TWI644610B - 散熱單元之製造方法 - Google Patents

Abstract

一種散熱單元之製造方法，所述散熱單元主要由兩鈦金屬板體所組成， 並本發明主要係透過熱處理，使該鈦金屬板體可被施以機械加工進行塑型及表面改質，實現鈦金屬可以自由塑型以及具有毛細力，並由鈦金屬板體取代傳統銅材質板體作為散熱單元之材料使用，大幅減少重量增加散熱效能者。

Description

散熱單元之製造方法

一種散熱單元之製造方法，尤指一種以鈦金屬所製成的散熱單元之製造方法。

現行電子設備隨著計算速度越來越快，則令其內部電子元件容易產生高熱，針對電子元件散熱之問題該項業者透過至少一散熱單元如熱管、熱板、均溫板、散熱器，並透過該等散熱單元直接與該電子元件接觸結合傳導熱量，更進一步係可增加一風扇與該散熱單元結合作為強制散熱之效果。

散熱單元一般選用鋁或銅或不銹鋼或前述材料之合金等材質作為使用，其中銅與鋁及不銹鋼等材質雖係具有散熱及熱傳導快等特徵，又尤其銅最常被使用作為熱傳裝置的材料使用，銅雖具有熱傳導速度快的優點，但銅亦有缺點，銅(Cu)經高溫還原製程後，因晶粒成長而粗化造成降伏強度(Yield Strength)大幅下降，並且銅的質量重，其硬度也較軟容易變形，變形後無法自行恢復原狀。

此外因現行智慧手持裝置(諸如手機、平板、平板電腦或筆記型電腦)與穿戴型裝置或需要薄型化的電子裝置都需要更薄化的被動式散熱裝置來進行散熱，致使業者必須要將銅質板體置換成銅箔以達薄化要求，然而銅箔雖符合薄化的要求，但其結構更軟而缺乏足夠結構支撐強度，故許多特殊之應用不太適用，且因銅箔過軟不具有支撐力易受外力容易變形並破壞內部熱傳結構。

另外，上述鋁或銅或不銹鋼等材質的散熱單元在一些特殊環境或嚴苛氣候(諸如腐蝕、高濕、高鹽、極寒、高溫、真空或太空中)中是無法使用。亦此有該項業者透過以鈦合金作為取代銅材料使用，鈦合金具有高硬度、抗腐蝕、 抗高溫極寒及質量輕等特性，但鈦合金之加工極不容易，除透過切削加工或部分非傳統加工之方式外，非常難以對鈦合金進行塑性變形，故鈦合金仍然無法取代銅材料使用。

爰此，為解決上述習知技術之缺點，本發明之主要目的，係提供一種可實現對商業純鈦進行塑性加工且取代銅材質製成散熱單元的製造方法。

為達到上述目的，本發明提供一種散熱單元之製造方法，係包含下列步驟：S1：準備一第一鈦金屬板體及一第二鈦金屬板體，並進行前置清洗作業；S2：對前述第一、二鈦金屬板體進行熱處理；S3：於前述第一鈦金屬板體進行沖壓加工形成複數凸部；S4：於該第二金屬板體一側結合一金屬網目；S5：將前述第一、二鈦金屬板體設置於真空環境中，並將該第二鈦金屬板體具有金屬網目之一側填充工作液體；S6：將該第一鈦金屬板體具有凸部之一側與該第二鈦金屬板體具有金屬網目之一側對應蓋合，並透過雷射焊接進行封邊。

透過本發明所揭示之散熱單元之製造方法係可改善習知無法對純鈦進行塑性加工之缺失，以及提供一種極薄可撓曲並富有強度的散熱單元結構。

1‧‧‧散熱裝置

11‧‧‧第一鈦金屬板體

12‧‧‧第二鈦金屬板體

111‧‧‧第一平面

112‧‧‧第二平面

113‧‧‧凸部

114‧‧‧第一鍍層

121‧‧‧第三平面

122‧‧‧第四平面

123‧‧‧金屬網目

124‧‧‧第二鍍層

125‧‧‧第三鍍層

13‧‧‧密閉腔室

第1圖係為本發明散熱單元之製造方法之散熱單元第一實施例之立體分解圖；第2圖係為本發明散熱單元之製造方法之散熱單元第一實施例之組合剖視圖；第3圖係為本發明散熱單元之製造方法之散熱單元第二實施例之組合剖視圖；第4圖係為本發明散熱單元之製造方法之散熱單元第三實施例之組合剖視圖；第5圖係為本發明散熱單元之金屬網目之電子顯微鏡圖； 第6圖係為本發明散熱單元之第一、二、三鍍層之電子顯微鏡圖；第7圖係為本發明散熱單元之第一、二、三鍍層之電子顯微鏡圖；第8圖係為本發明散熱單元之第一、二、三鍍層之電子顯微鏡圖；第9圖係為本發明散熱單元之製造方法第一實施例步驟流程圖；第10圖係為本發明散熱單元之製造方法第二實施例步驟流程圖。

