CN104183690A - 散热板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种散热板，其包括一导热材料层、一第一金属层、一金属基材以及一金属环框。导热材料层具有彼此相对的一上表面以及一下表面。导热材料层的材质包括陶瓷材料或硅锗。第一金属层配置于导热材料层的下表面上且具有一第一粗糙表面结构。金属基材配置于第一金属层的下方且具有一第二粗糙表面结构。金属环框配置于第一金属层与金属基材之间。第一粗糙表面结构、金属环框以及第二粗糙表面结构定义出一流体腔室，且一工作流体流动于流体腔室中。
Description
技术领域
本发明涉及一种散热板，且特别是涉及一种适于承载至少一发热元件的散热板。
背景技术
以目前常用的发光二极管封装结构来说，由于发光二极管芯片在使用前需先进行封装，且发光二极管芯片在发出光线时会产生大量的热能。倘若，发光二极管芯片所产生的热能无法逸散而不断地堆积在发光二极管封装结构内，则发光二极管封装结构的温度会持续地上升。如此一来，发光二极管芯片可能会因为过热而导致亮度衰减及使用寿命缩短，严重者甚至造成永久性的损坏。
现有的发光二极管芯片大部分是配置在以金属线路作为散热路径的散热板上。然而，金属线路的热膨胀系数远大于发光二极管芯片的热膨胀系数，即两者的热膨胀系数不匹配（mismatch），且发光二极管芯片所产生的热应力（thermal stress）与翘曲（warpage）的现象也日渐严重，而此结果将导致发光二极管芯片与散热板之间的可靠度（reliability）下降。因此，如何增加发光二极管芯片的散热效果以及提高发光二极管芯片与散热板之间的可靠度已成为目前的一个重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种散热板，具有较佳的散热效果。
为达上述目的，本发明的散热板包括一导热材料层、一第一金属层、一金属基材以及一金属环框。导热材料层具有彼此相对的一上表面以及一下表面，其中导热材料层的材质包括陶瓷材料或硅锗。第一金属层配置于导热材料层的下表面上，且具有一第一粗糙表面结构。金属基材配置于第一金属层的下方，且具有一第二粗糙表面结构。金属环框配置于第一金属层与金属基材之间，其中第一粗糙表面结构、金属环框以及第二粗糙表面结构定义出一流体腔室，且一工作流体流动于流体腔室中。
在本发明的一实施例中，上述的导热材料层还包括至少一导电贯孔结构。导电贯孔结构暴露出部分第一金属层且电连接第一金属层。
在本发明的一实施例中，上述的散热板还包括一第二金属层。第二金属层配置于导热材料层的上表面上，其中第二金属层完全覆盖或暴露出部分导热材料层。
在本发明的一实施例中，上述的散热板还包括一第二金属层。第二金属层配置于导热材料层的上表面上，其中第二金属层完全覆盖或暴露出部分导热材料层。
在本发明的一实施例中，上述的散热板还包括至少一开孔。开孔贯穿导热材料层与第一金属层且连通流体腔室。开孔可供套入一金属细管作为抽气或注入液体使流体腔室成为低真空状态，完成后将所套入的金属细管予以封闭。
在本发明的一实施例中，上述的散热板还包括至少一开孔。开孔贯穿金属环框且连通流体腔室。
在本发明的一实施例中，上述的散热板还包括至少一开孔。开孔贯穿金属基材且连通流体腔室。
在本发明的一实施例中，上述的第一金属层的材质、金属基材的材质以及金属环框的材质选自铜、铝或前述的合金。
在本发明的一实施例中，上述的第一粗糙表面结构为一凹凸表面结构，且第一粗糙表面结构的最大高度粗糙度的范围介于数微米至数厘米之间。
在本发明的一实施例中，上述的第二粗糙表面结构为一凹凸表面结构，且第二粗糙表面结构的最大高度粗糙度的范围介于数微米至数厘米之间。
在本发明的一实施例中，上述的工作流体包括空气或液体。
基于上述，由于本发明的散热板的导热材料层的材质是采用具有高导热特性的陶瓷材料或硅锗，且第一金属层的第一粗糙表面结构、金属环框以及金属基材的第二粗糙表面结构定义出低真空度的流体腔室。因此，本发明的散热板可视为一均热板，且当将一发热元件（如发光二极管芯片）配置于散热板上时，通过均热板的两相流特性来对发热元件进行散热，可以有效地排除发热元件所产生的热，进而改善发热元件的使用效率与使用寿命。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1为本发明的一实施例的一种散热板的剖面示意图；
图2为本发明的另一实施例的一种散热板的剖面示意图；
图3为本发明的另一实施例的一种散热板的剖面示意图；
