JPWO2008126564A1 - 放熱部材、それを用いた回路基板、電子部品モジュール及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
基板が破損したり、基板の総重量が増加したり、生産性の低下やコストの増加を招いたり、或いは、大型化したりすることなく、電子部品を十分に冷却することができる放熱部材用いた回路基板を提供することを目的とする。表面に配線パターン３が形成された基板本体４を有すると共に、ＬＥＤモジュール１が上記配線パターン３に接続される構造の回路基板であって、上記基板本体４の一部には表面から裏面まで貫通した貫通孔６が設けられ、且つ、上記基板本体４の裏面には、上記貫通孔６の一方端を塞ぐように放熱部材５が配設されると共に、この放熱部材５と上記ＬＥＤモジュール１とが直接的に当接された状態で上記貫通孔内６に上記ＬＥＤモジュール１が配置されていることを特徴とする回路基板。
Description
本発明は、放熱部材、それを用いた放熱構造を有する回路基板、電子部品モジュール及びそれらの製造方法に関し、より具体的には、熱容量等を変化させて製造することができる素材からなる放熱部材、それを用いたスペース性に優れ、軽量且つ低コストであり、しかも放熱能力を調節可能な放熱構造を有する回路基板、電子部品モジュール及びそれらの製造方法に関する。
従来、回路基板の放熱構造としては、基板の片面上に金属配線を設け、その配線上に電子部品を実装し、その基板の裏面に銅やアルミなどの放熱板を面接触させたようなものが知られている。しかし、近年の高速演算処理化や高集積化に伴い電子部品の発熱量が増大する傾向にあるということ、及び、近年、照明装置としての注目されているＬＥＤは、温度上昇すると発光効率が低下したり故障したりする原因となるということ、等の理由により、より高い放熱能力を有する放熱構造が求められるようになってきた。
特に、ＬＥＤを高密度実装した場合においては、総発光量に応じて発熱量は増大し、ＬＥＤの特性低下及び故障の発生率が高くなる。そのため、ＬＥＤ照明装置を大光量で発光するためには、温度上昇を抑制するための放熱構造を設ける必要がある。
尚、放熱構造として、ペルチェ素子の吸熱効果を利用した冷却手段も知られているが、この場合には、省スペース化が困難であり、しかもコストが高くなるという問題がある。また、回路基板上に銅箔を添設して熱伝導を向上させ、絶縁シートを介して熱を外へ逃す方法が知られているが、銅の密度は９ｇ／ｃｍ3と比較的重いため、充分な放熱力を得るために必要な銅箔を基板に設置すると、回路基板が重くなるといった課題を有していた。
そこで、このようなことを考慮して、以下に示すような提案がなされている。
そこで、このようなことを考慮して、以下に示すような提案がなされている。
（１）放熱体である電子デバイスを搭載した基板の面に沿うように、或いはその反対面に、銅やアルミ等の各種金属よりも高い面方向伝導率を有し、軽量なグラファイトシート或いは単結晶シートを設けた冷却構造を有する提案（下記特許文献１参照）。
（２）基板本体の上側と下側との間にスルーホールを備え、上側に取り付けられた少なくとも１つの電気コンポーネントと、スルーホール内に挿入され、上側から下側に延在し、電気コンポーネントに熱的に結合されている少なくとも１つの熱伝導部材とを備え、熱伝導部材は、平坦な上部部分とテーパが付いているか又は凹部が設けられた下部分とを備えることで冷却能力を高めたプリント回路基板の提案（下記特許文献２参照）。
（３）ＬＥＤの発光効率低下を抑制するとともに、信頼性の高い明るい長寿命の液晶表示ができるＬＥＤバックライトを有する液晶表示装置を提供するために、ＬＥＤモジュールを実装する基板の実装面に、実装金属膜、金属駆動配線、金属膜パターンを、裏面に放熱用金属膜を形成し、その間を金属スルーホールに接合するとともに、ＬＥＤモジュールを実装するにあたり、実装金属膜との間に放熱材を介在させた提案（下記特許文献３参照）。
（１）特許文献１に示す技術の課題
当該文献では、ポリイミド等の高分子物質を高温処理したシートを基板の底面に貼ることが開示されるが、プリント回路基板を介して放熱する構造であるため、高い放熱能力を奏することは難しい。
