JP2008042121A - 熱伝導基板とその製造方法及びこれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の熱伝導基板は、パワー素子に発生した熱を、電極を介して、絶縁層や金属板に放熱していたため、電極以上の熱伝導を実現することができず、またシート状黒鉛層をエラストマー層で保護してなる熱伝導シートを併用して、必要な放熱性が得られない場合があった。
【解決手段】金属板１３の上に、シート状の伝熱樹脂層１２を介して、その一部にシート状の炭素系高熱伝導層１１を接着剤１６で接着したリードフレーム１０を形成し、前記リードフレーム１０の上に、放熱が求められるパワー素子１５を実装することで、パワー素子１５に発生した熱を放熱する際に、放熱（あるいは熱伝導）に際してリードフレーム１０と炭素系高熱伝導層１１を併用することで、その放熱性を高める。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器（プラズマディスプレイを含む）の電源回路等の大電力回路等や、ＬＥＤ等を用いたバックライトや表示装置等の電子機器に使用される熱伝導基板とその製造方法及びこれを用いた電子機器に関するものである。

近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に伴い、大電流や放熱が要求される半導体等の電子部品も高密度実装することが要求されている。そしてこれら放熱が必要とされるパワートランジスタや高輝度ＬＥＤ（ＬＥＤは発光ダイオードの略）等のパワー素子（あるいは電子部品）を、高密度に実装するには、優れた放熱性が要求される。そして、こうした放熱が要求される電子部品は、放熱性の高い回路基板（以下、熱伝導基板と呼ぶ）の上に実装することで、電子部品に発生した熱を拡散することが行われている。またこうした熱伝導基板は、ＬＥＤ等を用いたバックライト、照明、あるいは前記バックライトを用いた液晶テレビに用いられている。

図９（Ａ）、（Ｂ）は、従来の熱伝導基板の斜視図及び斜視断面図である。図９（Ａ）は熱伝導基板の斜視図である。図９（Ａ）において、電極１は、金属板３の上に接着した絶縁層２に埋め込まれている。図９（Ｂ）は、熱伝導基板の斜視断面図であり、図９（Ｂ）において、電極１の上に実装されたパワー素子４に発生した熱は、矢印５に示すように、パワー素子４から電極１、絶縁層２を介して金属板３に放熱される。

しかし従来の熱伝導基板では放熱性（あるいは熱伝導性）を高めるには、電極１の厚みや金属板３を厚くしたり、絶縁層２の厚みを薄くする必要がある。しかし絶縁層２の厚みを薄くしすぎると、電極１と金属板３の絶縁抵抗に影響を与える可能性がある。また電極１や金属板３の厚みを厚くした場合、熱伝導基板が重くなってしまう。更に電極１を構成する金属材料として、より熱伝導率の高い部材を選ぼうとしても、アルミニウムで２３６Ｗ／（ｍ・Ｋ）、銅で３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と、材料的な限界が有った。

一方で、そのため軽量化が要求される場合、熱伝導シートを併用することが考えられる。次に熱伝導シートについて説明する。

図１０（Ａ）、（Ｂ）は、熱伝導シートの上面図及び断面図である。図１０（Ａ）は熱伝導シートの上面図であり、図１０（Ａ）において、シート状黒鉛層６には、複数個の孔７を形成している。図１０（Ｂ）は、熱伝導シートの断面図である。図１０（Ｂ）において、シート状黒鉛層６の表面には、エラストマー層８が形成されており、前記シート状黒鉛層６に形成した孔７には、前記エラストマー層８の一部が充填されている。ここでエラストマー層８を用いる理由は、シート状黒鉛層６が脆い（機械的強度が低い）ため、これを保護する目的である。しかしエラストマー層８の厚みを厚くした場合、熱吸収（発熱体からエラストマー層８を介してシート状黒鉛層６へ熱が移動すること）と熱放出（シート状黒鉛層６からエラストマー層８を介して外部へ熱を放出すること）を低下させる可能性がある。そのためエラストマー層８の厚みは薄いことが望ましいが、エラストマー層８の厚みを薄くした場合、シート状黒鉛層６に対する保護効果や電気的絶縁性が低下する可能性がある。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１、特許文献２が知られている。
特開２００１−５７４０８号公報 特開２００１−３５８２６４号公報

従来の熱伝導基板では、電極１として用いる金属材料以上に熱伝導率を高めることができなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電極層として、リードフレームを用い、更に炭素系高熱伝導層を併用することで、従来のリードフレームだけでは得られなかった高放熱性、更には熱拡散性によるホットスポットの拡大（あるいはホットスポット領域での最大温度の低下）が実現できる熱伝導基板とその製造方法及び電子機器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明は、金属板と、前記金属板の上に固定したシート状の伝熱樹脂層と、前記伝熱樹脂層に、その一表面が露出する状態で埋め込まれたリードフレームと、一部の前記リードフレームの前記伝熱樹脂層側に、接着剤を用いて接着したシート状の炭素系高熱伝導層と、からなる熱伝導基板であって、前記炭素系高熱伝導層は、リードフレームと電気的に絶縁した状態で前記伝熱樹脂層に埋め込んでいる熱伝導基板である。

このような構成によって、パワートランジスタ等のパワー素子（あるいは電子部品）に発生した熱は、リードフレームを介する放熱と共に、炭素系高熱伝導層を介した放熱を併用することができ、リードフレームの薄層化や熱伝導基板の軽量化を実現する。

更にリードフレームと炭素系高熱伝導層を併用することで、発熱電子部品の周辺に発生するホットスポットの面積を広げられると共に、ホットスポット面積中での最高温度を下げられるため、パワー素子（あるいは電子部品）の熱影響を抑えられる。

その結果、この熱伝導基板を用いた電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器、電子機器及び照明装置等の小型化、高寿命化を実現する。

