1299975 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本創作屬奸元錄鐘技術賴，_顧—種複合多層 式多孔洞結構陶究散熱器薪新設計，具有高導熱率的陶紐料、曰 多孔洞結構之散熱層散熱基部及能提高接觸空氣表面積之外散熱 頂部’以提高散熱器的散熱能力者。 【先前技術】 按’隨著資訊半導體業的發展，半導體晶片不斷朝向高頻化 發展，近年來例如中央處理器（CPU )等電子裝置之處理速度更是 不斷提高’然而伴隨而來的是高處理速度下衍生之高溫問題亦 即如何有效的將電子裝置熱源(如中央處理器、電晶體、發光二極 體LK)、chip set)產生之高溫排出，使電子裝置能於適當的工作 溫度下運轉’已成為各家業者爭相開發的重點課題。 以電腦為例，習用散熱器係裝設於中央處理器上，用於協助 排出中央處理器晶片產生之熱量。請參閱第一圖所示，習用散熱 器（1)大都包括有一散熱片（11)及位於該散熱片下方之吸熱 層（12) ’該吸熱層（12)係設於熱源(3)(例如為中央處理器）上面， 並與熱源（3)貼合，前述散熱片（11)上並設計具有散熱鰭片 (111)，散熱片（11)上端另設有一風扇（4)【散熱片（π)與風扇（4) 間具有一間隙(41)】，用來產生對流空氣，將吸收熱源(3))熱量 之散熱鰭片（111)的熱量藉對流帶離，自散熱片（11)排出（抽風或 送風，視電腦内部空間及設計要求），以降低溫度。雖然習用的散 1299975 熱鰭片（111)已用導熱、散熱效果佳的銅、鋁金屬製成，然而由於 導熱及散熱的效果尚難符合高速化高功率發展的需求，而其所需 的龐大體積，在某些空間有限的電腦上(如筆記型電腦），更需借 助其他散熱結構(如熱管）方能達到散熱的最低要求為其缺失。以 上即為習用技術現存最大的弱點，為業者亟待克服的難題。 以電晶體及發光二極體為例子，雖然所產生的熱能較低，但 是應用於高速化的電氣產品時，電路設計者大多將電晶體或發光 ' 二極體所產生的熱以接地的方式導入主機板，不加以一個強制對 - 流的方式，利用主幾板來將熱導出。昔用技術皆以金屬為散熱層， 往往引起所謂的電磁效應，造成電路設計者的困擾。 本發明則以「多孔洞陶瓷材料」來製作散熱片，再黏著於電 曰a體或發光一極體上，以空氣為自然對流媒介，將可大幅降低熱 源所產生的散熱問題。此部份如本案第十圖所示，該圖係以多孔 洞陶瓷散熱片之應用於電晶體。而以華碩P4S8〇〇電腦主機板為例 子的實際測试結果，其電晶體的表面溫度可由7〇。匚降低至52。匸； 同時，主機板的溫度亦可降低3〜5°C。 申请人先則曾於九十-年十-月八日以「孔洞結構陶究散熱 片」提出發明專利申請，經編列為申請案號第91132865號，並經 .核准專利，公告於九十二年十月-日出版之專利公報，公告編號 第555723號。該專利之孔洞結構陶瓷散熱片主要係由散熱層及導 熱層構成，該散熱層係利用微觀化學液相變化原理，以乳膠狀漿 1299975 =力勻W政㊉成陶究粉的微胞結構，並與次微米粉體結合， %燒結成具中錄晶體的孔洞化結構散熱層，該散熱層孔_^在5 ^^40 % ^ 〇e49/zm^fa1 , ’、有層導熱層，藉導熱層吸收熱源熱量，再藉由散孰層中 Γ結晶體的孔洞化結構的高表面積，以线為散熱媒介，來提高 政熱片的散熱能力。上餘實作時確能提高散制的散熱能力， 現提出對提昇散刻散無力更為之「複合多層式多孔 同、、、。構陶究散熱ϋ」，俾使散熱器專彳沒療完善。 【發明内容】 口 :本發明研創人#於前述龍技術之缺失，期將高熱導率的陶 =私粒’、以碰擠出再賴成型或賴成型細配成漿料灌注成 里的方式結合’再燒結成纽洞結構陶制散熱層散熱基部，及 2相同材料-體或附加於其頂面以形成有外散熱頂部，以藉由 工氣媒;I來提回熱對麵接觸表面積，能以最簡易的生產製程， 製作π附加彳貝值的產品為設計依歸，經不斷研究、改良後，終有 本發明之研發成功，公諸於世。 