提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法
【專利摘要】本發明公開一種提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，包含下列步驟：A.提供一基材，該基材上設有復數晶體成核點；B.將該基材利用沈積法將復數金屬離子沈積在該基材上，使前述金屬離子在前述晶體成核點上成長一枝晶，而前述枝晶彼此間具有一間距。進而，在使用時，將前述基材接觸一熱源，使熱量由該基材往前述枝晶產生方向性熱傳，或是將前述枝晶設置在熱源處，以將該熱源的熱由該枝晶往該基材方向傳遞，以前述枝晶的碎形結構提供足夠的散熱面積及接觸面積。
【專利說明】
提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法
技術領域
[0001] 本發明有關于一種提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，尤指利用電流集中效應 生長的提供方向性熱傳的枝晶，該枝晶與利用延性金屬內應力擠出生成的須晶（whisker) 并不相同。
【背景技術】
[0002] 由于電子裝置目前朝向輕量化、薄型化的趨勢發展，因此如何讓熱傳組件在體積 更小的條件下，更為迅速、有效的冷卻電子裝置所產生的熱，一直是相關業者有待克服的技 術問題。
[0003] 目前常見的熱傳組件，大多利用導熱效果佳的銅金屬或鋁金屬基板，并在該銅金 屬或鋁金屬基板設置有復數散熱鰭片，由前述散熱鰭片利用將冷卻電子裝置所產生的熱往 外傳，不過利用散熱鰭片及銅金屬或鋁金屬基板本身所能提供的散熱面積有限，難以進一 步提升散熱效率。
[0004] 另有業者研發，利用原本被視為電鍍過程中瑕疵的須晶構造作為熱傳組件，主要 是運用于熱管組件中，相關前案例如有歐洲專利編號EP0999590「Heat sink for electric and/or electronic devices」、美國專利編號 US3842474 「Heat transfer between solids and fluids utilizing polycrystalline metal whiskers」及中國臺灣專利編號 201326718「散熱裝置之散熱結構」等。
[0005] 不過上述須晶是因為釋放鍍層殘留的內應力而長出，此機制不僅成長速度相當 慢，而需要較久的制備時間，再者，須晶大多呈桿狀且徑寬較細，且為單晶型態，無法提供更 多晶界面積，因此能提供的散熱面積同樣有限，散熱效果并不佳。
[0006] 又目前電鍍中常見的另一種瑕疵為枝晶體，產生原因是由于電鍍過程中，金屬離 子因為電流集中突起處，此效應影響沈積集中在基材的突起處，長出類似樹枝狀的晶體，這 種樹枝狀的晶體由于會嚴重影響鍍件的光滑及美觀，因此一直被視為需要防止的瑕疵。
[0007] 例如蔡易達于2008年所著的國立中正大學碩士論文"錯合劑于電鍍錫-鉍無鉛焊 料組成控制、黏著性與樹枝狀結構成長的效應"，摘要中便提及：「...過去的研究指出以電 鍍法所得的Sn-Bi鍍層具有黏著性不佳及樹枝狀結構成長等問題存在。因此，為了有效抑 制樹枝狀結構的發生，必須加入錯合劑或加入界面活性劑予以抑制...」，是以，目前枝晶體 在電鍍領域中，仍一直被視為是瑕疵，并未有特殊功用。

【發明內容】

[0008] 為改善現有散熱組件散熱面積有限的缺失，因此本發明人致力于研究，提出一種 提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，包含下列步驟：
[0009] A.提供一基材，該基材上間隔設有復數晶體成核點；
[0010] B.將該基材利用沈積法將復數金屬離子沈積在該基材上，前述金屬離子在前述晶 體成核點上成長一枝晶，而前述枝晶彼此間具有一間距。
