TW200524515A - Ceramic heat sink with composite multi-layered porous structure - Google Patents

Description

200524515 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本創作屬電子元件散熱器技術領域，特 多層式多孔洞結構陶瓷散熱器嶄新設計，具=指一種複合 瓷材料、多孔洞結構之散熱層散熱基部及^ =導熱率的陶 面積之外散熱頂部，以提高散熱器的散埶 2接觸空氣表 【先前技術】 …刀考。 按’隨著資訊半導體業的發展，半導體曰 一 頻化發展，近年來例如中央處理器（CPU曰曰+斷朝向高 理，度更是精提高，然而伴隨而來^高處二'置下之:

=尚溫？題’亦即如何有效的將電子裝置熱源(如中-理 裔、電晶體、發光二極體LED、Chip set)^ 4 +一 、 使電子裝置能於適當的工作溫度下運轉， 排出， 相開發的重點課題。 ㈣已成為各家業者爭 以電腦為例，習用散熱器係裝設於中央處理器上， =助，出：央處理器晶片產生之熱量。請參閱第二圖所示，、 習用散熱器（1)大都包括有一散熱片⑴）及位於該散熱片 (二，該吸熱層(12)係設於熱源(3)、（例 如為中央處理益）’並與熱源⑻貼合，前述散孰片 UO,並設，具有散熱簿片⑴υ，散熱片⑴）上“設有 一風扇（4)【散熱片（11)與風扇（4)間具有一間隙（41)】 =士對流空氣’將吸收熱源（3))熱量之散熱韓片（1⑴的 …、篁糟對流帶離’自散熱片⑴）排出（抽風或送風，視 =空間及Λ計要求）’以降低溫度。雖然習用的散熱心 ()已用導”、、、散熱效果佳的銅、紹金屬製成，然而由於

第5頁 200524515 五、發明說明（2) '一" 導熱及散熱的效果尚難符合高速化高功率發展的需求，而其 所需的龐大體積，在某些空間有限的電腦上（如筆記型電 腦），更需借助其他散熱結構（如熱管）方能達到散熱的最低 要求為其缺失。以上即為習用技術現存最大的弱點，為業者 亟待克服的難題。 以電晶 低，但是應 晶體或發光 加以一個強 術皆以金屬 設計者的困 本發明 於電晶體或 幅降低熱源 該圖係以多 P4S800電腦 溫度可由70 3 〜5 °C。

體及發光二極 用於高速化的 二極體所產生 制對流的方式 為散熱層，往 擾。 則以「多子L洞 發光二極體上 所產生的散熱 孔洞陶瓷散熱 主機板為例子 °C降低至52 °C 電氣產品時，電 的熱以接地的方 ’利用主幾板來 往引起所謂的電 陶瓷材料」來製 ’以空氣為自然 問題。此部份如 片之應用於電晶 的實際測試結果 ;同時，主機板 所座生的熱能較 路設計者大多將電 式導入主機板，不 將熱導出。昔用技 磁效應，造成電 作散熱片，再黏著 對流媒介，將可大 本案第十圖所示， 體。而以華石員 ’其電晶體的表面 的溫度亦可降低 申請人先前曾於九十一年十一月 散熱片」提出發明專利申請，經編：：$「孔洞結構陶瓷』 號，並經核准專利，公告於九十一 “、、申峋案號第9 11 3 5 8 6 報，公告編號第555723號。該專利十月一日出版之專利公 要係由散熱層及導熱層構成f該a 孔洞結構陶瓷散熱片主 變化原理，以乳膠狀漿料不均^ ^二、層係利用微觀化學液相 二二刀散’形成陶瓷粉的微胞結

