智能的普及，数据中心服务器被要求以更高频率运行和具有更多功能性的需求。然而，为满足高速通信和计算，高功率电子元件或芯片处理器运作时因其高功率密度而无可避免地伴随着大量热量的产生，日益增加的发热量，若无法有效且及时地散去蓄积在电子元件的热量，将会大大地影响电子元件运作的可靠性，而限制其应用的发展，因此必须采用更高效率的冷却系统或模块来加速热量排除，保障芯片的稳定运作。

5G通信的发展，小芯片封装将可望成为未来先进制程的新趋势，因此，国际大厂如英特尔、台积电、日月光、超微、安谋、微软及高通等大厂宣布打造UCIe(Universal ChipletInterconnect Express)产业联盟，以此将小芯片封装整合多个小芯片，以达到更快速的运算速度。可预期的是，将多个小芯片整合后，这些芯片运算所产生的热量将会比以往更多，若散热系统没有同步跟上整合的脚步，芯片蓄积的热量无法及时、有效地排除，影响所及的，将会是造成整体芯片系统的不稳定。常见的散热系统采用将发热的电子元件，例如：CPU、GPU，通过导热膏将一导热金属保护壳黏贴于其上，以此使热量得以扩散至整个金属保护壳。接着，再将鳍片式散热器以导热膏黏贴于金属保护壳上，利用高速风扇或水冷来加速散热器散热。然而，现今电子元件的运算速度一日千里，这样的散热效率已无法及时且有效地排除电子元件运算时所产生巨量的热，因此，新一代的散热模块将目前散热效率最快速的均热板导入并架构在上述金属保护壳与散热器之间，以此可以大量、快速带走电子元件所产生的热量。

均热板是利用其密闭工作腔室中的工作流体的相变化来快速散热，是现阶段导热效率最高的散热方式。利用近真空腔室内的工作液体快速汽化及凝结过程所涉及的大量汽化潜热来实现快速散热的目的。均热板的导热效率可达10000W/(m²·℃)以上，可达到传统空气对流或液体对流的导热效率的几十倍以上，且均热板的整体厚度可达到仅3.0mm左右，目前已广泛应用在薄型化行动装置及薄型笔记本电脑上。

然而，当大量的热从电子元件产生时，需先通过导热膏将热传导并分散到金属保护壳，接着再通过导热膏将金属保护壳的热量进一步传导到均热板，再通过均热板快速带走大量的热。而导热膏的散热效率远远不及一般金属保护壳以及均热板，在整体散热系统中成为了最大的热阻，严重降低了均热板的散热效率表现。再者，为了能够与电子元件紧密且平整地接触，使热量能够有效传导到金属保护壳，金属保护壳所使用的材质大多为硬度较高、不易变形的铝镁合金或其他合金，而无法使用材质较软但导热系数较高的纯铜当金属保护壳，因此也会对整体散热系统造成热阻。为了能提高散热效率，有鉴于上述问题，本实用新型提出一种整合式均热板，以冷锻造方式，以纯铜制作具有硬度较高的均热板，并通过在均热板的吸热表面预留一凹陷空间来容置并直接接触电子元件，将原本的金属保护壳与均热板以同一金属片一体成型锻造而成一整合式均热板，排除电子元件与均热板之间因异质界面所产生的热阻，以提高散热效率。

本实用新型的整合式均热板除了可应用于单一电子元件的散热外，为因应未来5G通信整合多个小芯片封装，本实用新型亦可以在均热板的吸热表面预留多个符合芯片形貌的容置空间，直接将多芯片的保护壳和均热板制作成一体成型，均热板可与芯片组直接接触加速导热效率，不需再通过导热膏当介质，可应用于行动装置内多芯片的散热。

此外，本实用新型的整合式均热板采用冷锻造制造方式对金属片(例如：铜)进行加工成型，接着再搭配CNC修饰加工，在锻造过程不需将金属预先加热并退火，因此锻造后的金属其内部晶粒组织不会因为退火而导致孔洞、组织肥大化而降低热传导系数。相反地，经冷锻造加工后的金属，因无加热过程，其内部晶粒组织仍可维持相当致密，且经过锻造后的金属更具有钢性、致密性提高的优点，经检测后，其金属的导热系数及热扩散系数更可进一步提高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种整合式均热板。

