散熱裝置和其製作方法

2023-05-14 12:51:06

專利名稱：散熱裝置和其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種散熱裝置和其製作方法，更具體而言，涉及一具有瘤狀突出物的微粗糙面接口的散熱裝置和其製作方法。
背景技術：
參看圖1，因金屬的導熱係數高，常規的散熱裝置10主要是利用一金屬散熱片14來散熱。但因金屬不單單只是導熱也會導電，因此散熱裝置10如果具有導電的正極(第一電極11)和負極(第二電極12)，那麼必須在第一電極11、第二電極12與金屬散熱片14之間設一介電層13(dielectric layer)以防止短路，此介電層13通常可用任何含介電性質的材料，例如石英、氧化矽、電木或絕緣塑料等。
但是，所述介電層13使用上經常出現無法快速散熱以致發熱組件(如發光二極體LED)的操作溫度升高的問題，造成發熱組件壽命快速降低或是在數次冷熱衝擊後，所述第一電極11、第二電極12與介電層13間的界面，和金屬散熱片14與介電層13間的接口因過於平滑導致結合力不足而產生剝離，而大幅降低所述介電層13的導熱效果；或是因為所述介電層13與金屬電極(第一電極11和第二電極12)和金屬散熱片14之間缺乏足夠的結合力而導致散熱裝置10和其所承載的發熱組件毀損。

發明內容
本發明的主要目的是提供一種散熱裝置和其製作方法，利用二個金屬箔和散熱片與導熱高分子介電材料層間的粗糙接口，形成一具高結合強度和高散熱效率的散熱裝置，藉以快速降低其上所承載的發熱組件(例如發光二極體)的溫度，而延長發熱組件的使用壽命和提高其可靠度。
為了達到上述目的，本發明揭示一種散熱裝置，其包含一第一電極箔、一第二電極箔、一散熱片和一導熱高分子介電材料層。所述二個金屬箔與所述金屬散熱片包含至少一微粗糙面，所述微粗糙面包含複數個瘤狀突出物(nodule)，其可由電著法(electrodeposition)形成。所述導熱高分子介電材料層疊設於所述二個金屬箔與所述金屬散熱片之間且具高導熱係數(大於1.0W/mK)，其上、下表面以微粗糙面物理接觸所述二金屬箔與所述散熱片。
就其製作方法而言，首先提供一金屬箔和一散熱片，所述金屬箔和所述散熱片的表面包含至少一微粗糙面，所述微粗糙面可利用電著法(electrodeposition)形成複數個瘤狀突出物而成。其次，將一導熱高分子介電材料層壓合於所述金屬箔與所述散熱片之間，使得所述至少一微粗糙面與所述導熱高分子介電材料層的上、下表面物理接觸，其中所述導熱高分子介電材料層的導熱係數大於1.0W/mK。之後，蝕刻所述金屬箔以形成電氣分離的一第一電極箔和一第二電極箔。
另外，為增加電極的焊接強度和預防氧化，可在所述第一電極箔和所述第二電極箔的表面分別形成一第一電鍍層和一第二電鍍層。上述第一電鍍層、第二電鍍層、第一金屬層、第二金屬層、導熱高分子介電材料層和所述金屬散熱片形成的結構可利用衝床衝切出一特定形狀以供使用。


圖1是常規的散熱裝置的結構示意圖；圖2到4顯示本發明一實施例的散熱裝置的製作方法；圖5是本發明另一實施例的散熱裝置的結構示意圖；和圖6示範本發明的散熱裝置結合發熱組件的應用示意圖。
具體實施例方式
以下將通過

本發明的散熱裝置的詳細製作過程。
參看圖2，首先提供一上金屬箔21和一金屬散熱片24，其中所述上金屬箔21和所述金屬散熱片24分別包含一微粗糙面210和241。所述微粗糙面210和241利用電著法形成，其表面包含複數個瘤狀突出物250，所述瘤狀突出物250的尺寸大小分布介於0.1微米到100微米之間。所述上金屬箔21的材質以銅、鋁或鎳為主，還可使用其它金屬或合金或多層的複合金屬如鍍鎳銅箔和鎳銅壓延箔等。所述金屬散熱片24的材質則可選自銅或鋁。
