TW200533455A - Method and device for brazing CPU heat sink modules - Google Patents

Description

200533455 五、發明說明⑴ 【發明所屬之技術領域】 本發明係為一種施於散熱模組之銅焊方法與製程，尤 指一種突破傳統技術瓶頸之創新方法與製程，能大幅提昇 散熱棋组的導熱速度及效率，且具有強度高密封性好，耐 腐蝕，使用耐久不易損壞，且不會發生冷焊及氧化的優點 的一種施於散熱模組之銅焊方法與製程。 【先前技術】

按，焊接是常用的一種加工方法，它省工、省料、省 時，在工業生產等方面應用非常廣泛。焊接通常是利用加 熱或加壓，或兩者並舉，加填料或不加填料，利用分子間 的結合力，使兩個被焊的金屬形成_個牢固不可拆卸的整 體的過程。 焊接一般分為熔焊和壓 到溶化狀態’在不加壓力的 焊接方法稱為熔焊，如：手 加壓，形成的淳接接頭，這 觸電阻點焊、摩擦焊等。 焊’將被焊零件接頭部位加熱 條件下，形成焊接接頭，這種 孤焊、氬弧焊等。焊接過程中 種焊接方法稱為壓焊，如·•接 同的金屬焊接起來，如： 材料的金屬性能差別較 炫焊方法都是無法實現 結構要求的零件進行焊接

在生產中常常需要將兩種不 把鋁與銅焊接在一起，由於不同 大，用普通的手弧焊或氬弧焊等 的，特別是對異種材料並有特種 更難。 也因為如此 般的中央處理單元（CPU)散熱模組皆

200533455 五、發明說明（2) 採用熔點較低的錫來做為焊接熱管與鰭片、底座的填料， 而在較低熔點的狀態下將之焊接成一體固定的冷卻器 (Cooler)，再搭配一散熱風扇成為散熱模組，在往日較低 效率的中央處理單元（CPU)時代，其尚可勉強供以驅散中 央處理單元（CPU)運作時所散發之熱能，但由於電子產業 的快速升級，已發展出許多高精密度之電子元件，這些電 子元件隨著技術水準的提昇，其運作之速度也日益増加，

而其所產生之熱量亦隨之增加，當該中央處理單元（cpu) 在全負載的執行狀態下，有些其表面溫度甚至可高達攝式 100度以上，而導致中央處理單元（CPU)散熱模組傳統製法 下用錫焊接的熱管與鰭片、底座所結合而成的冷卻器 (Cooler)其導熱速度與效率無法負荷，雖後來業界極力在 改變錄片的材質及造形，希藉由易散熱之材料及其上所突 設之複數片葉片，以擴大中央處理單元（cpu)之散熱面 積，有效降低中央處理單元（CPU)之表面溫度並改變該散 熱風扇藉由扇葉轉動產生氣流之流動現象，令氣流之冷空 氣吸收該中央處理單元（CPU)所產生之熱能以達到降溫的

目的，但惟，不論習知技術係藉由前述之散熱風扇或冷； 器pooler )，改良來輔助中央處理單元（cpu)降低其表面 之溫度，上述之散熱方式在散熱降溫之效率上，仍並不〕 想其中項原因出在冷卻器（Cooler)的結構，冷卻器 (Cooler)的結構組合上係採用熔點較低的錫來做為焊接； Π = 的填料，在快迷升級的電子產業中，錫纟 溶點與導熱係數已跟不上日^精良的許多高精密度之電」