本發明取高導熱率適當粉體材料(如 :氮化鋁A1N、氮 化矽SiN、氮化硼Μ、碳化；^SiC、石墨c等），之後添加適當比例 的無機黏結劑及有機塑料’經過均勻混合、成型、燒結等過程， 製造出高導熱高散熱率的多孔_鎌熱層，並與金駿料之吸 熱層組合成高散熱性的電子元件散熱器。 緣是，本發明之主要目的即在提供一種「複合多層式多孔洞 1299975 結構陶莞散熱ϋ」，主要係由散熱層、吸熱層及介於散熱層與吸 熱層間之導接層構成。該吸熱層係利用金屬具有高結構密度以及 咼比熱之特性，所以具有較高之導熱能力者(如··銅金屬之導熱係 數為382W/mK)。該散熱層係利用不同粒徑的高熱導率陶瓷粉粒 (如··碳化矽SiC導熱係數為27〇W/mK)，陶瓷具有較低的比熱，是 一種相當好的散熱材料。製作藉由陶瓷，以高壓擠出再滚麼成型 或加壓成型或調配成漿料灌注成型的方式結合，再燒結成具間隙 的多孔洞結構陶瓷散熱層散熱基部，並使用相同材料一體或附加 於其頂面而形成外散熱頂部。上述散熱層散熱基部底面以導接層 與吸熱層連接，吸熱層與熱源接觸面接觸，再藉由散熱層的多孔 洞結構與強化散熱之外散_部，岐氣絲熱媒介的自然對流 或再加以一個強制對流條件，來提高散熱器的散熱能力者。 【實施方式】 為達成本發明前述目的之技術手段，茲列舉一實施例，並配 s圖式5兑明如後’貝審查委員可由之對本發明之結構、特徵及所 達成之功效，獲致更佳之瞭解。 請參閱第二圖至第九圖，本發明所提供之複合多層式多孔洞 結構陶瓷散熱器（2)，其主要包含有陶瓷材料之散熱層（21)、金屬 材料之吸熱層（22)及介於散熱層（21)與吸熱層（22)間之導接層 (23);該散熱層（21)具有散熱基部(2Π)及外散熱頂部(212、213、 214、215、216、217)，導接層（23)係連接於散熱層（21)之散熱基 部（211)底面與吸熱層（22)頂面，導接層（23)可使用錫膏以銲錫方 !299975 式將散熱基部(211)與吸熱層（22)銲接，亦可使用導熱膠、導熱 膏或其他導熱黏劑將散熱基部(211)與吸熱層（22)黏接。 ”亥政熱層（21)具有散熱基部(211)及外散熱頂部(212、213、 214、215、216、217)，其中散熱基部(211)係利用不同粒徑的高 熱導率陶瓷粉粒，以高壓擠出再滾壓成型或沖壓成型或調配成漿 料灌注成型的方式結合，再燒結成具間隙的多孔洞結構而外散 熱頂部（212、213、214、215、216、217)係使用相同材料一體或 附加於其頂面。 、 本發明散熱層（21)製造方法包括有以下的步驟·· 原料製備··取適當比例不同粉體粒徑（粉體粒徑在1〇〇〜6⑽目 之間）的熱導率高的陶瓷粉體（熱導率高的陶瓷粉體諸如：氮化 鋁A1N、氮化矽SiN、氮化硼BN、碳化矽SiC、石墨c、等）添加適當 比例的黏結劑（例如：石夕溶膠Si〇2S〇卜紹溶膠仏〇咖、錯溶膠
Zr〇2 sol、磷酸鋁溶液α1(Η2Ρ〇λ…等）與塑型劑（例如··澱粉、/ 木質素、木質璜酸鈣、羧甲基纖維素、曱基纖維素等），· 原料麟混合··將不·體粒㈣導熱率高_聽體與黏 結劑及麵_自齡，使各粉體絲具有—層如的結合酿 塑型劑； σ 〃 擠出成型：以高壓擠出成型的方式將前述材料播出成片狀或 以灌注方式成型亦可；^ 滚麼成型··以滾壓方式加壓成U〜3. Gmni厚的陶❹結合各粉 1299975 體(各粉體間的結合劑量最小），使結構密度平均； 乾燥··將成型後的陶瓷片經過200°C以下初步烘乾定型； 如上所述，本發明散熱層（21)具有散熱基部（211)及使用相同 材料一體或附加於散熱基部(211)頂面之外散熱頂部(212、213、 