TW202006308A

TW202006308A - 一種製作毛細結構的方法

Info

Publication number: TW202006308A
Application number: TW107136793A
Authority: TW
Inventors: 陳振賢
Original assignee: 廣州力及熱管理科技有限公司
Priority date: 2018-07-04
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2020-02-01
Also published as: CN110686541A

Abstract

本發明一種製作毛細結構的方法包含有：提供具有可焊性表面之元件。提供具第一熔點之第一焊錫粉末。提供具第二熔點及可焊性表面之第二粉末，其中第二熔點高於第一熔點。均勻地混合第一焊錫粉末及第二粉末以形成一第三粉末。鋪置第三粉末於元件可焊性表面上。加熱元件至高於或等於第一熔點，藉由熔解第一焊錫粉末以焊接元件之可焊性表面以及同時在第二粉末顆粒之間部分表面上形成焊接點。冷卻該元件，以使第二粉末於元件之可焊性表面上形成一毛細結構。藉此，本發明製作毛細結構的方法具有低溫成形、節省能源、降低成本的效果。

Description

一種製作毛細結構的方法

本發明提供一種製作毛細結構的方法，尤其是一種降低温度，節省能源的微熱導管(Micro Heat Pipe)及均溫板(Vapor Chamber)空腔結構內表面毛細結構(Wick Structure)的製作方法。

微熱導管是一種具有快速導熱及均溫特性的被動元件(Passive Component)，普遍運用於各式資訊及通訊產品微處理器(Micro Processor)的散熱上，是現今電子產品散熱裝置中很普遍的高效導熱元件。

微熱導管基本上是一內含工作流體之封閉腔體，藉由真空腔體內工作流體持續循環的液氣二相變化達到傳熱目的。液相工作流體於微熱導管之吸熱端蒸發成氣相工作流體，釋放出潛熱(Latent Heat)，局部高壓驅使氣相工作流體高速流向冷凝端(Condensor)。氣相工作流體於冷凝端凝結成液相，藉由毛細結構產生之毛細現象迴流至吸熱端，循環作動。因此，毛細結構決定了微熱導管的導熱性能。

習知技術中以燒結銅粉末的微熱導管(Micro Heat Pipe)毛細結構的製造方式是將一中心棒置入一銅質管體中心后於銅質管體內部倒入粉末狀之銅質粉末後進行高温燒結處理。燒結完成後予以冷卻，再將中心棒從銅質管體中拔出，以形成銅質管體內部管壁上的毛細結構。銅粉末粒徑大小和分佈影響孔隙率，是毛細結構品質的要素。另一方面，要讓銅粉在部分熔解的狀況下燒結於銅質管體，又要避免孔隙率過低和銅質管體變形，實務上燒結的時間與溫度必須精準的控制。再者，銅的熔點為攝氏1085度，進行高温燒結銅粉末時需要耗費大量熱能及電力。

習知技術中以燒結銅粉末的均温板(Vapor Chamber))毛細結構的製造方式是將銅質粉末舖設在一銅板上進行高温燒結處理，燒結完成後予以冷卻，以形成銅板表面上的毛細結構

因此，需要一種能夠低溫、耗能少的粉末成型製作微熱導管及均溫板毛細結構的方法。

有鑑於此，本發明提出了一種製作毛細結構的方法，利用不同熔點的金屬粉末鋪設在一元件的可焊性表面上，僅需低溫熔解低熔點的金屬粉末即可形成微熱導管及均溫板元件所需的毛細結構。

本發明係一種製作微熱導管及均溫板中毛細結構的方法，其包含有以下步驟：提供一具有可焊性表面之元件。提供一具第一熔點之第一焊錫粉末。提供一具第二熔點並具有可焊性表面之第二粉末，其中第二熔點之溫度高於第一熔點之溫度。均勻地混合第一焊錫粉末及第二粉末以形成一第三粉末。鋪置第三粉末於該元件之可焊性表面上。加熱該元件至第一熔點，藉由熔解第一焊錫粉末以焊接該元件之可焊性表面以及同時在第二粉末顆粒之間部分表面上形成焊接點。冷卻該元件，以使第二粉末於該元件表面上形成一不規則形狀之毛細結構。

