TWI729564B - 具插接埠的發熱件用複合散熱裝置及具該裝置的散熱器 - Google Patents

Abstract

一種具有具插接埠的發熱件用複合散熱裝置的散熱器，供熱連結於一發熱件，該散熱器包含：一標準散熱裝置，包括一個導熱連結上述發熱件的吸熱面，以及一個遠離前述吸熱面的散熱鰭片部，該標準散熱裝置具有一個預定操作溫度；以及一複合散熱裝置，供插接至上述標準散熱裝置的上述鰭片部，該複合散熱裝置包含：一多通孔的撓性金屬散熱本體，包括至少一個供插接至上述鰭片部的插接埠；以及至少一導熱墊，至少部分填充封閉上述插接埠的通孔，以及上述導熱墊具有一個不高於上述預定操作溫度的受熱軟化溫度。

Description

具插接埠的發熱件用複合散熱裝置及具該裝置的散熱器

一種發熱件用複合散熱裝置及具該裝置的散熱器，尤其是具發熱件用複合散熱裝置及具該裝置的散熱器。

隨著工業技術的進展，許多傳統的電器產品的發熱問題也急遽增大，例如傳統省電燈泡僅略有發熱，完全可以自行被動散熱，並不需要使用主動散熱裝置例如風扇或液冷裝置來散熱；當應用的範圍進步到傳統的積體電路元件，例如電腦的中央處理單元，消耗功率就已超過100W，散熱裝置不僅是標準配備而且引發散熱裝置產業的技術競爭，相關廠商甚至定期舉辦散熱裝置競賽吸引專業以及業餘人士投入散熱技術的開發。

然而，更新的技術進展也讓產品的發熱問題更為嚴重，單純以照明技術而言，近年來LED燈泡類的商品已全面取代省電燈泡成為主要的照明設備，每顆晶粒的驅動電流也由0.25A提高到2.0A左右，亮度提高的同時也伴隨發熱量大增的問題，尤其像是路燈一類的燈具，裝設在戶外，不僅應用的條件相當嚴酷，夏天日曬而冬天嚴寒，如果要採用主動式散熱，更擔心一旦散熱裝置故障時，會牽累燈具導致過熱損壞。類似的高溫問題，也會出現在電動車輛的電池和馬達，一旦散熱失靈，甚至會造成人身安全的危害。

此外，由於半導體技術的持續發展，積體電路的線寬不斷縮窄，集積度不斷提高，使得積體電路元件的單位面積發熱問題日趨嚴重，電腦中央處理單元的消耗功率大幅上升，如圖8所示，是以採用傳統散熱器7的電腦中央處理單元72為例，此種散熱器7是以高導熱係數又低成本的金屬材料製成，例如擠型鋁，散熱器7與中央處理單元72接觸的表面通常會進行拋光，以期能提供良好導熱接觸，即使如此，仍然會產生肉眼無法分辨的空氣隙，無謂地提高熱阻；為避免空氣縫隙所造成的熱阻，一般在散熱器與電腦中央處理單元之間，會塗佈一層具有黏滯性的散熱膏74，經由施加壓力迫緊，以填補兩者之間的細微縫隙、改善兩者的導熱接觸。

來自中央處理單元72的熱能，經由散熱膏傳導進入散熱器後，會循散熱器的結構傳導至遠離中央處理單元72處，為增加散熱器末端與空氣的接觸面積，會在散熱器遠離拋光表面側設置複數個鰭片部76，藉以擴大熱交換的表面積；為解決上述單位面積發熱增高的問題，現行電子裝置還常會在對應鰭片部76處加裝風扇78，由強制對流的主動散熱進一步提升散熱速率。

另方面，在半導體製程中，無論是光源或加工機具，都有散熱問題需要解決，但半導體加工時必須限制在無塵環境，主動式的散熱則是儘量避免，才不會因為氣流或漏水等副作用帶來不必要的問題。因此，關於如何將高效率的被動式散熱裝置結合在LED燈具或其他發熱件上，就成為散熱設計的重點。

然而，一方面泡沫銅主要是採用熔體發泡法或是粉體燒結 法，製作成本持續居高不下，使該產品價格昂貴；另方面氣泡部分不一定都導通至外部，即使導通，因為通道多所彎折，通風效果也可能不如預期；最嚴重的，空氣存在於間隙中，就會形成莫大的熱阻，導致熱接觸性不佳，以上種種不利因素導致該發泡銅散熱器的散熱效率和市場接受度都不高。