200533455 _ 五、發明說明（3) . 元件，且業界極力在改變鰭片的材質及造形，希藉由易散 熱之材料及其上所突設之複數片葉片，以擴大中央處理單 元（CPU)之散熱面積，甚或有利用銅合金、銅銀合金等導 绛係數遠優於鋁的成份來做為鰭片的材質，在生產中要將 兩種不同的金屬焊接起來，如：把鋁與銅焊接在一起，由 於不同材料的金屬性能差別較大，用普通的手弧焊或氩孤 焊等熔焊方法都是無法實現的，特別是對異種材料並有特 種結構要求的零件進行焊接更難，是故傳統以錫來做為兩 種不同的金屬材質焊接的填料，其成品耐熱與傳熱的效率 及焊接後於使用過程中所會產生的問題等等，已不適合搭 配效能日益提升的高效能、高熱量電子元件使用^ k 再者，由於含鉛的錫溶點低、延性好、易加工，因此 在過去被大量用來製作各種異質材質的焊接填料，甚或被 拿來做容器，使用這種「錫製品」，很容易引起鉛中毒， 是故，各先進國家及我國政府相關部門已明令規定不可使 用含鉛的錫來做為上述之使用，如此一來，使用純錫的熔 點提升，而各種材料之製程條件、可靠度、銲接性都不 同’對製造者實在很難在短時間將良率和信賴度做好，且 錫焊接加熱到18(TC左右後的焊接成品，極易使得焊好的 兩個異質金屬產生脫落或焊好的錫會產生裂痕及漏氣的情 形，俗稱冷焊的缺失。 n 為了跟進日益提升的高效能、高熱量電子元件，散熱 模組的熱管與錄片、底座也漸跳脫傳統紹製之材質，改^ 以導熱係數更優於鋁之材質製造而成，希望提昇散熱模組

200533455 發明說明（4) 導熱的效率與速度，但傳統錫焊技術及錫填料卻遇上上述 種種無法提昇的瓶頸及問題，雖有業者以真空爐的方式來 實施銅焊技術，但其機台操作不易，設備複雜且成本高 昂，於實施上仍有其問題在，故有業者不以烊接的方式， 而僅以套合的方式將熱管與鰭片、底座套合成一艎，但其 導熱的效果則因未能緊密結合及有斷層間隙的原因而更不 理想· 其於上述種種’本發明人特乃潛心研究並經過不斷測 試探討’终於提出一種設計合理且能有效改善上述缺失並 突破現有技術瓶頸的一種施於散熱模組之銅焊方法及製 程。 【發明内容】 <〈所欲解決之技術問題〉〉 本發明主要在於解決目前為求提昇散熱模組導熱的效 率與速度，而將其零組件改採以導熱係數更優於鋁之其他 材質製造，而造成傳統錫焊方法及技術無法將兩種性能差 別較大的不同材料的金屬材質，特別是對異種材料並有特 種結構要求的零件進行焊接的缺失，突破目前異質材料烊 接面技術的困境。 <〈解決問題之技術手段〉〉 本發明的主要目的係在解決目前為求提昇散熱模組導 200533455 五、發明說明（5)

熱的效率與速度，而將其零組件改採以導熱係數更優於鋁 之其他材質製造，而造成傳統錫焊方法及技術無法將兩種 性能差別較大的不同材料的金屬材質，特別是對異種材料 並有特種結構要求的零件進行焊接的缺失，突破目前異質 材料焊接面技術的困境，創造出一種可提供散熱模組所有 组成零組件彼此焊固，且具有強度高密封性好，耐腐蝕，使 用耐久不易損壞，且不會發生冷焊及氧化的問題，能大幅 提昇散熱模組的導熱速度及效率的一種新方法及製程。 本發明的主要技術係採以一易熔融，且其硬度又較純銅高 之銅銀合金做為銅焊之填料，以將不同的金屬材質物料 (以銅為主要材質的散熱模組零組件）做一穩固且耐久的谭 接’該裝置係由加熱單元、炼焊單元及冷卻單元所構成， 並利用一環狀輸送裝置環繞連通上述單元而成一進、出料 端’使之成為全自動化循序一體之結構；該加熱單元.係為 一密閉的加熱室，可供以預熱加溫方式將加熱室内的氧氣 做大部的燃燒，·該熔焊單元係為一密閉的鈍氣室，供以適 1比=之清性氣體來隔絕剩餘之氧氣，避免零件氧化，同 姐做同加熱的動作，以達到銅銀合金填料的熔點，使填 - ί並平均分佈於零組件接合處之細縫空間；該冷卻單 ::處冷卻室，供以急速的冷卻，使其在零組件 件彼體冷卻並固…利將所有組成零組 取馬成。° ;三個單元則以環狀輸送裝置環繞 其主要步驟包括：（a)提供欲進行銅焊之組成物料零

