專利名稱：均溫板及其制作方法
均溫板及其制作方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明與導熱裝置相關(guān)，并且尤其與可用以為電子系統(tǒng)散熱的均溫板相關(guān)。
技術(shù)背景
均溫板(vap0r chamber)是屬于熱導管(heat pipe)的一種，由于它具有優(yōu)異的熱傳導特性，因此被廣泛應(yīng)用來冷卻高功率的半導體芯片，例如電子系統(tǒng)中的中央處理 器、繪圖處理器，或是高功率發(fā)光二極管。利用快速將半導體芯片運作中產(chǎn)生的熱量帶 離其工作環(huán)境，可確保電子系統(tǒng)在正常狀態(tài)下有效率地運行。
均溫板的外殼材料通常為銅、鋁、不銹鋼等金屬，其中的內(nèi)部空間填充有材料 化學性質(zhì)與該金屬兼容的工作流體。圖1所示為一典型的均溫板示意圖。如圖1所示， 熱源20 (例如一高功率電子芯片)與均溫板10的下表面12相接觸。熱源20產(chǎn)生的熱量 會被傳導至均溫板10。均溫板10與熱源20接觸的區(qū)域可被視為一加熱區(qū)，其中的工作 流體由此吸收熱量后會被蒸發(fā)為汽態(tài)，擴散至整個均溫板內(nèi)部。
當汽態(tài)工作流體接觸到均溫板上半部溫度相對較低的冷卻區(qū)后，會釋放出潛熱 并重新被冷凝為液態(tài)的工作流體，并因本身重力的影響直接往下滴落，或是沿著均溫板 10上下半部之間的支撐結(jié)構(gòu)流回下半部，或是沿著毛細結(jié)構(gòu)16流回下半部。上述潛熱將 通過均溫板10的上表面14被發(fā)散到周邊的空氣中。
利用毛細結(jié)構(gòu)16(圖1中標有陰影的區(qū)域)所提供的毛細力，回到均溫板10下 半部的液態(tài)工作流體則是被導引至加熱區(qū)，完成一個循環(huán)。利用工作流體液、汽兩相變 化之間的熱量傳遞，均溫板10可達到為熱源20散熱的效果。
已知均溫板的毛細結(jié)構(gòu)大多屬于粉末多孔式、網(wǎng)狀式、溝槽式，或上述三種樣 式組合而成的復(fù)合式毛細結(jié)構(gòu)。溝槽式毛細結(jié)構(gòu)的成本較低，但其熱通量(heat flux)最 大僅為每平方厘米30瓦，不適合做為配合高功率半導體晶體應(yīng)用的均溫板的加熱區(qū)毛細 結(jié)構(gòu)。
網(wǎng)狀式毛細結(jié)構(gòu)與均溫板的上蓋板或下底板的貼合狀態(tài)攸關(guān)均溫板的熱傳導效 能；若貼合狀態(tài)不佳，會導致均溫板的熱阻(thermal resistance)大幅增加。已知技術(shù)多 以高溫燒結(jié)(sintering)的手段增加網(wǎng)狀材料與板材之間的密合度。然而，高溫燒結(jié)工藝 所需的成本甚高且生產(chǎn)耗時長、能源消耗大，使得均溫板的制造成本高居不下。
此外，高溫燒結(jié)工藝所需的工作溫度遠超過均溫板外殼材料的退火溫度 (annealing temperature)。舉例而言，銅材的退火溫度一般為攝氏450度，而燒結(jié)工藝的 溫度高于攝氏850度。均溫板外殼的機械強度往往會因此大幅下降，甚至在填充工作流 體之后的抽真空除氣的過程中，會出現(xiàn)板材內(nèi)凹的現(xiàn)象，反而導致均溫板與熱源之間的 接觸熱阻上升。
粉末多孔式毛細結(jié)構(gòu)通常也是利用高溫燒結(jié)工藝將金屬粉或陶瓷粉黏結(jié)在均溫 板的板材上。這種毛細結(jié)構(gòu)同樣會有燒結(jié)工藝破壞均溫板外殼的機械強度以及接觸熱阻 增加的問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種均溫板及其制作方法，以冷熔射(cold plasma spray)噴 覆技術(shù)制作均溫板的毛細結(jié)構(gòu)，以提高均溫板的機械強度并降低其生產(chǎn)成本。
根據(jù)本發(fā)明一方面提供一種制作均溫板的方法。上述方法首先提供上蓋板與下 蓋板。隨后以冷熔射噴覆程序形成毛細結(jié)構(gòu)于下蓋板。接著，上蓋板與下蓋板被組裝， 以形成出至少一個容置空間，且毛細結(jié)構(gòu)位于容置空間內(nèi)。最后，于容置空間充填工作 流體后，再密封容置空間。
