CN102479915A - 散热元件及散热元件的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种散热元件以及散热元件的处理方法。散热元件包括一金属本体。金属本体的主要材质为铝，金属本体的表面具有多个微纳米孔，且微纳米孔的孔径小于300纳米。散热元件的处理方法包括氧化及蚀刻金属本体以形成多个微纳米孔。

Description

散热元件及散热元件的处理方法

技术领域

本发明涉及一种散热元件，且特别是涉及一种被动散热设计的散热元件。

背景技术

近几年来，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)半导体技术的发展由于技术的提升，使得芯片发光效率大幅提升，也因此增加在各方面的应用性，例如从投影笔到照明应用等，大幅增加了应用的范围。此外，LED也具有体积小、寿命长、低污染以及低成本等优点，在光学特性上更具有色彩饱和度佳以及动态色彩控制等特点，因此使得LED相关技术成为目前最受瞩目的技术。

一般而言，LED最广为人知就是比起传统灯源具有更省电、更环保以及体积更小的优势，交流电驱动LED的出现使得其在照明系统使用上更具竞争力。但是，目前LED的芯片中过热问题仍是LED技术发展的主要议题。常见的LED散热方式主要分为主动散热以及被动散热两种类型。

主动散热

通过外加动力使热交换媒介的气体、液体与热电耦合材料在单位时间的热交换量增加，达到散热的目的。实际的设计方式有：(1)气冷式：通过风扇与风管导引，将冷空气与热源有效的强制对流，增加热交换量，来降低LED温度。但风扇马达产生的电磁干扰(EMI)与风扇振动冲击对芯片可靠度的影响，是必须注意的重点。(2)水冷式：以泵与水管增加水流量及热交换量，来降低芯片温度，其构造简单有效，但泵马达产生的电磁干扰、冷却液的热胀冷缩与漏水是必须注意的重点。(3)热电耦合式：通过半导体热电耦合作用的特性，以电能使热电致冷芯片冷端降低LED模块温度，但耗能是其缺点。

被动散热

通过物理性的结构以促进自然对流、传导、辐射的方式做热交换。此种方式已广泛地应用在电子元件散热块等的设计，是最经济、耐久的设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种散热元件，具有多个微纳米孔以提升散热的特性。

本发明的另一目的在于提供一种散热元件的处理方法，以强化散热元件的散热特性。

为了达到上述目的，本发明提出一种散热元件，包括一金属本体。金属本体的主要材质为铝，金属本体的表面具有多个微纳米孔，且微纳米孔的孔径小于300纳米。

本发明另提出一种散热元件的处理方法。首先，提供一金属本体，其主要材质为铝。接着，氧化金属本体的表面。并且，进行一蚀刻制作工艺以在金属本体的表面上形成多个微纳米孔，其中微纳米孔的孔径小于300纳米。

基于上述，本发明一实施例在金属本体的表面进行氧化及蚀刻的处理以形成一散热元件。因此，金属本体的表面具有多个微纳米级的孔洞，而显著地提高其表面积。如此一来，散热元件的热阻明显可被降低且散热效果可以有效地提升。因此，本发明一实施例的散热元件应用于LED芯片或是其他芯片的散热设计时可以提供有效率的散热作用。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明一实施例中散热元件的一种使用方式的示意图；

