TWI429848B - 均熱結構與其製法及具有該均熱結構之散熱模組 - Google Patents

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Description

均熱結構與其製法及具有該均熱結構之散熱模組
本發明係有關一種均熱結構及其製法以及具有該均熱結構之散熱模組，尤係一種可用於提高均熱效果之均熱結構及其製法以及具有該均熱結構之散熱模組。
一般的發光二極體元件具有耗電量低、反應速度快、體積小等優點，近年來逐漸取代傳統的白熾燈或螢光燈而成為照明主流。惟，發光二極體於發光過程中約有將近一半的輸入功率會轉變成熱能，雖然只有數瓦等級，但因為體積小，其發熱密度相當高，導致在晶片黏接處存在溫度極高的熱點(Hot spot)，此會造成發光二極體的效能降低或使用壽命縮短。
為了避免發光二極體晶片過熱，習知技術係將發光二極體晶片設置於散熱基板上，例如銅箔印刷電路板、金屬基印刷電路板或陶瓷基板。然而，銅箔印刷電路板的熱傳係數約為0.36W/mK，其熱傳性能不佳而易導致發光二極體晶片溫度過高。金屬基印刷電路板的使用示意可參閱第1圖，於散熱模組1中，發光二極體晶片11係以黏著劑12固定在基板13，並將基板13設置在具有介電層14和金屬層15的散熱基板上，再利用熱介面材料(thermal interface material,TIM)16將該散熱基板與散熱結構17予以黏接。
於第1圖中，發光二極體晶片11的熱能(如箭頭所示) 需依序經基板13、介電層14和金屬層15才傳播至散熱結構17，期間需透過至少三層的擴散熱阻(spreading resistance)。此外，介電層14難以將發光二極體晶片11的黏接處所產生的點狀熱源均勻分佈至金屬層15的水平面。再者，介電層通常是由導熱性不佳的環氧樹脂所製成，故介電層往往成為散熱模組的散熱瓶頸，使得整體的熱傳係數約只有1~12W/mK。另外，亦有相關技術使用陶瓷基板作為散熱基板，雖具有較佳的介電性質及較低的熱膨脹係數，亦有不錯的熱傳導性能(熱傳導係數約為170W/mK)，但陶瓷基板仍無法解決目前高功率發光二極體所面臨的熱點問題。或者，即便是採用例如石墨類鑽碳膜(Diamond like carbon)等高導熱材料，雖然其在水平方向的熱傳導率可高達200~600W/mK之間，但在垂直方向熱傳率則低於10W/mK，亦不足以解決目前高功率晶片所面臨的熱點(Hot spot)問題。
其次，美國第US6274924、US6943433、US7361940及US7208772號專利案以及第US2006/0086945及US2005/0269587號專利公開案，主要技術大多為在封裝結構中含散熱塊的設計，但其熱傳性能皆受限於散熱塊的金屬材料本身的熱傳導性能。再者，美國第US6717246、6789610號專利案及第US2006/0243425號專利公開案係使用平板式熱管，其可利用熱管內部工作流體的相變化傳熱，藉由工作流體的兩相變化及流動傳熱，其熱擴散能力也較相同尺寸的金屬板好，溫度分佈也較為均勻。惟，目 前平板型熱管所使用的材料通常為銅，與晶片製程之整合有其困難度。
鑑於上述先前技術之種種缺失，本發明提供一種均熱結構及其製法及具有該均熱結構的散熱模組，可達到其良好之均熱效果，使設置於散熱模組中的晶片能增加其使用效能。
本發明之均熱結構係包含第一蓋體及第二蓋體，該第一蓋體係具有第一凹槽及該第二蓋體係具有第二凹槽，且該第一凹槽及該第二凹槽的底面係分別形成有複數個微結構；支撐體，係具有複數個透孔，以由該第一蓋體及該第二蓋體夾置其中，其中，該第一凹槽與該第二凹槽係面對該支撐體，以於在該第一蓋體、該支撐體及該第二蓋體之間形成腔室；以及工作流體，係容置於該腔室內，以藉由該複數個微結構及該複數個透孔而在該腔室中自如流動。
於上述之腔室中，該第一凹槽的側壁、該第二凹槽的側壁、或該第一凹槽及該第二凹槽的側壁亦可形成有複數個微結構。
於一實施形態中，第一蓋體及第二蓋體之材料可為矽。支撐體之材料可為玻璃。工作流體可為水。
本發明之均熱結構可以熱介面材料結合於散熱結構上，成為一種用於晶片散熱之散熱模組。該散熱模組包括：散熱結構；熱介面材料，係塗布於該散熱結構上；本發明所述之均熱結構，係間隔著該熱介面材料而設置於該散熱結構上，其中，該均熱結構之遠離該熱介面材料的表面具有絕緣層；金屬層，係形成於該均熱結構的絕緣層上；以及晶片，係設置於該金屬層上。
