TWI381069B - Method for manufacturing electroformed capillary structure - Google Patents

Description

電鑄毛細結構之製造方法

一種電鑄方式製造之毛細結構，毛細結構之孔隙與粗糙結構，於工作流體沸騰或凝結時，可提供許多沸騰之成核位置(Nucleation Sites)與接觸面積，大幅提高沸騰與熱傳遞之效率，可應用於兩相沸騰熱傳散熱元件中。

目前傳統的液汽兩相式散熱元件(如熱管等)，其內部的毛細結構主要可分為三種：燒結粉粒結構、網狀結構、溝槽結構。

從前案檢索可知，對於液汽兩相式散熱元件，其內部的毛細結構的設計與製造專利已有相當多的專利，不過大部分著眼於毛細結構之設計與應用。

國內專利前案中，與熱管毛細結構之製造相關專利相當多，首先是中華民國專利「熱管及其製造方法」(專利證書號I275769)，其毛細結構由篩網層及顆粒層相互疊置而成，該熱管係通過在芯棒表面結合篩網，於芯棒插入導熱殼體後充填微細粉體於導熱殼體與篩網之間的間隙內，再進行高溫燒結而製成。此與本案所提出之電鑄方式製造毛細結構明顯不同，故並不衝突。

中華民國專利「熱管」(公開編號：200720614、200720616)，利用毛細結構使管殼內部形成至少兩個隔開 的空腔部，從而形成多個蒸汽流體通道，蒸汽流體與液態流體的循環流動較快且具多方向性，以提高熱管熱傳導性能。此外並包括一至少設置於管殼中部毛細結構朝向空腔部的表面之汽-液分流隔板，以有效避免蒸汽與冷凝液體的剪力作用及絕熱區域對冷凝液體的再加熱效應，而提高熱管性能並提升製程良率。對於毛細結構之製程並未提及，除了製程可能遭遇困難導致實施不易之外，與本專利提出之電鑄方式製造毛細結構無關連性，故並不衝突。

中華民國專利「迴路型熱管結構改良設計」(專利證書號495016)，利用網狀結構作為毛細結構，與本案所提出之電鑄方式製造毛細結構明顯不同，故並不相關。

中華民國專利「可提升熱交換率之水蒸發罩」(專利證書號500911)，利用纖維條(以金屬、紙條塑膠合成、紙纖維等材料製程)，由橫向排列或交錯排列方式達到類似毛細結構之功能。與本專利提出之電鑄方式製造毛細結構無關連性，實施方法與本專利不同。

中華民國專利「熱管製程中毛細現象加工之銅網安裝方法」(專利公告號502104)，為金屬網毛細結構，與本案提出之電鑄方式製造毛細結構實施方法不同。

中華民國專利「散熱板熱管製造方法」(專利公告號510961)，其毛細結構可為金屬彈簧狀、溝槽狀、柱狀、網狀、燒結金屬粉粒成型等，與本案提出之電鑄方式製造毛 細結構方法並不相同。

中華民國專利「熱管縮管成形方法及其裝置」(專利公開編號：200616728)，提出以一心軸件將該熱管管體內之毛細組織予以撐緊於管壁上，至管壁成形後，再將該心軸件抽離之方式為熱管縮管成型製程，與本案提出之電鑄方式並不相關。

中華民國專利「熱管及其毛細結構」(專利公開編號：200617339)，為利用環狀線材作為毛細結構，與本案提出之電鑄方式製造毛細結構實施方法並不相同。

中華民國專利「散熱裝置及其製備方法」(專利證書號I254607)，以衝壓成型或LIGA製造溝槽作為毛細結構，與本專利提出之電鑄方式製造毛細結構實施方法並不相同。

在上述已知的毛細結構製程中，尚有相當多專利前案未能一一摘述，但普遍述及三種毛細結構：燒結粉粒毛細結構、溝槽毛細結構、網狀毛細結構等，以及該三種類任意組合之複合式毛細結構，如網狀-燒結粉粒、網狀-溝槽、或溝槽-燒結粉粒等，其製程複雜度當然依複合程度提高而增加。最基本的三種毛細結構製程分述如下：