图2A至图2C为图1的散热元件的处理方法，其中图2A至图2C仅绘示图1中区域A的局部放大示意图；

图3A与图3B分别为本发明一实施例的散热元件中，金属本体经处理前以及处理后的显微镜照片图；

图4为相同尺寸规格的多种散热元件应用于图1所绘示的使用方式时，基板与散热元件的接面所测量到的温度随时间的变化关系示意图；

图5为散热元件在图1所绘示的使用方式下，热阻随时间的变化关的示意图；

图6为本发明一实施例的处理方法处理散热元件后，散热元件的热阻变异程度示意图；

图7为本发明另一实施例的散热元件的局部示意图。

主要元件符号说明

10：基板

20：芯片

30：高分子胶体

100、100’：散热元件

102：金属本体

104、104’：金属氧化层

106：微纳米孔

108：纳米金属

110：底座

120：鳍片

410～440、510、520：曲线

A：区域

D：孔径

T：厚度

具体实施方式

图1绘示为本发明一实施例中散热元件的一种使用方式。请参照图1，散热元件100例如配置于基板10的一侧，而基板10的另一侧例如配置有一芯片20，其中芯片20更进一步被一高分子胶体30所覆盖。图1所绘示的芯片20例如是一LED芯片，而本发明并不以此为限，芯片20也可以是其他的驱动芯片。另外，散热元件100例如包括一底座110以及连接于底座110上的多个鳍片120，不过在其他的实施例中散热元件100也可以是不具有鳍片120的块体。亦即，图1所绘示的散热元件100仅是举例说明之用，并非用以限定其外形。

芯片20与散热元件100分别配置于基板10的相对两侧，因此散热元件100不会阻挡住芯片20。当芯片20为LED芯片时，可以进行发光以提供光源。一般而言，芯片20运作时会产生一定的热量，此热量若无法散逸将会造成芯片20的损害。所以，散热元件100的设置可以将芯片20所产生的热量经由传导以及对流等方式传递出去以避免芯片20因为高温而无法正常运作。

详言之，为了提升散热元件100的散热特性，本发明一实施例的散热元件100例如经过以下的处理步骤。图2A至图2C绘示为图1的散热元件的处理方法，其中图2A至图2C仅绘示图1中区域A的局部放大示意图。首先，请参照图2A，提供一金属本体102，其主要材质为铝。在一实施例中，金属本体102的材质包括有铝、或是铝合金、或是其他导热性佳的金属材质。此外，进行后续步骤之前，金属本体102例如经过除油、脱脂以及相关的清洗步骤以使金属本体102的表面呈现新鲜、干净的状态。

接着，请参照图2B，氧化金属本体102的表面。在一实施例中，氧化金属本体102的表面的方法包括使用硫酸、草酸或上述的组合所构成的水溶液将金属本体102的表面氧化以形成一金属氧化层104。此外，氧化金属本体102的步骤时，可以采用电化学氧化法，其过程中所设定的电压与电流等参数可以随不同的需求而有所调整。如此一来，金属氧化层104的厚度T可以通过制作工艺条件的控制而决定。举例而言，金属氧化层104的厚度T约小于15微米，或是约在3微米至15微米，或是约在5微米至10微米。

另外，金属氧化层104的材质包括氧化铝、铝氧化合物或上述的组合。更进一步而言，金属氧化层104是由金属本体102表面直接氧化而成的，并非额外涂布或是沉积于金属本体102表面所构成的。当金属本体102的材质为铝，金属氧化层104的材质可以是氧化铝、硫酸铝或是草酸铝等。当金属本体102的材质为铝镁合金，则金属氧化层104的材质可以是氧化铝与氧化镁的组合、硫酸铝与硫酸镁的组合或是草酸铝与草酸镁的组合等。换言之，金属氧化层104的材质可视金属本体102的材质以及氧化步骤中所使用的水溶液种类而决定。

随后，请参照图2C，进行一蚀刻制作工艺以在金属本体102表面上形成多个微纳米孔106。在一实施例中，蚀刻制作工艺所使用的蚀刻溶液包括硫酸、草酸、磷酸或其组合所构成的水溶液。此时，图2B中的金属氧化层104经蚀刻后将成为具有多个微纳米孔106的金属氧化层104’。在此步骤中，蚀刻的制作工艺参数可随不同需求而调整以使微纳米孔106的孔径D小于300纳米。具体而言，微纳米孔106的孔径D可以为5纳米至300纳米，或是20纳米至80纳米。

图3A与图3B分别为本发明一实施例的散热元件中，金属本体经处理前以及处理后的扫描式电子显微镜(SEM)照片。请同时参照图3A与图3B，由两张显微镜照片可明显看出，图3B所呈现的表面明显具有多个微纳米孔106。同时，这些微纳米孔106例如直接破坏金属氧化层表面而形成的，所以外观上可以是封闭的孔洞。在形成这些微纳米孔106后，散热元件的表面积将明显地增加而有助于提高散热特性。以下将以多种方式来说明本发明一实施例的散热元件在散热特性上的表现。