当該文献では、ポリイミド等の高分子物質を高温処理したシートを基板の底面に貼ることが開示されるが、プリント回路基板を介して放熱する構造であるため、高い放熱能力を奏することは難しい。
また、ポリイミド等高分子物質を高温処理したシートは、ポリイミド等の材料を炭化するという製法上の制約から、成形の自由度が低く（薄いものしか作製することができず）、高い放熱能力を奏するために必要な厚みを確保することが難しく、しかもコストが高いという問題がある。
（２）特許文献２に示す技術の課題
当該文献には、プリント回路基板にスルーホールを形成し、そこに熱伝導部材を圧入する技術が開示される。しかしながら、熱伝導部材を介して放熱部材に熱を伝導する構成であるということ、及び、熱伝導部材が銅等の金属から成るため、電気コンポーネントと熱伝導部材及び熱伝導部材とヒートシンクとの接触を十分に確保できないということ等に起因して、電気コンポーネント（電子部品）を十分に冷却できないという課題を有していた。このような問題は、ＬＥＤモジュールを高密度実装した場合に顕著となる。
当該文献には、プリント回路基板にスルーホールを形成し、そこに熱伝導部材を圧入する技術が開示される。しかしながら、熱伝導部材を介して放熱部材に熱を伝導する構成であるということ、及び、熱伝導部材が銅等の金属から成るため、電気コンポーネントと熱伝導部材及び熱伝導部材とヒートシンクとの接触を十分に確保できないということ等に起因して、電気コンポーネント（電子部品）を十分に冷却できないという課題を有していた。このような問題は、ＬＥＤモジュールを高密度実装した場合に顕著となる。
また、熱伝導部材が高温となって熱膨張すると、基板に負荷が加わって基板が破損するおそれがあり、しかも、熱伝導部材が銅等の金属から構成されているため、基板の総重量が増加する。
更に、当該文献の構成では、熱伝導部材を圧入するために、特別な装置を用いた付加的工程が必要であり、生産性の低下やコストの増加を招く。加えて、基板表面に電気コンポーネントを配置する構造であるので、電気コンポーネントの高さ分だけモジュールが大型化する等の課題を有していた。
更に、当該文献の構成では、熱伝導部材を圧入するために、特別な装置を用いた付加的工程が必要であり、生産性の低下やコストの増加を招く。加えて、基板表面に電気コンポーネントを配置する構造であるので、電気コンポーネントの高さ分だけモジュールが大型化する等の課題を有していた。
（３）特許文献３に示す技術の課題
当該文献には、ＬＥＤモジュールと金属スルーホールとの間に放熱材を配置する旨記載されているが、実装基板にスルーホールを形成し、そこに金属を配置するという構成は上記特許文献２と同様の構成である。したがって、熱伝導部材をスルーホールに圧入することに起因する課題以外は、上記特許文献２と同様の課題を有する。
当該文献には、ＬＥＤモジュールと金属スルーホールとの間に放熱材を配置する旨記載されているが、実装基板にスルーホールを形成し、そこに金属を配置するという構成は上記特許文献２と同様の構成である。したがって、熱伝導部材をスルーホールに圧入することに起因する課題以外は、上記特許文献２と同様の課題を有する。
（４）その他の問題点
従来の放熱部材は、一般的に金属から構成されているため、大きさや厚さを変えない限り熱容量を変えることができない。したがって、必要な熱容量の増減に合わせて、部材の体積を増減させるのが通常であった。しかし、放熱部材の体積が増減すると、筐体内の部品配置の再設計が必要となり、開発コストの増大や開発の遅れ等が生じることがあるという課題を有していた。
従来の放熱部材は、一般的に金属から構成されているため、大きさや厚さを変えない限り熱容量を変えることができない。したがって、必要な熱容量の増減に合わせて、部材の体積を増減させるのが通常であった。しかし、放熱部材の体積が増減すると、筐体内の部品配置の再設計が必要となり、開発コストの増大や開発の遅れ等が生じることがあるという課題を有していた。
本発明は、上記課題を考慮したものであって、素材の物性を制御することで、放熱体の放熱特性を調節することができる放熱部材を提供することを目的とする。