本实用新型一实施例提出一种整合式均热板，至少包括金属上盖板、金属下盖板、工作空间、毛细结构及工作流体。金属上盖板包括有散热外表面及冷凝内表面，冷凝内表面周边设有适当高度的边框，边框上设有上通道槽，且冷凝内表面具有相互平行排列的复数条上沟槽以及凸起于沟槽之间的复数个支撑结构。金属下盖板包括有吸热外表面及蒸发内表面，吸热外表面具有至少一凹陷空间，用以容置放热元件，蒸发内表面周边设有适当高度的边框，边框上设有下通道槽，且蒸发内表面具有相互平行排列的复数条下沟槽。工作空间由金属上盖板的上边框与金属下盖板的下边框相互接合所形成的气密空间，其中，金属上盖板的冷凝内表面与金属下盖板的蒸发内表面彼此相对，且上沟槽与下沟槽的排列可相互映射重叠对齐，所述复数个支撑结构从冷凝内表面凸起延伸并接抵蒸发内表面的下沟槽之间，以支撑工作空间。抽气通道，由上通道槽与下通道槽对应接合所构成，可用以对工作空间抽气。毛细结构位于下沟槽内。工作流体存在于工作空间及毛细结构。

其中，该金属上盖板整体包含该支撑结构是以冷锻造方式将一金属片一体成型锻造而成，且该金属下盖板整体是以冷锻造方式将一金属片一体成型锻造而成。

其中，该金属片为纯铜，且该上盖板及该下盖板具有维氏硬度约为90HV～120HV。

其中，该金属片为纯铜，且该上盖板及该下盖板具有导热系数约为400W/(m·K)～430W/(m·K)。

其中，该上盖板及该下盖板具有热扩散系数约为90mm²/sec～120mm²/sec。

其中，该支撑结构为柱状。

其中，该凹陷空间为复数个，用以容置复数个电子元件。

其中，每一该凹陷空间具有相同或不同的形状及容积，用以同时容置复数个相同或不同形状及体积的电子元件。

其中，该凹陷空间从该吸热外表面向该蒸发内表面方向凹陷但并不凸起于对应的该蒸发内表面。

其中，该金属上盖板与该金属下盖板相互接合后，以焊接方式结合。

其中，该工作流体为纯水。

其中，该工作空间的气压小于1x10^-3 torr。

附图说明

图1-图3为一般常见的散热模块示意图。

图4及图5A-图5B为本实用新型一实施例的整合式均热板结构示意图。

图6A-图6B为本实用新型一实施例的整合式均热板的金属上盖板结构示意图。

图7A-图7B为本实用新型一实施例的整合式均热板的金属下盖板结构示意图。

图8A-图8B为本实用新型另一实施例的整合式均热板的金属下盖板结构示意图。

图9为本实用新型一实施例的另一实施例的整合式均热板的金属下盖板应用示意图。

附图标记说明：10、20、30-现有技术的散热模块；80-本实用新型的均热板示意图；100-基板；200-电子元件；300-金属保护壳；400-导热膏；500-散热器；600-均热板(现有技术)；800-金属上盖板；810-散热外表面；820-冷凝内表面；830-上沟槽；840-支撑结构；880-上边框；881-上通道槽；900、901-金属下盖板；910-吸热外表面；920-蒸发内表面；930-下沟槽；940-凹陷空间；980-下边框；981-下通道槽；1010-焊接槽；1020-工作空间；1040-毛细结构；1080-抽气通道。

