200829137 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係涉及發光源裝置,特別係關於具有高散熱效 率之發光二極體散熱裝置組合。 【先前技術】 發光-極體(LED,Light_emitting Diode)作為發光源 由於具有高效益之特性,而在汽車、交通信號燈指示、榮 幕顯不’甚至照明等領域得到廣泛應用。隨著高功率、高 亮度發日光二極體之發展,發光二極體之應用範圍也越來越 廣,但是由於目前發光二極體之輸入功率只有15_2〇%轉換 成光,近80-85%轉換成熱,隨著發光二極體介面溫度 (Junction Temperature)升高,發光二極體之發光效益將顯 著下降,而它所散發出之熱量能否及時導出或散發出去, =成為影響發光二極體發光品質與壽命之關鍵因素,嚴重 影響其發光亮度及縮短其使用壽命。 、習知發光二極體之散熱結構,基本構成為發光二極體 通過;熱I等導熱介質貼於一電路板上,並將一散熱器設 龟路板下方,通常該散熱器包括一底座及形成於該底座 上之複數散熱片。由於該PCB之材料一般為高分子材料, 〃V熱性能差,且發光二極體與電路板、電路板與散熱器 之間均形成接觸介面,通常在這些介面中塗布導熱膏等導 熱介質,以填充這些介面中之空氣間隙,然而導熱膏之熱 傳導係數—般在2〜5W/(m.K)左右,嚴重影響發光二極體至 政熱為之間熱量之傳遞,導致發光二極體之熱量無法及時 200829137 ‘ 傳遞至散熱器上進行散發。 為了提高傳熱效果,業界亦有同時採用在PCB板上設 置上下貝牙之穿孔(Through holes),作為熱傳管道 • (Thermal Vlas)增加熱傳遞,雖然以這些穿孔作為熱傳管道 可以增強熱傳效果,但改善效果有限,且受PCB板放置方 向1*生之如響較大,在水準及垂直應用時均會受到方向性之 y曰而在水準熱傳遞效果較差,主要是熱源即LED產生 _ 讀夏錄上方,*散熱驗於下方,穿础之空氣對流 一果車乂差達到降低熱阻之效果有限。因而需要降低發光 -極體至散熱H之間之熱阻,以期達顺升發光二極體與 散熱器之間之熱傳遞效率。 〃 【發明内容】 有鑒於此,下面以具體實施例說明一種具較高散熱效 率之發光二極體散熱裝置組合。 一種發光二極體散熱裝置組合,包括-電路板,電連 • 接於該電路板上之至少一發光二極體及置於電路板另一侧 之散熱器’電路板上設有貫穿之複數通孔,該通孔内填充 2由奈米材料與高分子材料製成之第—齡面材料,該第 一熱介面材料將發光二極體和散熱器熱性連接。 種發光二極體散熱裝置組合,包括一電路板、電連 ^於該電路板上面之至少—發光二極體及與電路板相連接 一散熱II ’該電路板上設有複數貫穿之通孔,該通孔内填 充有=奈米材料與高分子材料製成之第一熱介面材料,該 散熱器包括-傳熱元件,該傳熱元件内設置有產生相變^ 200829137 熱介面材料將發光二極體和該傳 作用之工作流體,該第_ 熱元件熱性連接。 與習知技術相比,本發 材料製成之第一熱介面封料之高熱二高分: 熱量傳遞至散熱器’從而達二二::: 效,有效解決高發熱量發光二極體之散_題。 【實施方式】
