JP2012191047A - 照明器具用の熱伝導基材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い放熱性を有することでLED素子の温度上昇を抑制できると共に反射率も高く、かつ、製作も容易である照明器具用の熱伝導基材を提供すること目的とする。
【解決手段】絶縁性樹脂部材の内部に金属放熱板が埋設されて成る。前記絶縁性樹脂部材は、熱硬化性樹脂4を20〜60体積%と、無機フィラー3を40〜80体積%とを含む。
【選択図】図1
【解決手段】絶縁性樹脂部材の内部に金属放熱板が埋設されて成る。前記絶縁性樹脂部材は、熱硬化性樹脂4を20〜60体積%と、無機フィラー3を40〜80体積%とを含む。
【選択図】図1
Description
本発明は、照明器具用の熱伝導基材及びその製造方法に関する。
近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に伴い、電子部品の高密度、高機能化が一層求められている。一方で、そのような小型化の発達が進むにつれて、電子部品の温度上昇の防止が重要となっており、例えば、照明用のLEDにおいても、温度上昇を防止するための開発が盛んに行われている。
一般に、照明用途に検討されているLEDの光源は発光効率が低く、LEDが発光する際に入力電力の大半が熱として放出されるため、発生した熱の程度が著しい場合、LEDが破壊されてしまうことがある。また、この発生熱が、LEDやそれを実装した基板に蓄熱されると、LEDの温度上昇が生じてしまい、LED自身の発光効率の低下を招いてしまうことがある。その上、LED素子はその光束が小さいため、大きな照度を得るためには基板上に複数のLED素子を格子状に配置する必要があるので、LEDから発生する熱がより蓄積され易い環境でもある。
このようなLED素子の過度の温度上昇を防止するために、LED照明器具等を高い放熱性を有する構造に設計することは、この分野の技術において非常に重要である。
放熱を高めるための具体的な例として、放熱性の高い金属からなるベース基板上にLED素子のベアチップを実装して、熱を金属ベース基板に拡散する構造のLED照明装置が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。
あるいは、樹脂製部材と金属製部材からなる複合体で構成されるLED照明装置用の熱伝導基材が提案されている(例えば、特許文献2を参照)。具体的には図4に示しているように、この熱伝導基材Aは、金属放熱板2上に無機フィラーと樹脂組成物から成る絶縁層13が設けられて構成されている。この絶縁層13には配線パターンと複数の凹部17が設けられている。さらに凹部17の内面には、反射率を高めるために、反射膜14が設けられており、LED素子5が凹部17内に実装され、凹部17を透明樹脂で充填することにより、レンズ部16が設けられている。
しかし、上記特許文献1においては、金属放熱板は絶縁層である樹脂の下部に取り付けられているため、金属放熱板に熱が伝わりにくくなり、LED素子の温度上昇を防ぎにくいものであった。
一方、上記特許文献2においても、金属放熱板は絶縁層の下部に取り付けられているため、放熱性能が充分でなく、LED素子の温度上昇を防ぎにくいものであった。また、金属放熱板を設ける工程に加えて、反射率を向上させるための反射膜14を形成する工程も必要であるので、工数が増加してコストアップを招く原因となっていた。さらに、反射膜14は、Ni、Au、Pt、Ag、Al等の耐酸化性の金属膜を、めっき法、蒸着法、スパッタ法によりわざわざ形成させなければならなかった。
このように、従来のLED照明装置用の熱伝導基材では、放熱性が決して高いものではなく、また、製作にも手間がかかる問題を有していた。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、高い放熱性を有することでLED素子の温度上昇を抑制できると共に反射率も高く、かつ、製作も容易である照明器具用の熱伝導基材及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明に係る照明器具用の熱伝導基材は、絶縁性樹脂部材の内部に金属放熱板が埋設されて成る照明器具用の熱伝導基材であって、前記絶縁性樹脂部材は、熱硬化性樹脂を20〜60体積%と、無機フィラーを40〜80体積%とを含むことを特徴とする。
また、上記照明器具用の熱伝導基材は、前記絶縁性樹脂部材の熱伝導率が1〜10W/mKであることが好ましい。
