TW201639706A

TW201639706A - 散熱積層結構及其製造方法

Info

Publication number: TW201639706A
Application number: TW104127473A
Authority: TW
Inventors: 蔡承恩
Original assignee: 蔡承恩
Priority date: 2015-05-13
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2016-11-16
Also published as: CN106163227A

Abstract

本發明揭示一種散熱積層結構之製造方法，包括以下步驟：首先，提供一複合材，其包括一鋁基板及至少一位於該鋁基板之一表面上的覆銅層；接著，對該複合材進行冷軋，以使該鋁基板與該覆銅層之間形成有機械鍵結；然後，在保護氣氛下對該複合材進行加熱，以使該機械鍵結發生熔融；最後，對該複合材進行熱軋，以使該鋁基板與該覆銅層之間形成一擴散熔接層，且該擴散熔接層中包含有聯鎖在一起的銅原子和鋁原子。採用本發明之製造方法所製成的散熱積層結構具有良好的挺性，並且在自然對流條件下的散熱效能更佳。

Description

散熱積層結構及其製造方法

本發明是關於一種散熱複合結構之製造方法，尤指一種包括粗軋和精軋兩道工序的散熱積層結構之製造方法，以及利用該製造方法所製成的散熱積層結構。

按，散熱結構為開發電子裝置或設計電子元件時，作為確保產品可靠度及延長產品壽命所使用的手段之一。隨著電子裝置(如：超薄筆記型電腦、平板電腦、智慧型手機、可攜式遊戲機等)及其電子元件(如：處理器、功率IC等)朝微型化、高性能化發展，電子元件必須在有限空間中以最密集且最有效率的方式排列，並且在效能導向之下提升其工作頻率，導致電子元件的溫度容易升高，進而產生散熱問題。

實務上，散熱結構常以面接觸的方式裝設於發熱的電子元件或電子裝置上，用於將其發熱量(Power Dissipation)向外傳導。目前較常見的散熱結構有非金屬/金屬複合散熱片及雙金屬(如：鋁銅)複合散熱片，其中碳基/金屬複合散熱片一般包括金屬基材及形成於金屬基材上的絕緣導熱層，雙金屬複合散熱片一般是由導熱係數不同的兩層金屬緊密貼合在一起而形成。

然而，非金屬/金屬複合散熱片中之絕緣導熱層主要由有機高分子材料與混入其中的導熱介質所組成，且絕緣導熱層的導熱係數遠不及鋁材和銅材，因此會形成熱傳障礙；此外，絕緣導熱層由於材料本身的特性，其與金屬基材的接合處可能存在細微間隙，造成整體散熱效能降低。另一方面，雙金屬複合散熱片中之兩層金屬須利用導熱介質(如：導熱膠)予以接合，其中之兩個硬質表面之間通常難以形成厚度均勻的導熱膠，除非是增加導熱膠的厚度，否則無法和發熱元件完全緊密接觸；故習知的雙金屬複合散熱片的尺寸可能會受到限制，無法滿足更輕更薄之微型化的要求。

本發明之主要目的在於提供一種層與層之間不需要用導熱介質進行貼合的散熱積層結構之製造方法。

為達上述目的，本發明採用以下技術方案：一種散熱積層結構之製造方法，包括以下步驟：首先，提供一複合材，該複合材包括一鋁基板及至少一位於該鋁基板之一表面上的覆銅層；接著，對該複合材進行冷軋，以使該複合材的橫截面積減少約50至70%，其中該鋁基板與該覆銅層之間形成有機械鍵結；然後，在保護氣氛下對經冷軋後的該複合材進行加熱，以使該機械鍵結發生熔融；最後，對經加熱後的該複合材進行熱軋，以使該複合材的橫截面積減少約10至20%，其中該鋁基板與該覆銅層之間形成一擴散熔接層，且該擴散熔接層中包含有聯鎖在一起的銅原子和鋁原子。

本發明另提供一種由上述製造方法所製成的散熱積層結構，其包括一鋁基板及一第一覆銅層，該鋁基板具有一第一接合面及一相對於該第一接合面的第二接合面，該第一覆銅層透過一第一擴散熔接層以接合於該第一接合面上，其中該第一擴散熔接層中包含有聯鎖在一起的銅原子和鋁原子。

