TWI301678B - - Google Patents

Description

1301678 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種散熱技術，尤指一種應用於具有發 熱元件之直下式面光源模組中之散熱技術。 【先前技術】 才文諸如發光二極體（Light Emitting Display，LED) 於運作時會發出熱量之發熱元件的發光原理主要是施加 電流在可發光物質上，以達到發光效果。近年來，高功率 之LED (High Power LED)則提供LED光源應用一個全新 的方向。高功率之LED體積小，光密度高，單位面積擁 有最大之光出量，可使LED照明無須使用傳統的LED矩 陣，如此LED光源能有較佳的光源特性，更易於光學設計 與應用。同時，由於高功率之LED體積小、高亮度的特性 開啟了 LED光源的另-扇n，也使LED應用的設計更具彈 性。常見之應用方向例如包括車燈、手電筒、與其他超小 體積高功率之照明應m led背光模組、投影機光 源、大面積廣告看板與戶外指示等之顯示應用。 按使用LED光源之背光模組具備「高細腻度」、「高輝 色再現性」等特點，能夠賦予液晶面 板更尚的附加價值。因此，LED昔伞扒4 ^ ^ x 月先杈組之應用將跨越可 攜式電子產品的門檻，迅速g ^ 日s -抑而、日〜、 至諸如&車、廣告燈箱、 頒不态、電視寺視訊、資訊 通矾、家電及消費性等產孝 此外，由於目前led 之發光效率約為 15%(外部量子 19117(修正本） 5 1301678 效率），因此大部分的輸入能量將轉為熱能而造成溫度上 ^而LED在高功率的操作之下會隨著溫度的提升而降低 操作壽命，也易因溫度過高而失效。因此，為了提高李統 或兀件本身之穩定度與效能，需要提供良好的散熱設計。 在散熱方式上，大致包括下列三種方式：傳導、對流、 輻射，而其中輻射散熱之效果較有限。在傳統⑽之散熱 乐統中’ LED晶片之熱量會先經由封裝體傳導至外界。為 改善傳統高功率LED封裝的散熱問題，習知之技術係箸重 於提升熱傳導路徑的熱傳導係數，而對於熱對流之散熱設 計f主要在整個系統外加金屬鰭片或較大面積的金屬基 板等的方式來增加與空氣接觸的表面積，相關專利之數量 j當龐大，例如有美國專利第6,274,924號案、美國專利 第f，830, 496號案、美國專利第6, 739, 〇47號案、美國專 利第6, 637, 921號案、美國專利第6, 〇84,252號案、美國 =利第6,705,393 B1號案、台灣專利第213446號案、、台 灣專利第220351號案、台灣專利第574760號案、台灣專 利第549590號案、以及台灣專利第56〇7〇4號案等技術。 舉例來說，美國專利第6, 274, 924號案提出一種可表 面女衣式之LED封裝。如第1圖所示，該專利主要係將 LED晶片21黏貼在供散熱之金屬塊（slug) 23上，藉著 该金屬塊23之高熱傳導特性，將LEd晶片21之熱量傳導 至封裝體底部。然而，此種金屬塊23接觸空氣之面積相 ^ ^如果在應用上要達到產品之規範，就必須要將此封 褒體貼合於諸如金屬鰭片、金屬基板或其他具高熱傳導特 6 19117(修正本） 1301678 陡的材料之上，且此等材料都將會有較大體積。此種為了 ::與空氣接觸的表面積而外加較大面積之高熱傳導元 麵㈣的方式佔用較多㈣，而難以應用於微小的產 σσ。冋時，由於此種習知技術需同時與體積較大的散熱基 π或者使用金屬散熱基板，片才能發揮其散熱效 果，故於電路製作上亦需特別增加成本’致使成本增加。 事^國料第6,83G，權號案提出—種製造具有多封 第：二lp:e Encapsulants)之LED裝置的方法。