均熱結構與其製法及具有該均熱結構的散熱模塊的製作方法

2023-06-30 04:58:41 1

專利名稱：均熱結構與其製法及具有該均熱結構的散熱模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種均熱結構及其製法以及具有該均熱結構的散熱模塊，尤涉及一種可用於提高均熱效果的均熱結構及其製法以及具有該均熱結構的散熱模塊。
背景技術：
一般的發光二極體組件具有耗電量低、反應速度快、體積小等優點，近年來逐漸取代傳統的白熾燈或螢光燈而成為照明主流。然而，發光二極體於發光過程中約有將近一半的輸入功率會轉變成熱能，雖然只有數瓦等級，但因為體積小，其發熱密度相當高，導致在晶片粘接處存在溫度極高的熱點(Hot spot)，此會造成發光二極體的效能降低或使用壽命縮短。為了避免發光二極體晶片過熱，現有技術通過將發光二極體晶片設置於散熱基板上，例如銅箔印刷電路板、金屬基印刷電路板或陶瓷基板。然而，銅箔印刷電路板的熱傳係數約為0.36W/mk，其熱傳性能不佳而易導致發光二極體晶片溫度過高。金屬基印刷電路板的使用示意可參閱圖1，於散熱模塊I中，發光二極體晶片11以粘著劑12固定在基板13，並將基板13設置在具有介電層14和金屬層15的散熱基板上，再利用熱接口材料(thermalinterface material, TIM) 16將該散熱基板與散熱結構17予以黏接。於圖1中，發光二極體晶片11的熱能(如箭頭所示)需依序經基板13、介電層14和金屬層15才傳播至散熱結構17，期間需通過至少三層的擴散熱阻(spreadingresistance)。此外，介電層14難以將發光二極體晶片11的粘接處所產生的點狀熱源均勻分布至金屬層15的水平面。此外，介電層通常是由導熱性不佳的環氧樹脂所製成，故介電層往往成為散熱模塊的散熱瓶頸,使得整體的熱傳係數約只有I 12W/mk。另外，也有相關技術使用陶瓷基板作為散熱基板，雖具有較佳的介電性質及較低的熱膨脹係數，也有不錯的熱傳導性能(熱傳導係數約為170W/mk)，但陶瓷基板仍無法解決目前高功率發光二極體所面臨的熱點問題。或者，即便是採用例如石墨類鑽碳膜(Diamond like carbon)等高導熱材料，雖然其在水平方向的熱傳導率可高達200 600W/mK之間，但在垂直方向熱傳率則低於10W/mK，也不足以解決目前高功率晶片所面臨的熱點(Hot spot)問題。其次，美國第US6274924、US6943433、US7361940 及 US7208772 號專利案以及第US2006/0086945及US2005/0269587號專利申請案，主要技術大多為在封裝結構中含散熱塊的設計，但其熱傳性能均受限於散熱塊的金屬材料本身的熱傳導性能。此外，美國第US6717246,6789610號專利案及第US2006/0243425號專利申請案使用平板式熱管，其可利用熱管內部工作流體的相變化傳熱，藉由工作流體的兩相變化及流動傳熱，其熱擴散能力也較相同尺寸的金屬板好，溫度分布也較為均勻。然而，目前平板型熱管所使用的材料通常為銅，與晶片工藝的整合有其困難度。

發明內容
鑑於上述現有技術的種種缺失，本發明提供一種均熱結構及其製法及具有該均熱結構的散熱模塊，可達到其良好的均熱效果，使設置於散熱模塊中的晶片能增加其使用效倉泛。本發明的均熱結構包含第一蓋體及第二蓋體，該第一蓋體具有第一凹槽及該第二蓋體具有第二凹槽，且該第一凹槽及該第二凹槽的底面分別形成有多個微結構；支撐體，其具有多個透孔，以由該第一蓋體及該第二蓋體夾置其中，其中，該第一凹槽與該第二凹槽面對該支撐體，以於在該第一蓋體、該支撐體及該第二蓋體之間形成腔室；以及工作流體，其容置於該腔室內，以藉由該多個微結構及該多個透孔而在該腔室中自如流動。於上述的腔室中，該第一凹槽的側壁、該第二凹槽的側壁、或該第一凹槽及該第二凹槽的側壁也可形成有多個微結構。於一實施例中，第一蓋體及第二蓋體的材料可為矽。支撐體的材料可為玻璃。工作流體可為水。本發明的均熱結構可以熱接口材料結合於散熱結構上，成為一種用於晶片散熱的散熱模塊。