TWI442527B - Hardened modular semiconductor device - Google Patents

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TWI442527B
TWI442527B TW099104368A TW99104368A TWI442527B TW I442527 B TWI442527 B TW I442527B TW 099104368 A TW099104368 A TW 099104368A TW 99104368 A TW99104368 A TW 99104368A TW I442527 B TWI442527 B TW I442527B
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Description

強化散熱的模組化半導體裝置
本發明係有關一種幫助半導體元件散熱的構造。
半導體元件工作時，需要維持在適當的半導體工作接面溫度範圍，才能保持良好的效能。例如太陽能電池、發光二極體及熱-電半導體元件(例如熱-電產生器)，在高溫的半導體工作接面溫度下，會導致其工作效率變差，發光二極體還有顏色飄移的問題。尤其是聚光型太陽能電池及高功率發光二極體，其散熱能力更顯重要。然而習知的金屬魚鰭式散熱器對這類高功率元件而言，不但提供的散熱能力有限，傳導熱阻大，而且散熱器本身又龐大笨重。
美國專利號4211581在腔室中填充低沸點的透明液體浸泡太陽光電轉換器，藉該太陽光電轉換器產生的熱加熱其周圍的透明液體，使其溫度上升達到沸點而汽化以帶走熱量。然而，該液體沸騰的氣泡會黏滯在該太陽光電轉換器的表面形成阻隔，造成外圍的液體無法流入而接觸該太陽光電轉換器的表面，因此熱無法被快速帶走。雖然該液體也能從液面處蒸發，但液體熱對流的熱阻大，熱傳遞的效率不佳，因此散熱的效果不大。此外，浸泡在低沸點透明液體中的太陽光電轉換器，因該低沸點透明液體的液面影響，減少了對幅射能與光線的吸收。
美國專利號4166917提供一種太陽能接收器，其係將太陽能電池安裝在支撐環上，藉由與該支撐環連接的接腳將該太陽能電池產生的熱傳遞至外部的工作流體導熱管，經由該工作流體導熱管將熱量帶走。然而，該工作流體導熱管會增加該太陽能接收器的體積，並增加結構的複雜度，不利於微型化。
美國專利號4491683在腔室中填充氣體，光接收器的背面配置散熱器，光接收器產生的熱經由散熱器使該氣體在該腔室中對流，進而將熱傳遞至腔壁發散至周遭環境。然而，氣體熱對流的熱阻大，熱傳遞的效率不佳，因此散熱的效果不大。
本發明的目的之一，在於提出一種為半導體元件提供良好散熱，同時對該半導體元件的主動面提供一光學整理區域，以收斂、集合或擴散、漫射輻射能及/或光線的構造。
根據本發明，一種模組化半導體裝置包括具有腔室的容器，可相變的冷媒填充在該腔室中，包括導熱單元及毛細單元的蒸發器位於該腔室中，以及具有主動面的半導體元件在該腔室中熱連接該蒸發器，該毛細單元的一部分接觸液相冷媒。
該毛細單元包括導熱毛細板、芯線或其二者的結合。
該半導體元件的主動面包括該半導體元件吸收或放射輻射能及/或光線的表面。
該腔壁具有穿透面使該輻射能及/或光線穿過該容器。
該容器包含光學整理區域以收斂、集合或擴散、漫射該輻射能及/或光線。
該半導體元件工作時產生的熱傳導至該蒸發器，該液相冷媒受該蒸發器加熱而揮發成氣相冷媒填充在該腔室中，氣相冷媒在相對低溫的腔壁上凝結，恢復為液相冷媒，因而將熱傳遞到該腔壁發散至週遭環境，凝結成液相的冷媒經由該蒸發器再次蒸發為氣相冷媒，如此藉該冷媒的相變循環而不斷地幫助半導體元件將熱發散至周遭環境。
該半導體元件的主動面曝露在該液相冷媒外，因此對該輻射能及/或光線的吸收或放射，不會受該液相冷媒液面的影響而減少。
該蒸發器提供相對大的可蒸發面積，大幅提高該液相冷媒的蒸發量，因此可快速傳導該半導體元件工作時產生的熱。