以上のように本発明によれば、熱伝導基板の更なる高放熱化（高熱伝導化）、あるいはそれに伴う熱伝導基板の薄層化や軽量化を実現するものである。そしてこの熱伝導基板を用いることで、各種電子部品の熱影響を抑えられ、電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器、電子機器及び照明装置等の電子機器の小型化、軽量化、高寿命化を実現する。

なお本発明の実施の形態に示された一連の製造工程は、成形金型を用いて行われる。但し説明するために必要な場合以外は、成形金型は図示していない。また図面は模式図であり、各位置関係を寸法的に正しく示したものではない。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態における熱伝導基板について、図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ）、（Ｂ）は、本実施の形態における熱伝導基板の断面斜視図である。図１（Ａ）、（Ｂ）において、１０はリードフレーム、１１は炭素系高熱伝導層、１２は伝熱樹脂層、１３は金属板、１４は矢印、１５はパワー素子、１６は接着剤である。

図１（Ａ）において、金属板１３の上には、シート状の伝熱樹脂層１２を固定している。そして前記シート状の伝熱樹脂層１２には、リードフレーム１０を、その一表面が露出する状態で埋め込んでいる。また前記リードフレーム１０の下部には、炭素系高熱伝導層１１を部分的に、接着剤１６を用いて接着している（なお図１（Ａ）、（Ｂ）においては、接着剤１６は点状、あるいは線状に接着している（なお接着は、取り外し可能な仮止め程度でも良い。この理由は図５（Ａ）等で後述する伝熱樹脂層１２の圧縮応力を活かすためである）。この詳細については図２（Ａ）、（Ｂ）、図３（Ａ）、（Ｂ）で説明する）。そして前記炭素系高熱伝導層１１と前記金属板１３とは、電気的に絶縁した状態で伝熱樹脂層１２に埋め込んでいる。このように、炭素系高熱伝導層１１の一部を、接着剤１６を介することなく、前記リードフレーム１０に直接、密着させる（あるいは固定させる）ことで、接着剤１６の影響を減らせる。

図１（Ｂ）は、パワー素子を実装した後の熱伝導基板の断面斜視図である。図１（Ｂ）において、パワー素子１５は、リードフレーム１０の上に実装している（なおパワー素子１５をリードフレーム１０の上に接着している半田等は図示していない）。そしてパワー素子１５に発生した熱は、矢印１４に示すように、リードフレーム１０を介して、熱伝導基板のＸＹ方向（平面方向）に広がる。このようにしてパワー素子１５に発生した熱は、矢印１４に示すように、熱伝導基板のＺ方向（厚み方向）に広がる。このようにしてパワー素子１５に発生した熱は、リードフレーム１０から炭素系高熱伝導層１１に（一部はリードフレーム１０から炭素系高熱伝導層１１に直接、一部はリードフレーム１０から接着剤１６を介して炭素系高熱伝導層１１に）伝わり、シート状の炭素系高熱伝導層１１をそのシート方向（ＸＹ方向、あるいは平面方向）に広がる。更にシート状の炭素系高熱伝導層１１に伝わった熱は、リードフレーム１０や、伝熱樹脂層１２に伝わる。このようにしてパワー素子１５に発生した熱は、リードフレーム１０と、炭素系高熱伝導層１１を併用しながら伝える。

ここで炭素系高熱伝導層１１を構成する部材としては、シート状黒鉛層を使うことが望ましい。ここでシート状黒鉛とは、グラファイトで代表される一連の炭素類であり、六員環網状平面を有するものであり、こうした六員環網状平面の炭素の層が、van der Waals力によって並行に積み重なったものである。こうしたシート状黒鉛としては、ポリイミド樹脂やポリアミドイミド樹脂等の高い耐熱性を有する高分子材料を用いたフィルムを高温で熱処理して作成したグラファイトシートを用いることが望ましい。こうしたグラファイトシートは、例えば厚み５０μｍの５０ｃｍ角のポリイミドフィルム（Ｄｕｔｐｏｎ社製カプトンフィルム）を、１０００℃で予備熱処理した後、３０００℃で熱処理することで作成できる。そしてこれらグラファイトシートの熱伝導度は、７５０〜１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度である。そのためリードフレーム１０に熱伝導性の高い銅（熱伝導率３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高いものが得られる。なお本実施の形態において、炭素系高熱伝導層１１の熱伝導率は、リードフレーム１０と同等、もしくはそれより熱伝導率が高いものを用いることが望ましい。そしてリードフレーム１０と炭素系高熱伝導層１１を併用することで、リードフレーム１０の熱伝導率を高められる。

なお炭素系高熱伝導層１１を構成する炭素系部材は、グラファイトシート以外に、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、膨張黒鉛、カーボンナノコイル等を用いても良い。ここでカーボンナノコイルとは、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーが、コイル状（螺旋状）になったものであり、アセチレン等の熱分解によって製造される直径数μｍのコイル状炭素繊維である。また炭素繊維は、炭素繊維を一方向に揃えて配列させたもの、あるいは平織、綾織、朱子織等の織布にした二次元配向させたもの、あるいは立体織したものを使うことができる。このような炭素系部材は、導電性を有するためリードフレーム１０の配線抵抗を低下させる効果も期待できる。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、熱伝導基板に用いる炭素系高熱伝導層の表面に塗布した接着剤の塗布パターンの一例について説明する断面斜視図である。図２（Ａ）は、図１（Ａ）におけるリードフレーム１０を剥離した状態（表面に接着剤１６を残した状態）、図２（Ｂ）は表面の接着剤１６も除去した状態（例えば、厚み方向に研磨した状態）を示す。図２（Ａ）より、炭素系高熱伝導層１１の表面には、接着剤１６が、ベタではなくて、複数本の線状（あるいは点状、市松状、格子状）に塗布している。このように、炭素系高熱伝導層１１の表面に、積極的に接着剤１６の塗布されていない部分を形成することで、炭素系高熱伝導層１１とリードフレーム１０との接触面積を増加させることができる（詳細については、図５（Ａ）等で説明する）。こうして、熱伝導基板の放熱性を高めている。なお接着剤１６の一本の塗布幅は０．０１ｍｍ以上（望ましくは０．１ｍｍ以上）が望ましい。０．０１ｍｍより塗布幅を狭くすることは作業性に影響を与える。なお接着剤１６を点状に形成する場合、点の直径は０．０１ｍｍ以上（望ましくは０．１ｍｍ以上）が望ましい。これより小さい場合、接着力に課題が残る場合がある。また接着剤の厚みは０．２ｍｍ以下（望ましくは０．１ｍｍ以下、更に望ましくは０．０５ｍｍ以下）が望ましい。接着剤の厚みが０．２ｍｍ以上の場合、熱伝導基板の総厚や熱伝導性に影響を与える場合がある。

