TWI739597B

TWI739597B - 製造散熱片的方法及散熱片

Info

Publication number: TWI739597B
Application number: TW109131712A
Authority: TW
Inventors: 周邦彥; 魏輔均
Original assignee: 宏進金屬科技股份有限公司
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2021-09-11
Also published as: TW202212630A

Abstract

本創作提供一種製造散熱片的成形裝置，其包含：模治具；以及遮罩，其設置於模治具之上，遮罩由下而上包括第一金屬框板、可替換式圖案板及第二金屬框板，第一金屬框板與第二金屬框板各自開設有相互對應的空洞。本創作另提供一種製造散熱片的成形模組，其包含如前述之製造散熱片的成形裝置及冷噴塗系統。本創作另提供一種利用前述成形裝置以製造散熱片的方法及所製得之散熱片。藉由本創作之成形裝置因可調整可替換式圖案板種類而可輕易改變散熱片散熱結構之形狀，且能配合冷噴塗，從而降低製程中材料損耗、維持金屬熱傳導性能。

Description

製造散熱片的方法及散熱片

本創作是關於一種製造散熱片的裝置，特別是一種散熱片的成形裝置；本創作另關於一種散熱片的製造方法，特別是經由噴塗製造散熱片的方法。

散熱片廣泛用於包括中央處理器(Central Processing Unit，CPU)、圖形處理器(Graphic Processing Unit，GPU)、積體電路晶片、半導體元件等之散熱。近年來，因應雲端資料儲存與大數據運算、網路通訊、虛擬實境(Virtual reality)、3D立體場景遊戲、電動車與風力發電高端功率模組等需求，半導體積體電路(Integrated Circuit，IC)晶片的效能不斷被提升，因驅動產生的單位面積熱量也不斷增加，當產生的熱被蓄積時，會對半導體元件的驅動或周邊零件產生不良影響。就半導體元件的冷卻方法而言，已知有在此半導體元件中安裝散熱風扇或散熱板等之散熱器的方法。然而，系統中的多個高發熱元件以及有限空間的限制，使用散熱風扇已經不足以應付散熱與容納空間的問題，取而代之的是具有更高散熱效能與空間利用率的水冷散熱片。

不論是氣冷或水冷散熱片，都是將散熱片貼附於熱源以進行散熱，熱源先將其產生的廢熱傳導至冷卻流體通道、均熱板或鰭片，同時使冷卻流體流入散熱片內之通道結構或是鰭片結構，冷卻流體通道或鰭片再將廢熱傳遞至冷卻流體中，冷卻流體將廢熱帶離散熱片，再透過傳導與對流等方式將廢熱逸散於外界環境中。然而，現有氣冷或水冷散熱片多數採用壓鑄或金屬薄片沖壓成形的冷卻流體通道與散熱鰭片，其熱傳導效果較差之外，CPU、GPU、積體電路晶片、半導體元件等系統核心硬體，其世代交替迅速，每月都有新產品規格問世，壓鑄與沖壓成形等減法加工製程牽涉到成本高昂的模治具，不易因應快速變化的規格尺寸外，過多的材料損耗也是缺點之一。

另外，現今市場上所使用的散熱片材質絕大部分為鋁合金，銲錫於鋁合金表面的潤濕性(可銲性)不佳，必須先電鍍銅層、或化學鎳層，才能以銲錫將鋁合金散熱器與熱源黏合，相當耗時與費工，加上電鍍銅層厚度不足(<100um)影響熱均勻性且附著力差，化學鎳層則熱傳導係數低，導致整體熱阻抗難以降低，而且可銲性改善有限。因此，有一些市場技術使用導熱介面材料(Thermal Interface Materials，TIM)來貼合鋁合金散熱器與熱源晶片，然而，TIM成本高而且有使用時效(導熱效能隨時間增加而下降)，使得鋁合金散熱器的低成本、輕量化等優勢難以發揮。

因此，有必要提出一種不需壓鑄與沖壓成形等減法加工製程，於散熱器上製備冷卻流體通道或鰭片(Fin)等散熱結構的方法，以避免使用成本高昂的模治具，並降低材料損耗，提高熱傳導效能，而且能夠在相同製程下同時完成可銲性金屬層的製作。

