TWI588436B - 傳熱結構、其製造方法以及其散熱方法 - Google Patents

傳熱結構、其製造方法以及其散熱方法 Download PDF

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傳熱結構、其製造方法以及其散熱方法
本發明係有關於一種傳熱結構、其製造方法以及其散熱方法，特別是指利用結合在微孔板上的金屬導熱層接觸熱源，透過導熱性佳的金屬導熱層加強界面的導熱效果，進而提升熱源的散熱速度。
按，發熱性元件由於在使用的過程中不斷地產生的熱，而在過熱的情況下就容易造成發熱性元件的性能變差，例如光學特性下降或是電特性下降。因此，需藉由散熱元件將發熱性元件所產生的熱導掉，而一般散熱元件會使用像是金屬板及散熱鰭片等具有散熱功能的物件。然而，隨著時代的進步，3C產品逐漸追求高性能和輕薄外觀，因此其散熱設計日益重要，傳統散熱鰭片體積過大且太重，不敷使用，只能以薄板材散熱，高性能薄型散熱片符合此需求趨勢。
但是薄板材受限於加工程序，平整度遠不如塊材，接觸點因界面導入大量孔隙而減少，孔隙處(空氣層的熱傳導係數為0.024W/mK)容易形成熱淤積，造成嚴重熱阻，熱源溫度跟著提高，使薄板材散熱效果不如預期。薄板材的界面空氣熱阻比塊材大，究因於熱源和散熱的薄板材接觸不完全，而且接觸面積愈大，熱淤積問題愈嚴重。過去利用散熱膏填補界面孔隙，高分子材料長期受熱易劣化，使用壽命僅1~3年，其熱傳導係數約2~5W/mK，雖高於空氣，但仍不及於金屬導熱層(如合金材料)的熱傳導能力。然而介於熱源和散熱的 薄板材間的金屬導熱層，因其熱膨脹係數較大，易隨熱源溫度改變而有劇烈的體積變化，進而產生嚴重的裂紋影響散熱效果，所以導致金屬導熱層不被大量作為熱源和散熱的薄板材之間的導熱介質。是以，本發明主要在改善前述之問題點。
爰此，本發明提出一種傳熱結構，用以接觸一熱源，包含有：一微孔板，具有複數個貫穿孔；一金屬導熱層，有一第一接觸面及一第二接觸面，該第一接觸面用以接觸該微孔板，該第二接觸面用以接觸前述熱源，該金屬導熱層有複數個凸部對應伸入前述貫穿孔，而結合在前述貫穿孔內緣。
其中，該金屬導熱層係包含有鉍、錫、鉛、銅、銦、鎘、鉈、鎳、鍺、銀、銻、鎵、銦、鉀及鈉之至少兩者，且該金屬導熱層之熔點介於攝氏6度至140度之間。
其中，前述貫穿孔的孔徑係介於10微米至90微米之間。
其中，前述貫穿孔之斷面係呈沙漏形狀或直立三角形。
其中，該微孔板有一與該第一接觸面接觸之表面，該表面係為粗糙表面或具有複數溝渠的表面。
本發明亦提出一種前述傳熱結構之製造方法，包括有以下步驟：A.將該微孔板與該金屬導熱層之第一接觸面相接觸；B.使該金屬導熱層吸熱熔融而產生前述凸部滲入前述貫穿孔內。
在步驟B中，該金屬導熱層之第二接觸面與前述熱源相接觸，並吸收前述熱源所釋放之熱能。
在步驟B中，該金屬導熱層之第二接觸面與前述熱源相接觸，前述熱源為一基板，將相互接觸的該微孔板、該金屬導熱層與該基板置入一供熱單元中加熱，該金屬導熱層吸收該供熱單元所提供之熱能。
其中，該供熱單元係為烘箱或烤爐。
在步驟B中，進一步以加壓方式讓該微孔板與該金屬導熱層相貼合。
在步驟A中，該金屬導熱層係以薄片狀或粉末狀接觸該微孔板。
本發明亦提出一種前述傳熱結構之散熱方法，包括有以下步驟：A.將該金屬導熱層之第二接觸面接觸前述熱源；B.前述金屬導熱層吸熱後，前述凸部將熱能傳導至該微孔板，藉由該微孔板進行散熱。
其中，該金屬導熱層之熔點高於該熱源之溫度，該金屬導熱層係呈固態。