該散熱模塊包括:散熱結構；熱接口材料，塗布於該散熱結構上；本發明所述的均熱結構，間隔著該熱接口材料而設置於該散熱結構上，其中，該均熱結構的遠離該熱接口材料的表面具有絕緣層；金屬層，其形成於該均熱結構的絕緣層上；以及晶片，其設置於該金屬層上。本發明的均熱結構的製法，包含下列步驟:1)於一第一蓋體的第一凹槽及一第二蓋體的第二凹槽的底面分別形成多個微結構，並在該第一蓋體或該第二蓋體上開設導引孔，且在該支撐體中形成多個透孔；2)令該第一蓋體及該第二蓋體以該第一凹槽及該第二凹槽面對該支撐體的方式將該支撐體夾置於該第一蓋體與該第二蓋體之間，使該第一蓋體、支撐體及第二蓋體之間形成腔室；以及3)通過該導引孔導入工作流體於該腔室內，再封閉該導引孔，使該工作流體藉由該多個微結構及該多個透孔在該腔室中流動。相較於現有技術，本發明的均熱結構及其製法通過工作流體於多個微結構和透孔產生的毛細現象，因而在均熱結構的腔室內流動的工作流體可將熱能均勻分散，如此解決熱點問題。此外，採用本發明的具有均熱結構的散熱模塊能避免傳統散熱模塊的多重熱阻，提高散熱模塊的散熱效率，進而穩定發光二極體晶片的效能。以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。


圖1為傳統散熱模塊的示意圖；圖2為本發明的均熱結構的示意圖；圖3為本發明的均熱結構的製法的流程圖；圖4為本發明的應用均熱結構的散熱模塊的示意圖；以及圖5A及圖5B分別為傳統散熱模塊及本發明的散熱模塊的溫度測試結果。其中，附圖標記1、3 散熱模塊11發光二極體晶片12粘著劑 13基板
14介電層15金屬層16熱接口材料17散熱結構20均熱結構21第一蓋體210第一凹槽211、231 底面211a、212、231a、232 微結構22支撐體220透孔23第二蓋體230第二凹槽24腔室241側壁25工作流體30均熱結構300腔室301側壁301a微結構302一面31晶片32金屬層33絕緣層34 熱接口材料35散熱結構S31 S33 步驟
具體實施例方式以下藉由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效，也可藉由其它不同的具體實施例加以施行或應用。須知，本說明書所附的附圖所繪示的結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示的內容，以供本領域技術人員的了解與閱讀，並非用以限定本發明可實施的限定條件，故不具技術上的實質意義，任何結構的修飾、比例關係的改變或大小的調整，在不影響本發明所能產生的功效及所能達成的目的下，均應仍落在本發明所揭示的技術內容得能涵蓋的範圍內。同時，本說明書中所引用的如「上」、「下」、「第一」及「第二」等用語，也僅為便於敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的範圍，其相對關係的改變或調整，在無實質變更技術內容下，也當視為本發明可實施的範疇。
以下即配合所附的附圖詳細說明本發明所揭露的均熱結構及其製法以及具有均熱結構的散熱模塊。請參閱圖2，其為本發明的均熱結構的剖視圖。均熱結構20包含第一蓋體21、支撐體22、第二蓋體23及工作流體25。第一蓋體21具有第一凹槽210，其中，於第一凹槽210的底面211上形成有多個微結構211a。第二蓋體23具有第二凹槽230，其中，於第二凹槽230的底面231上形成有多個微結構231a。微結構211a和231a可利用例如蝕刻或其它技術而分別形成在第一凹槽210的底面211和第二凹槽230的底面231上。如圖2所示，微結構211a和231a可為凸出於底面211和231的凸部。需說明者，第一蓋體21和第二蓋體23原則上為相同的構件，且多個微結構211a、231a的延伸方向大體上彼此平行，然而，不限制需對齊同一條法線。此外，第一蓋體21和第二蓋體23的材料為矽，使用微影工藝矽材料製成。支撐體22具有多個透孔220，而透孔220可例如使用雷射或其它技術形成支撐體22中，其中，多個透孔220的延伸方向大體上彼此平行。