JP2011199055A

JP2011199055A - 放熱シートおよびこの放熱シートを用いた電子機器

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Publication number: JP2011199055A
Application number: JP2010064945A
Authority: JP
Inventors: Takuya Honma; 卓也本間
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-10-06

Abstract

【課題】LED等の電子部品で発生した熱を効率良く放熱できる放熱シートおよび電子機器を提供する。
【解決手段】放熱シート５は、無機材料を含有する有機材料からなり、マルテンス硬さが０．０１〜０．６０Ｎ／ｍｍ^２、クリープ率が０．５〜２０．０％、弾性率が５．０〜３０．０％であり前記有機材料に対して前記無機材料を１０〜８０ｗｔ％の割合で添加したことを特徴とする。照明装置１ではLEDチップ２を実装した基板４と筐体６の間に放熱シート５を介在させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品で発生する熱を放熱する放熱シートおよびこの放熱シートを用いた電子機器に関する。

近年、電子機器の小型化が進み、基板上には、電子部品が高密度に実装されている。このため、電子部品間のすきまが少なくなり、各電子部品で発生した熱の放熱が問題となっている。特に、ＬＥＤチップ（発光ダイオード）等の発光素子を用いた照明装置（ＬＥＤモジュール）では、発光素子の温度が上昇するに従い、光出力の低下とともに寿命にも影響を与える。このため、ＬＥＤチップやＥＬ素子等の固体発光素子を光源とする照明装置では、寿命、発光効率を改善するために、発生した熱を効率良く放熱して発光素子の温度上昇を抑制する必要がある。

従来の電子機器では、電子部品で発生する熱の放熱性を高めるために、電子部品が実装される基板と放熱部材（例えば、放熱板や筺体）との間、もしくは、電子部品と放熱部材との間に、熱伝導性の高いシリコーンゲルを主成分とした放熱シートを介在させることが提案されている（例えば非特許文献１参照）。

富士分子工業株式会社ホームページ、サーコンシリーズ、[online]、[平成２２年３月９日検索]、インターネット＜ URL:http://www.fujipoly.co.jp/products/sarcon_02_03/xr-j/index.htm＞

熱を効率良く放熱部材に伝達するためには、熱伝導率だけでなく、基板表面および放熱部材表面への追従性、つまり密着性が重要である。基板表面および放熱部材表面への放熱シートの密着性が低いと、放熱シートの基板表面および放熱部材表面への接触面積が少なくなり効率良く熱を伝達できない。このため、熱伝導率が高くても、密着性が低いと良好な放熱性を得ることができない。

従来の放熱シートは、硬度（硬さ）については規定されているものの、放熱シートの密着性に関する他のパラメータについては規定されておらず、使用方法によっては、十分な密着性を得ることができず、放熱性が低下するという問題があった。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、電子部品で発生した熱を効率良く放熱できる放熱シートおよび電子機器を提供することを目的とする。

請求項１記載の放熱シートは、無機材料を含有する有機材料からなり、マルテンス硬さ、クリープ率および弾性率が、それぞれ０．０１〜０．６０Ｎ／ｍｍ^２、０．５〜２０．０％および５．０〜３０．０％の範囲内であることを特徴とする。

請求項２記載の放熱シートは、有機材料に対して無機材料を１０〜８０ｗｔ％の割合で添加したことを特徴とする。

請求項３記載の電子機器は、電子部品と；電子部品で生じる熱を放熱する放熱手段と；電子部品と放熱手段との間に介在する請求項１または２記載の放熱シートと；を具備することを特徴とする。

上記した請求項１〜請求項３記載の発明において、用語の定義および技術的意味は、特に指定しない限り以下の通りである。

無機材料は、熱伝導性が良好で放熱性に優れた材料、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、カーボン（Ｃ）などからなる。

有機材料は、シリコーンゲルまたは（メタ）アクリルゲルからなり、形状を保持できる程度の硬さを有していればよい。

放熱シートのマンテルス硬さは、０．０１〜０．６０Ｎ／ｍｍ^２の範囲内であり、より好ましくは、０．０１〜０．３０Ｎ／ｍｍ^２範囲内である。

放熱シートのクリープ率は、０．５〜２０．０％の範囲内であり、より好ましくは、５．０〜２０．０％の範囲内である。

放熱シートの弾性率は、５．０〜３０．０％の範囲内であり、より好ましくは、５．０〜１５．０％の範囲内である。

電子部品は、発熱性の電子部品、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）、ＬＥＤチップ等の半導体デバイスである。