[0011] 進一步，在該步驟A中，在該基材上鍍有一被覆須晶層，該被覆須晶層的材質為 錫、鎘、鋅、銻、銦中任一或組合，以在該基材上形成復數須晶作為前述晶體成核點。
[0012] 進一步，在該步驟A中，對該基材施予一加工處理，以在該基材上形成有前述晶體 成核點。
[0013] 進一步，該加工處理為一切削處理。
[0014] 進一步，在該步驟B中，將該基材作為電鍍的電極，電鍍的電流密度為lA/dm2~ 5A/dm2,而前述電鍍的時間為60min~180min。
[0015] 進一步，前述枝晶的長度尺寸為〇? 1mm~15mm〇
[0016] 進一步，前述枝晶的長度尺寸為1mm~5mm〇
[0017] 進一步，前述枝晶彼此間的該間距至少為0. 1mm~0. 5mm。
[0018] 進一步，在步驟A中，該基材上的一預定位置設置導電性較差的一遮件，使該預定 位置不成長前述枝晶。
[0019] 進一步，前述枝晶在該基材上的密度為3根/cm2~15根/cm2。
[0020] 進一步，該基材為導電金屬，在步驟B中，該基材先經一用于清潔之前處理，該前 處理包含一用于去除油脂的脫脂程序及一敏化程序，該敏化程序將該基材浸泡于一酸性溶 液中，以增進電鍍時前述金屬離子的附著效果。
[0021] 更包括一步驟C，該基材及該枝晶并鍍上一抗氧化層。
[0022] 進一步，將該基材作為電鍍的電極，在步驟B中沈積的溫度條件為30°C~60°C，沈 積時間為2小時，電流密度為28A/dm2~8A/dm2,而前述基材浸在一銅電鍍液中，該銅電鍍 液的pH值為0~2. 5。
[0023] 進一步，在步驟B中將該基材作為電鍍的電極，電鍍的溫度條件為30°C~60°C，電 鍍時間為2小時，電流密度為2. 8A/dm2~8A/dm2,而前述基材浸在一銅電鍍液中，該銅電鍍 液的pH值為1. 45,比重為1. 190。
[0024] 本發明的功效在于：
[0025] 1.傳統電鍍技術一直以來將枝晶視為缺陷，但本發明克服此技術偏見，利用該枝 晶應用于熱傳組件，以提供方向性熱傳，并由具碎形結構的枝晶提供更多的散熱面積，以進 一步提升散熱效率。
[0026] 2.本發明利用須晶或加工處理提供枝晶生長所需的晶體成核點，使枝晶的生長效 果更佳，并可控制基材上生長枝晶的位置，而具有更佳的實用價值。
[0027] 3.本發明利用須晶作為晶體成核點，將使枝晶緊密、穩固地結合在基材上，以進一 步增進枝晶的散熱效率。
[0028] 4.本發明的復數枝晶彼此間具有一間距，以作為熱交換的空間，以避免產生熱淤 積現象，確保枝晶的散熱效果。
[0029] 5?本發明復數枝晶在長度尺寸為1mm~5mm、枝晶彼此間的間距至少為0? 1mm~ 5mm時，散熱效果為最佳。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發明實施例的生成枝晶的步驟示意圖；
[0031] 圖2是本發明實施例的生成枝晶的流程示意圖；
[0032] 圖3A是本發明實施例利用掃睹式電子顯微鏡于不同倍率觀察枝晶的外觀圖；
[0033] 圖3B是本發明另一實施例利用光學顯微鏡于450倍率觀察枝晶的顯微外觀圖 ，
[0034] 圖3C是本發明另一實施例利用光學顯微鏡于450倍率觀察枝晶的顯微外觀圖 -* *
[0035] 圖3D是本發明另一實施例利用光學顯微鏡于450倍率觀察枝晶的顯微外觀圖 -* ? -?，
[0036] 圖4A是本發明實施例須晶的計算機造影外觀圖一；
[0037] 圖4B是本發明實施例須晶的電子顯微鏡外觀圖二；
[0038] 圖4C是本發明實施例須晶的電子顯微鏡外觀圖三；
[0039] 圖4D是本發明實施例須晶的電子顯微鏡外觀圖四；
[0040] 圖5是本發明實施例利用鉆孔產生毛邊的平面示意圖；
[0041] 圖6是本發明實施例利用基材邊緣成長枝晶的平面示意圖；