根據(jù)本發(fā)明另一方面提供一種均溫板，其中包含殼體、工作流體與毛細結(jié)構(gòu)。 殼體的內(nèi)部具有至少一個容置空間。工作流體填充于填充于容置空間。毛細結(jié)構(gòu)通過冷 熔射噴覆程序形成于容置空間的內(nèi)壁。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果是本發(fā)明以冷熔射噴覆技術(shù)制作均溫板的毛細結(jié)構(gòu)的 方式可有效縮短均溫板的生產(chǎn)工時，提高生產(chǎn)效率并降低成本，提升產(chǎn)品競爭性。


關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點與精神可以利用以下的發(fā)明詳述及附圖得到進一步的了解， 其中
圖1所示為一典型的均溫板示意圖。
圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的一具體實施例中的均溫板制作方法流程圖。
圖3(A)及圖3(B)所示為均溫板的上蓋板與下蓋板的范例。
圖4所示為冷熔射噴覆程序的示意圖。
圖5所示為根據(jù)本發(fā)明的毛細結(jié)構(gòu)及下蓋板的示意圖。
圖6所示為根據(jù)本發(fā)明的上蓋板與下蓋板組裝后的示意圖。
圖7所示為根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例中的均溫板制作方法流程圖。
具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明的一具體實施例為一種制作均溫板的方法。請參閱圖2，圖2為根據(jù) 本發(fā)明的一具體實施例中的均溫板制作方法流程圖。該方法首先執(zhí)行步驟S21，提供一 上蓋板與一下蓋板。舉例而言，制作者可利用銅、鋁、不銹鋼等金屬平板為材料，通過 鍛造、擠壓或鑄造等方式制造出形式如圖3(A)所示的上蓋板32。根據(jù)一較佳實施例， 上蓋板32以冷鍛沖壓的方式制作，但并不以此為限。另外，上蓋板32下方的多個柱狀 結(jié)構(gòu)可做為分隔上蓋板32與下蓋板34的支撐結(jié)構(gòu)32A。
圖3(B)所示為根據(jù)本發(fā)明的上下蓋板的另一范例。此范例中形狀較不規(guī)則的支 撐結(jié)構(gòu)32A可通過針對上蓋板32進行化學蝕刻的方式來實現(xiàn)。制作者同樣可采用金屬薄 板為材料，以冷鍛沖壓成型方式制造如圖3 (A)及圖3 (B)所示的下蓋板34，但不以此為限。
接下來，步驟S22以一冷熔射噴覆程序形成一毛細結(jié)構(gòu)于下蓋板。圖4為冷熔 射噴覆程序的示意圖，亦即實現(xiàn)步驟S22的示意圖范例，標號40的裝置代表一冷熔射噴 槍。在這個范例中，冷熔射噴槍40的上下兩端各有一個進料處42，噴覆材料由此被送入冷熔射噴槍40的前端。實際應(yīng)用上，送入進料處42的噴覆材料可以為一棒狀或線狀的 金屬或陶瓷材料，也可以是粉末狀的材料顆粒。
該冷熔射噴覆程序可首先以高壓電極44形成一電弧(arc)區(qū)46，由此解離通過 于電弧區(qū)46的一第一工作氣體(例如氬氣等惰性氣體)，以形成溫度大約為攝氏2000度 至3000度的等離子體。噴覆材料由進料處42被送入冷熔射噴槍40的前端之后，會因等 離子體的高溫被熔融，形成一熔融狀材料液。
在產(chǎn)生熔融狀材料液的過程中，一第二工作氣體(例如高壓氮氣及/或氫氣)持 續(xù)由冷熔射噴槍40后端的進風口沿圖4所示的A方向被吹向前端。該熔融狀材料液受此 第二工作氣體吹襲，將會被吹散為許多飛向下蓋板34的噴覆顆粒48。實際應(yīng)用中，這些 噴覆顆粒48的平均直徑大約在35微米至250微米之間。
根據(jù)本發(fā)明，該噴覆材料可被等離子體完全熔融。利用適當選擇冷熔射噴槍40 與下蓋板34之間的距離，這些噴覆顆粒48可于飛行途中有足夠的時間冷卻，并在被吹送 至下蓋板34之前固化。這些噴覆顆粒48高速撞擊下蓋板34之后會因機械撞擊力而附著 于下蓋板34的表面上，進而堆疊形成如圖5所示的厚度大約為0.1厘米至0.8厘米的多孔 狀結(jié)構(gòu)36，其中圖5為根據(jù)本發(fā)明的毛細結(jié)構(gòu)及下蓋板的示意圖。此多孔狀結(jié)構(gòu)36即可 做為下蓋板34的毛細結(jié)構(gòu)。