因此，如何因應不斷推陳出新的工業應用以及各種產業的此消彼漲，利用材料的導熱特性開發出合適的散熱裝置，而且同步提供組裝和使用的便利性，並且確保良好的導熱接觸，讓發熱源所發的熱能可以用被動式的結構有效導出，一直是此技術領域裡不斷需要被克服的問題。

本發明的主要目的，在提供一種具插接埠的發熱件用複合散熱裝置，供簡便插接至一發熱件，提升使用便利性。

本發明的另一目的，在提供一種結構簡單的具插接埠的發熱件用複合散熱裝置，大幅降低製造成本。

本發明的再一目的，在提供一種具插接埠的發熱件用複合散熱裝置，可確保與發熱件之間的良好導熱連接，使得上述發熱件發出的熱能快速地逸散，藉此保護該發熱件不因溫度過高而故障。

本發明的又一目的在提供一種具有具插接埠的發熱件用複合散熱裝置的散熱器，藉由複合散熱裝置的輔助，讓散熱器的被動散熱性能大幅提升。

本發明的又另一目的，在提供一種具有具插接埠的發熱件用複合散熱裝置的散熱器，結構簡單且製造成本經濟，具有良好市場競爭力。

為達上述目的，本發明揭露的一種具有具插接埠的發熱件用複合散熱裝置的散熱器，供熱連結於一發熱件以將該發熱件發出的熱能吸收，該散熱器包含：一標準散熱裝置，具有一個預定操作溫度，且具有一吸熱面供吸收上述發熱件發出的熱能；一複合散熱裝置，供插接至上述標準散熱裝置而將上述標準散熱裝置的熱能逸散，該複合散熱裝置包含：一多通孔的撓性金屬散熱本體，包括至少一個供插接至上述標準散熱裝置的插接埠；以及至少一導熱墊，至少部分填充封閉上述插接埠的通孔，以及上述導熱墊具有一個不高於上述預定操作溫度的受熱軟化溫度；以及一散熱結合裝置，設置在上述標準散熱裝置的上述吸熱面，供將上述散熱器與上述發熱件熱連結。

上述散熱器中的具插接埠的發熱件用複合散熱裝置，亦可單獨使用，供插接至一發熱件，前述發熱件具有一個預定操作溫度，該複合散熱裝置包含：一多通孔的撓性金屬散熱本體，包括至少一個供插接至上述發熱件的插接埠；以及至少一導熱墊，至少部分填充封閉上述插接埠的通孔，以及前述導熱墊具有一個不高於上述預定操作溫度的受熱軟化溫度。

由於本發明的導熱墊具有一個不高於上述預定操作溫度的受熱軟化溫度，使得當標準散熱裝置達到上述預定操作溫度時，上述導熱墊即熔化並受重力作用而流出並至少部分填充封閉上述插接埠的通孔，藉此確保上述多通孔的撓性金屬散熱本體與上述標準散熱裝置的熱接觸良好，並藉由設置在上述標準散熱裝置的吸熱面的散熱結合裝置，將上述散熱器與上述發熱件熱連結，達到改善散熱器的熱接觸與通風以提高散熱效率的 功效；而此種複合結構簡單、易於製造，並且安裝過程簡易可靠，沒有緊配合的插拔困難，尤其具有低成本的競爭優勢而有益於市場推廣。

1、7:散熱器

2、2”:標準散熱裝置

22:基部

221:吸熱面

23、76:鰭片部

3、3’、3”:複合散熱裝置

32、32’、32”:多通孔撓性金屬散熱本體

321:通孔

323、323’、323”:插接埠

324、324’:外表面

325”:剛性導熱件

34、34’、34”:導熱墊

4:散熱結合裝置

5、5’、5”:發熱件

72:中央處理單元

74:散熱膏

78:風扇

D:高度

圖1為本發明第一較佳實施例的示意圖，用於說明本發明具插接埠的發熱件用複合散熱裝置及具該裝置的散熱器的結構。

圖2為本發明第一較佳實施例中的複合散熱裝置的正視圖，用於說明複合散熱裝置的結構。

圖3為本發明第一較佳實施例複合散熱裝置的側視圖，用於說明本發明具插接埠的發熱件用複合散熱裝置及具該裝置的散熱器的結構。

圖4為本發明第一較佳實施例複合散熱裝置的俯視圖，用於說明本發明複合散熱裝置在散熱器中的分布位置。

圖5為本發明第二較佳實施例的示意圖，用於說明本複合散熱裝置的結構。

圖6為本發明第二較佳實施例的剖面示意圖，用於說明本發明具插接埠的發熱件用複合散熱裝置的結構。

圖7為本發明第三較佳實施例的示意圖，用於說明本發明具插接埠的發熱件用複合散熱裝置的結構。

圖8為本發明之一習知技術的散熱器的結構示意圖。

關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚呈現；此外，在各實施例中，相同之元件將以相似之標號表示。

