TWI491085B - 複合散熱體及其製造方法 - Google Patents

Description

複合散熱體及其製造方法

本發明係為一種複合散熱體及其製造方法，特別是有關於結合均溫材料與熱輻射材料，來達到提昇熱輻射之複合散熱體。

在技術革新急速地進展中，伴隨半導體元件小型精密化之趨勢，由於本身散熱表面積較小之先天條件不足情形下，一般小型高功率半導體(如：高功率發光二極體LED、高頻元件、高功率電晶體元件)多必須經由多層次之傳導而將其本身工作時所產生之熱量傳導至外具有足夠散熱面積之散熱元件(或散熱鰭片)加以散，因此，該小型半導體(小體積電子元件)對外之熱傳導效率乃為影響其整體散熱之重要因素。因此，於具有高絕緣性、高導熱性，例如氮化鋁基板、氮化矽基板等的陶瓷基板的表面製作形成銅製或鋁製的金屬電路陶瓷電路基板，因此，作為其內部之散熱板由銅製或鋁製的底板所形成之基板，例如使用作為電力模組用基板。一般金屬材質的散熱效能中，熱傳導約佔50%以上、熱對流約佔30%以上、熱輻射約佔20%以下，而碳化矽材質的散熱效能中，熱輻射約佔50%以上、熱傳導約佔30%以下、熱對流約佔20%以下，因此， 如何結合不同材質散熱效能是眾多科研人員亟待克服的課題。

以往的陶瓷電路基板的典型的散熱構造，於陶瓷電路基板焊錫底板所成者，底板一般為銅、鋁。但是，此構造如有熱負荷時，底板與陶瓷電路基板的熱膨脹係數差，將導致焊錫層產生裂痕，其結果散熱變為不充分、電路上的半導體有錯誤動作，或破損的情形。

因此，日本特公表平05-507030號公報提案，膨脹係數與陶瓷電路基板相近的鋁合金-碳化矽複合體作為底板。

其，底板多數鎖合散熱鯺片或散熱組件，並塗佈高導熱性的散熱膏於鎖合之空隙，使導熱性有下降的情形，存在陶瓷電路基板、底板、散熱鯺片或散熱組件等所構成的模組整體的散熱性下降的課題。

中華民國發明專利公告I357788號「鋁-碳化矽複合體」一案中，為解決上述課題，揭示平板狀的碳化矽質多孔體浸漬鋁金屬，於兩主面設置鋁層，散熱面側的鋁層以機械加工的方法形成減少空隙，且比焊錫陶瓷電路基板後的散熱性良好。

在中華民國新型專利公告M355006號「散熱模組結構」與公告M395821號「陶瓷散熱器」兩案中，揭示直接形成具有散熱鰭片的SiC燒結體。

在中華民國發明專利公告432027號「高電阻及高導熱性之再結晶SiC燒結體及其製造方法」一案中，揭示SiC燒結體的形成壓力與溫度高達2atm及2500℃。

綜合上述習知技藝，發明人認為各別技術在碳化矽的應用上仍存在相當難度的課題必須克服。首先，便是SiC燒結體的形成壓力與溫度相當的高，與現今節能減碳的綠色製程當道的概念背離，同時，由於燒結的難度使得一併成形具散熱鰭片的SiC燒結體的良率提昇有極大的難度。再者，浸漬鋁金屬亦必須耗費大量的能源維持鋁熔液的狀態，且額外的機械加工仍會影響散熱性。

有鑑於上述缺憾，發明人有感其未臻於完善，遂竭其心智悉心研究克服，憑其積累多年之產業經驗，進而於本發明提出一種複合散熱體及其製造方法，以達到提昇利用熱輻射散熱之目的，並兼具各種形態應用的客製化能力，同時降低能源的耗用。

為了達到上述目的，本發明提供一種複合散熱體主要包含有含碳元素之載板、複數個含碳元素之熱發散元件、均溫塊材及至少一均溫條，其中載板的第一表面排列有熱發散元件，第二表面與均溫塊材結合為一體，且均溫條與均溫塊材結合，並貫穿含碳元素之熱發散元件及含碳元素之載板。

同時，本發明更提供一種複合散熱體之製造方法，其包含有製程如下：提供含碳元素材料於第一常壓低溫環境中，利用載板模具 成型含碳元素之載板；提供含碳元素材料於前述之第一常壓低溫環境中，利用熱發散元件模具成型含碳元素之熱發散元件；排列含碳元素之熱發散元件結合於載板之第一表面；提供均溫塊材，與載板之第二表面結合為一體。

藉由載板與熱發散元件各別製造，以減少不良率的發生機會。

本發明之目的之一是在於提供適當的均溫中間體，以提昇熱輻射的效率，因此，更提供有均溫條與均溫塊材結合，並貫穿含碳元素之熱發散元件及含碳元素之載板。

本發明之目的之一是在於以常壓低溫環境完成複合散熱體之製造，達到減少耗能的社會責任，本製造方法可在不高於1000℃以下的環境完成，或800℃以下亦可完成製造，有關成形方法亦無特別限制，可使用熱壓成型、擠壓成型、鑄造成型等。

本發明之目的之一是以多個物件組合提高整體良率，同時降低廢品的報銷成本。

前述之含碳元素之載板一般可為碳化矽載板、石墨載板，或類鑽石載板，又，含碳元素之熱發散元件一般可為碳化矽熱發散元件、石墨熱發散元件，或類鑽石熱發散元件，而含碳元素之載板、含碳元素之熱發散元件，或均溫材料間之界面結合為一體之燒結工法、膠合工法，或兩者併用。更進一步，可將 含碳元素之熱發散元件的形狀製成為球體、半球體、圓餅體，或錐柱體，以增加熱輻射表面積，且可依熱分佈狀態調整輻射方向，同時，熱發散元件亦可為單層或多層堆疊增加調整的裕度。

