TWI284428B - Light-emitting device with a heat sinking fluid - Google Patents

Description

1284428 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種流體散熱式發光元件、散熱裝置及散 熱方法，特別係關於一種利用流體散熱之發光元件、散熱 裝置及其散熱方法，其可使一光源所產生的熱量迅速地擴 散至散熱流體中以增進散熱效果。 【先前技術】 發光元件（例如發光二極體）近幾年來發展迅速，而除了 手機的應用之外，最引人注目的莫過於照明應用。發光二 極體作為照明光源，一個重要的訴求是要有足夠的光通 置，這要靠提高發光二極體的發光效率及使用多個發光二 極體組成一個燈組來達到。目前高亮度的發光二極體發光 效率已被提昇到接近上限，纟來再向域昇的交文果不容易 顯現，因此使用多個發光二極體組成燈組是比較快速有效 的方法。 然而，不管是單顆高亮度發光二極體或燈組都面臨散熱 問題，其±要原因在於發光二極體晶片的發光效率會因溫 度上升而大幅下降，而高亮度發光二極體因操作電流高達 數百毫安培’其運作產生了較多的熱量，因此習知發光二 極體大都使用導熱板或散熱鰭片作嚴格的熱管理。當多個 發光二極體一起使用時，考量散熱問題因而發光二極體之 排列不能太緊密。由於一個照明燈後面還要附上一個大又 難看的散歸置，顯然w為市場所接受。因此解決發光 二極體的散熱問題是能不能取代現有照明的重要關鍵之 100934.doc 1284428 習知發光二極體的散熱方式可概分成兩類：熱傳導與熱 對流方式。採用固態熱傳導式散熱之習知技藝係藉由加裝 散熱黯片（例如美國專利號US 6,746,885和本國專利號 566,679揭示者）、利用塗佈散熱膏或導熱膠（例如本國專利 號554,506或加裝導熱板（例如美國專利公開號 2005/0024870。然而，這些習知技藝的缺點主要在於因與 發光二極體基座接觸面積不大造成導熱性不夠，再者大幅 增加發光二極體照明燈組的體積因而在設計及美觀上不適 合作為至内照明燈具。另一種習知之散熱方式是利用流體 對流散熱，例如美國專利公開號2〇〇4/〇19〇3〇5與本國專利 號592,279 ’其中前者還加裝了風扇以產生流體循環散熱， 而後者另外利用了液體昇華成汽態來吸收發光二極體所產 生的熱。然而這些散熱裝置使得發光二極體照明燈组更加 厚重而不方便使用。 【發明内容】 本毛明之主要目的係提供一種利用流體散熱之發光元 件、散熱裝置及散熱方法，其可使一光源所產生的熱量迅 速地擴散至散熱流體中以增進散熱效果，因而可提昇光源 之發光效率並延長使用壽命。 為達成上述目的，本發明揭示一種流體散熱式發光元 件其包含至少-光源、一包覆該光源之散熱流體以及一 包覆該散熱流體之包覆膜。絲源係-發光二極體封裝件 或-發光二極體晶片，而該散熱流體可與該光源直接接觸 100934.doc 1284428 或經由一散熱板間接接觸。該散熱流體可採用白油（white oil) ’而該包覆膜係由玻璃、壓克力或環氧樹脂等可限制流 體流動的材料構成，其中白油可為矽油。 相較於習知技藝，本發明利用該散熱流體可有效地將該 熱源（即該光源）產生之熱量迅速地散逸到該散熱流體中，熱 量不會堆積在該熱源附近，因此可提昇該發光元件之發光 強度及發光效率。 ^ 【實施方式】 圖1例示本發明第一實施例之流體散熱式發光元件10，其 包含至少一發光二極體晶片12、一承載該發光二極體晶片 12之晶杯14、一包覆該發光二極體晶片12之散熱流體16以 及一包覆該散熱流體16之包覆膜18。該散熱流體16可採用 白油（white oil)，而該包覆膜18可由玻璃、壓克力、環氧樹脂 或其他可限制流體流動的材料構成，其中白油可為矽油（品 名：Marcol 82)。該散熱流體16直接接觸熱源（即該發光二極 ί 體晶片12)以使該發光二極體晶片12產生之熱量可迅速傳 送至該散熱流體16。由於該散熱流體16可提供較低熱阻值 讓熱量有效地散逸到周圍環境，因此熱量不會堆積在該發 光二極體晶片12附近。 該散熱流體16之厚度可利用比爾-朗伯（Beer-Lambert)定律 評估發光二極體發光效率受流體包覆的影響：

