TWI572816B - 散熱器及其形成方法及基於發光二極體之燈 - Google Patents

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Description

散熱器及其形成方法及基於發光二極體之燈
本文係關於照明技術、發光技術、固態照明技術、熱管理技術及相關技術。
此申請案主張於2010年4月2日所申請之美國臨時申請案第61/320,417號之權利。於2010年4月2日所申請之美國臨時申請案第61/320,417號之全文係以引用之方法併入本文中。
白熾燈、鹵素燈及高強度放電(HID)光源具有相對高之操作溫度，且因此，散熱係主要藉由輻射及對流熱轉移路徑而完成。例如，輻射散熱係隨著溫度升高至四次冪而發生，因此，該輻射熱轉移路徑隨著操作溫度升高而超線性地變得更為主導。因此，對於白熾燈、鹵素燈及HID光源之熱管理一般意味著在燈之附近提供足夠之氣隙，以達成有效的輻射熱轉移及對流熱轉移。一般而言，在此等類型之光源中，無需增加或修改該燈之表面積來增強輻射或對流熱轉移而達成所希望之燈之操作溫度。
另一方面，出於裝置性能及可靠性之原因，基於發光二極體(LED)之燈一般在遠低之溫度下操作。例如，一典型之LED裝置之接面溫度應低於200℃，且在一些LED裝置中，應低於100℃或甚至更低。在此等低操作溫度下，至環境之輻射熱轉移路徑係差的，因此至環境之對流及傳導性熱轉移一般占主導。在LED光源中，自燈或照明器之外表面積之對流及輻射熱轉移係可藉由增添一散熱器而增強。
散熱器係提供一使熱自LED裝置輻射及對流而離開之大表面之組件。在一典型設計中，該散熱器為一具有一大預製表面積之相對大塊之金屬元件，大表面積係例如藉由在該金屬元件之外表面上設置翼片或其他散熱結構而實現。散熱器之大截面積及高熱傳導性有效地將熱自該等LED裝置傳導至翼片，且該等散熱翼片之大表面積藉由輻射及對流而提供有效之散熱。對於高功率之基於LED之燈，亦已知採用主動冷卻，主動冷卻使用風扇或合成射流或熱導管或熱電式冷卻器或經泵送冷卻劑流體來增強除熱。
在本文所揭示為闡釋性實例之一些實施例中，一散熱器包括一散熱器本體及一設置於該散熱器本體之上之導熱層。在一些此等實施例中，該散熱器本體為塑膠散熱器本體。在一些此等實施例中，該導熱層包括一銅層。
在本文揭示為闡釋性實例之一些實施例中，一基於發光二極體(LED)之燈包括：在上一段落中所陳述之一散熱器；及一包含一個或多個LED裝置之LED模組，該LED模組與該散熱器緊固且熱連通。在一些此等實施例中，該基於LED之燈具有一A字形燈泡組態。在一些此等實施例中，該基於LED之燈為一MR或PAR組態。
在本文揭示為闡釋性實例之一些實施例中，一種方法包括：形成一散熱器本體；且在該散熱器本體上設置一導熱層。在一些此等實施例中，該形成包括模製該散熱器本體。在一些此等實施例中，該形成包括模製該散熱器本體為一模製塑膠散熱器本體。在一些此等實施例中，該散熱器本體包含若干翼片，且該設置包含將該導熱層設置於該等翼片之上。
對於白熾燈、鹵素燈及HID光源(均為耐溫性發光體)，至鄰近燈之氣隙之熱轉移係藉由輻射及對流熱路徑之設計而管理，以在光源之操作期間達成一升高之目標溫度。相比之下，對於LED光源，光子並非係經熱激發，而是藉由電子與電洞在一半導體之p-n接面處重組而產生。藉由使該LED之p-n接面處之操作溫度最低化而非在一升高之目標溫度下操作，可使該光源之性能及壽命最佳化。藉由提供一具有翼片或其他表面積增大結構之散熱器，可增大對流及輻射熱轉移之表面。
參考圖1，一方塊示意性地指示具有若干翼片之一金屬散熱器MB，且該散熱器之翼片MF係由一虛線橢圓而示意性地指示。熱經由其而藉由對流及/或輻射而轉移進入周圍環境中之表面在本文中被稱為散熱表面(例如，翼片MF)，且應具有大面積，以提供充分之散熱使LED裝置LD處於穩態操作。自該散熱表面MF至環境中之對流及輻射散熱係可分別由熱阻值Rconvection及RIR或等效地藉由導熱率而模型化。阻值Rconvection模型化藉由自然氣流或壓迫氣流而自該散熱器之外表面至周圍環境之對流。阻值RIR模型化自該散熱器之外表面至遠處環境之紅外(IR)輻射。此外，一導熱路徑(在圖1中係由阻值Rspreader及Rconductor而指示)在該LED裝置LD與該散熱表面MF之間串聯，其表示自該LED裝置LD至該散熱表面MF之熱傳導。此串聯熱傳導路徑之一高導熱率確保自LED裝置經由該散熱表面至周圍空氣之散熱不會受到串聯導熱率之限制。此通常係藉由將該散熱器MB構造成具有一翼片或以其他方式而增大之表面積MF(其界定散熱表面)之一相對大塊之金屬(該金屬散熱器本體提供該LED裝置與該散熱表面之間期望之高導熱率)而達成。在此設計中，該散熱表面與提供高導熱率路徑之該金屬散熱器本體之間存在固有的連續且緊密之熱接觸。
