TWI439636B - 具有熱管之發光裝置 - Google Patents

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Jon Lian Kwo
Sheng Wen Fu
Hsuan Ta Wu
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Jun Zhan Technology Co Ltd
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    • H01L2924/181—Encapsulation

Description

具有熱管之發光裝置
本發明係關於一種發光裝置，詳言之，係關於一種具有熱管之發光裝置。
為了提高半導體元件的效率，越來越多的半導體元件朝向高功率發展，例如高亮度發光二極體(High Brightness LED)、聚光型太陽能電池(HCPV)、功率放大器(PA)、雙極型電晶體(Bipolar Transistor)、高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor,HEMT)、感光二極體，雷射二極體及積體電路元件等。
由於高功率的半導體元件在工作時通常會產生大量的熱，若熱能無法適時地排除，將會使半導體元件的性能受損。在高溫的半導體工作溫度下，會導致其工作效率變差，發光二極體還有顏色飄移的問題。尤其是聚光型太陽能電池及高功率發光二極體，其散熱能力更顯重要。因此，高功率半導體/光電半導體元件需要快速有效的散熱。
參考圖1，顯示習知發光裝置之剖視示意圖。該發光裝置1包括一發光二極體(LED)元件10、一基板12、一容器16及一冷卻水14。該基板12係為一封裝基板，且具有一第一表面121、一第二表面122。該發光二極體元件10係位於該基板12之第一表面121。該基板12之第二表面122係位於該容器16上。該冷卻水14係在該容器16內流動，以帶走該發 光二極體元件10發光所產生之熱。
該習知發光裝置1之缺點如下。該發光二極體元件10之熱係先通過該基板12及該容器16之側壁之後才會進入該冷卻水14，而被該冷卻水14帶走。由於該基板12及該容器16通常不是熱的良導體，因此，該發光二極體元件10之熱並無法快速地傳導到該冷卻水14，導致該習知發光裝置1之散熱效率並不高。換言之，習知技術的熱阻過大。在一實際量測時，該發光二極體元件10之熱阻為7.7℃/W。此外，另一種習知發光裝置係加裝一鋁散熱基板於該基板12及該容器16之間，其所量得之熱阻為8.1℃/W。
本發明提供一種具有熱管之發光裝置，其包括至少一發光二極體(LED)元件、至少一第一基板、一熱管及一冷卻液。該第一基板具有一第一表面、一第二表面及至少一孔洞。該至少一發光二極體元件係位於該至少一第一基板之該第一表面。該至少一孔洞係開口於該至少一第一基板之該第二表面，且相對於該至少一發光二極體元件。該熱管具有至少一熱管開口，且該至少一熱管開口係連通該至少一孔洞。該冷卻液位於該至少一孔洞內，俾吸收該至少一發光二極體元件之熱以形成一蒸發氣體而在該熱管內流動。
本發明另提供一種具有熱管之發光裝置，其包括至少一發光二極體(LED)元件、至少一第一基板、一熱管及一冷卻液。該第一基板具有一第一表面、一第二表面及至少一 孔洞。該至少一發光二極體元件係位於該至少一第一基板之該第一表面。該至少一孔洞係開口於該至少一第一基板之該第二表面，且相對於該至少一發光二極體元件。該熱管具有至少一突柱，該至少一突柱係插設於該至少一孔洞內。該冷卻液位於該至少一突柱內，俾吸收該至少一發光二極體元件之熱以形成一蒸發氣體而在該熱管內流動。
藉此，可有效地降低該發光二極體元件之工作溫度。
請參考圖2，顯示本發明具有熱管之發光裝置之一實施例之立體示意圖。請參考圖3，顯示圖2之剖視示意圖。請參考圖4，顯示圖3中區域A之放大示意圖。該具有熱管之發光裝置2包括至少一發光二極體(LED)元件20、至少一第一基板22、一熱管26及一冷卻液24。該發光二極體元件20至少包括一晶粒(圖中未標號)及一透鏡(Lens)(圖中未標號)。該第一基板22具有一第一表面221、一第二表面222及至少一孔洞223。該發光二極體元件20係位於該第一基板22之該第一表面221。該孔洞223係開口於該第一基板22之該第二表面222，且該孔洞223之位置係相對於該發光二極體元件20。
該熱管26具有至少一熱管開口261，且該熱管開口261係連通該孔洞223。該冷卻液24位於該孔洞223內，俾吸收該發光二極體元件20之熱以形成一蒸發氣體而在該熱管26內流動。
