TW201414025A - 一種用於電子元件的散熱裝置 - Google Patents

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Chia-Yi Hsiang
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    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect

Abstract

本發明以組合基板(氮化鋁基板-熱電元件-氮化鋁基板)作為電子元件之散熱裝置，並利用散熱裝置上下兩端所產生的熱溫差現象，能有效排除電子元件所產生的熱能。此裝置不但可有效降低電子元件溫度，更可儲備其因熱電效應所產生之電能。

Description

一種用於電子元件的散熱裝置
本發明涉及一種發熱電子元件之散熱結構，尤其是涉及將一種熱電致冷元件與發熱電子元件整合之散熱裝置。
緣所有電子元件皆會產生發熱的自然現象，而此發熱現象可能導致元件壽命及其原有效能受到影響，因此針對此發熱現象之解決方法乃大量浮現，尤有進者，利用元件發熱之熱能再為利用，亦成研發人員專研之標的。
試舉日常使用之電子元件發光二極體(Light emitting diode，LED)為例，因LED具有環保、節能、體積小、高效能、使用壽命長等優點，使得LED被廣泛應用於日常生活中，如LCD背光、手機背光、號誌燈、車燈、路燈、藝術照明、建築物照明、及舞台燈光控制、家庭照明等。隨者LED產業發展及使用者需求提升，LED逐漸朝向高功率、高亮度、高效能方向發展，但卻也面臨到高功率LED所產生大量的熱無法有效地排除而造成LED界面溫度過高，使得LED亮度降低甚至熄滅的問題。由於LED輸入功率約只有15~20%電能轉換成光，近80~85%的電能轉換為熱能，LED發光時所產生的熱能若無法導出，會使LED界面溫度過高，導致LED周邊材料如螢光粉、封裝膠等變質，而影響LED發光效率、穩定性與使用壽命，因此如何對LED產品做好有效的熱管理為一項相當重要的議題。
目前電子元件的散熱裝置主要仍是以散熱基板(氧化鋁或氮化鋁基板)後加裝散熱鰭片(Heat Sink)或是熱管等設計方式，但此設計散熱效果有限，為了增加其散熱能力，必須增加散熱鰭片表面積，使得電子元件體積異常龐大，且由於散熱裝置大多須直接外露於空氣中以便散熱，所以散熱裝置的設計直接影響原電子元件產品的外觀，因此散熱裝置的設計除了散熱效能為首要考量因素外，其重量、體積、外型、便利性、應用性與其本身所釋放能源的再利用等均為極待克服的因素。
爰此之故，申請人有鑑於習知技術之缺失，乃思一克服散熱效果不佳的方法，同時考量外觀、體積、重量等因素，同時可將元件產生之熱能轉化為可再為利用之能源，進而發明出本案「一種用於電子元件的散熱裝置」，用以改善上述習用手段之缺失。
本發明的主要目的即係提供一種將發熱電子元件冷卻之散熱裝置，有效解決習用電子元件運作時所遭遇之散熱問題，並可延長其使用壽命、減輕重量、縮小體積及達成外型美觀之設計。
本發明之另一目的在於將電子元件於運作時所產生之熱能，利用熱電效應將溫差轉化為可再為利用之電能，並以蓄電池儲存為備用能源。
為達前述目的，本發明提供一種用於電子元件的散熱裝置，包括：一第一基板，具有一第一表面及一第二表面，且內設為一金屬化電路；至少一電子元件，配置於該第一基板的該第一表面，且與該金屬化電路耦接；一熱電元件，配置於該第一基板之該第二表面，以傳導該至少一電子元件產生之熱能；以及一第二基板， 具有一第三表面及一第四表面，該第二基板的該第三表面耦接於該熱電元件，其中該第一基板及該第二基板均為絕緣之陶瓷材料，且均係選自包括下列群組之一：氧化鋁及氮化鋁。
根據上述構想，其中該散熱裝置更包含一蓄電池，用以儲存該散熱裝置因該第一基板及該第二基板之熱溫差所產生熱電效應之電能。
根據上述構想，其中該至少一電子元件係選自包括下列群組之一：LED、CPU及聚焦型太陽能裝置。
根據上述構想，其中該熱電元件包括：一第一導電層，包括複數個第一電極，該第一導電層係配置於該第一基板的該第二表面上；一第二導電層，包括複數個第二電極，該第二導電層係配置於該第二基板之該第三表面上；以及複數個N型半導體及複數個P型半導體，其中該複數個N型半導體與該複數個P型半導體係以交錯排列的方式配置於該複數個第一電極與該複數個第二電極之間，且與該複數個第一電極與該複數個第二電極耦接，以形成一電流迴路。
根據上述構想，其中該第一基板的該第一表面為一致冷面。
根據上述構想，其中該第一基板的該第一表面為一致熱面。
因此本發明的效能即在能夠將熱電致冷晶片與電子元件結合，取代習用之散熱基板加上散熱鰭片的散熱方式，利用致冷晶片上下兩端產生的熱溫差現象，不但有效率地將電子元件運作時所產生的熱排除，更可利用此致冷晶片上下兩端產生的熱溫差效應產生之電能再為利用，具有環保、輕便、小巧、延壽、可靠及便利等多項優點，符合市場需求。
本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可據以完成，然本案之實施並非可由下列實施例而被限制其實施型態。
