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TW201319507A - 散熱裝置及其製造方法 - Google Patents

散熱裝置及其製造方法 Download PDF

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TW201319507A
TW201319507A TW100140441A TW100140441A TW201319507A TW 201319507 A TW201319507 A TW 201319507A TW 100140441 A TW100140441 A TW 100140441A TW 100140441 A TW100140441 A TW 100140441A TW 201319507 A TW201319507 A TW 201319507A
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heat dissipation
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賴明雄
江宇翔
陳宥萁
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茂晶國際能源股份有限公司
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Abstract

一種散熱裝置包括一基材及複數散熱層。基材具有相對之一第一表面及一第二表面。散熱層依序形成於基材之第一表面上。各散熱層包含至少一散熱結構，且散熱結構具有一儲熱散熱區及一導熱區。儲熱散熱區環繞於導熱區的周圍，且儲熱散熱區與導熱區之間具有一間距。相鄰之散熱層的儲熱散熱區相互接觸，相鄰之散熱層的導熱區相互接觸。

Description

散熱裝置及其製造方法
本發明係關於一種散熱裝置及其製造方法。
隨著科技的發展，針對電子裝置的設計與研發，莫不以提升其效能為優先考量。而在要求高速運算的情況下，電子裝置之電子元件不可避免地將產生較以往之電子元件更多的熱量，但由於高溫的作業環境不僅將影響電子元件的特性，過高的溫度更可能造成電子元件永久性的損壞。因而，散熱裝置已成為現行電子裝置中不可或缺的重要配備之一。
如圖1A所示，習知之散熱裝置1A包含一散熱器11及一風扇12。散熱器11具有一底座111與複數個散熱鰭片112。散熱器11之底座111係用以貼附於需要進行散熱之元件上，而風扇12則鎖固於散熱器11之散熱鰭片112上。當元件所產生之熱能傳導至散熱器11時，熱能將經由底座111的底部傳導至各散熱鰭片112，接著，再藉由風扇12的吹拂而將元件所產生之熱能散逸。
然而，對於習知的散熱裝置1A而言，由於風扇12之輪轂並無法產生氣流，因而散熱器11之中央區域的散熱效果將遠不及週邊區域。換句話說，習知之散熱裝置1A不僅散熱效果不平均，且其亦存在體積過大，而無法滿足現今電子產品所要求之短、小、輕、薄的需求。
另外，由於石墨具有良好的散熱性，而金屬材料鋁具有良好的導熱性，所以亦有人將兩者運用於散熱裝置中。請參照圖1B所示，其係為另一種習知之散熱裝置1B。散熱裝置1B具有複數石墨粒子13與複數鋁金屬粒子14，且石墨粒子13與鋁金屬粒子14是混合於黏著劑15中，再透過熱滾輪碾壓而成。但雖然石墨粒子13在X/Y軸平面的散熱能力佳，但因為其在Z軸(縱向)熱傳輸的效率極低，所以在距離發熱源愈遠的部份，就越沒有散熱的功能。即使增加厚度或使用更多石墨粉，也無法突破石墨本身的材料特性限制。雖然在散熱裝置1B中另外加入了鋁金屬粒子14，但由於散熱裝置1B僅是單純的將石墨粒子13與鋁金屬粒子14混合，因而散熱裝置1B並無法平均地散逸熱能，也無法有效地提升散熱效果。
因此，如何提供一種散熱裝置及其製造方法，使其能夠平均地散逸熱能，進而提升散熱效果，同時又能夠維持製程簡單且快速，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種能夠平均地散逸熱能，進而提升散熱效果，同時又能夠維持製程簡單且快速的散熱裝置及其製造方法。
為達上述目的，依據本發明之一種散熱裝置包括一基材及複數散熱層。基材具有相對之一第一表面及一第二表面。散熱層依序形成於基材之第一表面上。各散熱層包含至少一散熱結構，且散熱結構具有一儲熱散熱區及一導熱區。儲熱散熱區環繞於導熱區的周圍，且儲熱散熱區與導熱區之間具有一間距。相鄰之散熱層的儲熱散熱區相互接觸，相鄰之散熱層的導熱區相互接觸。
在本發明之一實施例中，基材為一金屬，且金屬之材質包含銅、鋁、金、銀、鎢或前述金屬之合金。
在本發明之一實施例中，基材之厚度介於100微米至1000微米。
在本發明之一實施例中，儲熱散熱區包含複數非金屬粒子。其中非金屬粒子分別為一石墨粒子，且石墨粒子之純度介於97%至99.9%，石墨粒子之粒徑介於500奈米至3000奈米。
在本發明之一實施例中，導熱區包含複數金屬粒子，且金屬粒子之材質包含銅、鋁、金、銀、鎢或前述金屬之合金。
在本發明之一實施例中，導熱區之面積與儲熱散熱區之面積的比是介於1：1.25至1：2.5。