本發明具有以下有益效果：本發明從縮減散熱結構之尺寸並同時提升其散熱效能的角度出發，所揭露的技術內容主要是在描述一種構造新穎的散熱積層結構，其因為經由冷軋及熱軋製程而可以提供突出的機械性質，並且鋁材與銅材之間還可以形成有良好的冶金鍵結以增加接合強度及降低界面接觸熱阻；再者，本發明所提供的散熱積層結構在具有優異的散熱效能的同時亦確保產品結構的薄型化；不只如此，本發明所提供的散熱積層結構在自然對流環境下的散熱效能比利用貼合方式將鋁材與銅材結合的散熱片結構更佳。

為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得以深入且具體之瞭解，然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100、100’‧‧‧散熱積層結構

101‧‧‧基部

102‧‧‧彎折部

1‧‧‧鋁基板

11‧‧‧第一接合面

12‧‧‧第二接合面

2‧‧‧第一覆銅層

3‧‧‧第一擴散熔接層

4‧‧‧第一熱擴散輻射層

41‧‧‧樹脂材料

42‧‧‧碳複合材料

43‧‧‧導熱粉粒

5‧‧‧第二覆銅層

6‧‧‧第二擴散熔接層

7‧‧‧第二熱擴散輻射層

200‧‧‧電路基板

210‧‧‧電子元件

300‧‧‧冷壓裝置

400‧‧‧加熱裝置

500‧‧‧熱壓裝置

C‧‧‧複合材

P‧‧‧加工路徑

圖1為本發明之散熱積層結構的結構示意圖(一)。

圖2為本發明之散熱積層結構的結構示意圖(二)。

圖3為圖2中之A部分的局部放大圖。

圖4為本發明之散熱積層結構的結構示意圖(三)。

圖5為本發明之散熱積層結構的結構示意圖(四)。

圖6為本發明之散熱積層結構應用於電路基板的示意圖。

圖7為本發明之散熱積層結構之製造方法的流程示意圖。

圖8為本發明之散熱積層結構之製造方法的製程示意圖。

下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式來說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容瞭解本發明的優點與功效。另外，本發明可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，也就是說本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在本發明的精神下進行各種修飾與變更。此外，所附圖式僅做為簡單示意用途，並非依實際尺寸的描繪，先予敘明。

請參閱圖1，為本發明一較佳實施例之散熱積層結構的結構示意圖。如圖所示，本發明所提供的散熱積層結構100包括一鋁基板1及一第一覆銅層2，其中鋁基板1具有相對的第一接合面11及第二接合面12，第一覆銅層2接合於第一接合面11之上。

首先值得注意的是，層疊的第一覆銅層2與鋁基板1透過粗軋及精軋兩道工序壓密及壓實並固結在一起，且第一覆銅層2與鋁基板1之間可以產生冶金接合的效果，以增加接合強度及降低界面接觸熱阻；具體地說，在適當條件(如：溫度、壓力、壓縮力等)下，第一覆銅層2與鋁基板1之間可進一步形成有一第一擴散熔接層3，而第一擴散熔接層3中包含聯鎖在一起的銅原子和鋁原子。本實施例中，散熱積層結構100的厚度可不超過2mm，其中第一覆銅層2的厚度愈薄則整體的散熱效果愈佳；考慮銅和鋁的吸熱與放熱速率，最好的設計是第一覆銅層2與鋁基板1的厚度比例為1：8。

請參閱圖2，為散熱積層結構100之另一種實施態樣的結構示意圖。如圖所示，第一覆銅層2上可視需要形成有一第一熱擴散輻射層4；顧名思義，第一熱擴散輻射層4兼具熱擴散與熱輻射的能力，藉此散熱積層結構100可達到大面積均勻散熱的效果。具體地說，第一熱擴散輻射層4中包含有樹脂材料41與碳複合材料42，理想化條件是碳複合材料的含量相對於100重量份(PHR)的該樹脂材料為約30至70重量份；第一熱擴散輻射層4中並可視需要包含有導熱粉體43，理想化條件是導熱粉體的含量相對於100重量份(PHR)的該樹脂材料為約5至20重量份。