如 板：Η不’該專利主要在於使用分離金屬塊41作為基 二，=43處則形成由絕緣體黏貼而成㈣ i片：所:直接㈣洲 屬 之熱里直接傳導至該金屬塊41，再由嗲金 屬塊41之表面將熱量逸散至 产僅 …藉由金屬塊41之熱傳導特= =述專利相同之體積較大、成本增加等問題= 法增加與空氣接觸之面積。 *''' _高熱傳軸村二::成^ 與陶究63之貼合結構t’jt6係使用金屬基板61 令晶片65在操作時所基座者:為散熱良好的材料，以 至空氣，而且令該模組的熱置可藉由兩者之表面傳導 〜桓、、且6龟性連接至一雷败把β n ^ 與前述專利技術相 彡$路板60上。但， 面積之設計。 、疋此專利，亦沒有增加與空氣接觸 19117(修正本） 1301678 • 錢專利第6,637,921號案提出-種可更換光源之 led封裝系統。如第4圖所示，該系統係設有金屬製成之 底板（Base Plate) 81作為散熱件並且用以支撑led光 .源83，而在系統末端（即，該底板81周緣）卿成有複 數個齒狀散熱結構85作為散熱鰭片，以便增強對流散孰 之效果。然而，此種結構之熱對流散熱設計主要在整個系 統k，，同樣會佔用較大體積，而難以應用於微小的產品。

癱 關f利第6’084,252號案中揭示一種在傳統LED 燈之封裝單體底部加人—特殊形狀之散熱設計的半導體 發光裝置。如第5圖所示，該專利技術之散熱件ι〇係設 有數個曲面凹部101’屬於一種少數能狗將熱對流散熱導 入LED封裝單體中之設計。惟，雖此專利技術之曲面凹部 ιοί可以增加與空氣接觸的表面積，但是其led晶片之置 放位置103與該散熱件10及其曲面凹部m並未直接接 觸，故仍難以大幅度提昇散熱效果。 • 美國專利第6,7〇5,393 Β1號案、台灣專利第213446 號案以及第220351 |虎案等專利中則提出一具有微小孔隙 的陶瓷材料，以增加熱對流之散熱效果。然而，前述專利 技術之目的係在於提供一種陶曼散熱件，用於將電腦中的 中央處理器（CPU)在運作時所產生之高熱予以逸散，對 於如何應用於LED封裝上之散熱設計則全無相關之說明。 e由上可知，前述習知技術僅著重於考慮如何提高[肋 晶片之接面（Junction)到封裝體外部的熱傳導，但是對 整個系統來說’熱量到最後還是需要藉著空氣對流之方式 19117(修正本) 8 1301678 完整地從_除到系統外部。而且，在前述習知之熱傳 導與熱對流散熱設計中，外加體積較大元件或其他且高敎 傳導特性材料之方式必須你用較多空間，均難以應用於微 小之產品。 台灣專利第574760號案揭露一種具高散熱性之發光 二極體顯示模組及其基板，該發光二極體顯示模組包括且 南散熱性之基板、以及高密度佈設於該基板上之複數個發 光二極體，且該基板包含-金屬板材、包覆於該金屬㈣ 表面之絕緣層、以及設於該絕緣層表面之至少一電路層。 此專利係藉由將LED所產生之熱量傳導至基板表面，再曰藉 由中間為金屬板材之基板的廣大表面將熱量逸散。惟，此 種散熱方式之效率仍有限，而難以應用於高功率之⑽。 此外，雖此專利於該基板之金屬板材中係設置複數個通

但該通孔之内壁係被該絕緣層覆蓋，故仍難以大幅度 提昇散熱效果。 X 弓專利第54959G號案揭示—種高功率發光二極體 口放熱裝置’該散熱裝置上係滑設有電路板，且該電路 板上係組設有多數個高功率發光二極體。此專利主要係在 2㈣置上開設凹槽’並於該凹槽底部凸設接觸部，而 2熱&置底緣則延伸有多數個散熱鰭片，藉此增加散献 =魏Γ’此專利所應用之散熱籍片越多，所佔用之體 H專。’且相對會增加產品重量’而同樣難以應用於微 ΛΙ、的座口口。 