在本發明之一實施例中，散熱裝置更包括一黏著層及一保護層。黏著層形成於基材之第二表面。保護層形成於散熱層上。
在本發明之一實施例中，間距與儲熱散熱區之周長的比是介於0.01：1至0.15：1。
為達上述目的，依據本發明之一種散熱裝置之製造方法，包括：提供一基材；以及藉由印刷方式於基材之一第一表面依序形成複數散熱層，其中各散熱層包含至少一散熱結構，且散熱結構具有一儲熱散熱區及一導熱區，儲熱散熱區環繞於導熱區的周圍，且儲熱散熱區與導熱區之間具有一間距，相鄰之散熱層的儲熱散熱區相互接觸，相鄰之散熱層的導熱區相互接觸。
在本發明之一實施例中，散熱層藉由網版印刷，以疊印或套印的方式形成於基材之第一表面上。
在本發明之一實施例中，製造方法更包括：於基材之一第二表面形成一黏著層；以及於散熱層上形成一保護層。
承上所述，依據本發明之一種散熱裝置及其製造方法是藉由印刷方式將複數個散熱層依序形成於基材，其中散熱層之散熱結構中的儲熱散熱區以一間距環繞於導熱區的周圍，而相鄰之散熱層的儲熱散熱區相互接觸，且相鄰之散熱層的導熱區相互接觸，用以加強上下熱傳輸的效率，使其將發熱源所產生的熱導引至每一散熱層的儲熱散熱區，從而實現能夠平均地散逸熱能，進而提升散熱效果，同時又能夠維持製程簡單且快速。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之散熱裝置及其製造方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
首先，請參照圖2A及圖2B，其為依據本發明較佳實施例之一種散熱裝置2。散熱裝置2包括一基材21及四個散熱層22。於此，四個散熱層22係用以舉例說明之用，其層數並不依此為限。在實際運用上，散熱裝置2係可搭配功率元件、顯示卡、主機板、燈具、其他電子元件或電子產品使用，用以協助將熱源所產生的熱散去。
基材21具有相對設置之一第一表面211及一第二表面212。在實施上，基材21可為一金屬，且其材質可包含銅、鋁、金、銀、鎢或前述金屬之合金。此外，基材21之面積與厚度係可依據所要進行散熱之熱源的尺寸及其所產生之熱能進行調整，而基材21之厚度較佳的是介於100微米至1000微米。
散熱層22依序形成於基材21之第一表面211上，亦即，散熱層22是以堆疊設置的方式形成在第一表面211上，且各散熱層22包含一散熱結構221。如圖2B所示，散熱結構221具有一儲熱散熱區A1及一導熱區A2。儲熱散熱區A1環繞於導熱區A2的周圍，且儲熱散熱區A1與導熱區A2之間具有一間距G。
此外，如圖2A所示，上下相鄰設置之散熱層22的儲熱散熱區A1是相互接觸，且上下相鄰之散熱層22的導熱區A2亦相互接觸，其中前述之相互接觸是包括部分接觸及完全接觸。
需特別注意的是，在本實施例中，是以散熱裝置2包含四個散熱層22，且各散熱層22是具有一個散熱結構221為例進行說明，然而，在實際運用時，散熱裝置2可依據產品的需求或設計的考量而形成其他數量之散熱層22，且各散熱層22之散熱結構221的數量也可有所變化，其中較佳的是散熱裝置2具有3個至15個散熱層22，而散熱層22之每平方英吋的面積中包含50個至750個散熱結構221。
接著，請參照圖3，以進一步說明本發明之散熱結構221。散熱結構221之儲熱散熱區A1包含複數非金屬粒子P1以及高分子膠體，且前述之非金屬粒子P1可以是一石墨粒子，而高分子膠體可以是光固膠或熱固膠，於此，高分子膠體可以是聚甲基丙烯酸甲酯(聚甲基丙烯酸甲酯；PMMA)。
在實施上，石墨粒子的純度是介於97%至99.9%，且石墨粒子的粒徑是介於500奈米至3000奈米。由於石墨具有良好的導熱性，特別是針對X軸與Y軸所構成的平面有極佳的導熱性，因而透過具有石墨粒子的儲熱散熱區A1，將可針對散熱層22之水平方向進行高效的熱傳輸。
散熱結構221之導熱區A2包含複數金屬粒子P2以及高分子膠體，且前述之金屬粒子P2之材質包含銅、鋁、金、銀、鎢或其述金屬之合金，而高分子膠體可以是光固膠或熱固膠，於此，高分子膠體可以是聚甲基丙烯酸甲酯(聚甲基丙烯酸甲酯；PMMA)。
由於金屬粒子P2具有較佳的縱軸(Z軸)熱導引能力，因而透過具有金屬粒子P2的導熱區A2，將可針對散熱層之縱軸進行高效的熱傳輸。在實際運用上，導熱區A2之面積與儲熱散熱區A1之面積的比是介於1：1.25至1：2.5。另外，於本實施例中，非金屬粒子P1與金屬粒子P2的重量百分比需依照實際需求而作調整。
散熱結構221之間距G係作為因儲熱散熱區A1及導熱區A2的材質在受熱環境下膨脹的緩衝，且為了使散熱結構221在受熱時，儲熱散熱區A1與導熱區A2可緊密貼合，從而提升散熱結構221的導熱和散熱效果，間距G的尺寸設計，較佳的是，間距G與儲熱散熱區A1之周長的比是介於0.01：1至0.15：1。另外，由於不同材質於受熱環境下會有不同程度之膨脹，所以間距G的尺寸設計可依照材質做適當的調整。
此外，以俯視的視角而言，儲熱散熱區A1及導熱區A2之形狀係可具有多種不同的變化。以下請參照圖4A至圖4F，舉例說明儲熱散熱區A1及導熱區A2的多種實施態樣。
