CN102201381B - 强化散热的模组化半导体装置 - Google Patents

Abstract

一种强化散热的模组化半导体装置，包括具有腔壁的容器，该容器中形成有腔室，该腔壁具有穿透面使辐射能及/或光线能穿过该容器，该容器包含光学整理区域以收敛、集合或扩散、漫射该辐射能及/或光线，可相变冷媒填充在该腔室中，包括导热单元与毛细单元的蒸发器位于该腔室中，该毛细单元的一部分接触该液相冷媒，半导体元件工作时产生的热经该蒸发器使该液相冷媒蒸发为气相冷媒，在腔壁上凝结，从而将热传递到该腔壁发散至周围环境中，凝结成液相的冷媒经由该蒸发器再次蒸发为气相冷媒，如此藉由该冷媒的相变循环而不断地帮助半导体元件将热发散至周围环境中。

Description

强化散热的模组化半导体装置

技术领域

本发明有关一种散热结构，特别是指一种帮助半导体元件散热的强化散热的模组化半导体装置。

背景技术

半导体元件工作时，需要维持在适当的半导体工作接面温度范围，才能保持良好的效能。例如太阳能电池、发光二极管及热-电半导体元件(例如热-电产生器)，在高温的半导体工作接面温度下，会导致其工作效率变差，发光二极管还有颜色飘移的问题。尤其是聚光型太阳能电池及高功率发光二极管，其散热能力更显重要。然而公知的金属鱼鳍式散热器对这类高功率元件而言，不但提供的散热能力有限，传导热阻大，而且散热器本身也很庞大笨重。

美国专利号4211581在腔室中填充低沸点的透明液体浸泡太阳光电转换器，藉该太阳光电转换器产生的热加热其周围的透明液体，使其温度上升达到沸点而汽化以带走热量。然而，该液体沸腾的气泡会黏滞在该太阳光电转换器的表面形成阻隔，造成外围的液体无法流入而接触该太阳光电转换器的表面，因此热量无法被快速带走。虽然该液体也能从液面处蒸发，但液体热对流的热阻大，热传递的效率不佳，因此散热的效果不大。此外，浸泡在低沸点透明液体中的太阳光电转换器，因为该低沸点透明液体的液面影响，减少了对幅射能与光线的吸收。

美国专利号4166917提供一种太阳能接收器，其将太阳能电池安装在支撑环上，藉由与该支撑环连接的接脚将该太阳能电池产生的热传递至外部的工作流体导热管，经由该工作流体导热管将热量带走。然而，该工作流体导热管会增加该太阳能接收器的体积，并使结构复杂化，不利于微型化。

美国专利号4491683在腔室中填充气体，光接收器的背面配置散热器，光接收器产生的热经由散热器使该气体在该腔室中对流，进而将热传递至腔壁发散至周围环境。然而，气体热对流的热阻大，热传递的效率不高，因此散热的效果不佳。

发明内容

本发明解决的技术问题是，提供一种强化散热的模组化半导体装置，能够为半导体元件提供良好散热，同时能够收敛、集合或扩散、漫射辐射能及/或光线。

本发明的技术解决方案是：

一种强化散热的模组化半导体装置，其中，该半导体装置包括：

具有腔壁的容器，该容器中形成有腔室，该腔壁具有穿透面，以使辐射能及/或光线能穿过该容器，该容器包含光学整理区域，以收敛、集合或扩散、漫射该辐射能及/或光线；

该腔室中的液相冷媒；

蒸发器，位于该腔室中，该蒸发器的一部分接触该液相冷媒，该液相冷媒受该蒸发器加热而挥发成为气相冷媒填充在该腔室中，在该腔壁上凝结恢复为液相冷媒；以及

具有主动面的半导体元件，该半导体元件设于在该腔室中并热连接该蒸发器，该主动面曝露在该液相冷媒外。

本发明的一种强化散热的模组化半导体装置包括具有腔室的容器，可相变的冷媒填充在该腔室中，包括导热单元及毛细单元的蒸发器位于该腔室中，以及具有主动面的半导体元件在该腔室中热连接该蒸发器，该毛细单元的一部分接触液相冷媒。