實際應(yīng)用中，上述第一工作氣體可包含在由后端的進風口吹進冷熔射噴槍40的 第二工作氣體中。換言之，第二工作氣體可包含氮氣、氫氣、氬氣或是這幾種氣體的混 合物。在第二工作氣體中加入氮氣可防止噴覆顆粒48在飛行途中與周邊的氧氣反應(yīng)而被 氧化，氫氣則可還原噴覆顆粒48表面的氧化層。
以噴覆材料的材料為銅且下蓋板34的材料為鋁的情況為例，以冷熔射噴覆程序 中在鋁基材上噴覆銅材顆粒時，鋁基材的溫度僅由室溫上升至攝氏40度，遠低于鋁基材 的退火溫度。因此，根據(jù)本發(fā)明的下蓋板34的機械強度并不會因為制作毛細結(jié)構(gòu)的程序 受到破壞。
于實際應(yīng)用中，除了下蓋板34，制作者亦可利用冷熔射噴覆技術(shù)將噴覆材噴涂 堆疊于均溫板的上蓋板32，在上蓋板32的內(nèi)側(cè)也形成毛細結(jié)構(gòu)。此外，制作者亦可利用 冷熔射噴覆技術(shù)于支撐結(jié)構(gòu)32A的表面形成毛細結(jié)構(gòu)。
接下來，步驟S23為組裝上蓋板32與下蓋板34，以形成出至少一容置空間38。 請參考圖6，圖6為根據(jù)本發(fā)明的上蓋板與下蓋板組裝后的示意圖。在圖6的范例中，毛 細結(jié)構(gòu)36分布于下蓋板34。如圖6所示，在組裝上蓋板32及下蓋板34之后，支撐結(jié)構(gòu) 32A抵持于上蓋板32及下蓋板34間，形成出多個容置空間38。
實際應(yīng)用中，制作者可利用一激光焊接程序或一等離子體電弧焊接程序組裝上 蓋板32與下蓋板34。等離子體電弧焊及激光焊接等焊接方式在焊接時的熱影響區(qū)域 小。通過適當?shù)木鶞匕褰Y(jié)構(gòu)設(shè)計，此焊接程序并不會破壞均溫板導熱及散熱區(qū)域的結(jié)構(gòu) 強度。
步驟SM于容置空間38中充填一工作流體。實際應(yīng)用中，制作者可在焊接上蓋 板32與下蓋板34的同時，以鎢極惰性氣體(tungsten inert gas, TIG)焊接的方式在兩個 蓋板之間焊接一個填充管(未出現(xiàn)在附圖中)，并通過此填充管充填工作流體。
在執(zhí)行步驟S25密封容置空間38之后，根據(jù)本發(fā)明的制作方法即完成均溫板的制作過程。于實際應(yīng)用中，在密封容置空間38與填充管前，制作者可先由容置空間38 抽除其中的非凝結(jié)性氣體，以使均溫板產(chǎn)生效用。
請參閱圖7，圖7為根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例中的均溫板制作方法的流程 圖。除了步驟S21 步驟S25之外，此制作方法進一步在步驟S21之后包含步驟幻6及 步驟幻7。步驟S^針對上蓋板32、下蓋板34或其組合進行例如噴砂等表面粗糙化程 序，以加強后續(xù)毛細結(jié)構(gòu)36與上蓋板32、下蓋板34之間的附著力。步驟S27則是以超 音波清洗程序清洗上蓋板32及下蓋板34，除去上面的灰塵或雜質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例即為利用如圖2的制作方法制作的均溫板。此均溫板 包含一殼體、一工作流體與一毛細結(jié)構(gòu)。殼體的內(nèi)部具有至少一容置空間。工作流體填 充于填充于容置空間。毛細結(jié)構(gòu)通過一冷熔射噴覆程序形成于容置空間的內(nèi)壁。
如先前所述，除了殼體、工作流體、毛細結(jié)構(gòu)外，根據(jù)本發(fā)明的均溫板可進一 步包含至少一支撐結(jié)構(gòu)，用以分隔均溫板的上下蓋板。此外，毛細結(jié)構(gòu)可僅分布于均溫 板的殼體的下蓋板，亦可同時分布于殼體的上蓋板與下蓋板。
本發(fā)明提出以冷熔射噴覆技術(shù)制作均溫板的毛細結(jié)構(gòu)的概念。由于冷熔射噴覆 技術(shù)不會使噴覆基材的溫度大幅增加，因此在制作毛細結(jié)構(gòu)的過程中，均溫板的溫度不 會超過其退火溫度；由此，可以保持本發(fā)明的均溫板的機械強度，同時確保均溫板的接 觸熱阻不會因為制作毛細結(jié)構(gòu)的程序大幅上升。
