TWI565373B - 相變化導熱式之電路板模組及其電路板結構 - Google Patents

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Description

相變化導熱式之電路板模組及其電路板結構
本發明是有關一種電路板，且特別是有關於一種相變化導熱式之電路板模組及其電路板結構。
目前常見的電子產品，例如手機與筆記型電腦，在微型化的趨勢下，整體的封裝模組堆疊密度越來越高。因此，電子產品的功能越來越多，而所消耗的功率也越來越大，以至於電子產品在運作時會產生很多熱能，從而增加電子產品的溫度。據此，為了減少電子產品因為溫度過高而致使電子產品的可靠度下降，通常於電路板上設計銅柱作為電子元件的散熱路徑。
然而，上述設有銅柱之電路板所具備之散熱效率已逐漸不敷使用，因此，如何提升電路板的散熱效率已成為業內研發的主要課題之一。於是，本發明人有感上述缺失之可改善，乃特潛心研究並配合學理之運用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。
本發明實施例在於提供一種相變化導熱式之電路板模組及其電路板結構，其能有效地提升電路板結構之散熱效率。
本發明實施例提供一種相變化導熱式之電路板模組，包括：一電路板結構，包含：一板件，其具有兩板面及至少一訊號傳輸線路，且該板件形成有一容置槽；及一導熱件，包含：一封閉狀 的熱管，其內設有一工作流體，該熱管設置於該容置槽內且未突伸出該板件之該兩板面，該熱管與該容置槽之間留有一空隙；及一未包含玻璃纖維的樹脂，其充填於該熱管與該容置槽之間的該空隙，且該樹脂大致無間隙地相連於該熱管與該容置槽，而該熱管與該訊號傳輸線路呈彼此電性隔絕；一發熱件，其抵接於該電路板結構的導熱件，且該熱管鄰近於該發熱件的部位定義為一吸熱端部；以及一冷卻件，其抵接於該電路板結構的導熱件，且該熱管鄰近於該冷卻件的部位定義為一放熱端部；其中，該吸熱端部內之工作流體呈液相且用以吸收該發熱件所產生之熱能而蒸發成氣相工作流體，以使該熱管內產生局部高壓，驅使該氣相工作流體流向該放熱端部；該氣相工作流體能於該放熱端部受該冷卻件之冷卻而凝結成液相工作流體，並迴流至該吸熱端部。
本發明實施例另提供一種電路板結構，包括：一板件，其具有兩板面及至少一訊號傳輸線路，且該板件形成有一容置槽；以及一導熱件，包含：一封閉狀的熱管，其內設有一工作流體，該熱管設置於該容置槽內且未突伸出該板件之該兩板面，該熱管與該容置槽之間留有一空隙，而該熱管定義有一吸熱端部及一放熱端部；及一未包含玻璃纖維的樹脂，其充填於該熱管與該容置槽之間的該空隙，且該樹脂大致無間隙地相連於該熱管與該容置槽，而該熱管與該訊號傳輸線路呈彼此電性隔絕；其中，該吸熱端部內之工作流體呈液相且用以吸收熱能而蒸發成氣相工作流體，以使該熱管內產生局部高壓，驅使該氣相工作流體流向該放熱端部；該氣相工作流體能於該放熱端部受冷卻而凝結成液相工作流體，並迴流至該吸熱端部。
綜上所述，本發明實施例所提供的相變化導熱式之電路板模組及其電路板結構，其使發熱件所產生之熱能經由埋置於電路板結構內的熱管而能快速地傳遞到冷卻件，進而提升電路板結構之散熱效率。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
100‧‧‧相變化導熱式之電路板模組
1‧‧‧電路板結構
11‧‧‧板件
110‧‧‧板材
111‧‧‧第一板面
112‧‧‧第二板面
113‧‧‧訊號傳輸線路
114‧‧‧容置槽
115、115’‧‧‧凹槽
12‧‧‧導熱件
121‧‧‧熱管
121a‧‧‧吸熱端部
121b‧‧‧放熱端部
1211‧‧‧管材
1212‧‧‧毛細結構