(1)燒結粉粒微結構：首先必須製備金屬粉體，通常利用融熔金屬噴霧冷卻形成大小不一之不規則狀金屬粉體，再利用過濾網分出不同粒徑大小之粉體等。待粉體製備完成，若以熱管為例，一般將粉體倒入管中，中間利用一不 同材料支撐柱(一般為不鏽鋼或石墨材料)頂住粉體與管內壁緊密接觸，再予以一定時間之高溫燒結，通以不可燃氣體防止氧化或甚至特殊氣體使之還原反應，當溫度高至接近金屬粉體融點，即可使粉體燒結銲住。其中粉體與粉體中間未接合之孔隙，便成為毛細孔徑，達到毛細結構之目的。同樣地，若於平版狀熱管或平版結構內壁上，則需要以加工模具固定燒結粉體於內壁上再燒結，其實施方式與熱管雷同，然而模具費用則相當可觀，一旦要改變造型則模具必須修改或更換，顯然價格不斐。

(2)網狀毛細結構：首先必須先備製編織網，必須由材料產生纖維或絲狀線材，以該線材編織而成網。有了網狀結構物，必須將該網狀結構物置於管內壁或平面內壁上，固定方式一般有利用捲曲彈性張力固定、外加彈簧或支撐結構壓制、以及用模具壓制再燒結或焊接方式等。

(3)溝槽狀毛細結構：溝槽狀毛細結構常見製造的方式包括機械銑削、放電加工、衝壓成型、化學蝕刻、射出成型、擠出成型等。其中，機械銑削與放電加工雖然不需要模具，然而其製造方法成本極高，速度極慢，且消耗銑刀與電極，並不適用於量產產品之生產。其他製程如衝壓成型、射出成型、擠出成型皆需要先備製成型模具，要作為毛細結構之模具，必須具有100~500μm之尺寸，該尺寸之模具備製不易，價格奇高，製造技術門檻高。化學蝕刻雖 然不需要模具，然而需要光罩與顯影等過程，之後將加工件置於強酸內蝕刻，最後需清洗並去除光阻等。顯然上述製程皆包含複雜的程序或者高額的生產費用，皆非一般簡易可達成之程序。

其它，或有述及利用電鑄方式，目前已知相關者有：

●氣密性腔體散熱結構及其製造方法(中華民國發明專利證號：I257474)。

●散熱裝置之精密電鑄製法及其成品(中華民國發明專利公開號：095106472)。

然，上述兩項利用電鑄方式之相關技術，前者係為一以發泡金屬骨架之氣密性腔體散熱結構；後者則透由於導電處理槽內填入無電電鍍液，使多孔表面積元件表面上無電電鍍一導電層而形成一多孔高表面積導電體，再經電鑄處理。以上方法，與本發明請求之技術特徵其實有所不同。

毛細結構為液汽兩相式散熱元件內的必要結構，如：熱管(Heat Pipes)、迴路熱管(Loop Heat Pipe,LHP)、平板熱管(Flat Plate Heat Pipe)、蒸汽槽均熱片與鰭片(Vapor Chamber Heat Spreader and Heat Sink)、毛細迴路(Capillary Pumped Loop,CPL)等皆然。一般毛細結構的製造通常以燒結結構、網狀結構、溝槽結構等方式為主，然而此等為毛細結構通常只能實施於單調的平面上 或圓管內壁，且製程皆較複雜，亦不具經濟之可設計性。