また、上記照明器具用の熱伝導基材は、前記熱硬化性樹脂が、不飽和ポリエステル樹脂又はエポキシ系アクリレート樹脂の少なくともいずれか一方を含んで形成されることが好ましい。
また、上記照明器具用の熱伝導基材は、前記無機フィラーが、MgO、Al2O3、BN、SiO2、SiC、Si3N4又はAlNの群から選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。
また、上記照明器具用の熱伝導基材は、前記絶縁性樹脂部材の反射率が80%以上であることが好ましい。
また、上記照明器具用の熱伝導基材は、前記絶縁性樹脂部材の絶縁抵抗が108MΩ以上であることが好ましい。
また、上記照明器具用の熱伝導基材の製造方法は、熱硬化性樹脂と無機フィラーとを含む未硬化の熱硬化性樹脂組成物の中に、金属放熱板を設けて加熱加圧成形することを特徴とする。
本発明の照明器具用の熱伝導基材では、高い放熱性を有するのでLED素子の温度上昇を抑制することができる。また、熱伝導基材の絶縁性樹脂部材は、その反射率が高いので、反射板を別途製作して設ける必要がなく、製作が容易になる。
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
本発明の照明器具用の熱伝導基材Aは、図1に示しているように、絶縁性樹脂部材1の内部に金属放熱板2が埋設されて成るものである。
上記絶縁性樹脂部材1は、少なくとも熱硬化性樹脂4と無機フィラー3とから構成されてなるものである。
本発明に使用する上記熱硬化性樹脂4としては、公知のものを使用することができるが、特に、成形性や機械的強度に優れるという点で、不飽和ポリエステル樹脂、又はエポキシ系アクリレート樹脂を硬化させた樹脂であることが好ましい。この場合、上記熱硬化性樹脂4は、不飽和ポリエステル樹脂又はエポキシ系アクリレート樹脂のいずれか一方を硬化させたものを使用しても良いし、両者を混合して硬化させたものを使用しても良い。また、これら以外の樹脂が含まれていても良い。
上記不飽和ポリエステル樹脂は、その種類が特に限定されるものではない。不飽和ポリエステル樹脂とは、例えば、不飽和ジカルボン酸等の不飽和多塩基酸(必要に応じて飽和多塩基酸を添加)と多価アルコールと、スチレン等の架橋剤からなるものである。尚、不飽和多塩基酸や飽和多塩基酸には、酸無水物も含まれる。
上記不飽和多塩基酸としては、例えば、無水マレイン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸等の不飽和二塩基酸が挙げられる。また、飽和多塩基酸としては、例えば、フタル酸、無水フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、コハク酸、アジピン酸、セバチン酸等の飽和二塩基酸、安息香酸、トリメリット酸等の二塩基酸以外の酸等が挙げられる。
上記多価アルコールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ネオペンチルグリコール、水素添加ビスフェノールA、1、6‐ヘキサンジオール等のグリコールが挙げられる。
上記架橋剤としては、一般的には、不飽和多塩基酸と多価アルコールとの縮重合生成物である熱硬化性樹脂4と架橋可能な不飽和単量体を使用することができる。不飽和単量体としては特に限定されないが、例えば、スチレン系モノマー、ビニルトルエン、酢酸ビニル、ジアリルフタレート、トリアリルシアヌレート、アクリル酸エステル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル等のメタクリル酸エステル等を用いることができる。
不飽和ポリエステル樹脂の代表例としては、無水マレイン酸−プロピレングリコール−スチレン系等が挙げられる。
上記のような不飽和多塩基酸と多価アルコールとを公知の重縮合反応により反応させた後、架橋剤のラジカル重合等を行うことで、熱硬化性樹脂4を得ることができる。
上記不飽和ポリエステル樹脂を硬化させる方法としては公知の方法で実施することができ、例えば、ラジカル重合開始剤等の硬化剤を添加し、必要に応じて加熱したり活性エネルギー線を照射したりすれば良い。硬化剤としては、公知のものを使用することができ、例えば、t−アミルパーオキシイソプロピルカーボネート等のパーオキシジカーボネート類、ケトンパーオキサイド類、ハイドロパーオキサイド類、ジアシルパーオキサイド類、パーオキシケタール類、ジアルキルパーオキサイド類、パーオキシエステル類、アルキルパーエステル類等が挙げられる。これらは単独で用いても良く、2種以上を併用しても良い。