該容器提供相對大的空間容納氣相冷媒，大幅提高液相冷媒的可蒸發量，同時擴大與週遭環境接觸的表面積，增加了熱交換面積，因此大幅提高熱的散逸速率。
圖1係根據本發明的第一實施例，強化散熱的模組化半導體裝置10包括容器12，其內具有氣密的腔室14填充可相變冷媒，液相冷媒22及氣相冷媒32在腔室14中維持動態平衡。液相冷媒22受重力驅使而聚集在腔室14的底部，氣相冷媒32則填充在腔室14中。腔壁16由例如玻璃材料、金屬材料或其結合所構成，其包括穿透面21使輻射能及/或光線穿過容器12，容器12包含光學整理區域42用以收斂、集合或擴散、漫射該輻射能及/或光線。由導熱單元20與導熱毛細板19構成的蒸發器在腔室14中，半導體元件28位於腔室14中並熱連接導熱單元20，其具有一授受輻射能及/或光線的主動面17以吸收或放射該輻射能及/或光線，導電線26電性連接半導體元件28，另一端穿過容器12作為送電或供電之用。液相冷媒22的量不致浸泡淹沒半導體元件28，因此半導體元件28的主動面17曝露在液相冷媒22的液面15之外。導熱毛細板19熱連接導熱單元20，其一部分接觸液相冷媒22，藉毛細作用吸引液相冷媒14移動分布到導熱毛細板19，如箭頭24所示。半導體元件28工作時產生的熱傳導至導熱單元20，同時加熱導熱毛細板19，因而使導熱毛細板19上的液相冷媒揮22發成為氣相冷媒32。在本實施例中，容器12為燈泡狀的玻璃容器，穿透面21與水平面平行向下。由於玻璃是持久可靠的氣密封裝材料，且其加工技術純熟，材料價格也相對便宜，容器12採用玻璃材料製造，可達到大量及經濟的生產要求。
圖2係強化散熱的模組化半導體裝置10的蒸發器的上視圖，圖3係強化散熱的模組化半導體裝置10的蒸發器的分解圖，蒸發器13包括導熱毛細板19熱連接導熱單元20，例如將導熱毛細板19嵌入導熱單元20的溝槽33中。圖4至圖6係導熱毛細板19的三個實施例的剖視圖。參考圖1至圖6，圖4的導熱毛細板19包括毛細材料36夾在二片導熱材料35中的三明治結構，導熱材料35熱連接導熱單元20。圖5的導熱毛細板19包括導熱材料35夾在二片毛細材料36中的三明治結構，導熱材料35熱連接導熱單元20。導熱材料35包括金屬或複合材料，毛細材料36包括對液相冷媒22具有可毛細及潤濕的網狀物、顆粒粉末或纖維編織物。毛細材料36的邊緣設計成稍微凸出於導熱材料35的邊緣，藉以接近腔壁16而使無效液相冷媒30(例如凝結黏滯在腔壁16上而不能完全回到腔室14的底部成為液相冷媒22的霧或露滴)經毛細作用被吸引至毛細材料36中。圖6的導熱毛細板19包括導熱板37，具有溝槽、刻痕或粗糙化的表面38，以產生毛細作用吸引液相冷媒22至表面38上。半導體元件28工作時產生的熱經導熱單元20傳導至導熱毛細板19的導熱材料35或導熱板37上，使毛細材料36中或表面38上的液相冷媒22蒸發而帶走熱。凝結在腔壁16上的無效液相冷媒30或聚集在腔室14底部的液相冷媒22被導熱毛細板19吸引並被再次蒸發。由於蒸發器13藉由導熱毛細板19吸引液相冷媒22，因此導熱毛細板19可視為一毛細單元。
參考圖1至圖3，吸附在蒸發器13上的液相冷媒22揮發時將熱帶走，帶有潛熱的氣相冷媒32接觸到相對低溫的腔壁16時，釋放出潛熱而凝結成無效液相冷媒30，而將熱傳遞至腔壁16。凝結在腔壁16上的無效液相冷媒30直接受導熱毛細板19的吸引，或者受重力驅使回到腔室14的底部成為液相冷媒22再受導熱毛細板19吸引，而重複前述的熱循環。因為冷媒的相變循環，半導體元件28工作時產生的熱不斷地傳遞至腔壁16，再從容器12表面因為自然或強制對流將熱散逸至環境中。由於導熱毛細板19擴展延伸在導熱單元20與腔壁16之間，因此液相冷媒22可被蒸發的表面積很大。腔室14的形狀及尺寸可依需求調整。當欲消散的功率較大時，採用較大的腔室14，因而擴大蒸發空間，此外，較大的腔室14其腔壁16的表面積較大，因而擴大容器12裸露在環境中的表面積，增加熱交換面積，進而達到加速半導體元件28工作時熱的散逸速率。