本發明之上述目的及其結構與功能上的特性，將依據所附圖式之較佳實施例予以說明。

請參閱第1、2圖，係為本發明散熱單元之第一實施例之立體分解圖及組合剖視圖，如圖所示，本發明之散熱裝置1，係包含：一第一鈦金屬板體11、一第二鈦金屬板體12；所述第一鈦金屬板體11具有一第一平面111及一第二平面112，所述第一平面111具有複數凸部113，該等凸部113係透過沖壓加工所形成，該第二平面112係為冷凝側。

所述第二鈦金屬板體12具有一第三平面121及一第四平面122，所述第三平面121設有一金屬網目123(如第2圖所示)，所述第一、二鈦金屬板體11、12對應蓋合並共同界定一密閉腔室13，該密閉腔室13填充有一工作流體(圖中未示)，所述第四平面122係為吸熱側。

請參閱第3圖，係為本發明散熱單元之第二實施例之組合剖視圖，如圖所示，本實施例與前述第一實施例部分結構技術特徵相同，故在此將不再贅述，為本實施例與前述第一實施例不同處在於該等凸部113表面具有一第一鍍層114，並該金屬網目123與該第三平面121間具有一第二鍍層124，所述金屬網目123表面具有一第三鍍層125，前述第一、二、三鍍層114、124、125係為親水性鍍層或疏水性 鍍層其中任一特性，所述親水性鍍層係為二氧化鈦或二氧化矽其中任一(如第5、6、7、8圖所示)。

所述第一、二、三鍍層114、124、125選用親水性或疏水性特性，主要係區分區域及用途，例如第一平面111之第一鍍層114可選用親水性鍍層或疏水性鍍層其中任一，該第三平面121上之第二鍍層124則選擇親水性鍍層，其主要目的係為增加吸水力以及第三平面121與金屬網目123間的結合力，所述金屬網目123上之第三鍍層125則選用親水性鍍層，其主要增加含水量及增加液體回流之效果。

所述第一、二鈦金屬板體11、12係選自商業純鈦，並且塑性加工前係透過前置熱處理後始可進行。

請參閱第4圖，係為本發明散熱單元之第三實施例之組合剖視圖，如圖所示，本實施例與前述第一實施例部分結構技術特徵相同，故在此將不再贅述，為本實施例與前述第一實施例不同處在於所述第一鈦金屬板體11之第二平面112相對第一平面111具有凸部113之部位具有一凹部115，即為一種壓凸印之方式所形成之結構。

請參閱第9圖，係為本發明散熱單元之製造方法第一實施例步驟流程圖，請一併參閱第1、2、3、4、5、6、7、8圖輔以說明，如圖所示，本發明之散熱裝置之製造方法係包含下列步驟：

S1：準備一第一鈦金屬板體及一第二鈦金屬板體，並進行前置清洗作業；對欲進行製造加工之第一、二鈦金屬板體11、12進行前置清潔作業，清洗作業係先以丙酮擦拭，然後再以超音波清洗機加入去離子水沖洗，最後用氮氣乾燥第一、二鈦金屬板體11、12表面，所述第一、二鈦金屬板體11、12係選自一種商業用純鈦，非為一般鈦合金，選用純鈦之好處在於較高比強度(抗拉強度/密度)，純鈦的抗拉強度優於銅，且純鈦(Ti)的密度(4.54g/cm³)約為銅(Cu)密度(8.96g/cm³)的二分之一，所以於等同體積下，高比強度之鈦(Ti)，更能兼具強度與輕量化。

純鈦在常溫下於表面會形成一層數百個A=10^-10米厚、穩定性高、附著力強的氧化膜(TiO₂、Ti₂O₃、TiO)，且損傷後能立即再生，表明了鈦是具有強烈鈍化頃向的金屬。因此鈦抗腐蝕能力遠優於銅(Cu)，利於均溫板各項環境的應用。鈦在潮濕環境、海水、含氯溶液、次氯酸塩、硝酸、鉻酸及一般氧化性酸環境下都具優異的抗腐蝕特性。

