JP6335638B2 - 放熱基板、その製造方法及びその放熱基板を利用したｌｅｄ発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、放熱基板、その製造方法及びその放熱基板を利用したＬＥＤ発光装置に関する。

近年、半導体素子であるＬＥＤ素子は、長寿命で優れた駆動特性を有し、さらに小型で発光効率が良く鮮やかな発光色を有することから、照明等に広く利用されるようになってきたが、ＬＥＤ素子における発熱を如何に放熱するかが重要な課題となっている。

面方向の熱伝導率が優れた平面視矩形状をなすグラファイトシートの一辺が基板の半導体装置搭載面の一部をなすように、その一辺と頂点を共有する他辺が基板の厚み方向となるように多数配置され、前記多数のグラファイトシート間にアルミニウム（Ａｌ）などの金属材料を充填して形成される放熱性基板が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１０−２５１４６６号公報

しかしながら、アルミニウムなどの多くの金属材料の熱伝導率は、グラファイトシートの面方向の熱伝導率よりも低いところ、特許文献１に記載の放熱性基板は、多数のグラファイトシートがグラファイトシートの厚さに比して大きな間隔を空けて配置され、当該グラファイトシート間にアルミニウムなどの金属材料が充填された構造を有するため、結果として、熱伝導層全体の熱伝導率は、金属材料の熱伝導率に大きく依存してしまい、グラファイトシートの面方向熱伝導率を最大限生かした高い熱伝導率を得ることができない、という問題があった。

また、特許文献１に記載の放熱性基板においては、グラファイトシート間に金属材料を充填させるために、グラファイトシート間に金属粒子を充填した後に全体を焼結する等の操作が必要となるが、金属粒子の充填時に放熱性基板の厚み方向に高熱伝導率方向を向けるというグラファイトシートの配向が変化してしまうという問題や、操作が煩雑でコストがかかるといった問題があった。

そこで、本発明は、上述した問題点を解消することを可能とした放熱基板、その製造方法及びその放熱基板を利用したＬＥＤ発光装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、熱伝導率が高く、且つ、製造が容易な、放熱基板、その製造方法及びその放熱基板を利用したＬＥＤ発光装置を提供することを目的とする。

本発明に係る放熱基板は、グラファイトシートからなる熱伝導層と、熱伝導層上に接着された反射層と、熱伝導層上で、反射層とは反対側に接着された放熱層と、を有する放熱基板であって、熱伝導層は、グラファイトシート同士が、グラファイトシートの面方向が熱伝導層の厚み方向となるように相互に積層且つ密着して形成される、ことを特徴とする。

本発明に係る放熱基板では、熱伝導層は、複数枚の矩形のグラファイトシートが、平行に配置されて形成されることが好ましい。

本発明に係る放熱基板では、熱伝導層は、１枚の矩形のグラファイトシートが、熱伝導層の厚み方向と平行な軸の周りに略渦状に巻回されて形成されることが好ましい。

本発明に係るＬＥＤ発光装置は、上記のいずれかの放熱基板と、放熱基板上に配置されたＬＥＤ素子と、を有することが好ましい。

本発明に係る放熱基板の製造方法は、複数枚のグラファイトシートを、平行に配置して、相互に積層且つ密着させ、積層且つ密着させた複数枚のグラファイトシートを、グラファイトシートの面方向と垂直に切断して、グラファイトシートからなる重合シート片を切り出し、重合シート片の切断面又は切断面と逆の面に、反射層を設け、重合シート片の反射層が設けられた面とは逆の面に、放熱層を設ける、工程を有することを特徴とする。

本発明に係る放熱基板の製造方法は、１枚のグラファイトシートを、略渦状に巻回して、相互に積層且つ密着させ、積層且つ密着させた１枚のグラファイトシートを、略渦の軸方向と垂直に切断して、グラファイトシートからなる重合シート片を切り出し、重合シート片の切断面又は切断面と逆の面に、反射層を設け、重合シート片の反射層が設けられた面とは逆の面に、放熱層を設ける、工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、グラファイトシート同士が、グラファイトシートの面方向が熱伝導層の厚み方向となるように、相互に積層且つ密着して形成されることで、熱伝導率が高く、且つ、製造が容易な、放熱基板、その製造方法及びその放熱基板を利用したＬＥＤ発光装置を提供することが可能となった。

