TWI513069B - 散熱板 - Google Patents

Description

散熱板

本發明是有關於一種散熱板，且特別是有關於一種適於承載至少一發熱元件的散熱板。

以目前常用的發光二極體封裝結構來說，由於發光二極體晶片在使用前需先進行封裝，且發光二極體晶片在發出光線時會產生大量的熱能。倘若，發光二極體晶片所產生的熱能無法逸散而不斷地堆積在發光二極體封裝結構內，則發光二極體封裝結構的溫度會持續地上升。如此一來，發光二極體晶片可能會因為過熱而導致亮度衰減及使用壽命縮短，嚴重者甚至造成永久性的損壞。

習知的發光二極體晶片大部分是配置在以金屬線路作為散熱路徑的散熱板上。然而，金屬線路的熱膨脹係數遠大於發光二極體晶片的熱膨脹係數，即兩者的熱膨脹係數不匹配(mismatch)，且發光二極體晶片所產生的熱應力(thermal stress)與翹曲(warpage)的現象也日漸嚴重，而此結果將導致發光二極 體晶片與散熱板之間的可靠度(reliability)下降。因此，如何增加發光二極體晶片的散熱效果以及提高發光二極體晶片與散熱板之間的可靠度已成為目前的一個重要課題。

本發明提供一種散熱板，具有較佳的散熱效果。

本發明的散熱板包括一導熱材料層、一第一金屬層、一金屬基材以及一金屬環框。導熱材料層具有彼此相對的一上表面以及一下表面，其中導熱材料層的材質包括陶瓷材料或矽鍺。第一金屬層配置於導熱材料層的下表面上，且具有一第一粗糙表面結構。金屬基材配置於第一金屬層的下方，且具有一第二粗糙表面結構。金屬環框配置於第一金屬層與金屬基材之間，其中第一粗糙表面結構、金屬環框以及第二粗糙表面結構定義出一流體腔室，且一工作流體流動於流體腔室中。

在本發明的一實施例中，上述的導熱材料層更包括至少一導電貫孔結構。導電貫孔結構暴露出部分第一金屬層且電性連接第一金屬層。

在本發明的一實施例中，上述的散熱板更包括一第二金屬層。第二金屬層配置於導熱材料層的上表面上，其中第二金屬層完全覆蓋或暴露出部分導熱材料層。

在本發明的一實施例中，上述的散熱板更包括一第二金屬層。第二金屬層配置於導熱材料層的上表面上，其中第二金屬 層完全覆蓋或暴露出部分導熱材料層。

在本發明的一實施例中，上述的散熱板更包括至少一開孔。開孔貫穿導熱材料層與第一金屬層且連通流體腔室。開孔可供套入一金屬細管作為抽氣或注入液體使流體腔室成為低真空狀態，完成後將所套入之金屬細管予以封閉。

在本發明的一實施例中，上述的散熱板更包括至少一開孔。開孔貫穿金屬環框且連通流體腔室。

在本發明的一實施例中，上述的散熱板更包括至少一開孔。開孔貫穿金屬基材且連通流體腔室。

在本發明的一實施例中，上述的第一金屬層的材質、金屬基材的材質以及金屬環框的材質選自銅、鋁或前述之合金。

在本發明的一實施例中，上述的第一粗糙表面結構為一凹凸表面結構，且第一粗糙表面結構的最大高度粗糙度的範圍介於數微米至數厘米之間。

在本發明的一實施例中，上述的第二粗糙表面結構為一凹凸表面結構，且第二粗糙表面結構的最大高度粗糙度的範圍介於數微米至數厘米之間。

在本發明的一實施例中，上述的工作流體包括流體。

基於上述，由於本發明的散熱板的導熱材料層的材質是採用具有高導熱特性的陶瓷材料或矽鍺，且第一金屬層的第一粗糙表面結構、金屬環框以及金屬基材的第二粗糙表面結構定義出 低真空度的流體腔室。因此，本發明的散熱板可視為一均熱板，且當將一發熱元件(如發光二極體晶片)配置於散熱板上時，透過均熱板的兩相流特性來對發熱元件進行散熱，可以有效地排除發熱元件所產生的熱，進而改善發熱元件的使用效率與使用壽命。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100a、100b、100c、100d、100e‧‧‧散熱板

