JP3139454U

JP3139454U - 放熱モジュール

Info

Publication number: JP3139454U
Application number: JP2007008180U
Authority: JP
Inventors: 秦文隆; 許徳慶
Original assignee: 秦文隆; 許徳慶
Priority date: 2007-10-24
Filing date: 2007-10-24
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2017-10-24

Abstract

【課題】快速的に放熱効果が得られる放熱モジュールを提供する。
【解決手段】主として、金属熱伝導層１と非金属放熱層２からなり、金属熱伝導層と非金属放熱層との間に中空収納空間４があり、非金属放熱層が多孔質構造であり、中空収納空間内の空気が非金属放熱層にある孔質により対流でき、金属熱伝導層上に熱源が設置される時、熱源Ａによる熱が素早く伝導され、また、平均的に金属熱伝導層に分布され、均熱の効果が得られ、また、中空収納空間内の熱対流により、金属熱伝導層の熱が素早くもう一端の非金属放熱層へ伝導されて放熱される。
【選択図】図１

Description

本考案は電子素子の放熱技術領域に属され、特に、金属熱伝導層と非金属放熱層を結合する放熱モジュールの新規の設計であり、放熱能力が向上される効果が得られるものに関する。

情報半導体産業の発展にしたがって、半導体チップも高周波化へ発展し、近年来、中央処理装置（ＣＰＵ）等の電子装置の処理速度が極度に速くなり、また、ＬＥＤも高いパワー照明になるが、それとともに高温が発生するため、いかに有効的に電子装置の熱源（発熱する電子の能動や従動素子、例えば、中央処理装置やＬＥＤ、ＩＣ、整流器、抵抗、容量、誘導等）により生成した高温を排出して、電子装置が適宜の作業温度下で稼働できるようになることは、関係業者の開発方針である。

ＬＥＤを例とし、ＬＥＤは発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）の略語で、半導体材料からなる固体発光素子であり、材料として、ＩＩＩ−Ｖ族化学元素（例えば、りん化ガリウムＧａＰや砒化ガリウムＧａＡｓ等）が使用され、発光原理は電力エネルギーを光に変換し、即ち、化合物半導体に対して電流を印加し、電子と正孔とを結合することにより、剰余のエネルギーを光の態様により放出して発光の効果が得られ、冷発光に属するため寿命が十万時間以上である。

ＬＥＤは、ウォームアップ時間（ｉｄｌｉｎｇｔｉｍｅ）が要らなく、応答速度が速く、体積が小さく、消費電力が少なく、震動や汚染に強く、量産に有利で、信頼度が高くて、必要に応じて、非常に小型化や陣列式素子を作製することが容易であるなどの利点がある。しかしながら、ＬＥＤが固体照明であるため、即ち、チップを通電して量子が励起状態になり、エネルギー（光）を放射するが、発光している過程において、チップ内の光エネルギーが完全に外部へ伝達されず、発光しないエネルギーが、チップ内部やパッケージ体内において吸収されて熱を形成する。

ＬＥＤは、一般として、変換効率が約１０％〜３０％であるため、１Ｗの電力は０．２Ｗだけが可視光になり、残りは熱になり、そのため放熱しなければ、熱量が累積されると、チップ効率や寿命に悪影響を与えることになる。そのため、高い効率でＬＥＤを照明設備に利用するためには、まず、放熱の問題を解決しなければならない。

ＬＥＤの放熱特許として、新型Ｍ３１４５０５号「高いパワーのＬＥＤバルブの放熱構造」である台湾専利（２００７年０６月２１日専利公告データ参照）があり、主として、口金にベース基板が固定され、該ベース基板の上面に少なくとも一つの熱パイプが支持されて固定され、熱パイプに複数の放熱フィンや上基板が嵌設されて固定され、上基板の上面に熱パイプの数に対応する高いパワーＬＥＤが設けられ、高いパワーであるＬＥＤの裏面が、熱パイプの頂端に粘着されて支持される。