之後，將一導熱高分子介電材料層23熱壓合於所述上金屬箔21和所述金屬散熱片24之間形成一如圖3所示的多層層疊結構。所述微粗糙面210和241與所述導熱高分子介電材料層23的上、下表面呈物理接觸，其中所述微粗糙面210和241中的瘤狀突出物250嵌入所述導熱高分子介電材料層23中形成機械式的互鎖(mechanical interlocking)，因此所述上金屬箔21、所述金屬散熱片24與中間的導熱高分子介電材料層23產生非常強的結合力，即使在冷熱溫度衝擊下仍有良好密實的接口(interface)。另外，在進行上述熱壓合步驟前，可先利用電鍍、濺鍍、旋塗、溶液披覆或粉末披覆等非電沉積方法在所述微粗糙面210和241上形成一抗氧化層防止氧化，以加強其與導熱高分子介電材料層23的結合強度。所述抗氧化層的材質通常可選用鎳、鉻、鋅、銀與其合金等導熱係數大於1.0W/mK的材料。所述微粗糙面210和241還可塗上一層化學藥劑(如偶合劑silane)或經由一表面處理方式(如等離子或電暈放電(corona))以便加強與所述導熱高分子介電材料層23的結合力，達到穩定的導熱性質。
所述導熱高分子介電材料層23以高分子材料和至少一高導熱介電填充料以適當比例加熱混煉再以滾壓形成，其中高分子材料因比其它金屬或陶瓷材料容易處理和加工，且其本身已具有介電性質，因此適合作為所述導熱高分子介電材料層23的基材。幾乎大部分高分子材料都可被使用在此應用上，並不限定在以下所列舉的材料橡膠材料(例如天然橡膠、矽膠、異丁烯膠、SBS或液態橡膠CTBN等)、熱塑型塑料(例如環氧樹酯(epoxy)、聚醯胺(polyurethane)或聚酯類(polyester)等)或熱固型塑料(例如聚乙烯(polyethylene)、聚氟化亞乙烯(polyvinylidene fluoride)、聚丙烯(polypropylene)、尼龍(Nylon)、聚酯類(polyester)、ABS塑料或其共聚物。另外上述的熱固型塑料還可含功能基如胺基、酸基、滷基、醇基和環氧基等)。關於高導熱介電填充料則可選用一種或數種導熱係數大於1.0W/mK的材料，其導熱係數的優選值大於5.0W/mK，最佳值大於10W/mK。所述高導熱介電填充料的體積電阻值需大於108Ω-cm，優選值大於1010Ω-cm，最佳值大於1012Ω-cm。通常所述高導熱介電填充料所佔所述導熱高分子介電材料層23的體積比介於20％到90％之間，優選值介於30％到80％之間，最佳值介於40％到70％之間。其含量越多，所述導熱高分子介電材料層23的導熱程度就越好。所述高導熱介電填充料主要是金屬氮化物，如氮化鋁、氮化硼等。其它如金屬氧化物、金屬硼化物、金屬鹽類、金屬碳化物、矽化合物和石墨等也可選用為高導熱介電填充料。有時為了特殊用途還會添加其它如抗氧化劑、防潮劑等，只要混合後的高導熱高分子介電材料層23具有散熱功能(即導熱係數大於1.0W/mK)即可。
另外，所述高導熱介電填充料可為粉末形式，其形狀可呈現出多種不同樣式和結晶的顆粒，例如球體型(spherical)、方體型(cubic)、方體型(cubic)、六面體型(hexagonal)、片狀型(flake)、多角型、尖刺型(spiky)、柱狀型(rod)、珊瑚型、瘤狀型(nodular)和絲線型(filament)等，且其主要粒徑介於0.01到30μm之間，優選粒徑介於0.1到10μm之間。其主要縱橫比(aspect ratio)小於100。
在圖3所示的多層結構中，所述導熱高分子介電材料層23可以是複數個導熱高分子介電材料子層所疊壓而形成，其總厚度介於0.01mm到5mm之間，優選厚度是0.05mm到1mm之間，最佳厚度是0.1mm到0.5mm之間。另外，所述導熱高分子介電材料層23的顏色主要視所述高導熱介電填充料的顏色而定，還可添加其它不同顏色的填充料或顏料或特殊光學粉末(如螢光粉)，以達到特定應用所需的顏色和功能，一般而言，在發光二極體的應用上較常使用的顏色是白色。