（ａ）は本発明に係る放熱基板１の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡＡ′断面図である。 熱伝導層１１の斜視図である。 放熱基板１の製造工程を説明するための図である。 他の熱伝導層２０の斜視図である。 熱伝導層２０を有する放熱基板２の製造工程を説明するための図である。 更に他の熱伝導層３０の斜視図である。 熱伝導層３０を有する放熱基板３の製造工程を説明するための図である。 （ａ）はＬＥＤ発光装置４の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣＣ′断面図である。 ＬＥＤ素子１６の配置を説明するための図である。

以下図面を参照して、本発明に係る放熱基板及びその製造方法について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

図１（ａ）は本発明に係る放熱基板１の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＡ′断面図である。

放熱基板１は、反射層１０、熱伝導層１１、放熱層１２から構成されている。

熱伝導層１１は、グラファイトシート１３同士が、グラファイトシート１３の面方向が熱伝導層１１の厚み方向となるように相互に積層且つ密着して形成されている。

ここに、「相互に積層且つ密着」とは、グラファイトシート同士が、接着剤等により接着されていること、又は、間に他の物質を介さずに密着していること、をいう。

すなわち、熱伝導層１１において、複数枚の矩形のグラファイトシート１３が、平行に配置され、グラファイトシート１３の面同士が接着剤により接着されている。グラファイトシート１３の厚さは１枚当たり約１００μｍであり、接着層の厚さは１層当たり約２μｍである。

このように、熱伝導層１１においては、グラファイトシート１３が、グラファイトシート１３の厚さに比して極めて薄い接着層により、相互に積層且つ密着して形成されていることから、グラファイトシート１３間の物質の影響による熱伝導層全体の熱伝導率の低下を最小限に抑え、高い熱伝導率を有する熱伝導層を実現することが可能となる。

反射層１０は、熱伝導層１１の一方の面上に設けたＡｌ蒸着層又は銀（Ａｇ）蒸着層等による金属層である。反射層１０は、ＬＥＤ素子等の発光素子が反射層１０に設けられた際に、発光素子から発せられる光を反射し、発光装置における光の取り出し効率を改善する機能を有することが好ましい。また、反射層１０は、発光素子が発する熱を、熱伝導層１１に伝えるために、熱伝導率が高い金属により形成されることが好ましい。

放熱層１２は、熱伝導層１１の反射層１０が設けられている面とは逆側の面上に設けたＡｌめっき層又はＡｌ蒸着層等による金属層である。放熱層１２は、発光素子等により発せられ、反射層１０及び熱伝導層１１を通して伝えられた熱を放熱する機能を有することが好ましい。

図２は、熱伝導層１１の斜視図である。

図２に示す様に、熱伝導層１１は、複数枚の矩形のグラファイトシート１３が、平行に、且つ、グラファイトシート１３の面方向が熱伝導層１１の厚み方向となるように、配向されている。

図３は、放熱基板１の製造工程を説明するための図である。

まず、図３（ａ）に示す様に、５０枚のグラファイトシート１３を、各グラファイトシート１３がＸＹ平面と平行になるように相互に積層する。グラファイトシート１３として、パナソニック（登録商標）社製のグラファイトシート、ＥＹＧＳ０９１２１０を用いた。ＥＹＧＳ０９１２１０は、平面視９０ｍｍ×１１５ｍｍの矩形状であり、厚さは１００μｍで、面方向熱伝導率は７００Ｗ／ｍ・Ｋである。グラファイトシート１３同士は、接着剤によって接着され、相互に密着する。接着層の厚さは１層当たり約２μｍである。

なお、熱伝導層１１における複数枚のグラファイトシート１３は、接着剤等で接着せずとも、複数枚のグラファイトシート１３を積層させたまま、専用の治具等によって所定の圧力で押さえつけておき、後述の、切断、反射層及び放熱層の形成の操作を、順次行ってもよい。このような製法の場合、グラファイトシート１３同士の接着が得られなくとも、後述の様に、熱伝導層１１の上面及び下面に反射層１０及び放熱層１２を形成することでグラファイトシート１３間の接着が補強され、最終的には充分な強度の放熱基板を得ることができる。

このように、接着剤を用いない製法により複数枚のグラファイトシート１３が相互に積層且つ密着される場合、実質的にグラファイトシート１３間の物質による熱伝導層全体の熱伝導率の影響がなくなり、グラファイトシート１３の面方向の高い熱伝導率を最大限生かした熱伝導層を得ることが可能となる。