其中，該金屬導熱層之熔點低於該熱源之溫度，該金屬導熱層吸熱熔融並填入該微孔板之複數個貫穿孔。
本發明之功效：
1.本發明之傳熱結構，由於該金屬導熱層搭配該微孔板作使用增加導熱面積，因此可忽略在散熱過程中該金屬導熱層所產生的裂紋面積對導熱效果的影響；再者，該金屬導熱層裂紋處的間隙能與該微孔板上的貫穿孔連通形成熱對流通道，將受熱膨脹的空氣帶出，本發明同時以對流和熱傳導方式帶走熱量，善用熱空氣對流彌補熱傳導散熱之不足，突破傳統作法，反而是利用不完全接觸的間隙作為散熱通道，可稱為容許介面間隙和裂紋的散熱板材，能改善介面空氣層等對熱傳的阻斷現象，使該金屬導熱層不受裂紋影響其導熱效果。
2.本發明之傳熱結構，藉由該金屬導熱層搭配該微孔板作使用，讓熱膨脹係數大的該金屬導熱層在熱漲冷縮的過程中較具有延展的空間，能分散膨脹造成的尺寸變化，且愈多的前述貫穿孔分散效果愈好，進而降低該金屬 導熱層的裂化程度，此設計能使該金屬導熱層的選擇範圍更多，不受限於其熱膨脹係數。
3.本發明之傳熱結構，在使用的過程中，若該熱源的溫度高於該金屬導熱層的熔點而使其呈熔融狀時，該金屬導熱層會因毛細作用等結合在該微孔板之複數個貫穿孔，不會隨意流動而溢流出該微孔板；另外，熔融狀的該金屬導熱層能更貼合該熱源和該微孔板，由於該熱源和該微孔板表面很難完全平行，因此本發明藉由將熔融狀的該金屬導熱層置於該熱源和該微孔板之間，使該熱源和該微孔板表面從點接觸轉為面接觸，大量增加傳熱量，即使冷卻固化後，該金屬導熱層仍能維持面接觸。
4.本發明之傳熱結構，該金屬導熱層與該微孔板在貼合的過程中，該金屬導熱層與該微孔板之間所包覆的空氣，可由該微孔板之複數個貫穿孔溢出，以避免包覆在該金屬導熱層與該微孔板之間的氣泡會形成熱點，導致散熱效果不佳。
(1)‧‧‧微孔板
(11)‧‧‧貫穿孔
(12)‧‧‧表面
(2)‧‧‧合金
(21)‧‧‧第一接觸面
(22)‧‧‧第二接觸面
(23)‧‧‧凸部
(A)‧‧‧熱源
[第一圖]係為本創作第一實施例之構造示意圖。
[第二圖]係為本創作第一實施例之局部構造示意圖。
[第三圖]係為本創作貫穿孔之斷面呈直立三角形之局部構造示意圖。
[第四圖]係為本創作微孔板之表面為具有複數溝渠的表面之局部構造示意圖。
[第五圖]係為本創作金屬導熱層呈固態的使用示意圖。
[第六圖]係為本創作金屬導熱層呈液態的使用示意圖。
綜合上述技術特徵，本發明傳熱結構、其製造方法以及其散熱方法的主要功效可在下述實施例清楚呈現。
本發明傳熱結構之第一實施例請參閱第一圖及第二圖所示，係包括有：一微孔板(1)，具有可以產生毛細作用之複數個貫穿孔(11)，前述貫穿孔(11)的孔徑係介於10微米至90微米之間，且前述貫穿孔(11)之斷面係呈沙漏形狀，而前述貫穿孔(11)之斷面亦可呈直立三角形(請配合參閱第三圖)或其它形狀，並不加以限定；一金屬導熱層(2)，有一第一接觸面(21)及一第二接觸面(22)，該第一接觸面(21)用以接觸該微孔板(1)之一表面(12)，該表面(12)於本實施例中係為粗糙表面，而該表面(12)亦可係為具有複數溝渠的表面(請配合參閱第四圖)，於本實施例中該表面(12)係為粗糙表面，該第二接觸面(22)用以接觸一熱源(A)，該熱源(A)可以係LED電子產品、液晶模組或是其它需散熱之產品，該金屬導熱層(2)有複數個凸部(23)對應伸入前述貫穿孔(11)，而結合在前述貫穿孔(11)內緣。要特別說明的是，前述貫穿孔(11)之斷面形狀的設計與前述微孔板(1)之表面粗糙度或溝渠的設計，皆可使該金屬導熱層(2)與該微孔板(1)間的接觸面積變大，大量增加傳熱量，進而大幅提升傳熱效果。
