JP5840663B2

JP5840663B2 - 放熱板

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Publication number: JP5840663B2
Application number: JP2013189365A
Authority: JP
Inventors: 慶盛陳
Original assignee: 旭徳科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: EP2806455B1; EP2806455A2; TWI513069B; EP2806455A3; CN104183690B; TW201445785A; CN104183690A; US20140345841A1; US20160282055A1; JP2014228270A

Description

本発明は、放熱板に関するものであり、特に、少なくとも１つの発熱素子を載せるのに適した放熱板に関するものである。

一般的に使用されている既存の発光ダイオード（light emitting diode, LED）パッケージ構造では、使用前にＬＥＤチップを実装する必要があり、ＬＥＤチップが発光している間に大量の熱が生成される。ＬＥＤチップによって生成された熱が放散されず、ＬＥＤパッケージ構造内に蓄積され続けた場合、ＬＥＤパッケージ構造の温度が上がり続ける。そのため、過剰な熱によって、ＬＥＤチップは輝度劣化の問題に直面し、ＬＥＤチップの使用寿命が短縮される上、ＬＥＤチップに対して永久損傷が生じる場合もある。

従来のＬＥＤチップは、金属回路を使用して熱を放散する放熱板に配置されるものがほとんどである。しかしながら、金属回路の熱膨張係数は、ＬＥＤチップの熱膨張係数よりもはるかに大きく、言い換えると、これら２つの熱膨張係数は不一致（mismatch）である。また、ＬＥＤチップによって生成される熱応力（thermal stress）やひずみ（warpage）が増えることにより、ＬＥＤチップと放熱板の信頼性が（reliability）が減少する。したがって、いかにしてＬＥＤチップの放熱効果を増やし、ＬＥＤチップと放熱板の信頼性を向上させるかが、現在、重要な課題となっている。

本発明は、より優れた放熱効果を達成することのできる放熱板を提供する。

本発明の放熱板は、熱伝導性材料層と、第１金属層と、金属基板と、金属リングフレームとを含む。熱伝導性材料層は、互いに向かい合う上表面と下表面を有し、熱伝導性材料層の材料は、セラミックまたはシリコンゲルマニウムを含む。第１金属層は、熱伝導性材料層の下表面に配置され、第１粗表面構造を有する。金属基板は、第１金属層の下方に配置され、第２粗表面構造を有する。金属リングフレームは、第１金属層と金属基板の間に配置される。第１粗表面構造、金属リングフレームおよび第２粗表面構造は、流体チャンバーを定義し、この流体チャンバー内に作動流体が流入する。

本発明の１つの実施形態中、熱伝導性材料層は、さらに、少なくとも１つの導電貫通孔構造を含む。導電貫通孔構造は、第１金属層の一部を露出し、第１金属層に電気接続される。

本発明の１つの実施形態中、放熱板は、さらに、第２金属層を含む。第２金属層は、熱伝導性材料層の上表面に配置され、第２金属層は、熱伝導性材料層を完全に覆うか、または、一部を露出する。

本発明の１つの実施形態中、放熱板は、さらに、少なくとも１つの開口を含む。開口は、熱伝導性材料と第１金属層を貫通し、流体チャンバーに連通する。金属管を開口に挿入してガス吸引または流体注入を行い、流体チャンバーを低真空状態にした後、挿入された金属管を閉じる。

