CN201383911Y - 散热模块及其应用的电气装置 - Google Patents

Abstract

一种散热模块及其应用的电气装置，该散热模块与至少一发热组件搭配应用，此散热模块包含一热电致冷组件以及一导热组件。热电致冷组件具有一热表面与一冷表面，其中，冷表面与发热组件电气连接，而导热组件则与热表面接触。其中，上述热电致冷组件的材质包含有硅元素及至少一种过渡金属元素。可藉由热电致冷与热传导的机制将发热组件所产生的热能以解离排放搭配传导的热传递方式，使热能得以快速且有效地逸散。

Description

散热模块及其应用的电气装置

技术领域：

本实用新型涉及一种散热结构，特别是指一种散热模块及其应用的电气装置。

背景技术：

由于目前的电子组件经常在较高的操作频率下进行，因此，伴随而产生的热能量是相当地可观，举例而言，已知电子组件的至少一表面与电路基板(例如：主机板)为直接接触，因此当电子组件作动而产生热能时，除了藉由邻设于电子组件的散热组件以协助热能的逸散之外，仍必须透过电路基板以进行散热，然而，众所周知地，电路基板的导热速率并不良好，因而导致电子组件在操作时经常发生因热量累积而造成的电性失效问题。

针对上述的问题，已知技术中已开发出一种热电致冷的技术，以应用在冷却小型电子组件(例如：镭射二极管电荷耦合组件)的操作温度，然而此项技术却因为热电致冷器(Thermoelectric Cooler)必须藉由外部供给直流电源，使其产生热冷却效应，同时又需于放热端连接一散热器或导热片，方可将电子组件所产生的热能导出至外界，而当电子组件的数量增加，或是当电子组件因为较高的操作频率而导致更多热能的产生时，已知的热电致冷器甚至必须加装强制散热的机制(例如：电风扇)以强制冷却，否则电子组件将会因为热衰变(degradation)的问题，而导致组件的失效。

有鉴于上述已知技术所遭遇到的技术瓶颈，本实用新型揭露一种散热模块及其应用的电气装置，其可将发热组件所产生的热能快速且有效地逸散至外界环境，避免发热组件因为过多的热蓄积而导致组件发生热衰变的问题。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题是：针对上述现有技术的不足，提供一种散热模块及其应用的电气装置，其可藉由热电致冷与热传导的机制将发热组件所产生的热能以解离排放搭配传导的热传递方式，使热能得以快速且有效地逸散。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种散热模块，其与至少一发热组件搭配应用，其特点是：所述散热模块包含：一热电致冷组件，其具有一热表面与一冷表面，该热电致冷组件的该冷表面与该发热组件电气连接；以及一导热组件，其与该热电致冷组件的该热表面接触。

本实用新型采用的一种电气装置，其包含至少一发热组件、一热电传导电路、一散热模块，该散热模块与该发热组件搭配应用，其特点是：所述散热模块包含：一热电致冷组件，其具有一热表面与一冷表面，该热电致冷组件的该冷表面布设该热电传导电路，并藉由该热电传导电路以与该发热组件电气连接；以及一导热组件，其与该热电致冷组件的该热表面接触。

如此，该散热模块及其应用的电气装置可将发热组件所产生的热能同时透过热电致冷与传导两种不同的导热机制，以确保与发热组件连结的该表面具有较低的温度，而发热组件所产生的大部分的热能均藉由与导热组件接触的热表面以传递至导热组件，再藉由导热组件以逸散热能。与已知技术相较，本实用新型可利用半导体材料所构成的热电致冷组件，在无须额外提供电力(直流电源)的前提下，透过热、电相互转换的效果以达到快速且有效的散热效果，使发热组件得以在较低的温度环境中进行操作。

附图说明：

图1是本实用新型散热模块的实施状态示意图。

图2是本实用新型的电气装置应用于一种发光装置的实施状态示意图。

标号说明：

10：导热组件      20：热电致冷组件

30：发热组件      30’：发光组件

40：热电传导电路  401：第一电路

402：第二电路     50：外壳体

60：电源供应器    70：反射罩

CS：冷表面        HS：热表面

L：发光装置       M：散热模块

具体实施方式：

由于电子组件在高频率或长时间的操作下，会伴随产生相当可观的热能量，若无法有效且快速地将此些热能逸散，一旦发生热蓄积的问题时，电子组件则可能因为所处环境的温度过高、或其本身的温度过高而导致热衰变的问题。因此，本实用新型为解决上述的困难，揭露一种散热模块及其应用的电气装置，其可提供有效且快速的散热机制。