惟上述之說明係僅為本發明部分特徵之概述，茲為使貴審查委員及閱讀本說明書之專業人士，對本發明之技術特徵及所達到之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以本發明之實施例及配合詳細之說明如後，並非對本發明做任何形式上之限制，是以，凡在相同之創作精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆應包括在本發明保護之範圍。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之複合散熱體及其製造方法，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第一圖為複合散熱體之剖面圖。圖中，複合散熱體1主要包含有含碳元素之載板11、複數個含碳元素之熱發散元件12、均溫塊材13及均溫條14，其中載板11的第一表面111排列有熱發散元件12，第二表面112與均溫塊材13結合為一體，且均溫條14與均溫塊材13結合，並貫穿含碳元素之熱發散元件12及含碳元素之載板11。

其中，含碳元素之載板一般可為碳化矽載板、石墨載板， 或類鑽石載板，又，含碳元素之熱發散元件一般可為碳化矽熱發散元件、石墨熱發散元件，或類鑽石熱發散元件，另，均溫塊材或均溫條一般可為鋁、銅等熱傳導性較佳之金屬或合金，而含碳元素之載板、含碳元素之熱發散元件，或均溫材料間之界面結合為一體之燒結工法、膠合工法，或兩者併用，其膠合工法一般依必要可併用無機膠。更進一步，可將含碳元素之熱發散元件的形狀製成為球體、半球體、圓餅體，或錐柱體，以增加熱輻射表面積，且可依熱分佈狀態調整輻射方向，同時，熱發散元件亦可為單層或多層堆疊增加調整的裕度。再者，本複合散熱體可在不高於1000℃以下的環境完成製造，或800℃以下亦可完成製造，有關成形方法亦無特別限制，可使用熱壓成型、擠壓成型、鑄造成型等。

請參閱第二圖係為複合散熱體之製造方法之流程圖。其步驟如后：步驟S11：提供含碳元素材料於第一常壓低溫環境中，利用載板模具成型含碳元素之載板；步驟S12：提供含碳元素材料於前述之第一常壓低溫環境中，利用熱發散元件模具成型含碳元素之熱發散元件；步驟S13：排列含碳元素之熱發散元件結合於載板之第一表面；步驟S14：提供均溫塊材，與載板之第二表面結合為一體。

更可於步驟S14前增設步驟S141：結合均溫條與均溫塊 材，使均溫條可貫穿含碳元素之熱發散元件及含碳元素之載板。

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。本發明同時具有上述眾多效能與實用價值，並可有效提升整體的經濟效益，因此本發明確實為一創意極佳的發明，且在相同技術領域中未見相同或近似之產品公開使用，應已符合發明專利之要件，乃依法提出申請，並請賜予本發明專利。

1‧‧‧複合散熱體

111‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二表面

11‧‧‧含碳元素之載板

12‧‧‧含碳元素之熱發散元件

13‧‧‧均溫塊材

14‧‧‧均溫條

S11~S14‧‧‧流程步驟

第一圖係為複合散熱體之剖面圖；以及第二圖係為複合散熱體之製造方法之流程圖。

1‧‧‧複合散熱體

111‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二表面

11‧‧‧含碳元素之載板

12‧‧‧含碳元素之熱發散元件

13‧‧‧均溫塊材

14‧‧‧均溫條

Claims (9)

1. 一種複合散熱體，其包含：一含碳元素之載板，係具有一第一表面及一第二表面；複數個含碳元素之熱發散元件，係排列於該載板之該第一表面；一均溫塊材，係與該載板之該第二表面結合為一體；以及至少一均溫條，係貫穿該含碳元素之熱發散元件及該含碳元素之載板，且與該均溫塊材作結合。
2. 如申請專利範圍第1項所述之複合散熱體，其中該含碳元素之載板係為碳化矽載板、石墨載板，或類鑽石載板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之複合散熱體，其中該含碳元素之熱發散元件係為碳化矽熱發散元件、石墨熱發散元件，或類鑽石熱發散元件。
4. 一種複合散熱體之製造方法，其包含：提供一含碳元素材料於一第一常壓低溫環境中，利用一載板模具成型一含碳元素之載板；提供一含碳元素材料於前述之該第一常壓低溫環境中，利用一熱發散元件模具成型一含碳元素之熱發散元件；排列該含碳元素之熱發散元件係結合於該載板之一第一表面；提供一均溫塊材，係與該載板之一第二表面結合為一體。
5. 如申請專利範圍第4項所述之複合散熱體之製造方法，其中 更包含結合至少一均溫條於該均溫塊材上，係貫穿該含碳元素之熱發散元件及該含碳元素之載板。
6. 如申請專利範圍第4項所述之複合散熱體之製造方法，其中該含碳元素之載板係為碳化矽載板、石墨載板，或類鑽石載板。
7. 如申請專利範圍第4項所述之複合散熱體之製造方法，其中該含碳元素之熱發散元件係為碳化矽熱發散元件、石墨熱發散元件，或類鑽石熱發散元件。
8. 如申請專利範圍第4項所述之複合散熱體之製造方法，其中該第一常壓低溫環境係1atm下不高於攝氏1000度。
9. 如申請專利範圍第4項所述之複合散熱體之製造方法，其中更包含提供使該含碳元素之載板、該含碳元素之熱發散元件，或該均溫塊材間之界面結合為一體之燒結工法、膠合工法，或兩者併用。