TWI700359B - 用於熱管理之使用熱解石墨的發光二極體組件 - Google Patents
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Abstract
本文顯示並闡述一種包含此熱管理組件之發光二極體組件。該發光二極體組件可包含與均熱片熱接觸之發光二極體。該均熱片可包含核心及/或翅片。該等核心及/或翅片包含熱解石墨材料。包含該等核心及/或翅片之該熱管理組件可自該發光二極體耗散熱。
Description
本申請案主張於2015年5月15日提出申請之標題為「THERMAL PYROLYTIC GRAPHITE ASSEMBLY FOR THERMAL MANAGEMENT OF LIGHT EMITTING DIODES」之美國臨時申請案第62/161,970號之優先權，其揭示內容以引用形式全部併入本文中。
本發明係關於包含可用於自熱源傳遞出熱之熱管理組件之發光二極體組件；具有與熱源接觸之熱管理組件之組件；及製造此等組件之方法。具體而言，本發明係關於用於管理來自光源之熱之包含熱解石墨之發光二極體組件系統及相關方法。
新的電子裝置持續變得更強大且更緊湊。包括RF/微波電子設備、二極體雷射器、發光二極體(LED)、絕緣閘雙極電晶體(IGBT)、中央處理單元(CPU)等之高功率元件用於諸如電信、汽車、航空太空、航空電子、醫學及材料處理等眾多種行業中。隨著該等裝置愈來愈小愈來愈強，愈來愈要求耗散該等裝置所產生之熱。若在操作期間所產生熱未充分或有效耗散，則電子設備可因溫度積累而受損。新的容量及設計受設計者以成本有效方式移除熱之能力限制。
LED在日常應用中正在迅速替代其他照明方案。在汽車領域中亦
看到此趨勢。內部燈已大部分藉由更高效、更持久之LED所替代，一些外部燈(例如刹車燈及轉彎指示器)亦係如此。隨著白色LED輸出功率及效率之增加，目前LED頭燈不再僅用於高級奢侈車輛。估計截至2020年，20%之所有汽車將配備有LED頭燈。關於用於消費用途及商業用途之視訊投影機已觀察到極類似趨勢。自白熾燈照明或高強度放電(HID)照明設備至LED之改變呈現一系列新的設計挑戰。即使LED在將電轉化為光方面極為有效，但70%至80%之能量輸入作為熱經耗散。
LED之習用熱管理產品通常以銅(Cu)或鋁(Al)來構築。此等熱管理產品通常用於自熱源提取熱且將熱耗散至環境中。通常，銅用於晶片級熱管理且鋁用於更高級熱管理，例如均熱片。由於銅及鋁之導熱率為約120W/m-K至400W/m-K，鋁及/或銅熱管理系統受限於最大功率負載及設計選擇方面。
對於LED系統之習用均熱片或散熱體，提供良好熱管理之嘗試尤其包括增加熱路徑橫截面、擴大熱耗散面積及/或安裝強制空氣冷卻或液體冷卻。然而，此等嘗試需要增加尺寸、重量、結構複雜性、成本及/或限制設計可能性。此外，強制空氣冷卻及/或液體冷卻系統具有自身侷限性或不可靠性。
熱解石墨(TPG)及其金屬囊封複合物(例如，自Momentive Performance Materials購得之TC1050®)係服務軍事及航空太空行業超過十年之先進熱管理材料。熱解石墨係經由兩步製程形成，該製程提供良好對準之石墨烯平面以提供具有較優導熱率(例如，大於1500W/m-K)之材料。相較於通常用於被動冷卻且在上文所提及之所有材料中導熱性最高之銅，熱解石墨可以銅之1/4重量提供4倍之冷卻能力。
傳統上，包含熱解石墨之均熱片係藉由經由擴散接合製程將熱
解石墨囊封至金屬罩殼(例如鋁、銅等)中來形成。此一製程闡述於美國專利第6,661,317號中。經囊封之熱解石墨複合部件之特徵類似於固體金屬且可進一步經機械加工、電鍍或接合至其他元件以滿足各種顧客之需求。
下文呈現此揭示內容之概要以提供對一些態樣之基本理解。此概要既不意欲確定關鍵或決定性要素，亦不界定實施例或申請專利範圍之任何限制。此外，此概要可提供對一些態樣之簡化概述，其可在此揭示內容之其他部分中更詳細地加以闡述。
本揭示內容提供使用熱管理組件之發光二極體組件系統。熱管理組件包含至少部分安置於熱管理組件主體中之核心部件。熱管理組件亦可包含自主體延伸之翅片。在至少一態樣中，核心部件可包含安置於熱解石墨核心材料與周圍金屬或陶瓷基板之間之基於金屬之間層。基於金屬之間層提供與石墨核心之容許優良導熱率及較低熱阻之界面。
在至少一態樣中，翅片部件可包含安置於熱解石墨核心材料與周圍金屬或陶瓷基板之間之基於金屬之間層。基於金屬之間層提供與石墨核心之容許優良導熱率及較低熱阻之界面。
在至少一態樣中，核心部件及翅片部件可包含安置於熱解石墨核心材料與周圍金屬或陶瓷基板之間之基於金屬之間層。基於金屬之間層提供與石墨核心之容許優良導熱率及較低熱阻之界面。