本発明の１つの実施形態中、放熱板は、さらに、少なくとも１つの開口を含む。開口は、金属リングフレームを貫通し、流体チャンバーに連通する。

本発明の１つの実施形態中、放熱板は、さらに、少なくとも１つの開口を含む。開口は、金属基板を貫通し、流体チャンバーに連通する。

本発明の１つの実施形態中、第１金属層の材料、金属基板の材料および金属リングフレームの材料は、銅、アルミニウムまたはその合金を含む。

本発明の１つの実施形態中、第１粗表面構造は、凹凸表面構造であり、第１粗表面構造の最大高度粗さ（Ｒｙｍａｘ）は、数マイクロメートルから数センチメートルの間である。

本発明の１つの実施形態中、第２粗表面構造は、凹凸表面構造であり、第２粗表面構造の最大高度粗さ（Ｒｙｍａｘ）は、数マイクロメートルから数センチメートルの間である。

本発明の１つの実施形態中、作動流体は、空気または液体を含む。

以上のように、本発明の放熱板の熱伝導性材料層の材料は、熱伝導率の高いセラミックまたはシリコンゲルマニウム（silicon germanium）である。第１金属層の第１粗表面構造、金属リングフレームおよび金属基板の第２粗表面構造は、低真空レベルの流体チャンバーを定義する。したがって、本発明の放熱板は、ベイパーチャンバー（vapor chamber）とみなすことができ、発熱素子（例えば、ＬＥＤチップ）を放熱板の上に配置した時、ベイパーチャンバーの二相流特徴により、発熱素子によって生成される熱を放散させることができる。それにより、発熱素子によって生成された熱を効果的に除去し、発熱素子の効果および寿命を増やすことができる。

本発明の上記および他の目的、特徴、および利点をより分かり易くするため、図面と併せた幾つかの実施形態を以下に説明する。

本発明の１つの実施形態に係る放熱板を示す概略的断面図である。本発明の別の実施形態に係る放熱板を示す概略的断面図である。本発明の別の実施形態に係る放熱板を示す概略的断面図である。本発明の別の実施形態に係る放熱板を示す概略的断面図である。本発明の別の実施形態に係る放熱板を示す概略的断面図である。本発明の１つの実施形態に係る発熱素子を保持する放熱板を示す概略的断面図である。本発明の別の実施形態に係る発熱素子を保持する放熱板を示す概略的断面図である。本発明の別の実施形態に係る発熱素子を保持する放熱板を示す概略的断面図である。本発明の別の実施形態に係る発熱素子を保持する放熱板を示す概略的断面図である。本発明の別の実施形態に係る発熱素子を保持する放熱板を示す概略的断面図である。

図１は、本発明の１つの実施形態に係る放熱板を示す概略的断面図である。図１において、本実施形態の放熱板１００ａは、熱伝導性材料層１１０ａと、第１金属層１２０と、金属基板１３０と、金属リングフレーム１４０とを含む。詳しく説明すると、熱伝導性材料層１１０ａは、互いに向かい合う上表面１１２ａと下表面１１４ａを有する。詳しく説明すると、熱伝導性材料層１１０ａの材料は、セラミックまたはシリコンゲルマニウムを含む。第１金属層１２０は、熱伝導性材料層１１０ａの下表面１１４ａに配置され、第１粗表面構造１２２を有する。金属基板１３０は、第１金属層１２０の下方に配置され、第２粗表面構造１３２を有する。金属リングフレーム１４０は、第１金属層１２０と金属基板１３０の間に配置される。第１粗表面構造１２２、金属リングフレーム１４０および第２粗表面構造１３２は、流体チャンバーＣを定義し、この流体チャンバーＣ内に作動流体Ｆが流入する。

さらに詳しく説明すると、本実施形態の第１金属層１２０は、熱伝導性材料層１１０ａの下表面１１４ａに直接接した状態にある。本実施形態において、第１金属層１２０の材料、金属基板１３０の材料および金属リングフレーム１４０の材料は、銅、アルミニウムまたはその合金を含み、第１金属層１２０、金属基板１３０および金属リングフレーム１４０の材料は、同一または異なっていてもよいが、本発明はこれに限定されない。また、流体チャンバーＣは、例えば、低真空レベルチャンバーであり、作動流体Ｆは、例えば、空気または液体である。