因此，基於LED之燈之習知散熱係包含包括一金屬(或金屬合金)塊之該散熱器MB，該金屬(或金屬合金)塊使該大面積散熱表面MF曝露至鄰近的氣隙。該金屬散熱器本體在LED裝置與該散熱表面之間提供一高導熱率路徑Rconductor。圖1中之阻值Rconductor模型化穿過該金屬散熱器本體MB之熱傳導。LED裝置係安裝於一金屬芯體電路板或包含一散熱件之其他支撐件上，且來自該等LED裝置之熱穿過該散熱件而傳導至該散熱器。此係藉由阻值Rspreader而模型化。
除了經由該散熱表面(阻值Rconvection及RIR)而消散於環境中的熱之外，一般亦經由愛迪生(Edison)基座或其他燈連接器或燈基座LB(圖1中之模型中係由一虛線圓而示意性地指示)而發生一些散熱(即，熱消散)。經由該燈基座LB之散熱在圖1之該示意性模型中係由阻值Rsink表示，其表示經由一實心導管或熱導管而進入遠處環境或建築基礎結構之熱傳導。然而，本文認識到，在Edison類型基座之常見情形下，基座LB之導熱率限度及溫度限度將限制經由該基座之熱通量為約1瓦特(watt)。相反地，對於意在針對內部空間(諸如，房間)照明或戶外照明之基於LED之燈，待消散之熱輸出一般為約10瓦特或更高。因此，本文認識到，該燈基座LB無法提供主要散熱路徑。而是，來自LED裝置LD之散熱係主要經由穿過該金屬散熱器本體至該散熱器之該散熱外表面之傳導而消散，在此情形下，消散進入周圍環境中之熱係藉由對流(Rconvection)及(較小程度之)輻射(RIR)而達成。該散熱表面可具有翼片(例如，圖1中之示意性翼片MF)或藉由其他方式而修改，以增大其表面積且因此增加散熱。
此等散熱器具有一些缺點。例如，該等散熱器由於包括該散熱器MB之金屬或金屬合金之體積大而沉重。沉重之金屬散熱器會向基座及燈座施加機械壓力，此會造成故障，且在一些故障模式中，可能發生電氣事故。此等散熱器之另一問題在於製造成本高。製作一塊金屬散熱器組件成本高，且根據所選擇之金屬，材料之成本亦可能相當高。此外，該散熱器有時被用作一電子器件之一殼體，或作為Edison基座之一安裝點，或作為LED裝置電路板之一支撐件。此等應用需要相當精確地加工該散熱器，這又將增加製造成本。
發明者已經使用圖1中所示之簡化熱模型而對此等問題予以分析。圖1之熱模型係可以代數方式表示為具有熱阻抗之串聯平行電路。在該穩態中，所有的暫態阻抗(諸如該燈自身之熱質量或周圍環境中之物件(諸如燈連接器、電線及結構性安裝件)之熱質量)係可視為熱電容。在穩態中暫態阻抗(即，熱電容)係可忽略，正如在DC電路中忽略電容，且僅需考量電阻。LED裝置與環境之間之總熱阻值Rthermal可寫成，其中：Rsink為經由Edison連接器(或其他燈連接器)而到達「環境」(ambient)電線的熱之熱阻值；Rconvection為藉由對流熱轉移而自該散熱表面消散進入周圍環境中的熱之熱阻值；RIR為藉由輻射熱轉移而自該散熱表面消散進入周圍環境中的熱之熱阻值；且Rspreader+Rconduction為自LED裝置穿過散熱件(Rspreader)且穿過該金屬散熱器本體(Rconduction)而到達該散熱表面的熱之串聯熱阻值。應注意，對於術語1/Rsink，對應之串聯熱阻值並不精確等於Rspreader+Rconduction，其原因在於，串聯熱路徑係到達該燈連接器而非到達該散熱表面；然而，由於典型之燈之穿過該基座連接器之導熱率1/Rsink相當小，此錯誤可以忽略。實際上，完全忽略穿過該基座之散熱之簡化模型可寫為
此簡化等式說明了，經由該散熱器本體之串聯熱阻值Rconduction為該熱模型之一控制參數。實際上，此對於採用該塊狀金屬散熱器MB之習知散熱器設計係合理-該散熱器本體為串聯熱阻值Rconduction提供一極低之值。鑑於上述，可認識到，需要達成具有低串聯熱阻值Rconduction同時較習知散熱器之重量輕(且較佳地，成本降低)之散熱器。一可達成此目的之方式係增強經由該基座之散熱Rsink，使得此路徑係經增強而提供10瓦特或更高之一散熱速率。然而，在LED燈係用於替代一習知的白熾燈或鹵素燈或螢光燈或HID燈的改造型光源應用中，LED替代燈係安裝於初始係針對白熾燈、鹵素燈或HID燈而設計之類型之習知基座或燈座或照明器中。在此情形下，至該建築基礎結構或遠處環境(例如，地面)的熱阻值Rsink相較Rconvection或RIR為大，從而藉由對流及輻射而至環境之熱路徑占主導。
此外，由於LED總成之相對低之穩態操作溫度，輻射路徑一般係由該對流路徑占主導(也就是說，Rconvection<<RIR)。因此，一典型之基於LED之燈之主導熱路徑為包括Rconduction及Rconvection之串聯熱電路。因此，需要提供一低串聯熱阻值Rconduction+Rconvection，同時減小該散熱器之重量(及較佳其成本)。
本發明之發明者已從第一原理之角度仔細考量了在一基於LED之燈中之除熱問題。本文認識到，在通常考量之極具重要性之參數(散熱器體積、散熱器質量對導熱率之比率、散熱器表面積及經由該基座之傳導性除熱及散熱)中，兩個主要之設計要素係LED與該散熱器之間之路徑之導熱率(即，Rconduction)及用於使熱對流轉移及輻射轉移至環境之散熱器的外表面積(其影響Rconvection及RIR)。
