CN100568557C - 具有隔热效果的半导体高功率发光模块 - Google Patents

具有隔热效果的半导体高功率发光模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种半导体高功率发光模块，包含一散热体、一导热元件以及一二极管发光元件。该散热体具有一绝热体耦合在该散热体的一第一侧上。该散热体具有一相对于该第一侧的一第二侧。该绝热体具有一相对于该第一侧的一第三侧。该第三侧的环境温度高于该第二侧的环境温度。该导热元件具有一平整端以及一接触部。该接触部与该散热体紧密贴合。该二极管发光元件设置在该导热元件的平整端上。本发明的半导体发光模块应用在车用头灯中，具有省电、高寿命的特性，并且该散热体甚至可与该车的外壳整合在一起，兼具美观与实用。

Description

具有隔热效果的半导体高功率发光模块
技术领域
本发明涉及一种半导体发光模块(Semiconductor light-emitting module)，特别是涉及一种具有高散热效率的半导体高功率发光模块。
背景技术
由于发光二极管(Light-emitting diode，LED)具有如省电、耐震、反应快以及适合量产等许多优点。因此，目前以发光二极管为光源的照明设备持续被研究、发展。然而高功率的发光二极管产生的热量也高，所以散热问题在此领域成为主流。一般的散热方式是以一散热体(可能包含数个鳍片)置于一较低温的环境中以散热。惟在许多实际应用中，该散热体设置于该较高温的环境中，致使发光二极管接点温度(Junction temperature)居高不下，大大地的影响发光二极管发光效率及寿命。
举例而言，在传统车用头灯市场中，以卤素灯为主流，但是亮度不足以及寿命不长是其缺点。针对这个缺点，目前市场上以高密度气体放电(HighIntensity Discharge，HID)灯提供解决方案。然而，因其发光原理是依据电弧放电原理点燃两电极间的电弧发光，所以需要稳定且持续的高压电源。就安全考虑，应该避免置驾驶员于高压电源环境中。若直接以目前市场上高功率的发光二极管装置替换头灯，则其散热装置将至少一部分被置于车体内，此将使其承受引擎等装置的高热而不利于散热。
因此，有必要提供一种半导体高功率发光模块，能在有温差的环境中有效率地散热以解决上述问题。
发明内容
本发明的一范畴在于提供一种半导体发光模块。
根据一较佳具体实施例，本发明的半导体发光模块包含一散热体(Heat-dissipating member)、一长条形导热元件(Heat-conducting device)、一载台以及一二极管发光元件(Diode light-emitting device)。该散热体具有一绝热体(Isolator member)紧密贴合在该散热体的一第一侧上，该散热体具有一相对于该第一侧的一第二侧，该绝热体具有一相对于该第一侧的一第三侧，该散热体具有一凹槽于该第一侧上；该第三侧的环境温度高于该第二侧的环境温度。该导热元件具有一平整端(Flat end)以及一接触部(Contactportion)，该接触部设置于该散热体与该绝热体之间并紧密贴合在该散热体的该凹槽上。该载台套接于该导热元件上，使得该载台的一平面与该平整端齐平。该导热元件的长宽比大于2。该二极管发光元件的一底部紧密贴合在该导热元件的平整端上，该二极管发光元件均能将一电能(Electric energy)转换成一光线(Light)。该导热元件可为一热导管(Heat pipe)或其它具高导热效率的装置。该二极管发光元件包含至少一个发光二极管晶粒(Light-emitting diode die)或至少一个激光二极管晶粒(Laser diode die)。该各导热元件的接触部得以一压板固定于该散热部分。在该二极管发光元件运作过程中所产生的热可经由该导热元件传导至该散热体，再由该散热体散逸出去。
根据该较佳具体实施例，本发明的半导体发光模块是能应用于一汽车头灯，该散热体可衔接至该汽车体上(例如保险杆后方的车架或整合在该汽车外壳上)。另外，因为汽车头灯的位置与引擎等高热装置相当靠近，所以该半导体发光模块包含该绝热体，用以隔绝引擎等高热装置所产生的热对该散热体环境温度影响。并且，进一步使用绝热套(Isolator sleeve)包覆该二极管发光元件与该接触部间的导热元件以进一步减少引擎等高热装置所产生的高温环境对该导热元件高速导热的影响。为增强散热效率，多个鳍片(Fin)成形在该散热体的第二侧上。此外，该半导体发光模块进一步包含一控制电路(Control circuit)电连接至该二极管发光元件，用以控制该二极管发光元件发射该光线。