次に、図３（ｂ）に示す様に、積層したグラファイトシート１３を、Ｙ軸方向の長さが約３ｍｍとなるように、ＸＺ平面と平行に所定の切断器により切断する。

次に、図３（ｃ）に示す様に、Ｘ軸方向の長さが約５ｍｍとなるように、ＹＺ平面と平行に所定の切断器により切断する。

上記切断により、図３（ｄ）に示す様な、積層した５０枚のグラファイトシート１３からなる、約５ｍｍ×約５ｍｍ×約３ｍｍの熱伝導層１１が得られる。なお、図３（ｄ）に示す熱伝導層１１は、図３（ｃ）に示す様な、切り出された熱伝導層１１を、Ｘ軸について９０度回転させたものである。したがって、図３（ｃ）に示す熱伝導層１１においては、グラファイトシート１３の面方向は、ＸＺ平面と平行になっている。

次に、図３（ｅ）に示す様に、熱伝導層１１の一方の面に、Ａｌを蒸着し、反射層１０を設ける。反射層１０は、反射率が９０％以上のＡｌ蒸着層である。反射層１０の厚さは、約２０μｍである。

次に、図３（ｆ）に示す様に、反射層１０が設けられた面とは反対側の熱伝導層１１の面上に、Ａｌをめっきし、放熱層１２を設ける。放熱層１２の厚さは約５ｍｍである。

放熱基板１においては、グラファイトシート１３同士が相互に積層且つ密着され、又、放熱基板１の厚み方向にグラファイトシート１３の面方向が高い精度で配向されるため、高い熱伝導率を有する放熱基板を得ることが可能となった。

図４は、他の熱伝導層２０の斜視図である。

熱伝導層２０は、１枚の矩形のグラファイトシート１３が、熱伝導層２０の厚み方向に平行な軸を中心として略渦状に巻回されて形成されている。具体的には、グラファイトシート１３は、当該軸の周りに、略直角に順次巻き付けられている。

図５は、熱伝導層２０を有する放熱基板２の製造工程を説明するための図である。

まず、図５（ａ）に示す様に、面全体に接着剤を塗布したグラファイトシート１３を、グラファイトシート１３の一辺を軸として略渦状に巻回す。グラファイトシート１３として、パナソニック（登録商標）社製のグラファイトシート、ＥＹＧＳ０９１２１０を用いた。図５（ａ）において、当該軸はＸ軸と平行である。このとき、グラファイトシート１３を、Ｘ軸と平行な折り目において、略直角に順次折り曲げ、グラファイトシート１３の面同士を接着していき、ＹＺ断面図が約５ｍｍ×約５ｍｍの略正方形となるまで、グラファイトシート１３を巻回す。ＹＺ断面図が約５ｍｍ×約５ｍｍの略正方形になったら、余ったグラファイトシート１３を専用のカッター等で切り離す。

なお、熱伝導層２０におけるグラファイトシート１３は、接着剤等で接着せずとも、グラファイトシート１３を巻回して積層させたまま、専用の治具等によって所定の圧力で押さえつけておき、後述の、切断、反射層及び放熱層の形成の操作を、順次行ってもよい。このような製法の場合、グラファイトシート１３同士の接着が得られなくとも、後述の様に、熱伝導層２０の上面及び下面に反射層１０及び放熱層１２を形成することでグラファイトシート１３間の接着が補強され、最終的には充分な強度の放熱基板２を得ることができる。

このように、接着剤を用いない製法によりグラファイトシート１３が相互に積層且つ密着される場合、実質的にグラファイトシート１３間の物質による熱伝導層２０全体の熱伝導率の影響がなくなり、グラファイトシート１３の面方向の高い熱伝導率を最大限生かした熱伝導層２０を得ることが可能となる。

次に、図５（ｂ）に示す様に、Ｘ軸の長さが約３ｍｍとなるように、ＹＺ平面と平行に、巻回されたグラファイトシート１３を所定の切断器により切断する。

切断によって、図５（ｃ）に示す様に、巻回されたグラファイトシート１３からなる、約５ｍｍ×約５ｍｍ×約３ｍｍの熱伝導層１１が得られる。なお、図５（ｃ）に示す熱伝導層２０は、図５（ｂ）に示す様な、切り出された熱伝導層２０を、Ｙ軸について９０度回転させたものである。したがって、図５（ｃ）に示す熱伝導層２０においては、グラファイトシート１３の面方向は、Ｚ軸と平行になっている。