在本實施例中，該第一基板22具有三個孔洞223，且該 熱管26具有三個熱管開口261；然而，在其他實施例中，該第一基板22也可以僅具有一個孔洞223，且該熱管26僅具有一個熱管開口261。該等孔洞223更開口於該第一基板22之該第一表面221。亦即，該等孔洞223係貫穿該第一基板22，使得該冷卻液24經由該等熱管開口261及該第一基板22之該第二表面222而進入該等孔洞223後，可以接觸該發光二極體元件20，以直接帶走該發光二極體元件20之熱。綜合所述，本發明之主要技術特徵即在於去除該熱管26中該冷卻液24與該發光二極體元件20之間的熱阻，使得該熱管26中該冷卻液24之散熱效果可以最大化。
在本實施例中，該第一基板22係為一封裝基板，其材質為樹脂。該冷卻液24係為水、甲醇、乙醇、氨、丙酮或其任意組合。該熱管26包括一外殼體262及一毛細結構263。該毛細結構263係位於該外殼體262之內側壁以定義出一中空容置空間264。該熱管開口261係貫穿該外殼體262及該毛細結構263，而連通至該中空容置空間264，使得該冷卻液24所形成之蒸發氣體可以在該中空容置空間264內流動，進而隔著該外殼體262與外界環境形成熱交換，最終冷凝成液態冷卻液24。該冷凝而成之液態冷卻液24經由該毛細結構263流回該等孔洞223內。較佳地，該外殼體262之材質係為金屬(例如：黃銅、鎳、不銹鋼、鎢或其他合金)，且該毛細結構263係為銅網、銅粉燒結或溝槽。
在本實施例中，該熱管26更包括至少一突出部265及複數個散熱鰭片266。每一該突出部265係突出於該熱管26下 方，且對應每一該第一基板22。該等熱管開口261係位於該突出部265下側，且該毛細結構263及該中空容置空間264係延伸至該突出部265。該等散熱鰭片266連接至該熱管26之外殼體262之上方外側壁，以增加散熱效率。
該具有熱管之發光裝置2之作動方式如下。當該發光二極體元件20產生熱時，該熱管26之突出部265係為較高溫處，而該熱管26之上方係為較低溫處。此時該冷卻液24吸收該發光二極體元件20之熱而形成一蒸發氣體。該蒸發氣體會在該中空容置空間264內流動至該熱管26之上方。由於該熱管26之上方是接觸到較低溫處，所以當該蒸發氣體到此端時，便開始產生冷凝作用，此時熱量就是由該蒸發氣體透過該外殼體262而傳到較低溫的熱管26外部。同時，該蒸發氣體會凝結成液體，而這些因冷凝後所產生的液態冷卻液24經由該毛細結構263之毛細現象(Capillary Pumping)的作用而流回該突出部265，之後再進入該等孔洞223內。如此循環會持續進行俾提升散熱效果。
在本實施例中，該發光二極體元件20之熱阻為3.992℃/W，與習知技術相比，本發明可有效降低該發光二極體元件20之熱阻。換言之，熱阻下降代表著該發光二極體元件20所產生的熱源可與外界環境形成更有效的熱交換，並據以提升散熱效率。
請參考圖5，顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖視示意圖。本實施例之具有熱管之發光裝置2a與圖3及4之具有熱管之發光裝置2大致相同，其中相同之元 件賦予相同之編號。本實施例之具有熱管之發光裝置2a與圖3及4之具有熱管之發光裝置2之不同處在於，在本實施例中，該等孔洞223係為盲孔。亦即，該等孔洞223不開口於該第一基板22之該第一表面221。綜合所述，本發明之主要技術特徵即在於去除該冷卻液24與該發光二極體元件20之間的熱阻，使得該冷卻液24之冷卻效果可以最大化。
在本實施例中，該發光二極體元件20之熱阻為5.395℃/W，與習知技術相比，本發明之另一實施例仍可有效降低該發光二極體元件20之熱阻。
請參考圖6，顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖視示意圖。本實施例之具有熱管之發光裝置2b與圖3及4之具有熱管之發光裝置2大致相同，其中相同之元件賦予相同之編號。本實施例之具有熱管之發光裝置2b與圖3及4之具有熱管之發光裝置2之不同處在於，在本實施例中，該具有熱管之發光裝置2b更包括一第二基板28。該第二基板28之材質係為鋁、銅或陶瓷，該第二基板28係散熱基板或電路板，且其位於該第一基板22之該第二表面222與該熱管26之間。該第二基板28具有至少一貫穿孔281。在本實施例中，該第二基板28具有三個貫穿孔281。該等貫穿孔281係連通該第一基板22之該等孔洞223及該等熱管開口261，使得該冷卻液24可以經由該等貫穿孔281進入該等孔洞223。
請參考圖7，顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖視示意圖。本實施例之具有熱管之發光裝置2c與 圖6之具有熱管之發光裝置2b大致相同，其中相同之元件賦予相同之編號。本實施例之具有熱管之發光裝置2c與圖6之具有熱管之發光裝置2b之不同處在於，在本實施例中，該等孔洞223係為盲孔。亦即，該等孔洞223不開口於該第一基板22之該第一表面221。