在一態樣中，本揭示內容提供展現較低界面熱阻之熱管理組件。本揭示內容甚至可提供較習用熱界面組件低數個數量級之熱界面。由於低熱阻，發光二極體裝置可接收更大量之能量而不過熱。
在一態樣中，本揭示內容提供用於發光二極體組件之熱管理組件，該熱管理組件包含：與載體部件熱接觸之散熱體，其中該散熱體
包括熱解石墨材料。
在一實施例中，散熱體進一步包括：第一基板；及第二基板，其中熱解石墨材料至少部分安置於第一與第二基板之間。在一實施例中，第一基板及第二基板獨立地包含金屬或陶瓷材料。
在一實施例中，本揭示內容提供任何先前實施例之發光二極體組件，其中散熱體包含核心部件，該核心部件包含接近發光二極體組件之近端及自近端延伸之遠端，其中核心部件至少部分包含熱解石墨材料。
在一實施例中，本揭示內容提供任何先前實施例之發光二極體組件，其中散熱體包含至少一個至少部分包含熱解石墨材料之翅片。在一實施例中，至少一個翅片自熱管理組件之主體部件伸出。在一實施例中，至少一個翅片係與熱管理組件之核心部件熱連通。在一實施例中，至少一個翅片係與熱管理組件之該核心部件熱連通。
在一實施例中，本揭示內容提供任何先前實施例之發光二極體組件，其進一步包含接近散熱體裝置而安置之強制通風裝置。
在一實施例中，本揭示內容提供任何先前實施例之發光二極體，其進一步包含接近散熱體裝置而安置之液體冷卻裝置。
在另一態樣中，本揭示內容提供用於發光二極體組件之熱管理組件，其包含：與發光二極體裝置熱連通之主體部件且其中該主體部件至少部分包含安置於第一基板與第二基板之間之熱解石墨材料。
在一實施例中，第一基板及第二基板係自金屬或陶瓷材料形成。
在一實施例中，本揭示內容提供任何先前實施例之熱管理組件，其中主體部件進一步包含安置於導熱材料與第一基板之間及導熱材料與第二基板之間之間層，其中該等間層包含基於金屬之材料。
在一實施例中，間層包含基於金屬之材料，其包含選自鈦、
鋯、鉿、鋁、鉭、鐵、矽或其兩者或更多者之組合之活化材料以形成碳化物。
在一實施例中，本揭示內容提供任何先前實施例之發光二極體組件，其進一步包含至少一個自主體部件延伸且與主體部件熱連通之翅片部件。在一實施例中，至少一個翅片部件至少部分包含熱解石墨材料。
在一實施例中，本揭示內容提供任何先前實施例之發光二極體組件，熱管理組件包含用於汽車頭燈裝置之熱管理組件。
在又一態樣中，本揭示內容提供用於發光二極體裝置之管理發光二極體組件，其包含：與發光二極體熱連通之主體部件；及自主體部件延伸且與主體部件熱連通之翅片部件，其中該翅片部件部分包含熱解石墨材料。
在一實施例中，翅片部件至少部分包含熱解石墨材料。
在一實施例中，發光二極體組件包含用於汽車頭燈裝置之熱管理組件。
在又一態樣中，本揭示內容提供包含任何先前態樣或實施例之熱管理組件之發光二極體組件。
在另一態樣中，本揭示內容提供發光二極體組件，其包含：至少一個發光二極體；與至少一個發光二極體熱連通之主體部件；其中該主體部件至少部分包含安置於第一基板與第二基板之間之熱解石墨核心材料。
在一實施例中，發光二極體組件進一步包含自主體部件延伸且與主體部件熱連通之翅片部件。在一實施例中，翅片部件至少部分包含熱解石墨材料。
在又一態樣中，本揭示內容提供發光二極體組件，其包含：至少一個發光二極體；與至少一個發光二極體熱連通之主體部件；及至
少一個自主體部件延伸且與主體部件熱連通之翅片部件，其中至少一個翅片部件之翅片部件部分包含熱解石墨材料。在一實施例中，主體部件進一步包含耦合至至少一個發光二極體之電連接。
以下描述及圖式揭示各闡釋性態樣。可明確鑑別一些改良及新穎態樣，而其他態樣可自說明書及圖式顯而易見。
100‧‧‧發光二極體組件
110‧‧‧核心部件
112‧‧‧熱管理核心；熱解石墨核心
114‧‧‧基板
120‧‧‧翅片部件；翅片
130‧‧‧發光二極體
132‧‧‧發光二極體晶粒或載體部件
140‧‧‧強制通風部件；風扇部件
150‧‧‧主體部件
152‧‧‧孔
154‧‧‧鎖定或環扣部件
156‧‧‧載體部件
158‧‧‧基體部件
200‧‧‧熱解石墨部件；熱管理部件；熱解部件
210‧‧‧熱解石墨層
216‧‧‧石墨層
220‧‧‧基板層
230‧‧‧基板層
240‧‧‧界面層
250‧‧‧界面層
300‧‧‧熱解部件；熱管理部件
310‧‧‧熱解石墨層
312‧‧‧第一表面
314‧‧‧第二表面
316‧‧‧石墨層
340‧‧‧塗佈層
350‧‧‧塗佈層
400‧‧‧發光二極體組件
420‧‧‧翅片部件
422‧‧‧翅片部件
430‧‧‧照明系統
450‧‧‧主體部件
500‧‧‧發光二極體組件