支撐體22夾置於第一蓋體21及第二蓋體23之間，且第一蓋體21的第一凹槽210及第二蓋體23的第二凹槽230隔著支撐體22而相互面對，其中，可使用高溫高壓陽極工藝將第一蓋體21、第二蓋體23和支撐體22結合成一體。此外，如圖2所示，第一蓋體21及第二蓋體23將支撐體22夾置於第一蓋體21與第二蓋體23之間，且於第一蓋體21、支撐體22及第二蓋體23之間形成有腔室24，而腔室24內為近似真空狀態，約10-3Torr。另外，支撐體22的材料為玻璃或含4%的Na20的玻璃。工作流體25容置於腔室24內，工作流體25可藉由多個微結構211a和231a及多個透孔220而在腔室24中流動。工作流體25可例如為水。詳言之，可於第一蓋體21或第二蓋體23上開設一導入孔(未圖式)，以將工作流體25導入腔室24內，並於導入工作流體25於腔室24內之後，再封閉該導入孔。需說明者，腔室24中的多個微結構211a和231a、透孔220的延伸方向大體上平行，微結構211a和231a、透孔220用以讓工作流體於腔室24內產生毛細現象，使得工作流體25得以藉由微結構211a和231a、透孔220的毛細作用在腔室24中流動，應注意本發明並未限制微結構211a和23la、透孔220的尺寸或導入腔室24的工作流體25的流體量。如圖2所示，工作流體25的流體量並沒有完全覆蓋住多個微結構231a。另外，工作流體25可在腔室24中流動，故，當翻轉均熱結構20時，因重力關係工作流體25便呈覆蓋住多個微結構211a的狀態。於一具體實施例中，若晶片所產生的點狀熱源在圖2的第二蓋體23下方，則熱源可通過以下過程而均勻化分散:工作流體25在多個微結構231a處產生毛細作用而將點狀熱源分散呈平面式，接著多個透孔220將工作流體25因毛細作用而吸至多個微結構211a之處，再經多個微結構211a而分散於第一凹槽210中，最後工作流體25再下降至第二凹槽230，如此完成循環。於工作流體25在腔室24內循環期間，工作流體25受熱可從液態相變化為氣態，待流至未受熱的一方則再從氣態相變化為液態，藉此達到散熱效果。其次，於腔室24的側壁241 (包括第一凹槽210的側壁、第二凹槽230的側壁、或第一凹槽210及第二凹槽230的側壁)也可形成多個微結構212、232，藉此增加腔室24內的毛細作用，增進工作流體25在腔室24中的流動能力。
由圖2可知，本發明的均熱結構通過腔室內的微結構和透孔，使得腔室內的工作流體通過該些微結構和透孔產生毛細現象，以將均熱結構上的熱能均勻分散，藉此避免設置晶片時所產生的熱點問題，增強晶片效能。另外，由矽和玻璃所工藝的均熱結構也便於晶片的設置。請參閱圖3，其為本發明均熱結構的製法的流程圖。首先提供支撐體、第一蓋體及第二蓋體。該第一蓋體或該第二蓋體的材料可例如矽，該支撐體的材料可為玻璃或含4%的Na20的玻璃。於步驟S31中，分別在該第一蓋體形成第一凹槽及在該第二蓋體形成第二凹槽，以在該第一凹槽及第二凹槽的底面上分別形成多個微結構，並在該第一蓋體或該第二蓋體上開設導引孔；以及在支撐體內形成多個透孔。接著進至步驟S32。詳言之，可利用蝕刻技術在該第一蓋體及第二蓋體分別形成該第一凹槽及該第二凹槽，並分別在該第一凹槽及該第二凹槽的底面形成多個微結構。此外，可在該第一蓋體或該第二蓋體的任意處開設一導引孔，以供導入工作流體。此外，可利用雷射技術在該支撐體內形成多個透孔。需說明者，本發明的形成第一凹槽底面的多個微結構、形成第二凹槽底面的多個微結構、及形成支撐體內的多個透孔的步驟並無先後或順序的限制。於步驟S32中，令該第一蓋體、該支撐體及該第二蓋體，以該第一凹槽及該第二凹槽面對該支撐體的方式將該支撐體夾置於該第一蓋體及該第二蓋體之間，使該第一蓋體、該支撐體及該第二蓋體之間形成腔室。接著進至步驟S33。詳言之，該第一、第二蓋體的材料通常為矽，該支撐體的材料通常為玻璃或含4%Na20的玻璃，而玻璃和矽的結合可利用高溫(如:約300 500°C )高壓(如:約500 1000V)的方式予以結合，使玻璃中的02-與矽中的Si4+生成Si02而共價在一起，結合後的矽和玻璃其強度可達20 50Mpa。