一方、上述のように、本発明に使用する熱硬化性樹脂4として、エポキシ系アクリレート樹脂を硬化させた樹脂も使用することができる。
エポキシ系アクリレート樹脂とは、エポキシ樹脂骨格に重合反応可能な官能基を有する樹脂である。エポキシ系アクリレート樹脂は、1分子中に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂のエポキシ基に、アクリル酸やメタクリル酸等の不飽和一塩基酸又はマレイン酸やフマル酸等の不飽和二塩基酸のモノエステルを開環付加させた反応生成物である。通常、この反応生成物は、希釈剤によって液状樹脂の状態となっている。希釈剤としては、例えば、スチレン、メタクリル酸メチル、エチレングリコールジメタクリーレート、酢酸ビニル、ジアリルフタレート、トリアリルシアヌレート、アクリル酸エステル、メタクリル酸エステル等のラジカル重合反応性の単量体である。
ここで、上記エポキシ樹脂骨格としては、公知のエポキシ樹脂を使用でき、具体的にはビスフェノールA、ビスフェノールF又はビスフェノールSとエピクロルヒドリンから合成されるビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂又はビスフェノールS型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールとホルムアルデヒドを酸性触媒下で反応させて得られるいわゆるフェノールノボラック樹脂とエピクロルヒドリンから合成されるフェノールノボラック型エポキシ樹脂、及びクレゾールとホルムアルデヒドを酸性触媒下で反応させて得られるいわゆるクレゾールノボラック樹脂とエピクロルヒドリンから合成されるクレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のノボラックエポキシ樹脂等が挙げられる。
硬化方法としては、上記不飽和ポリエステル樹脂と同様の方法で行うことができ、硬化剤も上記同様のものを使用することで、エポキシ系アクリレート樹脂の硬化物を得ることができる。
本発明の絶縁性樹脂部材1は、上記熱硬化性樹脂4に無機フィラー3が含有されて成るものである。無機フィラー3としては、公知のものを使用することができるが、これらの中でも電気絶縁性で熱伝導性の良好であるという点で、MgO、Al2O3、BN、SiO2、SiC、Si3N4又はAlNが特に好ましい。これらの無機フィラー3の中から1種のみを使用しても良いし、2種以上を組み合わせて使用しても良い。尚、無機フィラー3には、樹脂との相溶性を高めるために、あらかじめカップリング処理等により表面処理を行っても良い。
絶縁性樹脂部材1における熱硬化性樹脂4と無機フィラー3との構成割合としては、熱硬化性樹脂4が20〜60体積%、無機フィラー3が40〜80体積%である。無機フィラー3が40体積%以上であれば、無機フィラー3による熱伝導性の効果が充分発揮できるので、絶縁性樹脂部材1の熱伝導率が低くなりすぎるおそれはない。また、無機フィラー3が80体積%以下であれば、樹脂の粘度が過度に高くなるおそれがないので、安定して絶縁性樹脂部材1を成形することができる。同様に、熱硬化性樹脂4が20〜60体積%であれば、絶縁性樹脂部材1の熱伝導率が低くなりすぎるおそれはないし、安定して絶縁性樹脂部材1を成形することができる。さらに、熱硬化性樹脂4が25〜50体積%、無機フィラー3が50〜75体積%であれば、成形時の流動粘度がより適したものになるので成形性が向上するのに加えて、より高い熱伝導率を得ることができるという点で特に好ましい。
絶縁性樹脂部材1には、本発明の効果を阻害しない程度であれば、繊維強化材、低収縮剤、増粘剤、着色剤、重合禁止剤、重合遅延剤、硬化促進剤、製造上の粘度調製のための減粘剤、トナー(着色剤)の分散性向上のための分散調整剤、離型剤等が含まれていても良い。これらは公知のものを使用することができるが、例えば、以下のようなものを挙げることができる。
上記繊維強化材としては、ガラス繊維等の無機繊維や各種有機繊維が用いられる。その繊維長としては、例えば、0.2〜10mm程度であれば、充分な補強効果や成形性を得ることができる。