図３（Ａ）、（Ｂ）は、炭素系高熱伝導層の表面に接着剤を塗布する様子を説明する斜視図である。図３（Ａ）は、接着剤を塗布する前の炭素系高熱伝導層の斜視図である。図３（Ｂ）は、接着剤を塗布している途中の斜視図である。図３（Ｂ）において、１７は塗布手段、１８は塗布装置である。塗布装置１８としては、描画装置、あるいは印刷装置を、塗布手段１７として描画ヘッド、あるいはスクリーン版等を選ぶことができる。そして塗布手段１７を用いて、所定の接着剤１６を所定パターン状に形成する。

ここで炭素系高熱伝導層１１としては、厚み１０μｍ以上３００μｍ以下（更に望ましくは２００μｍ以下、更に望ましくは１００μｍ以下が望ましい。厚みが１０μｍ未満の場合、放熱効果が得られにくい場合がある。また厚みが３００μｍを超えると、熱伝導基板の厚みが増加したり、炭素系高熱伝導層１１が高価になる。なお本実施の形態で、炭素系高熱伝導層１１を、一部のリードフレーム１０に密着するように接着しているのは、炭素系高熱伝導材料を、放熱が必要な（あるいは後述するホットスポット対策であり、リードフレーム１０だけでは対応が難しい）場所だけに局所的に限定して使用するものである。こうして熱伝導基板のコストアップを抑える。

また接着剤１６としては、市販のもの（金属粉やグラファイト粉等の熱伝導性の高い粉末を、エポキシ樹脂等に分散させたもの）を用いることができる。なお接着剤１６には熱伝導率の高いものを選ぶことが望ましいが、更に図３（Ｂ）等に示すように、炭素系高熱伝導層１１の表面を積極的に露出させることが望ましい（これは図５（Ａ）で後述するように、伝熱樹脂層１２に発生した応力を利用して、炭素系高熱伝導層１１とリードフレーム１０を直接、密着した状態で接着させるためである）。

次に図４〜図５を用いて、伝熱基板の製造方法の一例について、図面を用いて説明する。図４（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態における伝熱基板の製造方法を説明する断面図である。図４（Ａ）〜（Ｃ）において、１９は伝熱樹脂体である。図４（Ａ）に示すように、所定の金属部材を配線パターンに加工し、リードフレーム１０とする。次に図４（Ｂ）に示すように、リードフレーム１０の上に、炭素系高熱伝導層１１を、接着剤１６を用いて接着する。

次に図４（Ｃ）に示すようにして、リードフレーム１０の炭素系高熱伝導層１１を密着するように接着し、前記炭素系高熱伝導層１１側に、伝熱樹脂体１９や金属板１３をセットし、矢印１４に示すように、金型でプレスする（金型は図示していない）。なお図４（Ｃ）において、サンプルの上下を逆転しても良い（一番下にリードフレーム１０を置き、その上に炭素系高熱伝導層１１を載せ、その上に伝熱樹脂体１９や、金属板１３を載せる）。そしてこの状態で、金型（図示していない）を用いて、これら部材を加熱・加圧して一体化し、積層体を形成する。ここで加熱加圧することで、伝熱樹脂体１９が軟化すると共に、リードフレーム１０や炭素系高熱伝導層１１の表面に密着する。そして加熱した状態で硬化させ、室温に冷まし、伝熱樹脂層１２とする。ここで伝熱樹脂層１２の熱膨張係数を、金属板１３やリードフレーム１０等の熱膨張係数より大きくしておくことで、室温に下がった時に、熱膨張係数の差で伝熱樹脂層１２をリードフレーム１０に押し付ける圧縮応力を積極的に発生させる（詳細については、図５（Ａ）における矢印１４ａで説明する）。この圧縮応力は、硬化後の伝熱樹脂体１９のＴｇ（ガラス転移温度）以下、あるいは伝熱樹脂層１２の硬化温度以下までは、充分に大きく、この圧縮応力によって炭素系高熱伝導層１１とリードフレーム１０の密着を高められる。そのため、炭素系高熱伝導層１１とリードフレーム１０との間を直接密着できる。その結果、リードフレーム１０から炭素系高熱伝導層１１への熱伝導を高められる。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態における伝熱基板の製造方法を説明する断面図である。図５（Ａ）は、金属板と、リードフレームと、炭素系高熱伝導層と、を伝熱樹脂層で一体化した後の状態を示す断面図である。図５（Ａ）より、実施の形態で説明する熱伝導基板は、金属板１３と、前記金属板１３の上に接着したシート状の伝熱樹脂層１２と、前記伝熱樹脂層１２に、その一表面が露出する状態で埋め込まれたリードフレーム１０と、前記リードフレーム１０の一部に接着したシート状の炭素系高熱伝導層１１と、からなる熱伝導基板であって、前記炭素系高熱伝導層１１と前記金属板１３と電気的に絶縁した状態で前記伝熱樹脂層１２に埋め込んでいる熱伝導基板からなることが判る。図５（Ａ）に示すように、炭素系高熱伝導層１１と、金属板１３との間は、伝熱樹脂層１２によって、電気的に絶縁していることが望ましい。こうすることで、リードフレーム１０と、金属板１３を電気的に絶縁することができ、金属板１３を他の放熱部材（図示していない）に取り付ける場合に、電気的な影響を受けにくくできる。なお、図５（Ａ）〜（Ｃ）、図６（Ａ）、（Ｂ）、図７（Ａ）、（Ｂ）等において、接着剤１６は図示していない。