該第一蓋體和該支撐體以及該第二蓋體和該支撐體可根據此方法來結合。另外，以矽為主要材料的第一蓋體和第二蓋體可方便與晶片的工藝結合。此外，於該第一蓋體、該支撐體及該第二蓋體結合後所形成的腔室中，該第一凹槽底面的多個微結構、該第二凹槽底面的多個微結構、以及該支撐體的多個透孔的延伸方向為大體上平行。於步驟S33中，通過該導引孔導入流體(例如:水)於該腔室內，再封閉該導引孔。如此可使該流體藉由該多個微結構及透孔在該腔室中流動。而在封閉該導引孔之前，使該腔室呈真空狀態，約10-3Torr。由圖3可知，通過本發明均熱結構的製法，可於均熱結構中形成封閉的腔室，而組成該腔室的第一凹槽及第二凹槽的底面具有多個微結構，腔室內介於該第一凹槽及該第二凹槽之間的支撐體內具有多個透孔，使腔室內的工作流體可在該第一凹槽、該第二凹槽及該透孔中流動，達到均熱效果。請參閱圖4，其為應用本發明的均熱結構的散熱模塊的剖視圖。圖4為將圖2所示的均熱結構20或根據圖3所示的步驟所製作的均熱結構，應用在載有晶片的散熱模塊3中。散熱模塊3包括晶片31、金屬層32、絕緣層33、均熱結構30、熱接口材料34及散熱結構35。散熱結構35可為散熱鰭片(heat sink),熱接口材料(thermal interfacematerial, TIM) 34塗布於散熱結構35上，而均熱結構30間隔著熱接口材料34而設置於散熱結構35上。熱接口材料34可填補均熱結構30和散熱結構35之間的接合間隙，以擴大均熱結構30和散熱結構35之間的散熱面積。均熱結構30具有圖2所示的均熱結構20的所有特徵，均熱結構30的腔室300的側壁301也具有多個微結構301a。此外，均熱結構30的遠離熱接口材料34的一面302上
可具有絕緣層33，為一層二氧化矽層。金屬層32形成於均熱結構30的絕緣層33上，可利用濺鍍或電鍍等技術將金屬(如:銅)形成於均熱結構30的絕緣層33上，以作為線路層。晶片31設置於金屬層32上，以發光二極體晶片為例，可通過共晶合金(eutectic alloys)而粘著於金屬層32上。因此，於圖4中，均熱結構30可將晶片31所產生的點狀熱源平均分散成平面式熱源，再通過熱接口材料34與散熱結構35的結合，如此大面積地接觸可協助熱的傳導，最後熱能則藉由散熱結構35而消散。接著，如圖5A及圖5B所示，其分別為顯示傳統散熱模塊及本發明的散熱模塊的溫度測試結果。主要是將載有發光二極體晶片的散熱模塊與現有技術中圖1所示的現有載有發光二極體晶片的散熱模塊進行比較。請參閱圖5A及圖5B，現有技術自晶片至散熱結構需至少經過基板、介電層及金屬層三個擴散熱阻，反觀本發明的散熱模塊僅需經過絕緣層及散熱結構，大幅減少擴散熱阻，可增加熱傳導效率。其次，現有技術通常使用環氧樹脂作為介電層，其傳熱性能不佳以至於無法將晶片所產生的熱點熱能均勻化，導致圖5A的散熱結構至晶片的溫差較圖5B的散熱結構至晶片的溫差大相當多，表示現有技術的熱能仍集中在晶片本身和粘晶處，其會產生熱點，造成發光二極體的使用期限縮減及其效率下降。此外，現有技術僅依靠金屬本身的熱傳性能來導熱，如圖5A所示，金屬層和散熱結構的溫差也很大，也就是無法將熱能傳至散熱結構上；反觀本發明通過均熱結構，由於均熱結構中有工作流體的相變化及對流，可將晶片所產生的點狀熱源均勻分散，因而得以將熱良好地傳導至散熱結構。綜上所述，本發明的均熱結構或通過本發明的均熱結構製法所製成的均熱結構具有良好的均熱效果。採用本發明的均熱結構的散熱模塊能降低熱阻、避免熱點問題以及方便結合晶片製成，除了可應用於發光二極體晶片以提升其效能之外，更可應用於其它點狀熱源，以提供較佳的熱傳性能。當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種均熱結構,其特徵在於,包括: 具有第一凹槽的第一蓋體及具有第二凹槽的第二蓋體，且該第一凹槽及該第二凹槽的底面分別形成有多個微結構； 支撐體，其具有多個透孔，以由該第一蓋體及該第二蓋體夾置其中，其中，該第一凹槽與該第二凹槽面對該支撐體，以於該第一蓋體、該支撐體及該第二蓋體之間形成腔室；以及 工作流體，其容置於該腔室內，以藉由該多個微結構及該多個透孔而在該腔室中自如流動。