214、215、216、217)，茲依照外散熱頂部（212、213、214、215、 216、217)與散熱基部(211)複合組成型態分別說明如下： 1·平板型散熱器：請參閱第二圖所示，其散熱層（21)係取SiC 粉體(粒徑100〜600目mesh)，其固體成份約70〜90wt%，在取矽溶膠 約10〜30wt%以及3%的甲基纖維素混合均勻，之後經過前述製程製 作成平板型陶瓷片散熱基部(211)，再經乾燥即可在13〇〇〜1450°C 之間燒結成平板型多孔洞結構的散熱層（21),其孔隙率在 20〜60%，此種散熱層（21)為包含一體之散熱基部（211)及位於散熱 基部（211)頂面，呈平坦平面之外散熱頂部（212)。仍請參閱第二 圖，該多孔洞結構陶瓷的散熱層（21)與熱源(3)接觸面具有一層吸 熱層（22)【吸熱層（22)為比熱大之金屬製成，如銅、銘…等】， 藉吸熱層（22)吸收熱源(3)熱量，再經由散熱層（21)的多孔洞結構 陶竟散熱基部的多孔洞結構與強化散熱之外散熱頂部，以空氣為 散熱媒介的自然對流或再加以一個強制對流條件【如風扇（4)】， 來提高散熱器的散熱能力者。此散熱器經過實驗證實以1· 〇〜2. 〇mm 的厚度散熱效果最佳。該平板型散熱器經過實驗測試，以lntel puntium 4、Socket 478尺寸規格(86*70刪長寬）再搭配 1299975 70木70*15mm 4600rpm的風扇下吹作強制對流，可以解決68瓦特 (Watts)的熱能，其CPU的中心底層溫度(die temperature)不會超 過62°C 〇 2·凹凸立體型散熱器：請參閱第三、四圖所示，此實施例係 以成型後的散熱層（21)散熱基部(211)，經模具沖壓，於散熱基部 (211)頂面形成預定幾何形狀排列的凹凸立體形狀之外散熱頂部 (213),經脫模、沖壓成預定外形後，再經乾燥即可燒結成一體式 凹凸立體型多孔洞結構陶瓷的散熱層（21)。仍請參閱第三、四圖， 該多孔洞結構陶瓷的散熱層（21)具有預定幾何排列的凹凸立體形 狀之外散熱頂部（213)，其與熱源(3)接觸面間亦具有一層吸熱層 (22)，同樣的藉由吸熱層（22)吸收熱源(3)熱量，再經由散熱層（21) 散熱基部（211)的多孔洞結構與強化散熱之外散熱頂部(213)，以 空氣為散熱媒介的自然對流或再加以一個強制對流條件【如風扇 (4)】，來提咼散熱片的散熱能力。由於該多孔洞結構陶瓷散熱層 (21)預定幾何排列的凹凸立體形狀之外散熱頂部（213)，其散熱表 面積較平板型為大，散熱效果更佳。上述凹凸立體型散熱器之散 熱層（21)凹凸立體形狀僅係一種可行之實施例而已，並不限定其 雜，例如第五騎示即為另—種具有不_狀外散熱頂部(2⑷ 之實施例。 3·表面附加型散熱器： 請參閱第六圖，兹先就_方式為表面附加之製法說明如下： 1299975 調漿：取與前述實施例散熱層（21)散熱基部(211)相同材料， 混合攪拌成漿料； 加熱：將前述多孔洞結構陶瓷散熱層（21)散熱基部(211)(經 燒結完成後)加熱； 喷漿··將漿料平均喷濺於已預熱500°C以上之多孔洞結構陶瓷 的散熱基部（211)表面上； 燒結：將喷有漿料之多孔洞結構的陶瓷散熱層（21)燒結，結 • 合衆料中之顆粒於多孔洞結構陶瓷的散熱層上，亦即該多孔洞結 構陶瓷散熱層（21)散熱基部（211)頂面具有附加於其上方，呈顆粒 狀（大小顆粒不同’且為不規則排列)的喷濺型外散熱頂部（215) 【請參閱第六圖】，用為增加散熱表面積，提昇散熱效果。其散 熱器的散熱效果較平板型者高5%。 前述係以漿料喷濺的方式，於多孔洞結構陶瓷散熱層（21)散 熱基部(211)頂面附加形成的外散熱頂部(215)，但此種纟面附加 型散熱器亦可以印刷方式，再燒結成大小顆粒相近且呈較規則排 列之印刷型外散熱頂部（216)【請參閱第七圖】。 