该毛细单元包括导热毛细板、芯线或其二者的结合。

该半导体元件的主动面包括该半导体元件吸收或放射辐射能及/或光线的表面。

该腔壁具有穿透面使该辐射能及/或光线穿过该容器。

该容器包含光学整理区域以收敛、集合或扩散、漫射该辐射能及/或光线。

该半导体元件工作时产生的热传导至该蒸发器，该液相冷媒受该蒸发器加热而挥发成气相冷媒填充在该腔室中，气相冷媒在相对低温的腔壁上凝结，恢复为液相冷媒，因而将热传递到该腔壁发散至周围环境，凝结成液相的冷媒经由该蒸发器再次蒸发为气相冷媒，如此藉该冷媒的相变循环而不断地帮助半导体元件将热发散至周围环境。

由以上说明得知，本发明确实具有如下的优点：

该半导体元件的主动面曝露在该液相冷媒外，因此对该辐射能及/或光线的吸收或放射，不会受该液相冷媒液面的影响而减少。

该蒸发器提供相对大的可蒸发面积，大幅提高该液相冷媒的蒸发量，因此可快速传导该半导体元件工作时产生的热。

该容器提供相对大的空间容纳气相冷媒，大幅提高液相冷媒的可蒸发量，同时扩大与周围环境接触的表面积，增加了热交换面积，因此大幅提高热的散逸速率。

附图说明

图1为根据本发明的模组化半导体装置的第一实施例示意图；

图2为本发明的蒸发器的上视图；

图3为本发明的蒸发器的分解图；

图4为本发明的导热毛细板结构的实施例示意图；

图5为本发明的导热毛细板结构的实施例示意图；

图6为本发明的导热毛细板结构的实施例示意图；

图7为图1的模组化半导体装置的穿透面与水平面成45度角向下的示意图；

图8为图1的模组化半导体装置的穿透面与水平面平行向上的示意图；

图9为穿透面与光学整理区域的示意图；

图10为根据本发明的模组化半导体装置的第二实施例示意图；

图11为蒸发器的分解图；

图12为图10的模组化半导体装置的穿透面与水平面成45度角向下的示意图；

图13为图10的模组化半导体装置的穿透面与水平面平行向上的示意图；

图14为芯线悬挂重物的示意图；

图15为根据本发明的模组化半导体装置的第三实施例示意图；

图16为根据本发明的模组化半导体装置的第四实施例示意图；

图17为导热毛细板的示意图；

图18为图16的局部区域放大图；

图19为根据本发明的模组化半导体装置的第五实施例示意图；

图20为图19的模组化半导体装置的侧视图；

图21为根据本发明模组化半导体装置的第六实施例示意图；

图22为蒸发器的分解图；

图23为根据本发明的模组化半导体装置的第七实施例示意图。

主要元件标号说明：

本发明：

10：模组化半导体装置  12：容器          13：蒸发器

14：腔室              15：液面          16：腔壁

17：主动面            19：导热毛细板    20：导热单元

21：穿透面            22：液相冷媒      23、24、25：箭头

26：导电线            28：半导体元件    30：无效液相冷媒

32：气相冷媒          35：导热材料      36：毛细材料

37：导热板            38：表面          41：光学处理单元

42：光学整理区域      44：模组化半导体装置  45：蒸发器

46：导热单元          47：箭头              48：芯线

49：导热单元          50：导热毛细板        51：杆状凸出物

52：开孔              53：颈部              54：通孔

55：箭头              56：沟槽              57：容器

58、59：箭头          60、61：模组化半导体装置

62：重物              64：模组化半导体装置  66：导热单元

68：导热毛细板        69：通孔              71：区域

72：局部区域          73：、74、75：通孔    76：抛物面反光集光板

77：模组化半导体装置  78：光学元件          80：模组化半导体装置

82：导热单元          84：蒸发器            86：箭头

88：焦点              90：模组化半导体装置  91：一次集光太阳光

92：光学元件          93：导热毛细板        94：导热单元