本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書之揭示內容，以供熟悉此技藝之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本創作可實施之限定條件，任何結構之修飾、大小之調整或比例關係之改變，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。

請同時參照圖1至圖4，在本實施例中，散熱器1包含一個標準散熱裝置2、多個複合散熱裝置3和一個散熱結合裝置4，用來導熱結合至一發熱件5；其中，發熱件5例如是個人電腦的中央處理器，在本例中，標準散熱裝置2是常見擠型鋁製的山字形鰭片熱排，而散熱結合裝置4則例釋為液金散熱膏；複合散熱裝置3具有一多通孔撓性金屬散熱本體32例如是反折成形的銅絲網，以及被包圍在上述多通孔撓性金屬散熱本體32中的導熱墊34，在本例中是例釋為矽膠導熱墊。銅絲網因為是銅絲編織而成，具有密佈的通孔321，可供周邊空氣快速流通，而且銅絲的導熱係數相當高，只要熱能被導入，就可以迅速被傳導分佈開。

在本例中為便於說明起見，標準散熱裝置2下方被定義為一基部22，基部22與中央處理器緊鄰側則稱為吸熱面221，藉由上述散熱結合裝置4填補兩者之間的縫隙而與發熱件5導熱接觸，其中，基部22相反於吸熱面221的部分形成有一個鰭片部23，鰭片部23在本例中是形成有多片具有相等高度D的鰭片。銅絲網被反覆彎折成為比鰭片高度D更長的多層結構，其中與高度D等長的部分構成一個供插接至上述標準散熱裝置2的插接埠323，由於銅絲網具有可撓性與彈性，可產生部分彈性回復力而部分頂抵上述兩個相鄰鰭片，甚至在插入的過程中，操作人員可以稍微推擠， 讓疊層的銅絲網更多擠入鰭片間隔一點而形成皺褶提供更大摩擦力使得兩者之間更加緊密配合不易鬆脫，並造成與基部22和鰭片部23的部分導熱接觸；複合散熱裝置3設置在上述標準散熱裝置2的鰭片部23中的分布方式例如是棋盤格方式，在相鄰兩個複合散熱裝置3之間留下空檔而產生高低溫差，以引發額外的自然對流散熱效果，當然本發明的領域裡具有通常知識的技藝人士都可理解在其他實施例中上述複合散熱裝置3是插滿所有鰭片部的空間。

銅絲網在插接埠323的範圍，夾置有例如多片導熱墊34。由於一般電腦的中央處理器多是在攝氏30度到70度左右操作，一般不會輕易到達攝氏80度以上，因此標準散熱裝置2的吸熱面一般會界定在例如攝氏70度以下，而在本例中，採用一個低於攝氏70度的溫度作為臨界，定義例如攝氏65度作為標準散熱裝置2的預定操作溫度，因此採用從例如攝氏55度就會開始受熱軟化的矽膠導熱墊作為本例中的導熱墊34。

在開始裝設時，銅絲網夾置有導熱墊的部分被插接進入鰭片之間作為插接埠，此時的接觸僅只是略微接觸，只有少部分是真正導熱接觸，使得插接不需強力，操作過程非常容易；而由於導熱墊34的受熱軟化溫度不高於上述的操作溫度，因此當標準散熱裝置2達到或超過其預定的操作溫度時，導熱墊34逐步受熱軟化，並經由上述通孔321滲出上述插接埠323的外表面324，逐漸填補插接埠323外表面324和上述標準散熱裝置2的鰭片間隙，在反覆的使用電腦後，導熱墊34將會逐漸填滿插接埠323和標準散熱裝置2的間隙，使得插接埠323經由導熱墊34的軟化與再流動， 保持與基部和鰭片的良好導熱接觸，在本例中，軟化後的導熱墊34至少達到鰭片高度D的一半以上。

本實施例中，發熱件5運作時發出的熱能經由標準散熱裝置2，一部份跟先前技術一樣是由標準散熱裝置2的鰭片發散；但由於導熱墊34可以有效填補插接埠和標準散熱裝置2的間隙，使得吸收的熱能更可以有效傳遞至銅絲網，銅絲網的通孔321又是互相連通並連通到標準散熱裝置2外部的空間，因此可以大面積地接觸到周邊空氣，近處空氣被攝氏60餘度高溫的銅絲網所加熱，體積膨脹而密度降低，從而形成上升氣流逸散，並吸引側方的空氣流入而再度與暴露在導熱墊34上方的銅絲網導熱接觸。即使沒有設置主動的鼓風裝置，但因為周邊空氣可以順利補充受熱上升的氣流，使得本發明的複合散熱裝置本身就可以造成空氣對流散熱的效果。