本發明之均熱結構之製法，包含下列步驟：(1)於一第一蓋體之第一凹槽及一第二蓋體之第二凹槽的底面分別形成複數個微結構，並在該第一蓋體或該第二蓋體上開設導引孔，且在該支撐體中形成複數個透孔；(2)令該第一蓋體及該第二蓋體以該第一凹槽及該第二凹槽面對該支撐體的方式將該支撐體夾置於該第一蓋體與該第二蓋體之間，使該第一蓋體、支撐體及第二蓋體之間形成腔室；以及(3)透過該導引孔導入工作流體於該腔室內，再封閉該導引孔，使該工作流體藉由該複數個微結構及該複數個透孔在該腔室中流動。
相較於習知技術，本發明之均熱結構及其製法係透過工作流體於複數個微結構和透孔產生的毛細現象，因而在均熱結構的腔室內流動的工作流體可將熱能均勻分散，如此解決熱點問題。此外，採用本發明之具有均熱結構的散熱模組能避免傳統散熱模組之多重熱阻，提高散熱模組之散熱效率，進而穩定發光二極體晶片的效能。
以下係藉由特定的具體實施型態說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施型態加以施行或應用。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「下」、「第一」及「第二」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。
以下即配合所附圖式詳細說明本發明所揭露之均熱結構及其製法以及具有均熱結構之散熱模組。
請參閱第2圖，係為本發明之均熱結構之剖面圖。均熱結構20包含第一蓋體21、支撐體22、第二蓋體23及工作流體25。
第一蓋體21係具有第一凹槽210，其中，於第一凹槽210的底面211上形成有複數個微結構211a。第二蓋體23係具有第二凹槽230，其中，於第二凹槽230的底面231上形成有複數個微結構231a。微結構211a和231a可利用例如蝕刻或其他技術而分別形成在第一凹槽210的底面211和第二凹槽230的底面231上。如第2圖所示，微結構211a和231a可為凸出於底面211和231的凸部。需說明者，第一蓋體21和第二蓋體23原則上為相同的構件，且複數個微結構211a、231a的延伸方向大體上彼此平行，惟，不限制需對齊同一條法線。此外，第一蓋體21和第二蓋體23的材料為矽，使用微影製程矽材料製成。
支撐體22係具有複數個透孔220，而透孔220可例如使用雷射或其他技術形成支撐體22中，其中，複數個透孔220的延伸方向大體上彼此平行。支撐體22係夾置於第一蓋體21及第二蓋體23之間，且第一蓋體21之第一凹槽210及第二蓋體23之第二凹槽230係隔著支撐體22而相互面對，其中，可使用高溫高壓陽極製程將第一蓋體21、第二蓋體23和支撐體22結合成一體。此外，如第2圖所示，第一蓋體21及第二蓋體23將支撐體22夾置於第一蓋體21與第二蓋體23之間，且於第一蓋體21、支撐體22及第二蓋體23之間形成有腔室24，而腔室24內為近似真空狀態，約10-3 Torr。另外，支撐體22的材料為玻璃或含4%的Na2 O的玻璃。
工作流體25係容置於腔室24內，工作流體25可藉由複數個微結構211a和231a及複數個透孔220而在腔室24中流動。工作流體25可例如為水。詳言之，可於第一蓋體21或第二蓋體23上開設一導入孔(未圖式)，以將工作流體25導入腔室24內，並於導入工作流體25於腔室24內之後，再封閉該導入孔。
需說明者，腔室24中的複數個微結構211a和231a、透孔220的延伸方向大體上平行，微結構211a和231a、透孔220係用以讓工作流體於腔室24內產生毛細現象，使得工作流體25得以藉由微結構211a和231a、透孔220的毛細作用在腔室24中流動，應注意本發明並未限制微結構211a和231a、透孔220的尺寸或導入腔室24的工作流體25的流體量。如第2圖所示，工作流體25的流體量並沒有完全覆蓋住複數個微結構231a。另外，工作流體25可在腔室24中流動，故，當翻轉均熱結構20時，因重力關係工作流體25便呈覆蓋住複數個微結構211a的狀態。