图4为本发明的另一实施例的一种散热板的剖面示意图；
图5为本发明的另一实施例的一种散热板的剖面示意图；
图6为本发明的一实施例的一种散热板承载发热元件的剖面示意图；
图7为本发明的另一实施例的一种散热板承载发热元件的剖面示意图；
图8为本发明的另一实施例的一种散热板承载发热元件的剖面示意图；
图9为本发明的另一实施例的一种散热板承载发热元件的剖面示意图；
图10为本发明的另一实施例的一种散热板承载发热元件的剖面示意图。
符号说明
100a、100b、100c、100d、100e：散热板
110a、110b：导热材料层
112a、112b：上表面
114a、114b：下表面
116b：导电贯孔结构
120：第一金属层
122：第一粗糙表面结构
130：金属基材
132：第二粗糙表面结构
140：金属环框
160a、160b：第二金属层
200a、200b、200d、200e、200f：发光二极管芯片
210：介电层
220：焊线
230：线路
240：粘着层
250：银胶
C：流体腔室
E：热能
F：工作流体
H1、H2、H3：开孔
具体实施方式
图1绘示为本发明的一实施例的一种散热板的剖面示意图。请参考图1，在本实施例中，散热板100a包括一导热材料层110a、一第一金属层120、一金属基材130以及一金属环框140。详细来说，导热材料层110a具有彼此相对的一上表面112a以及一下表面114a，特别是，导热材料层110a的材质包括陶瓷材料或硅锗。第一金属层120配置于导热材料层110a的下表面114a上，且具有一第一粗糙表面结构122。金属基材130配置于第一金属层120的下方，且具有一第二粗糙表面结构132。金属环框140配置于第一金属层120与金属基材130之间，其中第一粗糙表面结构122、金属环框140以及第二粗糙表面结构132定义出一流体腔室C，且一工作流体F流动于流体腔室C中。
更具体来说，本实施例的第一金属层120直接接触导热材料层110a的下表面114a。在本实施例中，第一金属层120的材质、金属基材130的材质以及金属环框140的材质是选自铜、铝或前述的合金，其中第一金属层120的材质、金属基材130的材质以及金属环框140的材质可以相同或不同，于此并不加以限制。此外，流体腔室C例如是一低真空度的腔室，且工作流体F例如是空气或液体。
特别是，本实施例的第一金属层120的第一粗糙表面结构122例如是一连续的凹凸表面结构或一非连续的凹凸表面结构，且第一粗糙表面结构122的最大高度粗糙度(Rymax)的范围介于数微米至数厘米之间。第一粗糙表面结构122可视为是一种毛细结构。另一方面，本实施例的金属基材130的第二粗糙表面结构132例如是一连续的凹凸表面构表面或一非连续的凹凸表面结构，且第二粗糙表面结构132的最大高度粗糙度(Rymax)的范围介于数微米至数厘米之间。第二粗糙表面结构132可视为是一种毛细结构。此处，第一粗糙表面结构122与第二粗糙表面结构132例如是通过机械加工，如电脑数值控制（Computer Numerical Control,CNC）铣切技术、冲压或喷砂等方式；或者是，化学加工，如电镀法或蚀刻法；或者是，物理研磨法，于此并不加以限制。
由于本实施例的散热板100a的导热材料层110a的材质是采用具有高导热特性的陶瓷材料或硅锗，且第一金属层120的第一粗糙表面结构122、金属环框140以及金属基材130的第二粗糙表面结构132定义出流体腔室C。因此，当一发热元件（未绘示）配置于导热材料层110a上时，流体腔室C内的工作流体F会吸收发热元件所产生的热能E并且在低真空度的环境中汽化。此时，工作流体F吸收热能E并且体积迅速膨胀，气相的工作流体F会很快充满整个流体腔体C。当气相的工作流体F接触温度较低的区域时会产生冷凝的现象，以通过冷凝的现象释放出在汽化时吸收的热量。凝结后的液相工作流体F会通过第一粗糙表面结构122与第二粗糙表面结构132的毛细作用再回到蒸发处（即发热元件的下方）。如此，即通过传导、蒸发、对流及凝固的循环步骤周而复始，而可将发热元件所产生的热能E迅速转移到散热板100a的各个部分。简言之，本实施例的散热板100a可视为一均热板，其具有良好的两相流特性的平板式架构，可提供极佳的二维横向导热效果，可快速的将发热元件所产生的热能E扩散开来，避免在局部区域形成热点（hot spot），可延长发热元件的使用寿命。