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五、發明說明（6) _ 組件；（b)在該些組成零組件接合處填置填料並組合封裝 (填充單元）；（c)送進加熱單元内’以預熱加溫方式將該 單元内的氧氣做大部的燃燒；（d)送進熔焊單元内，以^ 當比例之惰性氣體來隔絕剩餘之氧氣，避免零件氧化，同 時做高溫加熱的動作，以達到銅銀合金填料的熔點，使填 料融化並平均分佈於零組件接合處之細縫空間；（e )送進 冷卻單元内，急速的冷卻’使其在零組件接合處之液體填 料快速冷卻並固化，以利將所有組成零組件彼此焊固，成 為成品，具有可大量生產的特性，且本發明之方法係在中 性環境之下完成，更具有不哀減的特性，不僅具有質量輕 的特性，更可避免重金屬的污染及減少於製程上的污染。 由於電子產業的快速升級’發展出許多高精密度、高效能 及高熱量的電子元件，而散熱模組更需被大量應用於電^ 行業中搭配高熱量之電子元件使用，因此本發明有著廣泛 的應用前景。 % <〈對於先前技術的效果〉〉 和傳統錫焊技術與方法及真空爐銅焊之方法相比， 發明之裝置主要係由加熱單元、熔焊單元及冷卻單元 成，並利用一環狀輸送裝置環繞連通上述單元而成一 出料端，使之成為全自動化循序一體之結構，且藉由五個 步驟簡單方便的流程而能製造出具有強度高密封性好耐

200533455 ————————————W—W——WW 晒____睡_ 五、發明說明⑺ 一 腐蚀，使用耐久不易損壞3立·ί、會發生冷焊及氧化的問 題，能大幅提昇散熱模組的導熱速度及效率，能讓曰益發 展的高效能電子元件於應用更能不被散熱問題所困優，具 備實用的經濟效益，能帶來更廣泛的應用範圍，與目前其 他铜焊之技術相比，本發明具有可大量生產的特性，且本 發明之方法係在中性環境之下完成，更具有不衰減的特 性，不僅具有質量輕的特性，更可避免重金屬的污染及減 少於製程上污染的缺失》

【實施方式】 以下配合圖示對本發明之較佳實施方^並作動原理做 進一步的說明後當更能明瞭。

請參閱第一圓所示’係為本發明之步驟流程圖’由圓 中可清楚看出，本發明主要由加熱單元13、熔焊單元14及 冷卻單元15所構成，而主要步驟包括：（a)提供欲進行銅 焊之组成物件零組件10; (b)在該些組成零組件10接合處 填置填料11並組合封裝；（c)送進加熱單元13内，以預熱 加溫方式將該單元内的氧氣做大部的燃燒；（d)送進熔焊 單元14内，以適當比例之惰性氣體來隔絕剩餘之氧氣，避 免零件氧化，同時做高溫加熱的動作，以達到銅銀合金填 料11的熔點，使填料11融化並平均分佈於零組件1 〇接合處 之細缝空間；（e)送進冷卻單元15内，急速的冷卻，使其 在零組件1 0接合處之液體填料11快速冷卻並固化，以利將

第12頁 200533455 五、發明說明（8)