新型Ｍ３１４４３３号「発光ダイオードパッケージの放熱モジュール」である台湾専利（２００７年０６月２１日専利公告データ参照）によれば、該放熱モジュールはＬＥＤ回路板と、複数の放熱フィンが含まれる放熱ブロックと、直接に該ＬＥＤ回路板を該放熱ブロックに固定する放熱エラストマーとが含まれ、また、該ＬＥＤ回路板と該放熱ブロックの間に金属基板がない。

発明第Ｉ２６０７９８号「高放熱の発光ダイオード」である台湾専利（２００６年０８月２１日専利公告データ参照）によれば、少なくとも多孔質材料層と、該多孔質材料層の表面に設けられる熱伝導層と、該熱伝導層に設けられるチップとが含まれ、該熱伝導層により、該チップが放射した熱量を該多孔質材料層に伝導して、該多孔質材料層により、該熱量が対流により外部へ排出される。

以上の従来のＬＥＤは、放熱に金属放熱フィンや、熱パイプと冷却チップ、均熱板或いは放熱ファンを結合する方式を利用するため、放熱効果が良くなく、放熱速度が遅くて、また、放熱モジュールの構造が複雑で、コストが高い等の問題がある。そのため、既存のものは、実用的とは言えない。
新型Ｍ３１４５０５号「高いパワーのＬＥＤバルブの放熱構造新型Ｍ３１４４３３号「発光ダイオードパッケージの放熱モジュール」発明第Ｉ２６０７９８号「高放熱の発光ダイオード」

本考案の主な目的は、主として、金属熱伝導層と非金属放熱層とが結合されることからなり、該金属熱伝導層と非金属放熱層との間に中空収納空間があり、また、該非金属放熱層が多孔質構造であり、中空収納空間内の空気が、該非金属放熱層の孔質を利用して対流でき、金属熱伝導層上に熱源が設置される場合、熱源による熱が素早く伝導され、そして、平均的に金属熱伝導層に分布されて、均熱の効果が得られ、また、中空収納空間内の熱対流により、金属熱伝導層の熱が素早くもう一端にある非金属放熱層に伝導されて放熱され、快速的に放熱の効果が得られる放熱モジュールを提供する。

本考案の他の目的は、該金属熱伝導層上に一層の絶縁層があり、該層絶縁層上に予めに設定された数のＬＥＤ結晶と、予めに設計された回路が設けられ、ＬＥＤ結晶が導線により回路に連結され、該層絶縁層上において、ＬＥＤ結晶と回路との間に反射層が設けられる放熱モジュールを提供する。

本考案の更に他の目的は、該熱源が実装ＬＥＤ基板であり、該実装ＬＥＤ基板に金属基板と、該金属基板の一側に設けられた一層の絶縁層とが備えられ、該層絶縁層上に、予めに設定された数のＬＥＤ結晶と予めに設計された回路が設けられ、ＬＥＤ結晶が導線により回路に連結され、該層絶縁層上において、ＬＥＤ結晶と回路との間に反射層が設けられる放熱モジュールを提供する。

本考案の更に他の目的は、該非金属放熱層が、異なる粒径を有する高熱導率非金属粉末を利用して、転圧して真空押し出した後圧延成型する方式、或いは転圧してから直接に金型で加圧成型する方式により結合され、その後、多孔質構造である非金属放熱層を焼結することにより形成されたものであり、また、放熱能力を向上するため、高熱導率である金属粉末を添加する放熱モジュールを提供する。

本考案に係わる金属熱伝導層は、金属にある高い構造密度と高定容比熱の特性を利用して、比較的に高い熱伝導能力（例えば、銅金属の熱伝導率が３８２Ｗ／ｍ℃である）が得られ、また、一端面にある中空収納空間において、空気を対流することにより均熱効果が達成される。また、該非金属放熱層は、異なる粒径を有する高熱導率の非金属粉末（例えば、炭化ケイ素ＳｉＣの熱伝導率が２７０Ｗ／ｍ℃である）を利用し、非金属が比較的に低い定容比熱を有するため、優れた放熱材料であり、非金属粉末と金属粉末を結合する複合放熱層により、放熱能力が更に向上される。

