TWI607176B - 發光二極體散熱結構 - Google Patents

Description

發光二極體散熱結構

本發明至少一實施例的目的在於提供一種發光二極體散熱結構，特別係指一種採用穿透式散熱片的發光二極體散熱結構。

傳統照明設備主要採用白熾燈或省電燈泡作為光源組件，但白熾燈或省電燈泡一直存在高耗能及使用壽命短等令人詬病的問題。近年來，發光二極體相關技術不斷發展，高功率、高光度的發光二極體陸續被開發出來，加上發光二極體比傳統鎢絲燈泡節省近50%的能源，並擁有長達4萬至10萬小時的使用壽命，使得發光二極體在市場上有逐漸取代傳統照明設備的趨勢。

政府機關如經濟部能源局近年積極推動「LED路燈應用示範計畫」，97年至103年間協助地方政府完成近31萬盞LED路燈換裝，完成後LED路燈占全國路燈總數近17%。而美國的「柯林頓氣候倡議」計畫(Clinton Climate Initiatives，CCI)亦計畫在2016年前將美國洛杉磯現有的14萬盞路燈汰換成發光二極體，估計屆時洛杉磯的道路照明設備將可節省40%的能源消耗並每年減少4萬公噸的二氧化碳排放量。

除公共照明設備外，發光二極體在照明市場的佔有率亦逐年攀升。受惠於發光二極體的製造技術成熟，其售價逐漸降低，使得一般民 眾對發光二極體的接受度慢慢提高，許多家庭、商業及工業紛紛改採用發光二極體作為各項設備的光源組件。目前發光二極體在手電筒、顯示器、手持行動裝置、室內照明等市場已佔有優勢，且市佔率逐年上升，產業報導更指出發光二極體在2014年全球照明市場的滲透率將突破30%，並帶動353億美元的產值。

然而，目前發光二極體的光電轉換效率仍未臻成熟。在實際使用過程中，發光二極體會將大部份能量會轉換成廢熱，造成發光二極體與基板接面(後稱發光二極體晶片接面)溫度過高的缺陷。這不僅造成能源損耗與浪費外，亦會降低發光二極體的發光效率(luminous efficiency)及產品壽命。舉例而言，當發光二極體的光電轉換效率受高溫影響而驟降後，發光二極體不僅需耗費更多電力來維持光照度，同時還會產生更多熱能使得溫度進一步上升，而陷入惡性循環中。

現有的發光二極體散熱裝置大多利用外部散熱機構來解決發光二極體晶片接面溫度(LED junction temperature)過高的問題，但這些設計都有製造不易、體積大與成本高的問題。舉例而言，先前技術在發光二極體的燈具上裝設送風機等冷卻裝置，並透過強制對流的方式降低發光二極體晶片接面溫度。過去亦有技術在發光二極體基板背側裝設水冷式散熱器，其在散熱器內部存放高導熱液體並透過液體對流的方式將熱能帶離發光二極體基板。上述技術不僅佔據燈具內部大量空間，且製造技術困難，相對而言成本亦較高。

鑒此，目前發光二極體領域依然缺乏一個製造容易、體積輕巧、成本低廉的散熱技術。

習知發光二極體具有發光二極體晶片接面溫度過高的缺點。為改善上述問題，本發明至少一實施例提供一種發光二極體散熱結構，特別係指一種採用穿透式散熱片的發光二極體散熱結構。所述的發光二極體散熱結構能降低發光二極體晶片接面溫度、提高光學性能、延長產品壽命，且具有製造容易、幾何簡單、體積小與成本低廉等優勢。

本發明部分實施例的發光二極體散熱結構包含燈體，且燈體內具有一個內部空間。上述的內部空間中設有印刷電路板，且印刷電路板上豎立著與印刷電路板相連接的基板。前述基板的一側設有發光二極體，另一側則貼覆著散熱片。該發光二極體會受到印刷電路板控制，而散熱片則會穿過印刷電路板上的穿孔並向下延伸至印刷電路板的下方空間。此外，印刷電路板的下方空間設有與散熱片相連接的散熱環。

本發明部分實施例透過重新規劃發光二極體散熱結構空間配置的方式提升散熱效能(thermal performance)。發光二極體散熱結構不僅增加散熱片與基板的接觸面積，同時將熱能自基板處攜帶至發光二極體散熱結構的底端釋放，以降低廢熱對基板及發光二極體的損害。