1213‧‧‧工作流體
1213a‧‧‧液相工作流體
1213b‧‧‧氣相工作流體
1214‧‧‧第一主表面
1215‧‧‧第二主表面
1216‧‧‧環側面
122‧‧‧樹脂
123‧‧‧傳導體
2‧‧‧發熱件
3‧‧‧冷卻件
200‧‧‧壓合模具
圖1為本發明相變化導熱式之電路板模組的立體示意圖。
圖2為圖1沿A-A剖線的剖視示意圖。
圖3為圖1沿B-B剖線的剖視示意圖。
圖4為本發明電路板結構製造方法的步驟S101之示意圖。
圖5為本發明電路板結構製造方法的步驟S103之示意圖。
圖6為本發明電路板結構製造方法的步驟S105之示意圖。
圖7為本發明電路板結構製造方法的步驟S107之示意圖。
圖8為本發明電路板結構製造方法的步驟S109之示意圖。
圖9為本發明電路板結構另一實施態樣的示意圖。
圖10為對應於圖7的電路板模組之立體示意圖。
圖11為對應於圖7的電路板模組另一視角之立體示意圖。
圖12為圖10沿C-C剖線的剖視示意圖。
圖13為本發明電路板模組另一實施態樣的示意圖。
圖14為對應於圖8的電路板模組之示意圖。
請參閱圖1至圖3，其為本發明的一實施例，需先說明的是，本實施例對應圖式所提及之相關數量與外型，僅用以具體地說明本發明的實施方式，以便於了解其內容，而非用以侷限本發明的權利範圍。
本實施例為一種相變化導熱式之電路板模組100，包括一電路板結構1以及安裝於電路板結構1上的一發熱件2與一冷卻件3。上述發熱件2與冷卻件3裝設於電路板結構1上，以透過電路板結構1將發熱件2所產生之熱能傳送至冷卻件3。其中，所述發熱 件2可以是晶片或電阻等發熱元件，而冷卻件3可以是散熱鰭片或致冷晶片等冷卻元件，在此不加以侷限。
下述將先說明電路板結構1的具體構造，而後再說明電路板結構1對應於發熱件2與冷卻件3之相對關係。
所述電路板結構1包含有一板件11與嵌設於板件11內的一導熱件12。其中，本實施例的板件11是指不可彎折之硬板，亦即主要是以預浸材料層(Preimpregnated Material)來形成，而依照不同的增強材料來分，預浸材料層可以是玻璃纖維預浸材(Glass fiber prepreg)、碳纖維預浸材(Carbon fiber prepreg)、環氧樹脂(Epoxy resin)等材料。再者，上述板件11在本實施例中是以積層板為例，並且為便於說明，下述將積層板視為單一構件作介紹，但本發明之板件11不以積層板為限。
所述板件11具有位於相反側的兩板面111、112(如圖1中的板件11頂面與底面，下述將其稱之為第一板面111與第二板面112，以便於說明)，並且板件11具有至少一訊號傳輸線路113，用以作為訊號傳遞之用。
再者，所述板件11形成有一容置槽114，上述容置槽114可以自第一板面111與第二板面112其中之一凹設所形成，而圖2中的容置槽114是以自第一板面111凹設為例。並且容置槽114呈長條狀，而容置槽114的長軸方向(如圖2的水平方向)大致平行於上述第一板面111與第二板面112。此外，由於板件11的其他特徵(如：貫孔、線路佈局)並非本發明所欲強調的技術特徵，因而在此不加以贅述。
所述導熱件12包含有一封閉狀的熱管(heat pipe)121以及一未包含有玻璃纖維的樹脂122。其中，上述熱管121大致呈扁平狀，且其輪廓大致對應於板材110的容置槽114，但熱管121的尺寸需略小於所述板材110的容置槽114。並且所述熱管121具有一管材1211(如：銅管)、設於管材1211內壁的一毛細結構1212、及容置 於管材1211內的一工作流體1213(如：水)。須說明的是，熱管121於本實施例中是以直條狀為例，但於實際應用時，熱管121的外型可依設計者需求而加以調整，舉例來說，熱管121亦可彎折成L型(圖略)。