2.根據權利要求1所述的均熱結構，其特徵在於，該第一凹槽的側壁、該第二凹槽的側壁、或該第一凹槽及該第二凹槽的側壁形成有多個微結構。
3.根據權利 要求1所述的均熱結構，其特徵在於，該腔室內為真空狀態。
4.根據權利要求1所述的均熱結構，其特徵在於，形成該第一蓋體及該第二蓋體的材料為矽。
5.根據權利要求1所述的均熱結構，其特徵在於，形成該支撐體的材料為玻璃。
6.根據權利要求1所述的均熱結構，其特徵在於，該工作流體為水。
7.根據權利要求1所述的均熱結構，其特徵在於，該第一凹槽及該第二凹槽的多個微結構為凸部。
8.根據權利要求1所述的均熱結構，其特徵在於，該第一蓋體、第二蓋體和支撐體使用高溫高壓陽極工藝而結合成一體。
9.一種均熱結構的製法，其特徵在於，包含下列步驟: 1)於一第一蓋體的第一凹槽及一第二蓋體的第二凹槽的底面分別形成多個微結構，並在該第一蓋體或該第二蓋體上開設導引孔，且在一支撐體中形成多個透孔； 2)令該第一蓋體及該第二蓋體以該第一凹槽及該第二凹槽面對該支撐體的方式將該支撐體夾置於該第一蓋體與該第二蓋體之間，使該第一蓋體、支撐體及第二蓋體之間形成腔室；以及 3)通過該導引孔導入工作流體於該腔室內，再封閉該導引孔，使該工作流體藉由該多個微結構及該多個透孔在該腔室中流動。
10.根據權利要求9所述的均熱結構的製法，其特徵在於，步驟I)還包括在該第一凹槽的側壁、該第二凹槽的側壁、或該第一凹槽及該第二凹槽的側壁形成多個微結構。
11.根據權利要求9所述的均熱結構的製法，其特徵在於，在該第一凹槽及該第二凹槽的底面上形成該多個微結構是以蝕刻技術為之。
12.根據權利要求9所述的均熱結構的製法，其特徵在於，在該支撐體中形成該多個透孔是以雷射技術為之。
13.根據權利要求9所述的均熱結構的製法，其特徵在於，步驟2)還包括以高溫高壓使該第一蓋體及該第二蓋體夾置該支撐體並予以結合。
14.根據權利要求9所述的均熱結構的製法，其特徵在於，於執行步驟3)封閉該導引孔之前，還包括使該腔室呈真空狀態的步驟。
15.根據權利要求9所述的均熱結構的製法，其特徵在於，該第一蓋體和該第二蓋體是使用微影工藝娃材料製成。
16.一種散熱模塊，其應用於晶片的散熱，其特徵在於，該散熱模塊包括:散熱結構； 熱接口材料，其塗布於該散熱結構上； 均熱結構，其間隔著該熱接口材料而設置於該散熱結構上，且該均熱結構遠離該熱接口材料的表面具有絕緣層，其中，該均熱結構包括: 具有第一凹槽的第一蓋體及具有第二凹槽的第二蓋體，且該第一凹槽及該第二凹槽的底面分別形成有多個微結構； 支撐體，其具有多個透孔，以由該第一蓋體及該第二蓋體夾置其中，其中，該第一凹槽與該第二凹槽面對該支撐體，且該第一蓋體、支撐體及第二蓋體之間形成有腔室 '及 工作流體，其容置於該腔室內，以藉由該多個微結構及該多個透孔而在該腔室中自如流動； 金屬層，其形成於該均熱結構的絕緣層上；以及 晶片，其設置於該金屬層上。
17.根據權利要求16所述的散熱模塊，其特徵在於，該晶片為發光二極體晶片。
18.根據權利要求16所述的散熱模塊，其特徵在於，該絕緣層為二氧化矽層。
全文摘要
一種均熱結構及其製法以及具有該均熱結構的散熱模塊，該均熱結構包括具有第一凹槽的第一蓋體、具有第二凹槽的第二蓋體及夾置於兩者之間的支撐體，其中，第一凹槽及第二凹槽的底面具有多個微結構，而支撐體內具有多個透孔。第一蓋體及第二蓋體以第一凹槽與第二凹槽面對支撐體的方式將支撐體夾置於第一蓋體與第二蓋體之間，使第一蓋體、支撐體及第二蓋體之間形成有腔室。腔室內容置有工作流體，其可藉由第一凹槽及第二凹槽的多個微結構及支撐體內的多個透孔所提供的毛細作用而在腔室中流動，以將均熱結構所承受的熱能均勻分散。
文檔編號H01L33/00GK103137846SQ20111042631
公開日2013年6月5日 申請日期2011年12月19日 優先權日2011年11月25日
發明者楊愷祥, 簡國祥 申請人:財團法人工業技術研究院