超薄均熱板之接合技術發展：材料世界網

許嘉政／工研院材化所

目前超薄均熱板被視為5G高傳輸設備之最佳散熱方案。超薄均熱板是利用內部兩相蒸發和冷凝之現象，來將熱量被動地傳遞到整個均熱板平面上。超薄均熱板為了可以廣泛地使用在5G電子設備上，就必須降低製造成本和可以大量生產。目前超薄均熱板之接合技術，包含擴散接合、雷射焊接和共晶接合，但這些接合技術對於超薄均熱板造成製造工藝複雜化、低生產效率和高製造成本之限制性。本文將對目前超薄均熱板之殼體接合技術做進一步整理及介紹，並且進行優劣性之分析；最後介紹工研院材化所高階熱管理設計與應用研究室開發的超薄均熱板之低溫固液擴散接合(Solid-Liquid Interdiffusion Bonding)技術，此技術可大幅降低製造成本，並達到施行大批量生產之需求。

【內文精選】

前　言

隨著國內5G業者陸續開台，宣告台灣正式進入5G世代，帶動5G相關應用之龐大商機。而另一方面，今年全球遭逢新冠肺炎(COVID-19)襲擊，各產業也面臨到嚴重的挑戰。新冠肺炎疫情想要使之減緩及抑制，可能需等待疫苗的成功開發及接種後才能有效控制，故保持社交距離、配戴口罩和減少人際接觸等政策仍會持續進行。在此情況下，隨疫情而產生5G新興應用，如零接觸的視訊醫療經濟產業，將會快速崛起，用於影音和娛樂領域之宅經濟商機也會加速爆發。因此台灣的散熱產業必須在伺服器、手機、筆電和遊戲機等散熱市場進一步多元布局搶得先機。由於5G高頻特性，裝置內的高功率零組件數量增多，故5G電子產品走向輕薄化及高發熱量之趨勢，而其裝置之散熱運用空間會有一定程度的限制。因此目前世界散熱模組廠商皆朝著薄型散熱元件，如超薄的熱管(Heat Pipe)及超薄的均熱板(Vapor Chamber; VC)等方向發展。

超薄均熱板(Ultra-thin Vapor Chamber; UTVC)利用內部兩相蒸發和冷凝來在平面上被動地傳遞熱量。均熱板即使在高熱通量之應用中，也能展現其在平面上實現高效率之熱量傳遞，且無需任何移動組件。在超薄均熱板之厚度大於0.25 mm的應用中，相同的溫度差，其均熱板之等效熱傳導係數可達到數千W/m·K，可以有效地傳導比銅或鋁高數十倍的熱量。另外跟散熱石墨片相比，在XY平面和Z軸方向之導熱性則具有全面性之優勢。因5G高速傳輸裝置具有高傳輸速率和資料量龐大之特點，故5G之裝置必須要有好的散熱效率之散熱元件設計。目前4G旗艦機種是用厚度0.35 mm的超薄均熱板散熱方案，而5G旗艦手機主要朝厚度0.30 mm超薄均熱板為目標，中階機型則是使用超薄熱管並且搭配石墨散熱片為輔之散熱組合方案，至於低階機型主要利用石墨散熱片為主。

超薄均熱板之接合技術

超薄均熱板為了可以廣泛的使用在5G電子設備上，就必須降低製造成本且可以大量生產。在目前主要用於接合均熱板上的接合技術，包含擴散接合(Diffusion Bonding)、雷射焊接(Laser Welding)、共晶接合(Eutectic Bonding)。

1. 擴散接合

均熱板的上下殼體板材四周利用高溫擴散接合是業界常見的一種接合方法，因為此種接合方法可以使均熱板殼體材料的接合強度較強，但擴散接合花費相對比較高。擴散接合是一種壓力焊接方法，其中將要焊接的兩材料物件緊密接觸，並在一定的溫度和壓力下保持足夠的時間，使原子在接觸面之間相互擴散，進而完成焊接過程。

圖一為Zhaoshu Chen等人使用擴散接合之技術將超薄均熱板殼體材料頂板、銅網和底板一起焊接。製程為將超薄均熱板之殼體底板、毛細結構之銅網和頂板放在靜態模具中，再用動態模具覆蓋，然後將整個模具組件放入熱壓爐中，施加5 MPa的壓力，並在保護氣氛下將爐子加熱到850˚C持溫持壓15分鐘，可完成擴散接合之製程工作。

圖一、超薄均熱板之擴散接合製程

4. 低溫固液擴散(SLID)接合技術

低溫固液擴散(Solid-Liquid Interdiffusion; SLID)接合技術是本研究室重點開發的超薄均熱板之低溫接合技術，藉由低溫SLID技術，取代傳統之高溫擴散接合，徹底解決其必須在高真空環境下，製程反應時間偏長、效率不佳之問題，低溫SLID技術可大幅降低製造成本，並達到施行大批量生產之需求。

SLID接合是一種基於金屬間化合物(Intermetallic Compound; IMC)作為接合介質的技術，可作為共晶接合之替代方法。SLID接合在操作溫度和所用材料方面類似共晶接合，但具有較出色的熱穩定性，且接合後形成的IMC層熔點溫度會超過接合製程溫度，因此可以在低溫接合製程中施行接合工作，並且在高溫環境應用使用。

SLID接合的原理如圖四所示，在上下層之高熔點金屬材料中間夾一層低溫熔點金屬材料，在經一固定壓力，且加熱至高於低溫熔點金屬材料之熔化溫度，金屬會相互擴散形成高熔點的金屬間化合物…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。