上記低収縮剤としては、例えば、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、セルロース・アセテート・ブチレート、ポリカプロラクタン、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル等を用いることができる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記増粘剤としては、例えば、MgO(軽焼焼成法)、Mg(OH)2、Ca(OH)2、CaO、トリレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート等を用いることができる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記着色剤としては、例えば、酸化チタン等の無機系顔料、有機系顔料等、あるいはそれらを主成分とするトナーを用いることができる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
上記離型剤としては、例えば、ステアリン酸等を使用することができる。
本発明の照明器具用の熱伝導基材Aに使用される金属放熱板2としては、熱伝導性に優れたAlやCu等からなる金属を使用することができる。
金属放熱板2の形状としては、特に限定されないが、例えば、矩形状の平板を使用することができる。この場合、厚みは0.5〜5.0mmであることが好ましい。金属放熱板2は、絶縁性樹脂部材1の上面と平行に埋設されていることが好ましい。また、金属放熱板2の大きさは、絶縁性樹脂部材1に埋設されたときに、絶縁性樹脂部材1から露出することのない大きさであれば問題ないが、絶縁性樹脂部材1の上面の大きさと略一致していることが特に好ましい。もしくは、複数枚の金属放熱板2が、絶縁性樹脂部材1の内部に並設されるように埋設されていても良い。
金属放熱板2は、その表面が表面処理や粗面化処理されていることが好ましく、これによって金属放熱板2は絶縁性樹脂部材1に強固に固着されるようになる。表面処理としては、シラン系表面処理剤、チタン系表面処理剤等を用いることができ、シラン系表面処理剤としては、例えば、ビニルシラン、アクリルシラン、エポキシシラン、アミノシラン等を用いることができる。粗面化処理としては、塩化鉄、塩化銅等の水溶液中に金属放熱板2を浸漬してエッチングする化学的処理方法、Al2O3などの粉末を圧縮空気と共に金属放熱板2の表面に吹きつける物理的方法などが挙げられる。このような表面処理や粗面化処理は、いずれか一方のみでも良いし、両者を併用しても良い。
また、金属放熱板2には、複数個の貫通孔が形成されていても良く、それらの貫通孔に上記熱硬化性樹脂4が充填されていても良い。
本発明の絶縁性樹脂部材1は、上記のように熱硬化性樹脂4に無機フィラー3が含有されて成るものであるので、高い絶縁抵抗値を有する。特に、500Vの電圧を印加したときの絶縁抵抗値が108MΩ以上であることが好ましく、これによって高い絶縁信頼性を確保することができる。
本発明の絶縁性樹脂部材1は、上記のように熱硬化性樹脂4に無機フィラー3が含有されて成るものであるので、無機フィラー3が含有されていない熱硬化性樹脂4よりも熱伝導率が高い値を示すものとなり、優れた放熱性を有することになる。従って、LEDから発生する熱を効率よく放熱することができ、内部に埋設されている金属放熱板2に熱を効率良く伝えることができる。さらに、このような熱伝導率が非常に高い金属放熱板2が内部に埋設されているので、熱伝導基材A全域に熱を拡散することが可能となり、絶縁性樹脂部材1からの熱の放射、対流による放熱がより効果的となる。従って、本発明の熱伝導基材AをLED等の照明器具用として使用すれば、LED素子5の過度の温度上昇を抑えることができ、LED素子5の寿命を延ばすことができる。
具体的には、絶縁性樹脂部材1の熱伝導率の値が1〜10W/mKであれば、LED素子5の過度の温度上昇を抑えられるので効果的な放熱性を有することができる。特に好ましい熱伝導率の値は、2〜10W/mKである。
また、絶縁性樹脂部材1は、熱硬化性樹脂4に無機フィラー3が含有されているものであり、この無機フィラー3が白色状のものであれば、絶縁性樹脂部材1の外観は白色状となり、高い反射性を有するものとなる。そのため、LED素子5からの光の反射性を高くすることができ、照明光としての利用効率を高めることができる。従って、本発明の熱伝導基材AをLED等の照明器具用として使用することにより、LEDの光出力の高出力化や照度の向上させることも可能となる。
具体的には、絶縁性樹脂部材1の反射率が80%以上であれば、上記効果を充分発揮させることができ、照度が低下しにくくなるし、反射光の効果も損なわれにくくなる。特に、絶縁性樹脂部材1の反射率が85%以上であることが好ましい。反射率の上限値は100%である。尚、絶縁性樹脂部材1に例えば、TiO2などを主成分とする無機系顔料、有機系顔料等を配合されていれば、さらに絶縁性樹脂部材1の反射率を向上させることができる。