前述金屬導熱層(2)係包含有鉍、錫、鉛、銅、銦、鎘、鉈、鎳、鍺、銀、銻、鎵、銦、鉀及鈉之至少兩者，且該金屬導熱層之熔點介於攝氏6度至攝氏140度之間，較佳地是介於攝氏40度至攝氏100度之間。前述金屬導熱層(2)可以係使用羅斯易熔合金(Rose's metal)含50%之鉍、25%之鉛及25%之錫，熔點98℃)、Cerrosafe(含42.5%之鉍、37.7%之鉛、11.3%之錫及8.5%之鎘，熔點74℃)、伍德合金(Wood's metal)(含50%之鉍、26.7%之鉛、13.3%之錫及10%之鎘，熔點70℃)、Field's metal(含32.5%之鉍、16.5%之錫及51%之銦，熔點62 ℃)、Cerrolow 136(含49%之鉍、18%之鉛、12%之錫及21%之銦，熔點58℃)、Cerrolow 117(含44.7%之鉍、22.6%之鉛、8.3%之錫、19.1%之銦及5.3%之鎘，熔點47.2℃)、雙鉛錫鎘式鉈(含40.3%之鉍、22.2%之鉛、10.7%之錫、17.7%之銦、8.1%之鎘及1.1%之鉈，熔點41.5℃)、低溫無鉛焊錫(含42%之錫及58%之鉍，熔點138℃)、SN100C無鉛焊錫(含99.245%之錫、0.7%之銅、0.05%之鎳及0.005%之鍺)、低成本無鉛焊錫(含99.3%之錫及0.7%之銅)、一般無鉛焊錫(含99%之錫、0.7%之銅及0.3%之銀)、常用無鉛焊錫(含96.5%之錫、3%之銀及0.5%之銅)、晶格更細且低温時性能好的無鉛焊錫(含96.2%之錫、2.5%之銀、0.8%之銅及0.5%之銻)、鎵銦液態合金(含90%之鎵及10%之銦，熔點17.2℃)、鎵銦液態合金(含80%之鎵及20%之銦，熔點16.7℃)或鉀鈉合金(含56%之鉀及44%之鈉，熔點6.8℃)等。
本發明傳熱結構之第一實施例的製造方法有兩種，第一種製造方法係包括有以下步驟：A.前述熱源(A)為一LED電子產品的基板，將該金屬導熱層(2)之第二接觸面(22)接觸該基板，再將該微孔板(1)與該金屬導熱層(2)之第一接觸面(21)相接觸，其中該金屬導熱層(2)可係以薄片狀或粉末狀的方式接觸該微孔板(1)；B.藉由該LED電子產品的運作，使該基板之溫度逐漸上升，並在該基板之溫度高於該金屬導熱層(2)之熔點時，該金屬導熱層(2)吸熱熔融而產生前述凸部(23)滲入前述貫穿孔內，以結合在該微孔板(1)上，同時亦可使包覆在該微孔板(1)與該金屬導熱層(2)之間的空氣由該微孔板(1)之貫穿孔(11)溢出，以避免包覆在該金屬導熱層(2)與該微孔板(1)之間的氣泡會形成熱點，導致散熱效果不佳，接著再以加壓夾持的方式讓該金屬導熱層(2)可以更緊密的與該微孔板(1)貼合。
本發明傳熱結構之第一實施例的第二種製造方法，則係包括有以下步驟：A.前述熱源(A)為一LED電子產品的基板，將該金屬導熱層(2)之 第二接觸面(22)接觸該基板，再將該微孔板(1)與該金屬導熱層(2)之第一接觸面(21)相接觸，其中該金屬導熱層(2)可係以薄片狀或粉末狀的方式接觸該微孔板(1)；B.將相互接觸的該微孔板、該金屬導熱層與該基板置入一供熱單元中加熱，該供熱單元可係為烘箱或烤爐，當該供熱單元提供之溫度高於該金屬導熱層(2)之熔點時，該金屬導熱層(2)吸熱熔融而產生前述凸部(23)滲入前述貫穿孔內，以結合在該微孔板(1)上，同時亦可使包覆在該微孔板(1)與該金屬導熱層(2)之間的空氣由該微孔板(1)之貫穿孔(11)溢出，以避免包覆在該金屬導熱層(2)與該微孔板(1)之間的氣泡會形成熱點，導致散熱效果不佳，接著再以加壓夾持的方式讓該金屬導熱層(2)可以更緊密的與該微孔板(1)貼合。