有鑑於上述技術缺陷，本創作的一目的在於解決習知減法加工製程製造散熱片造成的材料耗損問題，從而提供一種降低材料耗損的製造散熱片的成形裝置。

為達前述目的，本創作提供一種製造散熱片的成形裝置，其包含：一模治具(Jig)；以及一遮罩(Mask)，其選擇性地固接於模治具之上，所述遮罩由下而上依序包括第一金屬框板、可替換式圖案板及第二金屬框板，其中，所述第一金屬框板與所述第二金屬框板各自為開設有空洞的金屬框板，且第一金屬框板的空洞與第二金屬框板的空洞相互對應。

前述可替換式圖案板上有複數微結構，是用於製造散熱片的製程中，使置於模治具與遮罩間的金屬基板上搭配噴塗系統對應可替換式圖案板上的複數微結構形成散熱結構，以製造散熱片。

前述選擇性地固接是指遮罩的各元件，亦即第一金屬框板、可替換式圖案板及第二金屬框板是可抽換的，例如可根據所需使用不同的可替換式圖案板或在形成可銲性金屬層的情況下不使用可替換式圖案板。

根據本創作的製造散熱片的成形裝置，當將一金屬基板置於模治具及遮罩之間時，可利用噴塗系統將銅粉、鋁合金粉或其他高導熱之金屬粉末積層堆疊於遮罩之第一金屬框板、第二金屬框板定義的噴塗區域內並根據遮罩之可替換式圖案板於金屬基板上產生特定形狀的散熱結構，搭配噴塗系統的散熱片製程相較於壓鑄與沖壓成型等減法加工製程更能達到降低材料耗損的效果。且只需變換可替換式圖案板即可依所需選擇鰭片、鰭柱或冷卻流體通道等散熱結構之形狀，相較先前技術能較為簡便地製成不同結構的散熱片，而不需各式不同的昂貴沖壓模具。

較佳的，所述噴塗方式可為冷噴塗，藉由冷噴塗之低工作溫度可避免散熱器因熱應力而變形、影響其散熱效能；且冷噴塗使用惰性氣體作為金屬粉末之載送氣體，可控制其所產生的金屬皮膜氧化程度，具有維持純金屬熱傳導效能的效果。例如：經冷噴塗形成的銅金屬皮膜之厚度最小可為80微米、最大可大於2公分；金屬皮膜層孔隙率低；金屬皮膜層鍵結強度大；銅純度高等同於原料銅粉；導電率、導熱率相當於純銅板件，並具有銲性佳、形成金屬皮膜速度快的優點。

所述模治具是用於固定所有組件(即遮罩的第一金屬框板、可替換式圖案板及第二金屬框板)及用於承載金屬基板。所述固定是指將遮罩、金屬基板利用固定件固定於模治具上。而所述固定件可包括，但不限於，鉚釘、螺栓、固定扣。在一特定實施例中，所述固定件為鉚釘，因此模治具上設有鉚釘定位孔，且遮罩之第一金屬框板及第二金屬框板亦設有鉚釘定位孔，以能利用鉚釘加以組合固定。

較佳的，所述模治具上表面預設有溝槽，可用於放置金屬基板。

較佳的，所述遮罩是以第一金屬框板及第二金屬框板將可替換式圖案板夾置於兩金屬框板之間。

所述第一金屬框板及第二金屬框板各自開設的空洞是用以定義噴塗區域。且可依散熱片所需的尺寸使用不同空洞尺寸的第一金屬框板及第二金屬框板。

所述可替換式圖案板可為絲網(Wire mesh)或流道成形板，所述絲網或流道成形板選擇性地夾置於前述第一金屬框板與前述第二金屬框板之間。絲網可使噴塗後產生鰭片或鰭柱，而流道成形版可為預製冷卻流體通道圖案的流道成形板，可使噴塗後形成冷卻流體通道。且所述可替換式圖案板可依散熱片所需的散熱結構對應調整形狀、尺寸，而能配合市場上半導體元件快速變化的規格尺寸。例如：所述製造散熱片的成形裝置可包含一組第一遮罩，包括第一尺寸的第一金屬框板、可替換式圖案板及第二金屬框板，及一組第二遮罩，包括第二尺寸的第一金屬框板、可替換式圖案板及第二金屬框板，其中第一遮罩之可替換式圖案板與第二遮罩之可替換式圖案板上之複數微結構可為相同或不同，因此通常知識者可依金屬基板及散熱結構之尺寸或所需散熱結構選擇所需的遮罩組別。

