具抗氧化纳米薄膜的散热单元及抗氧化纳米薄膜沉积方法

摘要

本发明提供一种具抗氧化纳米薄膜的散热单元，包含：一金属本体，具有一受热部及一散热部，该受热部及散热部外部披覆有至少一纳米金属化合物薄膜；所述纳米金属化合物薄膜是透过先于前述散热单元外部披覆至少一纳米氧化物涂层，再于高温环境下通入一还原气体对该散热单元及表面纳米氧化物涂层进行还原作业及热处理，于还原作业及热处理后，在前述散热单元表面形成一纳米金属化合物薄膜；通过于散热单元表面披覆纳米金属化合物薄膜可降低该散热单元表面氧化物的生成，进而避免氧化物造成散热单元的热阻情况的发生。

权利要求

1.一种具抗氧化纳米薄膜的散热单元，其特征在于包含：

一金属本体，具有一受热部及一散热部，该受热部及散热部外部披覆有至少一纳米金属化合物薄膜，所述纳米金属化合物薄膜是由一还原气体及一纳米氧化物涂层与前述金属本体反应所形成，于所述金属本体外层涂布至少一层纳米氧化物涂层，并于高温环境下对该金属本体通入还原气体，令所述还原气体与该纳米氧化物涂层及金属本体产生还原氧化反应及合金化反应，反应完成即于该金属本体形成至少一纳米金属化合物薄膜。

2.如权利要求1所述的具抗氧化纳米薄膜的散热单元，其特征在于所述散热单元为散热器、均温板、散热鳍片组、热管、回路式热管及水冷头其中任一。

3.如权利要求1所述的具抗氧化纳米薄膜的散热单元，其特征在于所述纳米氧化物涂层选自于氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆（ZrO2）、氧化钙(CaO)、氧化钾(K2O)及氧化锌(ZnO)所组成的群组。

4.如权利要求1所述的具抗氧化纳米薄膜的散热单元，其特征在于所述金属本体选自于铜、铝、镍及不锈钢所组成的群组。

5.一种具抗氧化纳米薄膜的散热单元，其特征在于包含：

一金属本体，所述金属本体具有一腔室，该腔室内部具有一毛细结构，所述毛细结构具有30%-60%的孔隙率，该毛细结构披覆有至少一纳米金属化合物薄膜，所述纳米金属化合物薄膜是由一还原气体及一纳米氧化物涂层与前述毛细结构反应所形成，于所述毛细结构涂布至少一层纳米氧化物涂层，并于高温环境下对该金属本体进行热处理作业及通入还原气体，令所述还原气体与该纳米氧化物涂层及毛细结构产生还原氧化反应及合金化反应，反应完成即于该毛细结构形成至少一纳米金属化合物薄膜。

6.如权利要求5所述的具抗氧化纳米薄膜的散热单元，其特征在于所述散热单元为电击流道板、均温板、热管、平板式热管、回路式热管及水冷头其中任一。

7.如权利要求5所述的具抗氧化纳米薄膜的散热单元，其特征在于所述纳米氧化物涂层选自于氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆（ZrO2）、氧化钙(CaO)、氧化钾(K2O)及氧化锌(ZnO)所组成的群组。

8.如权利要求5所述的具抗氧化纳米薄膜的散热单元，其特征在于所述金属本体选自于铜、铝、镍及不锈钢所组成的群组。

9.一种散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法，其特征在于包含下列步骤：

提供一散热单元；

于前述散热单元表面涂布至少一纳米氧化物涂层；

于高温环境下通入一还原气体对该散热单元及散热单元表面的纳米氧化物涂层进行还原作业；

于热处理及还原作业后，在前述散热单元形成一纳米金属化合物薄膜，当还原步骤及热处理进行时，所述还原气体与该纳米氧化物涂层及散热单元产生合金化反应及还原氧化反应，反应完成即于该散热单元形成至少一纳米金属化合物薄膜。