510‧‧‧核心部件
514‧‧‧熱解石墨核心
520‧‧‧翅片部件
530‧‧‧發光二極體
550‧‧‧主體部件
558‧‧‧基體部件
600‧‧‧發光二極體組件
620‧‧‧翅片部件
630‧‧‧發光二極體
650‧‧‧主體部件
700‧‧‧發光二極體組件
720‧‧‧翅片部件
730‧‧‧發光二極體
750‧‧‧主體部件
800‧‧‧發光二極體組件
820‧‧‧翅片部件
830‧‧‧發光二極體
850‧‧‧主體部件
900‧‧‧發光二極體組件
920‧‧‧翅片部件
930‧‧‧發光二極體
950‧‧‧主體部件
1000‧‧‧圖表
1100‧‧‧圖表
1200‧‧‧圖表
1300‧‧‧圖表
附圖圖解說明各種系統、設備、裝置及相關方法，在所有圖中相似參考字符係指相似部件，且其中：圖1圖解說明發光二極體組件之局部橫截面圖，其包含至少部分經金屬囊封之熱解石墨核心；圖2圖解說明本發明實施例之熱管理部件之橫截面圖；圖3圖解說明本發明態樣之熱管理部件之另一實施例之橫截面圖；圖4圖解說明發光二極體組件之透視圖，其包含包括至少部分經金屬囊封之熱解石墨材料之翅片部件；圖5圖解說明發光二極體組件之透視圖，其包含包括至少部分經金屬囊封之熱解石墨材料之翅片部件及核心部件；圖6圖解說明本文各實施例之發光二極體組件之透視圖，其包含自軸徑向延伸之翅片部件；圖7圖解說明本文各實施例之另一發光二極體組件之透視圖，其包含安置在熱管理組件主體末端之發光二極體；圖8圖解說明本文各實施例之另一發光二極體組件之透視圖，其包含矩形構形；圖9圖解說明本文各實施例之另一發光二極體組件之透視圖，其包含燈泡形構形；圖10係圖解說明本揭示內容中態樣之包含熱解石墨核心之熱管
理組件之熱阻之圖表；圖11係圖解說明本揭示內容中態樣之包含熱解石墨翅片部件之熱管理組件之熱阻之圖表；圖12係圖解說明本揭示內容中態樣之包含熱解石墨核心及翅片部件之熱管理組件之熱阻之圖表；且圖13係圖解說明本揭示內容中態樣之包含熱解石墨核心及翅片部件之熱管理組件之熱阻減小之圖表。
現將參考實例性實施例，其實例圖解說明於附圖中。應理解，可利用其他實施例且可進行結構及功能改變。此外，各實施例之特徵可組合或改變。因此，以下描述僅以說明方式呈現且不應以任何方式限制可對所說明實施例所作出之各種替代及修改。在本揭示內容中，多種特定細節提供對本揭示內容之徹底理解。應理解，本揭示內容之態樣可用不一定包括本文所述所有態樣之其他實施例等等來實踐。
如本文所用，措辭「實例」及「實例性」意指例項或說明。措辭「實例」或「實例性」並不指示關鍵或較佳態樣或實施例。除非上下文另外表明，否則措辭「或」意指包括而非排除。作為實例，片語「A採用B或C」包括任何包括性排列(例如，A採用B；A採用C；或A採用B及C二者)。另外，除非上下文另外表明，否則冠詞「一(a)」及「一(an)」通常意指「一或多」。
如本文所用，術語「熱管理組件」係指用於自熱源耗散或移除熱之包含高導熱率材料之熱管理裝置或熱傳遞裝置。熱管理組件可包括(但不限於)均熱片、散熱體、冷板、熱交換器、凸緣、基板或諸如此類。除非上下文另外表明或保證此等術語間之具體差別，否則此等術語可在本文中互換使用。
在一些傳統熱管理系統中，將銅、鋁及/或其他材料用於散熱
體。該等系統可經受多種缺陷，例如低最大功率、低效率、短運行時間、設計限制(例如，相對較大之最小大小)或諸如此類。本文所述實施例可提高熱管理系統之效率，增加照明系統可利用之最大功率，延長最大運行時間，允許更多數目之設計，或以其他方式改良傳統熱管理系統。
傳統上使用由鋁製得之散熱體或均熱片來自發光二極體提取熱且將其耗散至環境。具有較高導熱能力之由銅製得之散熱體通常用於晶片級熱管理。由於其導熱率為120W/m-K至400W/m-K，因此基於鋁及銅之熱管理方案限制發光二極體之最大功率負載及設計選擇。改良散熱體效率之典型實踐包括增加熱路徑橫截面、擴大熱耗散面積、安裝強制空氣冷卻或液體冷卻及諸如此類。此等實踐不僅增加熱管理組件之大小及重量，而且增加其複雜性及成本。強制空氣冷卻或液體冷卻之長期可靠性亦係大多高功率發光二極體應用之主要問題。
由於其大小較小及功率容量高，發光二極體頭燈之熱管理可受益於更有效之熱能管理。降低發光二極體接面溫度將改良其效率及壽命。儘管本文所述實施例可提及具體應用，例如汽車應用且具體而言汽車頭燈，但應注意本揭示內容之各態樣可應用於其他應用中。例如，本文所揭示實施例可用於或適用於建築照明夾具(例如，燈、嵌入式照明、泛光照明等)；消費品(例如，手持式照明系統、電視、電腦、投影機等)；其他運輸裝置(例如，航空載具等)；聚光燈；體育場燈；劇場燈；紫外燈或其他高功率照明裝置及其他應用中。