具体实施方式

以下将参照相关图式，说明本实用新型的整合式均热板的实施例，为了清楚与方便图式说明之故，图式中的各部件在尺寸与比例上可能会被夸大或缩小地呈现。在以下描述及/或权利要求书中，所使用的技术词汇应以本技术领域的通常知识者所习知惯用的意思予以解释，为使便于理解，下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。在本说明书所述，“约”一词通常是指实际数值在一特定数值或范围的正负10％、5％、1％或0.5％之内。“约”一词在本文中代表实际数值落在平均值的可接受标准误差之内，视本实用新型所属技术领域中具有通常知识者的考虑而定。除了实施例外，或除非另有明确的说明，当可理解此处所用的范围、数量、数值与百分比均经过“约”的修饰。因此，除非另有说明，本说明书与权利要求书所揭示的数值或参数皆为约略的数值，且可视需求而更动。

请参阅图1，其为一般现有用于电子元件如CPU或GPU的散热模块10，包括：基板100、电子元件200、金属保护壳300及散热器500；其中，发热的电子元件200先以导热膏400黏贴于金属保护壳300后，再将散热器500以导热膏400黏贴于金属保护壳300外表面以加速散热。

随着电子元件运算能力的提升，一般散热模块已无法有效率地进行散热，因此，为能更进一步提高散热能力，新一代的散热模块导入了散热效率较传统对流式散热效率高上数十倍的均热板600。一般常见的设计，如图2所示的散热模块20，会在传统散热模块的金属保护壳300及散热器500之间插入一均热板600，均热板600与金属保护壳300或散热器500之间皆施以导热膏400使彼此紧密黏贴。然而这样的做法，与传统散热模块相比，多了一层导热系数较低的导热膏400于散热系统内，使得整体散热系统因多了一道热阻而无法发挥散热效率。

为了不增加热阻，请参阅图3，另一种散热模块30的设计是直接将均热板600以导热膏400黏贴于电子元件200上，当热源从电子元件200产生时，热的传递经过导热膏200传导给散热效率较高的均热板600，而均热板600吸收热之后，其内部空间的工作流体会快速汽化形成蒸气，均热板600上方因接有散热器500，因此当蒸气快速上升并接触上方外接有散热器500较冷的表面时，蒸气便会凝结，并通过相变化释放大量的热，这些大量的热再经过导热膏400传导到散热器500，再由空气对流带走热量。由于一般均热板600总厚度仅约3mm，这样的做法最大的问题在于，以材质较软的纯铜所制成的均热板600在长期使用下容易产生变形、翘曲，使电子元件200与均热板600之间失去完整密合而无法有效传递热量而增加热阻。有感于此，本创作人以冷锻造方式，并通过在均热板下盖板的吸热表面预留电子元件的容置空间，来制作高硬度、抗形变，且能包覆电子元件200，提高散热效率的均热板。

请参阅图4及图5A-图5B，其为本实用新型一实施例的整合式均热板80，至少包括：金属上盖板800，包括有散热外表面810及冷凝内表面820，冷凝内表面820周边设有适当高度的上边框880，上边框880上设有上通道槽881，且冷凝内表面820具有相互平行排列的复数条上沟槽830以及凸起于沟槽之间的复数个支撑结构840；金属下盖板900，包括有吸热外表面910及蒸发内表面920，吸热外表面910具有至少一凹陷空间940，用以容置放热元件，蒸发内表面920周边设有适当高度的下边框980，下边框980上设有下通道槽981，且蒸发内表面920具有相互平行排列的复数条下沟槽930；工作空间1020，其由金属上盖板800的上边框880与金属下盖板900的下边框980相互接合所形成的气密空间，其中，金属上盖板800的冷凝内表面820与金属下盖板900的蒸发内表面920彼此相对，且上沟槽830与下沟槽930的排列可相互映射重叠对齐，所述复数个支撑结构840从冷凝内表面820凸起延伸并接抵蒸发内表面920的下沟槽930之间，以支撑工作空间1020；抽气通道1080，由上通道槽881与下通道槽981对应接合所构成，可用以对工作空间1020抽气；毛细结构1040，位于下沟槽930内；工作流体，存在于工作空间1020及毛细结构1040。在一实施例中，所述整合式均热板80的上边框880及下边框980上进一步具有一焊接槽1010，用以焊接接合金属上盖板800及金属下盖板900，以形成均热板80。