[0042] 圖7是本發明實施例實際樣品的外觀示意圖；
[0043] 圖8是本發明實施例圖7的像示意圖；
[0044] 圖9是本發明實施例與各式試片，在接觸同樣熱源（LED燈）下，并持續30分鐘的 比較圖；
[0045] 圖10是本發明實施例枝晶表面熱空氣情形的熱像不意圖；
[0046] 圖11是本發明實施例枝晶表面的溫度曲線示意圖；
[0047] 圖12是本發明實施例3 mm單根枝晶熱傳情形的熱像示意圖；
[0048] 圖13是本發明實施例3 mm單根枝晶熱傳情形的溫度曲線示意圖；
[0049] 圖14是本發明實施例0. 75醒單根枝晶熱傳情形的熱像示意圖；
[0050] 圖15是本發明實施例0. 75 mm單根枝晶熱傳情形的溫度曲線示意圖；
[0051] 圖16是本發明實施例兩根枝晶之間熱空氣情形的熱像示意圖；
[0052] 圖17是本發明實施例兩根枝晶之間熱傳情形的溫度曲線示意圖；
[0053] 圖18是本發明利用不同沈積參數成型的不同枝晶型態圖一；
[0054] 圖19是本發明利用不同沈積參數成型的不同枝晶型態圖二；
[0055] 圖20是本發明利用不同沈積參數成型的不同枝晶型態圖三；
[0056] 圖21是本發明利用不同沈積參數成型的不同枝晶型態圖四
[0057] 上述說明書附圖中標記說明如下：
[0058] l、la、lb 基材
[0059] 100 被覆須晶層
[0060] 11、11a、lib 晶體成核點
[0061] 12 金屬層
[0062] 13 枝晶
[0063] 131 主枝
[0064] 132 分枝
[0065] 14 抗氧化層
[0066] A 熱源
[0067] D 間距
【具體實施方式】
[0068] 綜合上述技術特征，本發明提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法的主要功效將可 于下述實施例清楚呈現。
[0069] 先請參閱圖1及圖2,揭示本發明實施例提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法的 步驟流程圖及制備流程圖。
[0070] A.提供一基材1，該基材1上間隔設有復數晶體成核點11 (crystal defect)。在 此要先說明的是，晶體成核點11 (crystal defect)的定義于本發明中不僅涵蓋一般點缺 陷、線缺陷等晶體結構規律性被破壞的型態，也涵蓋須晶（whisker)型態。較佳的是，該基 材1為導電性及導熱性高的金屬，例如銅或錯，并對該基材施予一前處理，該前處理包含一 用于去除油脂的脫脂程序及一敏化程序，該敏化程序將該基材浸泡于一酸性溶液中，以增 進電鍍時前述金屬離子的附著效果。
[0071] 但要特別說明的是，該基材1并不限于導電材質，也可為塑料或陶瓷等不導電的 材質，例如基材為塑料或陶瓷時，須先經過化學腐蝕、表面活性化等程序，惟此處為現有技 術，因此并不予以贅述。
[0072] 最好是，先在該基材上的一預定位置設置導電性較差的一遮件，使該預定位置不 成長后述的枝晶13。例如說，在該基材1周圍設置不銹鋼片。
[0073] B.將該基材1利用沈積法將復數金屬離子沈積在該基材1以形成一金屬層12,前 述金屬離子將因為電流集中效應而在前述晶體成核點11上成長一枝晶13。但要特別說明 的是，上述金屬層12并非必須完整被覆在基材1上，可以利用電流集中效應原理而單獨成 長枝晶13即可。又該沈積法例如有電鍍法、物理氣相沈積（PVD)、化學氣相沈積等（CVD)等 皆為可行的手段，在本實施例中以基材1作為電鍍的電極，并以電鍍法作為例示。