另一方面，本实施例的导热材料层110a除了具有导热的效果之外，其热膨胀系数与发热元件（未绘示）的热膨胀系数也较为相近。因此，当发热元件配置于导热材料层110a上时，可有效缩小散热板100a及其所载发热元件间的热膨胀系数的差异，可避免发热元件与导热材料层110a之间因热膨胀系数差异过大而导致相互之间的应力增加，以有效防止发热元件剥落或坏损的现象产生，进而可提高散热板100a的使用可靠度。
以下将用多个实施例来说明散热板100b、100c、100d、100e的结构设计。在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。
图2绘示为本发明的另一实施例的一种散热板的剖面示意图。请参考图2，本实施例的散热板100b与图1的散热板100a相似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的导热材料层110b具有至少一导电贯孔结构116b（图2中示意地绘示三个），且导电贯孔结构116b连接上表面112b与下表面114b并暴露出部分第一金属层120。导电贯孔结构116b电连接所暴露出的第一金属层120。此外，本实施例的散热板100b还可包括至少一开孔H1，其中开孔H1贯穿金属基材130且连通流体腔室C，以通过开孔H1对流体腔室C抽气或注入流体，来提高整体散热板100b的散热效率。开孔H1可供套入一金属细管（未绘示）作为抽气或注入液体，使流体腔室C成为低真空状态，完成后将所套入的金属细管予以封闭。
图3绘示为本发明的另一实施例的一种散热板的剖面示意图。请参考图3，本实施例的散热板100c与图1的散热板100a相似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的散热板100c还包括一第二金属层160a。第二金属层160a配置于导热材料层110a的上表面112a上，其中第二金属层160a完全覆盖导热材料层110a。
此外，本实施例的散热板100c可还包括至少一开孔H2，其中开孔H2依序贯穿第二金属层160a、导热材料层110a与第一金属层120且连通流体腔室C，以通过开孔H1对流体腔室C抽气或注入流体，来提高整体散热板100c的散热效率。
图4绘示为本发明的另一实施例的一种散热板的剖面示意图。请参考图4，本实施例的散热板100d与图1的散热板100a相似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的散热板100d还包括一第二金属层160b。第二金属层160b配置于导热材料层110a的上表面112a上，其中第二金属层160b覆盖导热材料层110a且暴露出导热材料层110a的部分上表面112a。此外，本实施例的散热板100d可还包括至少一开孔H3，其中开孔H3贯穿金属环框140且连通流体腔室C，以通过开孔H3对流体腔室C抽气或注入流体，来提高整体散热板100d的散热效率。
图5绘示为本发明的另一实施例的一种散热板的剖面示意图。请参考图5，本实施例的散热板100e与图2的散热板100b相似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的散热板100e还包括一第二金属层160b。第二金属层160b配置于导热材料层110b的上表面112b上，其中第二金属层160b覆盖导热材料层110b且暴露出导热材料层110b的部分上表面112b。
此外，于其他未绘示的实施例中，也可自行选用于如前述实施例所提及的导电贯孔结构116b、第二金属层160a、160b、开孔H1、H2、H3，本领域的技术人员当可参照前述实施例的说明，依据实际需求，而选用前述构件，以达到所需的技术效果。
图6绘示为本发明的一实施例的一种散热板承载发热元件的剖面示意图。请参考图6，本实施例的散热板100a适于承载一发光二极管芯片200a（即发热元件），其中发光二极管芯片200a是内埋于一介电层210内，且通过多条焊线220与设置于介电层210上的线路230电连接。再者，发光二极管芯片200a与介电层210通过一粘着层240而固定于导热材料层110a的上表面112a上。此处，粘着层240可例如是一导电粘着层或一非导电粘着层，于此并不加以限制。
由于本实施例的导热材料层110a除了具有散热的效果之外，其热膨胀系数与发光二极管芯片200a的热膨胀系数也较为相近。因此，当发光二极管芯片200a通过粘着层240而配置于导热材料层110a上时，可有效缩小散热板100a及其所载发光二体芯片200a间的热膨胀系数的差异，可避免发光二极管芯片200a与导热材料层110a之间因热膨胀系数差异过大而导致相互之间的应力增加，以有效防止发光二极管芯片200a剥落或坏损的现象产生，进而可提高散热板100a的使用可靠度。此外，若本实施例的散热板100a仅具有散热的功能，可将发光二极管芯片200a所产生的热通过传导、蒸发、对流及凝固的循环步骤快速地传递至外界。