所有組成 再請 圔中可清 室25所構 預熱加溫 室24係為 剩餘之氧 達到納銀 件接合處 以急速的 零組件1 0彼此 參考第二囷所 楚看出，該裝 成’該加熱加 方式將加熱室 一密閉之空間 氣，避免零件 合金填料的炫 之細缝空間； 冷卻，使其在 焊固’成為物 示，係為本發 置係由加熱室 熱室23係為一 2 3内的氧氣做 ，供以適當比 氧化，同時做 點，使填料融 該冷卻室2 5亦 零組件20接合 件成品1 6。 明之裝置示 23、鈍氣室 密閉之空間 大部的燃燒 例之惰性氣 高溫加熱的 化並平均分 為一密閉之 處之液體填 意圖，由 24及冷卻 ，可供以 ;該純氣 體來隔絕 動作，以 佈於零組 空間，供 料快速冷 卻並固化，以利將所有組成零組件2〇彼此烊固，成為物件 成品26 ;並利用一環狀輸送裝置27環繞連通於上述單元而

成一進、出料端，使之成為全自動化循序一體之結構，且 於該環狀輸送裝置2 7之進料端部，亦可裝設一填充裝置 22’用以簡化前述步驟（b)之程式，進而在加熱室23中實 施步驟（c)之程式，以預熱加溫方式將該單元内的氧氣做 大部的燃燒；進而由該環狀輸送裝置2 7將加熱室23中之零 組件2 0送至鈍氣室2 4中’以適當比例之惰性氣鱧來隔絕剩 餘之氧氣，避免零件氧化，同時做高溫加熱的動作，以達 到銅銀合金填料21的熔點，使填料21融化並平均分佈於零 組件2 0接合處之細缝空間；最後再該環狀輸送裝置2 7將在 鈍氣室24中處理完畢之零組件20送進冷卻室25進行急速的 冷卻，使其在零組件20接合處之液體填料21快速冷卻並固

化，以利將所有組成零組件20彼此焊固，成為物件成品

200533455 五、發明說明（9) 26’再經由環狀輸送裝置27的出料端送出物件成〇 啓 個流程全自純且循序^ 經由上述全自動化之製程，簡單方便的流程而能使得 傳統錫焊技術所無法突破的瓶頸獲得良好改善，可製造出 具有強度高密封性好，耐腐蝕，使用耐久不易損壞的物件成 品16，且不會發生冷焊及氧化的問題，能大幅提昇物件成 品16 (散熱模組）的導熱速度及效率，能讓曰益發展的高效 能電子元件於應用更能不被散熱問題所困擾，具備實用的 經濟效益，能帶來更廣泛的應用範圍。 經由本發明人不斷研究測試與探討，本發明確已解決 習知散熱模組零組件廣用錫焊組裝之缺失，為使貴審能 清楚明白本發明所具有的廣泛應用前景及本發明人和相關 廠商實際測試的結果，以下特以圓示示意本發明銅銀填料 30填置於物料零組件的接合位置示意，並清楚說明步驟 (a)提供欲進行銅焊之組成物件零組件，和步驟在該些 組成零組件接合處填置填料並組合封裝的過程，請貴審 續參閲第三圓，係為本發明之應用實施例示意圓一，於此 =中最主要係表示熱管31的封裝，熱管31的結構依其應用 向不同而有不同的設計構造和外型，但大多數皆是 =^ 30來焊接封裝，使其成為一密閉之熱管31,以勝由熱 =31内部之結構設計來增加其本身熱傳導及散熱的作用， 填料將熱管31焊固於底座32上，習知技術大都以錫填 2采烊接封裝熱管31封口，但錫焊接加熱到18(rc左右 曼’極易使得焊好的兩個異質金屬（熱管31及底座32))產