由於本發明的多通孔撓性金屬散熱本體32是由銅絲網折疊而成，所夾置的導熱墊也是成熟產品，整體造價相當經濟。更進一步，傳統上僅是介於發熱源和散熱器之間的導熱墊，在本案中轉換成為從多通孔的撓性金屬散熱本體中向外溢出，從而填補多通孔的撓性金屬散熱本體與發熱源間空隙的工具，不僅提供良好導熱接觸，甚至因而可以作為固定多通孔的撓性金屬散熱本體的固定裝置，讓多通孔的撓性金屬散熱本體與鰭片間摩擦力大增而不易被拔出，藉此穩固插接埠。

當然，如熟悉本技術領域人士所能輕易理解，本發明的複合散熱裝置不一定要配合標準散熱裝置，亦可單獨運用。第二較佳實施例如圖5所示，其中與上述實施例相同之處不再贅述，僅就差異的部分進行說 明。在本例中，熱源5’例如是一電動車用馬達，由於馬達本身運轉就會發高熱造成例如攝氏百度的溫升，為避免對控制電路的絕緣等功效造成破壞，操作溫度必須被有效控制。因此在本例中，是直接將具插接埠的發熱件用複合散熱裝置作為完整散熱器運用。本例中的馬達，外殼上直接一體成形有多個相鄰凹槽形成類似前一實施例的鰭片結構，在本例中複合散熱裝置3’的多通孔撓性金屬散熱本體32’，更是採用例如鑽床對鋼板進行鑽孔作業產生的廢棄鋼絲，彼此揉合成團，因此其中的通孔甚多。在本例中的導熱墊34’，則是事先加熱融化的導熱矽脂，然後將前述鋼絲團前端浸泡其中，讓導熱矽脂黏著在鋼絲團前端冷卻，就此形成插接埠323’。

請繼續參照圖6，圖6是圖5的A-A’剖面示意圖，在本實施例中，安裝人員將複合散熱裝置3’的插接埠插入上述凹槽後稍微塞緊，並且開動馬達造成溫升，超過其預訂的操作溫度例如攝氏70度時，插接埠處的導熱矽脂不僅填滿鋼絲團中的通孔，構成導熱矽脂對鋼絲團的良好導熱接觸，並且也滲出上述插接埠323’的外表面324’而填滿凹槽，構成導熱矽脂和馬達外殼之間的良好導熱接觸。由於多通孔撓性金屬散熱本體32’是採用廢料回收，成本更為降低，而安裝操作中不需要強力推擠，且使用時的結合穩固可靠，不需要主動式散熱，也不擔心主動散熱裝置損壞時的散熱不良、甚至電路絕緣損壞、車輛因而起火的風險。

當然，如熟悉本技術領域人士所能輕易理解，即使上述複合散熱裝置不是位於空氣中，而是被浸泡於例如水流或其他散熱用的流體之中，由於多通孔的撓性金屬散熱本體本身形成有眾多通孔，都能讓散熱流 體達成良好的導熱接觸，並且因為流體受熱溫度改變而降低密度，從而達成自發性地熱對流。此外，即使本案所揭露的複合散熱裝置可以獨立完成散熱功效而不需要結合主動式鼓風裝置，但並非侷限不可以跟主動式散熱裝置結合，熟悉本技術領域人士可以自行添加主動式鼓風裝置而使本發明的散熱效果更佳。尤其因為本發明所揭露的複合散熱裝置結構簡單而造價低廉，在例如電動車馬達或車燈等例行需保養的領域中應用時，隨時可以因灰塵堵塞通孔而作為耗材替換，從而具有絕佳的市場性。