如圖4A所示，儲熱散熱區A1之俯視圖形係為一等邊之四邊形，而導熱區A2之俯視圖形則為一圓形。如圖4B所示，儲熱散熱區A1之俯視圖形為一非等邊的四邊形，而導熱區A2之俯視圖形則為一橢圓形。在圖4C中，儲熱散熱區A1之俯視圖形為一等邊之四邊形，而導熱區A2之俯視圖形則為一三角形。在圖4D中，儲熱散熱區A1及導熱區A2之俯視圖形係分別為一圓形。而如圖4E所示，儲熱散熱區A1之俯視圖形為一等邊之六邊形，而導熱區A2之俯視圖形則為一圓形。再如圖4F所示，儲熱散熱區A1及導熱區A2之俯視圖形係分別為一等邊之六邊形。
需特別注意的是，以上舉例僅為說明熱散熱區A1及導熱區A2的變化，而非用以限制本發明。因此，儲熱散熱區A1及導熱區A2的形狀(以俯視的視角而言)可為圓形、橢圓形、等邊多邊形或非等邊多邊形，且儲熱散熱區A1及導熱區A2的形狀可為相同或不相同。其中，多邊形例如是三邊形至十邊形的設計。
接著，請參照圖5，其為依據本發明較佳實施例之另一種散熱裝置3。散熱裝置3與散熱裝置2的區別在於，散熱裝置3更包括一黏著層33及一保護層34，且散熱裝置3之散熱層32是具有六個散熱結構321。
在本實施例中，黏著層33形成於基材31的第二表面312，且黏著層33例如是一導熱感壓膠，並可藉由一離型紙覆蓋。散熱層32依序形成於基材31的第一表面311。保護層34係形成於散熱層32上，並用以提升散熱裝置3之結構強度，且保護層34之材質係選自與散熱結構321之儲熱散熱區A1或導熱區A2相同之材質。
接著，請參照圖6之流程圖並搭配圖2A所示，以說明本發明之較佳實施例之散熱裝置的製造方法，其係例如運用於上述之散熱裝置2的製造。製造方法的步驟係包含S01～S02。
步驟S01係提供一基材21。在本實施例中，基材21為一金屬，且基材21之材質包含銅、鋁、金、銀、鎢或前述金屬之合金。此外，基材21之面積與厚度係可依據所要進行散熱之熱源的尺寸及熱源所產生之熱能進行調整，而基材21之厚度較佳的是介於100微米至1000微米。
步驟S02係藉由印刷方式於基材21之一第一表面211依序形成複數散熱層22。在本實施例中，各散熱層22包含一散熱結構221，且散熱結構211具有一儲熱散熱區A1及一導熱區A2。其中，儲熱散熱區A1環繞於導熱區A2的周圍，且儲熱散熱區A1與導熱區A2之間具有一間距。相鄰之散熱層22的儲熱散熱區A1係相互接觸，且相鄰之散熱層22的導熱區A2係相互接觸。
在實施上，散熱層22是藉由網版印刷，並以疊印或套印的方式形成於基材21之第一表面211上，且散熱層22的數量在設置上，較佳的是3至15個。
此外，請搭配圖5所示，製造方法亦可用於製造散熱裝置3，此時製造方法更包括於基材31之一第二表面312形成一黏著層33；以及於散熱層32上形成一保護層34。其中，黏著層33例如是一導熱感壓膠，用以與要進行散熱之目標物(功率元件、顯示卡、主機板、燈具或其他電子元件或電子產品)緊密貼合，且黏著層33可藉由一離型紙覆蓋。保護層34是用以提升散熱裝置3之結構強度，且保護層34之材質係選自與散熱結構321之儲熱散熱區A1或導熱區A2相同之材質。
綜上，以較大面積接觸基材21的儲熱散熱區A1，係用以儲熱、散熱之用，而以積層形成的導熱區A2，因為垂直於基材21，所以用以在Z軸方向上將基材21上的廢熱傳送至距離基材21更遠的儲熱散熱區A1。僅有X/Y軸平面散熱能力佳的儲熱散熱區A1，能將吸收到的熱以暫存的方式保存在自身晶格結構之中，而在適當時間內，依照非金屬粒子P1本身的物理特性，逐漸自然散發移除這些廢熱。
承上所述，依據本發明之一種散熱裝置及其製造方法是藉由印刷方式將複數個散熱層依序形成於基材，其中散熱層之散熱結構中的儲熱散熱區以一間距環繞於導熱區的周圍，而相鄰之散熱層的儲熱散熱區相互接觸，且相鄰之散熱層的導熱區相互接觸，用以加強上下(Z軸)熱傳輸的效率，使其將發熱源所產生的熱導引至每一散熱層的儲熱散熱區，從而實現能夠平均地散逸熱能，進而提升散熱效果，同時又能夠維持製程簡單且快速。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1A、1B、2、3．．．散熱裝置
11．．．散熱器
111．．．底座
112．．．散熱鰭片
12．．．風扇
13．．．石墨粒子
14．．．鋁金屬粒子
15．．．黏著劑
21、31．．．基材
211、311．．．第一表面
212、312．．．第二表面
22、32．．．散熱層
221、321．．．散熱結構
33．．．黏著層
34．．．保護層
A1．．．儲熱散熱區
A2．．．導熱區
G．．．間距
P1．．．非金屬粒子
P2．．．金屬粒子
S01～S02．．．製造方法的步驟
圖1A為一種習知之散熱裝置的示意圖；
圖1B為另一種習知之散熱裝置的示意圖；
圖2A及2B為依據本發明較佳實施例之一種散熱裝置的示意圖；
圖3為本發明較佳實施例之散熱裝置之散熱結構的示意圖；
圖4A至圖4F為本發明較佳實施例之儲熱散熱區及導熱區之變化態樣的俯視圖；
圖5為依據本發明較佳實施例之另一種散熱裝置的示意圖；以及
圖6為依據本發明較佳實施例之一種製造方法的流程圖。
2．．．散熱裝置
21．．．基材
211．．．第一表面
212．．．第二表面
22．．．散熱層
221．．．散熱結構
A1．．．儲熱散熱區
A2．．．導熱區