图4绘示为相同尺寸规格的多种散热元件应用于图1所绘示的使用方式时，基板与散热元件的接面所测量到的温度随时间的变化关系。请参照图4，曲线410～曲线440所表示的特性例如都是铝所构成的散热元件呈现出来的特性。曲线410表示为本发明一实施例的散热元件应用于图1的使用方式时基板与散热元件的接面所测量到的温度随时间的变化关系。也就是说，曲线410表示为表面上形成有多个微纳米孔的散热元件所呈现的散热特性。曲线420表示为表面涂布一氮化铝涂层的散热元件应用于图1的使用方式时基板与散热元件的接面所测量到的温度随时间的变化关系。曲线430为表面形成一类钻碳(diamond-like carbon，DLC)层的散热元件应用于图1的使用方式时基板与散热元件的接面所测量到的温度随时间的变化关系。曲线440为表面未经任何处理的散热元件应用于图1的使用方式时基板与散热元件的接面所测量到的温度随时间的变化关系。

散热元件经过本发明一实施例描述的氧化及蚀刻处理方法之后，可以提供较好的散热效果。因此，由曲线410可知，经过一段时间之后，基板与散热元件的接面所测量的温度在曲线410中的数值较曲线440中的数值低了9℃左右。另外，由曲线420与曲线430可知，在散热元件表面形成氮化铝涂层或是类钻碳层的方式所提供的散热效果仍不及曲线410所呈现的效果。也就是说，相较于其他的表面处理方法，采用本发明一实施例的处理方法在散热元件表面上形成多个微纳米孔可以显著地提升散热元件的散热能力，而进一步维持整体产品的品质。

一般来说，一项元件的散热特性，可以通过热阻来表示。热阻定义为芯片接面处的温度(Junction Temperature)减去环境温度，再除以输入功率所得的值。此一热阻值为整个产品中，判断散热能力优劣的标准，如果热阻值越大，表示散热能力越差；反之，若热阻值越小，则散热能力越好。

图5绘示为散热元件在图1所绘示的使用方式下，热阻随时间的变化关系。请参照图5，曲线510表示为本发明一实施例的散热元件(表面上形成有多个微纳米孔)在图1的使用方式下所呈现的热阻随时间的变化关系。曲线520表示为未经任何表面处理的散热元件在图1的使用方式下所呈现的热阻随时间的变化关系。由曲线510与曲线520可清楚知道，本发明一实施例的具有多个微纳米孔的散热元件所呈现的热阻明显低于未经任何表面处理的散热元件所呈现的热阻。由此可知，本发明一实施例的散热元件具有较佳的散热能力。

更进一步而言，图6表示为根据本发明一实施例的处理方法处理散热元件后，散热元件的热阻变异程度。请参照图6，横轴表示为不同制作工艺条件下所处理后的样本，而纵轴为各样本处理后相较于未处理过的样本而言，在热阻上的降低程度。在图6中，样本A～样本N具有相同的尺寸规格，但以不同的制作工艺条件进行氧化以及蚀刻处理。另外，各样本处理后的热阻降低程度是由(1-Ri/Ro)×100％的公式计算而得，其中Ro为未经处理的散热元件的热阻，而Ri是样本A～样本N中其中一者的热阻。

表一为样本A～样本N的处理条件以及热阻降低程度。

表一

整体而言，由图6以及表一可知，无论制作工艺条件为何，经过氧化及蚀刻处理而在表面上形成有多个微纳米孔的散热元件在热阻的变异程度上都至少比未处理时降低约10％，尤其是样本K甚至降低了23.94％。因此，由图6及表一可更进一步说明经由本发明一实施例的处理方法后，具有多个微纳米孔的散热元件确实具有更好的散热能力。

此外，图7绘示为本发明另一实施例的散热元件的局部示意图。请参照图7，散热元件100’的本体102经前述实施例的处理方法处理过后例如形成有金属氧化层104’，其中金属氧化层104’具有多个微纳米孔106。此外，本实施例更进一步对散热元件100’进行电镀制作工艺，以在微纳米孔106中填充多个纳米金属108。纳米金属108可选择性地填满微纳米孔106或是如图7所示地仅填充局部的微纳米孔106。在一实施例中，经过电镀制作工艺而进一步形成有纳米金属108的散热元件100’可以具有理想的散热效果。