また、成形の自由度が高く、高い放熱能力有し、且つ、低コストで作製することができる放熱部材を提供することを目的とする。
また、成形の自由度が高く、高い放熱能力有し、且つ、低コストで作製することができる放熱部材を提供することを目的とする。
更に、基板が破損したり、基板の総重量が増加したり、生産性の低下やコストの増加を招いたり、或いは、大型化したりすることなく、電子部品を十分に冷却することができる放熱部材用いた回路基板、電子部品モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、製造等で、熱容量等を変化させて製造することができることから黒鉛材料に着目し、放熱特性である立ち上がりの変化や、放熱下での定常状態での温度を制御することができるものであり、そのような制御し得る材料を放熱材料とすることをコンセプトとし、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は、以下の（１）〜（４）の放熱部材を要旨とする。
（１）製造条件により所望の熱容量に可変できる素材からなることを特徴とする放熱部材。
（２）上記素材が、かさ密度を制御することにより熱容量を可変できる素材である、（１）の放熱部材。
（３）上記素材が黒鉛シートである、（１）又は（２）の放熱部材。
（４）膨張黒鉛の単位体積当たりの重量を変化させて、かさ密度を制御することにより熱容量を可変できる黒鉛シートである、（３）の放熱部材。
（１）製造条件により所望の熱容量に可変できる素材からなることを特徴とする放熱部材。
（２）上記素材が、かさ密度を制御することにより熱容量を可変できる素材である、（１）の放熱部材。
（３）上記素材が黒鉛シートである、（１）又は（２）の放熱部材。
（４）膨張黒鉛の単位体積当たりの重量を変化させて、かさ密度を制御することにより熱容量を可変できる黒鉛シートである、（３）の放熱部材。
また、本発明は、以下の（５）〜（１０）の回路基板を要旨とする。
（５）表面に配線パターンが形成された基板本体を有すると共に、電子部品が上記配線パターンに接続される構造の電子部品モジュールであって、上記基板本体の一部には表面から裏面まで貫通した貫通孔が設けられ、且つ、上記基板本体の裏面には、上記貫通孔の一方端を塞ぐように放熱部材が配設されると共に、この放熱部材と上記電子部品とが直接的に当接された状態で上記貫通孔内に上記電子部品が配置されていることを特徴とする回路基板。
（６）上記放熱部材は、製造条件により所望の熱容量に可変できる素材からなる、（５）の回路基板。
（７）上記素材が、かさ密度を制御することにより熱容量を可変できる素材である、（６）の回路基板。
（８）上記放熱部材は膨張黒鉛シートから成る、（７）の回路基板。
（９）上記膨張黒鉛シートのかさ密度が０．３〜２．０Ｍｇ／ｍ3に規制される、（８）の回路基板。
（５）表面に配線パターンが形成された基板本体を有すると共に、電子部品が上記配線パターンに接続される構造の電子部品モジュールであって、上記基板本体の一部には表面から裏面まで貫通した貫通孔が設けられ、且つ、上記基板本体の裏面には、上記貫通孔の一方端を塞ぐように放熱部材が配設されると共に、この放熱部材と上記電子部品とが直接的に当接された状態で上記貫通孔内に上記電子部品が配置されていることを特徴とする回路基板。
（６）上記放熱部材は、製造条件により所望の熱容量に可変できる素材からなる、（５）の回路基板。
（７）上記素材が、かさ密度を制御することにより熱容量を可変できる素材である、（６）の回路基板。
（８）上記放熱部材は膨張黒鉛シートから成る、（７）の回路基板。
（９）上記膨張黒鉛シートのかさ密度が０．３〜２．０Ｍｇ／ｍ3に規制される、（８）の回路基板。
また、本発明は、以下の（１０）〜（１２）の電子部品モジュールを要旨とする。
（１０）上記（５）〜（９）のいずれかの回路基板を用いた電子部品モジュール。
（１１）上記電子部品と上記放熱部材とが熱伝導性の接着剤により密着されている、（１０）の電子部品モジュール。