S2：對前述第一、二鈦金屬板體進行熱處理；係將該第一、二鈦金屬板體11、12置入一氣氛爐(圖中未示)，並於該氣氛爐中通入氬氣並加熱至400℃~700℃，時間為30~90分鐘，其主要目的在於令第一、二鈦金屬板體11、12可以進行塑性加工。

S3：於前述第一鈦金屬板體進行沖壓加工形成複數凸部；透過機械加工中的沖壓加工於該第一鈦金屬板體11之一側形成複數凸部113，該等凸部113具有凝結冷凝工作流體之功效以及作為支撐結構體等效果。

S4：於該第二鈦金屬板體一側結合一金屬網目；透過擴散接合之方式於該第二鈦金屬板體12之第三平面121結合一金屬網目123，所述第二鈦金屬板體12(純鈦鈦散熱板(Ti-VC))：金屬網目擴散接合溫度650℃~850℃、製程氣氛需為正壓高純氬氣(Ar)或高真空環境(10^-4~10^-6torr)、製程壓力1kg~5kg、製程時間30min~90min。純鈦是一種化學性質非常活躍的金屬，在883℃有一相變態(相轉換溫度/Phase Transformation Temperature)，在883℃以上為β相，具有BCC(體心立方)之晶體結構，在883℃以下為α相，具有HCP(六方最密堆積)之晶體結構。

純鈦在高温的環境下可與許多元素和化合物發生反應且發生材料相變化，例如空氣中鈦在250℃開始吸氫，500℃開始吸氧，600℃開始吸氮。隨著溫度提高，鈦吸收氣體的能力更強，氫(H)、氧(O)、碳(C)、氮(N)與鈦發生反應而形成間隙固溶於材料改變機械性質甚至造成缺陷，形成TiO₂、TiC、TiN及TiH₂等 相關化合物，將對材料性質將造成不良的影響(硬脆)，所以製程溫度、製程氣氛(環境控制)對於鈦散熱板的相關熱製程至關重要。

習知銅散熱板(Cu-VC)：金屬網目擴散接合溫度750℃~950℃、製程氣氛15%H₂+85%N₂、製程壓力1kg~5kg、製程時間40min~60min。在高溫製程下不會產生像鈦的相變行為，唯獨晶粒易因加熱成長粗化，使得機械性質大幅下降(變軟)。

S5：將前述第一、二鈦金屬板體設置於真空環境中，並將該第二鈦金屬板體具有金屬網目之一側填充工作液體；本製程需將所述第一、二鈦金屬板體設置於真空環境10^-2torr中進行，並對該第二鈦金屬板體具有金屬網目之一側進行填充工作液體之工作，令該第二鈦金屬板體上之金屬網目完整吸附工作流體。

S6：將該第一鈦金屬板體具有凸部之一側與該第二鈦金屬板體具有金屬網目之一側對應蓋合，並透過雷射焊接進行封邊。

將前述第一、二鈦金屬板體11、12之第一、三平面111、121(具有凸部113及金屬網目123之一側)對應蓋合，並透過雷射焊接之方式對該第一、二鈦金屬板體11、12進行封邊。

使用雷射焊接技術做為封邊製程。雷射激發源為蝶式(Disk)固態Yb：YAG(鐿-釔鋁石榴石)、雷射波長1030nm、雷射功率100~500W(視材料厚度而定)，並選擇於真空環境10^-2torr中進行。

雷射焊接優點：能量集中(可於小區域做銲接而不影響鄰近材料)、工作時間短(不易改變整體元件機械性質)、超淨熔接(不需任何銲料)、較易實現快速自動化生產。

請參閱第10圖，係為本發明散熱單元之製造方法第二實施例之步驟流程圖，請一併參閱第1、2、3、4、5、6、7、8圖輔以說明，如圖所示，本發明之散熱裝置之製造方法第三實施例，係包含下列步驟： S1：準備一第一鈦金屬板體及一第二鈦金屬板體，並進行前置清洗作業；S2：對前述第一、二鈦金屬板體進行熱處理；S3：於前述第一鈦金屬板體進行沖壓加工形成複數凸部；S4：於該第二金屬板體一側結合一金屬網目；S5：將前述第一、二鈦金屬板體設置於真空環境中，並將該第二鈦金屬板體具有金屬網目之一側填充工作液體；S6：將該第一鈦金屬板體具有凸部之一側與該第二鈦金屬板體具有金屬網目之一側對應蓋合，並透過雷射焊接進行封邊。