由於可相變冷媒的蒸發與凝結發生在幾乎相同的溫度，因此可在極小的溫度差異下吸收及釋放大量潛熱，具有極低的熱傳遞熱阻，是以，腔室14中雖有液相及氣相冷媒的動態平衡存在，但其溫差有限，模組化半導體裝置10的等效熱傳導係數約為2,000~10,000W/(m×K)，即在一公尺熱傳遞厚度中，每一平方公尺熱傳導面積及每一絕對溫度的溫差下，熱的傳導功率約為2,000~10,000瓦特，遠超過鋁、銅、金、銀等金屬材料。
可相變冷媒包括水、甲醇、乙醇、丙酮、氨水、氟氯碳化合物(CFCs)或其任二者或更多的混合物，導熱單元20包括金屬或複合材料製成的熱管(heat pipe)或均熱板(vapor chamber)，半導體元件28包括光電半導體元件(例如太陽能電池或發光二極體)或熱-電半導體元件(例如熱-電產生器)。也可以增加隔離物覆蓋隔離半導體元件28，使其不接觸液相或氣相的冷媒，例如以環氧樹脂或矽膠水密灌注封裝半導體元件28，以持久可靠的保護半導體元件28，使其在液相及氣相冷媒動態平衡存在的腔室14中正常工作。
在填充可相變冷媒時，先將腔室14中的空氣排除，再注入可相變冷媒，其填充量大於或等於無效液相冷媒30的量、導熱毛細板19可吸附的液相冷媒量、可使導熱毛細板19潤濕的最低液位的液相冷媒量及腔室14中全部飽和蒸發的氣相冷媒量的總合，以保持有足夠的液相冷媒22供應導熱毛細板19及導熱單元20，進行連續蒸發、凝結的高效率、低熱阻的熱傳遞工作。
考量蒸氣容納空間與最大熱傳量的關係，當腔室14提供愈大的蒸氣容納空間可獲得愈大的熱傳遞量，因此可相變冷媒在腔室14中形成液氣相動態平衡下，無效液相冷媒30的量及聚集在腔室14底部的液相冷媒22的量的總合設計成不大於腔室14的內容積的一半。由於液體的蒸發現象發生在液相與氣相接觸的表面，且該蒸發現象在大於絕對零度(即-273.16℃)下皆連續進行，因此在設計時，使聚集在腔室14底部的液相冷媒22的液面15不致完全淹沒導熱單元20與導熱毛細板19所構成的蒸發器，以使該蒸發器的表面能連續進行蒸發現象。
圖7係模組化半導體裝置10的穿透面21與水平面成45度角向下的示意圖，圖8係模組化半導體裝置10的穿透面21與水平面平行向上的示意圖，液相冷媒22受重力的影響流向低處，由於導熱毛細板19保持全周接近腔壁16，因此模組化半導體裝置10處在任一與水平面所構成的角度下，均能能將液相冷媒22吸引至導熱毛細板19上，如箭頭23或25所示，使模組化半導體裝置10在任何傾斜角度下均可使用。
如圖9所示，光學處理區域42包括腔壁16的部分區域，該部分區域具有光學處理單元41，例如位於腔壁16的內表面或外表面的光學反光層，以收斂、集合輻射能及/或光線。當半導體元件28為太陽能電池或熱-電半導體元件(熱-電產生器)時，穿過穿透面21進入容器12的輻射能及/或光線，經光學處理單元41反射而收斂、集合至半導體元件28的主動面17上，以作為發電裝置之用，藉由光學處理單元41的配置，可增加主動面17接收到的輻射能及/或光線。當半導體元件28為發光二極體時，該發光二極體工作時發出的光線經光學處理單元41反射而收斂、集合從穿透面21投射出光線，以作為投射照明之用。
在另一實施例中，容器12為玻璃容器，光學處理單元41包括位於腔壁16的內表面或外表面的半透明塗層，以擴散、漫射輻射能及/或光線。當半導體元件28為發光二極體時，該發光二極體工作時發出的光線經光學處理單元41擴散、漫射從腔室14穿透漫射出光線，以作為漫射照明之用，此時腔壁16對應穿透面21的區域具有半透明塗層位於腔壁16的內表面或外表面，該發光二極體工作時發出的光線經光學處理單元41及穿透面21的擴散、漫射，從腔室14經光學處理單元41及穿透面21漫射出光線。變化地，對相對於光學整理區域42及穿透面21的腔壁16的內表面或外表面，施以氰氟酸侵蝕或噴砂處理，使腔壁16對應光學整理區域42及穿透面21的區域成為具有半透明性質的粗糙表面特徵，以擴散、漫射該發光二極體工作時產生的光線。