95：平面

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明的第一实施例的结构示意图，强化散热的模组化半导体装置10包括容器12，其内具有气密的腔室14填充可相变冷媒，液相冷媒22及气相冷媒32在腔室14中维持动态平衡。液相冷媒22受重力驱使而聚集在腔室14的底部，气相冷媒32则填充在腔室14中。腔壁16由例如玻璃材料、金属材料或其结合所构成，其包括穿透面21，以使辐射能及/或光线穿过容器12，容器12包含光学整理区域42，用以收敛、集合或扩散、漫射该辐射能及/或光线。由导热单元20与导热毛细板19构成的蒸发器13在腔室14中，半导体元件28位于腔室14中并热连接导热单元20，其具有一接受辐射能及/或光线的主动面17，以吸收或放射该辐射能及/或光线，导电线26电连接半导体元件28，另一端穿过容器12作为送电或供电之用。液相冷媒22的量不致浸泡淹没半导体元件28，因此半导体元件28的主动面17曝露在液相冷媒22的液面15之外。导热毛细板19热连接导热单元20，其一部分接触液相冷媒22，藉由毛细作用吸引液相冷媒14移动分布到导热毛细板19，如箭头24所示。半导体元件28工作时产生的热传导至导热单元20，同时加热导热毛细板19，因而使导热毛细板19上的液相冷媒22挥发成为气相冷媒32。在本实施例中，容器12为灯泡状的玻璃容器，穿透面21与水平面平行向下。由于玻璃是持久可靠的气密封装材料，且其加工技术纯熟，材料价格也相对便宜，容器12采用玻璃材料制造，可达到大量及经济的生产要求。

图2为强化散热的模组化半导体装置10的蒸发器的俯视图，图3为强化散热的模组化半导体装置10的蒸发器的分解图，蒸发器13包括导热毛细板19热连接导热单元20，例如将导热毛细板19嵌入导热单元20的沟槽33中。图4至图6为导热毛细板19的三个实施例的剖视图。参考图1至图6，图4的导热毛细板19包括毛细材料36夹在二片导热材料35中的三明治(夹心)结构，导热材料35热连接导热单元20。图5的导热毛细板19包括导热材料35夹在二片毛细材料36中的三明治结构，导热材料35热连接导热单元20。导热材料35包括金属或复合材料，毛细材料36包括对液相冷媒22具有可毛细及润湿的网状物、颗粒粉末或纤维编织物。毛细材料36的边缘设计成稍微凸出于导热材料35的边缘，藉以接近腔壁16而使无效液相冷媒30(例如凝结黏滞在腔壁16上而不能完全回到腔室14的底部成为液相冷媒22的雾或露滴)经毛细作用被吸引至毛细材料36中。图6的导热毛细板19包括导热板37，导热板37具有沟槽、刻痕或粗糙化的表面38，以产生毛细作用吸引液相冷媒22至表面38上。半导体元件28工作时产生的热经导热单元20传导至导热毛细板19的导热材料35或导热板37上，使毛细材料36中或表面38上的液相冷媒22蒸发而带走热。凝结在腔壁16上的无效液相冷媒30或聚集在腔室14底部的液相冷媒22被导热毛细板19吸引并被再次蒸发。由于蒸发器13藉由导热毛细板19吸引液相冷媒22，因此导热毛细板19可视为一毛细单元。

参考图1至图3，吸附在蒸发器13上的液相冷媒22挥发时将热带走，带有潜热的气相冷媒32接触到相对低温的腔壁16时，释放出潜热而凝结成无效液相冷媒30，而将热传递至腔壁16。凝结在腔壁16上的无效液相冷媒30直接受导热毛细板19的吸引，或者受重力驱使回到腔室14的底部成为液相冷媒22再受导热毛细板19吸引，而重复前述的热循环。因为冷媒的相变循环，半导体元件28工作时产生的热不断地传递至腔壁16，再从容器12表面因为自然或强制对流将热散逸至环境中。由于导热毛细板19扩展延伸在导热单元20与腔壁16之间，因此液相冷媒22可被蒸发的表面积很大。腔室14的形状及尺寸可依需求调整。当欲消散的功率较大时，采用较大的腔室14，因而扩大蒸发空间，此外，较大的腔室14腔壁16的表面积较大，因而扩大了容器12裸露在环境中的表面积，增加了热交换面积，进而达到加速半导体元件28工作时热的散逸速率。

由于可相变冷媒的蒸发与凝结发生在几乎相同的温度，因此可在极小的温度差异下吸收及释放大量潜热，具有极低的热传递热阻，是以，腔室14中虽有液相及气相冷媒的动态平衡存在，但其温差有限，模组化半导体装置10的等效热传导系数约为2,000～10,000W/(m×K)，即在一米热传递厚度中，每一平方米热传导面积及每一绝对温度的温差下，热的传导功率约为2,000～10,000瓦特，远超过铝、铜、金、银等金属材料。