於一具體實施型態中，若晶片所產生的點狀熱源在第2圖的第二蓋體23下方，則熱源可透過以下過程而均勻化分散：工作流體25在複數個微結構231a處產生毛細作用而將點狀熱源分散呈平面式，接著複數個透孔220將工作流體25因毛細作用而吸至複數個微結構211a之處，再經複數個微結構211a而分散於第一凹槽210中，最後工作流體25再下降至第二凹槽230，如此完成循環。於工作流體25在腔室24內循環期間，工作流體25受熱可從液態相變化為氣態，待流至未受熱的一方則再從氣態相變化為液態，藉此達到散熱效果。
其次，於腔室24之側壁241(包括第一凹槽210的側壁、第二凹槽230的側壁、或第一凹槽210及第二凹槽230的側壁)亦可形成複數個微結構212、232，藉此增加腔室24內的毛細作用，增進工作流體25在腔室24中的流動能力。
由第2圖可知，本發明之均熱結構係透過腔室內的微結構和透孔，使得腔室內的工作流體透過該些微結構和透孔產生毛細現象，以將均熱結構上的熱能均勻分散，藉此避免設置晶片時所產生之熱點問題，增強晶片效能。另外，由矽和玻璃所製程的均熱結構亦便於晶片的設置。
請參閱第3圖，係為本發明均熱結構之製法的流程圖。首先提供支撐體、第一蓋體及第二蓋體。該第一蓋體或該第二蓋體的材料可例如矽，該支撐體的材料可為玻璃或含4%的Na2 O的玻璃。
於步驟S31中，分別在該第一蓋體形成第一凹槽及在該第二蓋體形成第二凹槽，以在該第一凹槽及第二凹槽的底面上分別形成複數個微結構，並在該第一蓋體或該第二蓋體上開設導引孔；以及在支撐體內形成複數個透孔。接著進至步驟S32。
詳言之，可利用蝕刻技術在該第一蓋體及第二蓋體分別形成該第一凹槽及該第二凹槽，並分別在該第一凹槽及該第二凹槽的底面形成複數個微結構。此外，可在該第一蓋體或該第二蓋體的任意處開設一導引孔，以供導入工作流體。再者，可利用雷射技術在該支撐體內形成複數個透孔。需說明者，本發明之形成第一凹槽底面的複數個微結構、形成第二凹槽底面的複數個微結構、及形成支撐體內的複數個透孔之步驟並無先後或順序的限制。
於步驟S32中，令該第一蓋體、該支撐體及該第二蓋體，以該第一凹槽及該第二凹槽面對該支撐體的方式將該支撐體夾置於該第一蓋體及該第二蓋體之間，使該第一蓋體、該支撐體及該第二蓋體之間形成腔室。接著進至步驟S33。
詳言之，該第一、第二蓋體的材料通常為矽，該支撐體的材料通常為玻璃或含4% Na2 O的玻璃，而玻璃和矽的結合可利用高溫(如：約300~500℃)高壓(如：約500~1000V)的方式予以結合，使玻璃中的O2 - 與矽中的Si4 + 生成SiO2 而共價在一起，結合後的矽和玻璃其強度可達20~50Mpa。該第一蓋體和該支撐體以及該第二蓋體和該支撐體可根據此方法來結合。另外，以矽為主要材料的第一蓋體和第二蓋體可方便與晶片的製程結合。此外，於該第一蓋體、該支撐體及該第二蓋體結合後所形成的腔室中，該第一凹槽底面的複數個微結構、該第二凹槽底面的複數個微結構、以及該支撐體的複數個透孔之延伸方向係大體上平行。
於步驟S33中，透過該導引孔導入流體(例如：水)於該腔室內，再封閉該導引孔。如此可使該流體藉由該複數個微結構及透孔在該腔室中流動。而在封閉該導引孔之前，使該腔室呈真空狀態，約10-3 Torr。
由第3圖可知，透過本發明均熱結構之製法，可於均熱結構中形成封閉的腔室，而組成該腔室的第一凹槽及第二凹槽的底面具有複數個微結構，腔室內介於該第一凹槽及該第二凹槽之間的支撐體內具有複數個透孔，使腔室內的工作流體可在該第一凹槽、該第二凹槽及該透孔中流動，達到均熱效果。
請參閱第4圖，其為應用本發明之均熱結構的散熱模組之剖面圖。第4圖係為將第2圖所示之均熱結構20或根據第3圖所示之步驟所製作的均熱結構，應用在載有晶片的散熱模組3中。
散熱模組3係包括晶片31、金屬層32、絕緣層33、均熱結構30、熱介面材料34及散熱結構35。
散熱結構35可為散熱鰭片(heat sink)，熱介面材料(thermal interface material,TIM)34係塗布於散熱結構35上，而均熱結構30間隔著熱介面材料34而設置於散熱結構35上。熱介面材料34可填補均熱結構30和散熱結構35之間的接合間隙，以擴大均熱結構30和散熱結構35之間的散熱面積。
均熱結構30具有第2圖所示之均熱結構20的所有特徵，均熱結構30的腔室300的側壁301亦具有複數個微結構301a。此外，均熱結構30之遠離熱介面材料34的一面302上可具有絕緣層33，為一層二氧化矽層。