请参阅图6A及图6B，其为本实用新型的整合式均热板的金属上盖板800，在本实施例中，本实用新型的整合式均热板的特征在于所述的金属上盖板所包括的形状及结构特征，例如支撑结构，均直接以冷锻造方式形成于同一片金属上而非再烧结或外接，也就是说，金属上盖板整体为同一金属片一体成型锻造而成所述的形状及结构特征，再以一般CNC工法加以修饰而成。进一步说明，本实施例的整合式均热板的金属上盖板800，其冷凝内表面820所具有的复数个支撑结构840是直接以冷锻造方式形成于冷凝内表面820，与金属上盖板800的冷凝内表面820不可拆分，也并非于金属上盖板800成形后再进行烧结接合，并非如一般做法为以成形后烧结方式再将支撑结构840外接于冷凝内表面820上。

请参阅图7A及图7B，其为本实用新型发明的整合式均热板的金属下盖板900，在本实施例中，本实用新型发明的整合式均热板的特征在于所述的下盖板所包括的形状及结构特征，均直接以冷锻造方式形成于同一片金属上，包括金属下盖板900的吸热外表面910的凹陷空间940，接着再以CNC加工修饰而成。此外，以冷锻造方式所制作的金属下盖板900，其吸热外表面910的凹陷空间940从吸热外表面910向蒸发内表面920方向凹陷但并不凸起于对应的蒸发内表面920，有别于一般冲压制程一面凹陷时，相对应的另一面便会有相对应的凸起。

一般而言，制作如上述本实用新型的整合式均热板的一体成型上盖板的方法，可采用蚀刻制程或复合加工制程(例如：整合冲压制程及铣床)再搭配烧结方式。蚀刻制程的优点在于可蚀刻出较为复杂的结构，一般用于传统加工制程不易制作的产品上。而复合加工制程的优点在于所使用的大多为成熟的制造方法，不需经过太多开发便可生产。然而蚀刻制程需耗费较长制程时间，且会有加工表面不平整而需要二次加工的问题，复合加工制程则需要花费较多的步骤及时间来生产制造。

本实用新型的整合式均热板采用冷锻造方式来制作金属上盖板800及金属下盖板900的形状及结构。与蚀刻制程或复合加工制程不同之处在于，冷锻造方式是利用将欲加工的金属片(或金属块)置于一母模中，接着在室温下以公模持续锻打该金属片，使其成形。本技术领域的通常知识者应能理解，所述冷锻造方式是在锻造过程不需如一般冲压制程将金属预先加热软化并退火，因此锻造后的金属其内部晶粒组织不会因为退火而导致孔洞、组织肥大化而降低热传导系数。经冷锻造加工后的金属，因无加热过程，其内部晶粒组织仍可维持相当致密，且可减少内部的气孔等缺陷，经过锻造后的金属表面更为平整，可与电子元件有更紧密的接触而减少接触不良的热阻，并更具有钢性及致密性提高、不易变形的优点，经检测，锻造后的金属，其导热系数及热扩散系数比锻造前更高，亦即本实用新型的整合式均热板的散热效率比一般传统制程更高。

在本实用新型一实施例的整合式均热板，所述的金属上盖板800及金属下盖板900使用导热系数及热扩散系数较高的金属片(例如：纯铜)经冷锻造后一体成型形成上述的结构。

在另一实施例中，所述整合式均热板的金属上盖板800及金属下盖板900使用导热系数及热扩散系数较高的纯铜来制作，且经冷锻造后所制造出来的金属上盖板800及金属下盖板900具有维氏硬度约为90HV～120HV，例如具有维氏硬度约为95HV～120HV、100HV～120HV、105HV～120HV、110HV～120HV、115HV～120HV，较佳为115HV～117HV。

在另一实施例中，所述整合式均热板的金属上盖板800及金属下盖板900使用导热系数及热扩散系数较高的纯铜来制作，且经冷锻造所制造出来的金属上盖板800及金属下盖板900具有导热系数约为400W/(m·K)～430W/(m·K)，例如具有导热系数约为405W/(m·K)～430W/(m·K)、410W/(m·K)～430W/(m·K)，较佳为420W/(m·K)～430W/(m·K)。