（１２）上記電子部品がＬＥＤモジュールである、（１０）又は（１１）の電子部品モジュール。
（１０）上記（５）〜（９）のいずれかの回路基板を用いた電子部品モジュール。
（１１）上記電子部品と上記放熱部材とが熱伝導性の接着剤により密着されている、（１０）の電子部品モジュール。
（１２）上記電子部品がＬＥＤモジュールである、（１０）又は（１１）の電子部品モジュール。
また、本発明は、以下の（１３）〜（１９）の電子部品モジュールの製造方法を要旨とする。
（１３）表面に配線パターンが形成された基板本体における電子部品の設置位置に、表面から裏面まで貫通した貫通孔を設ける貫通孔形成工程と、上記貫通孔の一方端を塞ぐように、上記放熱部材を上記基板本体の裏面に配設する放熱部材配設工程と、上記電子部品と上記放熱部材とを直接的に当接した状態で上記貫通孔内に上記電子部品を配置する電子部品配置工程と、を有することを特徴とする電子部品モジュールの製造方法。
（１４）上記放熱部材は、製造条件により所望の熱容量に可変できる素材からなる、（１３）の電子部品モジュールの製造方法。
（１５）かさ密度を制御することで熱容量を可変とした放熱部材を用いる、（１４）の電子部品モジュールの製造方法。
（１６）上記放熱部材は黒鉛シートから成る、（１５）の電子部品モジュールの製造方法。
（１７）上記電子部品配置工程において、上記電子部品と上記放熱部材とを熱伝導性の接着剤により接着する、（１３）〜（１６）の電子部品モジュールの製造方法。
（１８）上記電子部品がＬＥＤモジュールである、（１３）〜（１７）の電子部品モジュールの製造方法。
（１９）上記電子部品には電極が設けられ、この電極と上記配線パターンとを電気的に接続する接続工程を有する、（１３）〜（１８）の電子部品モジュールの製造方法。
（１３）表面に配線パターンが形成された基板本体における電子部品の設置位置に、表面から裏面まで貫通した貫通孔を設ける貫通孔形成工程と、上記貫通孔の一方端を塞ぐように、上記放熱部材を上記基板本体の裏面に配設する放熱部材配設工程と、上記電子部品と上記放熱部材とを直接的に当接した状態で上記貫通孔内に上記電子部品を配置する電子部品配置工程と、を有することを特徴とする電子部品モジュールの製造方法。
（１４）上記放熱部材は、製造条件により所望の熱容量に可変できる素材からなる、（１３）の電子部品モジュールの製造方法。
（１５）かさ密度を制御することで熱容量を可変とした放熱部材を用いる、（１４）の電子部品モジュールの製造方法。
（１６）上記放熱部材は黒鉛シートから成る、（１５）の電子部品モジュールの製造方法。
（１７）上記電子部品配置工程において、上記電子部品と上記放熱部材とを熱伝導性の接着剤により接着する、（１３）〜（１６）の電子部品モジュールの製造方法。
（１８）上記電子部品がＬＥＤモジュールである、（１３）〜（１７）の電子部品モジュールの製造方法。
（１９）上記電子部品には電極が設けられ、この電極と上記配線パターンとを電気的に接続する接続工程を有する、（１３）〜（１８）の電子部品モジュールの製造方法。
本発明の放熱部材は、製造条件により所望の熱容量に可変できる素材、かさ密度を制御することにより熱容量を可変できる素材（黒鉛シート）から構成されているので、必要な熱容量の増減に合わせて、放熱部材の体積を増減させる必要がなくなる。したがって、スペース性を損なうことなく、熱容量の調節が可能となるので、十分な放熱特性を確保しつつ、電子部品の実装の自由度が向上するといった効果を奏する。
また、黒鉛シートは、例えば、膨張黒鉛を圧縮して加圧成形するだけで放熱部材を作製することができるので（即ち、ポリイミド等の材料を炭化するといった製法上の制約がないので）、成形の自由度が高く（所望の形状のものを容易に作製でき）、この点からも電子部品の実装の自由度が向上する。更に、膨張黒鉛を圧縮して加圧成形するだけで放熱部材を作製することができるので、放熱部材やそれを用いた回路基板、電子部品モジュールを低コストで作製することができるという効果もある。
更に、本発明によれば、放熱部材と電子部品とが直接的に当接されている（スルーホールに配置された熱伝導部材を介さずに熱伝達できる）ので、従来よりも高い放熱能力が発揮される。