金屬層32係形成於均熱結構30的絕緣層33上，可利用濺鍍或電鍍等技術將金屬(如：銅)形成於均熱結構30的絕緣層33上，以作為線路層。晶片31係設置於金屬層32上，以發光二極體晶片為例，可透過共晶合金(eutectic alloys)而黏著於金屬層32上。
因此，於第4圖中，均熱結構30可將晶片31所產生的點狀熱源平均分散成平面式熱源，再透過熱介面材料34與散熱結構35之結合，如此大面積地接觸可協助熱的傳導，最後熱能則藉由散熱結構35而消散。
接著，如第5A及5B圖所示，係分別為顯示傳統散熱 模組及本發明之散熱模組之溫度測試結果。主要是將載有發光二極體晶片之散熱模組與先前技術中第1圖所示之習知載有發光二極體晶片的散熱模組進行比較。
請參閱第5A及5B圖，習知技術自晶片至散熱結構需至少經過基板、介電層及金屬層三個擴散熱阻，反觀本發明之散熱模組僅需經過絕緣層及均熱結構，大幅減少擴散熱阻，可增加熱傳導效率。其次，習知技術通常使用環氧樹脂作為介電層，其傳熱性能不佳以至於無法將晶片所產生的熱點熱能均勻化，導致第5A圖之散熱結構至晶片的溫差較5B圖之散熱結構至晶片的溫差大相當多，表示習知技術的熱能仍集中在晶片本身和黏晶處，其會產生熱點，造成發光二極體的使用期限縮減及其效率下降。此外，習知技術僅依靠金屬本身的熱傳性能來導熱，如第5A圖所示，金屬層和散熱結構的溫差亦很大，亦即無法將熱能傳至散熱結構上；反觀本案透過均熱結構，由於均熱結構中有工作流體的相變化及流動，可將晶片所產生的點狀熱源均勻分散，因而得以將熱良好地傳導至散熱結構。
綜上所述，本發明之均熱結構或透過本發明之均熱結構製法所製成之均熱結構係具有良好的均熱效果。採用本發明之均熱結構的散熱模組能降低熱阻、避免熱點問題以及方便結合晶片製成，除了可應用於發光二極體晶片以提升其效能之外，更可應用於其他點狀熱源，以提供較佳的熱傳性能。
上述實施型態僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施型態進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
1、3．．．散熱模組
11．．．發光二極體晶片
12．．．黏著劑
13．．．基板
14．．．介電層
15．．．金屬層
16．．．熱介面材料
17．．．散熱結構
20．．．均熱結構
21．．．第一蓋體
210．．．第一凹槽
211、231．．．底面
211a、212、231a、232．．．微結構
22．．．支撐體
220．．．透孔
23．．．第二蓋體
230．．．第二凹槽
24．．．腔室
241．．．側壁
25．．．工作流體
30．．．均熱結構
300．．．腔室
301．．．側壁
301a．．．微結構
302．．．一面
31．．．晶片
32．．．金屬層
33．．．絕緣層
34．．．熱介面材料
35．．．散熱結構
S31~S33．．．步驟
第1圖為傳統散熱模組之示意圖；
第2圖為本發明之均熱結構之示意圖；
第3圖為本發明之均熱結構之製法之流程圖；
第4圖為本發明之應用均熱結構之散熱模組之示意圖；以及
第5A及5B圖分別為傳統散熱模組及本發明之散熱模組之溫度測試結果。
20‧‧‧均熱結構
21‧‧‧第一蓋體
210‧‧‧第一凹槽
211、231‧‧‧底面
211a、212、231a、232‧‧‧微結構
22‧‧‧支撐體
220‧‧‧透孔
23‧‧‧第二蓋體
230‧‧‧第二凹槽
24‧‧‧腔室
241‧‧‧側壁
25‧‧‧工作流體

Claims (18)

  1. 一種均熱結構，係包括：具有第一凹槽之第一蓋體及具有第二凹槽之第二蓋體，且該第一凹槽及該第二凹槽的底面係分別形成有複數個微結構；支撐體，係具有複數個透孔，以由該第一蓋體及該第二蓋體夾置其中，其中，該第一凹槽與該第二凹槽係面對該支撐體，以於該第一蓋體、該支撐體及該第二蓋體之間形成腔室；以及工作流體，係容置於該腔室內，以藉由該複數個微結構及該複數個透孔而在該腔室中自如流動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之均熱結構，其中，該第一凹槽的側壁、該第二凹槽的側壁、或該第一凹槽及該第二凹槽的側壁係形成有複數個微結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之均熱結構，其中，該腔室內為真空狀態。