以下、図面を参照しながら、本考案の前記の目的を達成するための技術手段を、詳しく説明する。

図１と２を参照しながら、本考案は、主として、金属熱伝導層１（金属熱伝導層１が熱伝導の優れた金属からなり、熱伝導の優れた金属が、例えば、金や銀、銅、鉄、アルミニウム、コバルト、ニッケル、亜鉛、チタン、マンガン等である）と非金属放熱層２（非金属放熱層２が熱導率の高い非金属粉末からなり、熱導率の高い非金属粉末は、例えば、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３や酸化ジルコニウムＺｒ_２Ｏ、窒化アルミニウムＡｌＮ、窒化シリコンＳｉＮ、窒化ホウ素ＢＮ、炭化タングステンＷＣ、炭化ケイ素ＳｉＣ、石墨Ｃ、結晶炭化ケイ素及び再結晶炭化ケイ素ＲｅＳｉＣ等があり、窒化アルミニウムと炭化ケイ素が、より好ましい）を結合することからなり、本考案の特長は、該金属熱伝導層１と非金属放熱層２との間に中空収納空間４があり、該非金属放熱層２が多孔質構造である。

前記の中空収納空間４は、金属熱伝導層１や非金属放熱層２或いはパッケージフレーム５から構成されてもよく、図１のように、金属熱伝導層１から構成され、金属熱伝導層１と非金属放熱層２との結合端の金属熱伝導層１上に、中空収納空間４が構成され、該中空収納空間４の一端に開口が形成され、開口端が非金属放熱層２によって封止され、図２を参照しながら、非金属放熱層２から構成されてもよく、非金属放熱層２と金属熱伝導層１との結合端の非金属放熱層２上に、中空収納空間４が構成され、同じように、該中空収納空間４の一端に開口が形成され、開口端が金属熱伝導層１によって封止され、
また、図３のように、パッケージフレーム５から構成されてもよく、即ち、パッケージフレーム５で、上方の金属熱伝導層１と下方の非金属放熱層２とを封止して、金属熱伝導層１と非金属放熱層２との間に、中空収納空間４が形成されてもよい。本考案は、前記の非金属放熱層２が多孔質構造であるため、中空収納空間４内の空気が該非金属放熱層２の孔質により対流でき、これにより、金属熱伝導層１上に熱源Ａが設置される場合、熱源Ａによる熱が素早く伝導され、また、平均的に金属熱伝導層１に分布されて均熱効果が得られ、また、中空収納空間４内の熱対流により、金属熱伝導層１の熱が素早くもう一端に位置する非金属放熱層２に伝導されて放熱され、そのため快速的に放熱できる。

本考案に係わる非金属放熱層２は、適当な比例で、異なる粉末粒径（粉末粒径が２０−２００メッシュの範囲内にある）の熱導率が高い非金属粉末（熱導率が高い非金属粉末は、例えば、酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３や酸化ジルコニウムＺｒ_２Ｏ、窒化アルミニウムＡｌＮ、窒化シリコンＳｉＮ、窒化ホウ素ＢＮ、炭化タングステンＷＣ、炭化ケイ素ＳｉＣ、石墨Ｃ、結晶炭化ケイ素或いは再結晶炭化ケイ素ＲｅＳｉＣ等があり、窒化アルミニウムと炭化ケイ素が、より好ましい）に、適当な比例で、結合剤（例えば、シリコンコロソールやアルミニウムコロソール、ジルコニウムコロソール或いは塩素化アルミニウムＰＡＣ等である）やフォーミング剤（例えば、澱粉や木質素や木質リグノスルホン酸ナトリウム、木質リグノスルホン酸カルシウム、カルボキシメチルセルロース及びメチルセルロース等である）添加し、また、必要に応じて、高い熱導率である金属粉末（高い熱導率である金属粉末が、例えば、金や銀、銅、鉄、アルミニウム、コバルト、ニッケル、亜鉛、チタン、マンガン等である）を添加しても良く、非金属粉末と金属粉末を混合した複合粉末の粒径が５０−５００メッシュの範囲内にあり、放熱能力が向上される原料用意と、異なる粉末粒径の高い熱導率を有する非金属粉末（或いは非金属粉末や金属粉末）と結合剤やフォーミング剤とを転圧して、各粉末表面に一層の均一の結合剤やフォーミング剤が形成される転圧造粒と、真空押し出し成型により、前記の材料を押し出してシート状にする押し出し成型と、圧延により各粉末を結合し（各粉末同士の間にある結合剤の量を最小にする）、構造密度を平均にする圧延成型と、圧延成型された放熱フィンを初期ベーキングする乾燥とにより作製される。本考案は、前記の押し出し成型や圧延成型の二つのステップの代わりに、金型加圧成型（例えば、プレス成型や等圧成型或いは震動加圧成型等である）を利用しても良く、金型で予めに設定された形状（例えば、平板型やマトリックス型等である）に加圧成型して、直接に中空収納空間４を成型し、また、乾燥して多孔質構造である非金属放熱層２を焼結する。