圖10係本發明的第二實施例，模組化半導體裝置44的容器12為燈泡狀容器，穿透面21與水平面平行向下。模組化半導體裝置44包括由導熱單元46、導熱毛細板50及芯線48所構成的蒸發裝置45(參見圖11)位於腔室14中，其中導熱毛細板50及芯線48構成毛細單元，用以吸引液相冷媒22及無效液相冷媒30。如圖11所示，導熱單元46具有開孔52、複數個通孔54各連通開孔52以及溝槽56。參考圖10及11，芯線48的一端塞入開孔52中熱連接導熱單元46，另一端受重力自然下垂而接觸聚集在腔室14底部的液相冷媒22，藉毛細作用吸引液相冷媒14，如箭頭47所示，導熱毛細板50經由溝槽56與導熱單元46形成熱連接，導熱毛細板50的結構如圖4、5或6所示，其具有導熱及對液相冷媒14及無效液相冷媒30可毛細及潤濕的特性。半導體元件28配置在導熱單元46上與其形成熱連接，其主動面17不為液相冷媒22的液面所淹沒，導電線26電性連接半導體元件28，另一端穿過容器12作為供電或送電之用。半導體元件28工作時產生的熱經導熱單元46傳導至芯線48與其接觸的部位及導熱毛細板50，芯線48與導熱單元46接觸的部位上的液相冷媒22受導熱單元46加熱而蒸發為氣相冷媒32從通孔54逸出，因而將熱帶走，氣相冷媒32接觸到腔壁16釋放出潛熱而凝結成無效液相冷媒30，因而將熱傳遞至腔壁16，凝結在腔壁16上的無效液相冷媒30一部分被導熱毛細板50吸引而被再次蒸發，另一部分受重力影響回到腔室14的底部，成為液相冷媒22，再受芯線48的吸引而重複前述的熱循環，將半導體元件28工作時產生的熱不斷地傳遞至腔壁16，再藉自然或強制對流將熱散逸至環境空間。在一實施例中，芯線採用透明材料，例如玻璃或陶瓷纖維編織物，避免其遮蔽半導體元件28的主動面17。
如圖12所示，當模組化半導體裝置44的穿透面21與水平面成45度角向下時，容器12傾斜，芯線48的末端下垂至腔室14的底部而接觸液相冷媒22，將液相冷媒22吸引至芯線48上，箭頭58所示，因此模組化半導體裝置44的散熱功能不受影響。如圖13所示，當模組化半導體裝置44的穿透面21與水平面平行向上時，容器12的傾斜角度超過某臨界值，液相冷媒22聚集在頸部53，受導熱毛細板50吸引如箭頭59所示，半導體元件28工作時產生的熱經導熱單元46傳導至導熱毛細板50，使其上吸附的液相冷媒22蒸發而被帶走，因此模組化半導體裝置44的散熱功能仍能維持正常運作。此毛細單元組合芯線48及導熱毛細板50的配置，使模組化半導體裝置44在任何傾斜角度下均可使用。
圖14的模組化半導體裝置60係在圖10的實施例增加重物62懸掛在芯線48的末端，確保容器12在任何角度下，芯線48的一端均能接觸到聚集在腔室14底部的液相冷媒22。
圖15係本發明的第四實施例，在模組化半導體裝置61中，蒸發器包括導熱單元49及芯線48，導熱單元49具有桿狀凸出物51，芯線48的一端包覆在桿狀凸出物51的外面，與導熱單元49形成熱連接，芯線48的另一端懸掛重物62使其保持接觸聚集在腔室14底部的液相冷媒22，藉毛細作用吸引液相冷媒22向上如箭頭55所示。桿狀凸出物51，包括是金屬或複合材料製成的熱管或均熱板。