所述熱管121設置於板件11的容置槽114內且未突伸出板件11之第一板面111與第二板面112。再者，熱管121與容置槽114之間留有一空隙，而熱管121與板件11的訊號傳輸線路113呈電性隔絕。所述樹脂122充填於熱管121與容置槽114之間的空隙，且樹脂122大致無間隙地相連於熱管121與容置槽114，以使熱管121能穩定地嵌合於板件11內。
更詳細地說，所述熱管121定義有一吸熱端部121a及一放熱端部121b。其中，上述吸熱端部121a於本實施例中是指：當發熱件2安裝於導熱件12上時，熱管121鄰近於發熱件2的部位(如圖2中熱管121的左端部位)。而所述放熱端部121b於本實施例中是指：當冷卻件3安裝於導熱件12上時，熱管121鄰近於冷卻件3的部位(如圖2中熱管121的右端部位)。
換個角度來說，所述熱管121的外表面包含有兩相對的主表面1214、1215及一圍繞連接於上述兩主表面1214、1215周緣的一環側面1216。為便於說明，該兩主表面1214、1215於下述稱之為第一主表面1214與第二主表面1215。其中，熱管121的第一主表面1214顯露於板件11的第一板面111之外，而熱管121的第二主表面1215與環側面1216則包覆於樹脂122並埋置於板件11之中。
再者，上述顯露於板件11第一板面111之外的熱管121第一主表面1214與樹脂122表面，其與板件11的第一板面111大致呈共平面設置，也就是說，熱管121的吸熱端部121a之第一主表面1214部位及樹脂122裸露於外的表面皆大致與板件11的第一板面111大致呈共平面設置，而所述放熱端部121b之第一主表面 1214部位及樹脂122裸露於外的表面亦大致與板件11的第一板面111大致呈共平面設置。
以上為本實施例電路板結構1的技術特徵說明，以下將簡述電路板結構1的製造方法及上述電路板結構1的部分變化態樣，以便於進一步了解本實施例所指之電路板結構1。請參閱圖4至圖6所示，其以電路板結構1的橫切面(相當於圖1中電路板結構1沿B-B剖線之示意圖)來輔助說明電路板結構1製造方法的相關步驟。
再者，為便於理解，圖4以後的各個圖式之熱管121以單體呈現，不再顯示其細部構造，也就是說，管材1211、毛細結構1212、及工作流體1213不再特地顯示與標示，以避免圖式整體過於複雜而不便於理解。
步驟S101：如圖4所示，將用以壓合成型板件11的數層板材110，其中部分板材110於彼此對應之部位預先留有孔洞。該些層的板材110在堆疊成所述板件11之後，上述孔洞相互連通而使板件11形成有所述容置槽114之構造，也就是說，所述孔洞之孔壁構成容置槽114之側壁。其後，將熱管121置入於所述板件11的容置槽114內。
步驟S103：如圖5所示，在熱管121與板件11的容置槽114之間注入樹脂122，以使熱管121與板件11的容置槽114之間被樹脂122所填滿。其後，冷卻樹脂122以達到排除其內氣泡的效果。接著，在高溫壓合電路板結構1的過程中，以一壓合模具200同時施壓於板件11的第一板面111與第二板面112以及熱管121裸露於第一板面111之外的第一主表面1214，而受壓迫的板件11與熱管121將使部分樹脂122流出，進而令所述電路板結構1整體不易在高溫壓合的過程中產生翹曲。
步驟S105：如圖6所示，在電路板結構1成型預設的各種電路構造，如：在電路板結構1的第一板面111或第二板面112成 型預設之線路圖案，或在電路板結構1成型有貫孔(via)。藉此，圖6所呈現電路板結構1的剖面即相當於圖1中的電路板結構1沿B-B剖線之剖面。也就是說，於實施步驟S105之後所成型的電路板結構1，其即可被運用來安裝發熱件2與冷卻件3。然而，電路板結構1亦可透過進一步地加工，而呈現出不同的實施型態，下述以圖7和圖8作為舉例說明，但不侷限於此。