請參照圖7，本發明第三較佳實施例與前述實施例相同之處不再贅述，由於LED晶粒的技術不斷進步，高亮度LED晶粒的驅動電流已經可以從以往的0.25安培大幅提昇到2安培以上，因此發熱量也隨之暴增，若無法迅速冷卻，操作環境溫度會逐步升高而影響發光強度及使用壽命。在本例中，發熱件5”是將LED晶粒打件至鋁質金屬基板上作為路燈的光源，而鋁質金屬基板背對LED晶粒側則結合有標準散熱裝置2”，鋁質金屬基板的表面氧化而生成絕緣的氧化鋁層，供佈局電路及上述LED晶粒設置。為便於說明起見，在此將發熱件加上標準散熱裝置稱為熱源，複合散熱裝置3”的多通孔撓性金屬散熱本體32”例如是細銅絲組成的銅絲棉團，且而導熱墊34”則是被包覆在多通孔撓性金屬散熱本體32”內部，且上述多通孔撓性金屬散熱本體32”中的插接埠323”至少部分包埋了一剛性導熱件325”，前述剛性導熱件325”例如是一銅質中空熱導管其具有高於上述導熱墊34”的導熱係數；在本實施例中，複合散熱裝置3”是藉由插接埠323”的撓性而插塞在標準散熱裝置2”中，由於路燈所在的操作環境相當惡劣，藉 由本發明的被動式散熱，可以將熱源保持在預定操作溫度範圍內，避免因為主動散熱損壞而使LED劣化，確保路燈的使用壽命。

以上所述實施例中，每一種複合散熱裝置和發熱件或散熱鰭片的頂抵方式、熱接觸方式皆可相互變換，均無礙於本案實施。由本發明所揭露的複合散熱裝置結構簡單，造價相當經濟；安裝過程簡便，且安裝後的結合穩固可靠；尤其導熱結合的效果良好，可以有效確保散熱能力；加以大幅擴大多通孔的撓性金屬散熱本體和周邊空氣接觸面積，並且造成周邊空氣對流，明顯提升散熱效果，達成所有上述目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1:散熱器

2:標準散熱裝置

22:基部

23:鰭片部

221:吸熱面

D:高度

3:複合散熱裝置

323:插接埠

324:外表面

34:導熱墊

4:散熱結合裝置

5:發熱件

Claims (10)

1. 一種具有具插接埠的發熱件用複合散熱裝置的散熱器，供熱連結於一發熱件，該散熱器包含：一標準散熱裝置，包括一個導熱連結上述發熱件的吸熱面，以及一個遠離前述吸熱面的散熱鰭片部，該標準散熱裝置具有一個預定操作溫度；以及一複合散熱裝置，供插接至上述標準散熱裝置的上述鰭片部，該複合散熱裝置包含：一多通孔的撓性金屬散熱本體，包括至少一個供插接至上述鰭片部的插接埠；以及至少一導熱墊，至少部分填充封閉上述插接埠的通孔，以及上述導熱墊具有一個不高於上述預定操作溫度的受熱軟化溫度。
2. 如請求項1所述的散熱器，其中上述標準散熱裝置更包括一個具有上述吸熱面、且和上述鰭片部一體成形的金屬材質的基部。
3. 如請求項1所述的散熱器，其中上述插接埠具有一個外表面，以及上述導熱墊至少部分位於上述外表面內側，使得當上述標準散熱裝置到達上述操作溫度時，上述導熱墊至少部分受熱軟化經由上述通孔滲出上述外表面，藉此填補上述外表面和上述鰭片部的間隙。
4. 如請求項1、2或3所述的散熱器，其中上述多通孔的撓性金屬散熱本體是折疊的多層金屬絲網。
5. 如請求項4所述的散熱器，其中上述導熱墊是被上述多層金屬絲網夾置在 上述插接埠處。
6. 一種具插接埠的發熱件用複合散熱裝置，供插接至上述發熱件，上述發熱件具有一個預定操作溫度，該複合散熱裝置包含：一多通孔的撓性金屬散熱本體，包括至少一個供插接至上述發熱件的插接埠；以及至少一導熱墊，至少部分填充封閉上述插接埠的通孔，以及前述導熱墊具有一個不高於上述預定操作溫度的受熱軟化溫度。
7. 如請求項6所述的發熱件用複合散熱裝置，更包括至少部分包埋於上述插接埠的剛性導熱件，前述剛性導熱件具有高於上述導熱墊的導熱係數。
8. 如請求項6所述的發熱件用複合散熱裝置，其中上述插接埠具有一個外表面，以及上述導熱墊至少部分位於上述外表面內側，使得當上述熱源到達上述操作溫度時，上述導熱墊至少部分受熱軟化經由上述通孔滲出上述外表面，藉此填補上述外表面和上述發熱件的間隙。
9. 如請求項6、7或8所述的發熱件用複合散熱裝置，其中上述多通孔的撓性金屬散熱本體是金屬絲團。
10. 如請求項9所述的發熱件用複合散熱裝置，其中上述導熱墊是被包覆在上述金屬絲團內部。

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