放熱手段は、放熱性に優れた材料、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等の金属からなる。

請求項１記載の放熱シートによれば、マルテンス硬さ、クリープ率および弾性率を、それぞれ０．０１〜０．６０Ｎ／ｍｍ^２、０．５〜２０．０％および５．０〜３０．０％の範囲内としたので、放熱板等の放熱部材（放熱手段）表面に存在する凹凸への追従性が向上し、放熱に有効な接触面積が増大する。このため良好な放熱性を得ることができる。

請求項２記載の放熱シートによれば、請求項１記載の効果に加えて、有機材料に対して無機材料を１０〜８０ｗｔ％の割合で添加したので放熱性がより向上する。

請求項３記載の電子機器によれば、電子部品と；電子部品で生じる熱を放熱する放熱手段と；電子部品と放熱手段との間に介在する請求項１または２記載の放熱シートと；を具備するので、放熱手段の表面に存在する凹凸への追従性が向上し、放熱に有効な接触面積が増大する。このため、電子部品で生じる熱を効率良く放熱手段へ伝達することができる。

第１の実施形態に係る照明装置の一部断面図である。放熱シートの特性を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に参照する複数の図面において、同一または相当部分には同一符号を付している。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る電子機器について図１および図２を参照して説明する。なお、この第１の実施形態では、電子機器としてＬＥＤチップを発光体とした照明装置１を例に、その構成を説明する。

この第１の実施形態に係る照明装置１は、発光体としてのＬＥＤチップ２と、このＬＥＤチップ２からの発光を所望の方向へ反射するリフレクタ３と、ＬＥＤチップ２を実装した基板４と、ＬＥＤチップ２で生じる熱を、基板４を介して放熱する放熱シート５と、放熱性の筺体６とを備える。ＬＥＤチップ２、リフレクタ３および基板４は、発光部を構成する。

ＬＥＤチップ２は、チップ・オン・ボード方式で基板４に複数個実装される。ＬＥＤチップの実装個数は任意である。白色光を実現するために、青、緑および赤の各色に発光する３つのＬＥＤチップ２を基板４に実装してもよいし、青色光を発するＬＥＤチップ２を基板４に実装してもよい。

基板４のＬＥＤチップ２が実装されている側（以下、表面側と称する）には、白色のポリカーボネートやＡＳＡ樹脂等によって形成されたリフレクタ３が配設されている。リフレクタ３の各ＬＥＤチップ２の配設位置には、反射面３ａが形成されており、ＬＥＤチップ２から放射される光を所望の方向に配光制御し、効率的に照射する。リフレクタ３の両端には、ねじ７を挿通係止するための切欠き３ｂが形成されている。

リフレクタ３の反射面３ａ内には、蛍光体含有樹脂が充填され、封止部を形成している。蛍光体含有樹脂は、１種類以上の蛍光体を、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂のような透明樹脂に加えて混合・分散させて形成される。なお、青色光を発するＬＥＤチップ２を実装する場合には、上述のようにリフレクタ３の反射面３ａ内に黄色光等を発する蛍光体を混合した樹脂が充填される。

基板４は、金属製、例えば、アルミニウム等の熱伝導性が良好で放熱性に優れた材料で形成されている。基板４を絶縁材とする場合には、放熱特性が比較的良好で、耐久性に優れたセラミック材料又は合成樹脂材料を適用できる。合成樹脂材料を用いる場合には、例えば、ガラスエポキシ樹脂等で形成できる。基板４の表面側には、配線が形成されており、ＬＥＤチップ２は、この表面上に形成された配線を介して図示しない外部の点灯回路から供給される電力により発光する。

放熱シート５は、ＬＥＤチップ２で生じる熱を、基板４を介して効率良く後述の筺体６へ伝達する機能を有する。放熱シート５は、無機フィラーを含有する高分子ゲルシートからなる。フィラーは、熱伝導性が良好で放熱性に優れた材料、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、カーボン（Ｃ）などからなる。これらフィラーは、粉末状（粒子状）に加工したものを高分子ゲルに含有してもよい。高分子ゲルシートは、シリコーンまたはアクリルからなり、形状を保持できる程度の硬さがあればよい。シリコーンゲルは、アクリルゲルに比べて経時変化が少ないため、放熱シート５の母材としてより好適である。また、高分子ゲルシートへ添加するフィラーの割合は、１０〜８０ｗｔ％であることが好ましい。添加量が少ないと、熱伝導性が低くなり、添加量が多すぎると、放熱シート５の密着性が損なわれる虞がある。