口 /弓專利第56G7G4號案則揭示_種具散熱功能之發 19117(修正本） 9 1301678 架腳，2此專利係在導電金屬架體形成至少一對分開的 孔，加、中/木腳上方為面積較大之架面，並開設有架 門，:木孔^供禮件之禮管穿越，使該樓管管壁向周緣淀 …开乂成開口朝上之制σ八狀，並由該樓件置放⑽晶 所遙1由”ΐ撐件穿過基板而結合至散熱件，使led晶片 此袁刹之熱置係由該禮件及該散熱件之傳導而逸散。但， I仍存在與則述專利相同之體積較大、重量較重、及 =增加等問題。同時，應用此專利所需 i且結龍容許極小之公差，更射製作困難之缺點 埶Η B§卜則述白知技術僅關注諸如LED之發熱元件的散 但對於如何將封裝結構中之其他發熱元件，例如 電阻等被動it件所發出之熱量予以逸散卻未加設 心’而均存在有待改善之處。 _因此’如何設計㈣之結構與製程來增加發熱元件與 2:接觸之表面積’以更有效地改善散熱效率，藉此解決 丨知技術所引發之各種問題’實為業界亟待探討之課 【發明内容】 丘—馨於以上所述習知技術之缺點，本發明之—目的係提 =種直下式面光源漁之散熱1置，俾增加 熱表面積’以加速該基板之熱量散逸。 之政 :發明之另一目的係提供一種直下式面光源模組之 政熱裝置，俾應用於微小的產品。 本發明之再-目的係提供一#面光源背光模組之散 19117(修正本） 10 1301678 熱裝置，俾利於量產以提昇產業利用價值。 為達成上揭及其它目的，本發明提供一種散熱裝置， 係應用於具有發熱元件之直下式背光模組中，該散熱裝置 係包括：基板，至少一表面係具有用以接設該發熱元件之 電路結構，且於未設電路結構之至少一表面係設有流道， 用以增加該基板之散熱表面積；以及流體驅動元件，設置 於該基板一側，用以驅動流體流通該流道而加速該基板之 熱量散逸。 〖前述本發明所提供之直下式背光模組之散熱裝置 中，該流道係為連續式流道。於一個較佳實施態樣中，該 流道係具有粗糙表面。該流道係可選擇佈設於該基板選自 頂面、底面、及側面之至少其中一者，其中，該流道之深 度係介於1微米至1釐米之間。該基板復可具有貫穿該基 板且相對位於該發熱元件下方之貫穿孔，可用以將諸如氣 體之流體強迫導引流經該發熱元件。該流體驅動元件係可 >選擇為泵及風扇之其中一者。該散熱裝置則復可包括設於 該基板底面且耦接至該流體驅動元件之對流腔體，且該基 板復設有相對位於該發熱元件下方之貫穿孔，俾可藉該流 體驅動元件驅動流體於該對流腔體與該發熱元件之間形 成對流。 本發明所提出之直下式背光模組之散熱裝置，主要係 於基板製作流道，藉由設計簡易之結構與製程來增加基板 與空氣接觸之表面積，以加速對基板降溫，相對可提昇所 輸出的發光效率；同時，應用本發明於擴大散熱面積之同 11 19117(修正本） 1301678 打亚不會增加模組體積與重量’更可進而縮小體積，亦可 使得所應用之模組相對更為薄型化；此外，本發明之基板 可結合流體驅動元件，並利於控制流體流速，以更有效地 改善散熱效率’·而且，由於本發明所提供之基板可應用成 熟之加工技術予以製造，復可利於量產以提昇產業利用價 值。 【實施方式】 以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方 式’熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之内容輕易地 瞭解本％ 之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同 的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可 基於不同觀點與應肖，在不轉本發明之精神下進行各種 修飾與變更。 