可根據需求調整容器12及蒸發器的形狀，例如在圖16的實施例中，模組化半導體裝置64包括管狀的容器57，其具有光學整理區域42，腔壁16包括穿透面21，腔室14中的蒸發器包括導熱單元66、芯線48及導熱毛細板68，其中芯線48及導熱毛細板68構成毛細單元，用以吸引液相冷媒22及無效液相冷媒30(參見圖18)。導熱單元66具有通孔69及複數個通孔73與通孔69相通，芯線48穿入通孔69中，因而與導熱單元66熱連接。芯線48的兩端部分下垂而接觸液相冷媒22，藉毛細作用吸引部分液相冷媒22由芯線48移動進入通孔69中。複數個導熱毛細板68將腔室14分隔成數個區域71，導熱毛細板68的結構如圖4、5或6所示，其具有導熱及對液相冷媒22可毛細及潤濕的特性。半導體元件28工作時產生的熱經導熱單元66傳導加熱與芯線48接觸的區域及導熱毛細板68，芯線48上的液相冷媒22吸收熱而蒸發為氣相冷媒32從通孔73逸出，因而將熱帶走，氣相冷媒32接觸到腔壁16釋放出潛熱在腔壁16上凝結成無效液相冷媒30(參見圖18)，因而將熱傳遞至腔壁16，凝結在腔壁16上的無效液相冷媒30(參見圖18)一部分被導熱毛細板68吸引而被再次蒸發，另一部分受重力影響回到腔室14的底部，成為液相冷媒22受芯線48的吸引而重複前述的熱循環，將半導體元件28工作時產生的熱不斷地傳遞至腔壁16，再藉自然或強制對流將熱散逸至環境空間。
圖17係導熱毛細板68的側視圖，圖18係圖16中局部區域72的放大圖。參考圖16、17及18，每個導熱毛細板68具有通孔75供芯線48穿過，以及複數個通孔74供氣相冷媒32在不同的區域71中流動，以維持可相變冷媒在腔室14中的液氣相動態平衡。導熱毛細板68中的毛細材料36或導熱板37接觸芯線48，因此也可以從芯線48吸引液相冷媒22到導熱毛細板68處蒸發。
圖19的模組化半導體裝置77係在圖16的實施例增加光學元件78，圖20係模組化半導體裝置77的側視圖。參考圖19及20，光學整理區域42包括一拋物面反射集光板76位於腔室14中，半導體元件28的主動面17以及光學元件78位於光學整理區域42內。當半導體元件28為太陽能電池或熱-電半導體元件(例如熱-電產生器)時，經穿透面21進入容器57的輻射能及/或光線經拋物面反射集光板76收斂、集合落在光學元件78上，經光學元件78進行集光、均光後進入主動面17作為發電裝置之用。此時拋物面反射集光板76作為輻射能及/或光線的收集器，以增加半導體元件28的主動面17接受到的輻射能及/或光線量，光學元件78包括光學透鏡，用以集中並均勻分散該輻射能及/或光線至主動面17，避免該輻射能及/或光線集中在主動面17上的局部區域，而導致半導體元件28損壞。當半導體元件28為發光二極體時，發光二極體工作時發出的光線經光學元件78作第一次收斂聚光，再由拋物面反射集光板76作第二次收斂、集合之後，從腔室14經穿透面21投射出光線，以作為投射照明之用。此時該發光二極體工作時發出的光線經拋物面反射集光板76作第二次收斂、集合以增加聚光效果。
應用在收集太陽光能時，如圖21所示，模組化半導體裝置80的穿透面21與水平面成45度角向上，使穿透面21面對太陽。在本實施例中，光學整理區域42包括腔壁16的部分區域，該部分區域具有光學處理單元41，例如位於腔壁16的內表面或外表面的光學反光層，將進入腔室14的太陽光收斂、集合至半導體元件28的主動面17上。如圖22所示，蒸發器84包括導熱單元82及位於頸部53作為毛細單元的導熱毛細板93，導熱毛細板93嵌入導熱單元82上的溝槽85而熱連接導熱單元82，導熱毛細板93的結構如圖4、5或6所示，其具有導熱及對液相冷媒22可毛細及潤濕的特性。模組化半導體裝置80為了接收太陽光而朝上，液相冷媒22聚集在頸部53，因此導熱毛細板93能維持接觸液相冷媒22並將其吸引至導熱毛細板93上，如箭頭86所示。
由於半導體元件28的面積小，為了使太陽光能聚集至半導體元件28的主動面17上，難以避免的在追日聚焦系統上各元件之間要求的高精確度及高造價成本。如圖21所示的模組化半導體裝置80，由於穿透面21具有較大的透光開口面對著太陽，以及腔壁16對應光學整理區域42的區域具有光學處理單元41(例如位於腔壁16內表面或外表面的光學反光層)，可將進入腔室14的太陽光收斂、集合至半導體元件28的主動面17上，因此降低追日聚焦系統在製造上各元件之間的精確度，節省造價成本。