詳しく説明すると、本実施形態の第１金属層１２０の第１粗表面構造１２２は、例えば、連続した凹凸表面構造または不連続の凹凸表面構造であり、第１粗表面構造１２２の最大高度粗さ（Ｒｙｍａｘ）は、数マイクロメートルから数センチメートルの間である。第１粗表面構造１２２は、毛細管構造とみなしてもよい。一方、本実施形態の金属基板１３０の第２粗表面構造１３２は、例えば、連続した凹凸表面構造または不連続の凹凸表面構造であり、第２粗表面構造１３２の最大高度粗さ（Ｒｙｍａｘ）は、数マイクロメートルから数センチメートルの間である。第２粗表面構造１３２は、毛細管構造とみなしてもよい。ここで、第１粗表面構造１２２および第２粗表面構造１３２は、例えば、機械処理（例えば、コンピュータ数値制御（computer numerical control, CNC）フライス加工（milling）、プレス加工（stamping）またはサンドブラスト、または、化学処理（例えば、電気化学メッキ法、エッチング）、または、物理粉砕法によって形成されるが、本発明はこれに限定されない。

本発明の放熱板１００ａの熱伝導性材料層１１０ａの材料は、熱伝導率の高いセラミックまたはシリコンゲルマニウムである。第１金属層１２０の第１粗表面構造１２２、金属リングフレーム１４０および金属基板１３０の第２粗表面構造１３２は、低真空レベルの流体チャンバーＣを定義する。したがって、発熱素子（図示せず）を熱伝導性材料層１１０ａの上に配置した時、流体チャンバーＣ内の作動流体Ｆが発熱素子によって生成された熱Ｅを吸収して、低真空状態で蒸発する。この時、作動流体Ｆは、熱Ｅを吸収して体積が急速に拡大するため、気体相の作動流体Ｆは、すぐに流体チャンバーＣ全体を充満させる。気体相の作動流体Ｆが低温の領域に接した状態の時に気体相の作動流体Ｆが凝縮されることにより、蒸発中に吸収された熱が放出される。凝縮後、液体相の作動流体Ｆは、第１粗表面構造１２２および第２粗表面構造１３２の毛細管作用（capillary action）によって、蒸発領域（すなわち、発熱素子の下方）に戻る。そのため、伝導、蒸発、対流、凝縮のサイクルを繰り返すことによって、発熱素子によって生成された熱Ｅを放熱板１００ａの各部分に素早く伝導させることができる。簡単に説明すると、本実施形態の放熱板１００ａは、偏平構造（flat structure）および十分な二相流特徴を有するベイパーチャンバーとみなすことができる。それにより、優れた二次元側方熱伝導効果を提供し、発熱素子によって生成された熱を素早く拡散して局部領域に過熱点（hot spot）が形成するのを防ぎ、発熱素子の寿命を増やすことができる。

一方、熱伝導性材料１１０ａは熱伝導効果を達成し、熱伝導性材料１１０ａの熱膨張係数は、発熱素子（図示せず）の熱膨張係数に比較的近い。そのため、発熱素子を熱導電性材料層１１０ａの上に配置した時、放熱板１００ａと放熱板１００ａによって保持された発熱素子との間の熱膨張係数の差を減らし、２つの熱膨張係数間の差が大きいことによって発熱素子と熱伝導性材料１１０ａの間の対応応力（corresponding stress）が増加することを防ぐことができるとともに、発熱素子が剥がれたり損傷したりすることを防止し、さらに、放熱板１００ａの信頼性を上げることができる。

以下、いくつかの実施形態を提供して、放熱板１００ｂ、１００ｃ、１００ｄおよび１００ｅの構造設計について説明する。言及すべきこととして、上述した実施形態の参照番号および一部の内容を以下の実施形態において使用するが、同一の参照番号は同一または類似する構成要素を示すものとし、同じ技術内容については説明を省略する。省略した詳細説明については、上述した実施形態を参照することができるため、以下の実施形態では繰り返し説明しない。