下面參照附圖,結合實施例對本發明作進一步說明。 如圖1所示,林發日㈣光二_散齡置組合之第一 實施例’其包括-可紐㈣構成之電路㈣、設於該電 路板10下方之發光二極體觀設於該電路板1G上方並與 該發光一極體20熱性連接之一散熱器4Q。 該電路板10上設有銅線路12,發光二極體2〇貼設於電 路板10具有銅線路12之一面上,並通過兩接觸腳2〇a、2〇b 分別與該電路板10上之銅線路12電連接。該電路板1〇上對 應于發光二極體20的地方設有貫穿電路板1 〇上下表面之多 個通孔102。本實施例中僅示出4個通孔1〇2,實際上該通 孔102之數量和位置可根據每一發光二極體2〇之大小而設 置,使發光二極體20之熱量能快速均勻地透過通孔1〇2傳 遞出去。 該散熱器40包括設於該電路板10下方之一鋁基板41 及與該鋁基板41連接之一柱型熱管42。該電路板10上之多 個通孔102内填充有由具高熱傳導係數之奈米碳管 (Carbon Nanotubes)製成之第一熱介面材料140,該發光二 200829137 極體20與電路板10之間填充有由具高熱傳導係數之奈米碳 s制成之弟一^熱介面材料142 ’該電路板iq與基板Μ之間 填充有由具高熱傳導係數之奈米碳管制成之第三熱介面材 料143。該第一、第二、第三熱介面材料14〇、142、143 均由奈米材料如奈米顆粒、奈米碳管與高分子材料 (Macromolecular Material)如石犧(Paraffin)、聚丙烯 (polypropylene)等組成之奈米碳管熱介面材料,本實施例 中,該奈米材料選自奈米碳管。 以石纖為例’製作一非陣列式石犧相變之奈米碳管熱 介面材料,包括將石蝶、奈米碳管及二甲基甲醯胺 (C3H7NO)以1〇0:3:100之比例混合,加熱至7〇〜8〇。〇後, 放置於行生球磨機進行球磨混合約1個小時,使奈米碳管均 勻分佈在石蠟溶液中。然後將球磨後之混合物用濾紙過 濾,並將濾淨之混合物風乾,再將風乾後之混合物加熱熔 融後放至一切片模具中,熔融之混合物均勻分佈於切片模 具中後’待其自然冷卻’最後將該冷卻後之勒胚樣品置於 10 C以下之低溫環境中冷藏約20分鐘,使其凝固、容易脫 模’並將脫模後之石纖奈米碳管切削成所需厚度和形狀, 若切割後的捲曲了,可置於4〇。〇左右之溫水中,即可恢復 平坦。 同樣,以石壤為例,製作一陣列式石壤相變之奈米碳 管熱介面材料包括採用化學氣相沉積法(Chemical Vap沉 Deposition CVD)在基板,如矽片上生長奈米碳管陣列, 然後將帶有奈米碳管陣列之矽片置入熔融之石蠟溶液中, 200829137
陣列中之空氣排出而由石蠟溶液填充, 形成。 /、卫,使奈米碳管 ’取出後冷卻、切削
石反官陣列浸潤於液相高分子體系; 包括以下步驟:提供一奈米碳管陣列;將夺米 潤於液相高分子高分子體系^匕 =二生成分佈有奈米碳管之高分子複合材料;在奈米 ^、車列預定南度,沿垂直于奈米碳管_軸向切割該高 刀子複合材料,去除奈米碳管陣列頂端之高分子材料並使 得奈米碳管夹端開口;按照預定厚度切割上述高分子複合 材料’形成厚度均勻之高分子複合材料薄膜;去除高分子 複=材料薄膜中之高分子材料,得到大量長度均一之奈米 碳管。中國大陸清華大學專利申請公開第2〇〇4⑽施似 # _露之一種熱介面材料及其製造方法,步驟為先生長奈 米碳ΐ陣列,接者放入至由高分子材料組成之溶劑中,待 固化後形成載體,最後經由裁切成適當高度並同時於每一 奈米碳管兩端形成折彎,即得到該奈米碳管陣列嵌入至該 載體中之熱介面材料。中國大陸清華大學專利申請公開第 200410026778.6號揭露之一種熱介面材料及其製造方 法’步驟為先生長奈米碳管陣列,接著放人至由高分子材 $組成之溶劑中,待固化後形成載體,最後經由裁切成適 當咼度’即得到該奈米碳管陣列嵌入至該載體中之熱介面 200829137 • 材料(TIM)。又如1_之美國專利第咖加號揭示之一種 奈米碳管熱介面材料,包括至少―奈米碳管束⑷咖継 a—職。tUbe bundle)及—填隙式材料(an interstitial • materiaI) ’該奈米碳管束嵌入至該填隙式材料中。 填充于通孔102内之第-熱介面材料14〇 一般採用生 長較高之奈米碳管’本實施例中第—熱介面材料剛采用之 奈米碳管高為1mm ’且外形為圓柱型。