200524515 五、發明說明（3) 構，並與次微米粉體結合，再燒結 結構散熱層，該散熱層？L隙率在-中厂曰曰體的孔洞化 戶，获墓故爲之間其與熱源接觸面具有一層導熱 ‘化二構的：：^源熱：：再藉由散熱層中空結晶體的孔 氣為散熱媒介，來提高散熱片的 出另種對提曰提高散熱片的散熱能力，現提 能力更為顯著之「複合多層式多孔 ，门、、、。構陶瓷散熱益」，俾使散熱器 【發明内容】 』吏臻凡善 本發明研創人鑒於前述習用技術之缺 ==粒，以高壓擠出再滾壓成型或沖壓成型或；：成聚 ^ ^ ^ ° 再坟、、、°成多孔洞結構陶瓷的散埶声 部’及使用相同材料一體或附加於其頂面以形成有、 貝部，以藉由空氣媒介來提高熱對流 =易的生產製程’製作高附加價值的產品為設計 、、不斷研究、改良後，終有本發明之研發成功，公諸於世。 本發明取高導熱率適當粉體的陶兗材料（如：氣化銘 、氮化矽SiN、氮化硼ΒΝ、碳化矽Sic、石墨c等），之 添加適當比例的無機黏結劑及有機塑料，經過均勻混人 J、燒結等過程’製造出高導熱高散熱率的多孔洞；以 =:並與金屬材料之吸熱層組合成高散熱性的電子元 緣是，本發明之主要目的即在提供一種「複合 孔洞結構陶究散熱器」，主要係由散熱層、吸熱層及介 200524515 五、發明說明（4) 熱層與吸熱層間之導接層構 結構密度以及高比熱之特 ;用金屬具有高 (如：銅金屬之導敎係數特二二：具有“之導熱能力者 〒…、你数為382W/mK)。該散埶展焱心m 粒徑的高熱導率陶究粉粒（如：碳化石夕Sic ϋ係2不同 270W/mK)，陶瓷且右龢你从L & υ导熱係數為 料。製作藉由陶瓷，二高壓^ Α 〇 ;種相當好的散熱材 配成漿料灌注成型的方：社a具2 f f型或加壓成型或調 面而形成外散i;二上；:：； = :體或附加於其頂 吸熱層連接，吸熱層與基m導= 強化散熱之外散熱頂部，以空氣 :者“"戈再加以一個強制對流條件，來提高散熱器、的散熱能 【實施方式】 2達成本發明前述目的之技術手段’兹列舉一 ==明如後，貴審查委員可由之對上;明：=、 特徵=所達成之功效，獲致更佳之瞭解。 請參閱第二圖至第九圖，本發 孔洞結構m敎哭…甘*發月所k供之複合多層式多 (21)、全；1 #ί ()，其要包含有陶究材料之散熱層 2U斗之吸熱層(22)及介於散熱層⑵)與吸熱層 外散熱頂：ί層(23)，該散熱層(21)具有散熱基部(211)及 係連&於:L 213、214、215、216、217)，導接層（23) 2連ί於散熱層（21)之散熱基部（211)底面與吸熱層（22)頂 ，接層（23)可使用錫膏以銲錫方式將散熱基部（211)與 第8頁 200524515 五、發明說明（5) 吸熱層（22)銲接，亦可使用導熱膠、導熱膏或其他導熱黏 劑將散熱基部（2 1 1 )與吸熱層（22 )黏接。 … 該散熱層（2 1 )具有散熱基部（2 11 )及外散熱頂部（2丨2、 2 1 3、2 1 4、2 1 5、2 1 6、2 1 7 )，其中散熱基部（2 11 )係利用不 同粒徑的高熱導率陶瓷粉粒，以高壓擠出再滾壓成型或沖壓 成型或调配成漿料灌注成型的方式結合’再燒結成具間隙的 多孔洞結構，而外散熱頂部（2 1 2、2 1 3、2 1 4、21 5、2 1 6、 2 1 7)係使用相同材料一體或附加於其頂面。 本發明散熱層（2 1 )製造方法包括有以下的步驟： 原料製備 100〜600目之間 取適當比例不同粉體粒徑（ )的熱導率高的陶瓷粉體（ 熱導率馬的陶竟 粉體諸如：氮化鋁A1N、氮化矽SiN、氮化硼BN、碳化矽 S i C、石墨C、等）添加適當比例的黏結劑（例如：石夕溶膠

Si02 sol、鋁溶膠A1 203 sol、锆溶膠Zr02 sol、磷酸鋁溶液 A1 (H2P04)3…等^…與塑型劑（例如：澱粉、木質素^ 木 酸約羧甲基纖維素、甲基纖維素等）；

η 原料攪拌混合：將不同粉體粒徑的導熱率高的陶瓷粉體 與黏結劑及塑型劑均勻混合，使各粉體表面具有一層均勻的 結合劑與塑型劑； 擠出成型：以高壓擠出成型的方式將前述材料擠出成片0 狀或已灌注方式成型亦可； 滾壓成型：以滾壓方式加壓成〗· 〇〜3 · 厚的陶瓷片結 合各粉體（各粉體間的結合劑量最小），使結構密度平均； 乾燥··將成型後的陶瓷片經過2 〇 〇它以下初步烘乾定