[0074] 并閱圖3A，揭示利用掃瞄式電子顯微鏡（SEM)于不同倍率觀察枝晶13的外觀圖， 該枝晶13包含一主枝131及連接該主枝131的至少一分枝132。較佳的是，前述枝晶13的 長度尺寸為〇? 1mm~15mm。最好是，前述枝晶13的長度尺寸為1mm~5mm，且前述枝晶13 彼此間具有一間距D，該間距D最好至少為0. 1mm~5mm，其中，枝晶的高度與斷面對角線長 度的比值大于2,以提供足夠作為熱交換的空間，以避免產生熱淤積現象。較詳細的說，該電 鍍的電流密度為lA/dm 2~5A/dm 2,而前述電鍍的時間為60min~180min。
[0075] 并閱圖3B至圖3D，揭示利用電子顯微鏡于450倍率下觀察枝晶13A、13B、13C、13D 的外觀圖，其電鍍條件為：電鍍溫度條件：30°C~60°C、電鍍時間：2小時、電流：2. 8A/dm2~ 8A/dm2、電鍍液為pH 0~2. 5的含銅電鍍液，其中含銅電鍍液最佳為pH :1. 45、比重：1. 190， 此形成強度更佳及散熱效果更佳的銅材質枝晶13A、13B、13C、13D。又如圖18至圖21為利 用不同參數成型的枝晶，整體型態例如有放射狀（圖18、圖19)及柱狀（圖20、圖21)，因此 要特別說明的是，枝晶并不限于必須要有主枝及分枝的型態，僅為柱狀枝晶也是可行的型 〇
[0076] 并閱圖4A，較佳的是，在該步驟A中，該基材1上更鍍有一被覆須晶層100,該被覆 須晶層1〇〇的材質錫、鎘、鋅、銻、銦中任一或組合，該些金屬材質為硬度較低且延展性佳， 因此較容易在釋放內應力時在該基材1上成長有用于作為前述晶體成核點11的一須晶，使 該枝晶13有一定的結合強度。并閱圖4B至圖4D，為利用掃瞄式電子顯微鏡（SEM)于50倍 率下觀察不同型態的須晶，雖型態各有差異，但皆為利用延展性佳的金屬釋放內應力所生 成。
[0077] 但要注意的是，并不以此為限，并閱圖5,也可對該基材la施予一加工處理（如鉆 肖IJ、銑削、車削、鍛孔、刨削等切削處理），以在該基材la上形成有作為晶體成核點11a的毛 邊。并閱圖6,甚至于可以直接利用該基材lb上的一邊緣作為晶體成核點11b，主要目的皆 是在于利用晶體成核點11使電流在該處產生電流集中效應。
[0078] 更包括一步驟C，該基材1及該枝晶13并鍍上一抗氧化層15,以避免該基材1及 該枝晶13氧化。
[0079] 請參閱圖8所示，本發明再提供一種提供方向性熱傳的枝晶構造的用途及其使用 方法，包含下列步驟：
[0080] A.提供前述提供方向性熱傳的枝晶構造。
[0081 ] B.接著將前述提供方向性熱傳的枝晶構造的該基材1接觸一熱源A，以將該熱源A 的熱由該基材1往前述枝晶13的主枝131及分枝132方向傳遞。以下將先配合實驗說明 本發明提供方向性熱傳的枝晶構造實際使用的情況。
[0082] 并閱圖7及圖8,分別為實際樣品的外觀圖以及該實際樣品利用熱像呈現枝晶13 的熱傳效果。并在圖7中取三個區域，分析溫度變化，并閱表1，觀察1號區域可知，枝晶在 過于密集時，容易使溫度累積，因此1號區域的枝晶末端處為47. 08°C，溫度相對高于其他 樹枝狀結晶的末端溫度；2號區域因為最靠近熱源，因此熱累積使得2號周圍的溫度偏高； 3號區域為單一枝晶，觀察到接近熱源處的溫度為47. 39°C，而末端溫度則降至32. 01°C，可 初步推斷枝晶有助于散熱。
[0083] 表1微孔板成長枝晶熱像區域溫度比較表：
[0084]
[0085] 并閱圖9揭示比較各式試片與本發明枝晶構造，在接觸同樣熱源（LED燈）下， 并持續30分鐘的溫度比較圖，其中，試片包含純鋁板、微孔板、鍍銅微孔板，而本發明枝晶 構造則以一組在微孔板上成長高度尺寸3mm的樹狀枝晶及一種在微孔板上成長高度尺寸 10mm的樹狀枝晶。
[0086] 觀察可知，在30分鐘時，溫度最低的3醒枝晶（溫度78. 4°C )，溫度次高的為10醒 枝晶（溫度為79. 6°C);而微孔板鍍銅及鍍厚銅，散熱效果較純微孔板效果差，分別為85. 7 及 83. 9°C。