圖23係本發明的第七實施例，在模組化半導體裝置90中，穿透面21與水平面成45度角向上，導熱單元94具有一平面95面對穿透面21，半導體元件28在平面95上與導熱單元形成熱連接，以及光學元件92在半導體元件28的主動面17之前，光學元件92包括光學透鏡，用以集中並均勻分散該輻射能及/或光線至主動面。從穿透面21進入腔室14的一次集光太陽光91經聚焦至焦點88附近，藉由光學元件92進行第二次集光、均光將一次集光太陽光91導入半導體元件28的主動面17。由於光學元件92的面積大於半導體元件28的主動面17的面積，因此從穿透面21進入腔室14的一次集光太陽光91經聚焦至焦點88附近，即使光學聚焦裝置的些微偏差，也能使大部份經聚焦至焦點88附近的一次集光太陽光91聚集至半導體元件28的主動面17上。此外，腔壁16對應光學整理區域42的區域具有光學處理單元41(例如位於腔壁16內表面或外表面的光學反光層)，能補捉一次集光太陽光91經聚焦至焦點88附近後進入光學元件92進行第二次集光、均光時的漫反射光，並進行第三次集光再投送至光學元件92以導入半導體元件28的主動面17。
如圖23所示之模組化半導體裝置90具有多重集光設計裝置，可降低模組化半導體裝置90在追日聚焦系統上各元件之間要求的精確度及造價成本。另外光學元件92除了具有第二次的光學聚焦作用外，也兼具將高度聚焦後的一次集光太陽光91均勻分散的落在半導體元件28的主動面17上，以避免高度聚焦後的一次集光太陽光91焦點的高溫燒燬半導體元件28。
10．．．模組化半導體裝置
12．．．容器
13．．．蒸發器
14．．．腔室
15．．．液面
16．．．腔壁
17．．．主動面
19．．．導熱毛細板
20．．．導熱單元
21．．．穿透面
22．．．液相冷媒
23．．．箭頭
24．．．箭頭
25．．．箭頭
26．．．導電線
28．．．半導體元件
30．．．無效液相冷媒
32．．．氣相冷媒
35．．．導熱材料
36．．．毛細材料
37．．．導熱板
38．．．表面
41．．．光學處理單元
42．．．光學整理區域
44．．．模組化半導體裝置
45．．．蒸發器
46．．．導熱單元
47．．．箭頭
48．．．芯線
49．．．導熱單元
50．．．導熱毛細板
51．．．桿狀凸出物
52．．．開孔
53．．．頸部
54．．．通孔
55．．．箭頭
56．．．溝槽
57．．．容器
58．．．箭頭
59．．．箭頭
60．．．模組化半導體裝置
61．．．模組化半導體裝置
62．．．重物
64．．．模組化半導體裝置
66．．．導熱單元
68．．．導熱毛細板
69．．．通孔
71．．．區域
72．．．局部區域
73．．．通孔
74．．．通孔
75．．．通孔
76．．．拋物面反光集光板
77．．．模組化半導體裝置
78．．．光學元件
80．．．模組化半導體裝置
82．．．導熱單元
84．．．蒸發器
86．．．箭頭
88．．．焦點
90．．．模組化半導體裝置
91．．．一次集光太陽光
92．．．光學元件
93．．．導熱毛細板
94．．．導熱單元
95．．．平面
圖1係根據本發明之模組化半導體裝置的第一實施例；
圖2係蒸發器的上視圖；
圖3係蒸發器的分解圖；
圖4係導熱毛細板結構的實施例；
圖5係導熱毛細板結構的實施例；
圖6係導熱毛細板結構的實施例；
圖7係圖1的模組化半導體裝置的穿透面與水平面成45度角向下的示意圖；
圖8係圖1的模組化半導體裝置的穿透面與水平面平行向上的示意圖；
圖9係穿透面與光學整理區域的示意圖；
圖10係根據本發明之模組化半導體裝置的第二實施例；
圖11係蒸發器的分解圖；
圖12係圖10的模組化半導體裝置的穿透面與水平面成45度角向下的示意圖；
圖13係圖10的模組化半導體裝置的穿透面與水平面平行向上的示意圖；
圖14係芯線懸掛重物的示意圖；
圖15係根據本發明之模組化半導體裝置的第三實施例；
圖16係根據本發明之模組化半導體裝置的第四實施例；
圖17係導熱毛細板的示意圖；