首先，请参照图1所示，其为本实用新型的散热模块的实施状态示意图。于此所揭露的散热模块包含一热电致冷组件20以及一导热组件10。热电致冷组件20具有一热表面HS与一冷表面CS，其中，冷表面CS与发热组件30电气连接，而导热组件10则与热表面HS接触。其中，为使热电致冷组件20与发热组件30能够电气连接，在热电致冷组件20与发热组件30之间布设

有一热电传导电路40；另外，上述的导热组件10的材质可为金属或合金。

上述的热电致冷组件20为半导体热电致冷组件20，其材质包含有硅元素及至少一种过渡金属元素，且为了提高电热致冷组件的效能，所有的材料都必须经过纳米微细化均质处理，并经过高温烧结制程以形成低维度超晶格的结构体，不过，为使上述的材料能够适用于各种不同的应用领域，其可藉由高压压模方式以成型，举例来说，其外观的规格尺寸可呈现方形、圆形或其它非特定的形状。

而图1所揭露的热电致冷组件20在电气特性上，包含以下的特性：

(一)所能承受的崩溃电压(breakdown voltage)大于200伏特/毫米；

(二)介电常数(permittivity)小于等于12皮法；

(三)突波电流(surge current)的容许值大于15000安培；

(四)在定放电状态下，静电耐受能力大于10000伏特；

(五)热功率(thermal power，α)大于470。

而承上，热电致冷组件20在物理特性上，则包含以下的特性：

(一)绝缘性大于等于10⁹欧姆；

(二)吸水率不大于0.02％；

(三)密度大于等于3.96克/立方厘米；

(四)莫氏硬度大于等于9；

(五)表面粗糙度介于1至100纳米之间。

根据上述的电气与物理特征可知，本实用新型所揭露的热电致冷组件20的操作温度区间相当大，且由于具有高硬度的特性，因此，本实用新型的热电致冷组件20可承受相当强大的外力冲击且不易发生破裂的情形，此外，于此所揭露的热电致冷组件20更具有抗紫外线的特性。

另，众所周知地，热电致冷组件20的性能指针可参照其热电优值(figure of merit，Z)的大小，换言之，热电致冷组件20的热电优值越高，则表示该热电致冷组件20的散热效果越佳。以下则是以式(1)表示出热电优值：

Z＝α²σ/K(1)

其中，α为热电致冷组件20的热功率，σ为热电致冷组件20的导电性(electricconductivity)，K则为热电致冷组件20的导热性(thermal conductivity)。

基于式(1)所示可知，若欲得到较高的热电优值Z，则热电致冷组件20必须具有较高的热功率α与导电性σ，但导热性K则不宜太高，换言之，理想的热电致冷组件20必须具备高

导电性以及很差的导热性。不过，对于市面上广泛采用的散热材料多以铜、铝或其合金为主，因此，所制作出的散热结构(例如：散热片或导热管等)的热电效应，通常因为铜、铝分子内的价能带和传导带重叠，因而导致电子和电洞相互抵消，故此种以金属为主要材料的散热结构的热功率值极低，也因此，所能达成的热电转换效率普遍偏低，只适合应用以做为热能的传导件。

然而，反观本实用新型所揭露的热电致冷组件20，其主要的构成材质包含有硅元素及过渡金属元素，因此，可藉由内部电子的自旋作用而提升热电致冷组件20的热功率。更详细来说，在热电致冷组件20的组成成分中，藉由离子(ion)和离子价(ion valence)不同的离子化合物以进行置换、熔化等反应，藉以控制半导体材料进行热、电两种不同能量转换的作用，因此，本实用新型所揭露的热电致冷组件20可藉由电子(或电洞)在晶体内活动的自由度提高，而对应地增加热电致冷组件20的导电度。故，与已知以金属为主材料的散热结构比较，本实用新型所揭露的热电致冷组件20具有极高的热功率及导电性，自然，热电致冷组件20的热电优值大于已知金属材料所构成的散热结构的热电优值。