200533455 五、發明說明（ίο) 生脫落或焊好的錫填料會產生裂痕及漏氣的情形，俗稱冷 焊的缺失，是故，延至目前，熱管31及底座32的接合問題 仍困擾著業者；而本發明在該些組成零組件（熱管31及底 座32)接合處填置銅銀填料30並組合封裝（係為本發明的步 驟b)，再依循著本發明步驟來進行銅焊，其銅焊後之散熱 棋組，無論是熱管31的銅烊封口與熱管31及底座32的焊接 接合，皆具有強度高密封性好，耐腐蝕，使用耐久不易損 壞，且不會發生冷焊及氧化的問題，能大幅提昇散熱模組 的導熱速度及效率· 再者’為了跟進日益提升的高效能、高熱量電子元 件’散熱模组的熱管與鰭片、底座也漸跳脫傳統鋁製之材 質’改採以導熱係數更優於鋁之材質製造而成，希望提昇| 散熱模組導熱的效率與速度，但傳統錫焊技術及錫填料卻 遇上上述種種無法提昇的瓶頸及問題，雖有業者以真空爐 的方式來實施銅焊技術，但其機台操作不易，設備複雜且 成本高昂，於實施上仍有其問題在，故有業者不以焊接·的 方式，而僅以套合的方式將熱管與鰭片、底座套合成一 體’但其導熱的效果則因未能緊密結合及有斷層間隙的原 因而更不理想❶ -是故再請貴審參閱第四囷，係為本發明之應用實施· 例示意囷二，此囷中係表示熱管41與平板式散熱片42之銅 焊接合示意，同樣的，在該些組成零組件（熱管41及平板 式散熱片42)接合處填置銅銀填料4〇並組合封裝（係為本發 明的步驟b)，為使貴審清楚了解到填料4〇所填置之位

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置’於圓中特以較粗黑線條及黑點表示，第五圓則係為本 發明之應用實施例示意圓三，此圓中顯示一種套合式的散 熱模組，不以焊接的方式將之套合成一體，係在鋁擠型散 熱片53上穿設一中空且和熱管53直徑相同之熱管套入孔 54,將鋁擠型散熱片53和熱管51直接套合，並裝置於底座 上，另，亦有將鋁擠型散熱片53熱管套入孔54的直徑設計 為略小於熱管51直徑者，利用加熱之後熱脹冷縮的原理再 將銘擠型散熱片53和熱管51套固在一起，以防鬆脫，但以 上述之方法為之皆大大的損失散熱模組的散熱效率及實際 效益；而透過本發明步驟並利用鋼銀填料5〇焊固熱管51封 口並將熱管51焊固於底座52，再將鋁擠型散熱片53套入熱 管51’並在鋁擠型散熱片53的熱管套入孔5 4週圍填置適當 填料50 (視散熱片材質不同而可用錫填料或銅銀合金填料） 並組合封裝（係為本發明的步驟b)，再依循著本發明步驟 來進行銅焊，其銅焊後之散熱模組，無論是熱管41的銅谭 封口與熱管41及平板式散熱片4 2的焊接接合，還有熱管51 和底座52(不同材質）的焊接接合及熱管與紹播型散熱片μ 的焊固，同樣地，皆具有強度高密封性好，耐腐蚀，使用耐

久不易損壞’且不會發生冷焊及氧化的問題，能大幅提昇 散熱模組的導熱速度及效率。 再請貴審參閱第六圓，第六圖係為本發明之應用實 施例示意囷四，此圓中係表示用於某一種筆記型電腦散熱 用之散熱板（蒸氣室Vapor Chamber)之對焊組裝示意，該 散熱板之下蓋62上係設置有數片剖鰭片63(Skived Fin)， 200533455 五、發明說明------------ 加：了蓋62之導熱速度，在上蓋61與下蓋62的封 、 技術係以純錫（無船錫）填料加上助焊劑的 方式來f上蓋61緊密、的與下蓋62對焊起來，成為一密閉的 散熱板（蒸氣室Vap〇r Lnaai)ery但錯（無磁鍚）加上助焊 劑之後的填料，其極易氧化；並產生對焊好的上蓋61與下 蓋62產生漏氣的缺失，且使用純錫（無鉛錫）做為焊接的填 料亦會導致該散熱板（蒸氣室Vapor Chamber)後績無法 更做任何的加工，且其焊固好之散熱板（蒸氣室Vap〇r Chamber)其每平方公分的抗高壓力僅5公斤（5kg/cm2 ), 漏氣和抗高壓力薄弱的缺失，無法為筆記型電腦帶來更優 越的散熱效果。而應用本發明之步驟及裝置之後，在上蓋 61與下蓋62的四週邊角對焊處填置銅銀填料6〇並組合封裝 (係為本發明的步驟b)，為使貴審清楚了解到填料40所 填置之位置，於囷中特以較粗黑線條表示，再依循著本發 明步称來進行銅焊，其銅焊後之散熱板（蒸氣室Vap〇]r Chamber )’具有更高強度且密封性更好，耐腐蝕，使用耐久 不易損壞，且不會發生冷焊及氧化的問題，其抗高壓力更 能提升至每平方公分5公斤（5kg/cm2 )以上，大幅提昇散 熱板（蒸氣室Vapor Chamber)的導熱速度及效率。 综上所述，本發明所提供之一種施於散熱模組之銅焊 方法及製程，其設計簡單、結構新穎、獨特，更具有實用 且進步之功效，且由於電子產業的快速升級，發展出許多 高精密度、高效能及高熱量的電子元件，而散熱模組更需 被大量應用於電子行業中搭配高熱量之電子元件使用，因