本實施例與前述第一實施例部分步驟相同，故在此將不再贅述，為本實施例與前述第一實施例不同處在於，本實施例在步驟S4：於該第二金屬板體一側結合一金屬網目；後更具有一步驟S7：對前述第一、二鈦金屬板體及金屬網目進行表面改質處理，於該第一、二鈦金屬板體及該金屬網目表面形成至少一鍍層；對所述第一、二鈦金屬板體進行表面改質處理，係具有四種方式可擇一進行：

第一：係將該第一、二鈦金屬板體11、12置入一氣氛爐(圖中未示)，並於該氣氛爐中抽真空並加熱至400℃~700℃，時間為30~90分鐘，製程氣氛為正壓純氬氣(Ar)，令該第一、二鈦金屬板體11、12表面產生過熱還原產生，此製程皆由控制製程氣氛內的微量氧氣於鈦材表面生成細微銳鈦礦結晶(Anatase)二氧化鈦奈米柱(TiO₂ nano-rods)，此結構親水性佳且時效性長(1~2週)。但隨著時間與環境的影響(濕氣)，親水性效果弱化。此時可將成品照射UV光即可因光觸媒效應恢復親水性，照射時間約20min~60min不等(依UV光的強弱而定)。

第二：係將該第一、二鈦金屬板體11、12置入一氣氛爐，並於該氣氛爐中 抽真空並加熱至400℃~700℃，時間為30~90分鐘，令該第一、二鈦金屬板體11、12表面產生過熱還原，此製程皆由控制製程氣氛內的微量氧氣於鈦材表面生成細微銳鈦礦結晶(Anatase)二氧化鈦奈米柱(TiO₂ nano-rods)，此結構親水性佳且時效性長(1~2週)。但隨著時間與環境的影響(濕氣)，親水性效果弱化。此時可將成品照射UV光即可因光觸媒效應恢復親水性，照射時間約20min~60min不等(依UV光的強弱而定)。

第三：溶膠凝膠鍍膜(Sol-gel coating)：主要針對第二鈦金屬板體12表面之金屬網目123做處理。首先批覆一層結晶型二氧化矽(SiO₂)做為基底層，經80℃烤箱烘乾後，接續鍍上一層銳鈦礦結晶型(Anatase)二氧化鈦(TiO₂)，隨後藉熱處理鍍層緻密化燒結處理(Fully dense sintering treatment)形成SiO₂/TiO₂複合膜。緻密化燒結溫度400℃~700℃，燒結時間30~90min，製程氣氛為正壓純氬氣(Ar)。SiO₂/TiO₂複合膜親水性佳且時效性長(1~2週)。但隨著時間與環境的影響(濕氣)，親水性效果弱化。此時亦可將成品照射UV光即可因SiO₂/TiO₂複合膜表層光觸媒效應恢復親水性，照射時間約20min~60min不等(依UV光的強弱而定)。

第四：溶膠凝膠鍍膜(Sol-gel coating)：主要針對第二鈦金屬板體12表面之金屬網目123做處理。首先批覆一層結晶型二氧化矽(SiO₂)做為基底層，經80℃烤箱烘乾後，接續鍍上一層銳鈦礦結晶型(Anatase)二氧化鈦(TiO₂)，隨後藉熱處理鍍層緻密化燒結處理(Fully dense sintering treatment)形成SiO₂/TiO₂複合膜。緻密化燒結溫度400℃~700℃，燒結時間30~90min，製程環境為抽真空。SiO₂/TiO₂複合膜親水性佳且時效性長(1~2週)。但隨著時間與環境的影響(濕氣)，親水性效果弱化。此時亦可將成品照射UV光即可因SiO₂/TiO₂複合膜表層光觸媒效應恢復親水性，照射時間約20min~60min不等(依UV光的強弱而定)。

上述各實施例中之金屬網目係可選擇為鈦材質或不銹鋼或銅或鋁或其他金屬材質其中任一，亦或者同時選用兩片金屬網目分別為鈦材質與不銹鋼材質各一，並將兩金屬網目相互疊合設置於該第一、二鈦金屬板體之間。

本發明主要係提供一種透過以商業純鈦作為基材材料取代銅製成均溫板等散熱裝置，並提供一種可對純鈦進行加工的製程，並透過本發明可實現以純鈦取代銅作為使用，並透過純鈦的優點改善銅材料的缺點，本發明又除了令純鈦取代銅、鋁、不銹鋼等作為散熱單元材料使用外，進一步可利用純鈦本身質輕高強度、高抗腐的特性製成手持裝置或行動裝置的乘載底座或乘載中框，並且同時將乘載結構與散熱結構直接整合一體製成，可符合現行行動裝置或手持裝置薄型化之結構設置，不僅具有乘載功效又具有解熱之效果。