此外，相較于先前技術(shù)中采用的高溫燒結(jié)工藝所需的成本甚高且生產(chǎn)耗時長、 能源消耗大，本發(fā)明提出以冷熔射噴覆技術(shù)制作均溫板的毛細結(jié)構(gòu)的方式可有效縮短均 溫板的生產(chǎn)工時，提高生產(chǎn)效率并降低成本，提升產(chǎn)品競爭性。
利用以上較佳具體實施例的詳述，希望能更加清楚描述本發(fā)明的特征與精神， 而并非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發(fā)明的范疇加以限制。相反地，其目的是 希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排于本發(fā)明所欲申請的權(quán)利要求書的范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制作均溫板的方法，其特征是，包含下列步驟(a)提供上蓋板與下蓋板；(b)以冷熔射噴覆程序形成毛細結(jié)構(gòu)于所述下蓋板；(c)組裝所述上蓋板與所述下蓋板，形成出至少一個容置空間，所述毛細結(jié)構(gòu)位于所 述容置空間內(nèi)；(d)于所述容置空間中充填工作流體；以及(e)密封所述容置空間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是，于步驟(a)及步驟(c)之間進一步包 含下列步驟以所述冷熔射噴覆程序形成所述毛細結(jié)構(gòu)于所述上蓋板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是，其中步驟(a)中進一步包含下列步驟利用化學蝕刻程序于所述上蓋板形成至少一個支撐結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征是，在步驟(c)組裝所述上蓋板與所述下 蓋板后，所述支撐結(jié)構(gòu)抵持于所述上蓋板及所述下蓋板間，協(xié)助形成出多個所述容置空 間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征是，于步驟(a)及步驟(c)之間進一步包 含下列步驟以所述冷熔射噴覆程序形成所述毛細結(jié)構(gòu)于所述支撐結(jié)構(gòu)的表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是，步驟(a)包含利用冷鍛沖壓程序制作 所述下蓋板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是，步驟(a)包含針對所述上蓋板、所述 下蓋板或其組合進行一表面粗糙化程序。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是，于步驟(a)及步驟(b)之間進一步包 含下列步驟以超音波清洗程序清洗所述上蓋板及所述下蓋板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是，步驟(c)以激光焊接程序或等離子體 電弧焊接程序組裝所述上蓋板與所述下蓋板。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是，所述冷熔射噴覆程序包含以高壓電極形成電弧區(qū)；解離通過所述電弧區(qū)的第一工作氣體，以形成具有溫度的等離子體；提供噴覆材料；利用所述等離子體熔融所述噴覆材料，形成熔融狀材料液；以第二工作氣體吹襲所述熔融狀材料液，由此產(chǎn)生多個噴覆顆粒并將所述這些噴覆 顆粒吹向所述下蓋板；以及形成堆疊于所述下蓋板且為多孔狀的所述毛細結(jié)構(gòu)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征是，所述噴覆材料于所述利用所述等離 子體熔融所述噴覆材料以形成所述熔融狀材料液的步驟前為線狀材料或棒狀材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征是，所述噴覆材料為金屬材料或陶瓷材料。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征是，所述第一工作氣體包含氬氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征是，所述第二工作氣體包含氫氣或氮氣。