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之均熱結構，其中，形成該第一蓋體及該第二蓋體的材料為矽。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之均熱結構，其中，形成該支撐體的材料為玻璃。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之均熱結構，其中，該工作流體為水。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之均熱結構，其中，該第一凹槽及該第二凹槽的複數微結構係為凸部。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之均熱結構，其中，該第一蓋體、第二蓋體和支撐體係使用高溫高壓陽極製程而結合成一體。
  9. 一種均熱結構之製法，包含下列步驟：(1)於一第一蓋體之第一凹槽及一第二蓋體之第二凹槽的底面分別形成複數個微結構，並在該第一蓋體或該第二蓋體上開設導引孔，且在一支撐體中形成複數個透孔；(2)令該第一蓋體及該第二蓋體以該第一凹槽及該第二凹槽面對該支撐體的方式將該支撐體夾置於該第一蓋體與該第二蓋體之間，使該第一蓋體、支撐體及第二蓋體之間形成腔室；以及(3)透過該導引孔導入工作流體於該腔室內，再封閉該導引孔，使該工作流體藉由該複數個微結構及該複數個透孔在該腔室中流動。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之均熱結構之製法，其中，步驟(1)復包括在該第一凹槽的側壁、該第二凹槽的側壁、或該第一凹槽及該第二凹槽的側壁形成複數個微結構。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之均熱結構之製法，其中，在該第一凹槽及該第二凹槽的底面上形成該複數個微結構係以蝕刻技術為之。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之均熱結構之製法，其中，在該支撐體中形成該複數個透孔係以雷射技術為之。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之均熱結構之製法，其中，步驟(2)復包括以高溫高壓使該第一蓋體及該第二蓋體夾置該支撐體並予以結合。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之均熱結構之製法，其中，於執行步驟(3)封閉該導引孔之前，復包括使該腔室呈真空狀態之步驟。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之均熱結構之製法，其中，該第一蓋體和該第二蓋體係使用微影製程矽材料製成。
  16. 一種散熱模組，係應用於晶片之散熱，該散熱模組包括：散熱結構；熱介面材料，係塗布於該散熱結構上；均熱結構，係間隔著該熱介面材料而設置於該散熱結構上，且該均熱結構遠離該熱介面材料的表面具有絕緣層，其中，該均熱結構包括：具有第一凹槽之第一蓋體及具有第二凹槽之第二蓋體，且該第一凹槽及該第二凹槽的底面係分別形成有複數個微結構；支撐體，係具有複數個透孔，以由該第一蓋體及該第二蓋體夾置其中，其中，該第一凹槽與該第二凹槽係面對該支撐體，且該第一蓋體、支撐體及第二蓋體之間形成有腔室；及工作流體，係容置於該腔室內，以藉由該複數個微結構及該複數個透孔而在該腔室中自如流動；金屬層，係形成於該均熱結構的絕緣層上；以及晶片，係設置於該金屬層上。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，其中，該晶片為發光二極體晶片。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，其中，該絕緣層為二氧化矽層。
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