可相变冷媒包括水、甲醇、乙醇、丙酮、氨水、氟氯碳化合物(CFCs)或其任二者或更多的混合物，导热单元20包括金属或复合材料制成的热管(heatpipe)或均热板(vapor chamber)，半导体元件28包括光电半导体元件(例如太阳能电池或发光二极管)或热-电半导体元件(例如热-电产生器)。也可以增加隔离物覆盖隔离半导体元件28，使其不接触液相或气相的冷媒，例如以环氧树脂或硅胶水密灌注封装半导体元件28，以持久可靠的保护半导体元件28，使其在液相及气相冷媒动态平衡存在的腔室14中正常工作。

在填充可相变冷媒时，先将腔室14中的空气排除，再注入可相变冷媒，其填充量大于或等于无效液相冷媒30的量、导热毛细板19可吸附的液相冷媒量、可使导热毛细板19润湿的最低液位的液相冷媒量及腔室14中全部饱和蒸发的气相冷媒量的总和，以保持有足够的液相冷媒22供应导热毛细板19及导热单元20，从而进行连续蒸发、凝结的高效率、低热阻的热传递工作。

考虑蒸气容纳空间与最大热传量的关系，当腔室14提供越大的蒸气容纳空间可获得越大的热传递量，因此可相变冷媒在腔室14中形成液气相动态平衡下，无效液相冷媒30的量及聚集在腔室14底部的液相冷媒22的量的总和设计成不大于腔室14的内容积的一半。由于液体的蒸发现象发生在液相与气相接触的表面，且该蒸发现象在大于绝对零度(即-273.16℃)下皆连续进行，因此在设计时，使聚集在腔室14底部的液相冷媒22的液面15不致完全淹没导热单元20与导热毛细板19所构成的蒸发器，以使该蒸发器的表面能连续进行蒸发现象。

图7是模组化半导体装置10的穿透面21与水平面成45度角向下的示意图，图8为模组化半导体装置10的穿透面21与水平面平行而向上的示意图，液相冷媒22受重力的影响流向低处，由于导热毛细板19保持全周接近腔壁16，因此模组化半导体装置10处在任一与水平面所构成的角度下，均能将液相冷媒22吸引至导热毛细板19上，如箭头23或25所示，使模组化半导体装置10在任何倾斜角度下均可使用。

如图9所示，光学处理区域42包括腔壁16的部分区域，该部分区域具有光学处理单元41，例如位于腔壁16的内表面或外表面的光学反光层，以收敛、集合辐射能及/或光线。当半导体元件28为太阳能电池或热-电半导体元件(热-电产生器)时，穿过穿透面21进入容器12的辐射能及/或光线经光学处理单元41反射而收敛、集合至半导体元件28的主动面17上，以作为发电装置之用，藉由光学处理单元41的配置，可增加主动面17接收到的辐射能及/或光线。当半导体元件28为发光二极管时，该发光二极管工作时发出的光线经光学处理单元41反射而收敛、集合从穿透面21投射出光线，以作为投射照明之用。

在另一实施例中，容器12为玻璃容器，光学处理单元41包括位于腔壁16的内表面或外表面的半透明涂层，以扩散、漫射辐射能及/或光线。当半导体元件28为发光二极管时，该发光二极管工作时发出的光线经光学处理单元41扩散、漫射从腔室14穿透漫射出光线，以作为漫射照明之用，此时腔壁16对应穿透面21的区域具有半透明涂层，半透明涂层可位于腔壁16的内表面或外表面，该发光二极管工作时发出的光线经光学处理单元41及穿透面21的扩散、漫射，从腔室14经光学处理单元41及穿透面21漫射出光线。变化地，对相对于光学整理区域42及穿透面21的腔壁16的内表面或外表面，施以氰氟酸侵蚀或喷砂处理，使腔壁16对应光学整理区域42及穿透面21的区域成为具有半透明性质的粗糙表面特征，以扩散、漫射该发光二极管工作时产生的光线。

