CN2741193Y - 发光二极管装置、发光二极管散热系统及包含其之照明装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种发光二极管装置、发光二极管散热系统及包含其之照明装置。该发光二极管装置具有一散热结构，包含一导热柱、一引热网、一冷却液及一散热本体。通过该导热柱，该发光二极管芯片所产生的热量在第一时间内被该引热网及冷却液吸收，再将热量传至该散热本体直接散发至环境中。如此一来，可降低保持该发光二极管的操作温度，使发光二极管以更高的电流来驱动，达到更高的功率。

Description

发光二极管装置、发光二极管散热系统及包含其之 照明装置

技术领域

本实用新型涉及一种发光二极管装置，特别是涉及一种具有散热结构的发光二极管装置。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)因其具有高亮度、体积小、重量轻、不易破损、低耗电量和寿命长等优点，所以被广泛地应用于各式显示产品中，其发光原理如下：施加一电压于二极管上，驱使二极管里的电子与空穴结合，并进一步产生光。

一般商品化的发光二极管10，请参照附图1，其具有一发光二极管芯片11置于一导线架14上，且该发光二极管芯片11是通过导线12与该导线架14进行电性连结。此外该发光二极管10更包含一封装材料13包覆于该发光二极管芯片11及导线架14并露出接脚15，用以保护该发光二极管芯片11及导线12。发光二极管虽被称为冷光源，但由于其芯片在发光同时亦有部分能量转换成热，其中心发光层的温度可达到约高达四百度左右。然而，封装二极管所用的封装材料，通常为具有隔热效果的树脂类化合物，其导热效果不佳，因此热度无法向上由环氧树脂传导而散发至空气，只能由导线慢慢向下传导。

当发光二极管10内的热量蓄积过高时，易使包覆发光二极管10的封装材料13因受热不同而有不同的膨胀程度，导致导线架14与封装材料13之间有间隙产生，易使空气或湿气渗入而影响使用及缩短寿命，严重时更导致焊点或导线12脱落。

另一方面，若二极管芯片所产生的热量没有散发出去而持续积累，过高的工作温度会导致发光二极管p-n结发光层的能隙(junction)崩溃，如此一来，单位电流所能使发光二极管产生的亮度将大幅下降，因此发光效率将降低甚至破坏。由于热量限制了发光二极管所能注入的更大电流，使得发光二极管无法达到设定规格的标准。

请参照附图2，它显示了一发光二极管装置数组50，其为发光二极管的进一步应用。该发光二极管装置数组50包含复数个发光二极管10并以高密度数组型式黏着于一基材60，由于其热源更为集中，因此上述因热所造成的发光二极管晶粒劣化现象在发光二极管装置数组50中更为明显。

为了解决上述问题，以获得更高亮度的发光二极管，许多改善的方法已纷纷被业界所提出。其中最成功的典型即为美国LumiLeds公司的Luxeon^发光二极管100，请参照附图3，其特点在于利用较大面积的金属底座110，并采用铝质基板130作为散热器(heat sink)，以将芯片120所产生的热传导至空气中，仅需18颗可相当于100颗传统发光二极管的亮度。然而，该发光二极管100在适当的工作温度下，其操作电流局限在20mA左右，且因生产成本过高而尚未被广泛采用。

为符合目前市场上的需求，突破发光二极管操作电流的限制，以提高发光二极管装置的发光效率是势在必行的。因此，发展出具有更高散热效能的发光二极管装置，即成为发光二极管亟待解决的课题。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目在于提供一种具有散热结构的发光二极管装置，包含一散热柱。其中，该散热柱的一端是作为发光二极管晶粒的承载座，而该散热柱的另一端则直接延伸至一致冷腔体内。由于晶粒与致冷腔体温差的关系，该发光二极管晶粒所产生的热量可通过该散热柱及该致冷腔体迅速传至该发光二极管晶粒外，如此一来，即使进一步提高发光二极管的操作电流以提高亮度，该发光二极管晶粒仍可维持在一合适的工作温度下，有效避免晶粒劣化的现象发生。

本实用新型的另一个目的是提供一种发光二极管散热系统，其结合多个发光二极管装置与一冷却液供给装置而形成一液冷式循环散热系统，可更有效地改善发光二极管的散热问题。

本实用新型的又一目的是提供一种高发光效率的照明装置，其中该照明装置是包含本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置。

