TW201511369A - 發熱元件之液體封裝結構 - Google Patents

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Abstract

一種發熱元件之液體封裝結構，包含一本體、至少一發熱元件及一流道。本體具有一容置空間以及連接容置空間的一第一開口與一第二開口。發熱元件設置於容置空間內。流道之相對兩端分別連接於第一開口與第二開口，以構成一循環迴路。其中，容置空間與流道係填充一液體。

Description

發熱元件之液體封裝結構
本提案係有關於一種封裝結構，特別是一種發熱元件之液體封裝結構。
紫外光源(Ultraviolet Light Source，UV Light Source)在日常生活的應用極為廣泛，依據不同的波段有不同的發展領域。根據歐盟ROSH之規範，因汞為重要管制物質，故以紫外光發光二極體(UV Light-Emitting Diode，UV LED)燈取代汞燈必然成為未來發展的趨勢。然而目前UV LED封裝仍存在兩大問題：第一，受限於UV LED晶粒本身的低轉換效率，產生的熱必須依賴有效的散熱機制以提升LED的穩定性及提高壽命，有國內外廠商使用高導熱基板，如：氮化鋁基板(熱傳導係數200~240W/mK)強化散熱，有助於將LED的熱點效應快速排除，增加其可靠度；第二，由於UV LED的發光波段介於300~400mm，對傳統LED封裝所使用的高分子如環氧樹脂(epoxy)或矽膠(silicone)而言，無論是作為填充材或透鏡，承受長時間UV照射其分子結構會逐漸變質劣化，外觀產生黃化的問題(特別是短波長的UV LED)，因而降低UV LED燈具的照度、色溫等光學性質。
目前國外大廠之UV LED封裝是將LED晶粒封裝於真空環境或惰性氣體環境中，利用真空環境或惰性氣體環境對於晶粒表面之電極 進行保護，其缺點為由晶粒直接出光至大氣環境中，折射率相差大，而降低出光效率；此外，真空或惰性氣體之封裝方式，其封裝成本較高，且壽命較短。
本提案提出一種發熱元件之液體封裝結構，藉以降低封裝結構的整體溫度。
本提案提出之一種發熱元件之液體封裝結構，包含一本體、至少一發熱元件及一流道。本體具有一容置空間以及連接容置空間的一第一開口與一第二開口。發熱元件設置於容置空間內。流道之相對兩端分別連接於第一開口與第二開口，以構成一循環迴路。其中，容置空間與流道係填充一液體。
本提案實施例的發熱元件之液體封裝結構以液體封裝直接接觸發熱元件，並藉由非對稱之流道設計驅動使內部液體流動循環，進而改善散熱效率。
1、2、3、4、5、6、7‧‧‧發熱元件之液體封裝結構
9‧‧‧本體
10‧‧‧座體
12‧‧‧基板
121‧‧‧第一表面
123‧‧‧第二表面
13‧‧‧金屬印刷電路板
15‧‧‧容置空間
16‧‧‧第一開口
18‧‧‧第二開口
20‧‧‧蓋體
30‧‧‧發熱元件
35‧‧‧有效散熱區
40‧‧‧流體
50、50’、50”‧‧‧流道
60‧‧‧散熱元件
62‧‧‧基座
64‧‧‧鰭片
70‧‧‧幫浦
A1‧‧‧第一截面積
A2‧‧‧第二截面積
H1‧‧‧第一高度
H2‧‧‧第二高度
L‧‧‧長度
第1A圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第一實施例之剖面示意圖。
第1B圖為依第1A圖之A-A剖面線所繪示的剖面示意圖。
第2圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第二實施例之剖面示意圖。
第3圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第三實施例之剖面示意圖。
第4圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第四實施例之剖面示意圖。
第6圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第六實施例之剖面示意圖。
第7圖為本提案發熱元件之液體封裝結構與無循環流道之LED燈具之的溫度與啟動時間之間的關係示意圖。
第8圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第七實施例之剖面示意圖。
以下將參照隨附之圖式來描述本提案未達成目的所使用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，但本提案之技術手段並不限於所列舉圖式。
請參照圖第1A圖，第1A圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第一實施例之剖面示意圖。本實施例之發熱元件之液體封裝結構1包含一本體9、至少一發熱元件30、一散熱元件60及一流道50。本體9具有一容置空間15以及連接容置空間15的一第一開口16與一第二開口18。詳細來說，本體9包含一座體10及一蓋體20。座體10包含有一基板12，基板12具有相對的一第一表面121與一第二表面123。第一表面121為形成容置空間15的其中一壁面。蓋體20覆蓋座體10，使座體10與蓋體20形成容置空間15，容置空間15與流道50填充一流體40。