而填充于該發光二 • 減2〇與電路板10之間以及該電路板10與基板Μ之間之 第二、第三熱介面材料142、143則採用較薄片狀之奈米碳 管’ ^高度-般在〇.〇5mm〜linn^間變化,本實施例中第 二、第三熱介面材料142、143均採㈣奈料管厚度約為 0.05mm之奈米材料薄層,並與第一熱介面材料14〇之上、 下端連接。奈米碳管之熱傳導係數為3〇〇〇〜66〇〇w/mt:, 利用奈米碳管形成之第一、第二、第三熱介面材料i4〇、 142、143填充于發光二極體2〇與基板41之間形成高效之傳 • 熱路徑,大大減小了熱量從發光二極體20傳遞至基板41間 之熱阻。 該基板41之頂面與發光二極體20相對設有一凹口 412 ’該熱官42包括-連接端426,該連接端426收容於基 板41之凹口412内,且與基板41鋁硬焊結合,該連接端426 具有-平整之端面。該熱管42管外設有複數散熱片424, 熱官42.内呈真空狀態且填充有低沸點之冷媒425,如氨 (腿3)、甲醇(CH4〇)、乙醇(切⑼等用於傳熱之工作流 體,利用該工作流體受熱和冷卻在氣、液兩態間轉變時, 11 200829137 吸收或放出大量熱量而使熱量均布于整個熱管42,並通過 該熱官42外表之散熱片424將熱量散發出去,熱管42之内 ‘ 側壁上級燒結、或鋪設金屬絲網目或者纖維網目而形成毛 - 細結構422,通過該毛細結構422可產生毛細作用力驅動冷 部後之液體回流。該熱管42以冷媒425為工作流體,因而 該熱管42不會因凍結而造成漲管及管裂,可適應在緯度偏 北區域之發光二極體照明應用。 φ 工作時,該發光二極體20產生之熱量經由該第二、第 一、第三熱介面材料142、140、143快速有效地傳遞至基 板41及與該基板41結合之熱管42上,該熱管化内之冷媒 425吸熱沸騰產生相變化而將吸收之熱量快速均勻的分佈 于熱管42之壁面,並通過管外之散熱片424散發出去。利 用該第一、第二、第三熱介面材料14〇、142、143中奈米 材料之高熱傳導性,可將發光二極體2〇之熱量快速有效地 傳遞至基板41及散熱器4〇上,相比習知技術中通過塗布一 ⑩ 般導熱膏等導熱介質之方式而言,極大程度上減小了埶量 從發光二極體20傳導至散熱器4〇上之熱阻,且在實際運用 過程中不受方向性之影響,再利用熱管π相變傳熱之快速 輸送大星熱月b、度分佈均勻、遠距傳輸之特性將熱量快 速地分佈于熱管42並通過散熱片424散發,達到快速且充 分傳導熱量之目的,減小熱量從熱管42内到管外散熱片 424從而散發出去這-_巾之熱阻,確保發光二極體加 正常工作並維持最大發光亮度。 為作低熱量從基板41傳遞至熱管42之熱阻,亦可直 12 200829137 接將發光二極體2〇設于熱管42上而省去基板41,如圖2所 示為本發明發光二極體散熱裝置組合之第二實施例,發光 • 一極體20直接貼設于熱管42a之連接端426a之平整的端面 • 上,本實施例中之散熱器4〇a由熱管42a及設于熱管42a外 圍之複數散熱片424a構成,如圖3所示為該散熱器4〇沿皿-皿之剖面圖,本實施例中,該熱管42a由紹材通過擠壓一體 成型,于管外一體形成複數散熱片42如,同時于熱管42a p 之内侧壁鋁擠產生微細溝槽421,通過該内侧壁上之溝槽 421可產生毛細作用力驅動冷卻後之液體回流,而熱管42a 之連接端426a之端面内壁上則採用由網目、纖維、多孔隙 或複合毛細結構422。該第二實施例中,發光二極體2〇之 熱I直接傳導至熱管42a上,省去了上述第一實施例中之鋁 基板41,節省了生產成本及組裝步驟,而且發光二極體2〇 熱量之熱傳路徑進一步簡化,更進一步減少了熱阻之產 生,特別適應于單個高功率發光二極體之散熱情況。