为达到上述目的，本实用新型所述的一种具有散热结构的发光二极管装置，包括：一散热本体，具有一开口端；一基板，设置于该散热本体上，具有一第一表面及一第二表面，其中该第二表面位于该第一表面的相反侧，且与该散热本体的开口端抵接；而该第二表面与该散热本体之间构成一第一空腔；至少一第一导热体，以贯穿该基板的方式设置于该基板上，且该第一导热体具有一延伸部及一承载部，其中该延伸部位于该第一空腔中；以及至少一发光二极管晶粒，设置于该第一导热体的承载部上。

为达到本实用新型的另一个目的，本实用新型提供一发光二极管散热系统，该发光二极管散热系统包括：一冷却液供给装置；以及复数个如上所述的具有散热结构的发光二极管装置，该具有散热结构的发光二极管装置与该冷却液供给装置连通；其中，该等具有散热结构的发光二极管装置分别包括：一散热本体，与该冷却液供给装置连通；一基板，设置于该散热本体上，具有一第一表面及一第二表面，其中该第二表面位于该第一表面的相反侧，且与该散热本体抵接；一第一空腔，位于该第二表面与该散热本体之间，其中该冷却液供给装置是供给一冷却液至该第一空腔中；至少一第一导热体，以贯穿该基板的方式设置于该基板上，且该第一导热体具有一延伸部及一承载部，其中该延伸部位于该第一空腔中；以及至少一发光二极管晶粒，设置于该第一导热体的承载部上。

根据本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置，其中该复数个具有散热结构的发光二极管装置是利用一循环管路与该冷却液供给装置连通。此外，该冷却液供给装置是含加压泵的冷却液槽或是注入式冷却液槽。

为达到本实用新型的又一目的，本实用新型提供一种照明装置，该照明装置包括：一控制单元；以及至少一如上所述的具有散热结构的发光二极管装置，与该控制单元电性连结；其中，该具有散热结构的发光二极管装置分别包括：一散热本体；一基板，设置于该散热本体上，具有一第一表面及一第二表面，其中该第二表面位于该第一表面的相反侧，且与该散热本体抵接；一第一空腔，位于该第二表面与该散热本体之间，其中该冷却液供给装置是供给一冷却液至该第一空腔中；至少一第一导热体，以贯穿该基板的方式设置于该基板上，且该第一导热体具有一延伸部及一承载部，其中该延伸部位于该第一空腔中；以及至少一发光二极管晶粒，设置于该第一导热体的承载部上，其中该控制单元是点亮或熄灭如上所述的具有散热结构的发光二极管装置的该发光二极管晶粒。

根据本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置，可更包括一第二导热体，设置于该空腔中，此外，该第二导热体可至少与该散热本体或该第一导热体其中之一抵接。

根据本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置，可更包括一冷却液，填充于该空腔中，此外，该第一导热体的延伸部可至少一部份与该冷却液接触。

根据本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置，可更包括一透镜形成于该第一表面上，其中该透镜是与该第一表面形成一第二空腔，且至少一发光二极管晶粒是设置于该第二空腔内的第一表面上。

根据本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置，更包括一预定的电路图形，形成于该基板的第一表面上并与该发光二极管电性连结。

在本实用新型中，该第一导热体可为一导热柱，而该第二导热体可为一引热条或引热网。此外，该散热本体更包括复数个突出部分在该散热本体的内侧或外侧。

通过本实用新型的实施，进一步提高了发光二极管的散热效率，突破了发光二极管操作电流的限制，提高了发光二极管装置的发光效率。

下面通过数个实施例及比较实施例并配合所附图式，来更进一步说明本实用新型的方法、特征及优点，但并非用来限制本实用新型的范围，本实用新型的范围应以权利要求书限定的范围为准。