10.如权利要求9所述的散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法，其特征在于所述散热单元为电击流道板、散热器、均温板、散热鳍片组、热管、平板式热管、回路式热管及水冷头其中任一。

11.如权利要求9所述的散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法，其特征在于所述还原气体为硫化氢、氢气、一氧化碳及氨气其中任一。

12.如权利要求9所述的散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法，其特征在于所述还原作业温度为600度～1000度。

13.如权利要求12所述的散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法，其特征在于所述还原作业温度为650度～850度。

14.如权利要求9所述的散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法，其特征在于于散热单元表面涂布纳米氧化物涂层采用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)及溶胶凝胶法(sol gel)其中任一。

15.如权利要求14所述的散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法，其特征在于所述溶胶凝胶法为浸渍拉提式、沉降式、旋转涂布式、涂刷式及沾湿式其中任一。

说明书

具抗氧化纳米薄膜的散热单元及抗氧化纳米薄膜沉积方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具抗氧化纳米薄膜的散热单元及其抗氧化纳米薄膜沉积方法，尤其涉及一种表面沉积有抗氧化纳米薄膜的散热单元及沉积该抗氧化纳米薄膜的方法。

背景技术

[0002] 现行电子设备于运行时内部的电子元件将产生热源，所述热源是由运算芯片运作时所产生，并随着芯片运算效能提高，其功率已近一百瓦特，故若无适当的散热机制，则芯片的温度则会超过100℃以上。

[0003] 现行芯片多为半导体(如硅)所制成，因其内部含有大量的金属导线及绝缘薄膜，这两种材料间的膨胀系数相差数倍，故在90℃以上的温度重复操作时，芯片多会产生龟裂而造成损毁。

[0004] 为使芯片不会因过热而烧毁，因此电流所产生的废热必须尽快的排除，故芯片常以铜片接触散热或埋藏在目前散热最快的金属基陶瓷烧结体内(如铝基的碳化硅)，并需要散热单元辅助以增加散热的效率，以避免前述芯片因温度过高造成损毁，前述散热单元主要是以散热鳍片组或散热器或热管为主，并透过风扇辅助强制对流散热以达到散热降温的效果。

[0005] 然而金属散热片在空气之中会逐渐氧化造成电位差而产生电化学反应进而生成金属氧化物，该金属氧化物的热传导效率远低于纯金属，故会使得金属散热片的散热效果及热传效率大幅的降低，并当氧化情形严重时，氧化后的金属氧化物便会由于其组织结构松散而容易自金属表面剥落，因此污染芯片。

[0006] 此外，金属在氧化后表面颜色会加以改变而影响其外观。

[0007] 另外，若该金属散热片是以粉末(如铜或铝)烧结制成多孔性结构时就更容易因为氧化而使得其散热性能降低，为了防止氧化，多半会于金属散热片的外部以水溶液制程镀上一层镍或锡镀层，其镀镍的方式包括有电解电镀及化学镀(无电镀)；然而此种水溶液制程方式的镀膜经常会遭受污染(如吸附酸根离子)，其结果则会侵蚀半导体的封装体。

[0008] 另外，镍或锡镀膜的热传导效率较常用的铜制散热片低很多，因此会影响到铜的散热效果。

发明内容

[0009] 为了解决上述现有技术中的问题与缺陷，本发明的主要目的在于提供一种具有抗氧化纳米薄膜的散热单元。

[0010] 本发明另一目的在于提供一种抗氧化纳米薄膜沉积方法。

[0011] 为达上述目的，本发明提出一种具有抗氧化纳米薄膜的散热单元，其包含：一金属本体，具有一受热部及一散热部，该受热部及散热部外部披覆有至少一纳米金属化合物薄膜。