要再特別說明的是，第一種製造方法係先依序在該基板上置放該金屬導熱層(2)與該微孔板(1)，而在該LED電子產品的運作過程中，製備成本發明之傳熱結構，並進行散熱；而第二種製造方法則係將相互接觸的該微孔板(1)、該金屬導熱層(2)與該基板先透過該供熱單元製備成本發明之傳熱結構，再將結合有該微孔板(1)與該金屬導熱層(2)的基板組裝至該LED電子產品中，以於該LED電子產品的運作過程中進行散熱。
本發明傳熱結構之第一實施例的散熱方法，包括有以下步驟：A.將該金屬導熱層(2)之第二接觸面(22)接觸前述熱源(A)；B.前述金屬導熱層(2)吸熱後，除了該第一接觸面(21)能導熱外，前述凸部(23)將熱能傳導至該微孔板(1)，藉由該微孔板(1)進行散熱。要特別說明的是，在使用的過程中，當該金屬導熱層(2)之熔點高於該熱源(A)之溫度，請參閱第五圖所示，該金屬導熱層(2)係呈固態，因此在受溫度影響的熱漲冷縮過程中的體積的變化較小，故該金屬導熱層(2)較不易有裂化的現象產生，進而維持良好的傳熱效果；而當該金屬導熱層(2)之熔點低於該 熱源(A)之溫度，請參閱第六圖所示，該金屬導熱層(2)吸熱熔融並使其凸部(23)因毛細作用等而更深入前述貫穿孔(11)內緣，增加了該金屬導熱層(2)與該微孔板(1)的接觸面積，故可降低在散熱過程中該金屬導熱層(2)所產生之裂紋對導熱效果的影響，此外該金屬導熱層(2)在熱漲冷縮的過程中，由於該微孔板(1)上的貫穿孔(11)提供該金屬導熱層(2)延展的空間，因此能分散膨脹造成的尺寸變化，進而降低該金屬導熱層(2)的裂化程度，而在此設計之下本發明能使該金屬導熱層的選擇範圍更多，不受限於其熱膨脹係數。又該微孔板(1)上的貫穿孔(11)同時提供未來裂紋區域的熱空氣對流空間，即使裂紋無法完全避免，也能藉此熱對流空間設計，減少熱淤積於裂紋區域，強化傳熱效果。
要再說明的是，該金屬導熱層(2)呈熔融狀時會因毛細作用等結合在該微孔板(1)之貫穿孔(11)內緣，不會隨意流動而溢流出該微孔板(1)。另外，熔融狀的該金屬導熱層(2)能更貼合該熱源(A)和該微孔板(1)，藉由將熔融狀的該金屬導熱層(2)置於該熱源(A)和該微孔板(1)之間，使表面很難完全平行的該熱源(A)和該微孔板(1)，從點接觸轉為面接觸，大量增加傳熱量，且即使冷卻固化後，該金屬導熱層(2)仍能維持面接觸。
再請配合參閱表一、表二、表三及表四，係為該微孔板搭配不同熔點之金屬導熱層用於接觸LED燈之基板的測試數據，其中表一係揭露使用60℃低熔點之金屬導熱層的熱導率，表二係揭露使用70℃低熔點之金屬導熱層的熱導率，表三係揭露使用90℃低熔點之金屬導熱層的熱導率，表四係揭露使用60℃、70℃、90℃低熔點金屬導熱層以1：1：1混合所形成之金屬導熱層的熱導率，且表一至表四皆分別有壓延及未壓延兩組數據，壓延可使金屬導熱層預成型薄片狀，有利金屬導熱層均勻分布；從實驗所示，低熔點金屬導熱層因受到LED 燈之基板的高溫，使低熔點金屬導熱層可能形成三種型態，如60℃低熔點金屬導熱層呈液態、70℃低熔點金屬導熱層和前述混合三種之低熔點金屬導熱層呈固液態、90℃低熔點金屬導熱層呈固態，並如下列表一、表二、表三及表四所示，固態的熱導率為23W/m2K，固液態的熱導率為21至22W/m2K，液態的熱導率為21至22W/m2K。