10‧‧‧燈體

11‧‧‧燈罩

13‧‧‧燈座

20‧‧‧印刷電路板

21‧‧‧穿孔

30、30A、30B、30C‧‧‧基板

31‧‧‧第一側面

32‧‧‧第二側面

40‧‧‧發光二極體

50‧‧‧散熱片

51‧‧‧變動段

60‧‧‧散熱環

70‧‧‧驅動基板

A-A’‧‧‧剖面線

B-B’‧‧‧剖面線

C-C’‧‧‧剖面線

O‧‧‧圓心

O-P1‧‧‧第一半徑線

O-P2‧‧‧第二半徑線

O-P3‧‧‧第三半徑線

V-V’‧‧‧割線

圖1為本發明部分實施例之發光二極體散熱結構示意圖。

圖2A為本發明部分實施例之發光二極體散熱結構示意圖用以說明剖面位置。

圖2B為本發明部分實施例沿圖2A內剖面線A-A’的剖面示意圖。

圖2C為本發明部分實施例沿圖2A內剖面線A-A’的剖面示意圖用以說明元件設置角度。

圖2D為本發明部分實施例沿圖2A內剖面線B-B’的剖面示意圖。

圖2E為本發明部分實施例沿圖2A內剖面線C-C’的剖面示意圖。

圖3為本發明部分實施例之散熱環示意圖。

圖4為本發明部分實施例之變動段示意圖。

圖5為本發明部分實施例之發光二極體散熱結構與發光二極體晶片接面溫度關係圖。

圖6為本發明部分實施例之散熱片貼覆長度與發光二極體晶片接面溫度關係圖。

圖7為本發明部分實施例之散熱片厚度與發光二極體晶片接面溫度關係圖。

圖8為本發明部分實施例之基板材料與發光二極體晶片接面溫度關係圖。

本發明至少一實施例為一種發光二極體散熱結構。發光二極體散熱結構包含燈體，且燈體具有一個內部空間。上述的內部空間中設有印刷電路板，且印刷電路板上豎立著與印刷電路板相連接的基板。前述基板的一側設有發光二極體，另一側則貼覆著散熱片。發光二極體會受到印刷電路板的控制，而散熱片則會穿過印刷電路板上的穿孔並向下延伸至印刷電路板的下方空間。此外，印刷電路板的下方空間中設有與散熱片相連接的散熱環。

圖1為本發明部分實施例之發光二極體散熱結構示意圖。發光二極體散熱結構的燈體10包含頂端的燈罩11與底端的燈座13。燈體10的內 部空間包含印刷電路板20及直立於印刷電路板20上的三個基板30。每個基板30的第一側面31都設有數個發光二極體40，第二側面32則貼覆散熱片50。其中，散熱片50向下穿透印刷電路板20延伸至燈座13內。

圖1的部分實施例中，燈罩11係以高透光材料製成，如玻璃或塑料構成的透光性光學體。燈座13底端設有可與外部電路形成電路連接的電性組件，且燈座13外觀為螺紋狀，可透過旋轉的方式嵌入燈具中。基板30的材料為高導熱材料，如陶瓷基板、玻璃基板、石墨基板、氮化鋁基板、氧化鋁基板、氮化鎵基板、氧化鎵基板或碳化矽基板等。散熱片50的材料為高導熱材料，如陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁或是高導熱奈米複材等。其中，高導熱散熱膏平均塗佈於基板30與散熱片50之間，並將兩者連接在一起。

圖2A為本發明部分實施例之發光二極體散熱結構示意圖用以說明截面位置。圖2A與圖1的結構相同，其自燈體10頂端至底端依序有剖面線A-A’、剖面線B-B’剖面線及C-C’三條剖面線。其中剖面線A-A’剖於燈罩11處，剖面線B-B’剖於印刷電路板20處，而剖面線C-C’則剖於燈座13處。

圖2B為本發明部分實施例沿圖2A內剖面線A-A’的剖面示意圖。剖面線A-A’上具有一燈罩11，而燈罩11內部有三個基板30。各個基板30的一側貼有發光二極體40，另一側則貼有散熱片50。