本発明の熱伝導基材Aは、LEDユニットに用いることができる。すなわち、絶縁性樹脂部材1の一方の表面に導体回路6を複数個形成させ、その導体回路6の上にLED素子全面に亘って複数個のLED素子5が設けられることになる。
導体回路6としては、特に限定されないが、導電性に優れると共に回路形成が容易であるという点で、金属箔を使用することが好ましい。金属箔としては、例えば、Cu、Ni、Al及びこれらのうちのいずれかの金属を主成分とする合金を使用できるが、中でも特に、導電性に優れて回路形成も容易であるという点で、Cu及びCuを主成分とする合金が好ましい。また、金属箔と絶縁性樹脂部材1との接着強度を高めるために、金属箔の絶縁性樹脂部材1との接着面が粗化処理されていることが好ましい。
上記導体回路6は、引出し配線により外部電源に電気的に接合されているので、LED素子5は外部から電源入力できる状態になっている。尚、外部電源と接合しやすいように熱伝導基材A自体に貫通孔が形成されていても良い。
また、導体回路6から金属放熱板2までの最短距離は、少なくとも0.3mm以上を確保できるように、金属放熱板2が絶縁性樹脂部材1中に埋設されていることが好ましい。このようにすることで、導体回路6と金属放熱板2との絶縁性の信頼性が損なわれにくくなる。
次に、本発明の熱伝導基材Aの製造方法について説明する。
本発明の熱伝導基材Aの製造方法は、熱硬化性樹脂4と無機フィラー3とを含む未硬化の熱硬化性樹脂組成物の中に、金属放熱板2を設けて加熱加圧成形ものである。熱硬化性樹脂4と無機フィラー3とを含む未硬化の熱硬化性樹脂組成物が、成形中に硬化されることで、絶縁性樹脂部材1が形成されることになる。以下、製造方法の詳細を説明する。
まず、絶縁性樹脂部材1を作製するための必要な各原料、無機フィラー3及び熱硬化性樹脂4を所定の割合で配合した後、ミキサーやブレンダーなどで混合し、ニーダーやロール等で混練することにより、未硬化状態の熱硬化性樹脂組成物(以下、コンパウンドという)を得る。
熱伝導基材Aは、上記コンパウンドと金属放熱板2とを一体成形することで得ることができる。成形方法としては、上型金型と下型金型で構成される一対の成形金型を用い、まず、下型金型に銅箔等の金属箔を載置しておく。次いで、その金属箔の上に、上記コンパウンド、金属放熱板2、上記コンパウンドをこの順に積層させ、上型金型を設置する。
このようにして、上記コンパウンド等を上型金型と下型金型とで挟み込んだ後、加圧プレスを行い、所定の温度に設定した金型内で保持させる。所定の時間が経過することで、まずコンパウンド中に含まれていた熱硬化性樹脂4が加熱により溶融軟化して所定の形状となり、それと共にコンパウンドの硬化反応も進み、絶縁性樹脂部材1が形成される。また、成形中にコンパウンドが硬化するので、絶縁性樹脂部材1と金属箔、金属放熱板2とが強固に接着されることになる。このように製造することによって、図1に示しているように、絶縁性樹脂部材1の内部に金属放熱板2が埋設されて成る熱伝導基材Aを得ることができる。
尚、上記成形条件は、熱硬化性樹脂の種類によって異なるが、特に限定はされるものではなく、例えば、成形圧力3〜20MPa、金型温度120〜150℃、成形時間3〜10分で行うことができる。上記成形方法としては公知の各種の成形方法を用いることができるが、例えば、圧縮成形(直圧成形)、トランスファー成形、射出成形等が挙げられる。
このようにして得られた熱伝導基材Aの一方の面には金属箔が形成されているので、この金属箔を所定の位置にエッチングレジストでマスクしてエッチングし、その後エッチングレジストを除去することで、導体回路6を形成することができる。次いで、例えば配線回路の所定の位置にクリーム半田をスクリーン印刷により塗布し、半田リフローによりLED素子を実装することでLEDユニットが得ることができる。
本発明の熱伝導基材Aの製造方法では、上記のような加熱加圧成形によって、熱伝導基材Aを一体成形することが可能となり、従来のように反射板を別体で製作し、それを取り付ける工程を省くことができる。また、成形金型の形状を適宜選定することによって、LED素子を実装する絶縁性樹脂部材1の形状パターンを変えることができるので、後述するように、熱伝導基材Aを所望の形状に変えたりすることが可能となる。
本発明の熱伝導基材Aは、図1に示すような平板形状のものを熱伝導基板としてLED等の照明器具に使用することができるし、あるいは、熱伝導基材Aを別の筐体に収容させることで、照明器具に使用することもできる。