[0012] 其中，所述散热单元可为散热器、均温板、散热鳍片组、热管、回路式热管及水冷头其中任一，所述纳米金属化合物薄膜是由一还原气体与至少一纳米氧化物涂层及该金属本体反应所形成，所述金属本体选自于铜、铝、镍及不锈钢所组成的群组。

[0013] 本发明还提出一种具抗氧化纳米薄膜的散热单元，其包含：一金属本体，所述金属本体具有一腔室，该腔室内部具有一毛细结构，所述毛细结构具有30％-60％的孔隙率，该毛细结构披覆有至少一纳米金属化合物薄膜。

[0014] 其中，所述散热单元为电击流道板、均温板、热管、平板式热管、回路式热管及水冷头其中任一。所述纳米金属化合物薄膜是由一还原气体及一纳米氧化物涂层与前述毛细结构反应所形成。所述金属本体选自于铜、铝、镍及不锈钢所组成的群组。

[0015] 所述纳米化合物薄膜为氧化物、氮化物、碳化物及硫化物其中任一，又以氧化物为最佳；所述纳米氧化物涂层选自于氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(A12O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钙(CaO)、氧化钾(K2O)及氧化锌(ZnO)所组成的群组。

[0016] 为达上述目的，本发明还提出一种抗氧化纳米薄膜沉积方法，所述薄膜沉积方法包含下列步骤：提供一散热单元，并于该散热单元表面涂布至少一纳米氧化物涂层，并将该散热单元置于高温环境下同时通入一还原气体对该散热单元及散热单元表面的纳米氧化物涂层进行热处理及还原作业，于该热处理及还原作业后，在前述散热单元外部形成一纳米金属化合物薄膜。

[0017] 所述散热单元为散热器、均温板、散热鳍片组、电击流道板、热管、平板式热管、回路式热管及水冷头其中任一。

[0018] 所述还原气体为硫化氢、氢气、一氧化碳、氨气、甲烷及其混合气体的其中任一，又以氢气为最佳。

[0019] 所述纳米化合物薄膜为氧化物、氮化物、碳化物及硫化物其中任一，又以氧化物为最佳；所述纳米氧化物涂层选自于氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钙(CaO)、氧化钾(K2O)及氧化锌(ZnO)所组成的群组。

[0020] 所述散热单元的材质选自于铜、铝、镍及不锈钢所组成的群组。

[0021] 所述涂布纳米氧化物涂层可透过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)及溶胶凝胶法(sol gel)其中任一沉积法。

[0022] 通过所述抗氧化纳米薄膜沉积方法可于前述散热单元上形成至少一纳米金属化合物薄膜，避免所述散热单元生成氧化物进而防止热阻情况的发生。

附图说明

[0023] 图1a为本发明散热单元的示意图；

[0024] 图1b为本发明散热单元的示意图；

[0025] 图1c为本发明散热单元的示意图；

[0026] 图1d为本发明散热单元的示意图；

[0027] 图1e为本发明散热单元的示意图；

[0028] 图1f为本发明散热单元的示意图；

[0029] 图1g为本发明图1a的局部放大图；

[0030] 图2a为本发明散热单元的示意图；

[0031] 图2b为本发明散热单元的示意图；

[0032] 图2c为本发明图2a的局部放大图；

[0033] 图3为本发明散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法步骤流程图；

[0034] 图4为本发明的散热单元及纳米氧化物涂层还原反应示意图；

[0035] 图5为本发明另一散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法步骤流程图；

[0036] 图6为本发明的涂布纳米氧化物涂层示意图；

[0037] 图7为本发明的散热单元及纳米氧化物涂层热处理及还原反应示意图；

[0038] 图8为X光电子能谱分析图；

[0039] 图9为X光电子能谱分析图；

[0040] 图10为X光电子能谱分析图；

[0041] 图11为X光电子能谱分析图；

[0042] 图12为X光电子能谱分析图；

[0043] 图13为X光电子能谱分析图；

[0044] 图14为X光电子能谱分析图。

[0045] 附图标记说明：1-散热单元；11-金属本体；111-受热部；112-散热部；113-腔室；114-毛细结构；2-纳米金属化合物薄膜；3-水溶液；4-槽体；5-还原气体；6-纳米氧化物涂层。