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如上所述，本發明散熱層（21)具有散熱基部（211)及使 用相同材料一體或附加於散熱基部（21丨）頂面之外散熱頂部 (212、213、214、215、216、217)，茲依照外散熱頂部 (212、213、214、215、216、217)與散熱基部（211)複合袓 成型態分別說明如下： 1 ·平板型散熱器：請參閱第二圖所示，其散熱層（2丨）係 取Sic粉體（粒徑100〜6 00目mesh)，其固體成份約7〇〜9〇wt%， 在取矽溶膠約10〜30wt%以及3%的曱基纖維素混合均勻，之後 ，過前述製程製作成平板型陶瓷片散熱基部（211)，再經乾 燥即可在1 3 0 0〜1 4 5 0 C之間燒結成平板型多孔洞結構的散熱灣 層（21)，其孔隙率在20〜60%，此種散熱層（21)為包含一體之 散熱基部（2 11 )及位於散熱基部（2 1 1 )頂面，呈平坦平面之外 月欠熱頂邛（2 1 2 )。仍晴參閱第二圖，該多孔洞結構陶瓷的散 熱層（21)與熱源（3)接觸面具有一層吸熱層（22)【吸熱層 (22)為比熱大之金屬製成，如銅、鋁…等】，藉吸熱層（22) 吸收熱源（3 )熱量，再經由散熱層（2 1)的多孔洞結構陶瓷散 熱基部的多孔洞結構與強化散熱之外散熱頂部，以空氣為散 熱媒介的自然對流或再加以一個強制對流條件【如風扇 (^)】，來提高散熱器的散熱能力者。此散熱器經過實驗證# 2以1· 0〜2· 0mm的厚度散熱效果最佳。該平板型散熱器經過 貫驗測試，以Intel puntium 4 'Socket 478尺寸規格 (86*70mm長寬）再搭配7〇*70*1 5ππη 460 0rPm的風扇下吹作強 制對流，可以解決68瓦特（Watts)的熱能，其cpu的中心底層

200524515 五、發明說明（7) 溫度（die temperature)不會超過 62 °c。 2·凹凸立體型散熱器：請參閱第三、四圖所示，此實施 例係以成型後的散熱層（21)散熱基部（211)，經模具沖壓，也 於散熱基部（2 11 )頂面形成預定幾何形狀排列的凹凸立體形 狀,外散熱頂部（2 1 3 )，經脫模、沖壓成預定外形後，再經 乾燥即可燒結成一體式凹凸立體型多孔洞結構陶瓷的散熱芦 (21)。仍請參閱第三、四圖，該多孔洞結構陶瓷的散熱層、曰 (2 1 )具有預疋幾何排列的凹凸立體形狀之外散敎頂部 (21—3)，其與熱源（3)接觸面間亦具有一層吸熱層'(22°)，同 、藉由吸熱層（2 2 )吸收熱源（3 )熱量，再經由’ ti:(為21 二孔洞結構與強化散熱之外散熱 【。ΚΓι 自^對流或再加以—個強制對流條件

羽 】，來提兩散熱片的散熱能力。由於該多：、、π ,陶瓷散熱層(21)預定幾何排列的凹 狀乂 /S 上述凹凸立體型散埶哭々必為成/〇1、 … >叉禾更佳 可行之實施例而已：並：：：=凹凸立體形狀僅係-種 另一 ϋ且右π η ^並不限疋其形狀，例如第五圖所示即為 3 =?狀外散熱頂部(214)之實施例。 3 ·表面附加型散熱器： 如下：多第、圖鉍先就喷濺方式為表面附加之製法說明 同 材料調ί合施例散熱層(21)散熱基部(2⑴相 加熱：將前述客π ^ 夕孔洞結構陶瓷散熱層（21)散熱基部

200524515 五、發明說明⑻ - --- (21 1 )(經燒結完成後）加熱； 喷漿··將漿料平均喷濺於已預熱5 〇〇。〇以上之多孔洞結 構陶瓷的散熱基部（211)表面上； 燒結·將噴有漿料之多孔洞結構的陶瓷散熱層（2丨）燒 結”料中之顆粒於多孔洞結構陶兗的散熱層上 於盆上方，熱基部(211)頂面具有附加 " 方呈顆粒狀（大小顆粒不同，且為不招目丨丨妯石丨、 喷濺型外散熱頂部（215)【請來閲$ ^ … 〇的 表面積，提昇散熱效果。其散二第的用為增加散熱 5%。 …、器的政熱效果較平板型者高