可藉由一消除過程進行進一步分析。散熱器體積至關重要，僅因為其影響散熱器質量及散熱器表面積。散熱器質量在暫態情形下相當重要，但不會嚴重影響穩態除熱性能，除熱性能在一連續操作燈中至關重要，除非該金屬散熱器本體提供一低串聯阻值Rconduction。穿過一替代燈(諸如一PAR或MR或反射器或A字形燈)的基座之散熱路徑對於低功率燈而言極其重要；然而，Edison基座之導熱率僅足以提供約1瓦特之散熱至環境(且其他類型的基座，諸如銷類型基座類似地具有可比較或甚至更少的導熱率)，且因此並不預期經由基座至環境之傳導性散熱對各種市售的基於LED之燈具有原則重要性，預期該等燈在穩態下產生高出若干量級之熱負荷。
參考圖2，根據上文所述，本文提供一種改良之散熱器，其包括一輕型散熱器本體LB，其並不一定導熱；及一設置於該散熱器本體上之導熱層CL，以界定該散熱表面。該散熱器本體並非該熱電路之一部分(或視需要，可為實現該散熱器本體之一些導熱率之一次要組件)；然而，該散熱器本體LB界定該導熱層CL之形狀，而CL之形狀界定該散熱表面。例如，該散熱器本體LB可具有若干翼片LF，其等係由該導熱層CL覆蓋。由於該散熱器本體LB並非該熱電路之一部分(如圖2所示)，其可係針對可製造性及特性(諸如結構穩健性及輕量化)而設計。在一些實施例中，該散熱器本體LB為一模製塑膠組件，其包括隔熱或具有相對低之導熱率之塑膠。
設置於該輕型散熱器本體LB之上之該導熱層CL執行該散熱表面之功能，且其在使熱消散至周圍環境方面之性能(由熱阻值Rconvection及RIR的熱阻值而量化)與圖1中模型化之習知散熱器之性能大體上相同。然而，此外，該導熱層CL界定自LED裝置至該散熱表面之熱路徑(由串聯阻值Rconduction而量化)。此亦在圖2中示意性地展示。為了達成一充分低Rcondution值，該導熱層CL應具有充分大之厚度(因為Rcondution隨著厚度增加而降低)且應具有一充分低之材料熱導熱率(因為Rcondution亦隨著材料導熱率增加而降低)。本文揭示，藉由適當選擇該導熱層CL之材料及厚度，包括一輕型(且可能隔熱)散熱器本體LB及一設置於該散熱器本體之上且界定該散熱器表面之一導熱層CL之散熱器之散熱性能可與近似大小及形狀之塊狀金屬散熱器之散熱性能相同或甚至更好，同時相較等效之塊狀金屬散熱器重量大為減小，且製造成本更低。同樣地，不僅可用於輻射/對流散熱至環境之表面積決定該散熱器之性能，跨由該散熱層界定之與環境熱連通之外表面之熱之熱傳導(即，相當於串聯阻值Rconduction)亦起決定作用。較高之表面導熱率促成熱在整個散熱表面積上更有效地分佈且因此促進熱輻射及對流至環境中。
鑑於上文，本文所揭示之散熱器實施例包括一散熱器本體及一設置於該散熱器本體上至少位於(且界定)該散熱器之該散熱表面之導熱層。該散熱器本體之材料比該導熱層材料之導熱率低。實際上，該散熱器本體甚至可隔熱。另一方面，該導熱層應具有(i)一面積及(ii)一厚度且(iii)由具有導熱率充分大之材料製成，使得其提供足以維持該基於LED燈之LED裝置之p-n半導體接面處於或低於一特定最大溫度(一般低於200℃且有時低於100℃)之至環境中之輻射/對流散熱。
該導熱層之厚度及材料導熱率共同界定該導熱層之一薄片導熱率，其類似於薄片導電率(或者，在相反之情形中，薄片電阻率)。可界定薄片熱阻值為，其中ρ為該材料之熱阻率且為該材料之導熱率，且d為該導熱層之厚度。可看出薄片熱阻值適用K/W之單位。取倒數則得到薄片導熱率K s =σ‧d，其適用W/K之單位。因此，可在該導熱層之厚度d與材料導熱率之間做出權衡。對於高導熱率材料，則可使該導熱層薄化，從而使重量減輕、體積減小且成本降低。
在本文所揭示之實施例中，該導熱層包括一金屬層，諸如銅、鋁、其等之各種合金或此類物等等，其係藉由電鍍、真空蒸鍍、濺射、物理氣相沈積(PVD)、電漿增強化學氣相沈積(PECVD)或另一合適之層形成技術於一充分低之溫度下沈積而與該散熱器本體之塑膠或其他材料熱相容。在一些闡釋性實施例中，該導熱層為一銅層，其係藉由包含無電電鍍且接著電鍍之一順序而形成。
該散熱器本體(即，不包含該導熱層之散熱器)並不嚴重影響除熱，除非其界定執行散熱(由圖2中之熱模型中之串聯熱阻值Rconduction而量化)之導熱層之形狀且界定散熱表面(由圖2中之熱模型中之Rconvecion及RIR而量化)。由該散熱器本體提供之表面積影響後續之藉由輻射及對流之除熱。因此，可對該散熱器本體加以選擇，以達成希望之特點，諸如重量小、成本低、結構剛性或強韌性、熱強韌性(例如，該散熱器本體應可承受操作溫度而不因此發生熔化或過度軟化)、易於製造、表面積最大化(其轉而控制該導熱層之表面積)及如此等等。在本文所揭示之一些闡釋性實施例中，該散熱器本體為一模製塑膠元件，例如，由聚合材料(諸如聚(甲基丙烯酸甲酯)、尼龍、聚乙烯、環氧樹脂、聚異戊二烯、苯乙烯丁二烯苯乙烯橡膠、聚倍環戊二烯、聚四氟乙烯、聚苯基硫、聚(氧化二甲苯)、聚矽氧、聚酮、熱塑性塑膠或此類物)製成。該散熱器本體經模製而具有若干翼片或其他熱輻射/對流/表面積增大結構。