較佳的，所述成型裝置進一步包含若干墊片，當將金屬基板置於模治具與遮罩之間時，遮罩與金屬基板間以墊片隔開2毫米距離，以避免透過遮罩定義之噴塗區域形成之塗層四周邊緣厚度不均，造成所謂塗層毛邊現象。而所述墊片是置於模治具上，進一步利用鉚釘透過鉚釘定位孔將遮罩、墊片、金屬基板與模治具四者加以組合固定，以供後續噴塗製程製造散熱片。

本創作另外提供一種製造散熱片的成形模組，其包含所述製造散熱片的成形裝置及一噴塗系統。

本創作另外提供一種製造散熱片的成形模組，其包含所述製造散熱片的成形裝置及一冷噴塗系統。

本創作另外提供一種製造散熱片的方法，其包含：(a)將一金屬基板置於前述製造散熱片的成形裝置的模治具與遮罩之間；(b)將金屬粉末藉由冷噴塗，根據前述遮罩的可替換式圖案板於前述金屬基板上形成一散熱結構，得到一散熱片，其中所述冷噴塗法是包括使用速度為200公尺每秒(m/s)至1200m/s的惰性氣體進行。

較佳的，所述金屬基板材質可為鋁合金、銅。更佳的，所述金屬基板材質可為鋁合金，具有輕量化、低成本與散熱快的優點。

較佳的，所述金屬粉末可為銅粉、鋁合金粉或其他高導熱之金屬粉末。

較佳的，所述冷噴塗是於1百萬帕(MPa)至10MPa之壓力下進行。

較佳的，所述冷噴塗使用之惰性氣體可為氮氣、氬氣或氦氣；更佳的，所述冷噴塗使用之惰性氣體為氮氣。

較佳的，所述冷噴塗是於300℃以上之溫度下進行，更佳的，所述冷噴塗是於300℃至1000℃之溫度下進行，具體而言，所述冷噴塗是使金屬粉末通過冷噴射沉積槍管形成惰性氣體噴射氣流衝擊到所述金屬基板的表面形成金屬皮膜進行積層堆疊。再更佳的，所述冷噴塗是在低於欲進行冷噴塗之金屬粉末之熔點的溫度下進行，使用此低於金屬粉末之熔點進行冷噴塗更可避免金屬粉末熔化、氧化，而使形成之金屬皮膜能更佳地維持傳導性能。

較佳的，前述製造散熱結構的方法，其中，所述(b)步驟進一步包含：(b1)將金屬粉末藉由冷噴塗，根據前述遮罩的可替換式圖案板於前述金屬基板上形成散熱結構；(b2)將形成有散熱結構的金屬基板翻面，置於如前述之製造散熱片的成形裝置的模治具與遮罩之間；(b3)將前述遮罩的可替換式圖案板移除；(b4)將金屬粉末藉由冷噴塗，根據前述遮罩的第一金屬框板及第二金屬框板定義的噴塗區域於所述金屬基板上形成一可銲性(solderable)金屬層，得到一散熱片。

本創作所指的散熱片包含形成有散熱結構的金屬基板或於兩個表面分別形成有散熱結構及可銲性金屬層的金屬基板。

較佳地，所述可銲性金屬層為銅層，以便與發熱元件銲合。

本創作另外提供一種散熱片，其是由前述製備方法所製得。

所述利用冷噴塗法製備散熱片之製程包括：將金屬粉末藉由惰性氣體噴射氣流，以200m/s至1200m/s的速度衝擊到所述金屬基板的表面形成金屬皮膜進行積層堆疊，在此速度下，方能確保金屬皮膜的附著力，若未使用惰性氣體而使用空氣，則可能使衝擊速度不足，影響金屬皮膜的附著力，同時空氣中的氧氣也會導致金屬皮膜氧化。在一特定實施例製程中因冷噴塗法所設定之惰性氣體溫度比所述金屬粉末的熔點還低，因此形成的金屬皮膜幾乎不會氧化，且有別於一般傳統的噴塗方法先將粉末材料以火焰或電漿熔化後再噴射於金屬基板上，因此不會受熱的影響而產生特性變化。故，冷噴塗所產生的金屬皮膜之氧化可以被控制在最小程度，維持純金屬熱傳導性能。