具体实施方式

[0046] 以下结合附图和实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。应该理解的是，这些实施例仅用于例证的目的，决不限制本发明的保护范围。

[0047] 请参阅图1a、1b、1c、1d、1e、1f、4，如图所示，本发明的具有抗氧化纳米薄膜的散热单元1，包含：一金属本体11，具有一受热部111及一散热部112，所述受热部111设于该金属本体11一侧，该散热部112设于该金属本体11的另侧，该受热部111及散热部112外部披覆有至少一纳米金属化合物薄膜2。

[0048] 所述金属本体11选自于铜、铝、镍及不锈钢所组成的群组。

[0049] 所述散热单元1可为散热器(如图1a所示)、均温板(如图1b所示)、散热鳍片组(如图1c所示)、热管(如图1d所示)、回路式热管(如图1e所示)及水冷头(如图1f所示)其中任一。

[0050] 所述纳米金属化合物薄膜2是由至少一还原气体5与至少一纳米氧化物涂层6及前述金属本体11反应所形成，于所述金属本体11外层涂布至少一层纳米氧化物涂层6，并于高温环境下对该金属本体11通入还原气体5，令所述还原气体5与该纳米氧化物涂层6及金属本体11产生还原氧化反应及合金化反应，反应完成即于该金属本体11形成至少一纳米金属化合物薄膜2。

[0051] 请参阅图1b、1d、1e、1f、2a、2b、2c、7，如图所示，所述散热单元1，包含：一金属本体11，所述金属本体11具有一腔室113，该腔室113内部表面具有一毛细结构114，所述毛细结构具有30％-60％的孔隙率，该毛细结构114披覆有至少一纳米金属化合物薄膜2(如图2c所示)。

[0052] 所述金属本体11选自于铜、铝、镍及不锈钢所组成的群组。

[0053] 所述毛细结构114可选择呈沟槽式(如图2a)及网格式(如图2b)及铜粉烧结(如图1d)及复合式(铜粉及网格式及沟槽式任意组合)(图中未示)其中任一。

[0054] 所述毛细结构114的材质选自于铜、铝、镍及不锈钢所组成的群组。

[0055] 所述散热单元1可为均温板(如图1b所示)、热管(如图1d所示)、回路式热管(如图1e所示)、水冷头(如图1f所示)、电击流道板及平板式热管其中任一。

[0056] 所述纳米金属化合物薄膜2是由至少一还原气体5与至少一纳米氧化物涂层6及前述毛细结构114反应所形成；于所述毛细结构114涂布至少一层纳米氧化物涂层6，并于高温环境下对该金属本体11进行热处理作业及通入还原气体5，令所述还原气体5与该纳米氧化物涂层6及毛细结构114产生还原氧化反应及合金化反应，反应完成即于该毛细结构114形成至少一纳米金属化合物薄膜2。

[0057] 上述实施例中的纳米金属化合物薄膜2为氧化物、氮化物、碳化物及硫化物其中任一，又以氧化物为较佳；所述纳米氧化物涂层选自于氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钙(CaO)、氧化钾(K2O)及氧化锌(ZnO)所组成的群组；并所述还原气体5为硫化氢、氢气、一氧化碳及氨气其中任一，又以氢气为较佳。

[0058] 前述实施例中的纳米金属化合物薄膜2可为一层也可为复数层，当为复数层时可由氧化物、氮化物、碳化物及硫化物交替涂布。

[0059] 请参阅图1a、3、4，为本发明散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法，包含下列步骤：