為了最小化成本，該散熱器本體較佳係使用一次性模製程序而形成且因此具有一均勻之材料一致性且各處皆均勻(對比於例如藉由採用不同模製材料而多次模製操作形成之一散熱器本體，該散熱器本體具有不均勻之材料一致性且並非各處皆均勻)，且較佳包括一低成本材料。為了達成後一目的，該散熱器本體之材料較佳不包含任何金屬填料，且更佳不包含任何導電填料，且最佳完全不包含任何填料。然而，可預想該散熱器本體包含金屬填料或其他填料，諸如經施配之金屬顆粒以提供一定程度之導熱率增強或非金屬填料顆粒以提供增強之機械性質。
下文將描述一些闡釋性實施例。
參考圖3及圖4，散熱器10具有適用於一MR或PAR類型之基於LED之燈中之組態。如上文已描述，該散熱器10包含由塑膠或另一合適材料製成之散熱器本體12，及設置於該散熱器本體12上之一導熱層14。該導熱層14可為一金屬層，諸如銅層、鋁層或其等之各種合金。在闡釋性實施例中，該導熱層14包括在無電電鍍之後再電鍍而形成之銅層。
如最佳在圖4中可見，該散熱器10具有若干翼片16，以增強最終之輻射除熱及對流除熱。亦可使用其他表面積增大結構來替代所示之翼片16，諸如多區段翼片、桿、微/奈米級表面及體積特徵或如此等等。該闡釋性散熱器本體12將該散熱器10界定為中空之大體圓錐形散熱器，其具有內表面20及外表面22。在圖3所示之實施例中，該導熱層14係設置於該內表面20及該外表面22二者上。或者，該導熱層係可僅設置於該等外表面22上，如圖7中之該替代性實施例散熱器10'中所示。
繼續參考圖3及圖4且進一步參考圖5及圖6，該闡釋性中空之大體圓錐形散熱器10包含一中空頂點26。一LED模組30(在圖6中展示)係適於設置於該頂點26處，如圖5所示，以界定一基於MR或PAR之燈。該LED模組30包含一個或多個(在該闡釋性實例中為三個)發光二極體(LED)裝置32，其等係安裝於包含一散熱件36之金屬芯體印刷電路板(MCPCB)34上，例如包括該MCPCB 34之一金屬層。該闡釋性LED模組30進一步包含一螺紋Edison基座40；然而，亦可使用其他類型之基座，諸如可以卡銷類型基座或豬尾式電連接器替代該闡釋性Edison基座40。該闡釋性LED模組30進一步包含電子器件42。該電子器件可包括如圖所示之一封閉電子器件單元42，或可為設置於該散熱器10之中空頂點26中而不具有一獨立殼體之電子組件。該電子器件42適於包括電源電路，以將A.C.電能(例如，美國居家用電110伏特；美國工業或歐洲用電220伏特，或如此等等)轉換成適於操作LED裝置32之(一般較低之)DC電壓。該電子器件42可視需要包含其他組件，諸如靜電放電(ESD)保護電路、保險絲或其他安全電路、亮度調節電路或如此等等。
用於本文中時，術語「LED裝置」應被理解為涵蓋無機LED或有機LED之裸露半導體晶片、無機或有機LED之封裝半導體晶片、LED晶片「封裝」(package)(其中該LED晶片係安裝於一個或多個中間元件(諸如基台、引線框、表面安裝支撐件或此類物等等)上)、無機LED或有機LED之包含波長轉換磷光體塗層之半導體晶片，其等具有或不具有一囊封體(例如，一塗敷黃色、白色、琥珀色、綠色、橙色、紅色之紫外或紫色或藍色LED晶片，或其他經設計而協作地產生白光之磷光體)、多晶片無機LED裝置或有機LED裝置(例如，包含三個分別發射紅光、綠光及藍光，且可能發出其他顏色之光，從而共同作用產生白光之一白色LED裝置)，或如此等等。該一個或多個LED裝置32可經組態而針對一給定照明應用共同發射白光束、黃光束、紅光束或實質上任何其他所關注之顏色的光束。亦可預想該一個或多個LED裝置32包含發射不同顏色之光的LED裝置，且該等電子器件42包含合適之電路來獨立地操作不同顏色的LED裝置，以提供可調整光輸出。
該散熱件36提供自該等LED裝置32至該導熱層14之熱連通。該散熱件36與該導熱層14之間之良好熱耦合係可以各種方式達成，諸如藉由焊接、導熱黏著劑、該LED模組30與該散熱器10之頂點26之間之一牢固機械配合(視需要，由高導熱率墊輔助)或如此等等。儘管本文並未闡明，亦可預想將該導熱層14設置於該頂點26之內直徑表面之上，以提供或增強該散熱件36與該導熱層14之間的熱耦合。
參考圖7，陳述一種合適的製造方法。在此方法中，首先在操作S1中藉由一合適之方法形成該散熱器本體12(諸如，藉由模製，在該散熱器本體12包括一塑膠或其他聚合材料之實施例中，模製便於形成該散熱器本體12)。其他形成該散熱器本體12之方法包含鑄造、擠壓(例如，在製造一圓柱形散熱器之情形下)或如此等等。在一操作步驟S2中，該模製散熱器本體之表面係藉由塗敷一聚合物層(一般約2微米至10微米)、執行表面粗糙化或藉由採用其他表面處理來處理。該(該等)選擇性表面處理操作S2可執行各種功能，諸如促成後續電鍍銅之黏結、提供壓力釋放及/或增加針對至環境之散熱的表面積。對於後一點，藉由對該塑膠散熱器本體之表面粗糙化或孔蝕化，後續施加之銅塗層將採行該粗糙化或孔蝕化以提供一較大之散熱表面。