次に、この第１の実施形態に係る放熱シート５の特性（マルテンス硬さ、クリープ率、弾性率）について、図２を参照して説明する。

＜マルテンス硬さ＞
マルテンス硬さは、ＩＳＯ１４５７７−１ Metallic materials - Instrumented indentation test for hardness and materials parameters Part1:Test method「金属材料―硬さのためのインデンテーション試験テストと材料パラメータ」で規定されている測定方法で得られる物性値である。そして、この物性値は、荷重と、当該押し込み深さとを用いて計算した。

放熱シート５のマルテンス硬さは、０．０１〜０．６０Ｎ／ｍｍ^２の範囲内であり、より好ましくは、０．０１〜０．３０Ｎ／ｍｍ^２の範囲内である。マルテンス硬さが、０．６０Ｎ／ｍｍ^２を超えると、放熱シート５が硬くなりすぎて、基板４および筺体６の表面の形状に追従できず、基板４および筺体６の表面に存在する微小な凹凸を埋めることができない。このため、放熱シート５と基板４および放熱シート５と筺体６との間に気泡が生じる。この気泡が断熱材となり、基板４から熱を効率良く筺体６へ伝達できない。また、マルテンス硬さが、０．０１Ｎ／ｍｍ^２未満であると、放熱シート５が液状もしくはジェル状となり、高分子ゲルシートに含まれる液体成分の乾燥等による経時変化が大きく長期の使用に適さない。

＜クリープ率＞
クリープ率（押し込みクリープ率とも言う）は、ある一定時間荷重を一定にした場合における深度（くぼみ深さ）の変化率であり、クリープ率をＣとすると、以下の（１）式で表される。
Ｃ＝（ｈ２−ｈ１）／ｈ１＊１００・・・（１）
（１）式のｈ１は設定試験荷重に達した時（図２のＢ点）の深度、ｈ２は設定試験荷重を保持している時（図２のＣ点）の深度である。

放熱シート５のクリープ率は、０．５〜２０．０％の範囲内であり、より好ましくは、５．０〜２０．０％の範囲内である。クリープ率が、０．５％未満であると、放熱シート５が変形しにくいため、基板４および筺体６の表面の形状に追従できず、基板４および筺体６の表面に存在する微小な凹凸を埋めることができない。このため、放熱シート５と基板４および放熱シート５と筺体６との間に気泡が生じる。この気泡が断熱材となり、基板４から熱を効率良く筺体６へ伝達できない。また、クリープ率が２０．０％を超えると、放熱シート５が変形しやすく、外部から加えられる力により断絶しやすくなる等の問題がある。

＜弾性率＞
弾性率は、変形のしにくさを表す物性値であり、弾性変化内での、応力とひずみの間の比例定数である。図２では、Ｃ点での深度とＤ点での深度との比率、すなわちＣ点とＤ点とを結ぶ線分の傾きで表わされる。

放熱シート５の弾性率は、５．０〜３０．０％の範囲内であり、好ましくは、５．０〜１５．０％の範囲内である。弾性率が、３０％を超えると、放熱シート５が硬くなりすぎて、基板４および筺体６の表面の形状に追従できず、基板４および筺体６の表面に存在する微小な凹凸を埋めることができない。このため、放熱シート５と基板４および放熱シート５と筺体６との間に気泡が生じる。この気泡が断熱材となり、基板４から熱を効率良く筺体６へ伝達できない。また、弾性率が、５％未満であると、放熱シート５が液状もしくはジェル状となり、高分子ゲルシートに含まれる液体成分の乾燥等による経時変化が大きく長期の使用に適さない。

筺体６は、ＬＥＤチップ２、リフレクタ３および基板４から構成される発光部を収容する。この筺体６は、発光部を収容するのみならず、ＬＥＤチップ２で生ずる熱の放熱を助ける放熱部材（放熱手段）としても機能する。このため、筺体６は、熱伝導率の高い金属材料又は樹脂材料等で形成されている。金属材料としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等がある。また、筺体６が樹脂材料で形成されている場合、アルマイト処理することが好ましい。アルマイト処理することにより、筺体６の放熱効果を高めることが可能となる。

筺体６には、ねじ穴６ａがリフレクタ３の切欠き３ｂに対応する位置に形成されている。発光部は、リフレクタ３の切欠き３ｂを挿通し、筺体６のねじ穴６ａに螺合係止されたねじ７により筺体６へ向かって押し下げられた状態で、リフレクタ３および放熱シート５と一体的に係止される。