圖18係圖16的局部區域的放大圖；
圖19係根據本發明之模組化半導體裝置的第五實施例；
圖20係圖19的模組化半導體裝置的側視圖；
圖21係根據本發明之模組化半導體裝置的第六實施例；
圖22係蒸發器的分解圖；以及
圖23係根據本發明之模組化半導體裝置的第七實施例。
10．．．模組化半導體裝置
12．．．容器
14．．．腔室
15．．．液面
16．．．腔壁
17．．．主動面
19．．．導熱毛細板
20．．．導熱單元
21．．．穿透面
22．．．液相冷媒
24．．．箭頭
26．．．導電線
28．．．半導體元件
30．．．無效液相冷媒
32．．．氣相冷媒
42．．．光學整理區域

Claims (39)

  1. 一種強化散熱的模組化半導體裝置，包括：容器具有腔壁而形成腔室於其中，該腔壁具有穿透面使輻射能及/或光線能穿過該容器，以及該容器包含光學整理區域以收斂、集合或擴散、漫射該輻射能及/或光線；液相冷媒在該腔室中；蒸發器在該腔室中，該蒸發器的一部分接觸該液相冷媒，該液相冷媒受該蒸發器加熱而揮發成為氣相冷媒填充在該腔室中，在該腔壁上凝結恢復為該液相冷媒；具有主動面的半導體元件在該腔室中熱連接該蒸發器，該主動面曝露在該液相冷媒外；以及其中該蒸發器包括：導熱單元熱連接該半導體元件；以及毛細單元熱連接該導熱單元並接觸該液相冷媒，藉毛細作用吸引該液相冷媒移動到該毛細單元，受該導熱單元加熱而揮發成為氣相到該腔室中。
  2. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該腔壁包括玻璃材料、金屬材料或其結合。
  3. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該光學整理區域包括該腔壁的部分區域。
  4. 如請求項3的模組化半導體裝置，其中該部分區域包括具有氰氟酸侵蝕或噴砂處理過之粗糙表面的玻璃材料。
  5. 如請求項3的模組化半導體裝置，其中該部分區域包括表面具有半透明塗層的玻璃材料。
  6. 如請求項3的模組化半導體裝置，其中該部分區域具有光學反光層。
  7. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該光學整理區域包括位於該腔室中的拋物面反射集光板。
  8. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該穿透面包括具有氰氟酸侵蝕或噴砂處理過之粗糙表面的玻璃材料。
  9. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該穿透面包括表面具有半透明塗層的玻璃材料。
  10. 如請求項1的模組化半導體裝置，更包括光學元件位於該腔室中，以集中並均勻分散該輻射能及/或光線至該主動面。
  11. 如請求項10的模組化半導體裝置，其中該光學元件包括光學透鏡。
  12. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該液相冷媒包括水、甲醇、乙醇、丙酮、氨水、氟氯碳化合物或其任二者或更多的混合物。
  13. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該導熱單元 包括熱管或均熱板。
  14. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該毛細單元包括導熱毛細板，其具有由導熱材料與毛細材料交互堆疊形成的三明治結構，該導熱材料熱連接該導熱單元，該毛細材料接近該腔壁。
  15. 如請求項14的模組化半導體裝置，其中該導熱毛細板包括複數個通孔供該氣相冷媒通過。
  16. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該毛細材料包括對該液相冷媒具有可毛細及潤濕的網狀物、顆粒粉末或纖維編織物。