110a、110b‧‧‧導熱材料層

112a、112b‧‧‧上表面

114a、114b‧‧‧下表面

116b‧‧‧導電貫孔結構

120‧‧‧第一金屬層

122‧‧‧第一粗糙表面結構

130‧‧‧金屬基材

132‧‧‧第二粗糙表面結構

140‧‧‧金屬環框

160a、160b‧‧‧第二金屬層

200a、200b、200d、200e、200f‧‧‧發光二極體晶片

210‧‧‧介電層

220‧‧‧銲線

230‧‧‧線路

240‧‧‧黏著層

250‧‧‧銀膠

C‧‧‧流體腔室

E‧‧‧熱能

F‧‧‧工作流體

H1、H2、H3‧‧‧開孔

圖1繪示為本發明的一實施例的一種散熱板的剖面示意圖。

圖2繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板的剖面示意圖。

圖3繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板的剖面示意圖。

圖4繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板的剖面示意圖。

圖5繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板的剖面示意圖。

圖6繪示為本發明的一實施例的一種散熱板承載發熱元件的剖面示意圖。

圖7繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板承載發熱元件的剖面示意圖。

圖8繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板承載發熱元件的剖面示意圖。

圖9繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板承載發熱元件的剖面示意圖。

圖10繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板承載發熱元件的剖面示意圖。

圖1繪示為本發明的一實施例的一種散熱板的剖面示意圖。請參考圖1，在本實施例中，散熱板100a包括一導熱材料層110a、一第一金屬層120、一金屬基材130以及一金屬環框140。詳細來說，導熱材料層110a具有彼此相對的一上表面112a以及一下表面114a，特別是，導熱材料層110a的材質包括陶瓷材料或矽鍺。第一金屬層120配置於導熱材料層110a的下表面114a上，且具有一第一粗糙表面結構122。金屬基材130配置於第一金屬層120的下方，且具有一第二粗糙表面結構132。金屬環框140配置於第一金屬層120與金屬基材130之間，其中第一粗糙表面結構122、金屬環框140以及第二粗糙表面結構132定義出一流體腔室C，且一工作流體F流動於流體腔室C中。

更具體來說，本實施例的第一金屬層120直接接觸導熱材料層110a的下表面114a。在本實施例中，第一金屬層120的材質、金屬基材130的材質以及金屬環框140的材質是選自銅、鋁 或前述之合金，其中第一金屬層120的材質、金屬基材130的材質以及金屬環框140的材質可以相同或不同，於此並不加以限制。此外，流體腔室C例如是一低真空度的腔室，且工作流體F例如是流體。

特別是，本實施例的第一金屬層120的第一粗糙表面結構122例如是一連續的凹凸表面結構或一非連續的凹凸表面結構，且第一粗糙表面結構122的最大高度粗糙度(Rymax)的範圍介於數微米至數厘米之間。第一粗糙表面結構122可視為是一種毛細結構。另一方面，本實施例的金屬基材130的第二粗糙表面結構132例如是一連續的凹凸表面構表面或一非連續的凹凸表面結構，且第二粗糙表面結構132的最大高度粗糙度(Rymax)的範圍介於數微米至數厘米之間。第二粗糙表面結構132可視為是一種毛細結構。此處，第一粗糙表面結構122與第二粗糙表面結構132例如是透過機械加工，如電腦數值控制(Computer Numerical Control,CNC)銑切技術、沖壓或噴砂等方式；或者是，化學加工，如電鍍法或蝕刻法；或者是，物理研磨法，於此並不加以限制。

由於本實施例的散熱板100a的導熱材料層110a的材質是採用具有高導熱特性的陶瓷材料或矽鍺，且第一金屬層120的第一粗糙表面結構122、金屬環框140以及金屬基材130的第二粗糙表面結構132定義出流體腔室C。因此，當一發熱元件(未繪示)配置於導熱材料層110a上時，流體腔室C內的工作流體F會 吸收發熱元件所產生的熱能E並且在低真空度的環境中汽化。此時，工作流體F吸收熱能E並且體積迅速膨脹，氣相的工作流體F會很快充滿整個流體腔體C。當氣相的工作流體F接觸溫度較低的區域時會產生冷凝的現象，以藉由冷凝的現象釋放出在汽化時吸收的熱量。凝結後的液相工作流體F會藉由第一粗糙表面結構122與第二粗糙表面結構132的毛細作用再回到蒸發處(即發熱元件的下方)。如此，即透過傳導、蒸發、對流及凝固的循環步驟週而復始，而可將發熱元件所產生的熱能E迅速轉移到散熱板100a的各個部分。簡言之，本實施例的散熱板100a可視為一均熱板，其具有良好的兩相流特性的平板式架構，可提供極佳的二維橫向導熱效果，可快速的將發熱元件所產生的熱能E擴散開來，避免在局部區域形成熱點(hot spot)，可延長發熱元件的使用壽命。

另一方面，本實施例的導熱材料層110a除了具有導熱的效果之外，其熱膨脹係數與發熱元件(未繪示)的熱膨脹係數也較為相近。因此，當發熱元件配置於導熱材料層110a上時，可有效縮小散熱板100a及其所載發熱元件間之熱膨脹係數的差異，可避免發熱元件與導熱材料層110a之間因熱膨脹係數差異過大而導致相互之間的應力增加，以有效防止發熱元件剝落或壞損的現象產生，進而可提高散熱板100a的使用可靠度。