本文所述各實施例係關於可促進自光源(例如發光二極體系統)耗散熱能之熱管理組件。在一或多個態樣中，熱流路徑中之最大熱阻通常存在於LED基板、翅片部件及基體部件處。如本文所述，熱解石墨材料可用於LED基板、翅片部件或基體部件中之一或多者以相對於傳統系統顯著減小該等位置處之熱阻且從而改良散熱體之性能。在汽車
頭燈組件之至少一實施例中，使用熱解石墨核心及熱解石墨翅片部件可達成至少51%之總熱阻減小。此可轉換為在不升高接面溫度之情形下發光二極體之功率負載之100%增加。亦已展示熱解石墨核心及翅片亦可排除對強制通風(例如，基於風扇)或基於液體之冷卻裝置之使用及/或需要。
在實例性實施例中，熱管理組件可(例如藉助核心部件)與發光二極體系統熱連接。在一態樣中，核心部件亦可與翅片部件熱連接。在另一態樣中，核心部件可經構形以將熱能自發光二極體系統分散至環境或其他元件或部件，例如翅片部件。
翅片部件可包含大致扁平(例如，翅片部件之部分通常厚度均勻)且自熱管理組件之主體或核心延伸之翅片形部件。此等翅片部件可包含各種形狀及尺寸。例如，翅片通常可為矩形、大致三角形、大致橢圓形、不規則形狀或諸如此類。另外應注意，翅片部件可包括任何數目之期望翅片部件。為簡潔起見，所述各個實施例可描述或提及具有具體形狀、以具體排列經構形或包含具體數目之翅片部件之翅片部件。因此，應注意此等實施例可利用包含不同形狀、以不同排列經構形或包含任何數目之翅片部件之翅片部件。
翅片部件或核心部件可包含熱解石墨核心材料。此外，翅片部件或核心部件可包含至少部分藉由間層所包圍之熱解石墨核心材料，該間層至少部分塗佈或包圍熱解石墨核心材料之表面。在至少一實施例中，間層可安置於熱解石墨核心材料與包圍或塗層材料(例如金屬或陶瓷基板)之間。包圍或塗層材料可提供與熱解石墨核心材料之界面，其可容許改變(例如，相對於其他材料增加)導熱率及改變(例如，相對於其他材料減小)熱阻。
圖1圖解說明本揭示內容之態樣及實施例之發光二極體組件100之實施例。發光二極體組件100可主要包含在主體部件150內延伸之核
心部件110、自主體部件150伸出之翅片部件120及強制通風部件140。應注意，發光二極體組件100可包含為簡潔起見而未顯示之其他構形及/或元件。
在一態樣中，發光二極體130可與核心部件110熱連接。例如，發光二極體130可靠近核心部件110近端安置。發光二極體130可包括發光二極體晶粒或載體部件132，其可連接(可移除或不可移除地)至核心部件110。核心部件110可自發光二極體130接收熱且可向核心部件110遠端分散或傳導熱。核心部件110亦可至少部分安置在主體部件150內且/或主體部件150可包含由其他材料(例如載體部件156)包圍之核心部件110之部分。
主體部件150可包含可包圍或支撐至少部分之核心部件110之載體部件156。在另一態樣中，載體部件156可包含一或多個實質上與核心部件110平行延伸之孔152。一或多個孔152可經構形以收納線，例如來自電源之線。主體部件150可進一步包括鎖定或環扣部件154，其可經構形以將發光二極體組件100鎖定至較大裝置或設備(例如頭燈主體或框架)中。主體部件150亦可包含置於核心部件110之遠端處或遠端附近之基體部件158。翅片部件120可自基體部件158之外周邊延伸。在一態樣中，翅片部件120可增加發光二極體組件100之表面積。
在各個實施例中，發光二極體組件100可包括風扇部件140或可另外經構形以與風扇部件140一起操作。風扇部件140可包含空氣操控部件之一或多個葉片及電動機(未顯示)。電動機可驅動或以其他方式控制空氣操控部件之運動。電動機可藉由電、人工方式或其他方式提供動力。應注意，一或多個動力源可經構形為電動機及發光二極體130提供動力。
核心部件110可包含熱管理核心112及基板114。熱管理核心112可至少部分安置於基板114內。在一實施例中，熱管理核心112包含熱
解石墨。在至少一實施例中，基板114可完全囊封熱解石墨核心112。此外，儘管實施例闡述熱解石墨核心112藉由基板114囊封、夾持或包圍，但應注意熱解石墨、基板或添加劑之一或多個層可藉由基板114囊封、夾持或包圍。
轉向圖2及3，其參照圖1圖解說明本揭示內容之態樣及實施例之熱解石墨部件200及熱管理部件300之橫截面圖。作為實例，熱解石墨部件200或熱管理部件300可係圖1中熱解石墨核心112或翅片部件120之翅片部件之至少一部分之橫截面圖。
應注意，除非上下文另外表明或保證元件或部件之間之具體差別，否則此等名稱類似之元件或部件可包含實質上類似之功能、態樣或構形。例如，熱解石墨層210及熱解石墨層310可包括實質上類似之材料或構形。