請參見第1圖，其顯示本發明一較佳實施例的構造示意圖。本發明利用致冷晶片之熱溫差現象應用於發熱的電子元件的散熱裝置，於本實施例中係採用一LED元件，將該LED晶粒發光時所產生的大量的熱傳送到致冷晶片，以降低LED溫度。且此設計經證實也可大大減少LED整體體積與重量。
本實施例的散熱裝置，包括：一第一基板(11)，具有一第一表面(111)及一第二表面(112)，且內設為一金屬化電路；至少一電子元件(14及15)，於本實施例中，該至少一電子元件係採用發光二極體(LED)，包含LED晶片(14)及LED透鏡(15)，其配置於該第一基板(11)的該第一表面(111)，且與該金屬化電路耦接；一熱電元件(13)，配置於該第一基板(11)之該第二表面(112)，以傳導該至少一電子元件(14及15)產生之熱能；以及一第二基板(12)，具有一第三表面(121)及一第四表面(122)，該第二基板(12)的該第三表面(121)耦接於該熱電元件(13)，其中該第一基板(11)及該第二基板(12)均為絕緣之陶瓷材料，且均係選自包括下列群組之一：氧化鋁及氮化鋁。
其中該熱電元件(13)包括：一第一導電層，包括複數個第一電極(131)，該第一導電層係配置於該第一基板(11)的該第二表面(112)上；一第二導電層，包括複數個第二電極(132)，該第二導電層係配置於該第二基板(12)之該第三表面(121)上；以及複數個 N型半導體(134)及複數個P型半導體(133)，其中該複數個N型半導體(134)與該複數個P型半導體(133)係以交錯排列的方式配置於該複數個第一電極(131)與該複數個第二電極(132)之間，且與該複數個第一電極(131)與該複數個第二電極(132)耦接，以形成一電流迴路。
本實施例之技術構想係以一熱電致冷晶片(Thermoelectric Cooling Chip，Bi2-Te3)利用熱電效應(Thermoelectric effect)原理，將半導體元件(133、134)、導體(131、132)與陶瓷材料(11、12)組合而成的散熱裝置，當電流輸入該散熱裝置，熱會被該散熱裝置由一端(N→P吸熱，冷端，如該第一基板(11)之該第三表面(121)端)傳送至另一端(P→N放熱，熱端，如該第二基板(12)之該第四表面(122)端)，形成該散熱裝置之兩端一面熱一面冷的溫差現象，當輸入的電流越大，則兩端所產生的溫差也越大，目前最佳製成品之最大溫差已可達到74℃。
由於溫差越大，其因熱電效應所產生的電能也越大，因此該散熱裝置更包含一蓄電池(17)，用以儲存該散熱裝置因該第一基板(11)及該第二基板(12)之熱溫差所產生熱電效應之電能。
請參見第2圖，其顯示本發明一較佳實施例的剖面立體圖。由圖式可知，本散熱裝置(21)之外層係一介電基板(22)包覆於上下二外層，其間再由二層複數個導體(23)包覆複數個N型半導體(25)及P型半導體(24)於其中，且該複數個N型半導體(25)與該複數個P型半導體(24)是以交錯排列的方式配置於該二層半導體(23)之間，並與該二層半導體(23)所構成之上下電極連接，形成一電流迴路。如此，即可藉由控制施加於該散熱裝置(21)之電流方向， 使該散熱裝置(21)的上端形成冷端，而其下端形成熱端，以進行熱能之傳導。
請參見第3圖，其顯示本發明成品示意圖。由圖示可知本發明散熱裝置(31)成品之體積尺寸與一枚十元硬幣(30)相當，每一散熱裝置均包含一正極接腳(32)及一負極接腳(33)，用以連接於第1圖所示之電源(16)。
綜上所述，本發明之散熱裝置不僅散熱效率高，間接延長其配置元件之壽命，且因其具有體積小、重量輕、壽命長、可靠度高、環保(不使用冷媒)、易維修、能源之再利用等特性，因此極適於作為電子元件之散熱裝置，有極高的市場需求價值。
以上所述之實施例僅為說明本發明之最佳實施例原理及其功效，而非用以限制本發明。因此，熟悉本技藝之人士可在不違背本發明之精神對上述實施例進行修改及變化，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
11‧‧‧第一基板
111‧‧‧第一表面
112‧‧‧第二表面
12‧‧‧第二基板
113‧‧‧第三表面
114‧‧‧第四表面
13‧‧‧熱電元件
131‧‧‧第一電極
132‧‧‧第二電極
133‧‧‧P型半導體
134‧‧‧N型半導體
14‧‧‧發光二極體晶片
15‧‧‧發光二極體透鏡
16‧‧‧電源
17‧‧‧蓄電池
21‧‧‧散熱裝置
22‧‧‧介電基材
23‧‧‧導體
24‧‧‧P型半導體
25‧‧‧N型半導體
26‧‧‧正極接腳
27‧‧‧負極接腳
30‧‧‧十元硬幣
31‧‧‧散熱裝置
32‧‧‧正極接腳
33‧‧‧負極接腳
第1圖：其顯示本發明一較佳實施例的構造示意圖。
第2圖：其顯示本發明一較佳實施例的剖面立體圖。
第3圖：其顯示本發明成品示意圖。
11‧‧‧第一基板
111‧‧‧第一表面
112‧‧‧第二表面
12‧‧‧第二基板
113‧‧‧第三表面
114‧‧‧第四表面
13‧‧‧熱電元件
131‧‧‧第一電極
132‧‧‧第二電極
133‧‧‧P型半導體
134‧‧‧N型半導體
14‧‧‧發光二極體晶片
15‧‧‧發光二極體透鏡
16‧‧‧電源
17‧‧‧蓄電池