4·網狀海綿型散熱器（請參閱第八圖及第九圖）·· 調漿··取與前述實施例散熱層（21)散熱基部(2⑴相同材料， 混合攪拌成漿料； 載具沾漿：取已定型之载具沾附聚料，該定型載具為有機物 材質，由魏及滅多孔道構成（例如海綿），浸壓賴令定型 1299975 載具骨架平均沾附有聚料’且維持孔道的連通。 黏結：將沾__定賴具與多·結構陶錄熱層⑻ 之散熱基部（211)黏結。 燒結：將沾附漿料的定型載具與多孔洞結構陶莞散熱層⑴之 政熱基部(211)於1300〜1450。(：間燒結，將定型載具原有之有機物 材質骨架燒除，形成凌亂的網狀海綿結構外散熱頂部(217)。請參 閱第八圖及第九麵示，該贿海纟帛賴外散_部(217)具有高 熱率的陶殼架(2171)，且各陶毅架⑵71)間具有相互連通的 ^ 孔道(2172)。亦即，該多孔洞結構陶竟散熱層（21)之散熱基部(211) 頂面結合有一層網狀海綿結構之外散熱頂部（217)，該網狀海綿結 構之外散熱頂部(217)具有高熱率的陶兗骨架(2171)，且各高散熱 率的陶究骨架（2171)間具有相互貫通的孔道(2172)，用為增加散 熱表面積’提昇散熱絲。經過實驗證實，細狀料散熱層（21) 因為是凌亂的互通孔道，若其上方加以一個風扇作強制對流，不 得用吹風方式做散熱，需要以抽風方式散熱，因為吹風方式在凌 φ 亂孔道内的熱風會造成擾流。經過實驗證明，以3瓦特的發光二極 體LED為例子，發光二極體要成為全彩的廣告看板，必須要有紅 色、藍色、綠色的led燈泡搭配於同一個模組上，同時三個led燈 泡的溫度不得超戰)¾，酬會造成合成的色澤偏差。經過實驗 發覺需要8cm圓直徑，底層散熱基部(211)需要丨· 5〜2. 〇麵的平板型 散熱器’上層需要l〇mm厚度的網狀海綿型外散熱頂部(217)，如此 13 1299975 搭配就可以在自雜流雜件下_三飢_散熱能力。 清參閱第十圖所示，該圖係以本發明之複合多層式多孔洞結 構陶甍散熱n應用於電晶體⑽)之實驗實施姻。將電晶體⑽ 的電晶體引腳⑽以及機板接地面⑸）鱗接方式連接至機板 上’以本發明之散熱層（21)黏著於華碩p4S_電腦主機板上的電 晶體上方為例子的實際測絲，其電晶體⑽的表面溫度可由叩 C降低至52C ;同時，主機板的溫度亦可降低3〜5〇c。 本發明複合多層式多孔職構陶錄鋪，可糊具有高導 熱率的陶紐料、纽繼構之散歸散絲部及能提高接觸空 氣表面積之外散_部，大幅增加散熱能力，完全解決目前大體 積的銘金屬散熱鰭錄熱效果不佳之缺失，_也兼具簡易的生 產製程及低的材料、製造成本，可叙細於各式會發熱的電子 裝置散熱，如此而達本發明設計目的。 【圖式簡單說明】 第一圖係傳統金屬片式散熱器側視圖。 第二圖係本發明平板型散熱器組立側視圖。 第三圖係本發明凹凸立體型散熱器部份放大立體圖。 第四圖係本發明凹凸立體型散熱器組立剖面圖。 第五圖係本發明凹凸立體型散熱器另一實施例之部份放大立體 圖。 第/、圖係本發明表面附加型散熱器組立剖面圖（喷濺弋，呈不規 1299975 (印刷式，呈規則 第七圖係本發明表面附加型散熱器組立 排列）。 第八圖係本發明網狀海錦型散熱器組立側視平面圖。 第九圖係本發明網狀海綿型散熱器立體圖。 第十圖係^本發明之複合彡収纽_構喊絲魏用於電 晶體之實驗實施例圖。 【主要元件符號說明】 (1) 散熱器
(11) 散熱片 (111)散熱鰭片 (12) 吸熱層 (2) 散熱器 (21) 散熱層 (211)散熱基部
(212、213、214、215、216、217)外散熱頂部 (2171) 陶瓷骨架 (2172) 孔道 (22) 吸熱層 (23) 導接層 (3) 熱源 (4)風扇 (41)間隙 15 1299975 (50) 電晶體 (51) 機板接地面 (52) 電晶體引腳