また、熱伝導基材Aの形状は、図1に示しているような平板状でなくとも、使用の目的に応じて適宜の形状にすることができる。例えば、本発明の熱伝導基材Aの形状は、図2に示しているような断面コ字状に形成された筐体形状のものにすることができる。この場合、金属放熱板2も断面コ字状の筐体形状のものが熱伝導基材Aに設けられている。また、熱伝導基材Aの外周面は、LED素子等の実装面としての役割を果たす。そして、筐体状の熱伝導基材Aの内部は、電源収容部7として形成されている。このような形状にすることで、熱伝導基材Aを照明器具の筐体として使用することも可能であり、また、電源収容部7に電源9等を収容することで、LED等の照明器具をコンパクトな構造にすることができる。
あるいは、熱伝導基材Aは、図3に示しているように、熱伝導基材Aの一方の面に、絶縁性樹脂部材1で形成された放熱フィン8を有する形状にすることも可能である。この放熱フィン8は、LED素子5の実装面とは反対の面に複数の断面略逆台形状の板状突起物が形成されているもので、熱伝導基材Aの全長に亘って形成されている。このような放熱フィン8を有することによって、放熱効果をさらに向上させることが可能となる。
以上のような形状のものでも、製造時の成形金型の形状をそれぞれ所定のものを選定すれば、図1の熱伝導基材Aと同様の製造方法で得ることができる。また、LED素子の実装面の表面形状についても、同様の方法で種々の形状にすることができる。従って、目的とする性能に応じて、LED等の照明器具の発光性や放熱性等の特性を自在に調節することが可能となる。
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。
(実施例1)
不飽和ポリエステル樹脂(昭和高分子(株)製、M−640LS)100質量部、硬化剤としてt−アミルパーオキシイソプロピルカーボネート1質量部、重合禁止剤としてp−ベンゾキノン0.1質量部、離型剤としてステアリン酸5質量部、無機フィラーとして死焼焼成法酸化マグネシウム500質量部、着色剤として酸化チタンを主成分とするトナー7質量部、ステアリン酸5質量部をよく混合し、コンパウンドを得た。この配合では、熱硬化性樹脂と無機フィラーとの体積比率は、それぞれ39体積%、61体積%であった。
(実施例1)
不飽和ポリエステル樹脂(昭和高分子(株)製、M−640LS)100質量部、硬化剤としてt−アミルパーオキシイソプロピルカーボネート1質量部、重合禁止剤としてp−ベンゾキノン0.1質量部、離型剤としてステアリン酸5質量部、無機フィラーとして死焼焼成法酸化マグネシウム500質量部、着色剤として酸化チタンを主成分とするトナー7質量部、ステアリン酸5質量部をよく混合し、コンパウンドを得た。この配合では、熱硬化性樹脂と無機フィラーとの体積比率は、それぞれ39体積%、61体積%であった。
ここで上記体積比率は次の方法で算出した、すなわち、アルキメデス法によりあらかじめ上記配合で得る絶縁性樹脂部材の体積を算出しておき、その後、この絶縁性樹脂部材をマッフル炉を用いて625℃で焼成し、灰分重量を計測した。この灰分が無機フィラーであるため、灰分重量から無機フィラーの各体積%を算出した。無機フィラーと熱硬化性樹脂との体積比率を得た。本実施例及び比較例において、密度は酸化マグネシウムが3.65g/cm3、窒化ホウ素が2.27g/cm3、トナーが4.5g/cm3として算出した。一方、熱硬化性樹脂の体積比率は、{100−(無機フィラーの体積分率)}により算出した。
一方、金属放熱板として、厚み1.0mmのAl板を用意し、この両面をサンドブラスト(研磨剤Al2O3、昭和電工(株)製、モランダムA−40)で粗化処理した。
次に、下金型に厚み50μmの銅箔を配置し、その上に上記コンパウンド、上記Al板、さらに上記コンパウンドの順に積層させた後、上型金型を載置することで、金型内に絶縁性樹脂部材を形成させるための原料を挟み込んだ。
そして、成形圧力7MPa、金型温度145℃で加圧プレスした。成形時間は、4分間とした。これにより、まずコンパウンド中の不飽和ポリエステル樹脂が加熱により溶融軟化して所定の形状に変形し、次いで硬化することで、絶縁樹脂層と銅箔及びAl板とが強固に接着された熱伝導基材が得られた。
上記のように作製された熱伝導基材について、所定の位置にエッチングレジストでマスクして銅箔をエッチングした後、エッチングレジストを除去して導体回路を形成させた。次いで、導体回路の所定の位置にクリーム半田をスクリーン印刷により塗布し、半田リフローによりLED(日亜化学(株)社製、NFSW036AT)を実装(LED実装数4)して、LEDユニットを製作した。