值得注意的是，本实用新型所揭露的热电致冷组件20更可藉由掺混在半导体晶体结构中的杂质，以支配电洞(或电子)在晶格间的浓度，使热电致冷组件20的导电度不易遭受气体压力的影响。再，由于本实用新型所揭露的热电致冷组件20属于一种半导体热电致冷组件20，因此可藉键结力较强的共价键以组成层状结构，所以可发挥阻碍传热的效果，进而大幅提升热电致冷组件20的热电优值。

另外，上述形成于热电致冷组件20与发热组件30之间的热电传导电路40可藉由直接布设的方式以形成于热电致冷组件20的冷表面CS上，举例来说，是可先在热电致冷组件20的冷表面CS上布设第一电路401(例如：银电路)，并再于第一电路401上以电镀的方式以镀上第二电路402，其中第二电路402的构成材质可依照不同的应用而选自于镍、锡、其它金属或合金材料。是以，于此所揭露的热电传导电路40具有低电阻的特性，故可在热电致冷组件20与发热组件30之间提供一相当良好的欧姆接触界面，同时，更可藉由不同材质所构成的第二电路402，例如：镍或锡，以提供良好的焊接界面。

是以，当发热组件30(例如：发光二极管的P/N接面)在操作而产生电压(例如：发光二极管的P/N接面所产生的顺向电压)时，由于电子和电洞的结合而产生出的热能，将经由热电传导电路40而移转给热电致冷组件20，此时，对于热电传导电路40和热电致冷组件20中所包含的两种(或两种以上)不同的金属而言，透过互相紧密接合的电性连接关系而形成一闭电路的温度差，并藉以产生热电动势，而使得电流在热电致冷组件20内部流通，再利用热电致冷组件20可透过吸收热以产生特定方向的电流的特性，使热电致冷组件20的冷表面CS的温度大幅降低并达到控温的目的，因此可遏止发热组件30发生热衰变的问题。

再，本实用新型更提出一种电气装置，此电气装置包含有至少一发热组件、一热电传导电路以及一散热模块，此散热模块包含一热电致冷组件以及一导热组件。热电致冷组件具有一热表面与一冷表面，其中，冷表面布设热电传导电路，使热电致冷组件得藉由热电传导电路以与发热组件电气连接，而导热组件则与热表面接触。且，上述的热电致冷组件的材质包含有硅元素及至少一种过渡金属元素。

由于有关热电致冷组件的材质、电气特性以及物理特性均已详述于上，于此将不再赘述。不过，为使本实用新型所揭露的电气装置更为具体，以下则将以一种发光装置为例以说明本实用新型的电气装置，也就是上述的发热组件是以发光组件为例说明，但，以下所举的实施例仅为本实用新型的一种状态，并非用以限制本实用新型的范围。

请参照图2所示，其为本实用新型的电气装置应用于一种发光装置的实施状态图。此发光装置L包含有至少一发光组件30’、一热电传导电路(图未示)以及一散热模块M，此散热模块M包含一热电致冷组件20以及一导热组件10。热电致冷组件20具有一热表面(图未示)与一冷表面(图未示)，其中，冷表面布设热电传导电路，使热电致冷组件20得藉由热电传导电路以与发光组件30’电气连接，而导热组件10则与热表面接触。且，本实施例中所揭露的热电致冷组件20的材质亦包含有硅元素及至少一种过渡金属元素，且其电气与物理特性业已详述于上，故以下仅详述发光装置L的结构。

根据图2所示的发光装置L可知，此发光装置L为一灯具(例如：路灯)，其中的发光组件30’设置于热电致冷组件20的冷表面上，且发光组件30’可为已封装完成的发光件或是尚未封装的发光芯片，于此则是已封装完成的发光件为例说明；而发光组件30’与热电传导电路的电气连接方式可选自于覆晶接合方式、打线接合方式或是其它任何电性连接的方式均可，于此则是以覆晶接合方式为例说明。

值得注意的是，图2所揭露的发光装置L中，导热组件10更与发光装置L的外壳体50(例如：灯罩)直接连结为一体的结构，且当外壳体50的表面形成有金属层，或是甚至外壳体50的材质即为金属时，外壳体50亦可扮演辅助散热的角色。