因此，本发明的半导体发光模块利用一绝热体隔绝高温环境对该半导体发光模块的散热体散热效率的影响，致使该散热体能在较低温环境下有效率地散热。应用在汽车头灯中，本发明的半导体发光模块的散热体是能与该汽车外壳整合设计，兼具美观与实用。并且通过该散热体将于该二极管发光元件运作过程中所产生的热散逸于车体外环境温度较低之处，以使得于汽车头灯设置高功率的半导体发光模块得以实现。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
附图说明
图1A为本发明的第一较佳具体实施例的半导体发光模块X的示意图；
图1B为本发明的另一较佳具体实施例的半导体发光模块X’的示意图；
图1C为本发明的另一较佳具体实施例的半导体发光模块X”的示意图；
图1D为本发明的另一较佳具体实施例的半导体发光模块X”’的示意图；
图1E为本发明的另一较佳具体实施例的半导体发光模块的示意图；
图2A为本发明的第二较佳具体实施例的半导体发光模块适用于汽车的头灯的立体图；
图2B为该头灯的灯座的局部剖视图；
图2C为发光二极管封装结构的剖面示意图；
图2D为另一发光二极管封装结构的剖面示意图；
图2E为该第二较佳具体实施例的该导热元件另一种平整端的示意图；
图3为本发明的第三较佳具体实施例的半导体发光模块用于汽车的头灯的立体图；
图4为本发明的第四较佳具体实施例的半导体发光模块用于汽车的头灯的立体图；
图5为该第四较佳具体实施例的该散热体的鳍片的另一种形态。
主要元件符号说明：
1、1’、1”、1”’：半导体发光模块
3、6、8：头灯            4：封装结构
11、11’、11”：散热体   12：导热元件
13：二极管发光元件       14、14’、14”：绝热体
15：绝热套               16：载台
21：散热体               22：导热元件
23：二极管发光元件       24：绝热体
25：载台                 26：支架
27：压板                 28：控制电路
31：灯座                 41、41’：基板
42：下底座               43、43’：半导体发光晶粒
44：封装材质             45：导热胶体
46：外部电极             47：外露电极
51、71：散热体           112：第一侧
114、114’：第二侧       116：第三侧
118：鳍片                122：平整端
124：接触部              212：鳍片
222、222’：平整端       232：基板
224：接触部              262：孔
272：表面                411：顶表面
412：底表面              421：第一表面
422：第二表面            431：晶粒底部
712、714：鳍片           4111：第一凹陷部
4121：第二凹陷部         TA、TB：环境温度
A：夹角                  F：流体
具体实施方式
请参阅图1A，图1A是绘示根据本发明的第一较佳具体实施例的半导体发光模块1的示意图。图1A中的下图是上图沿X-X线的剖视图。该半导体发光模块1包含一散热体11、一导热元件12、一二极管发光元件13、一绝热套15以及一载台(Carrier)16。该散热体11具有一绝热体14耦合在该散热体的一第一侧112上，该散热体11具有一相对于该第一侧112的一第二侧114，该绝热体具有一相对于该第一侧112的一第三侧116，该第三侧116的环境温度高于该第二侧114的环境温度。该导热元件12具有一平整端122以及一接触部124。该接触部124设置于该散热体11与该绝热体14之间并紧密贴合在该散热体11上。该导热元件12的长宽比大于2。该载台16具有该导热元件12可穿过的孔洞，该导热元件12穿过该孔洞并且该平整端122大致上与该载台16的一表面切齐。该二极管发光元件13的一底部紧密贴合在该导热元件12的平整端122以及该载台16上。该二极管发光元件13均能将一电能转换成一光线。该导热元件12可为一热导管或其它具高导热效率的装置。该二极管发光元件13包含至少一个发光二极管晶粒或至少一个激光二极管晶粒。