Claims (6)

  1. 一種用於電子元件的散熱裝置，包括：一第一基板，具有一第一表面及一第二表面，且內設為一金屬化電路；至少一電子元件，配置於該第一基板的該第一表面，且與該金屬化電路耦接；一熱電元件，配置於該第一基板之該第二表面，以傳導該至少一電子元件產生之熱能；以及一第二基板，具有一第三表面及一第四表面，該第二基板的該第三表面耦接於該熱電元件，其中該第一基板及該第二基板均為絕緣之陶瓷材料，且均係選自包括下列群組之一：氧化鋁及氮化鋁。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，更包含一蓄電池，用以儲存該散熱裝置因該第一基板及該第二基板之熱溫差所產生熱電效應之電能。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該至少一電子元件係選自包括下列群組之一：LED、CPU及聚焦型太陽能裝置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該熱電元件包括：一第一導電層，包括複數個第一電極，該第一導電層係配置於該第一基板的該第二表面上；一第二導電層，包括複數個第二電極，該第二導電層係配置於該第二基板之該第三表面上；以及複數個N型半導體及複數個P型半導體，其中該複數個N型半導體與該複數個P型半導體係以交錯排列的方式配置於該複數 個第一電極與該複數個第二電極之間，且與該複數個第一電極與該複數個第二電極耦接，以形成一電流迴路。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該第一基板的該第一表面為一致冷面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該第一基板的該第一表面為一致熱面。
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