次に、図５（ｄ）に示す様に、放熱基板１と同様に、熱伝導層２０の一方の面に、Ａｌを蒸着し、反射層１０を設ける。

次に、図５（ｅ）に示す様に、放熱基板１と同様に、反射層１０が設けられた面とは反対側の熱伝導層２０の面上に、Ａｌをめっきし、放熱層１２を設け、放熱基板２を得る。

放熱基板２においても、グラファイトシート１３同士が相互に積層且つ密着され、又、放熱基板２の厚み方向にグラファイトシート１３の面方向が高い精度で配向されるため、高い熱伝導率を有する放熱基板を得ることが可能となった。

図６は、更に他の熱伝導層３０の斜視図である。

熱伝導層３０は、１枚の矩形のグラファイトシート１３が、熱伝導層３０の厚み方向に平行な軸を中心として略渦状に巻回され、その後、略直方体に切断された構造を有する。

図７は、熱伝導層３０を有する放熱基板３の製造工程を説明するための図である。

まず、図７（ａ）に示す様に、面全体に接着剤を塗布したグラファイトシート１３を、グラファイトシート１３の一辺を軸として略渦状に巻回す。グラファイトシート１３として、パナソニック（登録商標）社製のグラファイトシート、ＥＹＧＳ０９１２１０を用いた。図７（ａ）において、当該軸はＸ軸と平行である。このとき、グラファイトシート１３を、当該軸を中心とする略同心円状に巻回していく。ＹＺ断面が適当な大きさになったら、余ったグラファイトシート１３を、専用のカッター等で切り離す。

なお、熱伝導層３０におけるグラファイトシート１３は、接着剤等で接着せずとも、グラファイトシート１３を巻回して積層させたまま、専用の治具等によって所定の圧力で押さえつけておき、後述の、切断、反射層及び放熱層の形成の操作を、順次行ってもよい。このような製法の場合、グラファイトシート１３同士の接着が得られなくとも、後述の様に、熱伝導層２０の上面及び下面に反射層１０及び放熱層１２を形成することでグラファイトシート１３間の接着が補強され、最終的には充分な強度の放熱基板３を得ることができる。

このように、接着剤を用いない製法によりグラファイトシート１３が相互に積層且つ密着される場合、実質的にグラファイトシート１３間の物質による熱伝導層３０全体の熱伝導率の影響がなくなり、グラファイトシート１３の面方向の高い熱伝導率を最大限生かした熱伝導層３０を得ることが可能となる。

次に、図７（ｂ）に示す様に、Ｘ軸の長さが約３ｍｍとなるように、ＹＺ平面と平行に、巻回されたグラファイトシート１３を所定の切断器により切断する。

次に、図７（ｂ）に示す様に、切断したグラファイトシート１３を、断面が約５ｍｍ×約５ｍｍの略正方形Ｂとなるように、所定の切断器により切断し、図７（ｃ）に示す熱伝導層３０を得る。なお、図７（ｃ）においては、グラファイトシート１３の面方向は、Ｚ軸と平行になっている。

次に、図７（ｄ）に示す様に、放熱基板１と同様に、熱伝導層３０の一方の面に、Ａｌを蒸着し、反射層１０を設ける。

次に、図７（ｅ）に示す様に、放熱基板１と同様に、反射層１０が設けられた面とは反対側の熱伝導層３０の面上に、Ａｌをめっきし、放熱層１２を設け、放熱基板３を得る。

放熱基板３においても、グラファイトシート１３同士が相互に積層且つ密着され、又、放熱基板３の厚み方向にグラファイトシート１３の面方向が高い精度で配向されるため、高い熱伝導率を有する放熱基板を得ることが可能となった。

図８（ａ）はＬＥＤ発光装置４の平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＣＣ′断面図である。

ＬＥＤ発光装置４は、前述した放熱基板１、レジスト１４、電極層１９−１、電極層１９−２、樹脂枠１５、ＬＥＤ素子１６、蛍光体樹脂層１７等から形成されている。

反射層１０、熱伝導層１１及び放熱層１２からなる放熱基板１の上に、レジスト１４が設けられている。反射層１０とレジスト１４の間には、電極層１９−１及び電極層１９−２が設けられている。後述する様に、反射層１０の上には、レジスト１４の内側に、複数のＬＥＤ素子１６が配置されている。