根据该第一较佳具体实施例，该导热元件12的接触部124全部陷入并以该绝热体14直接固定在该散热体11上。并且，该绝热套15包覆该二极管发光元件13与该接触部124间的导热元件12，以隔绝高温环境对该导热元件12导热效率的影响。该绝热体14可隔绝高温环境对该散热体11散热效率的影响。如图1A下图所示，此配置可使该半导体发光模块1可使用在绝热体14的环境温度TA高于该散热体11的环境温度TB的情形。此外，根据另一较佳具体实施例，如图1B所示，相比较该第一较佳具体实施例，一半导体发光模决1’的散热体11’的第二侧114’上形成散热鳍片118以增进散热效率。
另外，根据另一较佳具体实施例，如图1C所示，相比较该第一较佳具体实施例，一半导体发光模块1”的接触部124贴合的方式也可仅部分陷入一散热体11”中并以一绝热体14’直接固定在该散热体11”上。此外，根据另一较佳具体实施例，如图1D所示，相比较该第一较佳具体实施例，一半导体发光模块1”’的一绝热体14”可与该散热体11”形成一有空隙的空间以容纳该接触部124。该接触部124仍可通过该绝热体14”固定该接触部124或另以一压板(未显示于图一D中)固定之。最后，根据另一较佳具体实施例，如图1E所示，一半导体发光模块包含三个二极管发光元件13’同时设置于一绝热体14”’与一散热体之间。相比较该第一较佳具体实施例，该二极管发光元件13’可封装在一起或分开封装，其封装结构详述于后。
需注意的是，该空间不以密封为必要，并且应尽可能增加该导热元件12经由该接触部124传导至该散热体11、11’、11”的效率，例如将该接触部124压扁或以高导热材料填充该接触部124与该散热体11、11’、11”的接口的间隙以增加接触面积。
请参阅图2A以及图2B，图2A绘示根据本发明的一第二较佳具体实施例的半导体发光模块适用于一汽车的一头灯3的立体图。图2B绘示该头灯3的一灯座31的局部剖视图。根据该第二较佳具体实施例，该半导体发光模块其结构组成一汽车的右侧头灯。需注意的是，本发明并不限于适用于右侧头灯。
本发明的半导体发光模块包含一散热体21、三个导热元件22、三个二极管发光元件23、一绝热体24、一载台25以及一支架(Supporter)26。每一个导热元件22具有一平整端222以及一接触部224，该接触部224与该散热体21紧密贴合。该载台25具有该导热元件22可穿过的孔洞，该导热元件22穿过该孔洞并且该平整端222大致上与该载台25的一表面切齐。该各二极管发光元件23分别设置在该各导热元件22的平整端222上，每一个二极管发光元件23均能将一电能转换成一光线。该各导热元件22可为一热导管或其它具高导热效率的装置。该各二极管发光元件23包含至少一个发光二极管晶粒或至少一个激光二极管晶粒。
根据该第二较佳具体实施例，该各导热元件22的接触部224是以一压板27固定于该散热体21。在该等二极管发光元件23运作过程中所产生的热可经由该各导热元件22传导至该散热体21，再由该散热体21散热出去。此外，因为汽车头灯的位置与引擎等高热装置相当靠近，所以该绝热体24设置在引擎等高热装置与该散热体21之间，用以隔绝引擎等高热装置所产生的高环境温度(通常大于80℃)对该散热体21散热效率的影响。因此，该绝热体24也可直接当做该压板27，同时兼具隔热和固定的功能。
另外，该导热元件22的接触部224也可以其它方式固定，例如以类似胶的材料将该接触部224黏贴在散热体21上，甚或焊接。并且，为增加该接触部224至该散热体21的热传导效率，可将该接触部224压挤以形成较大的接触面积，或是另外以具高导热性的材料填充于该接触部224与该散热体21接触处附近的空隙以增加热传导截面积。在另一具体实施例中，可在一散热体上形成数个凹槽以各别地容纳数个导热元件，或是形成一个凹槽以容纳该各导热元件。该各凹槽的形状可配合该各导热元件成形，或是对该各导热元件施加形变以配合该等凹槽形状。此时，一绝热体可直接覆盖于该等凹槽上，即可同时兼具阻隔高温度温度和固定的功能。
需注意的是，根据该第二较佳具体实施例，对于减少引擎等高热装置所产生的高温环境对该散热体21散热效率的影响，也可取代该绝热体24或额外以具绝热效果的材质披覆在该散热体21以及该各导热元件22的接触部224。并且，可进一步使用绝热套(未显示于图中)包覆该二极管发光元件23与该接触部224间的导热元件22，或包覆露出该绝热体24外的导热元件22以进一步减少引擎等高热装置所产生的高温环境对该导热元件12传热效率的影响。该绝热套可一次包覆数个导热元件22或以数个绝热套分别包覆该各导热元件22。该绝热套并不以套管形式为限，用胶带形式缠绕或直接涂布一层绝热材质以达到绝热或减低热传导的效果亦可。另外为增强散热效率，多个鳍片212成形在该散热体21上以增加散热面积。值得一提的是，在该各较佳具体实施例中，该各绝热体覆盖的散热体的区域应尽可能的大，以能有效隔绝引擎等高热装置所产生的高温环境对该散热体散热效率的影响。