步驟S107：如圖7所示，在完成步驟S105之後，在遠離熱管121的第二板面112，其對應吸熱端部121a之位置朝吸熱端部121a第二主表面1215方向加工成型一凹槽115，換言之，電路板結構1於熱管121的吸熱端部121a之第二主表面1215與板件11的第二板面112之間形成有上述凹槽115，且該凹槽115的尺寸需使發熱件2能置於其內。
其中，上述電路板結構1凹槽115的加工方式可以是化學蝕刻或非化學蝕刻(如：雷射鑽孔、電漿蝕刻、或銑床)，在此不加以限制。再者，於實施步驟S107之後所成型的電路板結構1，其即可被運用來安裝發熱件2與冷卻件3。
步驟S109：如圖8所示，在完成步驟S107之後，在所述電路板結構1的凹槽115內充填一傳導體123，上述傳導體123於本實施例中是指將金屬離子(如：銅離子)鍍設於凹槽115內，據以形成實心的柱狀構造。也就是說，所述導熱件12能進一步具有傳導體123。同樣地，於實施步驟S109之後所成型的電路板結構1，其即可被運用來安裝發熱件2與冷卻件3。
補充說明一點，本實施例所述之各個步驟，在合理的情況下是能將步驟之順序加以調整，換言之，本實施例並不以上述的步驟順序為限。舉例來說，設計者可將上述凹槽115對應地成形於放熱端部121b，或者，設計者可透過適當變更上述步驟而將電路板結構1成型為如圖9所示之構造。
以上為本實施例電路板結構1的大致說明，下述將接著介紹 電路板結構1對應於發熱件2與冷卻件3之相對關係。並且，電路板結構1將分別以圖1、圖7、和圖8所呈現之構造來作為電路板結構1與發熱件2、冷卻件3之相對關係說明。而圖1、圖7、和圖8所呈現之構造的相同處將不再複述。
請參閱圖1、圖2、及圖3，所述發熱件2與冷卻件3抵接於電路板結構1的導熱件12，並且發熱件2透過例如是打線之方式而與電路板結構1之訊號傳輸線路113達成電性連接。進一步地說，所述發熱件2抵接於熱管121吸熱端部121a裸露於第一板面111之外的第一主表面1214，而冷卻件3則抵接於熱管121放熱端部121b裸露於第一板面111之外的第一主表面1214，並且發熱件2與冷卻件3間隔有一預定距離。更詳細地說，所述發熱件2一同抵接於熱管121的吸熱端部121a上之第一主表面1214及其旁共平面的板件11之第一板面111。而所述冷卻件一同抵接於熱管121的放熱端部121b上之第一主表面1214及其旁共平面的板件11之第一板面111。
須說明的是，有關本實施例所述之發熱件2、冷卻件3兩者與熱管121的『抵接』方式，可以是直接地抵接於熱管121，或者是透過導熱膠等具有黏接效果之元件間接地連接於熱管121，在此不加以限制。
請參閱圖7、圖10圖12，所述發熱件2至少部分埋置於電路板結構1的凹槽115內，進而抵接於熱管121的吸熱端部121a上之第二主表面1215，藉以達到降低所述電路板模組100高度之效果。並且發熱件2透過例如是打線之方式而與電路板結構1之訊號傳輸線路113達成電性連接。而冷卻件3則抵接於熱管121放熱端部121b裸露於第一板面111之外的第一主表面1214。
此外，如圖13所示，電路板結構1亦可在第二板面112對應放熱端部121b之位置朝放熱端部121b上的第二主表面1215方向加工成型另一凹槽115’，而所述冷卻件3至少部分埋置於該凹槽 115’內，進而抵接於熱管121的放熱端部121b上之第二主表面1215。再者，容置槽114能設計位於第一板面111與第二板面112之間，並且以使導熱件12之熱管121能被埋置板件11內。