如所繪示，熱管理部件300可主要包括熱解石墨層310及塗佈層340及350。塗佈層340及350可分別安置於熱解石墨層310之第一表面312及熱解石墨層310之第二表面314上。熱解石墨層310包括安置於其中之石墨層316。在至少一實施例中，石墨層316可垂直或平行於塗佈層340及350之平面取向。然而，應注意可利用其他取向。塗佈層340及350係藉助諸如電鍍、物理氣相沈積、化學氣相沈積、旋塗、擴散接合、焊接或硬銲等塗佈製程自基於金屬之材料形成。在實施例中，基於金屬之塗層材料可自包含與熱解石墨反應形成碳化物之試劑之合金形成。可用作參照圖2所述之塗佈層之材料中之任一者可用於形成塗佈層340及350。
熱解石墨部件200可包括熱解石墨層210、基板層220、基板層230、界面層240及界面層250。界面層240及250可分別安置於基板層220/230與熱解石墨層210之間之界面處。如可期望，界面層240及250可係活性或無活性塗層。界面層可基於用於界面層之材料藉助任何適
宜塗佈方法來施加。在實施例中，界面層可經由塗佈製程來提供，例如(但不限於)電鍍、物理氣相沈積、化學氣相沈積、旋塗、擴散接合、焊接或硬銲。在圖2實施例中，界面層240及250亦可稱為間層或填充劑。
熱解石墨層210及310可自一或多個層之熱解石墨形成。如本文所用術語「熱解石墨」(「TPG」)涵蓋多種材料，例如高度取向熱解石墨(「HOPG」)或壓縮退火熱解石墨(「CAPG」)。在一實施例中，熱解石墨亦可係指由極大大小之微晶組成之石墨材料，該等微晶相對於彼此高度對準或取向且具有非常有序之碳層或高較佳微晶取向程度。在一實施例中，熱解石墨之平面內(a-b方向)導熱率大於1,000W/m-K；大於1100W/mK；大於1200W/mK；甚至大於1,500W/m-K。此處與說明書及申請專利範圍中之其他地方一樣，數值可組合以形成新的且未揭示之範圍。此外，數值可係實施例之實例或可按其他值、術語或諸如此類來表示。
熱解石墨可以任何適宜形式提供。在一實施例中，熱解石墨以片材或條帶之形式來提供。熱解石墨層210可具有如出於具體目的或預期用途(例如在發光二極體組件100中)所期望之任何大小或厚度。在至少一實施例中，熱解石墨層210之厚度可為約0.1mm至約5mm；約1mm至約4mm；甚至約2mm至約3mm。在實施例中，熱解石墨層210之厚度可為熱管理部件200總厚度之約25%至約95%；熱管理部件200總厚度之約35%至約90%；熱管理部件200總厚度之約40%至約80%；甚至熱管理部件200總厚度之約50%至約75%。此處與說明書及申請專利範圍中之其他地方一樣，數值可組合以形成新的且未揭示之範圍。
在至少一實施例中，熱解石墨層可在核心中具有2mm之厚度且可佔核心總厚度之57%。在另一態樣中，翅片120可包括9個具有0.69
mm厚度之熱解石墨片，其安置於均熱片主體上用於將熱耗散至周圍環境中。在一實例中，系統100可包括多個具有0.69mm厚度之熱解石墨翅片，其安置於具有厚度為2mm之熱解石墨核心之均熱片主體上。
熱管理部件200可如出於具體目的或預期應用所期望來構形。在一實施例中，熱解石墨層210安置於熱管理部件200中，使得石墨層216及石墨烯平面取向實質上平行於基板層220及230。在另一實施例中，熱解石墨層210包含安置於熱管理部件200中之熱解石墨，使得石墨烯平面或石墨層216取向垂直於基板層220及230。在圖2中，石墨層216取向垂直於基板層220及230之平面。
基板層220及230可如出於具體目的或預期應用(例如對於發光二極體組件100)所期望自任何適宜金屬或陶瓷材料形成。用於基板層220及230之適宜金屬之實例包括(但不限於)銅、鋁、鎢、鉬、鎳、鐵、錫、銀、金、鈹或其兩者或更多者之合金。用於基板層220及230之適宜陶瓷之實例包括(但不限於)氮化矽、碳化矽、氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、氮化硼等。基板層220及230可自相同或不同金屬材料製得。基板層220及230之厚度可如出於具體目的或預期應用所期望而選擇。該等厚度可相同或不同。在一實施例中，基板層220及230可各自具有約2微米至約2mm之厚度。此處與說明書及申請專利範圍中之其他地方一樣，數值可組合以形成新的且未揭示之範圍。
熱管理部件200包含界面層240及250，其可係安置於熱解石墨層210之相對表面上之基於金屬之層。基於金屬之材料可用作外層(如圖3中所述)或用於將熱解石墨層210接合至基板層220及230之層。在一實施例中，界面層240及250之基於金屬之塗層材料可包含可與熱解石墨在足夠高溫度下形成碳化物之試劑。通常，基於金屬之接合材料之熔融溫度低於熱解石墨層210或基板層220及230。該接合可經由焊接