參看圖4，接著將所述上金屬箔21以蝕刻或精密雕刻方法形成彼此電氣分離的一第一電極箔211和一第二電極箔212，其中所述第一電極箔211包含與所述導熱高分子介電材料層23接觸的一第一微粗糙面2101，所述第二電極箔212包含與所述導熱高分子介電材料層23接觸的一第二微粗糙面2102。所述第一電極箔211和所述第二電極箔212是作為連接一發熱組件(例如發光二極體)的電極，以形成一導電迴路(圖未示)。到此即形成本發明的散熱裝置20。所述金屬散熱片24為要達到高散熱效果和提供堅固不易變形的結構，通常選用稍厚(大於0.05mm)的金屬箔，優選厚度是0.07mm到5.0mm，最佳厚度是0.10mm到1.0mm。所述金屬散熱片24包含一第三微粗糙面240，通過所述第三微粗糙面240與所述導熱高分子介電材料層23結合。所述金屬散熱片24的材料可選用導熱性好的金屬材料，例如鋁、銅、鎂和其合金等。為要防止金屬表面在高溫下產生氧化反應，所述金屬散熱片24的表面可鍍上一層鎳、鋅、鉻、錫、銀或金。於另一實施例中，為了強化散熱功能，在所述金屬散熱片24的底部，還可用錫膏塗布和回焊的方式加焊上一下層散熱片(圖未示)，此加焊上的所述下層散熱片材質可以是金屬、陶瓷或其它導熱材料。
於另一實施例中可將如圖3所示的多層結構(包含所述上金屬箔21、所述導熱高分子介電材料層23和所述金屬散熱片24)以蝕刻、鑽孔研磨、熱成型(thermal forming)或段差衝壓方式，將其產生一個三維空間(3D)形狀，所述三維空間形狀的凹下部位可以作為產生電極的連接處，還可將一發熱裝置放置於此凹下部位，並填充覆蓋物質如螢光粉等。另外，所述下層散熱片如果使用金屬材質，則可以將所述下層金屬散熱片的表面以計算機數值控制工具機(CNC)以鑽研，衝壓或蝕刻等方式，將其表面產生一3D凹陷部，再將所述上層金屬箔21與所述導熱高分子介電材料層23嵌入所述3D凹陷部，發熱組件還可置於所述3D凹陷部。所述3D凹陷部可產生粗糙表面以便與所述導熱高分子介電材料層23產生較強的結合力。所述3D凹陷部表面還可披覆一層鎳或金電鍍層，以便於與發熱組件的底部結合。
實際上，本發明散熱裝置的下層散熱片的材質並不限為金屬，其它具散熱功能的材質也可為本發明所使用。
圖5是本發明另一實施例中的散熱裝置示意圖，其為基於圖4所示的結構以電鍍(electroplating)或濺鍍(sputtering)方法在所述第一電極箔211和所述第二電極箔212的表面分別鍍上一第一電鍍層221和一第二電鍍層222，其材料可為金屬如金、銀、銅、錫、鋅或鉻等，以增加所述二金屬箔211和212與所述發熱組件焊接的強度並可預防所述第一電極箔211和所述第二電極箔212的氧化。據此，即可形成一可供承載發熱組件(圖未示)的散熱裝置20』。之後，將具有特定功能的電子組件等發熱組件30(如LED晶片)置於本發明的散熱裝置20』上，並以具有導電功能的金屬線(或金屬片)31和32，以焊接方法連接到所述第一電鍍層221和所述第二電鍍層222。所述第一電鍍層221和所述第二電鍍層222分別電連接一電源的正、負極，而形成一如圖6所示的具有高散熱能力的電子組件導電迴路40。另外，可在所述發熱組件30與所述導熱高分子介電材料層23之間塗上一層散熱膏33以增加彼此間的附著力。
為了特定的應用場合，可將圖5的散熱裝置20』利用模具(例如衝床)衝切、晶圓切割或曲線切割等方式製成具特定形狀的散熱裝置。
所述散熱片24、第一電極箔211和第二電極箔212與所述導熱高分子介電材料層23間的接口並不需均為微粗糙面，只要所述接口中包含至少一微粗糙面，即可某程度達到提高結合強度和散熱效率的效果。
本發明的散熱裝置應用在一發熱組件(如LED)時(如圖6的配置)，所述發熱組件產生的熱量可經本發明的散熱裝置傳導到周圍環境中而達到熱平衡，此散熱功能使發熱組件的溫度被控制在特定溫度之下，而使發熱組件不致於因過熱而損毀。另外因本發明的散熱裝置經常在加熱和冷卻的循環操作之下，通過至少一具複數個瘤狀突出物的微粗糙面的二個金屬箔和金屬散熱片與一導熱高分子介電材料層壓合，使得在金屬箔、導熱高分子介電材料層、和金屬散熱片的接口，不會因結合力不足而產生剝離。因此本發明的散熱裝置確可達到提供一具高結合強度和高散熱效率的散熱裝置，和延長發熱組件的使用壽命和提高其可靠度的預期目的。