なお伝熱樹脂層１２と金属板１３との間の電気絶縁としては、少なくとも室温にて１００Ｖを印加した場合、１００ＭΩ以上（望ましくは１ＧΩ以上）の絶縁抵抗とすることが望ましい。絶縁抵抗が１００ＭΩ未満の場合、長時間の安定性に欠ける場合がある。なおここで絶縁抵抗とは、完成品（ソルダーレジスト等も形成した後の）で測定した後で測定することが望ましい。これはソルダーレジスト形成工程で、取り扱い上のミス等で絶縁劣化となったサンプルを取り除くためである。なお図５（Ａ）における矢印１４ａは、伝熱樹脂層１２となった後の、引張り応力を意味する。

次に引張り応力の発生理由について説明する。図４（Ｃ）において、伝熱樹脂体１９が軟化すると共に、リードフレーム１０や炭素系高熱伝導層１１の表面に密着する。そして加熱した状態で硬化する。ここで伝熱樹脂層１２の熱膨張係数を、金属板１３やリードフレーム１０等の熱膨張係数より、大きくしておくことで、室温に下がった時に、熱膨張係数の差で伝熱樹脂層１２が縮むことによって、リードフレーム１０と、炭素系高熱伝導層１１とを、互いに押し付けるようになるので、その界面の密着性（更には熱伝導）を高められる。またその密着効果は、少なくとも伝熱樹脂層１２のＴｇ（ガラス転移温度）以下であれば、充分得られると考えられる。またこの圧縮効果を得るには、市販のガラスエポキシ系プリント配線基板等に使われる耐熱性の高いエポキシ樹脂等を用いれば、半田付け（あるいは半田リフロー）温度まで、充分対応できると考えられる。このように、炭素系高熱伝導層１１をリードフレーム１０や伝熱樹脂層１２（更には金属板１３）の間に埋め込み、更に密着を高める方向の応力を発生させる効果は、図１０（Ａ）、（Ｂ）等で説明した、熱伝導シート等では得られなかった効果である。更に炭素系高熱伝導層１１を、積極的にこうした部材の内部に埋め込むことで、炭素系高熱伝導層１１が熱伝導基板の表面に露出させないことによって、熱伝導基板に対する各種信頼性に影響を与えることが無い。更に一部の炭素系高熱伝導層１１は、へき開性（厚み方向の引張強度が弱い）を有しているが、このように埋め込むことで、炭素系高熱伝導層１１に、直接的な引張り力が伝わりにくいため、ピール強度（プリント配線基板における引張り強度試験）に影響を与えにくい。

このようにして、リードフレーム１０と炭素系高熱伝導層１１を、接着剤１６のみならず、伝熱樹脂層１２の圧縮応力によって密着させることができる。

次に図５（Ｂ）に示すように、ソルダーレジスト２０を形成する。ここで伝熱樹脂層１２の表面と、リードフレーム１０の表面は同一平面（少なくとも、互いの段差が３０μｍ以下、望ましくは１０μｍ以下、更に望ましくは５μｍ以下）とすることが望ましい。これらの表面を同一平面とすることで、ソルダーレジスト２０の厚みバラツキを抑えられるため、ソルダーレジスト２０を必要以上に厚くすることを防止できる。これはソルダーレジスト２０をピンホール防止等の目的で、厚くした場合、リードフレーム１０の表面からの放熱性に影響を与えるためである。そして、矢印１４ｂが示すようにしてパワー素子１５を実装する（半田等は図示していない）。

図５（Ｃ）は、パワー素子に発生した熱が、拡散する様子を説明する断面図である。図５（Ｃ）において、矢印１４ｃは、熱が広がる様子を示している。パワー素子１５に発生した熱は、リードフレーム１０に伝わる。そして一部は、リードフレーム１０を平面方向（ＸＹ方向）に広がる。更にリードフレーム１０から炭素系高熱伝導層１１に伝わった熱は、図１（Ｂ）で説明したように、炭素系高熱伝導層１１を平面方向に伝わる。ここで炭素系高熱伝導層１１に、７００〜１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）のように、リードフレーム１０より高い（例えば２〜１０倍）の高伝熱材料を用いることで、リードフレーム１０だけでは得られなかった高放熱性が得られる。

次に図６を用いて、リードフレームと炭素系高熱伝導層を併用する効果について説明する。図６（Ａ）、（Ｂ）は、炭素系高熱伝導層を設けなかった場合の放熱効果について説明する断面図及び上面図である。図６（Ａ）、（Ｂ）において、２１は補助線、２２はホットスポットである。図６（Ａ）は、炭素系高熱伝導層１１を内蔵していない場合について説明する断面図である。そして図６（Ｂ）の矢印１４ｃにおける断面図が、図６（Ａ）に相当する。図６（Ａ）において、金属板１３の上に接着した伝熱樹脂層１２によって、リードフレーム１０を接着している。図６（Ａ）において、矢印１４ａは、熱の広がる方向を示すものであり、パワー素子１５に発生した熱は、矢印１４ａで示すようにリードフレーム１０に伝わる。そしてリードフレーム１０に沿って広がった熱は、矢印１４ａに示すように、接着した伝熱樹脂層１２を介して、金属板１３に広がる。

次に、放熱性についてホットスポット２２の大きさで説明する。ここでホットスポット２２とは、パワー素子１５の周辺における一定以上の温度域を示す領域である。ここでパワー素子１５の発熱量が同じであれば、ホットスポット２２の面積が広いほど、熱伝導基板としての放熱性が優れていることとなる。そしてホットスポット２２の面積が広ければ広いほど、ホットスポット２２における最高温度、あるいはパワー素子１５の温度を低くできるため、パワー素子１５への熱影響を抑えられる。図６（Ｂ）においてホットスポット２２はパワー素子１５の周辺に発生しており、ホットスポット２２の幅は図６（Ａ）における矢印１４ｂで表している。