另外，上述的发光装置L更包含有电源供应器60与反射罩70，其中电源供应器60可供应电力予发光组件30’，同时因为不同的应用环境，电源供应器60更具有防水、防尘等设计，而反射罩70则是与发光组件30’及一透光灯罩(图未示)对应设置，使得发光组件30’产生出的光线能够集中地射出，此反射罩70的材料可为高纯度的铝所构成，并且为了使反射效果更佳，反射罩70的表面可在抛光后再经由阳极反应处理。

是以，对于本实施例中所揭露的发光装置L而言，发光组件30’在发光过程中所产生的大部分热能可透过热电致冷组件20以热解离的方式排放，同时更藉由热电致冷组件20与导热组件10的连接关系，以使剩余的热能透过热传导的方式逸散，另，当外壳体50的全部或局部结构为由可散热的材质所构成时，则更可透过外壳体50以做为辅助来加速热能的逸散，因此，可确保发光装置L的稳定度和安全性。

当然，虽然上述系以发光装置为例说明，不过本实用新型所揭露的电气装置并不限于发光装置，而可为任何一种常见的电子装置，举例来说，电气装置中的发热组件除了可为发光组件之外，亦可为中央处理器、运算芯片等具有较高操作频率、操作温度较高的电子组件。

承上所述，本实用新型所揭露的散热模块及其应用的电气装置可将发热组件所产生的热能同时透过热电致冷与传导两种不同的导热机制，以确保与发热组件连结的该表面具有较低的温度，而发热组件所产生的大部分的热能均藉由与导热组件接触的热表面以传递至导热组件，再藉由导热组件以逸散热能。与已知技术相较，本实用新型可利用半导体材料所构成的热电致冷组件，在无须额外提供电力(直流电源)的前提下，透过热、电相互转换的效果以达到快速且有效的散热效果，使发热组件得以在较低的温度环境中进行操作。

以上所述仅为举例性，而非为限制性。任何未脱离本实用新型的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的申请专利范围中。

Claims (25)

1.一种散热模块，其与至少一发热组件搭配应用，其特征在于：所述散热模块包含：

一热电致冷组件，其具有一热表面与一冷表面，该热电致冷组件的该冷表面与该发热组件电气连接；以及

一导热组件，其与该热电致冷组件的该热表面接触。

2.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件为半导体热电致冷组件。

3.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件的崩溃电压大于200伏特/毫米。

4.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件的介电常数小于等于12皮法。

5.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件的突波电流大于15000安培。

6.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件的热功率大于470。

7.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件的绝缘性大于等于10⁹欧姆。

8.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件的吸水率不大于0.02％。

9.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件的密度大于等于3.96克/立方厘米。

10.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件的莫氏硬度大于等于9。

11.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件的表面粗糙度介于1至100纳米之间。

12.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述热电致冷组件与该发热组件之间布设有一热电传导电路。

13.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于：所述导热组件由金属或合金制成。

14.一种电气装置，其包含至少一发热组件、一热电传导电路、一散热模块，该散热模块与该发热组件搭配应用，其特征在于：所述散热模块包含：

一热电致冷组件，其具有一热表面与一冷表面，该热电致冷组件的该冷表面布设该热电传导电路，并藉由该热电传导电路以与该发热组件电气连接；以及

一导热组件，其与该热电致冷组件的该热表面接触。

15.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述热电致冷组件为半导体热电致冷组件。

16.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述热电致冷组件的崩溃电压大于200伏特/毫米。

17.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述热电致冷组件的介电常数小于等于12皮法。

18.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述热电致冷组件的突波电流大于15000安培。

19.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述热电致冷组件的热功率大于470。

20.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述热电致冷组件的绝缘性大于等于10⁹欧姆。

21.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述热电致冷组件的吸水率不大于0.02％。

22.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述热电致冷组件的密度大于等于3.96克/立方厘米。

23.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述热电致冷组件的莫氏硬度大于等于9。

24.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述热电致冷组件的表面粗糙度介于1至100纳米之间。

25.如权利要求14所述的电气装置，其特征在于：所述导热组件由金属或合金制成。

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