次に、上記のように構成された照明装置１の作用について、図１を参照して説明する。
図示しない点灯回路が動作して基板４に電力が供給されるとＬＥＤチップ２が発光する。ＬＥＤチップ２から出射された光は、主としてＬＥＤチップ２ごとにリフレクタ３の反射面３ａによって配光制御されて前方に照射される。ＬＥＤチップ２が発光する際に生じる熱は、基板４裏面の略全面から放熱シート５へ伝わり、この放熱シート５を介して筺体６へと放熱される。

この第１の実施形態では、放熱シート５のマンテルス硬さ、クリープ率および弾性率を、それぞれ０．０１〜０．６０Ｎ／ｍｍ^２、０．５〜２０．０％および５．０〜３０．０％の範囲内とし、より好ましくは、０．０１〜０．３０Ｎ／ｍｍ^２、５．０〜２０．０％および５．０〜１５．０％の範囲内としているので、追従性に優れ、基板４および筺体６の表面に存在する微小な凹凸を埋めることができる。このため、基板４および筺体６の表面との接触面積が増大し、基板４を介して伝達されるＬＥＤチップ２で生じる熱を効率良く筺体６へ放熱できる。このため、ＬＥＤチップ２の温度上昇を抑制して、光出力の低下を防止することができる。

さらに、放熱シート５は、アクリルやシリコーンなどの有機材料に対して、熱伝導性が良好で放熱性に優れたフィラー、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、カーボン（Ｃ）などを１０〜８０ｗｔ％の割合で添加しているので、これらフィラーを介して熱が伝達されるため放熱性がさらに向上する。

なお、放熱シート５は、図１に示すように上から押し付けて基板４と筺体６とを接合するタイプだけでなく、基板４もしくは筺体６の一方を回転させながら（ひねりながら）接合するタイプにも好適である。

次に、第１の実施形態に係る放熱シート５の具体的実施例およびその評価結果について記載する。なお、実施例１〜３および比較例１〜５のマルテンス硬さ、クリープ率および弾性率は、一般的な硬度測定機を用いて室温で測定した。

マルテンス硬さ、クリープ率および弾性率の測定条件を以下に示す。
試験モード：負荷―除荷試験
試験力：１ｍＮ
最小試験力：０．００２ｍＮ
負荷速度：３（０．０５００ｍＮ／ｓｅｃ）
負荷保持時間：１０ｓｅｃ
除荷保持時間：０ｓｅｃ

（実施例１）
実施例１では、Ａｌ_２Ｏ_３（フィラー）を３０ｗｔ％添加したアクリルゲルシートを放熱シートとした。実施例１の放熱シートのマルテンス硬さ、クリープ率、弾性率および熱抵抗は、それぞれ０．２０Ｎ／ｍｍ^２、１０．０％、９．０％および０．６℃／Ｗであった。

（実施例２）
実施例２では、Ａｌ_２Ｏ_３（フィラー）を４０ｗｔ％添加したシリコーンゲルシートを放熱シートとした。実施例２の放熱シートのマルテンス硬さ、クリープ率、弾性率および熱抵抗は、それぞれ０．３０Ｎ／ｍｍ^２、６．０％、３０．０％および０．７℃／Ｗであった。

（実施例３）
実施例３では、Ａｌ_２Ｏ_３（フィラー）を７０ｗｔ％添加したシリコーンゲルシートを放熱シートとした。実施例３の放熱シートのマルテンス硬さ、クリープ率、弾性率および熱抵抗は、それぞれ０．０５Ｎ／ｍｍ^２、１３．０％、２．０％および０．３℃／Ｗであった。

（比較例１）
比較例１では、Ａｌ_２Ｏ_３（フィラー）を３０ｗｔ％添加したアクリルゲルシートを放熱シートとした。比較例１の放熱シートのマルテンス硬さ、クリープ率、弾性率および熱抵抗は、それぞれ０．４０Ｎ／ｍｍ^２、３．０％、５０．０％および１．２℃／Ｗであった。

（比較例２）
比較例２では、Ａｌ_２Ｏ_３（フィラー）を４０ｗｔ％添加したシリコーンゲルシートを放熱シートとした。比較例２の放熱シートのマルテンス硬さ、クリープ率、弾性率および熱抵抗は、それぞれ０．００Ｎ／ｍｍ^２、０．０％、０．０％および０．３℃／Ｗであった。

（比較例３）
比較例３では、Ａｌ_２Ｏ_３（フィラー）を４０ｗｔ％添加したシリコーンゲルシートを放熱シートとした。比較例３の放熱シートのマルテンス硬さ、クリープ率、弾性率および熱抵抗は、それぞれ０．７０Ｎ／ｍｍ^２、１．０％、２０．０％および１．５℃／Ｗであった。