図７（Ａ）、（Ｂ）は炭素系高熱伝導層を内蔵した場合について説明する断面図及び上面図である。そして図７（Ｂ）の矢印１４ｄにおける断面図が、図７（Ａ）に相当する。図７（Ａ）、（Ｂ）において、金属板１３の上に接着した伝熱樹脂層１２によって、リードフレーム１０を接着している。図７（Ａ）において、矢印１４ａは、熱の広がる方向を示すものであり、パワー素子１５に発生した熱は、矢印１４ａで示すようにリードフレーム１０に伝わる。そしてリードフレーム１０に沿って広がった熱は、矢印１４ａに示すように、接着した伝熱樹脂層１２を介して、金属板１３に広がる。ここで矢印１４ｂは、炭素系高熱伝導層１１を伝わる熱を示す。

なお図６（Ｂ）と図７（Ｂ）を比べた場合、図７（Ｂ）の方がホットスポット２２の面積を広く図示しているが、これはホットスポット２２と指定する温度域（いわゆるスレショールド）を低くしたためである。実際のホットスポット画像（赤外線カメラ等での画像）では、図７（Ｂ）は低温の広い面積のホットスポット２２、図６（Ｂ）は高温の狭いホットスポット２２が得られた。このように図７（Ｂ）では、ホットスポット２２の最高温度が下がり、更に優れた熱伝導性からホットスポット２２の面積が広がることによって、その放熱効果が確かめられた。

そこで本実施の形態のように、炭素系高熱伝導層１１に、リードフレーム１０より熱伝導率の大きいものを用いることで、リードフレーム１０の熱をより効率良く、矢印１４ｂで示すように広げることができる。このように、リードフレーム１０と炭素系高熱伝導層１１を併用することで、熱伝導効率を高められる。図７（Ｂ）は、炭素系高熱伝導層１１を併用した場合のホットスポット２２（つまり一定以上の温度を示す領域）である。図７（Ｂ）に示すように、炭素系高熱伝導層１１を併用することで、ホットスポット２２の面積を図６（Ｂ）の場合より広い面積に広げることができる。そして面積を広げた分、ホットスポット２２の最高温度（あるいはパワー素子１５の最高温度）を下げることができ、機器の高寿命化、高信頼性化を実現する。

炭素系高熱伝導層１１に柔軟性を有した部材を用いた場合、炭素系高熱伝導層１１をリードフレーム１０と同時に所定形状に折り曲げる（加工する）ことができる。次に図８を用いて、ＬＥＤ等の発光素子用の熱伝導基板の製造方法について説明する。

図８（Ａ）〜（Ｃ）は、発光素子用の熱伝導基板の製造方法の一例を示す断面図である。図８（Ａ）において、リードフレーム１０の一部表面には、炭素系高熱伝導層１１を密着するように接着している。そして炭素系高熱伝導層１１及びリードフレーム１０を所定形状に曲げる。例えば図８（Ａ）に示すように、中央部を上に凸状とし、ここに高輝度ＬＥＤ等のパワー素子１５を実装することで、照明用、あるいは伝導用（例えば、乗用車用ヘッドライトや証明用、あるいはバックライト用）の発光デバイスを作成できる。一般的にＬＥＤ等の半導体素子は発熱するにつれて、効率（あるいは発光効率）が低下するが、こうした熱伝導基板を用いることでこうした効率低下を防止できる。そして図８（Ａ）に示すように、リードフレーム１０の炭素系高熱伝導層１１を接着した側に、伝熱樹脂層１２と、金属板１３をセットする。そして矢印１４ａで示すようにして、金型を使ってこれらを一体化する（金型は図示していない）。

図８（Ｂ）は、一体化した後の断面図である。図８（Ｂ）において、２３は堰止め部であり、伝熱樹脂層１２と同じ材料で形成している。

図８（Ｃ）は、発光素子等を実装した後の断面図である。図８（Ｃ）において、２４は反射部である。図８（Ｃ）に示すように、パワー素子１５として高輝度ＬＥＤ等を実装し、更に反射部２４をセットする。図８（Ｃ）における矢印１４ｂは、パワー素子１５から発せられた光の方向を示すものであり、その一部は反射部２４によって正面側に反射させている。このように反射部２４を用いることで、高輝度ＬＥＤ等の発光効率を高めると共に、光学設計による最適化が可能になる。なお図８（Ｃ）における堰止め部２３は、反射部２４の位置決め用に使っても良い。また高輝度ＬＥＤ等のパワー素子１５を保護樹脂（保護樹脂は図示していない）で覆って保護する場合、堰止め部２３が、前記保護樹脂が熱伝導基板の外部（あるいは電子部品等の実装部）に流れ出ないような堰止め効果（あるいはダム効果）を持たせることができる。なお保護用樹脂（図示していない）で覆う場合、堰止め部２３の高さは、パワー素子１５の高さより高くすることが望ましい。堰止め部２３の高さが、パワー素子１５の高さより低い場合、パワー素子１５を保護用樹脂で覆った時、余分な保護用樹脂が外部に流れ出てしまう可能性があるためである。なお保護用樹脂としては、透明な樹脂を使っても良いが、蛍光物質を分散させた樹脂材料を使っても良い。こうすることでパワー素子１５から発せられた光（例えば紫外線等）を効率的に色変換できる。また図８におけるパワー素子１５を複数個としても良い。そしてパワー素子１５に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）等の光の三原色に相当する専用のＬＥＤを用いることで、液晶テレビ用のバックライトとして活用することができる。更に、本発明で提案する高熱伝導基板は、炭素系高熱伝導層１１を内蔵しているため、その放熱性が高く、Ｒ，Ｇ，Ｂ等のＬＥＤの温度特性のバラツキ（ＬＥＤの場合、素子の温度が上がるほど、発光効率が低下する傾向があり、更にこの傾向はＲ，Ｇ，Ｂによってかなり異なっている。そのため時間経過と共にバックライトの色温度が変化してしまう可能性がある）がある。