根据该第二较佳具体实施例，该载台25具有三个通孔以供该各导热元件穿入，并使该各二极管发光元件23能设置于该各导热元件22的平整端222上。该各二极管发光元件23的基板232设置于该载台25上。该基板232的一表面272上形成或承载连接一控制电路28的电极部。该电极连接的电线经由该支架的一孔262与一控制电路28电连接。该控制电路28经由一连接器与该汽车配线电连接。该支架26将该各导热元件22与该灯座31衔接。该支架26可与该导热戴台25一体成型。根据该第二较佳具体实施例，该支架26是以螺丝锁固在该灯座31上。然而，该支架26也可用黏着或卡勾的设计来固定在该灯座31上，或是替代地固定在该头灯3其它部位上。
另外，该各二极管发光元件23可共同使用该基板232封装在一起。请阅图2C，图2C绘示一发光二极管封装结构4的剖面示意图。该封装结构4包含一基板41、一下底座42、至少一半导体发光晶粒43，以及一封装材质44。该基板41限定一顶表面411，该顶表面411之上设有多个外部电极(Electrically coupled)46。该下底座42限定一第一表面421，该至少一半导体发光晶粒43通过其底部(Bottom)431的内部电极(bond pad)固定于该下底座42的该第一表面421。该基板41的该顶表面411形成一第一凹陷部4111，该基板41上更限定一底表面412，该基板41的该底表面412形成一第二凹陷部4121，该第二凹陷部4121与第一凹陷部4111相连接，而该下底座42嵌入于该第二凹陷部4121中，该下底座42更限定一第二表面422，该下底座42的该第一表面421暴露于该第一凹陷部4111的内部。该至少一半导体发光晶粒43的底部431固定于该下底座42的该第一表面421暴露于该第一凹陷部4111内部的部分。该封装材质44，用于填充该第一凹陷部4111内，用以覆盖该至少一半导体发光晶粒43。该至少一半导体发光晶粒43具有内部电极，并通过线路与位于该顶表面411的外部电极46导通。该至少一半导体发光晶粒43具有的内部电极与外部电极46的连接方式配设成串联的型态，但该各电极的连接方式，也可采用并联的型态配接，仍可达到本发明的目的。
此外，一导热胶体45可置于该下底座42之该第一表面421与该第一凹陷部4111的该底部之间，以结合该下底座42的该第一表面421与该第一凹陷4111的该底部，亦即用以连接该基板41与该下底座42。该基板41可由金属、陶瓷、软性印刷电路板及硬性印刷电路板其中一种所构成。该下底座42可由半导体所组成。值得一提的是，该得二极管发光元件23的封装不限于前述，也可直接将数个半导体发光晶粒43’置于基材41’上，而不使用该第一凹陷部4111以及该第二凹陷部4121的设计，如图2D所示，其中基材41’上有两个外露的电极47，用以连接外部电路。
需注意的是，每一个导热元件22不限只承载一个二极管发光元件23，也可承载数个二极管发光元件23。惟于此种情形，该导热元件22的平整端222’不同于前述的平整端222，其将该导热元件22的一端压挤以形成该较大的平整端222’(其示意图如图2E所示)。此两种平整端形态的选择取决于实际产品设计而定，二极管发光元件的数目和设置空间将会是很重要的考虑因素。于此情形，该载台25以及基板232的几何尺寸也需配合修改。
请参阅图3，图3绘示根据本发明的一第三较佳具体实施例的半导体发光模块应用于一汽车的一头灯6的立体图。与该第二较佳具体实施例比较，该半导体发光模块的散热体51主要是与该汽车的引擎盖附近的车壳衔接，不同于该第二较佳具体实施例的半导体发光模块2的散热体21，其位于该汽车保险杆后方，可与保险杆后方的车体衔接。此外，请参阅图4，图4绘示根据本发明的一第四较佳具体实施例的半导体发光模块应用于一汽车的一头灯8的立体图。与该第二和第三较佳具体实施例比较，该半导体发光模块的散热体71主要与该汽车前侧边外壳衔接。
值得一提的是，以该第四较佳具体实施例为例，该散热体71外侧除可形成鳍片712以增加散热效率，也得以改变该散热体71的外侧结构以增加散热效率，例如增加表面粗糙度或其它表面形态以增加散热面积，或是向外多形成一层平行于散热体71的鳍片714并设计此二层的夹角A(其示意图如图5所示，其绘示该第四较佳具体实施例的上视图)，除增加散热面积外，也可增加流经层间的流体F的速度和密度以达到增加散热效率的目的。此外，根据该第三较佳具体实施例，该散热体51外侧虽未形成鳍片，但非不能形成鳍片。其形成何种鳍片或任何有助散热的结构或实施何种表面处理，均应配合该汽车整体设计。