請參閱圖3，本實施例中，上述樹脂材料可列舉如下：環氧樹脂、丙烯酸系樹脂、胺基甲酸酯系樹脂、矽橡膠系樹脂、聚對環二甲苯系樹脂、雙馬來醯亞胺系樹脂、及聚醯亞胺樹脂。上述碳複合材料選自由鑽石、人造石墨、石墨烯、奈米碳管、碳黑、碳纖維之中的一種或兩種以上的組合。上述導熱粉體包含金屬、氧化物、氮化物等粉粒之中的一種或兩種以上的組合；上述金屬可為但不限於金、銀、銅、鎳、及/或鋁，上述氧化物可為但不限於氧化鋁及/或氧化鋅，上述氮化物可為但不限於氮化硼及/或氮化鋁顆粒。

請參閱圖4及圖5，分別為散熱積層結構100之又一實施態樣及再一實施態樣的結構示意圖。如圖4所示，散熱積層結構100’可進一步包括一第二覆銅層5，其接合於第二接合面12之上；考慮銅和鋁的吸熱與放熱速率，最好的設計是第一覆銅層2、鋁基板1與第二覆銅層5的厚度比例為1：8：1。類似地，層疊的第一和第二覆銅層2、5與鋁基板1透過粗軋及精軋兩道工序壓密及壓實並固結在一起，且第一和第二覆銅層2、3與鋁基板1之間均可以產生冶金接合的效果，亦即第一覆銅層2與鋁基板1之間形成有一第一擴散熔接層3，第二覆銅層5與鋁基板1之間形成有一第二擴散熔接層6。

順帶一提，如圖5所示，第二覆銅層5之上亦可視需要形成有一第二熱擴散輻射層7。由於第二擴散熔接層6之材料和性能與上述第一擴散熔接層3相同，第二熱擴散輻射層7之材料和性能與上述第一熱擴散輻射層4相同，故在此不多加贅述。

請參閱圖6所示，本發明的散熱積層結構100(100’)於使用時，可直接與高溫熱源接觸。舉例來說，可將散熱積層結構100(100’)直接貼覆在一設於電路基板200之電子元件210(如：晶片單元)上；據此，電子元件210運作時所產生的熱可直接傳導並均勻擴散至散熱積層結構100(100’)整體，而後再透過對流和輻射的方式逸散到環境中。最好的設計是散熱積層結構100(100’)大致呈U狀，其包括一基部101及至少二由基部101的相對兩側延伸形成的彎折部102，如此氣流可以更直接地將所導出的熱排出，使散熱效率更加提升。

請參閱圖7及圖8，分別為本發明一較佳實施例之散熱積層結構之製造方法的流程示意圖及製程示意圖。本發明所提供的製造方法包括：步驟S100，提供一複合材C，複合材C包括一鋁基板1及至少一位於鋁基板1之一表面上的覆銅層(可為第一覆銅層2及/或第二覆銅層3)；步驟S102，對複合材C進行冷軋，以使複合材C的橫截面積減少約50至70%，其中鋁基板1與第一和第二覆銅層2、5之間均形成有機械鍵結；步驟S104，在保護氣氛下對經冷軋後的複合材C進行加熱，以使機械鍵結發生熔融；以及步驟S106，對經加熱後的複合材C進行熱軋，以使複合材C的橫截面積減少約10至20%，其中鋁基板1與第一和第二覆銅層2、5之間分別形成有一擴散熔接層3、6，且擴散熔接層3、6中包含有聯鎖在一起的銅原子和鋁原子。

請一併參閱圖1、圖4、圖7及圖8，步驟S100於實際施行時，首先將鋁基板1及第一和第二覆銅層2、5分別收卷成卷，並透過一送料裝置(未標示)輸送到加工路徑P上，其中第一和第二覆銅層2、5分別披覆於鋁基板1的第一和第二接合面11、12上，以形成一複合材C；步驟S102於實際施行時，上述複合材C於加工路徑P上先透過一冷壓裝置300(如：冷壓輪組)進行冷軋(或稱粗軋)，使複合材C的橫截面積減少約50至70%(即上述複合基材的厚度變薄)，且第一和第二覆銅層2、5與鋁基板1的第一和第二接合面11、12之間均形成有良好的機械鍵結。