在另一实施例中，所述整合式均热板的金属上盖板800及金属下盖板900使用导热系数及热扩散系数较高的纯铜来制作，且经冷锻造后所制造出来的金属上盖板800及金属下盖板900具有热扩散系数约为90mm²/sec～120mm²/sec，例如具有热扩散系数约为95mm²/sec～120mm²/sec、100mm²/sec～120mm²/sec、105mm²/sec～120mm²/sec、110mm²/sec～120mm²/sec、115mm²/sec～120mm²/sec，较佳为115mm²/sec～117mm²/sec。

本领域的通常知识者应能了解，上述维氏硬度、导热系数及热扩散系数等数值范围为纯铜经冷锻造后才具有这样的物理特性，这些物理特性有别于经由其他加工手段的材料特性，亦为本实用新型的关键技术特征之一。在本实用新型的整合式均热板的一实施例中，所述整合式均热板的金属上盖板800及金属下盖板900使用纯铜来制作，且经冷锻造后的材料特性委请第三方测量单位(圆合公司；YUANHE)进行维氏硬度、导热系数及热扩散系数等物理特性测量，所得数值与经由传统复合加工制程(结合传统冲压、CNC制程)后的材料特性进行比较，如下表一所示。

表一

	冷锻造方式	传统复合加工
			维氏硬度(HV)	115～117	85～87
导热系数(W/m·K)	约430	约395
			热扩散系数(mm2/sec)	115～117	85～87

从表一所测得的数值来看，本领域的通常知识者应可清楚了解以冷锻造方式所制得的整合式均热板，因其制程的特性会赋予材料在散热方面更佳的物理特性，与传统复合加工方式比较更具有显著的优势。应了解，这些物理特性的提升程度与所需历经冷锻造过程中的锻打次数、力道有关，锻打次数愈多、力道愈大，上述各数值会相对愈高，因此，经冷锻造后，上述数值皆会优于一般传统加工。

请参阅图8A及图8B，其为本实用新型的整合式均热板的另一实施例的金属下盖板901，其中金属下盖板901的吸热外表面910进一步包括复数个凹陷空间940，该复数个凹陷空间940从吸热外表面910向蒸发内表面920方向凹陷但并不凸起于蒸发内表面920，用以容置复数个电子元件。请参阅图9，其为本实用新型发明整合式均热板的另一实施例的金属下盖板901，如图所示，所述复数个凹陷空间940具有相同或不同的形状及容积，可依照电路板上的芯片组中各个小芯片的大小、形状，客制化制作出可用以同时容置各式相同或不同形状及体积的电子元件的复数个凹陷空间940，例如可同时容置5G服务器芯片组的整合式均热板(如图8A所示意)。当外部电子元件容置于吸热外表面910的复数个凹陷空间940时，可进一步在电子元件与吸热外表面910之间加入导热效率良好的导热材料以减少接触表面些微不平整所导致的热阻，例如导热膏或石墨薄片，使电子元件得以与吸热外表面910密合，提高散热效率。应了解，本实用新型的整合式均热板的任一实施例中，金属下盖板900及901是利用冷锻造方式一体成型锻造而成。在一实施例中，是使用热扩散系数较高、导热系数较高的纯铜以冷锻造方式一体成型锻造而成，因此，所制造出来的纯铜金属下盖板其硬度、钢性都会比以一般传统加工制程方式所制成的更高，较不易有变形的情况发生。