須注意的是，所附圖式均為簡化之示意圖，僅以示意 方式說明本發明之基本結構。因此，在該等圖式中僅標： 與本發明有關之元件’且所料之元件並㈣實際實施時 之數目、形狀、尺寸比例等加以繪冑，其實際實施時之規 格尺寸實為—種選擇性之設計，且其元件佈局形態可能更 為複雜，先予敘明。 請夢閱第6圖，係顯示本發明應用於具有發熱元件之 直下式背光模組（未圖示）中的基板之示意圖，如圖所示 之基板1係包括第一表面u、第二表面13、及流道15。 應注意的是，由於直下式背光模組之其他結構與作用原理 均為習知者，故於此不再多作說明。 19117(修正本） 12 !3〇1678 _該第一表面11係具有用以接設第-發熱元件3及第 :發熱元件5之電路結構，該第—發熱元件3可例如為發 I極體（LED)，且該發光二極體係可例如為紅光、藍光、 T光、以及白光發光二極體之其中—者，而該第二發敎元 U則可例Μ電阻或電容之被動元件。而且，於本實施 2中，該發光二極體係可為封裝形式，然而於其他實施例 中，該發光二極體亦可為裸晶形式者。同時，雖於本實施 例中所說明之發熱元件係包括發光二極體及被動元件'，作 於其他實施射，該發熱元件亦可僅為發光二極體及被動 元件之其中一者。

It第二表面13可為未設電路結構之表面，於本實施 例中’該第二表面13係相對於該第一表面n ;然而，於 其他實施例中，該第二表面13亦可為鄰接該第一表面u 之其他未設電路結構之表面。例如，以該基板i為基準， 若該第一表面11係設於該基板1之頂面，則該第二表面 φ 13可設於該基板i之底面、及侧面之至少其中一者。當 該基板1可具有多個設有祕結構之表面及未設電路 結構之表面，換言之，雖於本實施例中僅說明一個第一表 面11以及一個第二表面13,但所屬技術領域中具有通常 知識者均可理解並非以此限制本發明。 該流道15係設於該第二表面13，用以增加該基板i 之散熱表面積’俾供流體流通該流道15以加速該基板1 之熱量散逸。於本實施例中，係以應用氣體之流體為例說 明者，但應知該流體係可為液體。㈣，該流道15之深 13 19117(修正本） 1301678 度較佳係介於1微米至1釐米之間，該流道15係為連續 式流逞，然而，於其他實施例中，該流道15可為非連續 -式流運，且在該基板1不同位置的流道15之深度可為不 •同者，如第7圖所示，該流道15可包括深度不同之第一 流道151及第二流道153，第一流道151之深度Μ係小 於該第二流道153之深度h2。 、 同時，各流道15之佈設並非必須規則排列者，亦可

任意排列佈設於該第二表面13或該基板丨之其他表面。 而且，各流道15之截面可為諸如矩形、三角形、半圓形、 橢圓形、多邊形等幾何形狀或非幾何形狀者，如第^至 第8F圖所示’且截面積之尺寸可為不同者。此外，該流 迢15之表面亦非以平滑者為限，如第9圖所示，該流道 15係具有粗糖表面155,以使流體流速變慢，故可避免流 體太快通過而來不及將敎詈帶丰 Ή由叮一 ▼走’如此，藉由控制流體流 速，便可確實將熱量帶走，相f 該流道15之佈設方式、截面效率。當然， Π =其他設計’且均為本發明所屬技術領域= ^識者所理解並得以簡易替換者，故於此不再重複 此外，該基板1之製法可例如 少-表面製作電路結構，再利用諸如機面或至 該流道15，例如可利用銳 ：°:技作出 構之表面進行力…而該流道15之^在未Μ電路結 可由加工刀具及加工方式所決：:：狀與深度等均 於枝械加工技術係屬 19117(修正本） 14 1301678 習知技術，且技術成熟而無製程困難，故於此不另作說明。 另外，如第ίο圖所示，該基板j復可設置複數貫穿 ί17二至：7貫穿孔17係貫穿該基板1且相對位於該 弟一發熱疋件3及第二發熱元件5下；Τ。