附图说明

附图1是一已知发光二极管装置的剖面结构示意图。

附图2是已知发光二极管装置数组的示意图。

附图3是一已知具有散热结构的发光二极管装置的剖面结构示意图。

附图4是本实用新型的一较佳实施例所述的单一芯片型发光二极管装置的剖面结构示意图。

附图5a-5d是本实用新型发光二极管装置的散热柱与基板的相对关系示意图。

附图6是本实用新型的一较佳实施例所述的数组式发光二极管装置的立体组装图。

附图7是本实用新型的一较佳实施例所述的发光二极管散热系统的方块图。

附图8是本实用新型的一较佳实施例所述的照明装置的方块图。

附图9是本实用新型的一较佳实施例所述的照明装置的示意图。

附图中符号的简单说明如下：

10：发光二极管；            224：延伸部；

11：发光二极管芯片；        227：承载面；

12：导线；                  228：反射层；

13：封装材料；              230：基板；

14：导线架；                231：第一表面；

15：接脚；                  233：第二表面；

50：发光二极管装置数组；    234：贯孔；

60：基材；                  236：图案化电路；

100：发光二极管；           237：导线；

110：金属底座；             240：散热本体；

130：散热器；               250：透镜；

200：发光二极管装置；       260：空腔；

210：发光二极管晶粒；       270：引热条；

220：散热柱；               280：冷却液；

222：承载部；               300：数组式发光二极管装置；

310：散热柱；               400：发光二极管散热系统；

312：承载面；               410：循环管路；

320：发光二极管晶粒；       420：冷却液供给装置；

330：印刷电路板；           430：冷却液；

332：贯孔；                 500：照明装置；

334：印刷电路板顶部；       510：电路；

336：印刷电路板底部；       520：控制单元；

340：散热本体；             530：广角灯罩；

350：引热网；               540：透镜部。

360：光学透镜；

具体实施方式

为让本实用新型的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

具有散热结构的发光二极管装置

本实用新型是揭露一种具有散热结构的发光二极管装置，其具有优良的散热能力，可免除已知发光二极管装置因热传导效率差，所导致的发光效率偏低及发光二极管晶粒劣化等问题。首先，请参照附图4，它显示了一符合本实用新型的一单一芯片型发光二极管装置200，用来说明本实用新型的基本结构。该发光二极管装置200包含有一发光二极管晶粒210、一散热柱220、一基板230、一散热本体240、及一光学透镜250。该散热柱220分为一承载部222及一延伸部224。该延伸部224是该散热柱220向下突出于该基板230的第二表面233的部分，请参照附图5。而该承载部222用于置放该发光二极管晶粒210。该基板230是具有一第一表面231及一第二表面233，而该第二表面233是位于该第一表面231的相反侧。该基板230更包括一贯孔234，而该贯孔234是由该基板的一第一表面231贯穿至该第二表面233。而该散热柱220经由该贯孔234穿越该基板230，并以贯穿该基板230的方式设置于该基板230上，并使其延伸部位224与该基板的第二表面233在同一侧。该基板230的主要功用之一是用来固定该散热柱220，且该基板230的第一表面231可具有一图案化电路236，可利用导线237与该发光二极管晶粒210电性连结，作为其驱动电路。在该发光二极管装置200中，该基板230是通过第二表面233与该散热本体240抵接，且该基板230与该散热本体240是构成一完全密闭的空腔260，其中上述散热柱220的延伸部224是设置于该空腔260内。本实用新型所述的发光二极管装置，其空腔260内可更包含复数之引热条270及一固定量的冷却液280，其目的在于加速由发光二极管晶粒210传至散热柱220的热量更快速的散逸。

根据本实用新型所述的发光二极管装置，该散热柱220的该承载部222及该延伸部224皆具有高导热的能力，可分别由相同或不同的导热材料所制成，其中该导热材料可为例如银、铜、钨、镍、硅、铝、钼等金属或其合金，亦可为陶瓷复合材料、类钻碳材料、金属氧化物或其混合物。该承载部222具有一承载面227，面积可为0.5-2mm²，该承载部222可更包含一反射层228形成于其上，请参照附图5a，其中该反射层228可为金、银、铝、硅、铜、铬、钛、钨或钼等金属或其合金材料。本实用新型对于所使用的发光二极管晶粒210的种类并无限制，可为蓝光、绿光、红光、白光或是电射发光二极管。由于本实用新型的主要散热途径是为该散热柱220而非该基板230，因此本实用新型在基板230的种类选用上并无限制，为一般的印刷电路板即可，且该基板230可沉积一反射层228，例如一银层。该散热柱220是以一贯穿该基板230的方式设置于该基板230上，且该散热柱220与该基板230的相对关系并无限定，可视需要而加以调整，请参照附图5b-5d所示。且该承载面227，可为平面或一凹面。

此外，该散热本体240可进一步具有复数的突出部分，该突出部分可形成于散热本体240的内侧或外侧，其中该散热本体240的材质可为银、铜、钨、镍、硅、铝、钼、陶瓷复合材料、类钻碳材料、金属氧化物或其混合。本实用新型对该散热本体240的形状并无进一步的限制，可为具有一开口的圆柱体或立方体。在本实用新型中，该复数的引热条270可构成一引热网，且该引热网至少与该散热柱220及该散热本体240其中之一抵接，适用的材质可为银、铜、钨、镍、硅、铝、钼或其合金。此外，该空腔260内所注入的冷却液280其液面较佳是与该散热柱220接触，若与该基板230的第二表面233接触则为更佳。在本实用新型中，适用的冷却液280可为水、有机溶液或液态的烃化物，其中该有机溶液可为例如醇类、烷类、醚类或酮类。