依據本創作，製造散熱片的成形裝置因能變換遮罩的結構尺寸，而能配合積體電路晶片、半導體元件推陳出新的速度，亦因可變換可替換式圖案板種類而可輕易改變鰭片、鰭柱或冷卻流體通道等散熱結構之尺寸、形狀與位置。且搭配噴塗系統進行散熱片的製造不似壓鑄與沖壓成形等減法加工製程需成本高昂的模具、製程中造成過多的材料耗損，而能節省製造成本。當進一步搭配冷噴塗系統進行散熱片的製作時，更可以製得不易氧化、維持金屬熱傳導性能的散熱片，因此相較其他製備方法製得的散熱片具有更佳的散熱效果，在提高散熱片產品品質的同時，更降低了製造成本。

10:製造散熱片的成形裝置

11:模治具

111:溝槽

12:遮罩

121:第一金屬框板

1211:空洞

122:可替換式圖案板

123:第二金屬框板

1231:空洞

13:墊片

14:鉚釘定位孔

15:鉚釘

20:冷噴塗系統

21:儲氣槽

22:金屬粉末儲存槽

221:金屬粉末

23:冷噴射沉積槍

30:散熱片

31:金屬基板

32:散熱結構

33:可銲性金屬層

S1:步驟

S2:步驟

S3:步驟

S4:步驟

S5:步驟

圖1是說明金屬基板放置於本創作的製造散熱片的成形裝置之分解圖。

圖2是本創作製造散熱片的方法之流程圖。

圖3是本創作的製造散熱片的成形模組示意圖。

圖4是根據本創作實施例1製造方法所製得的散熱片側視圖。

圖5是根據本創作實施例2製造方法所製得的散熱片側視圖。

實施例1

請同時參考圖1至圖4，本創作之製造散熱片的成形裝置10，其包含：一模治具11；以及一遮罩12，所述遮罩12設置於模治具11之上，所述遮罩12由下而上依序包括第一金屬框板121、可替換式圖案板122及第二金屬框板123。其中，第一金屬框板121與第二金屬框板123各自開設有空洞1211、1231，且第一金屬框板121的空洞1211與第二金屬框板123的空洞1231相互對應，而可替換式圖案板122夾置於第一金屬框板121與第二金屬框板123之間。模治具11上預設有溝槽111，供金屬基板31放置。本實施例使用之可替換式圖案板122為一絲網。

而如圖2所示之S1步驟，將一金屬基板31置於模治具11與遮罩12之間，具體而言，本實施例是選用鋁合金金屬基板31置於模治具11上之溝槽111，並將若干墊片13置於模治具11上以使金屬基板31與遮罩12隔開2毫米的距離。且模治具11與遮罩12的第一金屬框板121與第二金屬框板123上均設置有鉚釘定位孔14以供鉚釘15將製造散熱片的成形裝置10的所有組件(模治具11、墊片13、遮罩12)與金屬基板31加以組合固定。

並搭配圖3之冷噴塗系統20進行S2步驟，將儲存於儲氣槽21的氮氣、氦氣以及其他惰性氣體，利用壓力調整器(圖未示出)、加熱器(圖未示出)加壓至1MPa至10MPa、300℃至1000℃，以將自金屬粉末儲存槽22輸送到冷噴射沉積槍23的純銅粉末221加熱加速，在冷噴射沉積槍23出口達到最高速約200m/s至1200m/s後衝擊至製造散熱片的成形裝置10中的金屬基板31上形成純銅金屬皮膜，具體而言，是根據遮罩12的可替換式圖案板122-絲網於金屬基板31上持續堆疊形成如圖4所示的具有鰭柱狀的散熱結構32，得到一散熱片30。而經冷噴塗形成的純銅金屬皮膜之厚度為200±30微米；金屬皮膜層孔隙率小於1%；鍍層鍵結強度為大於50MPa；純度大於99.5%；導電率則為3.2×10⁷(S/m)；導熱率為359(W/mK)，導電率及導熱率分別相當於純銅板件的導電率3.9×10⁷(S/m)及導熱率390(W/mK)。