在一操作S3中，藉由無電電鍍來塗敷一初始銅層。可有利地對一電絕緣(例如，塑膠)散熱器本體執行該無電電鍍。然而，無電電鍍之沈積速率慢。本文所陳述之設計考量(尤其係提供一充分低之串聯熱阻值Rconduction)偏向採用一厚度為數百微米級之電鍍銅層。因此，該無電電鍍係用於沈積一初始銅層(厚度宜不超過10微米，且在一些實施例中，厚度為約2微米或更小)，使得具有此初始銅層之塑膠散熱器本體係導電的。初始無電電鍍S3之後為一電鍍操作S4，其迅速地沈積剩餘之銅層厚度，例如，一般為數百微米。該電鍍S4之沈積速率遠高於無電電鍍S3之沈積速率。
銅塗層存在之一問題在於其可能發生(金屬)變色，此不利地影響自表面至環境中之散熱熱轉移，且亦不美觀。因此，視需要在一選擇性操作S5中，例如，藉由電鍍一鈍化金屬(例如，鎳、鉻或鉑金)於銅上而在銅上沈積一合適的鈍化層。若提供鈍化層，則其厚度一般不超過10微米，且在一些實施例中，厚度為約2微米或更小。亦可執行選擇性步驟S6，以提供各種表面增強，諸如表面粗糙化，或表面保護，或提供希望之美學外觀，諸如塗敷一薄片塗料、塗漆或聚合物或粉末塗層(諸如金屬氧化物粉末(諸如二氧化鈦粉末、氧化鋁粉末或其等之混合物或此類物))或如此等等。此等表面處理意在經由增強之對流及/或輻射來增強自該散熱表面至環境的熱轉移。
參考圖8，展示用於該導熱層在材料導熱率在200 W/mK至500 W/mK(各種類型的銅之材料導熱率一般在此範圍內)之範圍內最佳化其厚度之模擬資料。(應理解，用於本文中時，術語「銅」意在涵蓋各種銅合金或銅之其他變體)。在此模擬中，該散熱器本體之材料導熱率為2 W/mK，但發現，該結果僅在微小程度上取決於此值。圖8中之值係針對長度為0.05 m、厚度為0.0015 m且寬度為0.01米之簡化「厚片」(slab)(散熱器)，且導熱層材料塗敷該厚片之兩側。例如，此可對應於由該塑膠散熱器本體所界定且鍍銅之厚度為200 W/mK至500 W/mK之一散熱器部分(諸如一平面翼片)。在圖8中可以看出，對於200 W/mK之材料，厚度為約350微米之銅提供約等於100 W/mK之(體積)導熱率。相反地，對於導熱率為500 W/mK之導熱性更強之材料，小於150微米之厚度即足以提供約等於100 W/mK之(體積)導熱率。因此，厚度為數百微米之鍍銅層提供之與導熱及後續的將熱經由輻射及對流而移除至環境相關之穩態性能足以與由一導熱率為100 W/mK之金屬製成的塊狀金屬散熱器之性能相媲美。
一般而言，該導熱層14之薄片導熱率應高至足以確保來自該等LED裝置32的熱跨該熱輻射/對流表面積而均勻地消散。在由發明者執行之模擬中，已發現，一旦藉由增加該導熱層14之厚度(對於一給定材料導熱率)而實現性能改良之該厚度超過某一位準，該性能改良即將退化(或更明確而言，性能對厚度曲線大約呈指數形式衰退)。在不受任何特定的操作理論限制之情形下，據信，此係由於至環境之散熱在材料具有較大厚度之情形係受到輻射/對流熱阻值Rconvection及RIR之限制而非受到經由該導熱層之熱轉移之熱阻值Rconduction而限制。換言之，在層厚度較大之情形下，該串聯熱阻值Rconduction相較Rconvection及RIR變得可以忽略。
參考圖9及圖10，在一塊狀金屬散熱器之熱模擬中，可以看到隨著材料導熱率增加，發生類似之性能(改良)趨平。圖9展示藉由針對四個不同材料導熱率(20 W/m‧K；40 W/m‧K；60 W/m‧K及80 W/m‧K)進行一塊狀散熱器之模擬熱成像而獲得之結果。圖9中繪製針對每個模擬之LED板溫度(Tboard)溫度。可以看出，Tboard之下降在80 W/m‧K時開始趨平。圖10繪製在導熱率為600 W/m‧K之情形下，該塊狀散熱器材料之Tboard對材料導熱率，其展示在100 W/m‧K至200 W/m‧K範圍內，性能改良大體上趨平。在不受任何特定操作理論限制的情形下，據信此係由於在較高(體積)材料導熱率之情形下，至環境之散熱受輻射/對流熱阻值Rconvection及RIR之限制而非經由該導熱層之熱轉移之Rconduction熱阻值之限制。換言之，在高(體積)材料導熱率下，串聯熱阻值Rconduction相較Rconvection及RIR可忽略。
基於上文，在一些預想之實施例中，該導熱層14之厚度為500微米或更小且導熱率為50 W/m‧K或更高。對於具有較高材料導熱率之銅層而言，可使用一厚度遠小之層。例如，藉由普通製程而製作之常用鋁合金一般(體積)導熱率為約100 W/m‧K，但純鋁之導熱率可高達240 W/m‧K。自圖8可見，厚度為約150微米或更大之導熱率為500 W/m‧K之銅層可達成之散熱性能可超過一典型塊狀鋁散熱器之散熱性能。厚度為約180微米或更大之導熱率為400 W/m‧K之銅層可達成之散熱性能可超過一塊狀鋁散熱器之散熱性能。厚度為約250微米或更大之導熱率為300 W/m‧K之銅層可達成之散熱性能可超過一塊狀鋁散熱器之散熱性能。厚度為約370微米或更大之導熱率為200 W/m‧K之銅層可達成之散熱性能可超過一塊狀鋁散熱器之散熱性能。一般而言，材料導熱率及層厚度根據該薄片導熱率Ks=‧d而縮放。在一些實施例中，薄片導熱率Ks為至少0.05 W/K。對於產生較少熱之更高效LED光引擎，亦可預想較低之導熱率(諸如Ks為至少0.0025 W/K)。