图10为本发明的第二实施例，模组化半导体装置44的容器12为灯泡状容器，穿透面21与水平面平行并向下。模组化半导体装置44包括由导热单元46、导热毛细板50及芯线48所构成的蒸发装置45(参见图11)，蒸发装置45位于腔室14中，其中导热毛细板50及芯线48构成毛细单元，用以吸引液相冷媒22及无效液相冷媒30。如图11所示，导热单元46具有开孔52、分别连通开孔52的多个通孔54以及沟槽56。参考图10及11，芯线48的一端塞入开孔52中热连接导热单元46，另一端受重力自然下垂而接触聚集在腔室14底部的液相冷媒22，藉由毛细作用吸引液相冷媒14，如箭头47所示，导热毛细板50经由沟槽56与导热单元46形成热连接，导热毛细板50的结构如图4、5或6所示，其具有导热及对液相冷媒14及无效液相冷媒30可毛细及润湿的特性。半导体元件28配置在导热单元46上并与其形成热连接，其主动面17不为液相冷媒22的液面所淹没，导电线26电连接半导体元件28，另一端穿过容器12作为供电或送电之用。半导体元件28工作时产生的热经导热单元46传导至芯线48与其接触的部位及导热毛细板50，芯线48与导热单元46接触的部位上的液相冷媒22受导热单元46加热而蒸发为气相冷媒32并从通孔54逸出，因而将热带走，气相冷媒32接触到腔壁16释放出潜热而凝结成无效液相冷媒30，因而将热传递至腔壁16，凝结在腔壁16上的无效液相冷媒30一部分被导热毛细板50吸引而被再次蒸发，另一部分受重力影响回到腔室14的底部，成为液相冷媒22，再受芯线48的吸引而重复前述的热循环，将半导体元件28工作时产生的热不断地传递至腔壁16，再藉自然或强制对流将热散逸至环境空间。在一实施例中，芯线采用透明材料，例如玻璃或陶瓷纤维编织物，避免其遮蔽半导体元件28的主动面17。

如图12所示，当模组化半导体装置44的穿透面21与水平面成45度角向下时，容器12倾斜，芯线48的末端下垂至腔室14的底部而接触液相冷媒22，将液相冷媒22吸引至芯线48上，箭头58所示，因此模组化半导体装置44的散热功能不受影响。如图13所示，当模组化半导体装置44的穿透面21与水平面平行并向上时，容器12的倾斜角度超过某临界值，液相冷媒22聚集在颈部53，受导热毛细板50吸引，如箭头59所示，半导体元件28工作时产生的热经导热单元46传导至导热毛细板50，使其上吸附的液相冷媒22蒸发而被带走，因此模组化半导体装置44的散热功能仍能维持正常运作。此毛细单元组合芯线48及导热毛细板50的配置，使模组化半导体装置44在任何倾斜角度下均可使用。

图14的模组化半导体装置60是在图10的实施例增加重物62悬挂在芯线48的末端，确保容器12在任何角度下，芯线48的一端均能接触到聚集在腔室14底部的液相冷媒22。

图15是本发明的第四实施例，在模组化半导体装置61中，蒸发器包括导热单元49及芯线48，导热单元49具有杆状凸出物51，芯线48的一端包覆在杆状凸出物51的外面，与导热单元49形成热连接，芯线48的另一端悬挂重物62，使其保持接触聚集在腔室14底部的液相冷媒22，藉毛细作用吸引液相冷媒22向上，如箭头55所示。杆状凸出物51包括由金属或复合材料制成的热管或均热板。

可根据需求调整容器12及蒸发器的形状，例如在图16的实施例中，模组化半导体装置64包括管状的容器57，其具有光学整理区域42，腔壁16包括穿透面21，腔室14中的蒸发器包括导热单元66、芯线48及导热毛细板68，其中芯线48及导热毛细板68构成毛细单元，用以吸引液相冷媒22及无效液相冷媒30(参见图18)。导热单元66具有通孔69及与通孔69相通的多个通孔73，芯线48穿入通孔69中，因而与导热单元66热连接。芯线48的两端部分下垂而接触液相冷媒22，藉由毛细作用吸引部分液相冷媒22由芯线48移动进入通孔69中。多个导热毛细板68将腔室14分隔成数个区域71，导热毛细板68的结构如图4、5或6所示，其具有导热及对液相冷媒22可毛细及润湿的特性。半导体元件28工作时产生的热经导热单元66传导加热与芯线48接触的区域及导热毛细板68，芯线48上的液相冷媒22吸收热而蒸发为气相冷媒32从通孔73逸出，因而将热带走，气相冷媒32接触到腔壁16释放出潜热并在腔壁16上凝结成无效液相冷媒30(参见图18)，因而将热传递至腔壁16，凝结在腔壁16上的无效液相冷媒30(参见图18)一部分被导热毛细板68吸引而被再次蒸发，另一部分受重力影响回到腔室14的底部，成为液相冷媒22并受芯线48的吸引而重复前述的热循环，从而将半导体元件28工作时产生的热不断地传递至腔壁16，再藉由自然或强制对流将热散逸至环境空间。