尚、得られた絶縁性樹脂部材は、70mm角で厚みが5mmの平板状であり、導体回路と金属放熱板までの距離は1mmであった。
表1に各実施例及び比較例の配合条件並びに得られた絶縁性樹脂部材や熱伝導基材の評価結果を示す。
(実施例2)
不飽和ポリエステル樹脂の代わりに不飽和ポリエステル樹脂とエポキシアクリレート樹脂(日本ユピカ(株)社製、ネオポール8250H)との混合物とし、配合組成を表1のようにしたこと以外は実施例1と同様の方法で熱伝導基材を得た。また、得られた熱伝導基材から、実施例1と同様の方法により、LEDユニットを製作した。
(実施例3)
不飽和ポリエステル樹脂の代わりにエポキシアクリレート樹脂を使用し、配合組成を表1のようにしたこと以外は実施例1と同様の方法で熱伝導基材を得た。また、得られた熱伝導基材から、実施例1と同様の方法により、LEDユニットを製作した。
(比較例1)
無機フィラー3である死焼焼成法酸化マグネシウムは使用せず、表1に示す配合で各材料をよく混合し脱泡処理を行い、コンパウンドを得た。一方、金属放熱板として、厚み1.0mmのAl板を用意し、この両面をサンドブラスト(研磨剤Al2O3、昭和電工(株)製、モランダムA−40)で粗化処理した。次に、底面に厚み50μmの銅箔を配置し、所定の高さの位置にAl板を固定した型を用意し、上記のように作製したコンパウンドを型に流し込んだ。その型ごと乾燥機内に投入し、コンパウンドを硬化させた。尚、コンパウンドの硬化時の温度は、60、90、110℃と順に温度を上げ、各2時間ずつ硬化時間を設けた。
(実施例2)
不飽和ポリエステル樹脂の代わりに不飽和ポリエステル樹脂とエポキシアクリレート樹脂(日本ユピカ(株)社製、ネオポール8250H)との混合物とし、配合組成を表1のようにしたこと以外は実施例1と同様の方法で熱伝導基材を得た。また、得られた熱伝導基材から、実施例1と同様の方法により、LEDユニットを製作した。
(実施例3)
不飽和ポリエステル樹脂の代わりにエポキシアクリレート樹脂を使用し、配合組成を表1のようにしたこと以外は実施例1と同様の方法で熱伝導基材を得た。また、得られた熱伝導基材から、実施例1と同様の方法により、LEDユニットを製作した。
(比較例1)
無機フィラー3である死焼焼成法酸化マグネシウムは使用せず、表1に示す配合で各材料をよく混合し脱泡処理を行い、コンパウンドを得た。一方、金属放熱板として、厚み1.0mmのAl板を用意し、この両面をサンドブラスト(研磨剤Al2O3、昭和電工(株)製、モランダムA−40)で粗化処理した。次に、底面に厚み50μmの銅箔を配置し、所定の高さの位置にAl板を固定した型を用意し、上記のように作製したコンパウンドを型に流し込んだ。その型ごと乾燥機内に投入し、コンパウンドを硬化させた。尚、コンパウンドの硬化時の温度は、60、90、110℃と順に温度を上げ、各2時間ずつ硬化時間を設けた。
徐冷後、型から取り出した熱伝導基板について、実施例1と同様の方法により、LEDユニットを製作した。
(比較例2)
配合組成を表1のようにしたこと以外は実施例1と同様の方法で熱伝導基材を得た。尚、調整したコンパウンドは40℃で24時間熟成させてベタツキがなくなるまで増粘させた。また、得られた熱伝導基材から、実施例1と同様の方法により、LEDユニットを製作した。
(比較例2)
配合組成を表1のようにしたこと以外は実施例1と同様の方法で熱伝導基材を得た。尚、調整したコンパウンドは40℃で24時間熟成させてベタツキがなくなるまで増粘させた。また、得られた熱伝導基材から、実施例1と同様の方法により、LEDユニットを製作した。
上記のようにして得られた実施例および比較例の熱伝導基材及びLEDユニットについて以下に記載の方法で評価を行った。
(比較例3)
不飽和ポリエステル樹脂の代わりにエポキシアクリレート樹脂を使用し、配合組成を表1のようにしたこと以外は実施例1と同様の方法で熱伝導基材を得ようとしたが、成形性が非常に悪かったため、目的の熱伝導基材を得ることはできなかった。
(絶縁性樹脂部材の熱伝導率)
熱伝導基材から配線回路を避けて絶縁性樹脂部材のみの部分を10mm角、厚さ2mmで切り出し、NETZSCH社製のキセノンフラッシュ熱伝導率測定装置LFA447を用い、25℃で測定した。
(LED点灯時のLED温度測定)
温度25℃の環境下にてLEDに450mAの定格電流を印加してLEDを点灯させ、20分後のLED半田接合部の温度を測定した。
(絶縁性樹脂部材の反射率)