また伝熱樹脂層１２を形成する伝熱樹脂体１９は、無機フィラー７０重量％以上９５重量％以下と、熱硬化性樹脂５重量％以上３０重量％以下からなることが望ましい。ここで無機フィラーは略球形状で、その直径は０．１μｍ以上１００μｍ以下が適当である（０．１μｍ未満の場合、樹脂への分散が難しくなり、また１００μｍを超えると伝熱樹脂層１２の厚みが厚くなり熱拡散性に影響を与える）。そのため伝熱樹脂層１２における無機フィラーの充填量は、熱伝導率を上げるために７０から９５重量％と高濃度に充填している。特に、本実施の形態では、無機フィラーは、平均粒径３μｍと平均粒径１２μｍの２種類のアルミナを混合したものを用いている。この大小２種類の粒径のアルミナを用いることによって、大きな粒径のアルミナの隙間に小さな粒径のアルミナを充填できるので、アルミナを９０重量％近くまで高濃度に充填できるものである。この結果、伝熱樹脂層１２の熱伝導率は５Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度となる。なお無機フィラーとしてはアルミナの代わりに、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種以上を含んでもよい。

なお無機フィラーを用いると、放熱性を高められるが、特に酸化マグネシウムを用いると線熱膨張係数を大きくできる。また酸化ケイ素を用いると誘電率を小さくでき、窒化ホウ素を用いると線熱膨張係数を小さくできる。こうして伝熱樹脂層１２としての熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下のものを形成することができる。なお熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の場合、熱伝導基板の放熱性に影響を与える。また熱伝導率を２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高くしようとした場合、フィラー量を増やす必要があり、プレス時の加工性に影響を与える場合がある。

なお熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアネート樹脂の内、少なくとも１種類の樹脂を含んでいる。これらの樹脂は耐熱性や電気絶縁性に優れている。伝熱樹脂層１２の厚みは、薄くすれば、リードフレーム１０に装着した電子部品に生じた熱を金属板１３に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧が問題となり、厚すぎると、熱抵抗が大きくなるので、絶縁耐圧と熱抵抗を考慮して最適な厚さである５０μｍ以上１０００μｍ以下に設定すれば良い。

次にリードフレーム１０の材質について説明する。リードフレーム１０の材質としては、銅を主体とするもの（例えば銅板）が望ましい。これは銅が熱伝導性と導電率が共に優れているためである。またリードフレーム１０としての加工性や、熱伝導性を高めるためには、リードフレーム１０となる銅素材に銅以外の少なくともＳｎ、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｐ、Ｆｅ等の群から選択される少なくとも１種類以上の材料とからなる合金を使うことも可能である。例えばＣｕを主体として、ここにＳｎを加えた、銅材料（以下、Ｃｕ＋Ｓｎとする）を用いることができる。Ｃｕ＋Ｓｎ銅材料（あるいは銅合金）の場合、例えばＳｎを０．１重量％以上０．１５重量％未満添加することで、その軟化温度を４００℃まで高められる。比較のためＳｎ無しの銅（Ｃｕ＞９９．９６重量％）を用いて、リードフレーム１０を作成したところ、導電率は低いが、出来上がった熱伝導基板において特に形成部等に歪みが発生する場合があった。そこで詳細に調べたところ、その材料の軟化点が２００℃程度と低いため、後の部品実装時（半田付け時）に変形する可能性があることが予想された。一方、Ｃｕ＋Ｓｎ＞９９．９６重量％の銅系の材料を用いた場合、実装された各種部品の発熱の影響は特に受けなかった。また半田付け性やダイボンド性にも影響が無かった。そこでこの材料の軟化点を測定したところ、４００℃であることが判った。このように、銅を主体として、いくつかの元素を添加することが望ましい。銅に添加する元素として、Ｚｒの場合、０．０１５重量％以上０．１５重量％以下の範囲が望ましい。添加量が０．０１５重量％未満の場合、軟化温度の上昇効果が少ない場合がある。また添加量が０．１５重量％より多いと電気特性に影響を与える場合がある。また、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｐ等を添加することでも軟化温度を高くできる。この場合、Ｎｉは０．１重量％以上５重量％未満、Ｓｉは０．０１重量％以上２重量％以下、Ｚｎは０．１重量％以上５重量％未満、Ｐは０．００５重量％以上０．１重量％未満が望ましい。そしてこれらの元素は、この範囲で単独、もしくは複数を添加することで、銅素材の軟化点を高くできる。なお添加量がここで記載した割合より少ない場合、軟化点上昇効果が低い場合がある。またここで記載した割合より多い場合、導電率への影響の可能性がある。同様に、Ｆｅの場合０．１重量％以上５重量％以下、Ｃｒの場合０．０５重量％以上１重量％以下が望ましい。これらの元素の場合も前述の元素と同様である。

なおリードフレーム１０に使う銅材料の引張り強度は、６００Ｎ／平方ｍｍ以下が望ましい。引張り強度が６００Ｎ／平方ｍｍを超える材料の場合、リードフレーム１０の加工性に影響を与える場合がある。一方、引張り強度が６００Ｎ／平方ｍｍ以下（更にリードフレーム１０に微細で複雑な加工が必要な場合、望ましくは４００Ｎ／平方ｍｍ以下）とすることでスプリングバック（必要な角度まで曲げても圧力を除くと反力によってはねかえってしまうこと）の発生を抑えられ、形成精度を高められる。このようにリードフレーム材料としては、Ｃｕを主体とすることで導電率を下げられ、更に柔らかくすることで加工性を高められ、更にリードフレーム１０による放熱効果も高められる。なおリードフレーム１０に使う銅合金の引張り強度は、１０Ｎ／平方ｍｍ以上が望ましい。これは一般的な鉛フリー半田の引張り強度（３０〜７０Ｎ／平方ｍｍ程度）に対して、リードフレーム１０に用いる銅合金はそれ以上の強度が必要なためである。リードフレーム１０に用いる銅合金の引張り強度が、１０Ｎ／平方ｍｍ未満の場合、リードフレーム１０上に電子部品等を半田付け実装する場合、半田部分ではなくてリードフレーム１０部分で凝集破壊する可能性がある。