[0060] 步骤S1：提供一散热单元；

[0061] 提供一散热单元1，所述散热单元可为散热器(如图1a所示)、均温板(如图1b所示)、散热鳍片组(如图1c所示)、热管(如图1d所示)、回路式热管(如图1e所示)及水冷头(如图1f所示)其中任一，于本实施例以散热器作为实施说明。

[0062] 步骤S2：于前述散热单元表面涂布至少一纳米氧化物涂层；

[0063] 于前述散热单元1(散热器)表面涂布至少一纳米氧化物涂层6，前述氧化物选自于氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钙(CaO)、氧化钾(K2O)及氧化锌(ZnO)所组成的群组，所述纳米氧化物涂层6可为一层也可为复数层，当为复数层时，可由氧化物交互披覆。

[0064] 于进行涂布纳米氧化物涂层6可透过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)及溶胶凝胶法(sol gel)其中任一沉积法；所述溶胶凝胶法可为浸渍拉提法、沉降式、旋转涂布式、涂刷式及沾湿式其中任一。

[0065] 本实施例是以物理气象沉积法(Physical Vapor Depositiom，PVD)作为涂布纳米氧化物涂层6的方法，将该散热单元1表面涂布至少一层纳米氧化物涂层6，该纳米氧化物涂层6厚度约为1nm-100nm，进行物理气相沉积法(PVD)时的散热单元1温度约为150℃。-3
而其靶材的成分为锆或钛，作业环境的真空程度为10 mbar，纳米化合物涂层6将非常致密且平整。

[0066] 步骤S3：于高温环境下通入一还原气体对该散热单元及散热单元表面的纳米氧化物涂层进行还原作业及热处理；

[0067] 将所述散热单元1(散热器)置于高温环境下，并通入还原气体5对该散热单元1表面的纳米氧化物涂层6进行还原作业及热处理，所述还原气体5为硫化氢、氢气、一氧化碳及氨气其中任一，较佳是以氢气作为还原气体5，所述还原温度为600度～1000度，较佳为650度～850度(如图4所示)。

[0068] 步骤S4：于还原作业及热处理后，在前述散热单元形成一纳米金属化合物薄膜。

[0069] 当还原步骤及热处理进行完成后，所述还原气体5(氢气)与该纳米氧化物涂层6及散热单元1产生合金化反应及还原氧化反应，反应完成即于该散热单元1(散热器)形成至少一纳米金属化合物薄膜2。

[0070] 请参阅图1d、5、6、7，为本发明散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法另一实施例，包含下列步骤：

[0071] 步骤S1：提供一具毛细结构的散热单元；

[0072] 提供一具毛细结构114的散热单元1，所述散热单元1可为均温板(如图1b所示)、热管(如图1d所示)、回路式热管(如图1e所示)、水冷头(如图1f所示)、电击流道板、平板式热管其中任一，于本实施例中以热管(如图1d所示)作为说明。

[0073] 步骤S2：于前述散热单元的毛细结构以溶胶凝胶法涂布至少一纳米氧化物涂层；

[0074] 于前述散热单元1(热管)的毛细结构114涂布至少一纳米氧化物涂层6；前述氧化物选自于氧化硅(SiO2)、氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钙(CaO)、氧化钾(K2O)及氧化锌(ZnO)所组成的群组，本实施例以氧化铝(Al2O3)作为说明，所述纳米氧化物涂层6可为一层也可为复数层，当为复数层时，可由氧化物交互披覆；所述涂布纳米氧化物涂层6是以溶胶凝胶法(sol gel)施以涂布；所述溶胶凝胶法可为浸渍拉提法、沉降式、旋转涂布式、涂刷式及沾湿式其中任一。