或硬銲來達成。在一實施例中，用於界面層之基於金屬之塗層材料具有約20W/mK或更大之導熱率。在實施例中，基於金屬之塗層材料可包含任何適宜金屬或合金，包括(但不限於)銀、銀-銅、錫、鉛等，其在低於基板熔融溫度之升高溫度下熔融且接合至基板層220或230之周圍金屬或陶瓷基板。在一實施例中，用於界面層之材料係可在足夠高溫度下與熱解石墨形成碳化物者。在一實施例中，用於界面層之材料選自鈦、鋯、鉿、鋁、鉭、鐵、矽、錫或其兩者或更多者之組合。可用於將熱解石墨接合至各種材料之適宜硬銲及焊接合金之實例包括(但不限於)Al、Si、Fe、Al-Si、Fe-Si、Ag-Cu-Ti、Ti-Ni、Ni-Pd-Ti、Sn-Ti、Sn-Al及Sn-Ag-Ti。在一實施例中，基於金屬之塗層材料之組成不同於基板層之組成。
熱管理部件200可藉由將熱解石墨材料安置於界面層240與250之間且經由界面材料連結基板層而形成。可將界面材料施加至熱解石墨材料之相對表面且可將基板材料安置於包含界面材料之石墨之表面上，可在真空下在高於界面材料之熔融溫度且低於核心或基板之熔融溫度之溫度下對熱管理部件200實施連結。
圖4係本揭示內容之態樣及實施例之發光二極體組件400之實施例。舉例而言，發光二極體組件400可包含用於照明系統(例如用於發光二極體系統)之均熱片。應注意可利用各種構形且申請者已慮及。因此，發光二極體組件400係此等構形之實例性實施例。
發光二極體組件400可主要包括照明系統430、主體部件450及包含一或多個翅片部件422之翅片部件420。翅片部件420可包含藉由塗佈層夾持或至少部分囊封之熱解石墨材料。同樣，間層可藉由基板材料夾持或至少部分囊封。例如，翅片部件422可包含金屬化熱解石墨之片材或條帶，例如熱解部件200及300。
如所繪示，翅片部件420可附接至主體部件450且可自翅片部件
420近端延伸至翅片部件遠端。翅片部件420經構形以自主體部件450之大致圓柱形基體延伸且可呈現圓柱體或大致圓柱形稜柱之橫截面。儘管繪示為各翅片部件420之間具有大致相等之間距，但應注意翅片部件420之間之間距可不同。同樣，儘管翅片部件420繪示為大致扁平、彼此大致平行、與彼此相比厚度大致相等且通常長度相等，但應注意多種其他實施例可具有不同構形。此外，翅片部件420之各翅片部件(例如，翅片部件422)可整體形成，由一或多個子翅片形成，或諸如此類。例如，翅片部件422可包含一包含熱管理部件200及300之固體片材或條帶或任何數目之熱管理部件200及300之較小片材或條帶。各實施例之實例將在下文中更詳細地討論。
圖5圖解說明本揭示內容之態樣及實施例之發光二極體組件500。舉例而言，發光二極體組件500可包含連接至照明組件(例如發光二極體組件)或與其整合之均熱片。
發光二極體組件500可包含核心部件510、主體部件550及翅片部件520。在一態樣中，發光二極體組件500可包含或可附接至發光二極體530。熱解石墨材料可包含熱解石墨核心514，其可至少部分安置在核心部件510及/或基體部件558內。在一態樣中，熱解石墨核心514可係至少部分包於或封於界面材料及/或基板內之熱解石墨材料之片材或平面(planer)組件。儘管熱解石墨核心514經顯示為安置於至少部分之核心部件510及基體部件558內，但應注意核心部件510可分為一或多個熱解石墨材料部分。舉例而言，基體部件558可包含完全被基板封閉之熱解石墨材料且核心部件510可包含完全被基板封閉之熱解石墨材料。此等經封閉之熱解石墨材料可彼此不物理接觸但可(例如藉助一或多個基板)熱連通。
在另一態樣中，翅片部件520可實質上類似於翅片部件420。例如，翅片部件520可包含一或多種熱解石墨材料及界面材料。在其他
實施例中，翅片部件520亦包括基板材料。如上文所述，發光二極體組件500之各元件或部件可包含不同基板及/或材料。舉例而言，翅片部件520中之每一者可包括不同基板材料、界面材料及/或熱解石墨材料。
熱解石墨核心514及翅片部件520可由單一結構形成或可自一或多個結構組裝。例如，翅片部件520中之一或多者可(例如)藉助焊接或硬銲製程與主體部件550接合或連結。應注意各種其他實施例可包含不同構形。同樣，可利用各種其他製程以將翅片部件520連結或附接至主體部件550。