此本實施例中，第一開口16與第二開口18係皆設於座體10上，但並不以此為限，在其他實施例中，第一開口16與第二開口18也可以皆設於蓋體20上或分別設置於座體10與蓋體20上。
發熱元件30設置基板12的第一表面121上。發熱元件30進一步可包含但不限於有晶粒、電路板及傳輸線材等元件，例如是電阻類電子元件、電容類電子元件、二極體電子元件、電晶體電子元件、積體電 路電子元件、燃料電池元件、太陽能電池元件等，並不以所列舉者為限。電路板例如是陶瓷基板或是印刷電路板(PCB)。在本實施例中，發熱元件30係列舉三顆的LED晶粒為例，但並不以此為限，在其他實施例中，發熱元件30的數量也可以是兩個以下或四個以上。
流道50連接座體10的第一開口16與第二開口18，蓋體20覆蓋座體10，使座體10與蓋體20形成一容置空間15，容置空間15與流道50填充一流體40。
散熱元件60設置在座體10的第二表面123端。上述第二表面123端的意思為散熱元件60貼附於座體10之第二表面123上或散熱元件60位於座體10之第二表面123之一側，並與第二表面123保持一距離。本實施例之散熱元件60係貼附於座體10之第二表面123上，但並不以此為限。
散熱元件60可為散熱鰭片、或致冷晶片(TEC)。蓋體20係為透明材料，包含矽膠或如玻璃、石英玻璃等的無機材料。流體40係為低極性的材料，可為酯類或油類分子，例如選自矽油、礦物油、有機酯及其混合溶液之其一。此外，流體40的黏度介於0.1~105cp。要說的是，上述材料元件僅為說明之參考，但並不以列舉者為限。
詳細來說，本實施例中的散熱元件60為散熱鰭片，包含一基座62與複數個鰭片64，其中基座62與座體10中基板12的第二表面123相連接，且流道50貫穿基座62。
請接著參考第1A圖與第1B圖。第1B圖係為依第1A圖之A-A剖面線所繪示的剖面示意圖。發熱元件30(以多個LED晶粒為例)發光時，發熱元件30所發出的光線透過流體40並由蓋體20射出，而發熱元 件30所產生的熱能會經由一有效散熱區35傳遞至散熱元件60的基座62，進而透過鰭片64將熱能逸散，以降低發熱元件之液體封裝結構1的整體溫度。此處所述的有效散熱區35是指發熱元件30的熱源擴散投影至基座62的區域，舉例來說，發熱元件30的熱量自基板12之第一表面121與發熱元件30熱接觸的區域逐漸外擴並熱傳遞至該基板之第二表面123。以下用發熱元件30的熱擴散角為45度作為說明。有效散熱區35(如第1B圖所示)係為發熱元件30的底面積以45度擴散投影至基座62的面積，但不以所列舉者為限。
本實施例說明一種發熱元件之液體封裝結構1，除了利用散熱元件60與基板12間之熱傳導外，更利用上述結構與熱虹吸原理使直接與發熱元件30接觸的流體40能夠於流道50內流動，且流體40與熱源(發熱元件30)進行熱交換後，透過流道50將熱能帶至散熱元件60處排除再回流至發熱元件30以供循環解熱。如此一來，可提高發熱元件之液體封裝結構1的散熱效率。
詳細來說，當流體40被加熱後，流體40受熱而體積膨脹、密度降低，其所產生的浮力會比低溫的流體40大，導致高溫的流體40向上流動，流體40對流因此產生。由於流體40填充流道50與容置空間15，在此封閉的空間內，高溫的流體40一旦流動，便會帶動周圍其他較低溫的流體40進行補充，進而促使流體40在流道50與容置空間15中循環。高溫的流體40會經由第一開口12流入流道50中，由於流道50貫穿設置在散熱元件60的基座62中，因此高溫的流體40在流道50中便可透過散熱元件60的鰭片64一併將熱能逸散而降低溫度，低溫的流體40再經由第二開口18 流回至容置空間15中，使發熱元件之液體封裝結構1中的流體40能夠循環散熱。
此外，為了增加發熱元件之液體封裝結構1散熱的效率，流道50在A-A剖面中可設計為一連續U形管，以增加流體40與散熱元件60的熱接觸面積。在本實施例中，連續U形管係可避開基座62中的有效散熱區35來進行設置，以節省基座62空間的利用及增強散熱元件60的有效利用率。詳細來說，散熱元件60於有效散熱區35之外的部分並無發揮實質散熱效益，故本實施例另令流道60流經散熱元件60有效散熱區35以外之區域，並不會影響原本基板12與基座62間之熱傳遞。在另一實施例中，為了提高流體40的流動循環效率，可進一步將連續U形管的間距進行調整，例如是將連續U形管的間距以遠離第一開口16端的方向逐漸縮小，藉此提高接近第二開口18端的流阻，使高溫的流體40會趨向較低流阻的第一開口16端方向流動。
接著請參考第2圖。第2圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第二實施例之結構示意圖。在本實施例中，發熱元件之液體封裝結構2與第1A圖中之發熱元件之液體封裝結構1的不同點在於第一開口16與第二開口18具有不同的高度。詳細來說，第一開口16與第一表面121相距的一第一高度H1大於第二開口18與第一表面121相距的一第二高度H2，也就是說，就由調整改變開口的高度，使第一開口16端的流阻小於第二開口18端，而容置空間15內的高溫的流體40便會趨向第一開口16端流動，進而提高流體40的流動循環效率。