図４と５を参照しながら、本考案に係わる非金属放熱層２は、予めに設定された形状であるマトリックス配列の立体放熱面２０があってもよく、非金属放熱層２に、予めに設定された形状であるマトリックス配列の立体放熱面２０があるため、その放熱表面積が拡大されより良い放熱効果が得られる。

本考案に係わる非金属放熱層２は、更に前記の非金属放熱層と同じ材料で混合して撹拌し、スラリを作製するミキシングと、前記の非金属放熱層（焼結してから）に対して加熱する加熱と、スラリを均一的に予熱済みの非金属放熱層の表面上にモルタルするモルタルと、スラリがモルタルされた非金属放熱層を焼結し、スラリ中のペレットを非金属放熱層上に結合させ、即ち、該非金属放熱層２の表面がペレット状（異なる大きさで、不規則に配列されるペレット）である立体点マトリックス放熱層２１（図６と７を参照する）になり、これにより放熱比表面積が増加されて、放熱効果が向上される焼結等のステップを経てもよい。

前記のモルタル方式により、非金属放熱層２に形成された立体点マトリックス放熱層２１は、印刷やプレス等を行い、そして、大きさがほぼ一致であるペレットに焼結して、比較的に規則的に配列された立体点マトリックス放熱層２２（図８と９を参照しながら）になっても良い。

本考案に係わる非金属放熱層３は、次の前記の非金属放熱層と同じ材料で、混合して撹拌しスラリを作製するミキシングステップと、所定の形状を有するキャリアで、スラリを付け、該キャリアが機物材質で、フレームと多孔質とから構成され（例えば、海綿）、スラリに浸り、キャリアフレームにスラリが均一に付けられ、また、通路の貫通を維持できるキャリアスラリ付けステップとにより作製されても良い。

焼結ステップは、スラリを付けたキャリアの有機物材質であるフレームを焼却して、三次元の放熱構造の非金属放熱層３を形成し、図１０と１１のように、該三次元の放熱構造を有する非金属放熱層３は、高熱消費率である非金属フレーム３０を有し、且つ、各フレームの間に互いに貫通する通路３１があるため、放熱の表面積が増加され放熱効果が向上される。本考案は、三次元の放熱構造である非金属放熱層３を有するため、金属熱伝導層１内の中空収納空間１０内に設置して、自身の大きさである通路３１により、対流そして放熱効果が得られ、また、該非金属放熱層３の底端に、さらに非金属放熱層２が設けられれば、より良い放熱効果が得られる。

また本考案は、必要に応じて、高い熱導率である金属粉末を添加しても良く、焼結する時、雰囲気気体（例えば、窒素ガスや水素ガス或いは二酸化炭素等である）を注入して、該金属粉末が窒化や炭化金属に焼結されると、放熱効果が向上され（例えば、アルミニウム粉を非金属粉末に添加して、そして窒素ガスを注入して焼結すると、アルミニウムが窒化アルミニウムに変換され、また、窒化アルミニウムは放熱効果が非常に優れるものである）。