以下將用多個實施例來說明散熱板100b、100c、100d、100e的結構設計。在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近 似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。

圖2繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板的剖面示意圖。請參考圖2，本實施例之散熱板100b與圖1之散熱板100a相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的導熱材料層110b具有至少一導電貫孔結構116b(圖2中示意地繪示三個)，且導電貫孔結構116b連接上表面112b與下表面114b並暴露出部分第一金屬層120。導電貫孔結構116b電性連接所暴露出的第一金屬層120。此外，本實施例的散熱板100b更可包括至少一開孔H1，其中開孔H1貫穿金屬基材130且連通流體腔室C，以藉由開孔H1對流體腔室C抽氣或注入流體，來提高整體散熱板100b的散熱效率。開孔H1可供套入一金屬細管(未繪示)作為抽氣或注入液體，使流體腔室C成為低真空狀態，完成後將所套入之金屬細管予以封閉。

圖3繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板的剖面示意圖。請參考圖3，本實施例之散熱板100c與圖1之散熱板100a相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的散熱板100c更包括一第二金屬層160a。第二金屬層160a配置於導熱材料層110a的上表面112a上，其中第二金屬層160a完全覆蓋導熱材料層110a。

此外，本實施例的散熱板100c可更包括至少一開孔H2，其中開孔H2依序貫穿第二金屬層160a、導熱材料層110a與第一金屬層120且連通流體腔室C，以藉由開孔H1對流體腔室C抽氣 或注入流體，來提高整體散熱板100c的散熱效率。

圖4繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板的剖面示意圖。請參考圖4，本實施例之散熱板100d與圖1之散熱板100a相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的散熱板100d更包括一第二金屬層160b。第二金屬層160b配置於導熱材料層110a的上表面112a上，其中第二金屬層160b覆蓋導熱材料層110a且暴露出導熱材料層110a的部分上表面112a。此外，本實施例的散熱板100d可更包括至少一開孔H3，其中開孔H3貫穿金屬環框140且連通流體腔室C，以藉由開孔H3對流體腔室C抽氣或注入流體，來提高整體散熱板100d的散熱效率。

圖5繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板的剖面示意圖。請參考圖5，本實施例之散熱板100e與圖2之散熱板100b相似，惟二者主要差異之處在於：本實施例的散熱板100e更包括一第二金屬層160b。第二金屬層160b配置於導熱材料層110b的上表面112b上，其中第二金屬層160b覆蓋導熱材料層110b且暴露出導熱材料層110b的部分上表面112b。

此外，於其他未繪示的實施例中，亦可自行選用於如前述實施例所提及的導電貫孔結構116b、第二金屬層160a、160b、開孔H1、H2、H3，本領域的技術人員當可參照前述實施例的說明，依據實際需求，而選用前述構件，以達到所需的技術效果。

圖6繪示為本發明的一實施例的一種散熱板承載發熱元件的剖面示意圖。請參考圖6，本實施例的散熱板100a適於承載 一發光二極體晶片200a(即發熱元件)，其中發光二極體晶片200a是內埋於一介電層210內，且透過多條銲線220與設置於介電層210上的線路230電性連接。再者，發光二極體晶片200a與介電層210透過一黏著層240而固定於導熱材料層110a的上表面112a上。此處，黏著層240可例如是一導電黏著層或一非導電黏著層，於此並不加以限制。

由於本實施例的導熱材料層110a除了具有散熱的效果之外，其熱膨脹係數與發光二極體晶片200a的熱膨脹係數也較為相近。因此，當發光二極體晶片200a透過黏著層240而配置於導熱材料層110a上時，可有效縮小散熱板100a及其所載發光二體晶片200a間之熱膨脹係數的差異，可避免發光二極體晶片200a與導熱材料層110a之間因熱膨脹係數差異過大而導致相互之間的應力增加，以有效防止發光二極體晶片200a剝落或壞損的現象產生，進而可提高散熱板100a的使用可靠度。此外，若本實施例的散熱板100a僅具有散熱的功能，可將發光二極體晶片200a所產生的熱透過傳導、蒸發、對流及凝固的循環步驟快速地傳遞至外界。

值得一提的是，本發明並不限定發光二極體晶片200a的個數，雖然此處所提及的發光二極體晶片200a具體化為一個。但於其他實施例中，請參考圖7，發熱元件亦可是由多個發光二極體晶片200b串聯或並聯所組成，此仍屬於本發明可採用的技術方案，不脫離本發明所欲保護的範圍。