在其他特定實施例中可將可替換式圖案板改選用預製冷卻流體通道圖案的流道成型板，則可利用冷噴塗於金屬基板上持續堆疊形成具有冷卻流體通道的散熱結構。

由於S2步驟中被惰性氣體噴射氣流加速的純銅粉末221衝擊到金屬基板31前所經歷的溫度比該些純銅粉末221的熔點還低，因此形成的金屬皮膜幾乎不會被氧化。有別於一般傳統的噴塗方法先將粉末材料以火焰或電漿熔化後再噴射於金屬基板上，經過冷噴塗製程之材料不會受熱的影響而產生特性變化，因此冷噴塗所產生金屬皮膜的氧化可以控制到最小程度，維持純金屬熱傳導性能，且金屬粉末不熔化的特性，更可利用遮罩12與可替換式圖案板122，來積層堆疊出所想要的散熱結構形狀。

實施例2

請同時參閱圖1至5，承上實施例，散熱片30可依需求進行S3步驟，亦即延續實施例1之S2步驟，將製造散熱片的成形裝置10中形成有散熱結構32的金屬基板31，翻面後再置於製造散熱片的成形裝置10的模治具11與遮罩12之間，詳細來說是，模治具11上之溝槽111中，翻面後的金屬基板31亦利用置於模治具11上的若干墊片13與遮罩12隔開2毫米的距離。

接著，如S4步驟將遮罩12的可替換式圖案板122移除。並再度用鉚釘15將製造散熱片的成形裝置10的所有組件(模治具11、墊片13、遮罩12)與形成有散熱結構32的金屬基板31加以組合固定。

最後，利用冷噴塗系統20進行S5步驟，將儲存於儲氣槽21的氮氣、氦氣以及其他惰性氣體，利用壓力調整器(圖未示出)、加熱器(圖未示出)加壓至1MPa至10MPa、300℃至1000℃通過冷噴射沉積槍23以形成噴射氣流，以將自金屬粉末儲存槽22輸送到冷噴射沉積槍23的金屬粉末221-純銅金屬粉末加熱加速，在冷噴射沉積槍23出口達到最高速約200m/s至1200m/s後衝擊至製造散熱片的成形裝置10遮罩12下翻面後的金屬基板31上以形成金屬皮膜，具體而言，是根據遮罩12的第一金屬框板121及第二金屬框板123定義的噴塗區域於翻面後的金屬基板31上持續堆疊金屬皮膜以形成如圖5所示之一銅層的可銲性金屬層33，以便與發熱元件銲合。而於兩個表面分別形成有散熱結構32及可銲性金屬層33的金屬基板31亦為一散熱片30’。

綜上所述，本創作之製造散熱片的成形裝置，因可變換可替換式圖案板種類而可輕易改變鰭片、鰭柱或冷卻流體通道等散熱結構之形狀與位置，使用本創作之製造散熱片的成形裝置可簡單製成含有散熱結構及可銲性金屬層的散熱片，簡化散熱片的製造過程。且搭配噴塗系統進行散熱片的製造不似壓鑄與沖壓成形等減法加工製程需成本高昂的模具、製程中造成過多的材料耗損。當進一步搭配冷噴塗系統進行散熱片的製作時，更可以製得不易氧化、維持金屬熱傳導性能的散熱片。因此本創作製造散熱片的成形裝置與製備方法的相較傳統散熱片製備方法所製得的散熱片具有更佳的散熱效果。在提高散熱片產品品質的同時，更降低了製造成本。

上述實施例僅係為說明本創作之例示，並非於任何方面限制本創作所主張之權利範圍。本創作所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述具體實施例。