其中該元件形成的毛细結構係用以作為一微熱導管(Micro Heat Pipe)或一均温板(Vapor Chamber)之一空腔結構內之毛细結構。

第一焊錫粉末顆粒之分佈尺寸比該第二粉末顆粒之分佈尺寸小。

並且，毛细結構係依據該第三粉末中該第一焊錫粉末及該第二粉末之顆粒尺寸分佈及混合比例所形成。

於一具體實施例中，元件係為銅材質或任何表面鍍有一可焊性材料之任何材質。

於一具體實施例中，第一焊錫粉末係為一錫鉛合金(Sn/Pb)粉末，或錫銀銅合金(Sn/Ag/Cu)粉末，或任何可做為金屬焊接之金屬合金粉末。

於一具體實施例中，第二粉末係為一銅粉末或任何具有可焊性表面之任何材質粉末。

於一具體實施例中，第一焊錫粉末及該第二粉末之顆粒係為不規則形狀。

其中第一焊錫粉末之顆粒之粒徑分佈係介於1微米至200微米之間。

另外第二粉末之顆粒之粒徑分佈係介於30微米至300微米之間。

綜上所述，本發明利用低熔點焊錫粉末作為焊料，混合高熔點且表面可焊性粉末後鋪置在一元件可焊性表面後加温至第一熔點溫度形成焊接，藉此高熔點粉末即可焊於該元件表面上並相互焊接以形成不規則形狀之毛細結構。本發明之毛細結構製作技術可以節省大量的加熱能量，並且不需要昂貴的高温燒結設備，方法更為簡便，即可形成毛細結構。因此，本發明是具有低温成型、降低成本、節省能源的開創性技術，尤其適合熱導管及均温板製作產業利用。

1‧‧‧第一焊錫粉末

2‧‧‧第二粉末

3‧‧‧第三粉末

5‧‧‧中心棒

7‧‧‧元件

10‧‧‧焊料

70‧‧‧可焊性表面

75‧‧‧空腔結構

S1~S7‧‧‧步驟

圖1係繪示本發明製作毛細結構的方法一具體實施例之步驟流程圖。

圖2A係繪示本發明一具體實施例中具有可焊性表面之元件之示意圖。

圖2B係繪示本發明一具體實施例中第一焊錫粉末、第二粉末及第三粉末之示意圖。

圖2C係繪示本發明一具體實施例中鋪置第三粉末至元件之可焊性表面之示意圖。

圖2D係繪示本發明一具體實施例中熔解第一焊錫粉末形成一焊料之示意圖。

圖3A係繪示本發明一具體實施例中鋪置第三粉末至一管材之直剖面示意圖。

圖3B係繪示根據圖3A之鋪置第三粉末至一管材之橫剖面示意圖。

圖3C係繪示根據圖3B之加熱管材至第一熔點溫度後之橫剖面示意圖。

為了讓本發明的優點，精神與特徵可以更容易且明確地了解，後續將以實施例並參照所附圖式進行詳述與討論。值得注意的是，這些實施例僅為本發明代表性的實施例，其中所舉例的特定方法，裝置，條件，材質等並非用以限定本發明或對應的實施例。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“縱向、橫向、上、下、前、後、左、右、頂、底、內、外”等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示所述的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，本發明裝置或元件前的不定冠詞“一”、“一種”和“一個”對裝置或元件的數量要求(即出現次數)無限制性。因此“一”應被解讀為包括一或至少一，並且單數形式的裝置或元件也包括複數形式，除非所述數量明顯指單數形式。