ＬＥＤ素子１６の周囲で、樹脂枠１５の内側には、ＬＥＤ素子１６を保護するための蛍光体樹脂層１７が形成されている。蛍光体樹脂層１７としては、透明性のあるエポキシ樹脂やシリコーン樹脂が用いられる。蛍光体樹脂層１７には、樹脂と混合された蛍光体が含まれている。蛍光体は、ＬＥＤ素子１６から発光された青色光の一部を吸収し、波長変換した黄色光を発光するので、青色光と黄色光が混じり合い、ＬＥＤ発光装置４からは白色光が出射される。なお、蛍光体樹脂層１７には、ＬＥＤ素子１６から発光された光を均一に分散させるための散乱材が含まれていてもよい。

図９は、ＬＥＤ素子１６の配置を説明するための図である。

図９は、蛍光体樹脂層１７が除かれたＬＥＤ発光装置４の平面図を示している。図９に示される様に、電極層１９−１及び電極層１９−２の間に、１２個ずつ直列接続された３グループのＬＥＤ素子１６群が並列に、金ワイヤ１８によって接続されている。各ＬＥＤ素子１６は、反射層１０の表面にダイボンド材等によって接着されている。電極層１９−１は電極１９ａと、電極層１９−２は電極１９ｂと、それぞれ電気的に接続されており、電極１９ａ及び電極１９ｂ間に所定の電圧が供給されると、ＬＥＤ素子１６が発光する。

ＬＥＤ発光装置４においては、放熱基板１を用いていることから、放熱性の良いＬＥＤ発光装置を得ることが可能となった。

なお、上記例においては、ＬＥＤ発光装置４に放熱基板１を用いたが、放熱基板１に代えて前述した放熱基板２又は放熱基板３を用いても、放熱性の良いＬＥＤ発光装置を得ることが同様に可能である。

１、２、３ 放熱基板
４ ＬＥＤ発光装置
１０ 反射層
１１ 熱伝導層
１２ 放熱層
１３ グラファイトシート
１４ レジスト
１５ 樹脂枠
１６ ＬＥＤ素子
１７ 蛍光体樹脂層
１８ 金ワイヤ
１９−１ 電極層
１９−２ 電極層
１９ａ 電極
１９ｂ 電極
２０ 熱伝導層
３０ 熱伝導層

Claims (6)

1. グラファイトシートからなる熱伝導層と、
   前記熱伝導層上に接着された金属層である反射層と、
   前記熱伝導層上で、前記反射層とは反対側に接着された金属層である放熱層と、
   を有する放熱基板であって、
   前記熱伝導層は、前記グラファイトシート同士が、前記グラファイトシートの面と前記熱伝導層の厚み方向とが平行になるように他の物質を介さずに積層且つ密着して形成される、
   ことを特徴とする放熱基板。
2. 前記熱伝導層は、複数枚の矩形の前記グラファイトシートが、平行に配置されて形成される、請求項１に記載の放熱基板。
3. 前記熱伝導層は、１枚の矩形の前記グラファイトシートが、前記熱伝導層の厚み方向と平行な軸の周りに略渦状に巻回されて形成される、請求項１に記載の放熱基板。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の放熱基板と、
   前記放熱基板上に配置されたＬＥＤ素子と、
   を有するＬＥＤ発光装置。
5. 複数枚のグラファイトシートを、平行に配置して、他の物質を介さずに積層且つ密着させ、
   前記複数枚のグラファイトシートを、前記グラファイトシートの面と垂直の方向に切断して、前記グラファイトシートからなる重合シート片を切り出し、
   前記重合シート片を所定の圧力で押さえつけておき、前記重合シート片の前記切断面又は前記切断面と逆の面に、金属層である反射層を設け、
   前記重合シート片を所定の圧力で押さえつけておき、前記重合シート片の前記反射層が設けられた面とは逆の面に、金属層である放熱層を設ける、
   工程を有することを特徴とする、放熱基板の製造方法。
6. １枚のグラファイトシートを、略渦状に巻回して、他の物質を介さずに積層且つ密着させ、
   前記１枚のグラファイトシートを、前記略渦の軸方向と垂直に切断して、前記グラファイトシートからなる重合シート片を切り出し、
   前記重合シート片を所定の圧力で押さえつけておき、前記重合シート片の前記切断面又は前記切断面と逆の面に、金属層である反射層を設け、
   前記重合シート片を所定の圧力で押さえつけておき、前記重合シート片の前記反射層が設けられた面とは逆の面に、金属層である放熱層を設ける、
   工程を有することを特徴とする、放熱基板の製造方法。

Images