なおリードフレーム１０の、伝熱樹脂層１２から露出している面（電子部品等の実装面）に、予め半田付け性を改善するように半田層や錫層を形成しておくことも有用である。なおリードフレーム１０の伝熱樹脂層１２に接する面（もしくは埋め込まれた面）には、半田層は形成しないことが望ましい。このように伝熱樹脂層１２と接する面に半田層や錫層を形成すると、半田付け時にこの層が柔らかくなり、リードフレーム１０と伝熱樹脂層１２の接着性（もしくは結合強度）に影響を与える場合がある。金属板１３としては、熱伝導の良いアルミニウム、銅またはそれらを主成分とする合金からできている。特に、本実施の形態では、金属板１３の厚みを１ｍｍとしているが、その厚みは製品仕様に応じて設計できる（なお金属板１３の厚みが０．１ｍｍ以下の場合、放熱性や強度的に不足する可能性がある。また金属板１３の厚みが５０ｍｍを超えると、重量面で不利になる）。金属板１３としては、単なる板状のものだけでなく、より放熱性を高めるため、伝熱樹脂層１２を積層した面とは反対側の面に、表面積を広げるためにフィン部（あるいは凹凸部）を形成しても良い。全膨張係数は８〜２０ｐｐｍ／℃としており、本発明の熱伝導基板や、これを用いた電源ユニット全体の反りや歪みを小さくできる。またこれらの部品を表面実装する際、互いに熱膨張係数をマッチングさせることは信頼性的にも重要となる。

以上のようにして金属板１３と、前記金属板１３の上に接着したシート状の伝熱樹脂層１２と、前記伝熱樹脂層１２に、その一表面が露出する状態で埋め込まれたリードフレーム１０と、一部の前記リードフレーム１０の前記伝熱樹脂層１２側に密着するように、接着剤１６を用いて接着したシート状の炭素系高熱伝導層１１と、からなる熱伝導基板であって、前記炭素系高熱伝導層１１は、前記金属板１３と電気的に絶縁した状態で前記伝熱樹脂層１２に埋め込んでいる熱伝導基板を提供することで、熱伝導基板の熱伝導性（あるいは放熱性）を高めることができ、この熱伝導基板を用いることで、各種電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器及び液晶テレビ等の電子機器の高性能化、低コスト化が可能となる。

また炭素系高熱伝導層１１は、少なくとも、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、膨張黒鉛、グラファイトシート、カーボンナノコイル、炭素繊維からなる群から選択される少なくとも一種以上を含んでいる熱伝導基板とすることで、熱伝導基板の熱伝導性を高めたり、軽量化したりできるため、各種電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器及び液晶テレビ等の電子機器の高性能化、低コスト化が可能となる。

また炭素系高熱伝導層１１とリードフレーム１０との接着剤１６を用いた固定において、接着剤１６は炭素系高熱伝導層１１の表面全てに塗布する必要はなく、その一部だけとし、更に伝熱樹脂層１２の内部応力によって前記リードフレーム１０に前記炭素系高熱伝導層１１を押し付け密着させることによって、炭素系高熱伝導層１１の一部を、前記接着剤１６を介することなく、前記リードフレーム１０の表面に固定することができる。

また伝熱樹脂層１２は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びイソシアネート樹脂からなる群から選択される少なくとも一種類以上の樹脂を含む熱伝導基板とすることで、熱伝導基板の熱伝導性を高めたり、軽量化したりできるため、各種電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器及び液晶テレビ等の電子機器の高性能化、低コスト化が可能となる。

また無機フィラーは、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種を含む熱伝導基板とすることで、熱伝導基板の熱伝導性を高めたり、軽量化したりできるため、各種電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器及び液晶テレビ等の電子機器の高性能化、低コスト化が可能となる。

リードフレーム１０は、Ｓｎは０．１重量％以上０．１５重量％以下、Ｚｒは０．０１５重量％以上０．１５重量％以下、Ｎｉは０．１重量％以上５重量％以下、Ｓｉは０．０１重量％以上２重量％以下、Ｚｎは０．１重量％以上５重量％以下、Ｐは０．００５重量％以上０．１重量％以下、Ｆｅは０．１重量％以上５重量％以下である群から選択される少なくとも一種以上を含む、銅を主体とする金属材料である熱伝導基板とすることで、熱伝導基板の熱伝導性を高めたり、軽量化したりできるため、各種電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器及び液晶テレビ等の電子機器の高性能化、低コスト化が可能となる。

シート状の炭素系高熱伝導層１１の面積は、リードフレーム１０の面積より小さい熱伝導基板とすることで、熱伝導基板の熱伝導性を高めたり、軽量化したりできるため、各種電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器や液晶テレビ等の電子機器の高性能化、低コスト化が可能となる。

シート状の炭素系高熱伝導層１１の熱伝導率は、リードフレーム１０を形成する金属材料より大きい熱伝導基板とすることで、熱伝導基板の熱伝導性を高めたり、軽量化したりできるため、各種電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器や液晶テレビ等の電子機器の高性能化、低コスト化が可能となる。

シート状の炭素系高熱伝導層１１の厚みは、リードフレーム１０の厚みより薄い熱伝導基板とすることで、熱伝導基板を軽量化できるため、各種電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器や液晶テレビ等の電子機器の高性能化、低コスト化が可能となる。

少なくとも、リードフレーム１０にシート状の炭素系高熱伝導層１１を接着する工程と、前記リードフレーム１０の炭素系高熱伝導層１１を接着した側に、伝熱樹脂体１９と、金属板１３と、をセットする工程と、前記リードフレーム１０と前記伝熱樹脂体１９と金属板１３とを、金型を用いて加熱・加圧して積層体を構成する工程と、を有する熱伝導基板の製造方法によって、放熱性に優れた熱伝導基板が製造でき、各種電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器や液晶テレビ等の電子機器の高性能化、低コスト化が可能となる。