D = log— = l〇g 一 = sbc I T 其中」為吸收度，D為光學密度，為入射光強度（即該 100934.doc 1284428 發光二極體晶片12之光強度），/為透射光強度（即該發光元 件10之光強度），Γ是待侧樣品的透射比，6為該散熱流體 16之消光係數或稱莫耳吸收度，6為光路徑長度即該散熱流 體16之厚度，通常以公分為單位，c為該散熱流體16之莫耳 濃度。 圖2例示本發明第二實施例之流體散熱式發光元件2〇，其 包含一發光二極體封裝件22，一包覆該發光二極體封裝件 22之散熱流體26以及一包覆該散熱流體26之包覆膜28。該 發光二極體封裝件22包含一發光二極體晶片32、一用以承 載該發光一極體晶片之晶杯34以及一包覆該發光二極體晶 片32之封裝材料36。相較於圖1所示之流體散熱式發光元件 10之散熱流體16係直接接觸該發光二極體晶片12,圖2之流 體散熱式發光元件20之散熱流體26係經由該封裝材料36間 接接觸該發光二極體晶片22。 圖3例示本發明第三實施例之流體散熱式發光元件4〇，其 包含複數顆以陣列方式排列之發光二極體晶片42、一承載 該發光二極體晶片42之基板44、一包覆該發光二極體晶片 42之散熱流體46以及一包覆該散熱流體46之包覆膜48。相 較於圖1所示之流體散熱式發光元件10僅具有一顆發光二 極體晶片12,圖3之流體散熱式發光元件40具有複數個發光 一極體晶片42因而可提供較高之亮度。 圖4例示本發明第四實施例之流體散熱式發光元件5〇，其 包含複數顆發光二極體封裝件52、一包覆該發光二極體封 裝件52之散熱流體56以及一包覆該散熱流體56之包覆膜 1284428 58。相較於圖2所示之流體散熱式發光元件20僅具有一顆發 光二極體封裝件22，圖4之流體散熱式發光元件50具有複數 個發光二極體封裝件52因而可提供較高之亮度。 圖5例示本發明第五實施例之流體散熱式發光元件6〇，其 包含一散熱板62、一設置於該散熱板62上發光二極體封裝 件64、一接觸該散熱板62之底部的散熱流體66以及一容納 該散熱流體66之容器68。該容器68可由玻璃、壓克力或環 氧樹脂等可限制流體流動的材料構成。特而言之，該散熱 板62、該容器68及該散熱流體66可視為一散熱裝置70，其 可接觸該發光二極體封裝件64(即一熱源）以提供較低的熱 阻值讓熱量有效地從該散熱裝置7〇散逸到周圍環境。 圖6例示發光元件之消耗功率與相對發光強度之關係 圖’其中曲線82代表圖1之發光元件1 〇(即採用散熱流體直 接接觸熱源），而曲線84則代表習知之發光元件（即採用空氣 散熱）。曲線82係隨著消耗功率之增加而提昇（消耗功率小於 800微瓦）’曲線84在消耗功率大於4〇〇微瓦時即開始下降。 換s之，本發明利用該散熱流體16可有效地將該發光二極 體12產生之熱量散逸到周圍環境，熱量不會堆積在該發光 二極體晶片12附近，因此相對發光強度在消耗功率在大於 800微瓦之前並不會因消耗功率之増加而下降。相對地，曲 線84所代表之習知技藝因空氣無法有效地將熱量散逸到周 圍壞境，因此相對發光強度在消耗功率超過4〇〇微瓦時即大 幅地下降。 圖7例不發光元件之消耗功率與相對發光強度之關係 100934.doc -10- 1284428 圖’其中曲線92代表圖2之發光元件2〇(即採用散熱流體間 接接觸熱源），而曲線94則代表習知之發光元件（即採用空氣 散熱）。曲線92係隨著消耗功率之增加而提昇（消耗功率小於 250微瓦），曲線94在消耗功率大於130微瓦時即開始下降。 換言之，本發明雖然採用散熱流體26經由該封裝材料36間 接地接觸熱源（即發光二極體晶片32)，該散熱流體26仍可有 效地將該發光二極體32產生之熱量散逸到周圍環境，熱量 不會堆積在該發光二極體晶片3 2附近，因此相對發光強度 在消耗功率大於250微瓦之前並不會因消耗功率之增加而 下降。相對地，曲線94所代表之習知技藝因空氣無法有效 地將熱量散逸到周圍環境，因此相對發光強度在消耗功率 超過130微瓦時即大幅地下降。 圖8例示圖5之發光元件60的光電流值變化圖（光電流值 的變化等同於光強度的變化），其中該散熱流體66係在5分 鐘時倒入該容器68。在未倒入該散熱流體66之前，該發光 元件60達發光平衡時之光電流值為720奈安培，亦即該發光 元件60產生之熱量並未被有效地由空氣散逸到周圍環境， 因而積導致該發光元件60之發光強度受到侷限。當該散熱 流體66倒入該容器68時，該發光元件60之光電流值即大幅 地提昇至800奈安培，再逐漸地下降至約78〇奈安培。換言 之，本發明利用該散熱流體66可有效地將該熱源（即該光二 極體封裝件64)產生之熱量迅速地散逸到周圍環境，熱量不 會堆積在该熱源附近’因此該發光元件之光電流值可由 720奈安培提昇至780奈安培。 100934.doc 1284428 本發明之技術内容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本 項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不 背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍 應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之 替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。 【圖式簡單說明】 圖1例示本發明第一實施例之流體散熱式發光元件； 圖2例示本發明第二實施例之流體散熱式發光元件； 圖3例示本發明第三實施例之流體散熱式發光元件； 圖4例示本發明第四實施例之流體散熱式發光元件； 圖5例示本發明第五實施例之流體散熱式發光元件； 圖6和圖7例示發光元件之消耗功率與相對發光強度之關 圖8例示圖5之發光元件的光電流值變化圖。 【主要元件符號說明】 10發光元件 14晶杯 18包覆膜 22發光一極體封裝件 28包覆膜 34晶杯 40發光元件 44基板 48包覆膜 12發光二極體晶片 16散熱液體 20發光元件 26散熱液體 32發光二極體晶片 36封裝材料 42發光二極體晶片 46散熱液體 5〇發光元件 100934.doc 1284428 52 發光二極體封裝件 54 基板 56 散熱液體 58 包覆膜 60 發光元件 62 散熱板 64 發光二極體封裝件 66 散熱液體 68 容器 70 散熱裝置 82 曲線 84 曲線 92 曲線 94 曲線

