TWI577468B - 定向凝固鑄造裝置及其散熱模組 - Google Patents

Description

定向凝固鑄造裝置及其散熱模組

本發明涉及一種鑄造裝置，還涉及一種定向凝固鑄造裝置及其散熱模組。

現有的多晶矽成長爐大致可分為三種：第一種是熔融液與結晶過程在不同坩堝中進行的鑄造方式；第二種熔融與結晶過程在同一坩堝中進行；以及第三種無使用坩堝的電磁鑄造法。然而，在上述第二種方式之中，矽熔湯在方形坩鍋中易產生內部溫度梯度，使得長晶初期(如：長晶作業進行至10%的長晶高度)的固液界面平整度(如：固液介面的中央區與最低點的落差)不佳，進而降低晶碇品質。

於是，本發明人認為上述缺陷可改善，乃特潛心研究並配合科學原理的運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺陷的本發明。

本發明實施例在於提供一種定向凝固鑄造裝置及其散熱模組，能有效地改善現有凝固鑄造裝置的問題。

本發明實施例公開一種定向凝固鑄造裝置，包括：一散熱板，具有位於相反兩側的一第一表面與一第二表面，所述第一表面呈方形；一取熱支架，連接於所述散熱板的所述第一表面，並且所述取熱支架與所述第一表面的相接處面積等效為呈圓環狀的一等 效散熱區域，並且所述等效散熱區域是以所述第一表面的中心點為圓心；其中，所述等效散熱區域的直徑與所述第一表面邊長的比例介於62.99%~74.80%；以及一坩堝，設置於所述散熱板的所述第二表面。

本發明實施例也公開一種定向凝固鑄造裝置的散熱模組，包括：一散熱板，具有位於相反兩側的一第一表面與一第二表面，所述第一表面呈方形；以及一取熱支架，連接於所述散熱板的所述第一表面，並且所述取熱支架與所述第一表面的相接處面積等效為呈圓環狀的一等效散熱區域，並且所述等效散熱區域是以所述第一表面的中心點為圓心；其中，所述等效散熱區域的直徑與所述第一表面邊長的比例介於62.99%~74.80%。

綜上所述，本發明實施例所公開的定向凝固鑄造裝置及其散熱模組，通過取熱支架的等效散熱區域直徑與散熱板的第一表面邊長兩者之比例介於62.99%~74.80%，藉以有效地改善長晶初期的固液界面平整度，進而提升晶碇品質。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，但是此等說明與附圖僅用來說明本發明，而非對本發明的保護範圍作任何的限制。

100‧‧‧定向凝固鑄造裝置

10‧‧‧散熱模組

1‧‧‧散熱板

11‧‧‧第一表面

12‧‧‧第二表面

13‧‧‧中心點

2‧‧‧取熱支架

21‧‧‧石墨柱

3‧‧‧坩堝

31‧‧‧底壁

32‧‧‧側壁

33‧‧‧中心軸

H‧‧‧等效散熱區域

S‧‧‧固液界面

M‧‧‧最低固液界面

R‧‧‧半徑

D‧‧‧距離

L‧‧‧邊長

圖1為本發明定向凝固鑄造裝置的剖視示意圖。

圖2為本發明散熱模組的平面示意圖。

圖3為圖1進行長晶作業至10%的長晶高度的示意圖。

圖4為本發明定向凝固鑄造裝置進行第一實驗的數據圖。

圖5為圖2增加石墨腳數量後的平面示意圖。

圖6為圖1增加石墨腳外徑後的剖視示意圖。

圖7為圖2增加石墨腳外徑與數量後的平面示意圖。

圖8為本發明定向凝固鑄造裝置進行第二實驗的數據圖。

請參閱圖1至圖8，為本發明的實施例，需先說明的是，本實施例對應附圖所提及的相關數量與外型，僅用來具體地說明本發明的實施方式，以便於了解本發明的內容，而非用來侷限本發明的保護範圍。

如圖1和圖2，本實施例公開一種定向凝固鑄造裝置100，尤指用以提供多晶矽材料鑄造成為晶碇的定向凝固鑄造裝置100，但不受限於此。所述定向凝固鑄造裝置100包括一散熱板1、一取熱支架2、及一坩堝3，並且上述取熱支架2及坩堝3分別設置於散熱板1的相反兩個表面，以使坩堝3的熱能可通過散熱板1而傳遞至取熱支架2。以下將分別介紹定向凝固鑄造裝置100的各元件構造，而後再說明各元件之間的連接關係。