下面根据实施例1，并以数组式发光二极管装置为例，用以说明本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置的制作方式，并进一步测量其光电性质，以期使本实用新型的特征及优点更为清楚：

实施例1：

请参照附图6，它是显示一数组式发光二极管装置300的组装图。首先，取20条圆柱状的铝质散热柱310，每一散热柱上的承载面312固合一发光二极管晶粒320(为台湾广镓公司生产，型号514)。该圆柱状的散热柱310的长为25mm，直径为1.5mm。该发光二极管晶粒320的直径为14mil，当其驱动功率为20mA时，其发光亮度为40-50mcd。将该发光二极管晶粒320固合于该散热柱上的承载面312的方式包括以下步骤：首先在该承载面312上形成一长约3-6mil，宽约0.2-2.5mil的沟槽。接着，将黏着剂(或焊料)形成于该沟槽内，并将该发光二极管晶粒320通过该黏着剂(或焊料)固合于该承载面312上。

取一40×40mm的印刷电路板330，其上已完成一电路图形。该印刷电路板330的厚度为2mm，其上具有20个贯孔332，而每一贯孔的直径为1.5mm。接着，将上述散热柱310经由该贯孔332穿越该印刷电路板330，并以贯穿该印刷电路板330的方式设置于该印刷电路板330上。其中，该散热柱310的承载面312约与该印刷电路板330的顶部334切齐，该散热柱310的其余部分突出于该印刷电路板330的底部336。完成散热柱310的设置后，用金线将该发光二极管晶粒320与该电路图形作电性连结。

接着，提供一散热本体340及一引热网350，并将该引热网350设置于该散热本体340中。其中，该引热网350的材质为铜，而该散热本体340，例如为一散热杯，是一含铝的合金，其内容积为30ml。最后，取20ml的乙二醇作为冷却液加入该散热本体340中，并将该散热本体340固合于该印刷电路板330的底部，使散热柱310的突出部分完全被该散热本体340所覆盖。最后，提供一投射型光学透镜360形成于该印刷电路板330的顶部334以覆盖该发光二极管晶粒320，其中，该光学透镜360是与该发光二极管晶粒320保持一特定距离，而该特定距离是不小于0.5mm。至此，完成本实用新型所述的数组式发光二极管装置300。

为进一步验证本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置300的优良散热能力，以下将实施例1所得的数组式发光二极管装置，以不同的操作电压及电流分别点亮八小时后，测量其亮度及晶粒的操作温度，结果如表1所示。

表1

操作电压(V)	操作电流(mA)	亮度(起始)(W)	亮度(点亮八小时后)(W)	亮度衰退(％)	晶粒温度(点亮八小时后)(℃)
						3.0	200	3.5	3.4	＜3	23
3.3	400	5	4.76	＜5	29-33
						3.6	800	15	13.6	＜10	40-50

当发光二极管晶粒在多颗组合时，容易因热源过度集中及单个二极管晶粒平均散热面积减少等原因，导致发光二极管晶粒的工作温度过高，进而引起发光效率的降低，甚至造成发光二极管晶粒的劣化。实施例1所使用的发光二极管晶粒其原本的最大适用电流为20mA。而在上述试验中，当操作电压提升至3.6V时，平均每颗晶粒是以正常状况下的2倍电流量(40mA)被点亮。此时，该发光二极管晶粒的工作温度仍在发光二极管正常工作温度范围(80℃)内，由此可知，本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置具有优点的散热机制，可迅速将热传至二极管晶粒外。

发光二极管散热系统

本实用新型同时也涉及一种发光二极管散热系统，它是将至少一个本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置，用一循环管路将其散热本体与一冷却液供给装置连通，达到循环冷却发光二极管装置的目的。请参照附图7，它是显示本实用新型所述的发光二极管散热系统400的一较佳实施例的方块图。在此较佳实施例中，该发光二极管散热系统400包含四个发光二极管装置300、一循环管路410及一冷却液供给装置420，而冷却液供给装置420是提供一冷却液430在该发光二极管装置300的散热本体340及循环管路410内构成的系统内循环。其中该冷却液供给装置420可为一含加压泵的冷却液槽或是注入式冷却液槽，而该循环管路410可为一铜管。本实用新型所述的发光二极管散热系统400，可进一步应用于车用发光二极管照明设备的整合，像是将依照本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置所设计的头灯、雾灯、方向灯及剁车灯与一加压水箱结合。