請參考圖8，顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖視示意圖。本實施例之具有熱管之發光裝置2d與圖3之具有熱管之發光裝置2大致相同，其中相同之元件賦予相同之編號。本實施例之具有熱管之發光裝置2d與圖3之具有熱管之發光裝置2之不同處在於，在本實施例中，該熱管26之散熱鰭片266(圖3)係被複數個鰭片部267所取代。該等鰭片部267與該等散熱鰭片266所不同的是，該等鰭片部267係為該熱管26之一部分，亦即，該毛細結構263及該中空容置空間264係延伸至該等鰭片部267。此實施例之熱管26係為鰭片式熱管。
請參考圖9，顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖視示意圖。本實施例之具有熱管之發光裝置2e與圖3之具有熱管之發光裝置2大致相同，其中相同之元件賦予相同之編號。本實施例之具有熱管之發光裝置2e與圖3之具有熱管之發光裝置2之不同處在於，在本實施例中，該熱管26不具有該等散熱鰭片266(圖3)、該等突出部265(圖3)及該等鰭片部267(圖8)。此實施例之熱管26係為平板式熱管。
請參考圖10，顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實 施例之剖視示意圖。本實施例之具有熱管之發光裝置2f與圖3及4之具有熱管之發光裝置2大致相同，其中相同之元件賦予相同之編號。本實施例之具有熱管之發光裝置2f與圖3及4之具有熱管之發光裝置2之不同處在於，在本實施例中，該熱管26不具有熱管開口261(圖4)，而是具有至少一突柱268。該突柱268係為該熱管26的一部份，且該毛細結構263及該中空容置空間264係延伸至該突柱268。在本實施例中，該突柱268係插設於該孔洞223內，使得該突柱268可以接觸該發光二極體元件20。可以理解的是，圖10中該熱管26具有該突柱268之技術特徵可應用在圖5-9之具有熱管之發光裝置2a,2b,2c,2d,2e上，於此不再贅述。
惟上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非用以限制本發明。因此，習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧習知發光裝置
2‧‧‧本發明具有熱管之發光裝置之一實施例
2a‧‧‧本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例
2b‧‧‧本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例
2c‧‧‧本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例
2d‧‧‧本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例
2e‧‧‧本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例
2f‧‧‧本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例
10‧‧‧發光二極體(LED)元件
12‧‧‧基板
14‧‧‧冷卻水
16‧‧‧容器
20‧‧‧發光二極體(LED)元件
22‧‧‧第一基板
24‧‧‧冷卻液
26‧‧‧熱管
28‧‧‧第二基板
121‧‧‧第一表面
122‧‧‧第二表面
221‧‧‧第一表面
222‧‧‧第二表面
223‧‧‧孔洞
261‧‧‧熱管開口
262‧‧‧外殼體
263‧‧‧毛細結構
264‧‧‧中空容置空間
265‧‧‧突出部
266‧‧‧散熱鰭片
267‧‧‧鰭片部
268‧‧‧突柱
281‧‧‧貫穿孔
圖1顯示習知發光裝置之剖視示意圖；圖2顯示本發明具有熱管之發光裝置之一實施例之立體示意圖；圖3顯示圖2之剖視示意圖；圖4顯示圖3中區域A之放大示意圖；圖5顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖視示意圖；圖6顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖 視示意圖；圖7顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖視示意圖；圖8顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖視示意圖；圖9顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖視示意圖；及圖10顯示本發明具有熱管之發光裝置之另一實施例之剖視示意圖。