[0087] 并閱表2,揭示計算各式試片及本發明枝晶構造的熱阻值及熱傳系數，鋁板與微孔 板熱阻值分別為12. 35及12. 10°C /W，微孔板鍍枝晶分別為3醒及10醒熱阻值為9. 90及 9. 58°C /W，微孔板鍍銅以30min與180min時間，熱阻值為10. 55及11. 50°C /W。比較熱阻 值差異，可得知微孔板成長枝晶熱阻值較低，其中以l〇mm為最佳。
[0088] 表2各式試片及本發明枝晶構造的熱阻值及熱傳系數：
[0090] 以下，并由熱像儀拍攝觀察溫度分布，進一步分析銅質枝晶散熱情形及有效輻射 區域。
[0091] 先請參閱圖10,觀察可知枝晶表面與環境溫度間具有溫差，此溫差以溫度梯度的 方式往外擴散，并閱圖11，枝晶的溫度為47. 8°C，而枝晶表面溫度為46. 7°C，而溫度漸漸往 外擴散溫度分別由45°C、39°C與37°C三個階段，三個階段的距離分別由0? 38 mm、0. 63 mm與 1. 25醒，三階段距離分別為0? 25醒及0? 62醒，所移除的熱量比為1 :1. 9 :1. 17,圖10中超 過0. 63mm后曲線漸趨平緩，又圖10中熱空氣的熱像并無空氣流動造成的搖擺現象，驗證實 驗在無風狀態，也同時說明熱量由枝晶表面由對流方式加熱周遭空氣，往外漸漸降溫，達到 散熱效果，有高效的加熱空氣厚度為0. 62mm。
[0092] 續請參閱圖12,為長度2. 3醒單根枝晶熱傳情形，并閱圖13,可得知0? 0醒至0? 5 mm為熱源傳導至枝晶，在0? 5 mm至0? 9 mm為枝晶將熱散出，在1 mm至1. 5 mm時，為枝晶最 窄的地方，此區域因散熱面積受局限，因此溫度有所淤積，造成此區域溫度無法散去，而到 1. 5 mm至2. 5 mm，枝晶寬度較大使得淤積的溫度可就此散去，整體枝晶溫度由46. 4°C降至 37.0°(：，相差9.4°(：。
[0093] 續請參閱圖14,為長度0. 75 mm單根枝晶熱傳情形，并閱圖15,可得知枝晶的溫度 為38°C，枝晶熱傳在0? 2醒至0? 3醒間，因為寬度變小使得溫度齡積在36°C，而0? 3醒以后 至枝晶表面的溫度為28. 8°C，當中以0? 3醒至0? 75醒溫度下降較快，由36°C降至28. 8°C， 而0? 75醒以后溫度為持溫。
[0094] 續請參閱圖16,揭示兩根枝晶間熱傳情形，并閱圖17溫度在0? 35 mm至0? 5 mm為降 溫效果最佳區域，溫度由51°C降至30°C，而0? 5醒至0? 7醒為持溫，在0? 75醒的枝晶間，熱 輻射效果為〇? 2 mm，且無熱淤積現象產生。由上述可推知，枝晶兩側應需有2. 5 mm空間進行 熱傳效果，如果間距太小會使得熱傳區域受影響，也無法將熱源的熱完全排出，會產生熱淤 積現象。而單根枝晶傳熱時，寬度需一致，寬度如果有所縮小時溫度會熱淤積在此區域，使 得散熱效果變差。
[0095] 補充說明本發明實驗儀器的紅外線熱像儀（Thermal Imager Camera)及掃目苗式電 子顯微鏡（SEM)的規格，紅外線熱像儀（Thermal Imager Camera)為一利用紅外探測器和 光學成像物鏡吸收被測物的紅外線輻射能量分布，圖形反應到紅外探測器的光敏組件上， 從中取得紅外線熱像圖，此熱像圖與物體的熱分布場相互對應。本發明的實驗使用兩臺熱 像儀分析，分別分析巨觀與微觀，以了解熱傳導情形與對流現象。
[0096] 表1為本發明實驗熱像分析儀器的規格：
[0097]
[0098] 表2為本發明掃目苗式電子顯微鏡的規格：
[0099]
[0100] 綜合上述實施例的說明，當可充分了解本發明的操作、使用及本發明產生的功效， 惟以上所述實施例僅系為本發明的較佳實施例，當不能以此限定本發明實施的范圍，即依 本發明申請專利范圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋的范圍 內。
【主權項】