刖述係以漿料喷濺的方式，於 (21)散熱基部（21丨）頂面附加形成的网/構陶兗散熱層 種表面附加型散熱器亦可以印刷方 政”、、頂部（21 5 )，但此 近且呈較規則排列之印刷型外式，再燒結成大小顆粒相 圖】。 頂部（216)【請參閱第七 4·網狀海綿型散熱器（請表 調毁：取與前述實施例散⑴圖及第九圖）： 材料，混合攪拌成漿料； …散熱基部（211)相同 載具沾漿：取已定型之载且 機物材質，由骨架及相通多孔、、讀槿激料，該定型載具為有 聚令定型載具骨架平均沾附有^成（例如海綿），浸壓沾 黏結：將沾附漿料的定型 且維持孔道的連通。 (21 )之散熱基部（2 11 )黏結。^多孔洞結構陶瓷散熱層 燒結：將沾附毁料的定型載 _____ 、 孔洞結構陶瓷散熱層 第12頁 200524515

五、發明說明（9) (1)之散熱基部（211)於1 300〜1 450 °c間燒結，將定型载具 有之有機物材質骨架燒除，形成凌亂的網狀海綿結外、原 頂部（217)。請參閱第八圖及第九圖所示，該網狀海綿^熱 外散熱頂部（217)具有高熱率的陶瓷骨架（2171)，且各陶 骨架（21 71)間具有相互連通的孔道（2 172)。亦即，該多孔〜 結構陶竟散熱層（21)之散熱基部（2 11)頂面結合有一"層夕網^1 L每綿結構之外散熱頂部（2 1 7 )，該網狀海綿結構之外散熱頂 部（217)具有高熱率的陶瓷骨架（2171)，且各高散熱率^ 瓷骨架（2171)間具有相互貫通的孔道（2172)，用為增加散熱 表面積，提昇散熱效果。經過實驗證實，該網狀海綿 : (21j因為是凌亂的互通孔道，若其上方加以一個風扇作強& ，流，不得用吹風方式做散熱，需要以抽風方式散熱，因為 σ人風方式在凌亂孔道内的熱風會造成擾流。經過實驗證明了 以3止瓦特的發光二極體LED為例子，發光二極體要成為^彩的 f告看板，必須要有紅色、藍色、綠色的LED燈泡搭配於同 一=模組上’同時三個LED燈泡的溫度不得超過7〇它，否則 會造成合成的色澤偏差。經過實驗發覺需要8 cm圓直徑，底 層散熱基部（211)需要丨· 5〜2· 〇mm的平板型散熱器，上層需要 10mm厚度的網狀海綿型外散熱頂部（217)，如此搭配就可以 在自然對流的條件下達到三個LED的散熱能力。 士喷參閱第十圖所示，該圖係以本發明之複合多層式多孔 洞、Ό構陶莞散熱器應用於電晶體（5 0 )之實驗實施例圖。將電 曰曰體（5 0 )的電晶體引腳（5 2 )以及機板接地面（5 1 )以焊接方 式連接至機板上，以本發明之散熱層（21)黏著於華碩p4S8〇〇

第13頁 200524515 五、發明說明（ίο) 電腦主機板上的電晶體上方為例子的實際測結果，其電晶體 (5 0 )的表面溫度可由7 0 °C降低至5 2 °C ;同時，主機板的溫度 亦可降低3〜5 °C。 本發明複合多層式多孔洞結構陶瓷散熱器，可利用具有 高導熱率的陶瓷材料、多孔洞結構之散熱層散熱基部及能提 高接觸空氣表面積之外散熱頂部，大幅增加散熱能力，完全 解決目前大體積的鋁金屬散熱鰭片散熱效果不佳之缺失，同 時也兼具簡易的生產製程及低的材料、製造成本，可廣泛應 用於各式會發熱的電子裝置散熱，如此而達本發明設計目