2‧‧‧本發明具有熱管之發光裝置之一實施例
20‧‧‧發光二極體(LED)元件
22‧‧‧第一基板
26‧‧‧熱管
24‧‧‧冷卻液
221‧‧‧第一表面
222‧‧‧第二表面
223‧‧‧孔洞
261‧‧‧熱管開口
262‧‧‧外殼體
263‧‧‧毛細結構
264‧‧‧中空容置空間
265‧‧‧突出部

Claims (22)

  1. 一種具有熱管之發光裝置，包括：至少一發光二極體(LED)元件；至少一第一基板，具有一第一表面、一第二表面及至少一孔洞，該至少一發光二極體元件係位於該至少一第一基板之該第一表面，該至少一孔洞係開口於該至少一第一基板之該第二表面，且相對於該至少一發光二極體元件；一熱管，具有至少一熱管開口，該至少一熱管開口係連通該至少一孔洞；及一冷卻液，位於該至少一孔洞內，俾吸收該至少一發光二極體元件之熱以形成一蒸發氣體而在該熱管內流動。
  2. 如請求項1之具有熱管之發光裝置，其中該至少一孔洞係為盲孔。
  3. 如請求項1之具有熱管之發光裝置，其中該至少一孔洞更開口於該至少一第一基板之該第一表面，使得該冷卻液可以接觸該至少一發光二極體元件。
  4. 如請求項1之具有熱管之發光裝置，其中該冷卻液係為水、甲醇、乙醇、氨、丙酮或其任意組合。
  5. 如請求項1之具有熱管之發光裝置，更包括一第二基板，位於該至少一第一基板之該第二表面，該第二基板具有至少一貫穿孔，該至少一貫穿孔係連通該至少一第一基板之該至少一孔洞及該至少一熱管開口，使得該冷 卻液可以經由該至少一貫穿孔進入該至少一孔洞。
  6. 如請求項5之具有熱管之發光裝置，其中該至少一孔洞係為盲孔。
  7. 如請求項5之具有熱管之發光裝置，其中該至少一孔洞更開口於該至少一第一基板之該第一表面，使得該冷卻液可以接觸該至少一發光二極體元件。
  8. 如請求項5之具有熱管之發光裝置，其中該第二基板係散熱基板或電路板。
  9. 如請求項1之具有熱管之發光裝置，其中該熱管包括一外殼體及一毛細結構，該毛細結構係位於該外殼體之內側壁以定義出一中空容置空間，該至少一熱管開口係貫穿該外殼體及該毛細結構，而連通至該中空容置空間，使得該蒸發氣體可以在該中空容置空間內流動，進而隔著該外殼體與外界環境形成熱交換，最終冷凝成液態冷卻液。
  10. 如請求項9之具有熱管之發光裝置，其中該熱管更包括至少一突出部，每一該突出部係對應每一該第一基板，且具有至少一熱管開口，該毛細結構及該中空容置空間係延伸至該至少一突出部。
  11. 如請求項9之具有熱管之發光裝置，其中該熱管更包括複數個鰭片部，該毛細結構及該中空容置空間係延伸至該等鰭片部。
  12. 如請求項9之具有熱管之發光裝置，更包括複數個散熱鰭片，連接至該熱管之外殼體之外側壁。
  13. 如請求項9之具有熱管之發光裝置，其中該外殼體之材質係為金屬，且該毛細結構係為銅網、銅粉燒結或溝槽。
  14. 一種具有熱管之發光裝置，包括：至少一發光二極體(LED)元件；至少一第一基板，具有一第一表面、一第二表面及至少一孔洞，該至少一發光二極體元件係位於該至少一第一基板之該第一表面，該至少一孔洞係開口於該至少一第一基板之該第二表面，且相對於該至少一發光二極體元件；一熱管，具有至少一突柱，該至少一突柱係插設於該至少一孔洞內；及一冷卻液，位於該至少一突柱內，俾吸收該至少一發光二極體元件之熱以形成一蒸發氣體而在該熱管內流動。
  15. 如請求項14之具有熱管之發光裝置，其中該至少一孔洞係為盲孔。
  16. 如請求項14之具有熱管之發光裝置，其中該至少一孔洞更開口於該至少一第一基板之該第一表面，使得該至少一突柱可以接觸該至少一發光二極體元件。
  17. 如請求項14之具有熱管之發光裝置，其中該冷卻液係為水、甲醇、乙醇、氨、丙酮或其任意組合。
  18. 如請求項14之具有熱管之發光裝置，其中該熱管包括一外殼體及一毛細結構，該毛細結構係位於該外殼體之內 側壁以定義出一中空容置空間，該毛細結構及該中空容置空間係延伸至該至少一突柱，使得該蒸發氣體可以在該中空容置空間內流動，進而隔著該外殼體與外界環境形成熱交換，最終冷凝成液態冷卻液。
  19. 如請求項18之具有熱管之發光裝置，其中該熱管更包括至少一突出部，每一該突出部係對應每一該第一基板，且具有至少一突柱，該毛細結構及該中空容置空間係延伸至該至少一突出部。
  20. 如請求項18之具有熱管之發光裝置，其中該熱管更包括複數個鰭片部，該毛細結構及該中空容置空間係延伸至該等鰭片部。
  21. 如請求項18之具有熱管之發光裝置，更包括複數個散熱鰭片，連接至該熱管之外殼體之外側壁。
  22. 如請求項18之具有熱管之發光裝置，其中該外殼體之材質係為金屬，且該毛細結構係為銅網、銅粉燒結或溝槽。
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