值得一提的是，本发明并不限定发光二极管芯片200a的个数，虽然此处所提及的发光二极管芯片200a具体化为一个。但于其他实施例中，请参考图7，发热元件也可是由多个发光二极管芯片200b串联或并联所组成，此仍属于本发明可采用的技术方案，不脱离本发明所欲保护的范围。
图8绘示为本发明的另一实施例的一种散热板承载发热元件的剖面示意图。请参考图8，本实施例的散热板100d适于承载一发光二极管芯片200d（即发热元件），其中发光二极管芯片200d配置于第二金属层160b上，且发光二极管芯片200d通过焊线220与第二金属层160b结构性与电连接。此处，本实施例的散热板100d除了具有散热的功能之外，其也具有导电功能。
图9绘示为本发明的另一实施例的一种散热板承载发热元件的剖面示意图。请参考图9，本实施例的散热板100d适于承载一发光二极管芯片200e（即发热元件），其中发光二极管芯片200e通过一银胶250配置于第二金属层160b上，意即发光二极管芯片200e通过倒装接合的方式与散热板100d的第二金属层160b电连接。此处，本实施例的散热板100d除了具有散热的功能之外，其也具有导电功能。
值得一提的是，本发明并不限定发光二极管芯片200e的个数，虽然此处所提及的发光二极管芯片200e具体化为一个。但于其他实施例中，请参考图10，发热元件也可是由多个发光二极管芯片200f所组成，此仍属于本发明可采用的技术方案，不脱离本发明所欲保护的范围。此外，于其他未绘示的实施例中，也可自行选用于如前述实施例所提及的散热板100b、100c、100e，本领域的技术人员当可参照前述实施例的说明，依据实际需求，而选用前述构件，以达到所需的技术效果。
综上所述，由于本发明的散热板的导热材料层的材质是采用具有高导热特性的陶瓷材料或硅锗，且第一金属层的第一粗糙表面结构、金属环框以及金属基材的第二粗糙表面结构定义出低真空度的流体腔室。因此，本发明的散热板可视为一均热板，且当将一发热元件（如发光二极管芯片）配置于散热板上时，通过均热板的两相流特性来对发热元件进行散热，可以有效地排除发热元件所产生的热，进而改善发热元件的使用效率与使用寿命。
虽然已结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (11)
1.一种散热板，包括：
导热材料层，具有彼此相对的上表面以及下表面，其中该导热材料层的材质包括陶瓷材料或硅锗；
第一金属层，配置于该导热材料层的该下表面上，且具有第一粗糙表面结构；
金属基材，配置于该第一金属层的下方，且具有第二粗糙表面结构；以及
金属环框，配置于该第一金属层与该金属基材之间，其中该第一粗糙表面结构、该金属环框以及该第二粗糙表面结构定义出流体腔室，且工作流体流动于该流体腔室中。
2.如权利要求1所述的散热板，其中该导热材料层还包括至少一导电贯孔结构，该导电贯孔结构暴露出部分该第一金属层且电连接第一金属层。
3.如权利要求2所述的散热板，还包括：
第二金属层，配置于该导热材料层的该上表面上，其中该第二金属层完全覆盖或暴露出部分该导热材料层。
4.如权利要求1所述的散热板，还包括：
第二金属层，配置于该导热材料层的该上表面上，其中该第二金属层完全覆盖或暴露出部分该导热材料层。
5.如权利要求1所述的散热板，还包括：
至少一开孔，贯穿该导热材料层与该第一金属层且连通该流体腔室。
6.如权利要求1所述的散热板，还包括：
至少一开孔，贯穿该金属环框且连通该流体腔室。
7.如权利要求1所述的散热板，还包括：
至少一开孔，贯穿该金属基材且连通该流体腔室。
8.如权利要求1所述的散热板，其中该第一金属层的材质、该金属基材的材质以及该金属环框的材质选自铜、铝或前述的合金。
9.如权利要求1所述的散热板，其中该第一粗糙表面结构为凹凸表面结构，且该第一粗糙表面结构的最大高度粗糙度范围介于数微米至数厘米之间。
10.如权利要求1所述的散热板，其中该第二粗糙表面结构为凹凸表面结构，且该第二粗糙表面结构的最大高度粗糙度的范围介于数微米至数厘米之间。
11.如权利要求1所述的散热板，其中该工作流体包括空气或液体。
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