（比較例４）
比較例４では、Ａｌ_２Ｏ_３（フィラー）を４０ｗｔ％添加したシリコーンゲルシートを放熱シートとした。比較例４の放熱シートのマルテンス硬さ、クリープ率、弾性率および熱抵抗は、それぞれ０．５５Ｎ／ｍｍ^２、０．３％、３０．０％および１．８℃／Ｗであった。

（比較例５）
比較例５では、Ａｌ_２Ｏ_３（フィラー）を４０ｗｔ％添加したシリコーンゲルシートを放熱シートとした。比較例５の放熱シートのマルテンス硬さ、クリープ率、弾性率および熱抵抗は、それぞれ０．０２Ｎ／ｍｍ^２、２５．０％、５．０％および１．２℃／Ｗであった。

表１は、実施例１〜３および比較例１〜５のマルテンス硬さ、クリープ率、弾性率および熱抵抗の測定結果を示した表である。

表１から明らかなように、マルテンス硬さ、クリープ率および弾性率が、それぞれ０．０１〜０．６０Ｎ／ｍｍ^２、０．５〜２０．０％および５．０〜３０．０％の範囲内である実施例１〜３の試料については、熱抵抗がそれぞれ０．６℃／Ｗ、０．７℃／Ｗ、０．３℃／Ｗ（１℃／Ｗ未満）であり、良好な熱伝導性が得られることがわかる。

一方、マルテンス硬さ、クリープ率および弾性率が、それぞれ０．０１〜０．６０Ｎ／ｍｍ^２、０．５〜２０．０％および５．０〜３０．０％の範囲内にない比較例１、３〜５の試料については、熱抵抗がそれぞれ１．２℃／Ｗ、１．５℃／Ｗ、１．８℃／Ｗ、１．２℃／Ｗ（１℃／Ｗ以上）であり、実施例１〜３に比較して熱伝導性が劣ることがわかる。

なお、比較例５の試料は、クリープ率が２５％であることから、放熱シートが変形しやすいことから密着性が向上し、熱抵抗が低くなるようにも思われるが、実際には、熱抵抗は高い値となっている。これは、クリープ率が高いと、放熱シートが容易に変形するために、放熱シートの取付時における一時的な荷重の影響で放熱シートが大きく変形し、基板および筺体との間に隙間が生じ、却って密着性が損なわれたことに起因する。

また、比較例２の試料は、マルテンス硬さ、クリープ率および弾性率が、それぞれ０．０１〜０．６０Ｎ／ｍｍ^２、０．５〜２０．０％および５．０〜３０．０％の範囲内にないにもかかわらず、熱抵抗が０．３℃／Ｗ（１℃／Ｗ未満）であり、一見熱伝導性が良好であるように思われる。しかし、マルテンス硬さ、クリープ率および弾性率が、それぞれ０．０Ｎ／ｍｍ^２、０．０．％および０．０％であるため、放熱シートが液状もしくはジェル状となり、この放熱シートに含まれる液体成分の乾燥等による経時変化が大きく実用に耐えない。

以上のように、実施例１〜３の放熱シートによれば、熱抵抗を低くできるため、基板を介して伝達されるＬＥＤチップで生じる熱を効率良く筺体へ放熱できる。このため、ＬＥＤチップの温度上昇を抑制して、光出力の低下を防止することができる。

（その他の実施形態）
第１の実施形態では、電子機器として照明装置を例に説明したが、電子機器は照明装置だけに限られない。例えば、ＣＰＵとＣＰＵクーラー（放熱手段）との間に放熱シート５を挟み、ＣＰＵで生じる熱を、放熱シート５を介してＣＰＵクーラーへ放熱するようにしてもよい。

１…照明装置、２…ＬＥＤチップ、３…リフレクタ、４…基板、５…放熱シート、６…筺体（放熱手段）。

Claims

無機材料を含有する有機材料からなり、マルテンス硬さ、クリープ率および弾性率が、それぞれ０．０１〜０．６０Ｎ／ｍｍ^２、０．５〜２０．０％および５．０〜３０．０％の範囲内であることを特徴とする放熱シート。
前記有機材料に対して前記無機材料を１０〜８０ｗｔ％の割合で添加したことを特徴とする請求項１記載の放熱シート。
電子部品と；
前記電子部品で生じる熱を放熱する放熱手段と；
前記電子部品と前記放熱手段との間に介在する請求項１または２記載の放熱シートと；
を具備することを特徴とする電子機器。