[0075] 本实施例是使用溶胶凝胶法的浸渍拉提法进行涂布纳米氧化物涂层6作业，但并不引以为限，该溶胶凝胶法是选自由氧化铝(Al2O3)颗粒浸泡于水溶液3中，并令所述水溶液3及前述氧化铝(Al2O3)颗粒一同注入一槽体4内均匀混合分散，其后将所述散热单元1具有的毛细结构114的部位浸泡于前述槽体4的水溶液3中，并将该散热单元1静置于槽体4的水溶液3中，最后再将该散热单元1从水溶液3中取出或将水溶液3全数由槽体4中漏除，令前述氧化铝(Al2O3)颗粒附着于该毛细结构114表面(如图6所示)

[0076] 步骤S3：于高温环境下通入一还原气体对该散热单元的毛细结构及纳米氧化物涂层进行还原作业；

[0077] 将所述散热单元1置于高温环境下，并通入还原气体5对该散热单元1的毛细结构114及纳米氧化物涂层6进行还原作业及热处理，所述还原气体5为硫化氢、氢气、一氧化碳及氨气其中任一，较佳是以氢气作为还原气体，所述还原温度为600度～1000度，较佳为650度～850度。

[0078] 步骤S4：于还原作业及热处理后，在前述散热单元的毛细结构形成一纳米金属化合物薄膜。

[0079] 当还原步骤进行完成后，所述还原气体5(氢气)与该纳米氧化物涂层6及毛细结构114产生还原氧化反应及合金化反应，反应完成即于该散热单元1的毛细结构114形成至少一纳米金属化合物薄膜2。

[0080] 上述实施例中所使用的氧化铝(Al2O3)是由忠信科技顾问公司(台湾)所提供的纳米溶胶表面预处理剂，产品编号A-100，其主要成分为氧化铝(Al2O3)纳米粒子，粒径≤10nm，含量1.0％；产品特性：

[0081] 比重1.01±0.03，闪火点＞100℃，外观无色透明，pH值7.0±0.5；操作温度10-40℃。

[0082] 于上述各实施例的散热单元的抗氧化纳米薄膜沉积方法进行完成后，透过X光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)对所得纳米金属化合物薄膜结构作分析，针对X光电子能谱分析使用设备的明细如下：

[0083] 名称：PERKIN ELMER(USA)

[0084] 电压：15KV

[0085] 瓦数：300W

[0086] 真空度：2.5*10-9torr

[0087] X光电子能谱分析包含下列步骤：

[0088] 步骤1：先进行表面全区域SCAN(Spot Size：0.1 )；

[0089] 步骤2：向下Etching至10 及500 分别进行Multiplex(Local Scan)(SpotSize：0.05 )；

[0090] 步骤3：与标准图谱进行比对及定量分析；

[0091] 请参阅图8、13为透过X光电子能谱对试片表面作全区域的扫描，在其中可知道材料表面有铜、铝及氧等成分。

[0092] 请参阅图9、12为透过X光电子能谱针对铜元素的键结能(binding energy)区域作局部的扫描，并往材料内部蚀刻1nm及50nm的深度作局部扫描。由图12可知，材料表面有一层不到1nm的氧化铜，但材料的内部1nm以后即是铜的成分。

[0093] 请参阅图10、11、14为透过X光电子能谱针对铝元素的键结能(bindingenergy)区域作局部的扫描，并往材料内部蚀刻1nm及50nm的深度，并作局部扫描，由图可知，材料表面有一层氧化铝化合物(77.44eV)，这一层化合物是氧化铝及氧化铜的化合物(如图11所示)，当往下蚀刻1nm时，出现氧化铝74.86，再往下蚀刻50nm时，一样是氧化铝(如图14所示)。

[0094] 综上述分析可知，由于氧化铝的溶胶是一种很强的氧化剂，当涂布于铜的表面时，很容易使铜氧化，由其是在高温时特别明显。当在高温下使用氢气还原具有氧化铜及氧化铝的散热元件时，表面的氧化铜会被还原并与氧化铝(如图8所示)形成化合物CuAlxOx，这层化合物可以阻止铜的氧化，形成所谓抗氧化纳米薄膜。

[0095] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。