图17为导热毛细板68的侧视图，图18为图16中局部区域72的放大图。参考图16、17及18，每个导热毛细板68具有通孔75供芯线48穿过，以及多个通孔74供气相冷媒32在不同的区域71中流动，以维持可相变冷媒在腔室14中的液气相动态平衡。导热毛细板68中的毛细材料36或导热板37接触芯线48，因此也可以从芯线48吸引液相冷媒22到导热毛细板68处蒸发。

图19的模组化半导体装置77在图16的实施例增加光学元件78，图20为模组化半导体装置77的侧视图。参考图19及20，光学整理区域42包括一位于腔室14中的抛物面反射集光板76，半导体元件28的主动面17以及光学元件78位于光学整理区域42内。当半导体元件28为太阳能电池或热-电半导体元件(例如热-电产生器)时，经穿透面21进入容器57的辐射能及/或光线经抛物面反射集光板76收敛、集合落在光学元件78上，经光学元件78进行集光、均光后进入主动面17作为发电装置之用。此时抛物面反射集光板76作为辐射能及/或光线的收集器，以增加半导体元件28的主动面17接受到的辐射能及/或光线量，光学元件78包括光学透镜，用以集中并均匀分散该辐射能及/或光线至主动面17，避免该辐射能及/或光线集中在主动面17上的局部区域，而导致半导体元件28损坏。当半导体元件28为发光二极管时，发光二极管工作时发出的光线经光学元件78作第一次收敛聚光，再由抛物面反射集光板76作第二次收敛、集合之后，从腔室14经穿透面21投射出光线，以作为投射照明之用。此时该发光二极管工作时发出的光线经抛物面反射集光板76作第二次收敛、集合以增加聚光效果。

应用在收集太阳光能时，如图21所示，模组化半导体装置80的穿透面21与水平面成45度角而向上，使穿透面21面对太阳。在本实施例中，光学整理区域42包括腔壁16的部分区域，该部分区域具有光学处理单元41，例如位于腔壁16的内表面或外表面的光学反光层，将进入腔室14的太阳光收敛、集合至半导体元件28的主动面17上。如图22所示，蒸发器84包括导热单元82及位于颈部53作为毛细单元的导热毛细板93，导热毛细板93嵌入导热单元82上的沟槽85而热连接导热单元82，导热毛细板93的结构如图4、5或6所示，其具有导热及对液相冷媒22可毛细及润湿的特性。模组化半导体装置80为了接收太阳光而朝上，液相冷媒22聚集在颈部53，因此导热毛细板93能维持接触液相冷媒22并将其吸引至导热毛细板93上，如箭头86所示。

由于半导体元件28的面积小，为了使太阳光能聚集至半导体元件28的主动面17上，在追日聚焦系统上各元件之间要求的高精确度及高造价成本通常难以避免。如图21所示的模组化半导体装置80，由于穿透面21具有较大的透光开口面对着太阳，以及腔壁16对应光学整理区域42的区域具有光学处理单元41(例如位于腔壁16内表面或外表面的光学反光层)，可将进入腔室14的太阳光收敛、集合至半导体元件28的主动面17上，因此降低追日聚焦系统在制造上各元件之间的精确度要求，节省造价成本。