少なくとも、金属板１３と、前記金属板１３の上に接着したシート状の伝熱樹脂層１２と、前記伝熱樹脂層１２に、その一表面が露出する状態で埋め込まれたリードフレーム１０と、一部の前記リードフレーム１０の前記伝熱樹脂層１２側に密着するように接着したシート状の炭素系高熱伝導層１１と、からなる熱伝導基板であって、前記炭素系高熱伝導層１１と、前記金属板１３とが、電気的に絶縁した状態で前記伝熱樹脂層１２に埋め込んでいる熱伝導基板を用いた電源ユニットとすることで、この電源ユニットを用いた各種電子機器の安定化、高性能化を実現できる。

以上のように、本発明にかかる熱伝導基板とその製造方法及びこれを用いた電源ユニット、バックライト、電子機器、照明機器、電子機器及び照明装置及び液晶テレビによって、ＰＤＰ（プラズマディスプレイパネル）等の電源回路の大電力回路等に適用することによって、機器の小型化、高性能化が可能となる。

（Ａ）、（Ｂ）本実施の形態における熱伝導基板の断面斜視図 （Ａ）、（Ｂ）熱伝導基板に用いる炭素系高熱伝導層の表面に塗布した接着剤の塗布パターンの一例について説明する断面斜視図 （Ａ）、（Ｂ）炭素系高熱伝導層の表面に接着剤を塗布する様子を説明する斜視図 （Ａ）〜（Ｃ）実施の形態における伝熱基板の製造方法を説明する断面図 （Ａ）〜（Ｃ）実施の形態における伝熱基板の製造方法を説明する断面図 （Ａ）、（Ｂ）炭素系高熱伝導層を設けなかった場合の放熱効果について説明する断面図及び上面図 （Ａ）、（Ｂ）炭素系高熱伝導層を内蔵した場合について説明する断面図及び上面図 （Ａ）〜（Ｃ）発光素子用の熱伝導基板の製造方法の一例を示す断面図 （Ａ）、（Ｂ）従来の熱伝導基板の斜視図及び断面斜視図 （Ａ）、（Ｂ）熱伝導シートの上面図及び断面図

符号の説明

１０ リードフレーム
１１ 炭素系高熱伝導層
１２ 伝熱樹脂層
１３ 金属板
１４ 矢印
１５ パワー素子
１６ 接着剤
１７ 塗布手段
１８ 塗布装置
１９ 伝熱樹脂体
２０ ソルダーレジスト
２１ 補助線
２２ ホットスポット
２３ 堰止め部
２４ 反射部

Claims (11)

1. 金属板と、
   前記金属板の上に固定したシート状の伝熱樹脂層と、
   前記伝熱樹脂層に、その一表面が露出する状態で埋め込まれたリードフレームと、
   一部の前記リードフレームの前記伝熱樹脂層側に、接着剤を用いて接着したシート状の炭素系高熱伝導層と、
   からなる熱伝導基板であって、
   前記炭素系高熱伝導層は、前記金属板と電気的に絶縁した状態で前記伝熱樹脂層に埋め込んでいる熱伝導基板。
2. 炭素系高熱伝導層は、少なくとも、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、膨張黒鉛、グラファイトシート、カーボンナノコイル、炭素繊維からなる群から選択される少なくとも一種以上を含んでいる請求項１記載の熱伝導基板。
3. 炭素系高熱伝導層の一部は、前記接着剤を介することなく、前記リードフレームに密着させている請求項１記載の熱伝導基板。
4. 伝熱樹脂層は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びイソシアネート樹脂からなる群から選択される少なくとも一種類以上の樹脂を含む請求項１記載の熱伝導基板。
5. 無機フィラーは、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種を含む請求項１記載の熱伝導基板。
6. リードフレームは、Ｓｎは０．１重量％以上０．１５重量％以下、Ｚｒは０．０１５重量％以上０．１５重量％以下、Ｎｉは０．１重量％以上５重量％以下、Ｓｉは０．０１重量％以上２重量％以下、Ｚｎは０．１重量％以上５重量％以下、Ｐは０．００５重量％以上０．１重量％以下、Ｆｅは０．１重量％以上５重量％以下である群から選択される少なくとも一種以上を含む、銅を主体とする金属材料である請求項１記載の熱伝導基板。
7. シート状の炭素系高熱伝導層の面積は、リードフレームの面積より小さい請求項１記載の熱伝導基板。
8. シート状の炭素系高熱伝導層の熱伝導率は、リードフレームを形成する金属材料より大きい請求項１記載の熱伝導基板。
9. シート状の炭素系高熱伝導層の厚みは、リードフレームの厚みより薄い請求項１記載の熱伝導基板。
10. 少なくとも、リードフレームにシート状の炭素系高熱伝導層の一部分以上を接着する工程と、
    前記リードフレームの炭素系高熱伝導層を接着剤を用いて一部分以上を接着した側に、伝熱樹脂体と、金属板と、をセットする工程と、
    前記リードフレームと、前記伝熱樹脂体と、金属板と、を金型を用いて、加熱・加圧して積層体を構成する工程と、
    を有する熱伝導基板の製造方法。
11. 少なくとも、
    金属板と、
    前記金属板の上に固定したシート状の伝熱樹脂層と、
    前記伝熱樹脂層に、その一表面が露出する状態で埋め込まれたリードフレームと、
    前記リードフレームの前記伝熱樹脂層側に、接着剤を用いて少なくともその一部分以上を接着したシート状の炭素系高熱伝導層と、
    からなる熱伝導基板を用いた電子機器であって、
    前記炭素系高熱伝導層は、前記金属板と電気的に絶縁した状態で前記伝熱樹脂層に埋め込んでいる電子機器。

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