図２は、本発明の別の実施形態に係る放熱板を示す概略的断面図である。図２において、本実施形態の放熱板１００ｂは、図１の放熱板１００ａに類似するが、主な相違点のうちの１つは、本実施形態の熱伝導性材料層１１０ｂが少なくとも１つの導電性スルーホール構造１１６ｂ（図２では、３つの導電性スルーホール構造を図示する）を有することであり、導電性スルーホール構造１１６ｂは、上表面１１２ｂおよび下表面１１４ｂに接続され、第１金属層１２０の一部を露出する。導電性スルーホール構造１１６ｂは、第１金属層１２０の露出された部分に電気接続される。また、放熱板１００ｂは、さらに、少なくとも１つの開口Ｈ１を含み、開口Ｈ１は、金属基板１３０を貫通して流体チャンバーＣに連通し、開口Ｈ１を介して流体チャンバーＣからガスを吸引する、または、流体チャンバーＣに流体を注入することによって、放熱板１００ｂの全体的な放熱効果を向上させる。金属管（図示せず）を開口Ｈ１に挿入してガス吸引または流体注入を行い、流体チャンバーＣを低真空状態にした後、挿入された金属管を閉じる。

図３は、本発明の別の実施形態に係る放熱板を示す概略的断面図である。図３において、本実施形態の放熱板１００ｃは、図１の放熱板１００ａに類似するが、主な相違点のうちの１つは、本実施形態の放熱板１００ｃが、さらに、第２金属層１６０ａを含むことである。第２金属層１６０ａは、熱伝導性材料１１０ａの上表面１１２ａに配置され、第２金属層１６０ａは、熱伝導性材料１１０ａを全体的に覆う。

また、放熱板１００ｃは、さらに、少なくとも１つの開口Ｈ２を含む。開口Ｈ２は、第２金属層１６０ａ、熱伝導性材料１１０ａおよび第１金属層１２０を順番に貫通して流体チャンバーＣに連通し、開口Ｈ２を介して流体チャンバーＣからガスを吸引する、または流体チャンバーＣに流体を注入することによって、放熱板１００ｃの全体的な放熱効果を向上させる。

図４は、本発明の別の実施形態に係る放熱板を示す概略的断面図である。図４において、本実施形態の放熱板１００ｄは、図１の放熱板１００ａに類似するが、主な相違点のうちの１つは、本実施形態の放熱板１００ｄが、さらに、第２金属層１６０ｂを含むことである。第２金属層１６０ｂは、熱伝導性材料１１０ａの上表面１１２ａに配置され、第２金属層１６０ｂは、熱伝導性材料１１０ａを覆い、熱伝導性材料１１０ａの上表面１１２ａの一部を露出する。また、放熱板１００ｄは、さらに、少なくとも１つの開口Ｈ３を含み、開口Ｈ３は、金属リングフレーム１４０を貫通して流体チャンバーＣに連通し、開口Ｈ３を介して流体チャンバーＣからガスを吸引する、または流体チャンバーＣに流体を注入することによって、放熱板１００ｄの全体的な放熱効果を向上させる。

図５は、本発明の別の実施形態に係る放熱板を示す概略的断面図である。図５において、本実施形態の放熱板１００ｅは、図２の放熱板１００ｂに類似するが、主な相違点のうちの１つは、本実施形態の放熱板１００ｅが、さらに、第２金属層１６０ｂを含むことである。第２金属層１６０ｂは、熱伝導性材料１１０ｂの上表面１１２ｂに配置され、第２金属層１６０ｂは、熱伝導性材料１１０ｂを覆い、熱伝導性材料１１０ｂの上表面１１２ｂの一部を露出する。

さらに、導電性スルーホール構造１１６ｂ、第２金属層１６０ａおよび１６０ｂ、開口Ｈ１、Ｈ２およびＨ３は、ここに図示されていない他の実施形態でも適用可能である。本分野において通常の知識を有する者であれば、上述した実施形態の説明に基づき、実際の要求に応じて、上述した構成要素を用いて必要な技術効果を達成させることができる。

図６は、本発明の１つの実施形態に係る発熱素子を保持する放熱板を示す概略的断面図である。図６において、放熱板１００ａは、ＬＥＤチップ２００ａ（すなわち、発熱素子）を載せるのに適しており、ＬＥＤチップ２００ａは、誘電体層２１０に埋め込まれ、複数のボンディングワイヤー２２０を介して誘電体層２１０の上の回路２３０に電気接続される。さらに、ＬＥＤチップ２００ａおよび誘電体層２１０は、例えば、導電性接着層または非導電性接着層等の接着層２４０によって熱伝導性材料１１０ａの上表面１１２ａに固定されるが、本発明はこれに限定されない。