図１２乃至１４を参照しながら、本考案はＬＥＤ放熱技術領域に適用でき、本考案は前記の金属熱伝導層１上に一層の絶縁層６が設けられ、該層絶縁層６上に予めに設定された数のＬＥＤ結晶６０や、予めに設計された回路６１が設けられ、ＬＥＤ結晶６０と回路６１とが導線６２により連結され、該層絶縁層６上において、ＬＥＤ結晶６０と回路６１との間に反射層６３が設けられる。本考案は、前記の非金属放熱層２が多孔質構造であるため、中空収納空間４内の空気が該非金属放熱層２にある孔質により対流でき、これにより、金属熱伝導層１上にＬＥＤ結晶６０が設置される場合、ＬＥＤ結晶６０による熱が素早く伝導され、また、平均的に金属熱伝導層１に分布され、均熱の効果が得られ、また、中空収納空間４内の熱対流により、金属熱伝導層１の熱が素早くもう一端の非金属放熱層２へ伝導されて放熱され、そのため、快速的に放熱の効果が得られ、また、ＬＥＤ結晶６０による光エネルギーも、反射層６３の反射により効率が向上される。

図１５のように、本考案を実装ＬＥＤ基板の放熱に適用される場合、主として、前記の金属熱伝導層１上に実装ＬＥＤ基板７が設置され、該実装ＬＥＤ基板７に、金属基板７０と該金属基板７０の一側に設けられた一層の絶縁層７１と、該層絶縁層７１上に設けられた予めに設定された数のＬＥＤ結晶７２、及び予めに設計された回路７３が備えられ、ＬＥＤ結晶７２が導線７４により回路７３に連結され、該層絶縁層７１上において、ＬＥＤ結晶７２と回路７３との間に反射層７５が設けられる。本考案は、前記の非金属放熱層２が多孔質構造であるため、中空収納空間４内の空気が該非金属放熱層２にある孔質により対流でき、これにより、金属熱伝導層１上にＬＥＤ結晶７２が設置される場合、ＬＥＤ結晶７２による熱が素早く伝導され、また、平均的に金属熱伝導層１に分布され、均熱の効果が得られ、また、中空収納空間４内の熱対流により、金属熱伝導層１の熱が素早くもう一端の非金属放熱層２へ伝導されて放熱され、そのため快速的に放熱効果が得られ、また、ＬＥＤ結晶７２による光エネルギーは、反射層７５の反射により効率がより向上される。図１６のように、該金属熱伝導層１上に、金属基板７０と中空収納空間４を連通する貫通孔１０があるため、放熱効率がより向上される。そのため、本考案はより進歩的かつより実用的で、法に従って実用新案登録請求を出願する。

以上は、ただ、本考案のより良い実施例であり、本考案はそれによって制限されることが無く、本考案に係わる考案登録請求の範囲や明細書の内容に基づいて行った等価の変更や修正は、全てが本考案の考案登録請求の範囲内に含まれる。

本考案の実施例の組み立て断面図本考案の他の実施例の組み立て断面図本考案の更に他の実施例の組み立て断面図本考案のマトリックス型実施例の組み立て断面図本考案の他のマトリックス型実施例の組み立て断面図本考案の点マトリックス型実施例の組み立て断面図（不規則配列）本考案の他の点マトリックス型実施例の組み立て断面図（不規則配列）本考案の点マトリックス型実施例の組み立て断面図（規則配列）本考案の他の点マトリックス型実施例の組み立て断面図（規則配列）本考案の三次元型実施例の組み立て断面図本考案の三次元型非金属放熱層の一部断面図本考案をＬＥＤ放熱に適用する時の実施例の組み立て断面図本考案を他のＬＥＤ放熱に適用する時の実施例の組み立て断面図本考案の更に他のＬＥＤ放熱に適用する時の実施例の組み立て断面図本考案を実装ＬＥＤ基板に適用する時の実施例の組み立て断面図本考案を他の実装ＬＥＤ基板に適用する時の実施例の組み立て断面図

符号の説明

Ａ熱源
１金属熱伝導層
１０貫通孔
２非金属放熱層
２０立体放熱面
２１立体点マトリックス放熱層（不規則配列）
２２立体点マトリックス放熱層（規則配列）
３非金属放熱層
３０高熱消費率の非金属フレーム
３１通路
４中空収納空間
５パッケージフレーム
６絶縁層
６０ＬＥＤ結晶
６１回路
６２導線
６３反射層
７実装ＬＥＤ基板
７０金属基板
７１絶縁層
７２ＬＥＤ結晶
７３回路
７４導線
７５反射層