在至少一態樣中，發光二極體組件500可自熱源(例如發光二極體530)耗散熱能。例如，核心部件510可自發光二極體530接收熱能。由於熱解石墨核心514之低熱阻，熱能可分散遍及熱解材料且可向基體部件558傳播。然後熱能可藉助翅片部件520中之一或多者傳播或傳導。由於翅片部件520包含熱解石墨材料，熱能可傳播遍及翅片部件520。在一態樣中，翅片部件520可增加發光二極體組件500之總有效熱耗散表面積使得熱能可分散於環境中。
圖6-9分別圖解說明所揭示各態樣之發光二極體組件600、700、800及900之各實例性實施例。例如，發光二極體組件600、700、800及/或900可分別包含用於發光二極體630、730、830及930之均熱片。
在一態樣中，發光二極體組件600、700、800及900可分別包含翅片部件620、720、820及920。在另一態樣中，該等組件中之每一者可進一步包含主體部件650、750、850及950，其可包括或可不包括核心部件。例如，發光二極體930之基板可附接至主體部件950之基體。
如圖6-9中所繪示，繪示了翅片部件、主體部件及發光二極體組件之各種構形。例如，發光二極體組件600繪示翅片部件620之取向使得翅片部件自中心軸徑向延伸。此外，翅片部件620與主體部件650大
致同軸。如圖7中所示，發光二極體組件700可包含直接附接至主體部件750之發光二極體730。翅片部件720與主體部件750大致同軸。此外，翅片部件720與翅片部件620具有不同形狀。
如圖8中所圖解說明，發光二極體組件800包含大致正方形或大致矩形稜柱形主體部件850，其具有安置於第一表面上之發光二極體830。在主體部件850之第二表面上，大致矩形或正方形翅片部件820自其延伸。
圖9圖解說明燈泡形發光二極體組件900。如所繪示，發光二極體930可包含球形或部分球形。翅片部件920係與主體部件950一起整體形成。發光二極體組件900可經構形用於照明插座，例如燈、泛光燈夾具、嵌入式照明夾具或諸如此類之彼等。因此，發光二極體組件900可包含附接至此等照明插座之各種其他元件或部件。另外，發光二極體組件900可基於期望用途具有各種尺寸。
上文所闡述者包括本說明書之實例。當然，不可能出於闡述本說明書之目的而闡述元件或方法之每一可能組合，但熟習此項技術者可認識到，本說明書之許多其他組合及排列係可能的。因此，本說明書意欲囊括歸屬於隨附申請專利範圍之精神及範圍內之所有此等變更、修改及變化。此外，就在詳細說明或申請專利範圍中所用術語「包括」而言，此術語意欲以類似於術語「包含」之方式為包括性的，如同「包含」在申請專利範圍中作為過渡詞使用時所解釋一般。
現將闡述本揭示內容之態樣且可進一步藉助以下實例來理解。該等實例意欲僅係闡釋性的且不應理解為關於材料或方法參數、設備或條件以任何方式限制本文所揭示之本發明。
在第一實例中，發光二極體組件(例如發光二極體組件100)包含熱解石墨核心部件。比較包含熱解核心部件之熱管理組件與標準鋁熱
管理組件，各組件連接至或包含發光二極體。將各組件之熱阻量測為發光二極體接面溫度隨輸入功率而變之斜率且顯示於圖10之圖表1000中。相對於鋁熱管理組件，包含熱解核心部件之熱管理組件所量測之總熱阻自如接合鋁熱管理組件量測之基線5.8℃/W減小至5.1℃/W。應注意，可向連接至包含熱解核心部件之熱管理組件之發光二極體施加高約14%之功率而不會提高發光二極體接面溫度。在一態樣中，包含熱解核心部件之熱管理組件顯著改良自發光二極體且至風扇部件之熱傳輸。
在第二實例中，發光二極體組件(例如發光二極體組件400)包含9個狹長熱解翅片部件。應注意根據本文所揭示各態樣可利用不同大小之翅片部件、不同數目之翅片部件或諸如此類。在此實例中，為構築簡單起見利用9個翅片部件。此外，翅片部件係約3.75英吋長。熱管理組件包含熱解石墨翅片部件但不包含熱解石墨核心部件。比較此組件與所有鋁組件。各組件之熱阻係如圖11之圖表1100中所示來量測。相對於鋁熱管理組件，包含熱解石墨翅片部件之熱管理組件所量測之總熱阻自6.4℃/W減小至4.7℃/W。對於此熱解石墨翅片部件實施例可預期發光二極體之可能的總功率負載增加約39%。
在第三實例中，發光二極體組件(例如發光二極體組件500)包含9個狹長熱解石墨翅片部件及熱解石墨核心部件。分別如圖12及13之圖表1200及1300中所示，比較來自該熱管理組件之量測值與鋁熱管理組件。第三實例之熱管理組件之熱阻減少至3.1℃/W，比鋁型低51%。應注意發光二極體功率輸出可係遞送至連接至鋁熱管理組件之發光二極體之可能功率之2倍以上。
前述描述鑑別發光二極體組件之各種非限制性實施例。熟習此項技術者及可製造且使用本發明之彼等可想到多種修改。所揭示實施例僅用於闡釋性目的且不意欲限制本發明範圍或申請專利範圍中所述
之標的物。
100‧‧‧發光二極體組件
110‧‧‧核心部件