  17. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該毛細單元包括導熱板熱連接該導熱單元及接近該腔壁，該導熱板具有對該液相冷媒可毛細及潤濕之溝槽、刻痕或粗糙化的表面。
  18. 如請求項17的模組化半導體裝置，其中該導熱板包括複數個通孔供該氣相冷媒通過。
  19. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該毛細單元包括：芯線具有第一部分熱連接該導熱單元，以及第二部分下垂至該液相冷媒，因而藉毛細作用吸引該液相冷媒移動到該第一部分；以及導熱毛細板，其具有由導熱材料與毛細材料交互堆疊 形成的三明治結構，該導熱材料熱連接該導熱單元，該毛細材料接近該腔壁，藉毛細作用吸引該腔壁上的液相冷媒。
  20. 如請求項19的模組化半導體裝置，其中該毛細材料接觸該芯線。
  21. 如請求項19的模組化半導體裝置，其中該導熱單元具有第一通孔供該芯線的第一部分塞入其中，以及複數個第二通孔各連通該第一通孔供受熱揮發的冷媒逸出。
  22. 如請求項19的模組化半導體裝置，其中該導熱單元具有桿狀凸出物，其一部份被該芯線的第一部分包住。
  23. 如請求項19的模組化半導體裝置，其中該導熱毛細板包括複數個通孔供該氣相冷媒通過。
  24. 如請求項19的模組化半導體裝置，其中該毛細材料包括對該液相冷媒具有可毛細及潤濕的網狀物、顆粒粉末或纖維編織物。
  25. 如請求項19的模組化半導體裝置，其中該芯線包括對該液相冷媒具有可毛細及潤濕的網狀物、顆粒粉末或纖維編織物。
  26. 如請求項19的模組化半導體裝置，其中該芯線包括對該液相冷媒具有可毛細及潤濕的玻璃或陶瓷的纖維編織物。
  27. 如請求項19的模組化半導體裝置，更包括重物附 在該芯線的第二部分，因而受重力驅使而拉引該芯線的第二部分保持接觸該液相冷媒。
  28. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該毛細單元包括：芯線具有第一部分熱連接該導熱單元，以及第二部分下垂至該液相冷媒，因而藉毛細作用吸引該液相冷媒移動到該第一部分；以及導熱板熱連接該導熱單元及接近該腔壁，該導熱板具有對該液相冷媒可毛細及潤濕之溝槽、刻痕或粗糙化的表面。
  29. 如請求項28的模組化半導體裝置，其中該導熱板接觸該芯線。
  30. 如請求項28的模組化半導體裝置，其中該導熱單元具有第一通孔供該芯線的第一部分塞入其中，以及複數個第二通孔各連通該第一通孔供受熱揮發的冷媒逸出。
  31. 如請求項28的模組化半導體裝置，其中該導熱單元具有桿狀凸出物，其一部份被該芯線的第一部分包住。
  32. 如請求項28的模組化半導體裝置，其中該導熱板包括複數個通孔供該氣相冷媒通過。
  33. 如請求項28的模組化半導體裝置，其中該芯線包括對該液相冷媒具有可毛細及潤濕的網狀物、顆粒粉末或纖維編織物。
  34. 如請求項28的模組化半導體裝置，其中該芯線包括對該液相冷媒具有可毛細及潤濕的玻璃或陶瓷的纖維編織物。
  35. 如請求項28的模組化半導體裝置，更包括重物附在該芯線的第二部分，因而受重力驅使而拉引該芯線的第二部分保持接觸該液相冷媒。
  36. 如請求項1的模組化半導體裝置，其中該半導體元件包括太陽能電池、發光二極體或熱-電產生器。
  37. 如請求項1的模組化半導體裝置，更包括隔離物覆蓋隔離該半導體元件，使其不接觸該液相或氣相的冷媒。
  38. 如請求項37的模組化半導體裝置，其中該隔離物包括環氧樹脂或矽膠用以水密灌注封裝該半導體元件。
  39. 如請求項1的模組化半導體裝置，更包括導電線電性連接該半導體元件，且穿過該容器。
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