請參閱圖8及圖14，所述發熱件2抵接於傳導體123，藉以透過傳導體123而將其所產生之熱能傳遞至熱管121的吸熱端部121a。並且發熱件2透過例如是打線之方式而與電路板結構1之訊號傳輸線路113達成電性連接。
須強調的是，不論是本發明的何種態樣之電路板結構1，其皆具有下述特徵(請參閱圖2所示)：熱管121吸熱端部121a內之工作流體1213呈液相且用以吸收發熱件2所產生之熱能而蒸發成氣相工作流體1213b，以使熱管121內產生局部高壓，驅使氣相工作流體1213b在毛細結構1212內側之空間流向放熱端部121b；所述氣相工作流體1213b能於放熱端部121b受冷卻件3之冷卻而凝結成液相工作流體1213a，並沿著毛細結構1212迴流至吸熱端部121a。
[本發明實施例的可能效果]
綜上所述，本發明實施例所提供的相變化導熱式之電路板模組，其透過電路板結構埋置有熱管，來使發熱件所產生之熱能經由熱管而能快速地傳遞到冷卻件，進而提升電路板結構之散熱效率。
再者，透過未包含玻璃纖維的樹脂來連接熱管與板件的容置槽，以使熱管能夠穩定地埋置於板件中，而不易使電路板結構整在高溫壓合的過程中產生翹曲。
以上所述僅為本發明之較佳可行實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100‧‧‧相變化導熱式之電路板模組
1‧‧‧電路板結構
11‧‧‧板件
111‧‧‧第一板面
112‧‧‧第二板面
113‧‧‧訊號傳輸線路
12‧‧‧導熱件
121‧‧‧熱管
121a‧‧‧吸熱端部
121b‧‧‧放熱端部
122‧‧‧樹脂
2‧‧‧發熱件
3‧‧‧冷卻件

Claims (8)

  1. 一種相變化導熱式之電路板模組，包括：一電路板結構，包含：一板件，其具有兩板面及至少一訊號傳輸線路，且該板件形成有一容置槽；及一導熱件，包含：一封閉狀的熱管，其內設有一工作流體，該熱管設置於該容置槽內且未突伸出該板件之該兩板面，該熱管與該容置槽之間留有一空隙；及一未包含玻璃纖維的樹脂，其充填於該熱管與該容置槽之間的該空隙，且該樹脂大致無間隙地相連於該熱管與該容置槽，而該熱管與該訊號傳輸線路呈彼此電性隔絕；一發熱件，其抵接於該電路板結構的導熱件，且該熱管鄰近於該發熱件的部位定義為一吸熱端部；以及一冷卻件，其抵接於該電路板結構的導熱件，且該熱管鄰近於該冷卻件的部位定義為一放熱端部；其中，該吸熱端部內之工作流體呈液相且用以吸收該發熱件所產生之熱能而蒸發成氣相工作流體，以使該熱管內產生局部高壓，驅使該氣相工作流體流向該放熱端部；該氣相工作流體能於該放熱端部受該冷卻件之冷卻而凝結成液相工作流體，並迴流至該吸熱端部；其中，該電路板結構於該熱管的吸熱端部表面與該板件的其中一板面之間形成有一凹槽，該發熱件至少部分埋置於該凹槽內而抵接於該熱管的吸熱端部。
  2. 一種相變化導熱式之電路板模組，包括：一電路板結構，包含： 一板件，其具有兩板面及至少一訊號傳輸線路，且該板件形成有一容置槽；及一導熱件，包含：一封閉狀的熱管，其內設有一工作流體，該熱管設置於該容置槽內且未突伸出該板件之該兩板面，該熱管與該容置槽之間留有一空隙；及一未包含玻璃纖維的樹脂，其充填於該熱管與該容置槽之間的該空隙，且該樹脂大致無間隙地相連於該熱管與該容置槽，而該熱管與該訊號傳輸線路呈彼此電性隔絕；一發熱件，其抵接於該電路板結構的導熱件，且該熱管鄰近於該發熱件的部位定義為一吸熱端部；以及一冷卻件，其抵接於該電路板結構的導熱件，且該熱管鄰近於該冷卻件的部位定義為一放熱端部；其中，該吸熱端部內之工作流體呈液相且用以吸收該發熱件所產生之熱能而蒸發成氣相工作流體，以使該熱管內產生局部高壓，驅使該氣相工作流體流向該放熱端部；該氣相工作流體能於該放熱端部受該冷卻件之冷卻而凝結成液相工作流體，並迴流至該吸熱端部；其中，該電路板結構於該熱管的吸熱端部表面與該板件的其中一板面之間形成有一凹槽，該導熱件具有一柱狀傳導體，該傳導體充填於該凹槽內，該發熱晶片抵接於該傳導體。