如此，可由咳等 貫穿孔17將諸如氣體之流體強迫導引流經該第—發敎元 件3及第二發熱元件5。應注意的是，雖如第10圖；示 亚非所有貫穿孔17皆位於該第一發熱元件3及第二發熱 το件5之正下方’但於其他實施例中亦可將所有貫穿孔 17設於該第一發熱元件3及第二發熱元件$之正下方， 而非以此圖中所示者為限。 本發明復提供-種散熱裝置7，係應用於具有發献元 件之直下式背光模組中，如第u圖所示，該散熱裝置7 係包括該基板1、以及流體驅動元件71。 該基板1亦可例如為先於其中—表面（例如第6及第 10圖中之f表面11)或至少—表面製作電路結構，再 利用諸如銑床或CNC車床之機械加工技術在未設有電路 結構之表面（例如第6及第10圖中之第二表面13)製作 出該流道15。 < 該流體驅動元件71係設置於該基板1 一側，用以驅 動流體流通該流道15而加速該基板丨之熱量散逸。於本 實施例中，該流體驅動元件15係設置於該基板i之第二 表面13，且該流體驅動元件71係可選擇為泵、風扇或其 他等效元件’但並非以此為限。 同日寸’如第11圖所不，該散熱裝置7復可包括對流 19117(修正本) 15 1301678 腔體73。該對流腔體73係設於該基板丨底面且耦接至該 流體驅動元件71。於本實施例中，該對流腔體73係設於 該基板1之第二表面13，且該流體驅動元件71係接設於 該第二表面13下之對流腔體73，但並非以此限制本發 明。如此一來，由於該基板丨可設有相對位於該第一發熱 元件3及第二發熱元件5下方之貫穿孔π，故可由 體驅動元件71驅動流體於該對流腔體73與該第一發熱元 件3及第一發熱元件5之間形成對流。應了解的是，所屬 技術領域中具有通常知識者可任意修改該對流腔體73之 。又置位置、及該流體驅動元件7丨之接設方式與位置，只 ^可令該流體驅動元件71驅動流體於該對流腔體Μ與該 第-發熱兀件3及第二發熱元件5之間形成對流即可。 同日守’雖於此所述之散熱裝置7可包括對流腔體Μ =主動進行熱交換，且該基板！可設有相對位於該第一發 :甬：件3 ί第二發熱元件5下方之貫穿孔17使流體_ 提仏直接進订熱交換之效果，但，本發明所屬技 ::域中具有通常知識者當然可於其他實施 對流腔體73及嗜書空π ^ 7 ^ 該貫穿孔17…者，抑戈父 該對流腔體73或 設於該第一發熱元件3:Π:有:Γ1崎 該流體驅動元件71 m—: 牛5正下方。此外’ 例中所述者。 又置位置及數量亦非偈限於本實施 散本發明所提出之直下式背光模組之 破置主要係在設有發熱元件之基板上設計流道，藉 19117(修正本） 16 1301678 以大幅增加散熱面積，可於不增加直下式背光模組旦 下加速該基板之熱量散逸，且相對可提昇散熱效率，並二 滅輕核組之重量，亦可使得所應用之直下式背光模租或且 有該直下式背光模組之系統相對更為薄型化；同時，由於 本發明所提供之散熱裝置可結合氣體或液料流體進行 對流，使流體通過流道並可控制流體流速，可有效發 佳之散效率，故可利於快速傳遞熱量，進而可使基板 降溫。此外，本發明僅需利用—般之機械加工技術即可穿』 造，製程容易且無組裝問題。故而，本發明所提供之^ =背光模組之散熱裝置，相對6解決先前技術所存在之問 上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而 非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不土 背本發明之精神及料下，對上述實施例進行修飾^ 變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之專 範圍所列。 甲。