請參考第3圖。第3圖為本提案發熱元件之液體封裝結構 之第三實施例之結構示意圖。在本實施例中，發熱元件之液體封裝結構3與第1A圖中之發熱元件之液體封裝結構1的不同點在於第一開口16與第二開口18具有不同的截面積。詳細來說，第一開口的第一截面積A1大於該第二開口的第二截面積A2，也就是說，就由調整改變開口截面積的大小，使第一開口16端的流阻小於第二開口18端，而容置空間15內的高溫流體40便會趨向第一開口16端流動，進而提高流體40的流動循環效率。
請參考第4圖。第4圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第四實施例之結構示意圖。在本實施例中，發熱元件之液體封裝結構4與第1A圖中之發熱元件之液體封裝結構1的不同點在於發熱元件之液體封裝結構4的發熱元件30係朝下設置，因此結構方向與第1A圖中之發熱元件之液體封裝結構1相反。此外，流道50’的設計也不同於第1A圖中之發熱元件之液體封裝結構1的流道50。在本實施例中，流道50’兩端並不等長。詳細來說，以流道50’投影至水平方向的長度L之中點做中線B-B切割，可將流道50’區分為近第一開口16端(B-B線段之左半邊)與近第二開口18端(B-B線段之右半邊)，其中近第一開口16端的流道長度大於近第二開口18端之流道長度，亦即流體40流經近第一開口16端的路徑長度會大於流經近第二開口18端的路徑長度。流道50’的設計在於能夠使近第一開口16端之的流道長度異於近第二開口18端之流道長度，以令第一開口16端之流道與第二開口18端之流道產生流阻上之差異，進而驅使在流道50’中的流體40能夠趨向第二開口18端方向移動，進而驅使容置空間15內的高溫流體40朝第一開口16端流動，進而提高流體40的流動循環效率。
上述第2圖至第4圖中藉由將靠近第一開口16端之流道50 與靠近第二開口18端之流道50(或50’)設計成非對稱的形態，使得第一開口16端之流道與第二開口18端之流道產生流阻上之差異，進而驅使流道50(或50’)中的流體40往流阻小的一端流動而達成提高流體40流動速率的目的。令上述流道50(或50’)形成非對稱的方式例如為包含長度上之非對稱、管徑上之非對稱或水平高度上之非對稱，然而具本領域技藝者當知利用其他非對稱設計的改變也能達成相同的目的，並不以列舉者為限。
請參考第5圖。第5圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第五實施例之結構示意圖。在本實施例中，發熱元件之液體封裝結構5與第1A圖中之發熱元件之液體封裝結構1的不同點在於散熱元件60雖然設置在座體10的第二表面123端，但是基座62與座體10中基板12的第二表面123並未相連接，也就是說基座62與基板12之第二表面123保持一距離。此外，發熱元件之液體封裝結構5更包含設置於流道50中的一幫浦70，利用幫浦70的運作，可使流道50中的流體40能夠趨向第二開口18端方向移動，以提高流體40的流動循環效率。
請參考第6圖。第6圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第六實施例之結構示意圖。在本實施例中，發熱元件之液體封裝結構6與第1A圖中之發熱元件之液體封裝結構1的不同點在於流道50”貫穿基座62後，延伸至散熱元件60外。由於流道50”延伸到散熱元件60的外部，因此也能提供良好的散熱效果。
本提案提出的發熱元件之液體封裝結構6之實施例係將發熱元件封裝在充滿流體40的容置空間15中，使發熱元件30(以LED晶粒為例)直接與流體40接觸，其所發出的光線也會穿透過流體40後才射出， 因此可依據使用的發熱元件30(以LED晶粒為例)調整流體的折射率，進而提升整體LED燈具的光萃取效率。以矽油作為液體封裝為例，將藍光(465nm)發熱元件進行矽油封裝，以電壓3.3V、電流350mA持續點亮72小時後，發熱元件之液體封裝結構6溫度維持在室溫約28℃左右，總輻射通量由未封裝矽油前的330.83mW提升至369.38mW，整體提昇約11.65%。
請參閱第7圖。第7圖係為本提案發熱元件之液體封裝結構1-6(以LED晶粒作發熱元件30為例)與無循環流道之LED燈具之的溫度與啟動時間之間的關係示意圖。由第7圖可發現無循環流道設計的LED燈具溫度升高的速率較本提案之發熱元件之液體封裝結構溫度升高的速率快，而二者之間的溫度差異在LED啟動30分鐘後可達攝氏10℃，此說明了本提案中流道設計的散熱效果。
請參閱第8圖。第8圖為本提案發熱元件之液體封裝結構之第七實施例之結構示意圖。在本實施例中，發熱元件之液體封裝結構7與第1A圖中之發熱元件之液體封裝結構1的不同點在於液體封裝結構7更包括一金屬印刷電路板(MCPCB)13，設置於發熱元件30與基板12之間，且發熱元件30係電性連接於金屬印刷電路板13上。
此外，本提案實施例的發熱元件之液體封裝結構(以LED晶粒作發熱元件為例)以液體封裝直接接觸發熱元件，並藉由非對稱之流道設計或幫浦驅動使內部液體流動循環，可分別在熱管理、光萃取效能、封裝膠體黃化以及封裝體穩定性均能有所提升：