電鑄毛細結構的形成產生之原因為：一般正常之電鑄條件，需要以小電流輸入以長成緻密之電鑄結構，相對其結構成長速度亦較緩慢；而當施以大電流輸入(一般≧2A以上)之電鑄結構，雖然結構成長迅速，但其結構將成長粗糙，同時產生許多缺陷(defect)，形成多孔性材料之特性。此種特性於傳統電鑄結構中為製程所不允許，然而以此結構作為毛細結構卻極為合適，甚至以製造毛細結構之觀點可說，電鑄結構越粗糙、缺陷越多，愈符合多孔性之毛細結構需求。此外，一般常見的傳統三種毛細結構中，等效熱傳導度與毛細力皆以燒結粉粒毛細結構為最佳，因為燒結粉粒可創造出較緻密結構與較小的毛細孔徑，直接等於較高的等效熱傳導度與較大的毛細力；而電鑄毛細結構，結構由於是從電鑄液離子狀態電解析出，故結構遠比燒結結構更為緻密，顯然等效熱傳導度更高；且依先前實驗所得，電鑄毛細結構可輕易創造出5~50μm(最大超過100μm)之毛細孔徑，毛細力極高；再者，電鑄毛細結構之孔隙與粗糙結構，於工作流體沸騰或凝結時，可提供許多沸騰之成核位置(Nucleation Sites)與接觸面積，可大幅提高沸騰與熱傳遞之效率，故應用於熱管等兩相沸騰熱傳散熱元件中，亦大幅提升效能。綜合上述觀點，顯然電鑄毛細結構之效能將可優於傳統製程之毛細結構。

本發明提出一利用電鑄方式製造毛細結構的方法，僅需要DC電源、電鑄槽、電鑄液、導電基材、不導電之遮蔽 物如膠帶；其中導電基材係為下列型態：圓管、網狀、凹凸柱狀或薄片、多邊型管、多層管、不規則塊狀、多孔狀、平板、具表面凹凸圖形之板材、部分封閉多邊型、完全封閉多邊型、以及上述任意型態之組合，並為至少一種選自銅、鋁、金、銀、鎳之材料；另，不導電遮蔽物為至少一種選自膠帶、絕緣漆、絕緣膠之材料，或可藉化學犧牲層阻絕基材與電鑄液之接觸達成，而電鑄液可為至少一種選自：鋅、鉻、錫、金、銀的金屬離子電解液；毛細結構可依設計為單層或複數層或可為一維、二維平面至三維立體結構，其等效毛細直徑尺寸可超過100微米。

將具導電性之基材電性連接至電鑄槽內電源負極，利用控制工作電流、電鑄時間與溫度，便可於欲成長毛細結構之基材上製造出電鑄毛細結構；基材與毛細結構也可進一步再加工成為封閉結構；不需要毛細結構處，只需貼上膠帶阻絕基材與電鑄液之接觸即可；此外，欲成長之毛細結構厚度，可由電流大小、電鑄液濃度與電鑄時間控制。

藉之，本發明透由傳統電鍍或電鑄槽的設備，通以高電流電鑄模式，即可在所需毛細結構鑄成長出具有多孔性之電鑄毛細結構，相較於前述之各種方法簡易許多，且變化容易自由度高，無須額外花費。舉例來說：(1)燒結粉粒極多種成型製程，一旦由原管結構(如圓形熱管)變化成平板結構(如平板狀熱管)，其模具必須更 換重新設計製造；然而本發明之電鑄毛細結構之差異僅在於置入電鑄槽內之原管換成平板即可，無須額外花費及改變製程條件；(2)燒結粉粒毛細結構或衝壓、射出、擠型溝槽欲改變毛細結構之設計、位置、圖案等，必須修改模具或置換模具等高額花費等流程，而本發明只需透由貼上不導電遮蔽物如膠帶阻絕基材與電鑄液之接觸，即可自由控制毛細結構成長位置，作法相當簡易；

綜上，本發明提出運用電鑄手段做為毛細結構製程之方法，方法相當簡易，除了創新不同於以往習知之毛細結構製程，並具極高之便利性、可實施性等。

請參閱第一圖，僅需要DC電源(1)、電鑄槽(2)、電鑄液(3)、基材(4)、膠帶(B)；其中，電鑄液(3)係可選自：硫酸銅水溶液(CuSO₄ )濃度為180~220 g/l、純硫酸(H₂ SO₄ )濃度為50~90g/l或氯離子(Cl^- )濃度為20~80mg/l中之一種電解液；將基材(4)電性連接至電鑄槽(2)內之DC電源(1)負極端，經施以高電流密度(≧5×10^-4 A/mm² )，便可於基材(4)上製造出電鑄毛細結構(A)；而不需要電鑄毛細結構(A)處，只需貼上膠帶(B)阻絕基材(4)與電鑄液(3)之接觸即可。