熱伝導基材から配線回路を避けて絶縁性樹脂部材のみの部分を30mm角、厚さ2mmで切り出し、555nmにおける絶縁性樹脂部材の反射率を測定した。測定には日立製の分光光度計U−4100を用いた。
(絶縁性樹脂部材の絶縁抵抗値)
コンパウンドのみを別途成形し、JIS K6911に基づいて試験片形状を切り出した。そして、テーパーピンの電極間に500Vの電圧を印加し、絶縁性樹脂部材の絶縁抵抗値を測定した。
(比較例3)
不飽和ポリエステル樹脂の代わりにエポキシアクリレート樹脂を使用し、配合組成を表1のようにしたこと以外は実施例1と同様の方法で熱伝導基材を得ようとしたが、成形性が非常に悪かったため、目的の熱伝導基材を得ることはできなかった。
(絶縁性樹脂部材の熱伝導率)
熱伝導基材から配線回路を避けて絶縁性樹脂部材のみの部分を10mm角、厚さ2mmで切り出し、NETZSCH社製のキセノンフラッシュ熱伝導率測定装置LFA447を用い、25℃で測定した。
(LED点灯時のLED温度測定)
温度25℃の環境下にてLEDに450mAの定格電流を印加してLEDを点灯させ、20分後のLED半田接合部の温度を測定した。
(絶縁性樹脂部材の反射率)
熱伝導基材から配線回路を避けて絶縁性樹脂部材のみの部分を30mm角、厚さ2mmで切り出し、555nmにおける絶縁性樹脂部材の反射率を測定した。測定には日立製の分光光度計U−4100を用いた。
(絶縁性樹脂部材の絶縁抵抗値)
コンパウンドのみを別途成形し、JIS K6911に基づいて試験片形状を切り出した。そして、テーパーピンの電極間に500Vの電圧を印加し、絶縁性樹脂部材の絶縁抵抗値を測定した。
実施例1〜3では、絶縁性樹脂組成は高い熱伝導率を有していたため、LED実装部の過度の温度上昇は抑えられており、放熱性に優れる熱伝導基材であった。また、反射率も高く、LEDの照度の低下は見られなかった。
一方、比較例1及び2では、樹脂の熱伝導率が低いため、LED実装部に蓄熱して点灯時のLEDには大きな温度上昇が見られた。
比較例3においては、無機フィラー3の含有量が多すぎるために成形時の樹脂の粘度が高くなり、成形することができなかった。
A:熱伝導基材
1:絶縁性樹脂部材
2:金属放熱板
3:無機フィラー
4:熱硬化性樹脂
1:絶縁性樹脂部材
2:金属放熱板
3:無機フィラー
4:熱硬化性樹脂
Claims (7)
- 絶縁性樹脂部材の内部に金属放熱板が埋設されて成る照明器具用の熱伝導基材であって、
前記絶縁性樹脂部材は、熱硬化性樹脂を20〜60体積%と、無機フィラーを40〜80体積%とを含むことを特徴とする照明器具用の熱伝導基材。 - 前記絶縁性樹脂部材の熱伝導率が1〜10W/mKであることを特徴とする請求項1に記載の照明器具用の熱伝導基材。
- 前記熱硬化性樹脂が、不飽和ポリエステル樹脂又はエポキシ系アクリレート樹脂の少なくともいずれか一方を含んで形成されることを特徴とする請求項1又は2に記載の照明器具用の熱伝導基材。
- 前記無機フィラーが、MgO、Al2O3、BN、SiO2、SiC、Si3N4又はAlNの群から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の照明器具用の熱伝導基材。
- 前記絶縁性樹脂部材の反射率が80%以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の照明器具用の熱伝導基材。
- 前記絶縁性樹脂部材の絶縁抵抗が108MΩ以上であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の照明器具用の熱伝導基材。
- 請求項1乃至6のいずれかに記載の照明器具用の熱伝導基材の製造方法であって、
熱硬化性樹脂と無機フィラーとを含む未硬化の熱硬化性樹脂組成物の中に、金属放熱板を設けて加熱加圧成形することを特徴とする照明器具用の熱伝導基材の製造方法。
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JP2011054284A JP2012191047A (ja) | 2011-03-11 | 2011-03-11 | 照明器具用の熱伝導基材及びその製造方法 |
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- 2011-03-11 JP JP2011054284A patent/JP2012191047A/ja not_active Withdrawn
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