Claims (1)

1. 日修⑽正本 尋g8115180 *專利申請案 中文申請專利範園替換本(95年8月) 申請專利範圍·· $ ； 一種流體散熱式發光元件，包含·· 至少一光源，包含： 一發光二極體晶片； 一用以承載該發光二極體晶片之晶杯’以及 一包覆該發光二極體晶片之封裝材料； 一散熱流體，其包覆該光源；以及 一包覆膜，其包覆該散熱流體。

   2·根據請求項1之流體散熱式發光元件，其包含複數個光 源。 3·根據請求項2之流體散熱式發光元件，其中該複數個光源 係以陣列方式排列。 4·根據請求項1之流體散熱式發光元件，其中該散熱流體係 一液體。 5·根據請求項4之流體散熱式發光元件，其中該液體係白 油。 6·根據請求項丨之流體散熱式發光元件，其中該包覆膜可由 玻璃、壓克力或環氧樹脂構成。 7· —種流體散熱式發光元件，包含： 一散熱板； 至少一光源，設置於該散熱板上，包含·· 一發光二極體晶片； 一用以承載該發光二極體晶片之晶杯；以及 一包覆該發光二極體晶片之封裝材料，· 1 一散熱流體，接觸於該散熱板之一預定部分，乂及 100934-OAl.doc f284428 一容器，其容納該散熱流體。 8·根據請求項7之流體散熱式發光元件，其包含複數個光 源。 9. 根據請求項8之流體散熱式發光元件，其中該複數個光源 係以陣列方式排列。 10. 根據請求項7之流體散熱式發光元件，其中該預定部分係 該散熱板之底部。

   11 ·根據請求項7之流體散熱式發光元件，其中該散熱流體係 一液體。 12 ·根據凊求項11之流體散熱式發光元件，其中該液體係白 油0 13 ·根據清求項7之流體散熱式發光元件，其中 τ邊各态可由玻 璃、壓克力或環氧樹脂構成。

   100934-OAl.doc