請參閱圖1。圖1係繪示本發明製作毛細結構的方法一具體實施例之步驟流程圖。本發明係一種製作毛細結構的方法，其包含有以下步驟：S1：提供一具有可焊性表面之元件。S2：提供一具第一熔點之第一焊錫粉末。S3：提供一具第二熔點並具有可焊性表面之第二粉末，其中第二熔點之溫度高於第一熔點之溫度。S4：均勻地混合第一焊錫粉末及第二粉末以形成一第三粉末。S5：鋪置第三粉末於該元件之可焊性表面上。S6：加熱該元件至第一熔點，藉由熔解第一焊錫粉末以焊接該元件之可焊性表面以及同時在第二粉末顆粒之間部分表面上形成焊接點。S7：冷卻該元件，以使第二粉末於該元件表面上形成一毛細結構。

於上述之步驟S6中，加熱使元件到達之溫度為第一熔點溫度，或可介於第一熔點與第二熔點之間。此時低熔點的第一焊錫粉末會熔解成焊料以使得具有表面可焊性之第二粉末焊接於該元件表面上並形成彼此顆粒間部分表面相互焊接，但高熔點的第二粉末不會熔解。於上述之步驟S7中，冷卻元件至常溫或低於第一熔點時，焊料會凝固而穩定第二粉末。此時，焊料可以焊接第二粉末與該元件表面亦可焊接相鄰的第二粉末顆粒。因此，第二粉末可以形成多層堆疊且不規則形狀的毛細結構。

在此方法中具粒徑分佈的不規則狀第二粉末係為形成毛細結構的主要成分。第二粉末之熔點只要高於第一焊錫粉末之熔點即可。因此在習知技術中，將高熔點的銅粉末高溫燒結到銅材元件表面上需要昂貴的熱能產生設備、精準的溫度控制以及大量能源耗費。

在本發明之方法中，不需要以高温燒結銅粉末在銅材表面形成毛細結構；取而代之的是低温的狀態下熔解熔點較低的第一焊錫粉末。一般焊錫粉末係由焊錫合金製成。熔點比銅的熔點低很多.例如63/37比例的錫鉛合金(Sn/Pb)，焊錫熔點為攝氏183度；96.5/3/0.5比例的錫銀銅合金(Sn/Ag/Cu)，焊錫熔點為攝氏218度；99.3/0.7比例的錫銅合金(Sn/Cu)，焊錫熔點為攝氏227度；42/58比例的錫鉍合金(Sn/Bi)，焊錫熔點為攝氏138度；91/9比例的錫鋅合金(Sn/Bi)，焊錫熔點為攝氏199度。依本發明所述將上述第一焊錫粉末作為焊料來焊接第二粉末及該元件可焊性表面以及第二粉末顆粒之間而形成不規則形狀之毛細結構。因此，藉由本發明之技術，可以使用成本較低的加溫設備、溫度控制僅需在第一熔點或介於第一熔點與第二熔點之間、且消耗更少的能源。是故，利用本發明技術之製造流程，儘需消耗很低的熱能及電力。

請參閱圖2A至圖2D。圖2A係繪示本發明一具體實施例中具有可焊性表面70之元件7之示意圖。圖2B係繪示本發明一具體實施例中第一焊錫粉末1、第二粉末2及第三粉末3之示意圖。圖2C係繪示本發明一具體實施例中鋪置第三粉末3至元件7表面之示意圖。圖2D係繪示本發明一具體實施例中熔解第一焊錫粉末1形成一焊料10之示意圖。於一具體實施例中，元件7為薄型片狀或弧狀，元件7可僅有一面為可焊性表面70，如圖2A所示。於一具體實施例中，元件7係為銅材質或在可焊性表面70鍍有一可焊性材料之任何材質。實際應用中，可焊性材料可為錫，元件7則可為銅或鍍有錫之可焊性表面70之任何材質。