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征是，于所述利用所述等離子體熔融所述 噴覆材料以形成所述熔融狀材料液的步驟中，所述噴覆材料被所述等離子體完全熔融。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征是，所述這些噴覆顆粒于被吹送至所述 下蓋板之前固化。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征是，所述這些噴覆顆粒的平均直徑在 35微米至250微米之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征是，所述等離子體的所述溫度介于 2000°C至 3000°C之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是，所述下蓋板具有退火溫度，并且所 述下蓋板于所述冷熔射噴覆程序中具有工作溫度，所述工作溫度低于所述退火溫度。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征是，于步驟(C)及步驟(d)之間進一步 包含下列步驟抽除所述容置空間中的非凝結(jié)性氣體。
21.—種均溫板，其特征是，包含 殼體，其內(nèi)部具有至少一個容置空間； 工作流體，填充于所述容置空間；以及毛細結(jié)構(gòu)，通過冷熔射噴覆程序形成于所述容置空間的內(nèi)壁。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的均溫板，其特征是，所述殼體包含上蓋板與下蓋板，所述 上蓋板組裝于所述下蓋板上以形成所述容置空間。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的均溫板，其特征是，所述均溫板進一步包含支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)抵持于所述上蓋板與所述下蓋板之間，用以將所述殼體內(nèi) 部分隔為多個所述容置空間。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的均溫板，其特征是，所述毛細結(jié)構(gòu)分布于所述下蓋板。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的均溫板，其特征是，所述毛細結(jié)構(gòu)同時分布于所述上蓋板 及所述下蓋板。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的均溫板，其特征是，所述殼體為金屬材料。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的均溫板，其特征是，所述毛細結(jié)構(gòu)與所述工作流體為化學 性質(zhì)兼容的材料。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的均溫板，其特征是，所述毛細結(jié)構(gòu)以金屬材料或陶瓷材料 經(jīng)所述冷熔射噴覆程序而形成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種均溫板及其制作方法。其中均溫板的制作方法，包含下列步驟首先，提供上蓋板與下蓋板。隨后，以冷熔射噴覆程序形成毛細結(jié)構(gòu)于下蓋板。接著，上蓋板與下蓋板被組裝，以形成出至少一個容置空間，且毛細結(jié)構(gòu)位于容置空間內(nèi)。最后，于容置空間充填工作流體后，再密封容置空間。因此，根據(jù)本發(fā)明提供的制作方法而完成的均溫板包含殼體、工作流體與毛細結(jié)構(gòu)。殼體的內(nèi)部具有容置空間。工作流體填充于容置空間。毛細結(jié)構(gòu)通過冷熔射噴覆程序形成于容置空間的內(nèi)壁。
文檔編號H05K7/20GK102019543SQ20091017389
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者劉睿凱, 鐘兆才 申請人:和碩聯(lián)合科技股份有限公司