  3. 一種相變化導熱式之電路板模組，包括：一電路板結構，包含：一板件，其具有兩板面及至少一訊號傳輸線路，且該板件形成有一容置槽；及一導熱件，包含： 一封閉狀的熱管，其內設有一工作流體，該熱管設置於該容置槽內且未突伸出該板件之該兩板面，該熱管與該容置槽之間留有一空隙；及一未包含玻璃纖維的樹脂，其充填於該熱管與該容置槽之間的該空隙，且該樹脂大致無間隙地相連於該熱管與該容置槽，而該熱管與該訊號傳輸線路呈彼此電性隔絕；一發熱件，其抵接於該電路板結構的導熱件，且該熱管鄰近於該發熱件的部位定義為一吸熱端部；以及一冷卻件，其抵接於該電路板結構的導熱件，且該熱管鄰近於該冷卻件的部位定義為一放熱端部；其中，該吸熱端部內之工作流體呈液相且用以吸收該發熱件所產生之熱能而蒸發成氣相工作流體，以使該熱管內產生局部高壓，驅使該氣相工作流體流向該放熱端部；該氣相工作流體能於該放熱端部受該冷卻件之冷卻而凝結成液相工作流體，並迴流至該吸熱端部；其中，該熱管的吸熱端部表面大致與該板件的其中一板面大致呈共平面設置，且該發熱件一同抵接於該熱管的吸熱端部表面及其旁共平面的板件之板面。
  4. 如請求項1至3中任一請求項所述之相變化導熱式之電路板模組，其中，該板件為積層板，該容置槽位於該兩板面之間，且該導熱件埋置該板件內。
  5. 如請求項1至3中任一請求項所述之相變化導熱式之電路板模組，其中，該熱管的放熱端部表面大致與該板件的其中一板面大致呈共平面設置，並且該冷卻件抵接於該熱管的放熱端部表面。
  6. 一種電路板結構，包括： 一板件，其具有兩板面及至少一訊號傳輸線路，且該板件形成有一容置槽；以及一導熱件，包含：一封閉狀的熱管，其內設有一工作流體，該熱管設置於該容置槽內且未突伸出該板件之該兩板面，該熱管與該容置槽之間留有一空隙，而該熱管定義有一吸熱端部及一放熱端部；及一未包含玻璃纖維的樹脂，其充填於該熱管與該容置槽之間的該空隙，且該樹脂大致無間隙地相連於該熱管與該容置槽，而該熱管與該訊號傳輸線路呈彼此電性隔絕；其中，該吸熱端部內之工作流體呈液相且用以吸收熱能而蒸發成氣相工作流體，以使該熱管內產生局部高壓，驅使該氣相工作流體流向該放熱端部；該氣相工作流體能於該放熱端部受冷卻而凝結成液相工作流體，並迴流至該吸熱端部；其中，該電路板結構於該熱管的吸熱端部表面與該板件的其中一板面之間形成有一凹槽，並且該熱管的放熱端部表面大致與該板件的其中另一板面大致呈共平面設置。
  7. 一種電路板結構，包括：一板件，其具有兩板面及至少一訊號傳輸線路，且該板件形成有一容置槽；以及一導熱件，包含：一封閉狀的熱管，其內設有一工作流體，該熱管設置於該容置槽內且未突伸出該板件之該兩板面，該熱管與該容置槽之間留有一空隙，而該熱管定義有一吸熱端部及一放熱端部；及 一未包含玻璃纖維的樹脂，其充填於該熱管與該容置槽之間的該空隙，且該樹脂大致無間隙地相連於該熱管與該容置槽，而該熱管與該訊號傳輸線路呈彼此電性隔絕；其中，該吸熱端部內之工作流體呈液相且用以吸收熱能而蒸發成氣相工作流體，以使該熱管內產生局部高壓，驅使該氣相工作流體流向該放熱端部；該氣相工作流體能於該放熱端部受冷卻而凝結成液相工作流體，並迴流至該吸熱端部；其中，該熱管的吸熱端部表面大致與該板件的其中一板面大致呈共平面設置，並且該熱管的放熱端部表面大致與該板件的其中另一板面大致呈共平面設置。
  8. 如請求項6或7所述之電路板結構，其中，該板件為積層板，該容置槽位於該兩板面之間，且該導熱件埋置該板件內。
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