第17頁 200533455_ 五、發明說明（13) 此本發明有著廣泛的應用前景，因此已充份符合了發明專 利之法定要件，爰依法具文申請之。為此，謹請 貴審查 委員詳予審查，並祈早日賜準專利，至感德便。 以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者’僅為 本發明之較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範 圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾 等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圓保護之範蜂。

第18頁 200533455 圈式簡單說明 第一圓係為本發明之步驟流程圓； 第二圓係為本發明之裝置示意圓； 第三圓係為本發明之應用實施例示意圖一； 第四圓係為本發明之應用實施例示意圖二； 第五圓係為本發明之應用實施例示意圖三； 第六囷係為本發明之應用實施例示意圓四。 【元件符號說明】 1 〇物件零組件 11填料 1 2填充單元 13加熱單元 14熔焊單元 1 5冷卻單元 1 6物件成品 20物件零組件 21填料 22填充裝置 23加熱室 24鈍氣室 25冷卻室 26物件成品

第19頁 200533455 圓式簡單說明 27輸送裝置 30填料 31熱管 32底座 40填料 41熱管 42平板式散熱片 43底座 50填料 51熱管 52底座 53鋁擠型散熱片 60填料 61上蓋 62下蓋 63剖鰭片 i

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Claims (1)

1. 200533455 六、申請專利範圍 1·一種施於散熱模組之銅焊方法及裝置，係以銅銀合金做 為填料，該裝置係包含 一加熱單元，内部設有一加熱室； 一熔焊單元，内部設有一鈍氣室； 一冷卻單元，内部設有一冷卻室； 一環狀輸送裝置；係環繞連通於上述單元而成一進、出料 該方法主要步驟包括·· (a) 提供欲進行銅焊之組成物件零組件； (b) 在該些組成零組件接合處填置填料並組合封裝（填充單 (C)送進加熱單元内，以預熱加溫方式將該單元内 做大部的燃燒； 轧 (d )送進熔焊單元内，以適當比例之惰性氣體來隔絕剩餘 之氧氣，避免零件氧化，同時做高溫加熱的動作，以達到 銅銀σ金填料的溶點’使填料融化並平均分佈於零組件接 合處之細縫空間； (e)送進冷卻單元内，急速的冷卻，使其在零組件接合處 =液體填料快速冷卻並固化，以利將所有組成零組件彼此 烊固，成為物件成品❶ 如申·奮專利範圍第1項所述之一種施於散熱模組之 方法及验番 .4」 其中該輸送裝置之進料口係可裝設一填充裝 置，用以簡化步驟（b)之程式。

   第21頁 200533455 六、申請專利範圍 3·如申請專利範圍第1項所述之一種施於散熱模組之銅焊 方法及裝置，其中步驟（a)所述之組成物件零組件係可為 中央處理單元（CPU)上設之熱管、鰭片與底座。 4·如申請專利範圍第1項所述之一種施於散熱模組之銅焊 方法及裝置’其中步驟（a)所述之組成物件零組件係可為 筆記型電觸所用之散熱板（蒸氣室Vapor Chamber)。

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