所述散熱板1於本實施例中為一石墨板，並且散熱板1具有位於相反兩側的一第一表面11(如圖1中的散熱板1底面)與一第二表面12(如圖1中的散熱板1頂面)，所述第一表面11與第二表面12各呈方形。其中，所述第一表面11具有邊長L。

所述取熱支架2連接於散熱板1的第一表面11；而於本實施例中，所述取熱支架2具有多個石墨柱21，並且每個所述石墨柱21的一端連接於所述第一表面11。其中，為便於說明，所述取熱支架2與第一表面11的相接處面積於本實施例中等效為呈圓環狀的一等效散熱區域H(亦即，取熱支架2與第一表面11的相接處面積是等於等效散熱區域H的面積)，並且所述等效散熱區域H是以第一表面11的中心點13為圓心。

也就是說，每個所述石墨柱21的一端(如圖1中的石墨柱21頂端)與第一表面11中心點13的距離相等並且為所述等效散熱區域H的半徑R，但不以此為限。換言之，本實施例中所述及的等效散熱區域H半徑R也可置換為每個所述石墨柱21一端與第一表 面11中心點13的距離。補充說明一點，本實施例的散熱板1以及取熱支架2也可合稱為所述定向凝固鑄造裝置100的一散熱模組10。

所述坩堝3具有呈方形的一底壁31及自上述底壁31周緣大致垂直地延伸的一側壁32，所述坩堝3的底壁31設置於散熱板1的第二表面12。其中，所述坩堝3定義有通過底壁31的一中心軸33，並且坩堝3對稱於中心軸33，而所述散熱板1第一表面11的中心點13較佳是坐落於所述中心軸33。

所述坩堝3用以於其內部進行多晶矽的一長晶作業，而為使上述長晶作業的初期過程中能夠有較佳的固液界面平整度，本實施例是先以調整所述等效散熱區域H的半徑R作相關的第一實驗，而實驗結果如圖3、圖4及下表所示。

具體來說，當所述長晶作業進行至10%的長晶高度時，所述坩堝3內形成有一固液界面S，並且所述固液界面S在最鄰近於散熱板1處形成有一最低固液界面M。由圖4及下表所呈現的實驗結果可清楚地得知，當所述等效散熱區域H的半徑R為320公厘~380公厘(較佳為350公厘)時，固液界面S的中央與最低固液界面M的高低差能夠呈現較小的差值，並且成形於坩堝3側壁32的晶體高度也較低，藉以使所述長晶作業的初期過程中呈現出較佳的固液界面S平整度。

再者，基於本實驗所得出之結論能夠適用於等比例放大或縮小的定向凝固鑄造裝置100，所以本實驗的結論能夠合理地堆論出下述技術特徵：所述等效散熱區域H的直徑(即兩倍半徑R)與第一表面11邊長L的比例介於62.99%~74.80%，即可有效地改善長晶作業在初期過程中的固液界面S平整度。

換個角度來看，為使長晶作業的初期過程中能夠有較佳的固液界面S平整度，除了考量所述等效散熱區域H與固液界面S中央處之間的距離外，所述等效散熱區域H中央處與最低固液界面M之間的距離D也是不容忽視的因素。

進一步地說，所述最低固液界面M與中心軸33(即固液界面S的中央)相距有一距離D，並且所述距離D大於所述等效散熱區域H的半徑R。

此外，本實施例雖是以長晶作業進行至10%的長晶高度作一說明，但「10%的長晶高度」是作為解釋說明之用，本發明的具體實施構造並不受限於此。

另，以下接著採用等效散熱區域H的半徑R為350公厘為固定條件，並調整所述所述散熱板1與第一表面11的相接處面積與所述第一表面11的面積兩者之比例作相關的第二實驗，上述比例的調整方式例如是調整石墨腳21的數量或外徑(如：圖5至圖7)，而實驗結果如圖8所示。

具體來說，當所述長晶作業進行至10%的長晶高度時，上述比例為2.54%~11.03%，則固液界面S的中央與最低固液界面M的 高低差能夠呈現較小的差值，而上述比例為2.54%~7.06%，則成形於坩堝3側壁32的晶體高度較低。也就是說，所述比例為2.54%~11.03%(較佳為2.54%~7.06%)時，能使所述長晶作業的初期過程中呈現出較佳的固液界面S平整度。

同理，本實施例也採用等效散熱區域H的半徑R為320公厘與380公厘為固定條件進行相對應的第二實驗，但由於採用等效散熱區域H的半徑R為320公厘與380公厘為固定條件所得到的實驗結果，類似於所述等效散熱區域H的半徑R為350公厘的實驗結果，因而不再加以贅述。