Claims (13)

  1. 一種散熱裝置，包括：一基材，具有相對之一第一表面及一第二表面；以及複數散熱層，依序形成於該基材之該第一表面上，其中各該散熱層包含至少一散熱結構，且該散熱結構具有一儲熱散熱區及一導熱區，該儲熱散熱區環繞於該導熱區的周圍，且該儲熱散熱區與該導熱區之間具有一間距，其中相鄰之該些散熱層的儲熱散熱區係相互接觸，相鄰之該些散熱層的導熱區係相互接觸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該基材為一金屬，且金屬之材質包含銅、鋁、金、銀、鎢或前述金屬之合金。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該基材之厚度介於100微米至1000微米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該儲熱散熱區包含複數非金屬粒子。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之散熱裝置，其中該些非金屬粒子分別為一石墨粒子，且該石墨粒子之純度介於97%至99.9%，該石墨粒子之粒徑介於500奈米至3000奈米。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該導熱區包含複數金屬粒子。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之散熱裝置，其中該些金屬粒子之材質包含銅、鋁、金、銀、鎢或前述金屬之合金。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該導熱區之面積與該儲熱散熱區之面積的比是介於1：1.25至1：2.5。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，更包括：一黏著層，形成於該基材之該第二表面；以及一保護層，形成於該些散熱層上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該間距與該儲熱散熱區之周長的比是介於0.01：1至0.15：1。
  11. 一種散熱裝置之製造方法，包括：提供一基材；以及藉由印刷方式於該基材之一第一表面依序形成複數散熱層，其中各該散熱層包含至少一散熱結構，且該散熱結構具有一儲熱散熱區及一導熱區，該儲熱散熱區環繞於該導熱區的周圍，且該儲熱散熱區與該導熱區之間具有一間距，相鄰之該些散熱層的儲熱散熱區係相互接觸，相鄰之該些散熱層的導熱區係相互接觸。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該些散熱層藉由網版印刷，以疊印或套印的方式形成於該基材之該第一表面上。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，更包括：於該基材之一第二表面形成一黏著層；以及於該些散熱層上形成一保護層。
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