本実施形態の熱伝導性材料１１０ａは、放熱効果を達成し、熱伝導性材料１１０ａの熱膨張係数は、ＬＥＤチップ２００ａ（図示せず）の熱膨張係数に近い。そのため、ＬＥＤチップ２００ａを接着層２４０によって熱伝導性材料１１０ａの上に配置した時、熱伝導性材料１１０ａとＬＥＤチップ２００ａの間の熱膨張係数の差を効果的に減らし、２つの熱膨張係数間の差が大きいことによって発熱素子と熱伝導性材料１１０ａの間の対応応力が増加することを防ぐことができるとともに、ＬＥＤチップ２００ａが剥がれたり損傷したりすることを防止し、さらに、放熱板１００ａの信頼性を上げることができる。また、放熱板１００ａに放熱の機能しかない場合、伝導、蒸発、対流、凝縮のサイクルを繰り返すことによって、ＬＥＤチップ２００ａによって生成された熱を外部環境に素早く伝導させることができる。

言及すべきこととして、ここでは１つのＬＥＤチップ２００ａを挙げて説明したが、本発明はＬＥＤチップ２００ａの数を限定しない。しかしながら、図７を参照すると、別の実施形態において、発熱素子は、直列または並列に接続された複数のＬＥＤチップ２００ｂで構成されてもよい。これもやはり本発明において採用可能な技術方案に属し、本発明の保護範囲に含まれるものとする。

図８は、本発明の別の実施形態に係る発熱素子を保持する放熱板を示す概略的断面図である。図８において、放熱板１００ｄは、ＬＥＤチップ２００ｄ（すなわち、発熱素子）を載せるのに適しており、ＬＥＤチップ２００ｄは、第２金属層１６０ｂの上に配置され、ＬＥＤチップ２００ｄは、複数のボンディングワイヤー２２０を介して第２金属層１６０ｂに構造的かつ電気的に接続される。ここで、放熱板１００ｄは、放熱の機能だけでなく、導電の機能も有する。

図９は、本発明の別の実施形態に係る発熱素子を保持する放熱板を示す概略的断面図である。図９において、放熱板１００ｄは、ＬＥＤチップ２００ｅ（すなわち、発熱素子）を載せるのに適しており、ＬＥＤチップ２００ｅは、銀ペースト２５０を介して第２金属層１６０ｂの上に配置される。つまり、ＬＥＤチップ２００ｅは、フリップチップボンディングにより放熱板１００ｄの第２金属層１６０ｂに電気接続される。ここで、放熱板１００ｄは、放熱の機能だけでなく、導電の機能も有する。

言及すべきこととして、ここでは１つのＬＥＤチップ２００ｅを挙げて説明したが、本発明はＬＥＤチップ２００ｅの数を限定しない。しかしながら、図１０を参照すると、別の実施形態において、発熱素子は、複数のＬＥＤチップ２００ｆで構成されてもよい。これもやはり本発明において採用可能な技術方案に属し、本発明の保護範囲に含まれるものとする。さらに、上述した放熱板１００ｂ、１００ｃおよび１００ｄは、ここに図示されていない他の実施形態でも適用可能である。本分野において通常の知識を有する者であれば、上述した実施形態の説明に基づき、実際の要求に応じて、上述した構成要素を用いて必要な技術効果を達成させることができる。

以上のように、本発明で説明した放熱板の熱伝導性材料層の材料は、熱伝導率の高いセラミックまたはシリコンゲルマニウムである。第１金属層の第１粗表面構造、金属リングフレームおよび金属基板の第２粗表面構造は、低真空レベルの流体チャンバーを定義する。したがって、本発明の放熱板は、ベイパーチャンバーとみなすことができ、発熱素子（例えば、ＬＥＤチップ）を放熱板の上に配置した時、ベイパーチャンバーの二相流特徴により、発熱素子によって生成される熱を放散させることができる。それにより、発熱素子によって生成された熱を効果的に除去して、発熱素子の効果および寿命を増やすことができる。