照明装置

请参照附图8，本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置300，可进一步利用一电路510与一控制单元520电性连结，形成一照明装置500，可例如为一室内灯、大型室外灯、投射灯、交通信号灯、路灯及车灯。其中，该控制单元520是用来点亮或熄灭该发光二极管装置的发光二极管晶粒，例如为一电闸。请参照附图9，它是本实用新型所述的照明装置500一较佳实施例的示意图，该照明装置500可例如为一车灯，其具有复数个具散热结构的发光二极管装置300，并设置于一控制单元520上，而该控制单元520是以电路510电性连结该发光二极管装置300。此外该照明装置500具有一广角灯罩530，其上具有复数之凸起的透镜部540，可增加该些发光二极管装置300的照射角度。

综上所述，本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置，无论是利用密闭式或循环式的液冷系统，其通过作为发光二极管芯片的承载座的导热柱，在第一时间内以该引热网及冷却液吸收该发光二极管芯片所产生的热量，再将热量传至该散热本体，直接散发至环境中。如此一来，在保持该发光二极管在一正常的操作温度的前提下，可使该发光二极管以更高的电流来驱动，发挥更高的功率。

此外，传统的发光二极管装置是利用一大面积的金属基板作为发光二极管装置散热部件，然而，该基板亦具有复数之导线(一般是为金线)与发光二极管晶粒作电性连结。因此，当基板吸收了晶粒所产生的热而导致温度上升时，过高的温度将导致该基板上的导线脱落，甚至断裂。本实用新型所述的具有散热结构的发光二极管装置，是利用不同的部件进行导热或散热，因此可避免已知技术所产生的问题。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何熟习此技艺者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (14)

1.一种发光二极管装置，其特征在于所述发光二极管装置包括：

一散热本体，具有一开口端；

一基板，设置于该散热本体上，具有一第一表面及一第二表面，其中该第二表面位于该第一表面的相反侧，且与该散热本体的开口端抵接，而该第二表面与该散热本体之间构成一第一空腔；

至少一第一导热体，以贯穿该基板的方式设置于该基板上，且该第一导热体具有一延伸部及一承载部，其中该延伸部位于该第一空腔中；以及

至少一发光二极管晶粒，设置于该第一导热体的承载部上。

2.一种如权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于：它还包括一第二导热体设置于该空腔中，且该第二导热体至少与该散热本体或该第一导热体其中之一抵接。

3.一种如权利要求2所述的发光二极管装置，其特征在于：它还包括一冷却液，填充于该空腔中。

4.一种如权利要求3所述的发光二极管装置，其特征在于：其中该第一导热体的延伸部至少一部份与该冷却液接触。

5.一种如权利要求3所述的发光二极管装置，其特征在于：其中该第二导热体至少部份浸于该冷却液中。

6.一种如权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于：它还包括一透镜形成于该第一表面上，其中该透镜与该第一表面形成一第二空腔，且至少一发光二极管晶粒设置于该第二空腔内的第一表面上。

7.一种如权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于：它还包括一电路图形，形成于该基板的第一表面上以与该发光二极管电性连结。

8.一种如权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于：它还包括一反射层设置于该第一导热体的承载部上。

9.一种如权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于：其中该第一导热体为一散热柱，其材质为银、铜、钨、镍、硅、铝、钼、陶瓷复合材料、类钻碳材料、金属氧化物或其组合。

10.一种如权利要求2所述的发光二极管装置，其特征在于：其中该第二导热体为一引热网，其材质为银、铜、钨、镍、硅、铝、钼或其合金。

11.一种如权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于：其中该散热本体为银、铜、钨、镍、硅、铝、钼、陶瓷复合材料、类钻碳材料、金属氧化物或其组合。

12.一种如权利要求1所述的发光二极管装置，其特征在于：其中该散热本体可具有复数个突出部分在该散热本体的内侧或外侧。

13.一发光二极管散热系统，其特征在于所述发光二极管散热系统包括：

一冷却液供给装置；以及

复数个如权利要求1所述的具有散热结构的发光二极管装置，与该冷却液供给装置连通；

其中，该冷却液供给装置是供给一冷却液至该些具有散热结构的发光二极管装置的第一空腔中。

14.一种照明装置，其特征在于所述照明装置包括：

一控制单元；以及

至少一如权利要求1所述的具有散热结构的发光二极管装置，与该控制单元电性连结；

其中，该控制单元用以点亮或熄灭该具有散热结构的发光二极管装置的发光二极管晶粒。

Images