圖2C為本發明部分實施例沿圖2A內剖面線A-A’的剖面示意圖用以說明元件設置角度。在圖2C中，以燈罩11的圓心O為中心，自圓心O穿過基板30A至燈罩11的虛擬線條為第一半徑線O-P1，自圓心O穿過基板 30B至燈罩11的虛擬線條為第二半徑線O-P2，而自圓心O穿過基板30C至燈罩11的虛擬線條為第三半徑線O-P3。其中，第一半徑線O-P1、第二半徑線O-P2及第三半徑線O-P3互為120度，即基板30A、基板30B及基板30C以燈罩11的圓心O為中心分別位於0度、120度及240度的位置。然而，在不同實施例中，基板30數量可以為一至複數個，且各基板30之間的角度可以為平均分配或不平均分配。

在圖2C中，以燈罩11的圓心O為內側並以燈罩11為外側，基板30A、基板30B及基板30C設有發光二極體40的一側皆面向外側。其中，圖2C中沿著基板30A水平延伸的虛擬線條為割線V-V’，而割線V-V’與第一半徑線O-P1構成的夾角呈90度。然而，在不同實施例中，基板30A、基板30B及基板30C設有發光二極體40的一側可視需求設置呈朝任何方向，而割線V-V’與第一半徑線O-P1構成的夾角可以呈任何角度。

圖2D為本發明部分實施例沿圖2A內剖面線B-B’的剖面示意圖。剖面線B-B’上具有一印刷電路板20，而印刷電路板20上挖有三個穿孔21。其中，每個穿孔21中都有一個散熱片50(如圖1)通過並向燈體10(如圖1)底端延伸，但為了表達方便散熱片50並未顯示於圖2D中。在不同實施例中，穿孔21的面積以及穿孔21於印刷電路板20上的位置可配合需求有不同的設置方式。

圖2E為本發明部分實施例沿圖2A內剖面線C-C’的剖面示意圖。剖面線C-C’上具有一燈座13，而燈座13內部有三個散熱片50。其中，三個散熱片50共同貼覆在散熱環60上，兩者之間則透過高導熱散熱膏連接。散熱環60的材料為高導熱材料，如陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、 氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁或高導熱奈米複材等。散熱片50能將發光二極體晶片接面產生的廢熱透過基板30(如圖1)攜帶至燈座13底端散熱，而與散熱片50相連接的散熱環60則可進一步增加散熱面積以提升散熱效能。

圖3為本發明部分實施例之散熱環示意圖。在圖3中，發光二極體散熱結構的燈體10內部包含印刷電路板20，以及直立於印刷電路板20上的兩個基板30。兩個基板30互呈180度並各連接一個散熱片50，而基板30與散熱片50的貼覆面積可視情況及散熱需求進行調整。其中，散熱片50向下穿透印刷電路板20延伸至燈體10底端並與環狀的散熱環60相連接。而基板30與散熱片50之間以及散熱片50與散熱環60之間係以高導熱散熱膏或其他高導熱材料連結。圖3中的散熱片50具有一段變動段51，位於印刷電路板20與散熱環60之間。

圖4為本發明部分實施例之變動段示意圖。在圖4中，發光二極體散熱結構中的變動段51位於印刷電路板20與散熱環60之間，且變動段51可依造需求改變長度及形狀。舉例而言，變動段51在製造過程中，可配合發光二極體散熱結構中內部元件的位置而改變形狀，以避開驅動基板70及其他內部元件。在另一個例子中，變動段51在製造過程可配合基板30的散熱需求而延長或縮短變動段51的長度。

圖5為本發明部分實施例之發光二極體散熱結構與發光二極體晶片接面溫度關係圖。在圖5的散熱效能測試分析中，縱軸代表測量到的發光二極體晶片接面溫度，橫軸則代表散熱效能測試分析的環境溫度。此實施例中待測的兩個發光二極體結構皆具有與圖1相同的構造，且基板長度皆為25公厘。兩個發光二極體結構的差別僅在於發光二極體結構A沒有設置 散熱片50，而發光二極體結構B設有散熱片50，且基板30與散熱片50的貼覆長度為9公厘。根據圖5的測試分析結果可得知發光二極體結構B的整體散熱效能遠較發光二極體結構A佳，在環境溫度為攝氏25度、攝氏30度或攝氏35度的情況下，發光二極體晶片接面溫度皆可降低超過40度。圖5實施例的發光二極體散熱結構不僅整體散熱效能優異，且實用性極佳。不論使用在環境溫度較高的室外公共照明上，或是環境溫度較低的室內照明，皆能有效將廢熱帶離發光二極體晶片接面。