參考圖11及圖12，所揭示之散熱器態樣係可併入各種類型之基於LED之燈中。
圖11展示適於改造白熾燈A字形燈泡之類型的「A字形燈泡」燈之一側視剖面圖。一散熱器本體62形成結構性基礎，且係可適於製作為一模製塑膠元件，例如，由聚合材料(諸如聚丙烯、聚碳酸酯、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚(甲基丙烯酸甲酯)、尼龍、聚乙烯、環氧樹脂、聚異戊二烯、苯乙烯丁二烯苯乙烯橡膠、聚倍環戊二烯、聚四氟乙烯、聚苯基硫、聚(氧化二甲苯)、聚矽氧、聚酮、熱塑性塑膠、或此類物)製成。導熱層64(例如，包括一銅層)係設置於該散熱器本體62上。該導熱層64係可以圖3至圖5及圖7中之MR/PAR燈實施例之導熱層14之相同製造方法而製造，例如，根據圖8之操作S2、S3、S4、S5、S6。
一燈基座區段66係與該散熱器本體62緊固，以形成該燈本體。該燈基座區段66包含一螺紋Edison基座70，其類似於圖3至圖5及圖7中之MR/PAR燈實施例之Edison基座40。在一些實施例中，該散熱器本體62及/或該燈基座區段66界定一中空區域71，其容納把於該Edison基座70處接收之電能轉換為適於驅動提供燈光輸出之LED裝置72之操作電能之電子器件(圖中未展示)。該LED裝置72係安裝於一金屬芯體印刷電路板(MCPCB)或其他與該導熱層64熱連通之散熱支撐件73上。該散熱件73與該導熱層64之間之良好熱耦合係可視需要藉由焊接、導熱黏著劑或此類物而增強。
為了在一大立體角範圍(例如，至少2π球面度)內提供一大體全方位光輸出，在該等LED裝置72上設置一漫射器74。在一些實施例中，該漫射器74可包含(例如，塗敷有)一波長轉換磷光體。對於產生一大體朗伯(Lambertian)光輸出之LED裝置72而言，所示之漫射器74為大體球形且該等LED裝置72係位於該漫射器74之周邊之配置可增強輸出照明之全方位性。
參考圖12，展示一變體「A字形燈泡」燈，其包含該具有圖11中之燈之Edison基座70及漫射器74之基座區段66，且亦包含該等LED裝置72(在圖12之側視圖中不可見)。圖12的燈包含散熱器80，其類似於圖11之燈之散熱器62、64，且具有一散熱器本體(在圖12之側視圖中不可見)，其塗敷有設置於該散熱器本體上之導熱層64(在圖12之側視透視圖中係藉由交叉影線所指示)。圖12之燈與圖11中之燈之不同之處在於，該散熱器80之散熱器本體之形狀經設定而界定在該漫射器74之上延伸之若干翼片82。亦可模製該散熱器本體使其具有其他的熱輻射/對流/表面積增大結構以作為闡釋性翼片82之替代。
在圖12之實施例中，預想該散熱器80之散熱器本體及漫射器74包括一單一整體模製塑膠元件。然而，在此情形下，該單一整體模製塑膠元件應由一光學透明或半透明材料(使得該漫射器74可透射光)製成。此外，若該導熱層64在光學上可吸收燈光輸出(例如，在為銅層之情形下)，則如圖12中所示，該導熱層64應僅塗敷該散熱器80，而非該漫射器74。此係可藉由在無電銅電鍍操作S3期間藉由對漫射器表面進行合適之遮罩而完成。(電鍍操作S4僅在該等傳導性表面上電鍍銅-因此，在該無電電鍍銅操作S3期間遮罩足以避免將銅電鍍至漫射器74上)。
圖13及圖14展示替代性散熱器80'、80"，其等與散熱器80大體上相同，不同之處在於，該等翼片並不延伸遠至該漫射器74之上。在此等實施例中，該漫射器74及散熱器80'、80"的散熱器本體可為獨立模製(或以其他方式獨立製作)之元件，其等可簡化將該導熱層64設置於該散熱器本體上之處理。
圖15展示對於如本文所述使用對塑膠散熱器本體鍍銅而製作之一闡釋性PAR-38散熱器的重量及材料成本與相同大小及形狀之塊狀鋁散熱器之重量及材料成本比較之計算。此實例假設一聚丙烯散熱器本體電鍍有300微米之銅。圖15中所示之材料成本僅僅為估計值。與等效之鋁散熱器相比，其重量及材料成本均減少約一半。預期可藉由降低製程成本進一步降低成本。
參考圖16及圖17，在一些實施例中，該散熱器包含若干穿過該散熱器本體之體積之熱分流路徑，以進一步增強導熱。圖16圖解由塑膠製成之一散熱器本體100在塗敷一導熱層之前之情形，而圖17展示該散熱器102包含一導熱層104(例如，一銅層)。儘管圖17中並未圖解，亦可預想，完成之散熱器亦可包含一設置於該導熱層104上之表面增強件，諸如表面粗糙化、白色粉末塗層(諸如金屬氧化物粉末)或如此等等，以增強熱轉移、美觀或提供額外/其他益處。