本實 • 施例中之溝槽421亦可由網目、纖維、多孔隙或複合毛細結 構替代。 如圖4所示為本發明發光二極體散熱裝置組合之第三 貝%例’其與上述實施例之區別在於該散熱器獅中之熱管 42b由縣之軸向散龄式改採祕向散齡式,可同時針 對-發光二極體陣列進行散熱,即將多顆發光二極體2〇置 於熱管働之轴向平面上進行散熱。與上述實施例相同,電 路板ίο對應每-發光二極體2〇設有複數貫穿之通孔ι〇2, 每電路板10上布有銅線路12,該發光二極體2〇貼設於電 13 200829137 路板10上,並通過兩接觸腳2〇a、2〇b分別與電路板1〇上之 銅線路12形成電連接。請一併參照圖5,本實施例中,該熱 官42b由鋁材一體擠壓製成,該鋁制熱管42b沿轴向鋁擠形 成,並於鋁擠過程中于一侧形成—平面428,用以承載該多 個發光二極體20,熱管42b之内侧壁鋁擠產生微細溝槽 421,熱管42b外鋁擠形成複數散熱片424b。該多個通孔1〇2 内填充有由具高熱傳導係數之奈米碳管制成之第一熱介面 材料140,該發光二極體20與電路板1〇之間以及該電路板 10與熱官42b之平面428之間分別填充有由具高熱傳導係 數之奈米碳管制成之第二、第三熱介面材料142、143。該 實施例中,多個發光二極體2〇之熱量可直接傳導至熱管 42b上,簡化了熱傳路徑,並適應于對多個高功率發光二極 體進行散熱之情況,提高了發光亮度及散熱效率。本實施 例中之溝槽421亦可由網目、纖維、多孔隙或複合毛細結構 替代。 本發明上述實施方式中之熱管42、42a、421)也可為其 他内部設置有工作流體之傳熱元件。如圖6揭示為本發明發 光二極體散熱裝置組合之第四實施例,該實施方式中之散 熱器40c是採用具有較大接觸平面之平板狀蒸發腔 42c(Vapor Chamber)對一發光二極體陣列進行散熱,該蒸 發腔42c之底面形成平整之表面供多顆發光二極體2〇貼 设,該瘵發腔42c内亦填充有工作流體,利用工作流體之蒸 發吸熱達到均熱之目的,並通過設於蒸發腔42c上之複數散 熱片424c而將蒸汽冷凝並將熱量及時散發出去。圖7為圖6 200829137 沿W-VII線之剖視圖,該蒸發腔42c内還設置有複數肋狀結 構426c ’該肋狀結構426c可加強該蒸發腔42c結構之穩固 性,且可起到加強散熱之效果,該散熱片424c及肋狀結構 426c與蒸發腔42c之腔體均為鋁擠一體成型。 綜上所述,本發明符合發明專利要件,爰依法提出專 利申請。惟,以上所述者僅為本發明之較佺實施例,舉凡 热悉本案技藝之人士,在爰依本發明精神所作之等效修飾 或變化’皆應涵蓋於以下之申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明發光二極體散熱裝置組合第一實施例之 輛向剖視圖。 ' 圖2係本發明發光二極體散熱裝置組合第二實施例之 輛向剖視圖。 、 圖3係圖2沿皿-皿線之徑向剖視圖。 圖4係本發明發光二極體散熱裝置組合第三實施例之 輛向剖視圖。 圖5係圖4沿V-V線之徑向剖視圖。 立圖6係本發明發光二極體散熱裝置組合第四實施例之 剖視圖。 圖7係圖6沿W-W線之剖視圖。 【主要元件符號說明】
102 140 143 20a、 20b 通孔 第一熱介面材料 第三熱介面材料 接觸腳 15 200829137 散熱器 40 > 40a> 40b> 40c 基板 41 凹口 412 埶管 42. 42a、 42b 蒸發腔 42c 溝槽 421 毛細結構 422 散熱片 424、 424a> 424b. 424c 冷媒 425 連接端 426、 426a 肋狀結構 426c 平面 428 16