請參閱第二圖，圓管基材(5)外壁貼上膠帶(B1)覆蓋，藉本發明可於圓管基材(5)內壁產生毛細結構(A1)。

請參閱第三圖，平板基材(6)只需將不欲毛細結構(A2)成長處貼上膠帶(B2)覆蓋，未貼上膠帶(B2)覆蓋處，將產生毛細結構(A2)。

請參閱第四圖，凹凸基材(7)只需將不欲毛細結構(A3)成長處貼上膠帶(B3)覆蓋，浸入電鑄槽之電鑄液內，未貼上膠帶(B3)覆蓋處，將產生毛細結構(A3)。

第五圖與第六圖，為輸入電流分別為2A(電流密度5.17*10^-4 A/mm ² )與5A(電流密度1.29*10^-3 A/mm ² )，其電鑄液至少採一PH值約0.33選自：硫酸銅200g/L、硫酸80g/L、氯離子60mg/L之電解液，於正常室溫下所產生之一電鑄毛細結構SEM照片，其結構從離子狀態電解析出，結構緻密，等效熱傳導度高。

(1)‧‧‧DC電源

(2)‧‧‧電鑄槽

(3)‧‧‧電鑄液

(4)‧‧‧基材

(5)‧‧‧圓管基材

(6)‧‧‧平板基材

(7)‧‧‧凹凸基材

(A)‧‧‧毛細結構

(A1)‧‧‧毛細結構

(A2)‧‧‧毛細結構

(A3)‧‧‧毛細結構

(B)‧‧‧膠帶

(B1)‧‧‧膠帶

(B2)‧‧‧膠帶

(B3)‧‧‧膠帶

第一圖係為本發明之電鑄毛細結構製作示意圖。

第二圖係為本發明之第一實施例：圓管基材毛細結構剖面示意圖。

第三圖係為本發明之第二實施例：平板基材毛細結構剖面示意圖。

第四圖係為本發明之第三實施例：凹凸基材毛細結構剖面示意圖。

第五圖係為輸入電流條件為2A(電流密度5.17*10^-4 A/mm ² )所產生之電鑄毛細結構SEM照片。

第六圖係為輸入電流條件為5A(電流密度1.29*10^-3 A/mm ² )所產生之電鑄毛細結構SEM照片。

(1)‧‧‧DC電源

(2)‧‧‧電鑄槽

(3)‧‧‧電鑄液

(4)‧‧‧基材

(A)‧‧‧電鑄毛細結構

(B)‧‧‧膠帶

Claims (6)

1. 一種電鑄毛細結構之製造方法，係將具導電性的液汽兩相式散熱元件之基材，置於電鑄槽中，電性連接電鑄槽中之直流電源負極，使電鑄液至少掩覆該基材之部份，進行電鑄；藉利用控制工作電流密度於5.17*10^-4 A/mm² 或1.29*10^-3 A/mm² ，並於室溫下選自硫酸銅200g/L、硫酸80g/L或氯離子60mg/L之一作為電鑄液，其pH值0.33，使基材上成長出毛細結構；且透由貼覆不導電遮蔽物於基材上使其阻絕與電鑄液接觸，以控制毛細結構分佈。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電鑄毛細結構之製造方法，其中液汽兩相式散熱元件之基材包含下列：熱管、蒸汽槽均熱片與鰭片或毛細迴管。
3. 如申請專利範圍第2項所述之電鑄毛細結構之製造方法，其中基材為至少一種選自銅、鋁、金、銀或鎳之材料。
4. 如申請專利範圍第2項所述之電鑄毛細結構之製造方法，其中不導電遮蔽物為至少一種選自膠帶、絕緣漆或絕緣膠之材料。
5. 如申請專利範圍第2項所述之電鑄毛細結構之製造方法，其中毛細結構為單層或複數層。
6. 如申請專利範圍第2項所述之電鑄毛細結構之製造方法，其中毛細結構為一維、二維平面或三維立體結構。