該散熱器本體100適於為一模製塑膠元件，例如，由一聚合物材料(諸如聚(甲基丙烯酸甲酯)、尼龍、聚乙烯、環氧樹脂、聚異戊二烯、苯乙烯丁二烯苯乙烯橡膠、聚倍環戊二烯、聚四氟乙烯、聚苯基硫、聚(氧化二甲苯)、聚矽氧、聚酮、熱塑性塑膠或此類物)製成。該散熱器本體100係經模製而具有翼片106，且形狀類似於圖14中所示之散熱片80"之形狀。然而，該散熱器本體100亦包含穿過該散熱器本體100之通道110。如在圖17中可見，該導熱層104塗敷界定該等通道110之表面，以形成穿過該散熱器本體100之熱分流路徑112。為此，塗敷該導熱層104之該塗敷過程應為全方位且不應例如，顯現出陰影(例如，在真空沈積之情形下)。圖7之電鍍過程例如適當地將銅全方位地塗敷至該散熱器本體100上，以塗敷該等通道110的內側，以提供熱分流路徑112。
參考圖17，可如下理解該等熱分流路徑112的益處。LED光引擎的一包含一環狀電路板之周邊(圖中未有展示)支托於該散熱器102之一環狀突起114上。熱自此突起114向上且向下傳導離開。在向下方向上傳導離開該突起之部分熱係沿該散熱器102之內表面而移動離開該等翼片106(及大體而言該散熱器102之「內側」(inside))。為了到達該等翼片106，熱環流至該散熱器102之外表面或流經該(高度阻熱性)散熱器本體100。自設置於該散熱器102內側的任何電子器件流動的熱將遇到類似長度及/或熱阻性之熱流路徑。藉由提供熱連接該散熱器本體100之內表面與外表面之高度導熱路徑，熱分流路徑112繞過此等長的及/或阻熱性熱流路徑。
可基於熱源(例如，LED裝置、電子器件或此類物)之位置及特性而適當地選擇該等熱分流路徑112之精確尺寸、形狀及配置。在該闡釋性散熱器102中，一最頂部熱分流路徑112之環狀列大體圍繞該環狀突起114且因此達成由該LED引擎產生之熱之熱分流。兩個下環狀列之熱分流路徑112大體圍繞設置於該散熱器102內側之任何電子器件，且因此達成由該等電子器件所產生之熱之熱分流。此外，雖然該等闡釋性熱分流路徑112係針對適於與一全方位燈配合使用之散熱器102(例如，參看圖14)而展示，但視需要，熱分流路徑亦可包含於其他輕型散熱器中，例如，位於該中空之大體圓錐形散熱器10(參看圖3至圖5)中。對於圖2之熱模型，該等熱分流路徑一般減小該LED裝置與該散熱表面之間之導熱路徑Rconductor之熱阻值。然而，該等熱分流路徑所提供之增大表面積亦可增強至環境中之對流/輻射熱轉移。
提供熱分流路徑之另一益處在於，可進一步降低該(已為輕型的)散熱器之整體重量。然而，此益處係取決於經「移除」而界定通道110之散熱器本體材料之質量是否大於用於塗敷該等通道110之內側從而形成熱分流路徑112之額外導熱層之材料。
在圖16及圖17之實施例中，該等通道110足夠大，使得該導熱層104不會完全封閉或密封該等通道。然而，亦可預想，該等通道足夠小，使得後續之電鍍或形成該導熱層104之其他過程將完全地封閉或密封該等通道。熱分流並不受到此封閉之影響，除非導熱率將隨著該導熱層之厚度增加超過足以封閉(通道)之厚度而停止進一步增加。
另一方面，若該等通道110足夠大而使得該導熱層104並不完全封閉或密封該等通道(例如，圖17中之情形)，則視需要，由該等熱分流路徑112所提供之流體傳導路徑具有額外之優點。如吾人已注意到，一益處在於，表面積增大可增強至環境之熱對流/輻射。另一設想之益處在於，該熱分流路徑112之流體路徑可作為一孔口，其與一主動驅動振動薄膜、旋轉風扇或其他裝置(圖中未有展示)共同操作，以經由合成射流作用及/或一冷卻氣流模式而提供主動冷卻。
已經圖解且描述了若干較佳實施例。顯然地，在閱讀且理解了先前詳盡描述之情形下，其他人可做出修改及變動。本發明意在被理解為包含此等修改及變動，只要其等屬於後附申請專利範圍之範疇或其等效範圍內。
10．．．散熱器
10'．．．散熱件
12．．．散熱器本體
14．．．導熱層
16．．．翼片
20．．．內表面
20'．．．內表面
22．．．外表面
26．．．中空頂點
30．．．LED模組
32．．．LED裝置
34．．．金屬芯體印刷電路板
36．．．散熱件
40．．．螺紋Edison基座
42．．．封閉電子器件
50．．．塗層
52．．．反射性塗層
62．．．散熱器本體
64．．．導熱層
66．．．燈基座區段
70．．．螺紋Edison基座
71．．．中空部分
72．．．LED裝置
73．．．散熱支撐件
74．．．漫射器
80．．．散熱器
80'．．．散熱器
80"．．．散熱器
82．．．翼片
100．．．散熱器本體
102．．．散熱器
104．．．導熱層
106．．．翼片
110．．．通道
112．．．熱分流路徑
114．．．突起
CL．．．導熱層
E．．．電場
LB．．．燈基座
LD．．．LED裝置
LF．．．翼片
MB．．．散熱器
MF．．．翼片
圖1及圖2示意性地展示採用一金屬散熱器組件之一習知散熱器之熱模型(圖1)及如本文所揭示之一散熱器之熱模型(圖2)。
圖3及圖4分別示意性地展示適用於一MR燈或PAR燈中之一散熱器之側視剖面圖及側視透視圖。
圖5示意性地展示包含圖3及圖4之該散熱器之一MR燈或PAR燈之一側視剖面圖。
圖6示意性地展示圖5之該MR燈或PAR燈之光學/電子模組之一側視圖。
圖7示意性地展示製造一輕型散熱器之合適製程之流程圖。