图23为本发明的第七实施例，在模组化半导体装置90中，穿透面21与水平面成45度角并向上，导热单元94具有一面对穿透面21的平面95，半导体元件28在平面95上与导热单元形成热连接，以及光学元件92在半导体元件28的主动面17之前，光学元件92包括光学透镜，用以集中并均匀分散该辐射能及/或光线至主动面。从穿透面21进入腔室14的一次集光太阳光91经聚焦至焦点88附近，藉由光学元件92进行第二次集光、均光将一次集光太阳光91导入半导体元件28的主动面17。由于光学元件92的面积大于半导体元件28的主动面17的面积，因此从穿透面21进入腔室14的一次集光太阳光91经聚焦至焦点88附近，即使光学聚焦装置的些微偏差，也能使大部分经聚焦至焦点88附近的一次集光太阳光91聚集至半导体元件28的主动面17上。此外，腔壁16对应光学整理区域42的区域具有光学处理单元41(例如位于腔壁16内表面或外表面的光学反光层)，能捕捉一次集光太阳光91经聚焦至焦点88附近后进入光学元件92进行第二次集光、均光时的漫反射光，并进行第三次集光再投送至光学元件92以导入半导体元件28的主动面17。

如图23所示的模组化半导体装置90具有多重集光结构装置，可降低模组化半导体装置90在追日聚焦系统上各元件之间要求的精确度及造价成本。另外光学元件92除了具有第二次的光学聚焦作用外，也兼具将高度聚焦后的一次集光太阳光91均匀分散的落在半导体元件28的主动面17上，以避免高度聚焦后的一次集光太阳光91焦点的高温烧毁半导体元件28。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (40)

1.一种强化散热的模组化半导体装置，其特征在于，该半导体装置包括：

具有腔壁的容器，该容器中形成有腔室，该腔壁具有穿透面，以使辐射能及/或光线能穿过该容器，该容器包含光学整理区域，以收敛、集合或扩散、漫射该辐射能及/或光线；

该腔室中的液相冷媒；

蒸发器，位于该腔室中，该蒸发器的一部分接触该液相冷媒，该液相冷媒受该蒸发器加热而挥发成为气相冷媒填充在该腔室中，在该腔壁上凝结恢复为液相冷媒；以及

具有主动面的半导体元件，该半导体元件设于在该腔室中并热连接该蒸发器，该主动面曝露在该液相冷媒外。

2.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该腔壁包括玻璃材料、金属材料其中之一或其结合。

3.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该光学整理区域包括该腔壁的部分区域。

4.如权利要求3所述的模组化半导体装置，其特征在于，该部分区域包括具有氢氟酸侵蚀或喷砂处理过的粗糙表面的玻璃材料。

5.如权利要求3所述的模组化半导体装置，其特征在于，该部分区域包括表面具有半透明涂层的玻璃材料。

6.如权利要求3所述的模组化半导体装置，其特征在于，该部分区域具有光学反光层。

7.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该光学整理区域包括位于该腔室中的抛物面反射集光板。

8.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该穿透面包括具有氢氟酸侵蚀或喷砂处理过的粗糙表面的玻璃材料。

9.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该穿透面包括表面具有半透明涂层的玻璃材料。

10.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该半导体装置还包括位于该腔室中的光学元件，以集中并均匀分散该辐射能及/或光线至该主动面。

11.如权利要求10所述的模组化半导体装置，其特征在于，该光学元件包括光学透镜。

12.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该液相冷媒包括水、甲醇、乙醇、丙酮、氨水、氟里昂其中之一或其中任意二者或以上的混合物。

13.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该蒸发器包括：

导热单元，该导热单元热连接该半导体元件；以及

毛细单元，该毛细单元热连接该导热单元并接触该液相冷媒，藉由毛细作用吸引该液相冷媒移动到该毛细单元，且受该导热单元加热而挥发成为气相冷媒到该腔室中。

14.如权利要求13所述的模组化半导体装置，其特征在于，该导热单元包括热管或均热板。

15.如权利要求13所述的模组化半导体装置，其特征在于，该毛细单元包括导热毛细板，该导热毛细板具有由导热材料与毛细材料交互堆叠形成的三明治结构，该导热材料热连接该导热单元，该毛细材料接近该腔壁。

16.如权利要求15所述的模组化半导体装置，其特征在于，该导热毛细板包括多个通孔，所述多个通孔供该气相冷媒通过。

17.如权利要求13所述的模组化半导体装置，其特征在于，该毛细材料包括对该液相冷媒具有可毛细及润湿的网状物、颗粒粉末或纤维编织物。

18.如权利要求13所述的模组化半导体装置，其特征在于，该毛细单元包括导热板，该导热板热连接该导热单元并接近该腔壁，且该导热板具有对该液相冷媒可毛细及润湿的沟槽、刻痕或粗糙化的表面。