步驟S104於實際施行時，經冷軋後的複合材C接著透過一加熱裝置400(如：加熱爐)，並於保護氣氛及600℉至1000℉之溫度範圍下進行加熱，其中保護氣氛指的是充滿惰性氣體、氫氣或氮氣的環境，使第一和第二覆銅層2、5與鋁基板1的第一和第二接合面11、12之間的機械鍵結受到高溫破壞而發生熔融；步驟S106於實際施行時，經加熱後的複合材C於加工路徑P上再透過一熱壓裝置400(如：熱壓輪組)進行熱軋(或稱精軋)，以形成本發明的散熱積層結構100(100’)，其中第一和第二覆銅層2、5與鋁基板1之間具有良好的冶金接合的效果；當完成上述動作之後，透過一送料裝置(未標示)將散熱積層結構100(100’)收卷成卷。

〔實施例的可能功效〕

本發明從縮減散熱結構之尺寸並同時提升其散熱效能的角度出發，所揭露的技術內容主要是在描述一種構造新穎的散熱積層結構，其因為經由冷軋及熱軋製程而可以提供突出的機械性質，並且鋁材與銅材之間還可以形成有良好的冶金鍵結以增加接合強度及降低界面接觸熱阻；再者，本發明所提供的散熱積層結構在具有優異的散熱效能的同時亦確保產品結構的薄型化；不只如此，本發明所提供的散熱積層結構在自然對流環境下的散熱效能比利用貼合方式將鋁材與銅材結合的散熱片結構更佳。

惟以上上述僅為本發明發明之較佳可行之實施例，非因此即侷限本發明發明之專利範圍，故舉凡運用本發明發明說明書及圖示內容所為之等效結構變化，均同理包含於本發明發明之範圍內，合予陳明。

100‧‧‧散熱積層結構

1‧‧‧鋁基板

11‧‧‧第一接合面

12‧‧‧第二接合面

2‧‧‧第一覆銅層

3‧‧‧第一擴散熔接層

Claims

一種散熱積層結構，包括：一鋁基板，該鋁基板具有一第一接合面及一相對於該第一接合面的第二接合面；以及一第一覆銅層，該第一覆銅層透過一第一擴散熔接層以接合於該第一接合面上，其中該第一擴散熔接層中包含有聯鎖在一起的銅原子和鋁原子。
如請求項1所述的散熱積層結構，其中該第一覆銅層與該鋁基板的厚度比例為1：8。
如請求項1所述的散熱積層結構，更包括一第一熱擴散輻射層，該第一熱擴散輻射層形成於該第一覆銅層上。
如請求項1所述的散熱積層結構，更進一步包括一第二覆銅層，該第二覆銅層透過一第二擴散熔接層接合於該第二接合面上，且該第二擴散熔接層中包含有聯鎖在一起的銅原子和鋁原子。
如請求項4所述的散熱積層結構，其中該第一覆銅層、該鋁基板與該第二覆銅層的厚度比例為1：8：1。
如請求項4所述的散熱積層結構，更包括一第二熱擴散輻射層，該第二熱擴散輻射層形成於該第二覆銅層上。
如請求項3或6所述的散熱積層結構，其中該第一熱擴散輻射層及該第二熱擴散輻射層各包含有樹脂材料與碳複合材料，且該碳複合材料的含量相對於100重量份(PHR)的該樹脂材料為約30至70重量份。
如請求項7所述的散熱積層結構，其中該碳複合材料選自鑽石、人造石墨、石墨烯、奈米碳管、碳黑及碳纖維所組成的群組。
如請求項1所述的散熱積層結構，其中該散熱積層結構的厚度不超過2mm。
如請求項1所述的散熱積層結構，其中該散熱積層結構包括一基部及至少二分別由該基部的相對兩側延伸所形成的彎折部。
一種散熱積層結構之製造方法，包括以下步驟：提供一複合材，該複合材包括一鋁基板及至少一位於該鋁基板之一表面上的覆銅層；對該複合材進行粗軋，以使該複合材的橫截面積減少約50至70%，其中該鋁基板與該覆銅層之間形成有機械鍵結；在保護氣氛下對經粗軋後的該複合材進行加熱，以使該機械鍵結發生熔融；以及對經加熱後的該複合材進行精軋，以使該複合材的橫截面積減少約10至20%，其中該鋁基板與該覆銅層之間形成一擴散熔接層，且該擴散熔接層中包含有聯鎖在一起的銅原子和鋁原子。
如請求項11所述的散熱積層結構之製造方法，其中在保護氣氛下對經粗軋後的該複合材進行加熱的步驟中，經粗軋後的該複合材被加熱至600℉至1000℉之間。