1. 一種提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：包含下列步驟： A. 提供一基材，該基材上有間隔設有復數晶體成核點； B. 將該基材利用沈積法將復數金屬離子沈積在該基材上，前述金屬離子在前述晶體成 核點上成長一枝晶，而前述枝晶彼此間具有一間距。2. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：在該步 驟A中，是對該基材施予一加工處理，以在該基材上形成有前述晶體成核點。3. 根據權利要求2所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：該加工 處理為一切削處理。4. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：在該步 驟A中，在該基材上鍍有一被覆須晶層，該被覆須晶層的材質為錫、鎘、鋅、銻、銦中任一或 組合，以在該基材上形成復數須晶（whisker)作為前述晶體成核點。5. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：在該步 驟B中，將該基材作為電鍍的電極，電鍍的電流密度為lA/dm 2~5A/dm2,而前述電鍍的時間 為 60min ~180min〇6. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：前述枝 晶的長度尺寸為0. 1mm~15_。7. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：前述枝 晶的長度尺寸為1mm~5mm〇8. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：前述枝 晶彼此間的該間距至少為0. 1mm~0. 5mm。9. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：在步驟A 中，該基材上的一預定位置設置導電性較差的一遮件，使該預定位置不成長前述枝晶。10. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：前述枝 晶在該基材上的密度為3根/cm2~15根/cm 2。11. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：該基材 為導電金屬，在步驟B中，該基材先經一用于清潔之前處理，該前處理包含一用于去除油脂 之脫脂程序及一敏化程序，該敏化程序將該基材浸泡于一酸性溶液中，以增進電鍍時前述 金屬離子的附著效果。12. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：更包括 一步驟C，該基材及該枝晶并鍍上一抗氧化層。13. 根據權利要求1所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：在步驟 B中將該基材作為電鍍的電極，電鍍的溫度條件為30°C~60°C，電鍍時間為2小時，電流密 度為2. 8A/dm2~8A/dm2,而前述基材浸在一銅電鍍液中，該銅電鍍液的pH值為0~2. 5。14. 根據權利要求13所述的提供方向性熱傳的枝晶構造成長方法，其特征在于：在步 驟B中將該基材作為電鍍的電極，電鍍的溫度條件為30°C~60°C，電鍍時間為2小時，電流 密度為2. 8A/dm2~8A/dm2,而前述基材浸在一銅電鍍液中，該銅電鍍液的pH值為1. 45,比 重為1. 190。
【文檔編號】C25D21/12GK106032580SQ201510107608
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月12日
【發明人】王振興, 王瑜慶, 吳家毓
【申請人】遠東科技大學