月寻引 【圖式簡單說明】 圖； 第1圖係顯示美國專利第6, 274, 924號案結構之示意 圖； 第2圖係顯不美國專利第6, 830, 496號案結構之 圖； 第3圖係顯示美國專利第6, 739, 047號案結構之示 意 之示意 第4圖係顯示美國專利第6,637,921號案結構 19117(修正本) 17 1301678 圖； 第5圖係顯示美國專利第6, 084, 252號案結構之示意 圖， 第6圖係顯示本發明之直下式背光模組之基板的較 佳實施例之示意圖； 第7圖係顯示第6圖之基板的變化例之示意圖，其中 係顯示該基板之流道深度不同； 第8A至第8F圖係顯示第6圖之基板的變化例之示意 圖，其中係顯示不同之流道設計； 第9圖係顯示第6圖之基板的變化例之示意圖，其中 係顯不該基板之流道表面為粗链表面， 第10圖係顯示第6圖之基板的變化例之示意圖，其 中係顯示該基板復具有貫穿孔；以及 第11圖係顯示具有第10圖之基板的散熱裝置之示意 圖。 【主要元件符號說明】 1 基板 11 第一表面 13 第二表面 15 流道 151 第一流道 153 第二流道 155 粗链表面 17 貫穿孔 18 19117(修正本) 1301678 3 發熱元件 5 發熱元件 > 7 散熱裝置 ,71 流體驅動元件 73 對流腔體 21 晶片 23 金屬塊 41 金屬塊 • 43 間隙 45、 47 封裝體 49 晶片 6 模組 60 電路板 61 金屬基板 63 陶瓷 • 65 晶片 81 底板 83 LED光源 85 齒狀散熱結構 10 散熱件 101 曲面凹部 103 晶片之置放位 hi ^ h2 深度 19 19117(修正本)

Claims (1)

1301678 十、申請專利範圍： 一種散熱裝置，係應用於具有發熱元件之直下式面光 源模組中，該散熱裝置係包括： 基板’至少一表面係具有用以接設該發熱元件之 電路結構，且於未設電路結構之至少一表面係設有流 道，該流道係為連續式流道，用以增加該基板之散熱 表面積，該基板復設有相對位於該發熱元件下方之貫 穿孔；

2· 3·

4. 5. 流體驅動元件，設置於該基板一侧，用以驅動流 體流通該流道而加速該基板之熱量散逸；以及 一對流腔體，設於該基板底面且耦接至該流體驅動 几件，俾可藉該流體驅動元件驅動流體於該對流腔體 與該發熱元件之間形成對流。 如申清專利範圍第1項之散熱裝置，其中，該流道係 具有粗链表面。 t申請專利範圍第1項之散熱裝置，其中，該流道係 ^於該基板選自頂面、底面、及侧面之至少其中一 考0 t申請專利範圍第1項之散熱裝置，其中， 深度係介於1微米至丨釐米之間。… 如申請專利範圍第1項之散熱i置，其中， 件係為發光二極體及被動元件之其中一者。 如申请專利範圍第1項之4挪 貝之放熱裝置，其中， 為氧體及液體之其中一者。 如申請專利 該流道之 該發熱元 該流體係 該流體驅 19117(修正本) 20 6· 1301678 8. 9. 動元件係為泵及風扇之其中一者。 如申請專利範圍第〗項之散熱裝置，盆 截面係為幾何形狀及非幾何形狀二 利範園第！項之散置-主少包括深度不同 士…罝其中 之昂一 k逼及第二流道 ，該流道之 f 〇 ，該流道係 19117(修正本) 21 1301678 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（6 )圖。 (二） 本代表圖之元件代表符號簡單說明： 1 基板 11 第一表面 13 第二表面 15 流道 3 第一發熱元件 5 第二發熱元件 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 無0 4 19117(修正本)