表四、該微孔板搭配以1：1：1混合前述三種金屬導熱層之低熔點金屬導熱層
本發明之傳熱結構，由於該金屬導熱層搭配該微孔板作使用增加導熱面積，因此可忽略在散熱過程中該金屬導熱層所產生的裂紋對導熱效果的影響；再者，藉由該金屬導熱層搭配該微孔板作使用，讓熱膨脹係數大的該金屬導熱層在熱漲冷縮的過程中較具有延展的空間，進而降低該金屬導熱層的裂化程度。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
(1)‧‧‧微孔板
(11)‧‧‧貫穿孔
(2)‧‧‧合金
(A)‧‧‧熱源

Claims (10)

  1. 一種傳熱結構，用以接觸一熱源，包含有：一微孔板，具有可以產生毛細作用之複數個貫穿孔，前述貫穿孔的孔徑係介於10微米至90微米之間，前述貫穿孔之斷面係呈沙漏形狀或直立三角形；一金屬導熱層，有一第一接觸面及一第二接觸面，該第一接觸面用以接觸該微孔板，該第二接觸面用以接觸前述熱源，該金屬導熱層有複數個凸部對應伸入前述貫穿孔，而結合在前述貫穿孔內緣。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之傳熱結構，其中該金屬導熱層係包含有鉍、錫、鉛、銅、銦、鎘、鉈、鎳、鍺、銀、銻、鎵、銦、鉀及鈉之至少兩者，且該金屬導熱層之熔點介於攝氏6度至140度之間。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之傳熱結構，其中該微孔板有一與該第一接觸面接觸之表面，該表面係為粗糙表面或具有複數溝渠的表面。
  4. 一種如申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之傳熱結構之製造方法，包括有以下步驟：A.將該微孔板與該金屬導熱層之第一接觸面相接觸；B.使該金屬導熱層吸熱熔融，因毛細作用而產生前述凸部滲入前述貫穿孔內。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，在步驟B中，該金屬導熱層之第二接觸面與前述熱源相接觸，並吸收前述熱源所釋放之熱能。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，在步驟B中，該金屬導熱層之第二接觸面與前述熱源相接觸，前述熱源為一基板，將相互接觸的該微孔板、該金屬導熱層與該基板置入一供熱單元中加熱，該金屬導熱層吸收該供熱單元所提供之熱能。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之製造方法，其中該供熱單元係為烘箱或烤爐。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，在步驟B中，進一步以加壓方式讓該微孔板與該金屬導熱層相貼合。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，在步驟A中，該金屬導熱層係以薄片狀或粉末狀接觸該微孔板。
  10. 一種如申請專利範圍第1項至第3項任一項所述之傳熱結構之散熱方法，包括有以下步驟：A.將該金屬導熱層之第二接觸面接觸前述熱源；B.前述金屬導熱層吸熱後，該金屬導熱層之熔點低於該熱源之溫度，該金屬導熱層吸熱熔融，因毛細作用填入該微孔板之複數個貫穿孔內，前述凸部將熱能傳導至該微孔板，藉由該微孔板進行散熱。
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