本發明的技術內容和技術特點已揭示如上，然而所屬領域的技術人員仍可能基於本發明的教示和揭示而作種種不背離本發明精神的替換和修飾。因此，本發明的保護範圍應不限於實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本發明的替換和修飾，並為以上的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種散熱裝置，其特徵在於包含一散熱片；一第一電極箔；一第二電極箔，與所述第一電極箔電氣分離；和一導熱高分子介電材料層，其導熱係數大於1.0W/mK，且疊設於所述第一和第二電極箔與所述散熱片之間形成物理接觸，所述導熱高分子介電材料層與所述第一、第二電極箔和散熱片間的接口包含至少一微粗糙面。
2.根據權利要求1所述的散熱裝置，其特徵在於所述微粗糙面包含複數個瘤狀突出物。
3.根據權利要求2所述的散熱裝置，其特徵在於所述瘤狀突出物是由電著法所形成。
4.根據權利要求2所述的散熱裝置，其特徵在於所述瘤狀突出物的大小分布於0.1微米到100微米之間。
5.根據權利要求1所述的散熱裝置，其特徵在於所述第一電極箔和所述第二電極箔通過一金屬箔經蝕刻分離而成。
6.根據權利要求1所述的散熱裝置，其特徵在於另外包含一第一電鍍層和一第二電鍍層，其分別位於所述第一電極箔和所述第二電極箔表面以用於焊接時增加強度。
7.根據權利要求1所述的散熱裝置，其特徵在於所述第一電極箔和所述第二電極箔串接一電源和一發熱組件形成導電迴路。
8.根據權利要求7所述的散熱裝置，其特徵在於所述發熱組件為一發光二極體。
9.根據權利要求1所述的散熱裝置，其特徵在於所述導熱高分子介電材料層包含至少一高導熱介電填充料。
10.根據權利要求9所述的散熱裝置，其特徵在於所述高導熱介電填充料為氮化鋁或氮化硼。
11.根據權利要求9所述的散熱裝置，其特徵在於所述高導熱介電填充料的導熱係數大於10.0W/mK。
12.根據權利要求9所述的散熱裝置，其特徵在於所述高導熱介電填充料佔所述導熱高分子介電材料層的體積百分比介於40％到70％之間。
13.根據權利要求1所述的散熱裝置，其特徵在於所述散熱片的材質為銅或鋁。
14.根據權利要求1所述的散熱裝置，其特徵在於所述導熱高分子介電材料層包含複數個導熱高分子介電材料子層。
15.根據權利要求1所述的散熱裝置，其特徵在於所述微粗糙面包含一抗氧化層。
16.根據權利要求1所述的散熱裝置，其特徵在於所述散熱片的厚度大於0.05mm。
17.一種散熱裝置的製造方法，其特徵在於包含以下步驟提供一金屬箔和一散熱片，且至少所述金屬箔和散熱片的一表面為微粗糙面將一導熱高分子介電材料層熱壓合於所述金屬箔與散熱片之間，使得所述微粗糙面與所述導熱高分子介電材料層形成物理接觸，其中所述導熱高分子介電材料層的導熱係數大於1.0W/mK；和蝕刻所述金屬箔以形成電氣分離的一第一電極箔和一第二電極箔。
18.根據權利要求17所述的散熱裝置的製造方法，其特徵在於另外包含以下步驟在所述第一電極箔和所述第二電極箔的表面分別形成一第一電鍍層和一第二電鍍層。
19.根據權利要求18所述的散熱裝置的製造方法，其特徵在於另外包含切割所述第一電鍍層、第二電鍍層、第一電極箔、第二電極箔、金屬散熱片和所述導熱高分子介電材料層的步驟，以形成一具特定形狀的散熱裝置。
20.根據權利要求19所述的散熱裝置的製造方法，其特徵在於所述切割是採用衝切方式。
21.根據權利要求17所述的的散熱裝置的製造方法，其特徵在於所述微粗糙面包含複數個瘤狀突出物。
22.根據權利要求21所述的散熱裝置的製造方法，其特徵在於所述瘤狀突出物是由電著法所形成。
23.根據權利要求21所述的散熱裝置的製造方法，其特徵在於所述瘤狀突出物的大小是分布於0.1微米到100微米之間。
全文摘要
本發明揭示一種散熱裝置，其包含一第一電極箔、一第二電極箔、一散熱片和一導熱高分子介電材料層。所述導熱高分子介電材料層疊設於所述二個電極箔與所述散熱片之間且具高導熱係數(大於1W/mK)。所述導熱高分子介電材料層與所述第一、第二電極箔和散熱片間的接口包含至少一微粗糙面。所述微粗糙面可利用電著法形成複數個瘤狀突出物而成。所述第一電極箔和所述第二電極箔彼此電氣分離，用以串接一發熱組件並用於電連接到一電源。
文檔編號H01L23/36GK1997271SQ20061000034
公開日2007年7月11日 申請日期2006年1月6日 優先權日2006年1月6日
發明者王紹裘, 遊志明 申請人:聚鼎科技股份有限公司