因此，根据该各较佳具体实施例，本发明的半导体发光模块利用一绝热体隔绝车体高温度环境对该半导体发光模块的散热体的散热效率影响，致使该散热体能在车体外较低的环境温度中有效率地散热。亦即该半导体发光模块的散热体可置于有温差的环境中正常运作。本发明的半导体发光模块的应用范围并不限于前述该各较佳具体实施例提及的汽车头灯应用，只要操作环境有温度差而有散热的需要时，本发明的半导体发光模块均可适用。该散热体的几何尺寸则需配合实际的操作环境来设计。
应用在汽车的头灯中，本发明的半导体发光模块的散热体是能与该汽车外壳整合设计，兼具美观与实用。并且通过该散热体将于该各二极管发光元件运作过程中所产生的热散逸出去，以降低发光二极管元件的接点温度，并使得于汽车头灯装置高功率的发光二极管得以实现。同时，虽然该散热体一部分置于高温环境中，但通过绝热体隔绝高温环境对该散热体散热效率的影响以使得该散热体仍具有良好的散热效率。此外，因为发光二极管有不同发光颜色的选择，因此该半导体发光模块可同时具有指示或其它照明的功能，例如整合雾灯及一般照明功能于同一个半导体发光模块中。
通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的权利要求的范畴内。

Claims (9)

1.一种半导体发光模块(Semiconductor light-emitting module)，包含：
一散热体(Heat-dissipating member)具有一绝热体(Isolator member)紧密贴合在该散热体的一第一侧上，该散热体具有一相对于该第一侧的一第二侧，该绝热体具有一相对于该第一侧的一第三侧，该散热体具有一凹槽于该第一侧上；
一热导管，该热导管具有一平整端(Flat end)以及一接触部(Contactportion)，该接触部设置于该散热体与该绝热体之间并贴合在该散热体的该凹槽上；
一载台，套接于该热导管上，使得该载台的一平面与该平整端齐平；以及
一二极管发光元件(Diode light-emitting device)的一底部贴合在该热导管的平整端上并且设置于该平面上。
2.如权利要求1所述的半导体发光模块，其中该热导管的长宽比大于2。
3.如权利要求1所述的半导体发光模块，进一步包含一绝热套(Isolatorsleeve)包覆该二极管发光元件与该接触部间的热导管。
4.如权利要求1所述的半导体发光模块，其中多个鳍片(Fin)成形在该散热体的第二侧上。
5.如权利要求1所述的半导体发光模块，进一步包含一控制电路(Control circuit)电连接至该二极管发光元件，用以控制该二极管发光元件发射一光线。
6.如权利要求1所述的半导体发光模块，其中该二极管发光元件包含至少一发光二极管晶粒(Light-emitting diode die)或至少一激光二极管晶粒(Laser diode die)。
7.如权利要求1所述的半导体发光模块，其中该二极管发光元件包含：
一基板(substrate)，该基板上限定一顶表面和一底表面，该基板的该顶表面上形成一第一凹陷部，该基板的该底表面上形成一第二凹陷部，且该第二凹陷部与该第一凹陷部相连接，该顶表面之上设有多个外部电极(Outerelectrode)；
一下底座(Sub-mount)与该第二凹陷部相接合，该下底座上限定一第一表面和一第二表面，该下底座嵌入于该第二凹陷部，以致于该下底座的该第一表面的一部分暴露于该第一凹陷部的内部；
至少一半导体发光晶粒(Semiconductor light-emitting die)，其中每一半导体发光晶粒包含一底部和一内部电极(Inter electrode)，该至少一半导体发光晶粒通过该底部固定于该下底座的该第一表面暴露于该第一凹陷部内部的部分；以及
一封装材质(Package material)，该封装材质用于填充该第一凹陷部内，以覆盖该至少一半导体发光晶粒。
8.如权利要求7所述的半导体发光模块，其中该基板(Substrate)是由金属、陶瓷、软性印刷电路板及硬性印刷电路板其中一种所构成。
9.如权利要求7所述的半导体发光模块，其中该下底座是由半导体(semiconductor)所组成。
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