第一焊錫粉末1與第二粉末2可簡單地混勻以形成第三粉末3，如圖2B所示。第三粉末3可以順著元件7之可焊性表面70之形狀或弧度進行鋪設，如圖2C所示。於一具體實施例中，第一焊錫粉末1係為96.5/3/0.5比例的錫銀銅合金(Sn/Ag/Cu)，焊錫熔點為攝氏218度。於一具體實施例中，第二粉末2係為一銅粉末或一鍍有一可焊性材料表面之任何金屬或陶瓷或玻璃材質或高分子材質粉末。以銅粉末為例，銅粉末之熔點約為1085℃。因此當焊錫粉末和銅粉末混合成為第三粉末，控制加熱溫度高於218℃但低於1085℃。此時，焊錫粉末會熔解成為焊料10，而銅粉末則不會熔解。焊料10沾附在可焊性表面70和銅粉末顆粒上。當焊料10凝固時，銅粉末互相焊接，同時底層之銅粉末顆粒被焊接在元件7表面上，如圖2D所示。需注意的是，圖2D中焊料10並非僅散佈於貼近可焊性表面70，也會散佈於第二粉末2之間。

第一焊錫粉末1顆粒之尺寸分佈比該第二粉末2顆粒之尺寸分佈小。因此，在第一焊錫粉末1熔解後可以較有效的沾附到第二粉末2；同時，避免每個焊料10分布不均或是第二粉末2表面沾附過多焊料10的情形。於實際應用中，第一焊錫粉末1之顆粒之粒徑分佈係介於1微米至200微米之間。另一方面，第二粉末2之顆粒之粒徑分佈係介於30微米至300微米之間。

於一具體實施例中，第一焊錫粉末1及該第二粉末2之顆粒係為不規則形狀。不規則形的第一焊錫粉末1因此可隨機的散佈在不規則形的第二粉末2顆粒之間，有利於加熱時第二粉末2與相鄰第二粉末2之間形成焊接點，同時在第二粉末2底層顆粒與元件7表面形成焊接；並且，毛細結構微觀來看亦為不規則突出，有利於孔隙率的提升。

其中，毛細結構係依據第三粉末3中第一焊錫粉末1及第二粉末2之顆粒尺寸分佈及混合比例所形成。當第一焊錫粉末1之含量比例較高時，加熱形成的焊料10會較多較厚，第二粉末2與元件7間的鍵結力較強，第二粉末2不易脫落。另一方面，當第一焊錫粉末1之含量比例較低時，加熱形成的焊料10會較少較薄，第二粉末2形成的毛細結構孔隙率較高。

請參閱圖3A至圖3C。圖3A係繪示本發明一具體實施例中鋪置第三粉末3至管材之直剖面示意圖。圖3B係繪示根據圖3A之鋪置第三粉末3至管材之橫剖面示意圖。圖3C係繪示根據圖3B之加熱管材至第一熔點後之橫剖面示意圖。於一具體實施例中，該元件7形成的毛细結構係用以作為一微熱導管(Micro Heat Pipe)或一均温板(Vapor Chamber)之一空腔結構75內之毛細結構。此時，毛細結構形成於元件7的內部。元件7和第二粉末2可選用導熱性較佳的銅做為金屬材質。於一具體實施例中，可利用一中心棒5伸入熱導管內的空腔結構75，再倒入第三粉末3，如圖3A所示。藉此，可將第三粉末3貼向可焊性表面70，如圖3B所示。以第一熔點之溫度或高於第一熔點之溫度加熱整組管材元件7與中心棒5後，接著，空腔結構75之邊緣，可焊性表面70上會形成毛細結構。最後，抽出中心棒5後即可完成熱導管的初步加工製作。

相較於習知技術需要昂貴的熱能產生設備、高温燒結銅粉以及大量的熱能及電能耗費，本發明利用低熔點焊錫粉末作為焊料，混合高熔點粉末後鋪置在元件可焊性表面後加温至第一熔點温度，藉此具高熔點粉末即可焊於該元件表面上形成毛細結構。本發明之毛細結構製作技術在製作微熱導管及均温板等導熱及散熱元件時可以節省大量的熱能及電力，並且不需要昂貴的高溫燒結設備。因此，本發明是具有降低製程温度、節省能源的開創性技術，尤其適合熱導管及均温板製作產業利用。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。