[本發明實施例的技術效果]

本發明實施例所公開的定向凝固鑄造裝置及其散熱模組，通過取熱支架的等效散熱區域直徑與散熱板的第一表面邊長兩者之比例設定為62.99%~74.80%，藉以有效地改善長晶初期的固液界面平整度，進而提升晶碇品質。

再者，所述定向凝固鑄造裝置及其散熱模組，通過最低固液界面與中心軸的距離大於等效散熱區域的半徑，藉以有效地改善長晶初期的固液界面平整度，進而提升晶碇品質。

另，所述定向凝固鑄造裝置及其散熱模組，通過所述所述散熱板與第一表面的相接處面積與所述第一表面的面積兩者之比例設定為2.54%~11.03%(較佳為2.54%~7.06%)，所述長晶初期的固液界面平整度更是能被進一步地提升。

以上所述僅為本發明的優選可行實施例，並非用來侷限本發明的保護範圍，凡依本發明申請專利範圍所做的同等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。

100‧‧‧定向凝固鑄造裝置

1‧‧‧散熱板

11‧‧‧第一表面

12‧‧‧第二表面

13‧‧‧中心點

2‧‧‧取熱支架

21‧‧‧石墨柱

3‧‧‧坩堝

31‧‧‧底壁

32‧‧‧側壁

33‧‧‧中心軸

S‧‧‧固液界面

M‧‧‧最低固液界面

R‧‧‧半徑

D‧‧‧距離

L‧‧‧邊長

Claims (9)

1. 一種定向凝固鑄造裝置，包括：一散熱板，具有位於相反兩側的一第一表面與一第二表面，所述第一表面呈方形；一取熱支架，連接於所述散熱板的所述第一表面，並且所述取熱支架與所述第一表面的相接處面積等效為呈圓環狀的一等效散熱區域，並且所述等效散熱區域是以所述第一表面的中心點為圓心；其中，所述等效散熱區域的直徑與所述第一表面邊長的比例介於62.99%~74.80%；以及一坩堝，設置於所述散熱板的所述第二表面。
2. 如請求項1所述的定向凝固鑄造裝置，其中，所述坩堝定義有一中心軸，並且所述坩堝對稱於所述中心軸，而所述第一表面的中心點坐落於所述中心軸；所述坩堝用以於其內部進行一長晶作業，當所述長晶作業進行至10%的長晶高度時，所述坩堝內形成有一固液界面，並且所述固液界面鄰近於所述散熱板的一最低固液界面與所述中心軸相距有一距離，所述距離大於所述等效散熱區域的半徑。
3. 如請求項1或2所述的定向凝固鑄造裝置，其中，所述散熱板與所述第一表面的相接處面積與所述第一表面的面積兩者之比例介於2.54%~11.03%。
4. 如請求項1或2所述的定向凝固鑄造裝置，其中，所述散熱板與所述第一表面的相接處面積與所述第一表面的面積兩者之比例介於2.54%~7.06%。
5. 如請求項1所述的定向凝固鑄造裝置，其中，所述取熱支架具有多個石墨柱，每個所述石墨柱的一端連接於所述第一表面，並且每個所述石墨柱的一端與所述第一表面中心點的距離大致相等並且為所述等效散熱區域的半徑。
6. 一種定向凝固鑄造裝置的散熱模組，包括： 一散熱板，具有位於相反兩側的一第一表面與一第二表面，所述第一表面呈方形；以及一取熱支架，連接於所述散熱板的所述第一表面，並且所述取熱支架與所述第一表面的相接處面積等效為呈圓環狀的一等效散熱區域，並且所述等效散熱區域是以所述第一表面的中心點為圓心；其中，所述等效散熱區域的直徑與所述第一表面邊長的比例介於62.99%~74.80%。
7. 如請求項6所述的定向凝固鑄造裝置的散熱模組，其中，所述取熱支架具有多個石墨柱，每個所述石墨柱的一端連接於所述第一表面，並且每個所述石墨柱的一端與所述第一表面中心點的距離大致相等並且為所述等效散熱區域的半徑。
8. 如請求項6或7所述的定向凝固鑄造裝置的散熱模組，其中，所述散熱板與所述第一表面的相接處面積與所述第一表面的面積兩者之比例介於2.54%~11.03%。
9. 如請求項6或7所述的定向凝固鑄造裝置的散熱模組，其中，所述散熱板與所述第一表面的相接處面積與所述第一表面的面積兩者之比例介於2.54%~7.06%。