在本实用新型整合式均热板的一实施例中，所述支撑结构为柱状。

在本实用新型整合式均热板的一实施例中，所述工作流体为纯水。

在本实用新型整合式均热板的一实施例中，所述工作空间的气压小于1x10^-3torr、1x10^-4 torr、1x10^-5 torr。

当然，上述各实施例仅用于举例说明而非限制本实用新型的范围，任何根据上述实施例的整合式均热板而进行的等效修改或变更仍应包含在本实用新型的保护范围内。

值得一提的是，现有的散热模块大多会在均热板与电子元件之间再加一金属保护壳，主要原因是因为为了追求薄型化的电子产品，目前均热板的厚度大约只有3mm左右，所使用的大多是导热较好但材质较软的纯铜来制作。为了避免长时间高温下发生变形而影响散热效率，金属保护壳通常使用材质钢性较高但导热效率较纯铜差的铝镁合金来制作。再加上金属保护壳需再通过导热膏将热传递到均热板上进行散热，相较于本实用新型的整合式均热板，直接将金属下盖板做成可取代金属保护壳，排除了铝镁合金及导热膏的热阻，因此本实用新型将比传统散热模块具有更佳的散热效率。此外，相较其他一般传统加工方式而言，冷锻造方式除可赋予材料晶粒组织更细密，且减少内部的气孔等缺陷，材料因而能得到较高的强度、抗形变及抗疲劳等优良机械性质，更能提高材料的导热效率及热扩散效率，所制成的整合式均热板在散热效率的表现上以及耐用性、可靠性上也会优于一般类似结构的散热模块。

本实用新型在突破现有技术下，确实已达到所欲增进的功效，且也非熟悉该项技艺者所易于思及。

以上所述仅为举例性，而非为限制性的。其它任何未脱离本实用新型的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应该包含于权利要求书的范围中。

Claims (12)

1.一种整合式均热板，其特征在于，至少包括：

一金属上盖板，包括有一散热外表面及一冷凝内表面，该冷凝内表面周边设有适当高度的一上边框，该上边框上设有一上通道槽，且该冷凝内表面具有相互平行排列的复数条上沟槽以及凸起于该沟槽之间的复数个支撑结构；

一金属下盖板，包括有一吸热外表面及一蒸发内表面，该吸热外表面具有至少一凹陷空间，用以容置放热元件，该蒸发内表面周边设有适当高度的一下边框，该下边框上设有一下通道槽，且该蒸发内表面具有相互平行排列的复数条下沟槽；

一工作空间，其为由该金属上盖板的该上边框与该金属下盖板的该下边框相互接合所形成的气密空间，其中，该金属上盖板的该冷凝内表面与该金属下盖板的该蒸发内表面彼此相对，且该上沟槽与该下沟槽的排列相互映像重叠对齐，该复数个支撑结构从该冷凝内表面凸起延伸并接抵该蒸发内表面的该下沟槽之间，以支撑该工作空间；

一毛细结构，位于该下沟槽内；

一工作流体，存在于该工作空间及该毛细结构中。

2.如权利要求1所述的整合式均热板，其特征在于，该金属上盖板整体包含该支撑结构是以冷锻造方式将一金属片一体成型锻造而成，且该金属下盖板整体是以冷锻造方式将一金属片一体成型锻造而成。

3.如权利要求2所述的整合式均热板，其特征在于，该金属片为纯铜，且该上盖板及该下盖板具有维氏硬度约为90HV～120HV。

4.如权利要求2所述的整合式均热板，其特征在于，该金属片为纯铜，且该上盖板及该下盖板具有导热系数约为400W/(m·K)～430W/(m·K)。

5.如权利要求2所述的整合式均热板，其特征在于，该上盖板及该下盖板具有热扩散系数约为90mm²/sec～120mm²/sec。

6.如权利要求2所述的整合式均热板，其特征在于，该支撑结构为柱状。

7.如权利要求2所述的整合式均热板，其特征在于，该凹陷空间为复数个，用以容置复数个电子元件。

8.如权利要求7所述的整合式均热板，其特征在于，每一该凹陷空间具有相同或不同的形状及容积，用以同时容置复数个相同或不同形状及体积的电子元件。

9.如权利要求2所述的整合式均热板，其特征在于，该凹陷空间从该吸热外表面向该蒸发内表面方向凹陷但并不凸起于对应的该蒸发内表面。

10.如权利要求2所述的整合式均热板，其特征在于，该金属上盖板与该金属下盖板相互接合后，以焊接方式结合。

11.如权利要求2所述的整合式均热板，其特征在于，该工作流体为纯水。

12.如权利要求2所述的整合式均热板，其特征在于，该工作空间的气压小于1x10^-3torr。