圖8繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板承載發熱元件的剖面示意圖。請參考圖8，本實施例的散熱板100d適於承載一發光二極體晶片200d(即發熱元件)，其中發光二極體晶片200d配置於第二金屬層160b上，且發光二極體晶片200d透過銲線220與第二金屬層160b結構性與電性連接。此處，本實施例的散熱板100d除了具有散熱的功能之外，其亦具有導電功能。

圖9繪示為本發明的另一實施例的一種散熱板承載發熱元件的剖面示意圖。請參考圖9，本實施例的散熱板100d適於承載一發光二極體晶片200e(即發熱元件)，其中發光二極體晶片200e透過一銀膠250配置於第二金屬層160b上，意即發光二極體晶片200e透過覆晶接合的方式與散熱板100d的第二金屬層160b電性連接。此處，本實施例的散熱板100d除了具有散熱的功能之外，其亦具有導電功能。

值得一提的是，本發明並不限定發光二極體晶片200e的個數，雖然此處所提及的發光二極體晶片200e具體化為一個。但於其他實施例中，請參考圖10，發熱元件亦可是由多個發光二極體晶片200f所組成，此仍屬於本發明可採用的技術方案，不脫離本發明所欲保護的範圍。此外，於其他未繪示的實施例中，亦可自行選用於如前述實施例所提及的散熱板100b、100c、100e，本領域的技術人員當可參照前述實施例的說明，依據實際需求，而選用前述構件，以達到所需的技術效果。

綜上所述，由於本發明的散熱板的導熱材料層的材質是 採用具有高導熱特性的陶瓷材料或矽鍺，且第一金屬層的第一粗糙表面結構、金屬環框以及金屬基材的第二粗糙表面結構定義出低真空度的流體腔室。因此，本發明的散熱板可視為一均熱板，且當將一發熱元件(如發光二極體晶片)配置於散熱板上時，透過均熱板的兩相流特性來對發熱元件進行散熱，可以有效地排除發熱元件所產生的熱，進而改善發熱元件的使用效率與使用壽命。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100a‧‧‧散熱板

110a‧‧‧導熱材料層

112a‧‧‧上表面

114a‧‧‧下表面

120‧‧‧第一金屬層

122‧‧‧第一粗糙表面結構

130‧‧‧金屬基材

132‧‧‧第二粗糙表面結構

140‧‧‧金屬環框

C‧‧‧流體腔室

E‧‧‧熱能

F‧‧‧工作流體

Claims (10)

1. 一種散熱板，包括：一導熱材料層，具有彼此相對的一上表面以及一下表面，其中該導熱材料層的材質包括陶瓷材料或矽鍺；一第一金屬層，配置於該導熱材料層的該下表面上，且具有一第一粗糙表面結構，其中該第一粗糙表面結構為一凹凸表面結構，且該第一粗糙表面結構的最大高度粗糙度範圍介於數微米至數厘米之間；一金屬基材，配置於該第一金屬層的下方，且具有一第二粗糙表面結構；以及一金屬環框，配置於該第一金屬層與該金屬基材之間，其中該第一粗糙表面結構、該金屬環框以及該第二粗糙表面結構定義出一流體腔室，且一工作流體流動於該流體腔室中。
2. 如申請專利範圍第1項所述的散熱板，其中該導熱材料層更包括至少一導電貫孔結構，該導電貫孔結構暴露出部分該第一金屬層且電性連接第一金屬層。
3. 如申請專利範圍第2項所述的散熱板，更包括：一第二金屬層，配置於該導熱材料層的該上表面上，其中該第二金屬層完全覆蓋或暴露出部分該導熱材料層。
4. 如申請專利範圍第1項所述的散熱板，更包括：一第二金屬層，配置於該導熱材料層的該上表面上，其中該第二金屬層完全覆蓋或暴露出部分該導熱材料層。
5. 如申請專利範圍第1項所述的散熱板，更包括：至少一開孔，貫穿該導熱材料層與該第一金屬層且連通該流體腔室。
6. 如申請專利範圍第1項所述的散熱板，更包括：至少一開孔，貫穿該金屬環框且連通該流體腔室。
7. 如申請專利範圍第1項所述的散熱板，更包括：至少一開孔，貫穿該金屬基材且連通該流體腔室。
8. 如申請專利範圍第1項所述的散熱板，其中該第一金屬層的材質、該金屬基材的材質以及該金屬環框的材質選自銅、鋁或前述之合金。
9. 如申請專利範圍第1項所述的散熱板，其中該第二粗糙表面結構為一凹凸表面結構，且該第二粗糙表面結構的最大高度粗糙度的範圍介於數微米至數厘米之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述的散熱板，其中該工作流體包括流體。