举例而言，根据实验的结果，在18V电压下经过10％硫酸的电化学处理30分钟，接着以5％磷酸蚀刻15分钟，并随后硫酸及高锰酸钾水溶液电镀3分钟后，散热元件100’的热阻降低程度(1-Ri/Ro)×100％)约达20％。另外，在18V电压下经过10％硫酸的电化学处理30分钟，接着以5％磷酸蚀刻15分钟，并随后以硝酸银及硫酸镁水溶液电镀5分钟后，散热元件100’的热阻降低程度(1-Ri/Ro)×100％)约达14.8％。由此可知，在图2A至图2C的处理方法之后进一步进行电镀制作工艺也有助于提高散热元件100’的散热能力。在此，纳米金属108的材质包括选自由镍、铜、钯、银、金、铂、钴、锡、铬、锌、铁、钼、镉、硒以及上述的合金中至少其中一者所组成的群组。

综上所述，散热元件经本发明一实施例的处理方法后可在表面形成有多个微纳米孔。如此一来，散热元件的表面积可以显著地增加，而有助于提高散热元件的散热能力。详言之，本发明一实施例所采用的处理方法包括氧化以及蚀刻步骤，因此散热元件表面可以形成有一金属氧化层，而微纳米孔则分布于金属氧化层中。另外，氧化及蚀刻步骤的制作工艺条件可以决定金属氧化层的厚度以及微纳米孔的孔径。因此，本发明一实施例的散热元件的表面结构可以经由一定的制作工艺条件而控制在所需的状态下。如此一来，散热元件的散热能力可以大幅改善而进一步提升产品的信赖性。

虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (16)

1.一种散热元件，包括：

金属本体，其主要材质为铝，该金属本体的表面具有多个微纳米孔，该些微纳米孔的孔径小于300纳米。

2.如权利要求1所述的散热元件，其中该金属本体的材质为铝、或是铝合金。

3.如权利要求1所述的散热元件，其中该金属本体的表面形成有一金属氧化层，且该金属氧化层具有该些微纳米孔。

4.如权利要求3所述的散热元件，其中该金属氧化层的厚度小于15微米。

5.如权利要求3所述的散热元件，其中该金属氧化层的厚度为3微米至15微米。

6.如权利要求3所述的散热元件，其中该金属氧化层的厚度为5微米至10微米。

7.如权利要求3所述的散热元件，其中该金属氧化层的材质包括氧化铝、铝氧化合物或上述的组合。

8.如权利要求1所述的散热元件，其中该些微纳米孔的孔径为5纳米至300纳米。

9.如权利要求1所述的散热元件，其中该些微纳米孔的孔径为20纳米至80纳米。

10.如权利要求1所述的散热元件，其中该金属本体包括一底座以及连接于该底座的多个鳍片。

11.如权利要求1所述的散热元件，还包括多个纳米金属，填充于该些微纳米孔中。

12.如权利要求11所述的散热元件，其中该纳米金属的材质包括选自由镍、铜、钯、银、金、铂、钴、锡、铬、锌、铁、钼、镉、硒以及上述的合金中至少其中一者所组成的群组。

13.一种散热元件的处理方法，包括：

提供一金属本体，其主要材质为铝；

氧化该金属本体的表面；以及

进行一蚀刻制作工艺以在该金属本体的表面上形成多个微纳米孔，其中该些微纳米孔的孔径小于300纳米。

14.如权利要求13所述的散热元件的处理方法，其中氧化该金属本体的表面的方法包括使用硫酸、草酸或上述的组合所构成的水溶液将该金属本体的表面氧化。

15.如权利要求13所述的散热元件的处理方法，其中该蚀刻制作工艺所使用的蚀刻溶液包括硫酸、草酸、磷酸或其组合所构成的水溶液。

16.如权利要求13所述的散热元件的处理方法，还包括进行一电镀制作工艺以形成多个纳米金属，填充于该些微纳米孔中。

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