第14頁 200524515 圖式簡單說明 圖式之簡要說明： 第一圖係傳統金屬片式散熱器側視_。 第二圖係本發明平板型散熱器組立側視圖。 第三圖係本發明凹凸立體型散熱器部份放大立體圖。 第四圖係本發明凹凸立體型散熱器組立剖面圖。 第五圖係本發明凹凸立體型散熱器另一實施例之部份放大立 體圖。 第六圖係本發明表面附加型散熱器組立剖面圖（喷濺式，呈 不規則排列）。

第七圖係本發明表面附加型散熱器組立剖面 規則排列）。 k I W π 第八圖係本發明網狀海綿型散熱器組立側視平面 第九圖係本發明網狀海綿型散熱器立體圖。 圖。 第十圖係以本發明之複合多層式多孔洞結 於電晶體之實驗實施例圖。 是政熱器應用 符號說明： (1)散熱器 (II) 散熱片

(III) 散熱鰭片 (1 2 )吸熱層 (2)散熱器 (21)散熱層 (211)散熱基部

200524515 圖式簡單說明 (2 1 2、2 1 3、2 1 4、2 1 5、2 1 6、2 1 7)外散熱頂部 (2 1 7 1)陶瓷骨架 (2172)孔道 (22) 吸熱層 (23) 導接層 (3 )熱源 (4 )風扇 (4 1 )間隙 (50)電晶體 (5 1)機板接地面 (52)電晶體引腳

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Claims (1)

1. 200524515 六、申請專利範圍 含有1 陶竞一材種料複之式多孔洞結構陶究散熱器，其:77 之政熱層、金屬材料之吸埶 其主要包 吸”、、層間之導接層， ^㈢及介於散熱 熱基部係利用不㈡= 及外散熱頂部? :出i f壓成型或沖壓成型或調配成漿料增瓷粉體，以高壓 二姑i粍結成具間隙的多孔洞結構，而外1^成型的方式結 層吸收熱源熱量，再經思二f接觸面接觸，俾藉吸埶 化散熱之外散熱頂部，多孔洞結構與強 以一個強制對流方式，二^…媒；丨的自然對流或再力， 2、 依據申請專利範來圍义：=:=力者。 構陶瓷散熱器，其中，該、斤述之複s多層式多孔洞結 頂面一體形成有預定幾^ 2結構陶瓷散熱層之散熱基部 3、 依據申請專利:圍排二 = ^ 構陶瓷散熱器，其中， 員所述之複合多層式多孔洞結 部頂面結合附加有一層^ ^洞結構陶瓷的散熱層之散熱基 顆粒狀的喷濺型之散‘ ^卩。目同材質，且為不規則排列、呈 4、 依據申請專利範 構陶瓷散熱器，其中，今夕項所述之複合多層式多孔洞結 部頂面結合附加有一層▲二孔洞結構陶瓷的散熱層之散熱基I 粒狀的印刷型之散熱頂部。、相同材質，且為規則排列、呈顆 5、 依據申請專利範圍 構陶瓷散熱器，其中，兮之項所述之複合多層式多孔洞結 μ 孔洞結構陶瓷的散熱層之散熱基 第17頁 200524515 六、申請專利範圍 部頂面結合有一層與其相同材質的網狀海綿型外散熱頂部， 該網狀海綿型之散熱頂部具有高散熱率的陶瓷骨架，且各陶 甍月架間具有相互連通的孔道。 6、 依據申請專利範圍第丨項所述之複合多層式多孔洞結 構陶瓷散熱器，其中，散熱層之散熱基部包含有其固體成份 約含70〜9Owt%之陶瓷粉體、；[〇〜3〇wt%之黏結劑及3%塑型劑所 混合而成。 1 7、 依據申請專利範圍第6項所述之複合多層式多孔洞結 構陶竟散熱器，其中，陶瓷粉體成分為氮化鋁A丨N、氮化矽 SiN、氮化硼BN、碳化矽Sic及石墨C。 8、 依據。申請專利範圍第6項所述之複合多層式多孔洞結^ 構陶瓷散熱器，其中，黏結劑成分為矽溶膠Si〇2 s〇l、鋁 職12〇3 S0l，錯溶私02 sol及璘“呂溶液Ai(H2p〇4)3。溶 陶1二巧。申ϋ利：圍】第6項所述V局®X多層帆” h孔3結 構陶是政熱益’其中，塑型劑成分為 1 酸妈、羧曱基纖維素及曱基纖維素。物不負常木賈埃 第18頁