薄型之純鈦材料係為一種記憶金屬，受外力彎折產生形變，當外力移除仍可恢復原本態樣，故亦可直接將其與智慧型手錶整合使用，或將其直接製成錶帶，不僅具有散熱以及支撐之效果，同時又可作為佩戴使用。

Claims (17)

1. 一種散熱單元之製造方法，係包含下列步驟：準備一第一鈦金屬板體及一第二鈦金屬板體，並進行前置清洗作業；對前述第一、二鈦金屬板體進行熱處理；於前述第一鈦金屬板體進行沖壓加工形成複數凸部；於該第二金屬板體一側結合一金屬網目；將前述第一、二鈦金屬板體設置於真空環境中，並將該第二鈦金屬板體具有金屬網目之一側填充工作液體；將該第一鈦金屬板體具有凸部之一側與該第二鈦金屬板體具有金屬網目之一側對應蓋合，並透過雷射焊接進行封邊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之製造方法，其中清洗作業係先以丙酮擦拭，然後再以超音波清洗機加入去離子水沖洗，最後用氮氣乾燥第一、二鈦金屬板體表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之製造方法，其中第一、二鈦金屬板體進行熱處理，係將該第一、二鈦金屬板體置入一氣氛爐，並於該氣氛爐中通入氬氣並加熱至400℃~700℃，時間為30~90分鐘。
4. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之製造方法，其中具有一步驟：對前述第一、二鈦金屬板體及金屬網目進行表面改質處理，於該第一、二鈦金屬板體及該金屬網目表面形成至少一鍍層。
5. 如申請專利範圍第4項所述之散熱單元之製造方法，其中所述鍍層係選擇為親水性鍍層或疏水性鍍層其中任一。
6. 如申請專利範圍第4項所述之散熱單元之製造方法，其中所述鍍層係為二氧化鈦或二氧化矽其中任一。
7. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之製造方法，其中所述金屬網目係透過擴散接合與前述第二鈦金屬板體結合。
8. 如申請專利範圍第7項所述之散熱單元之製造方法，其中所述擴散接合之溫度650℃~850℃，工作時間為30min~90min。
9. 如申請專利範圍第4項所述之散熱單元之製造方法，其中對前述第一、二鈦金屬板體及金屬網目進行表面改質處理，係將該第一、二鈦金屬板體置入一氣氛爐，並於該氣氛爐中通入氬氣，令該第一、二鈦金屬板體表面產生過熱還原。
10. 如申請專利範圍第4項所述之散熱單元之製造方法，其中對前述第一、二鈦金屬板體及金屬網目進行表面改質處理，係將該第一、二鈦金屬板體置入一氣氛爐，並於該氣氛爐中抽真空，令該第一、二鈦金屬板體表面產生過熱還原。
11. 如申請專利範圍第4項所述之散熱單元之製造方法，其中對前述第一、二鈦金屬板體及金屬網目進行表面改質處理，係透過溶膠-凝膠法(Sol-Gel)並將該第一、二鈦金屬板體置入一氣氛爐，並於該氣氛爐中抽真空，令該第一、二鈦金屬板體表面產生一鍍層。
12. 如申請專利範圍第11項所述之散熱單元之製造方法，其中所述鍍層係為二氧化鈦。
13. 如申請專利範圍第4項所述之散熱單元之製造方法，其中對前述第一、二鈦金屬板體及金屬網目進行表面改質處理，係透過溶膠-凝膠法(Sol-Gel)並將該第一、二鈦金屬板體置入一氣氛爐，令該第一、二鈦金屬板體表面產生一鍍層。
14. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之製造方法，其中對前述第一、二鈦金屬板體對應蓋合並進行封邊，所使用之雷射焊接波長係為1030nm，雷射功率100~500W，真空環境10^-2torr中進行。
15. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之製造方法，其中所述金屬網目係為鈦材質或不銹鋼材質其中任一。
16. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之製造方法，其中所述金屬網目同時選擇兩片金屬網目，其一選擇鈦材質另一選擇為不銹鋼材質，並兩片金屬網目相互疊合設置於該第一、二鈦金屬板體之間。
17. 如申請專利範圍第9或10或11或13項所述之散熱單元之製造方法，其中該氣氛爐加熱至400℃~700℃，時間為30~90分鐘。