19.如权利要求18所述的模组化半导体装置，其特征在于，该导热板包括多个通孔，所述通孔供该气相冷媒通过。

20.如权利要求13所述的模组化半导体装置，其特征在于，该毛细单元包括：

芯线，该芯线具有热连接该导热单元的第一部分以及下垂至该液相冷媒的第二部分，该芯线藉由毛细作用吸引该液相冷媒移动到该第一部分；以及

导热毛细板，其具有由导热材料与毛细材料交互堆叠形成的三明治结构，该导热材料热连接该导热单元，该毛细材料接近该腔壁，并藉由毛细作用吸引该腔壁上的液相冷媒。

21.如权利要求20所述的模组化半导体装置，其特征在于，该毛细材料接触该芯线。

22.如权利要求20所述的模组化半导体装置，其特征在于，该导热单元具有供该芯线的第一部分塞入其中的第一通孔，以及多个分别连通该第一通孔供受热挥发的冷媒逸出的第二通孔。

23.如权利要求20所述的模组化半导体装置，其特征在于，该导热单元具有杆状凸出物，该杆状凸出物的一部分被该芯线的第一部分包住。

24.如权利要求20所述的模组化半导体装置，其特征在于，该导热毛细板包括多个供该气相冷媒通过的通孔。

25.如权利要求20所述的模组化半导体装置，其特征在于，该毛细材料包括对该液相冷媒具有可毛细及润湿的网状物、颗粒粉末或纤维编织物。

26.如权利要求20所述的模组化半导体装置，其特征在于，该芯线包括对该液相冷媒具有可毛细及润湿的网状物、颗粒粉末或纤维编织物。

27.如权利要求20所述的模组化半导体装置，其特征在于，该芯线包括对该液相冷媒具有可毛细及润湿的玻璃或陶瓷的纤维编织物。

28.如权利要求20所述的模组化半导体装置，其特征在于，该半导体装置还包括附在该芯线的第二部分的重物，该重物受重力驱使而拉引该芯线的第二部分保持接触该液相冷媒。

29.如权利要求13所述的模组化半导体装置，其特征在于，该毛细单元包括：

芯线，该芯线具有热连接该导热单元的第一部分以及下垂至该液相冷媒的第二部分，该芯线藉由毛细作用吸引该液相冷媒移动到该第一部分；以及

导热板，该导热板热连接该导热单元并接近该腔壁，且该导热板具有对该液相冷媒可毛细及润湿的沟槽、刻痕或粗糙化的表面。

30.权利要求29所述的模组化半导体装置，其特征在于，该导热板接触该芯线。

31.权利要求29所述的模组化半导体装置，其特征在于，该导热单元具有第一通孔以及多个第二通孔，该第一通孔供该芯线的第一部分塞入其中，各第二通孔分别连通该第一通孔供受热挥发的冷媒逸出。

32.如权利要求29所述的模组化半导体装置，其特征在于，该导热单元具有杆状凸出物，该杆状凸出物的一部分被该芯线的第一部分包住。

33.如权利要求29所述的模组化半导体装置，其特征在于，该导热板包括多个供该气相冷媒通过的通孔。

34.如权利要求29所述的模组化半导体装置，其特征在于，该芯线包括对该液相冷媒具有可毛细及润湿的网状物、颗粒粉末或纤维编织物。

35.如权利要求29所述的模组化半导体装置，其特征在于，该芯线包括对该液相冷媒具有可毛细及润湿的玻璃或陶瓷的纤维编织物。

36.如权利要求29所述的模组化半导体装置，其特征在于，该半导体装置还包括附在该芯线的第二部分的重物，该重物受重力驱使而拉引该芯线的第二部分保持接触该液相冷媒。

37.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该半导体元件包括太阳能电池、发光二极管或热-电产生器。

38.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该半导体装置还包括覆盖隔离该半导体元件的隔离物，使其与该液相或气相的冷媒相互隔离。

39.如权利要求38所述的模组化半导体装置，其特征在于，该隔离物包括环氧树脂或硅胶，用以水密灌注封装该半导体元件。

40.如权利要求1所述的模组化半导体装置，其特征在于，该半导体装置还包括电连接该半导体元件的导电线，且该导电线穿过该容器。

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