112‧‧‧熱管理核心；熱解石墨核心
114‧‧‧基板
120‧‧‧翅片部件
130‧‧‧發光二極體
132‧‧‧發光二極體晶粒或載體部件
140‧‧‧強制通風部件；風扇部件
150‧‧‧主體部件
152‧‧‧孔
154‧‧‧鎖定或環扣部件
156‧‧‧載體部件
158‧‧‧基體部件
Claims (16)
- 一種發光二極體組件，其包含至少一個發光二極體及熱管理組件，該熱管理組件包含：與該發光二極體熱連通之主體部件；及自該主體部件延伸且與該主體部件熱連通之翅片部件，其中該翅片部件部分包含熱解石墨材料，其安置於第一基板及第二基板之間，且其中該翅片部件進一步包含安置於該熱解石墨與該第一基板之間及該熱解石墨與該第二基板之間的間層，其中該等間層包含基於金屬之材料且形成具有該熱解石墨之碳化物。
- 如請求項1之發光二極體組件，其中該發光二極體組件包含用於汽車頭燈裝置之熱管理組件。
- 如請求項1之發光二極體組件，其中該翅片部件之該等間層之基於金屬之材料包含選自鈦、鋯、鉿、鋁、鉭、鐵、矽或其兩者或更多者之組合之活化材料以形成碳化物。
- 如請求項1之發光二極體組件，其中該翅片部件之該第一基板及第二基板之間係獨立地由(i)選自銅、鋁、鎢、鉬、鎳、鐵、錫、銀、金、鈹或其兩者或更多者之合金之金屬，或(ii)選自之氮化矽、碳化矽、氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹或氮化硼之陶瓷材料所形成。
- 如請求項1之發光二極體組件，其中該主體部件包含安置於第一基板及第二基板之間的熱解石墨材料。
- 如請求項5之發光二極體組件，其中該主體部件包含安置於該熱解石墨材料與該第一基板之間的間層，以及安置於該熱解石墨材料與該第二基板之間的間層，其中該等間層包含基於金屬之 材料且形成具有該熱解石墨之碳化物。
- 如請求項6之發光二極體組件，其中該主體部件之該等間層包含基於金屬之材料，該基於金屬之材料包含選自鈦、鋯、鉿、鋁、鉭、鐵、矽或其兩者或更多者之組合之活化材料以形成碳化物。
- 如請求項6之發光二極體組件，其中該主體部件之該第一基板及第二基板之間係獨立地由(i)選自銅、鋁、鎢、鉬、鎳、鐵、錫、銀、金、鈹或其兩者或更多者之合金之金屬，或(ii)選自之氮化矽、碳化矽、氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹或氮化硼之陶瓷材料所形成。
- 一種發光二極體組件，其包含：至少一個發光二極體；與該至少一個發光二極體熱連通之主體部件；及至少一個自該主體部件延伸且與該主體部件熱連通之翅片部件，其中該至少一個翅片部件之翅片部件部分包含熱解石墨材料，其安置於第一基板及第二基板之間，且其中該翅片部件進一步包含安置於該熱解石墨與該第一基板之間及該熱解石墨與該第二基板之間的間層，其中該等間層包含基於金屬之材料。
- 如請求項9之發光二極體組件，其中該主體部件進一步包含耦合至該至少一個發光二極體之電連接。
- 如請求項9之發光二極體組件，其中該翅片部件之該等間層之基於金屬之材料包含選自鈦、鋯、鉿、鋁、鉭、鐵、矽或其兩者或更多者之組合之活化材料以形成碳化物。
- 如請求項9之發光二極體組件，其中該翅片部件之該第一基板及 第二基板之間係獨立地由(i)選自銅、鋁、鎢、鉬、鎳、鐵、錫、銀、金、鈹或其兩者或更多者之合金之金屬，或(ii)選自之氮化矽、碳化矽、氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹或氮化硼之陶瓷材料所形成。
- 如請求項9之發光二極體組件，其中該主體部件包含安置於第一基板及第二基板之間的熱解石墨材料。
- 如請求項13之發光二極體組件，其中該主體部件包含安置於該熱解石墨材料與該第一基板之間的間層，以及安置於該熱解石墨材料與該第二基板之間的間層，其中該等間層包含基於金屬之材料且形成具有該熱解石墨之碳化物。
- 如請求項14之發光二極體組件，其中該主體部件之該等間層包含基於金屬之材料，該基於金屬之材料包含選自鈦、鋯、鉿、鋁、鉭、鐵、矽或其兩者或更多者之組合之活化材料以形成碳化物。
- 如請求項13之發光二極體組件，其中該主體部件之該第一基板及第二基板之間係獨立地由(i)選自銅、鋁、鎢、鉬、鎳、鐵、錫、銀、金、鈹或其兩者或更多者之合金之金屬，或(ii)選自之氮化矽、碳化矽、氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹或氮化硼之陶瓷材料所形成。
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