圖6為本發明部分實施例之散熱片貼覆長度與發光二極體晶片接面溫度關係圖。在圖6的實施例中，數據顯示在基板30(如圖1)總長為25公厘且其餘條件不動的情況下，散熱片50(如圖1)與基板30貼覆長度從9公厘增加到25公厘時，發光二極體晶片接面溫度下降約12度，其中溫度又以15公厘至25公厘之間下降的斜率較陡。此實施例指出當散熱片50與基板30的覆蓋面積增加後，因發光二極體散熱結構的導熱面積增加，進而改善整體散熱效能。

圖7為本發明部分實施例之散熱片厚度與發光二極體晶片接面溫度關係圖。在圖7的實施例中，數據顯示在散熱片50與基板30貼覆面積不改變的情況下，當散熱片50(如圖1)厚度自0.5公厘增加至1.5公厘時，發光二極體晶片接面溫度下降約3度。此實施例指出當散熱片50厚度增加後，因散熱片熱容量相對提升，進而降低發光二極體晶片接面溫度。

圖8為本發明部分實施例之基板材料與發光二極體晶片接面溫度關係圖。在圖8的實施例中，基板X的材料為玻璃，其熱傳導係數為1.1W/mK；基板Y的材料為氧化鋁，其熱傳導係數為30W/mK；基板Z的材料為 氮化鋁，其熱傳導係數為180W/mK。數據顯示在其餘條件不動的情況下，基板X上所測得的發光二極體晶片接面溫度約為76度、基板Y上測得的發光二極體晶片接面溫度約為67度、而基板Z上測得的發光二極體晶片接面溫度則為約63度。此實施例指出在發光二極體散熱結構中，材料的熱傳導係數會影響整體散熱效能以及發光二極體晶片接面溫度。

以上實施方式僅為說明本發明之技術思想及特點，目的在於使熟習此技藝之人士能充分瞭解本創作之內容並能據以實施之，並不能以此限定本創作之專利範圍，若依本創作所揭示精神所為之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本創作之專利範圍內。

10‧‧‧燈體

11‧‧‧燈罩

13‧‧‧燈座

20‧‧‧印刷電路板

30‧‧‧基板

31‧‧‧第一側面

32‧‧‧第二側面

40‧‧‧發光二極體

50‧‧‧散熱片

Claims (9)

1. 一種發光二極體散熱結構，其包含：一燈體，該燈體具有一內部空間；一印刷電路板，固定於該內部空間，該印刷電路板上設有至少一穿孔；至少一基板，立於該印刷電路板上並與該印刷電路板相連接；至少一發光二極體，設置於該至少一基板的一第一側面，其中該至少一發光二極體受該印刷電路板控制；至少一散熱片，貼覆於該至少一基板的一第二側面，其中該至少一散熱片通過該至少一穿孔並延伸至該印刷電路板的下方空間；以及一散熱環，設置於該印刷電路板的下方空間，其中該散熱環與該至少一散熱片相連接；其中該至少一散熱片與該至少一基板之間或該至少一散熱片與該散熱環之間係以高導熱散熱膏連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體散熱結構，其中該至少一基板為陶瓷基板、玻璃基板、石墨基板、氮化鋁基板、氧化鋁基板、氮化鎵基板、氧化鎵基板或碳化矽基板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體散熱結構，其中該至少一散熱片的材料為陶瓷、石墨、氮化鋁、氧化鋁、氮化鎵、氧化鎵、碳化矽、鐵、銅、鋁或高導熱奈米複材。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體散熱結構，其中該發光二極體散熱結構包含至少三個基板。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體散熱結構，其中該燈體包含：一燈罩，位於該燈體的頂端，該燈罩係以高透光材料製成；以及一燈座，位於該燈體的底端，該燈座係設置來與外部電路形成電路連接。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發光二極體散熱結構，其中該散熱環設置於該內部空間的底端。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體散熱結構，其中該至少一散熱片包含一變動段，位於該至少一穿孔與該散熱環之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體散熱結構，其中該至少一基板與該至少一散熱片的貼覆長度大於9毫米。
9. 如申請專利範圍第8項所述之發光二極體散熱結構，其中該至少一基板與該至少一散熱片的貼覆長度介於15毫米至25毫米之間。