本発明は、少なくとも１つの発熱素子を載せるのに適し、優れた放熱効果を達成することのできる放熱板に関するものである。

１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、１００ｅ放熱板
１１０ａ、１１０ｂ熱伝導性材料層
１１２ａ、１１２ｂ上表面
１１４ａ、１１４ｂ下表面
１１６ｂ導電性スルーホール構造
１２０第１金属層
１２２第１粗表面構造
１３０金属基板
１３２第２粗表面構造
１４０金属リングフレーム
１６０ａ、１６０ｂ第２金属層
２００ａ、２００ｂ、２００ｄ、２００ｅ、２００ｆＬＥＤチップ
２１０誘電体層
２２０ボンディングワイヤー
２３０回路
２４０接着層
２５０銀ペースト
Ｃ流体チャンバー
Ｅ熱
Ｆ作動流体
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３開口

Claims

発熱素子に対して放熱を行うのに適した放熱板であり、
互いに向かい合う上表面と下表面を有し、材料が、セラミックまたはシリコンゲルマニウムを含み、前記発熱素子が熱伝導性材料層の前記上表面に配置されている熱伝導性材料層と、
前記熱伝導性材料層の前記下表面に配置され、第１粗表面構造を有する第１金属層と、
前記第１金属層の下方に配置され、第２粗表面構造を有する金属基板と、
前記第１金属層と前記金属基板の間に配置された金属リングフレームと
を含み、
前記第１粗表面構造が、凹凸表面構造であり、
前記第１粗表面構造の最大高度粗さが、数マイクロメートルから数センチメートルの間であり、
前記第１粗表面構造、前記金属リングフレームおよび前記第２粗表面構造が、偏平構造の流体チャンバーを定義し、前記流体チャンバー内に作動流体が流入し、前記流体チャンバーは低真空状態であり、
前記第２粗表面構造が、凹凸表面構造であり、
前記第２粗表面構造の最大高度粗さが、数マイクロメートルから数センチメートルの間であり、
前記作動流体は液体相の作動流体と気体相の作動流体の間で変換を行い、以下のステップ（１）〜ステップ（３）のサイクルを繰り返し、前記発熱素子によって生成された熱を取り除き、
ステップ（１）前記液体相の作動流体は前記発熱素子によって生成された熱を吸収して、蒸発し、前記気体相の作動流体となり、
ステップ（２）前記気体相の作動流体は対面の前記第２粗表面構造に移動し、凝縮して前記液体相の作動流体となり、
ステップ（３）前記液体相の作動流体は前記第２粗表面構造の凹凸表面構造及び前記第１粗表面構造の凹凸表面構造の毛細管作用によって、上向きに流入させ、二次元側方流動を行い、対応する前記発熱素子の位置に戻ること、
を含む放熱板。
前記熱伝導性材料層が、さらに、少なくとも１つの導電スルーホール構造を含み、
前記少なくとも１つの導電スルーホール構造が、前記第１金属層の一部を露出するとともに、前記第１金属層に電気接続された請求項１に記載の放熱板。
前記熱伝導性材料層の前記上表面に配置され、前記熱伝導性材料層を完全に覆うか、または、一部を露出する第２金属層をさらに含む請求項２に記載の放熱板。
前記熱伝導性材料層の前記上表面に配置され、前記熱伝導性材料層を完全に覆うか、または、一部を露出する第２金属層をさらに含む請求項１に記載の放熱板。
前記熱伝導性材料層と前記第１金属層を貫通し、前記流体チャンバーに連通する少なくとも１つの開口をさらに含む請求項１に記載の放熱板。
前記金属リングフレームを貫通し、前記流体チャンバーに連通する少なくとも１つの開口をさらに含む請求項１に記載の放熱板。
前記金属基板を貫通し、前記流体チャンバーに連通する少なくとも１つの開口をさらに含む請求項１に記載の放熱板。
前記第１金属層の材料、前記金属基板の材料および前記金属リングフレームの材料が、銅、アルミニウムまたはその合金を含む請求項１に記載の放熱板。
前記作動流体が、空気または液体を含む請求項１に記載の放熱板。