(1)熱管理：能夠將熱能透過流道帶離熱源至遠處散熱，降溫後之液體再循環回流至較高溫之發熱元件端，使其有效降溫，藉由流 道的設計以大幅增加較高溫的液體與外界環境冷端之接觸面積，強化熱發散途徑，加上流體本身的高熱容量，可有效抑制封裝體的升溫。
(2)光萃取效能：透過流體折射率的選擇以與晶片匹配，相較於現有UV LED模組以惰性氣體或真空封裝，液體封裝可大幅提升光萃取效率達10%以上。
(3)封裝膠材黃化：經由調整液體的流速可控制液體單位時間的吸光通量，並透過裂解動力學抑制黃化反應，延長膠材黃化的時間。此外，本實施例之發熱元件之液體封裝結構更可進一步在座體或流體中增設一開口，使發熱元件之液體封裝結構中的液體為可替換式，在長時間使用變質後便於直接替換，維持燈具的壽命與性能。
(4)封裝體穩定性：本提案實施例將封裝體完全浸於液體中，各部材料承受一均質壓應力，在往復的熱應力交換下，此均質壓應力可抑制異質介面的熱潛變、疲勞等熱應力破壞現象，完整保護封裝體。
雖然本提案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本提案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧發熱元件之液體封裝結構
9‧‧‧本體
10‧‧‧座體
12‧‧‧基板
121‧‧‧第一表面
123‧‧‧第二表面
15‧‧‧容置空間
16‧‧‧第一開口
18‧‧‧第二開口
20‧‧‧蓋體
30‧‧‧發熱元件
40‧‧‧流體
50‧‧‧流道
60‧‧‧散熱元件
62‧‧‧基座
64‧‧‧鰭片

Claims (17)

  1. 一種發熱元件之液體封裝結構，包括：一本體，具有一容置空間以及連接該容置空間的一第一開口與一第二開口；至少一發熱元件，設置於該容置空間內；以及一流道，其相對兩端分別連接於該第一開口與該第二開口，以構成一循環迴路，其中該容置空間與該流道係填充一液體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該本體更包含一座體及一蓋體，該蓋體覆蓋於該座體，使該座體與該蓋體共同形成該容置空間，該座體更包含有一基板，該基板具有彼此相對的一第一表面與一第二表面，該第一表面為形成該容置空間的其中一壁面，該至少一發熱元件設於該第一表面。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發熱元件之液體封裝結構，更包含一散熱元件，係設置在該座體的該第二表面端。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該散熱元件包括一基座與複數個鰭片，且該流道係貫穿該基座。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該流道延伸至該散熱元件外。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之發熱元件之液體封裝結構， 其中該散熱元件的該基座與該座體的該第二表面相連接。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該流道係為非對稱。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該第一開口與該第一表面相距的一第一高度大於該第二開口與該第一表面相距的一第二高度。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該流道於近該第一開口端的流道長度大於近該第二開口端之流道長度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該流道係為非對稱。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該流道為一連續U形管。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該連續U型管的間距以遠離該第一開口端方向逐漸縮小。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該第一開口的截面積大於該第二開口的截面積。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中更包括有一幫浦，該幫浦係設置於該流道中。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該液體係選自矽油、礦物油、或有機酯及其混合溶液 之其一。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該液體的黏度介於0.1~105cp。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之發熱元件之液體封裝結構，其中該發熱元件係為LED晶粒。
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