圖8繪示一簡化之「厚片」類型散熱器部分(例如，一平面「翼片」)之塗層厚度對等效K資料。
圖9及圖10展示一塊狀金屬散熱器隨材料導熱率而變化之熱性能。
圖11示意性地展示併入有本文所揭示之一散熱器之一「A字形燈泡」燈之一側視剖面圖。
圖12示意性地展示圖9之「A字形燈泡」燈之一變體之一側視透視圖，其中該散熱器包含若干翼片。
圖13及圖14示意性地展示設置有翼片之「A字形燈泡」燈之其他實施例之側視透視圖。
圖15展示如本文所揭示使用對一塑膠散熱器本體鍍銅而製作之PAR-38散熱器之重量及材料成本之計算值與相同尺寸及形狀之塊狀鋁散熱器之重量及材料成本之計算值之比較。
圖16及17示意性地展示一散熱器本體(圖16)及包含熱分流路徑之成品散熱器(圖17)之側視透視圖。
10．．．散熱器
12．．．散熱器本體
14．．．導熱層
20．．．內表面
22．．．外表面
26．．．中空頂點
32．．．LED(發光二極體)裝置
36．．．散熱件
40．．．螺紋Edison基座
42．．．封閉電子器件

Claims (28)

  1. 一種散熱器，其包括：一散熱器本體及嚙合(engaging)該本體之熱輻射翼片(fins)，該本體及該等翼片係由一塑膠組成，該塑膠並不包含一實質數量之金屬或導電填料；及一設置於至少該等熱輻射翼片之上之導熱塗層。
  2. 如請求項1之散熱器，其中該導熱塗層之厚度為500微米或更小，且導熱率為50W/m．K或更高。
  3. 如請求項2之散熱器，其中該導熱塗層之厚度為至少100微米。
  4. 如請求項1之散熱器，其中該導熱塗層之薄片導熱率為至少0.025W/K。
  5. 如請求項1之散熱器，其中該導熱塗層之薄片導熱率為至少0.05W/K。
  6. 如請求項1之散熱器，其中該導熱塗層之薄片導熱率為至少0.0025W/K。
  7. 如請求項1之散熱器，其中該等翼片具有一粗糙表面，且設置於該粗糙表面之上之該導熱塗層與該粗糙表面一致。
  8. 如請求項1之散熱器，其中該導熱塗層具有一粗糙外表面，其粗糙部(roughening)與該等翼片之表面並不一致。
  9. 如請求項1之散熱器，進一步包括一設置於該等翼片與該導熱塗層之間且於一第一邊緣和一第二邊緣之間延伸之聚合物塗層。
  10. 如請求項9之散熱器，其中該聚合物塗層之厚度為介於2微米(含)與10微米(含)之間。
  11. 如請求項1之散熱器，其中該導熱塗層包括：一銅層，其環繞該散熱器本體及該等翼片；及一鈍化金屬層，其係設置於該銅層上。
  12. 如請求項11之散熱器，其中該鈍化金屬層係選自由鎳層、鉻層及鉑金層所組成之一群組。
  13. 如請求項11之散熱器，其中該銅層之厚度為至少150微米，且該鈍化金屬層之厚度不超過10微米。
  14. 如請求項9之散熱器，進一步包括粉末塗層、塗料、塗漆及聚合物中之至少一者，且其係設置於該導熱塗層上。
  15. 如請求項1之散熱器，其中該導熱塗層包括銅。
  16. 如請求項1之散熱器，其中該等翼片係隔熱的。
  17. 如請求項1之散熱器，其中該散熱器本體包含由設置於該散熱器本體之上之該導熱塗層塗敷之通道，以界定熱分流路徑。
  18. 一種基於發光二極體(LED)之燈，其包括如請求項1之散熱器及：一包含一個或多個LED裝置之LED模組，該LED模組係與該散熱器緊固且熱連通。
  19. 如請求項18之基於LED之燈，其中該散熱器之該導熱層包括銅。
  20. 如請求項18之基於LED之燈，其中該等翼片係與該LED 模組光連通。
  21. 如請求項20之基於LED之燈，其中該塑膠散熱器本體包括選自由以下組成之群組之一聚合材料：聚(甲基丙烯酸甲酯)、尼龍、聚乙烯、環氧樹脂、聚異戊二烯、苯乙烯丁二烯苯乙烯橡膠、聚倍環戊二烯、聚四氟乙烯、聚苯基硫、聚(氧化二甲苯)、聚矽氧、聚酮及熱塑性塑膠。
  22. 如請求項18之基於LED之燈，其中該基於LED之燈具有一A字形燈泡組態。
  23. 如請求項18之基於LED之燈，其中該基於LED之燈具有一MR或PAR組態。
  24. 如請求項18之基於LED之燈，其中該散熱器本體包含由設置於該散熱器本體之上之該導熱塗層塗敷之通道，以界定使該LED模組與該散熱器之一熱輻射表面熱連接之熱分流路徑。
  25. 一種形成散熱器之方法，其包括：模製由一基座及翼片組成之一塑膠散熱器本體；該等翼片包含模製至本體該之一邊緣及自其延伸之側壁；及在至少該基座及至少實質上該等翼片之該等側壁之整體上設置一導熱塗層。
  26. 如請求項25之方法，其中該散熱器本體包含若干翼片，且設置包括將該導熱塗層設置於該等翼片之上。
  27. 如請求項25之方法，其中該設置包括：將導熱材料無電電鍍在該散熱器本體上；及 將導熱材料電鍍在該經無電電鍍之導熱材料上。
  28. 如請求項27之方法，其中該無電電鍍形成厚度不超過10微米之一銅層，且該電鍍形成厚度為至少140微米之一銅層。
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