Claims

主として、金属熱伝導層と非金属放熱層とが結合されることからなり、該金属熱伝導層と非金属放熱層との間に中空収納空間があり、また、該非金属放熱層が多孔質構造であることを特徴とする、放熱モジュール。
該中空収納空間は金属熱伝導層から構成され、金属熱伝導層と非金属放熱層との結合端の金属熱伝導層上に中空収納空間が形成され、該中空収納空間の一端に開口が形成され、開口端が非金属放熱層により封止されることを特徴とする、請求項１に記載の放熱モジュール。
該中空収納空間は非金属放熱層から構成され、非金属放熱層と金属熱伝導層との結合端の非金属放熱層上に中空収納空間が形成され、該中空収納空間の一端に開口が形成され、開口端が金属熱伝導層により封止されることを特徴とする、請求項１に記載の放熱モジュール。
該中空収納空間はパッケージフレームからなり、上方の金属熱伝導層と下方の非金属放熱層によりパッケージフレームが封止され、金属熱伝導層と非金属放熱層との間に中空収納空間が形成されることを特徴とする、請求項１に記載の放熱モジュール。
該非金属放熱層は、主として、異なる粒径を有する高い熱導率である非金属粉末を焼結することによる高孔質構造の非金属放熱層であって、孔質率が２０％乃至８０％の範囲内にあり、粉末粒径が２０乃至２００メッシュの範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載の放熱モジュール。
該異なる粒径である高熱導率非金属粉末に、高熱導率金属粉末が混合されて、高孔質構造である非金属放熱層に焼結され、該非金属放熱層の孔質率が２０％乃至８０％の範囲内にあり、粉末粒径が５０乃至５００メッシュの範囲内にあることを特徴とする、請求項５に記載の放熱モジュール。
該非金属放熱層は、予めに設定された形状であるマトリックス配列の立体放熱面を有することを特徴とする、請求項５や６に記載の放熱モジュール。
該非金属放熱層表面は一層の同じ材質で、不規則な配列である立体点マトリックス放熱層が結合されることを特徴とする、請求項５や６に記載の放熱モジュール。
該非金属放熱層表面は一層の同じ材質で、規則な配列である立体点マトリックス放熱層が結合されることを特徴とする、請求項５や６に記載の放熱モジュール。
該金属熱伝導層内端面の中空収納空間内に、高い熱消費率である非金属フレームから構成され、また、高熱消費率である非金属フレーム同士の間に、互いに貫通する通路により形成された三次元放熱構造である非金属放熱層があることを特徴とする、請求項１に記載の放熱モジュール。
該高熱消費率である非金属フレーム内に、高熱消費率である金属粉末が含まれることを特徴とする、請求項１０に記載の放熱モジュール。
該三次元放熱構造である非金属放熱層の底端に、更に、非金属放熱層が設けられることを特徴とする、請求項１０や１１に記載の放熱モジュール。
該金属熱伝導層上に一層の絶縁層が設けられ、該層絶縁層上に予めに設定された数のＬＥＤ結晶と、予めに設計された回路が設けられ、ＬＥＤ結晶が導線により回路に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の放熱モジュール。
該絶縁層は、ＬＥＤ結晶と回路との間に反射層が設けられることを特徴とする、請求項１３に記載の放熱モジュール。
該金属熱伝導層上に実装ＬＥＤ基板が設置され、該実装ＬＥＤ基板に金属基板と、該金属基板の一側に設けられる一層の絶縁層とが含まれ、該層絶縁層上に、予めに設定された数のＬＥＤ結晶と予めに設計された回路が設けられ、ＬＥＤ結晶が導線により回路に連結されることを特徴とする、請求項１に記載の放熱モジュール。
該層絶縁層において、ＬＥＤ結晶と回路の間に反射層が設けられることを特徴とする、請求項１５に記載の放熱モジュール。
該金属熱伝導層上に、金属基板と中空収納空間とを連通する貫通孔が設けられることを特徴とする、請求項１５に記載の放熱モジュール。