加えて、黒鉛シートは金属に比べて比重が小さいので、放熱構造の軽量化を図ることができる。また、しかも黒鉛シートは金属に比べて弾力性に富むので、電子部品との接着面積が大きくなり、より高い放熱効果を得ることができる。しかも、基板本体の表面ではなく、基板本体に形成された貫通孔内に電子部品を配置する構造であるので、電子部品の高さ分だけモジュールが大型化する等の課題も解決できる。
加えて、黒鉛シートは金属に比べて比重が小さいので、放熱構造の軽量化を図ることができる。また、しかも黒鉛シートは金属に比べて弾力性に富むので、電子部品との接着面積が大きくなり、より高い放熱効果を得ることができる。しかも、基板本体の表面ではなく、基板本体に形成された貫通孔内に電子部品を配置する構造であるので、電子部品の高さ分だけモジュールが大型化する等の課題も解決できる。
本発明は、発熱体である電子部品の裏面に放熱部材を直接的に当接させる構造を有する。放熱部材を電子部品の裏面の少なくとも一部好ましくは全部に当接させることで、熱伝導率の低いプリント回路基板による断熱効果を解消することが可能である。また、放熱部材を電子部品の裏面に直接的に当接させることで、他の部材を介した場合に生ずる熱抵抗が大きくなるといった問題を解消することができる。ここで、直接的に当接させる態様には、電子部品の裏面に予め貼付された従来の放熱部材を介して当接させる態様やシリコングリース等の接着剤を介して当接させる態様も含まれる。例えば、数Ｗ以上の高出力ＬＥＤモジュールは放熱構造が不可欠であり、従来は裏面にアルミ放熱板などが配設されているが、高出力ＬＥＤモジュールと本発明の放熱部材とを直接的に当接させてもよい。
放熱部材は、高い熱伝導率を有し、アルミよりも軽量（約１／２の重量）であり、熱膨張率が低く、市販のポリイミト゛等の高分子物質を高温処理したシートより廉価な素材である黒鉛シートを用いるのが好ましい。ここで、黒鉛シートは、厚みが０．１ｍｍ以上のものであればよく、厚みが数ｃｍある板状のものも黒鉛シートと呼ぶものとする。黒鉛シートは、様々な形状に加工することが可能であり、例えば、プリント回路基板に設けられた凹部に嵌合される突起を設けることも可能である。
最良の形態の本発明は、回路基板に電子部品を実装する際、電子部品の絶縁層と放熱部材である黒鉛シートを直接密着することを本質的な部分とし、それにより、高い放熱能力を奏することができるので、電子部品の温度上昇を効果的に抑制することができる。
黒鉛シートは、強度面での問題がなければ、好ましくは厚み０．１〜１．５ｍｍ、より好ましくは０．３〜１．０ｍｍのものを用いる。
黒鉛シートは、強度面での問題がなければ、好ましくは厚み０．１〜１．５ｍｍ、より好ましくは０．３〜１．０ｍｍのものを用いる。
黒鉛シートは、かさ密度を可変とすることで熱容量の調節が可能という優れた特徴を有する。好ましい黒鉛シートのかさ密度は、０．３〜２．０Ｍｇ／ｍ3の範囲で適宜選択される。このように規制するのは、かさ密度が２．０Ｍｇ／ｍ3を超えると、面方向の熱伝導率が高くなるが柔軟性は低くなり、電子部品等との密着性が低下することがある一方、かさ密度が０．３Ｍｇ／ｍ3未満になると、柔軟性は高くなって電子部品等との密着性は向上するが、面方向の熱伝導率が低下するからである。
ここで、熱容量は、Ｃ＝ｍ・Ｃｐ〔ここで、ｍは質量(g)である。また、Ｃｐは比熱(Ｊ／ｋ)であって、常温（２３℃前後）では０．７Ｊ／ｇ・Ｋである〕の関係式がある。したがって、黒鉛シートのかさ密度（膨張黒鉛粉の単位体積当りの重量）を変化させることにより質量が変化するので、黒鉛シートの熱容量をコントロールすることが可能となる。
黒鉛シートの製造方法の一例を図１２に開示する。
同図において符号１１は、本発明に好適な黒鉛シートの原料となる膨張黒鉛を示している。膨張黒鉛１１は、天然黒鉛やキャッシュ黒鉛等を硫酸や硝酸等の液体に浸漬させた後、４００℃以上で熱処理を行うことによって形成された綿状の黒鉛（膨張黒鉛）からなるシート状の原料である。この膨張黒鉛１１は、厚さが１．０〜５０．０ｍｍ、かさ密度が０．１〜０．３Ｍｇ／ｍ3であり、この膨張黒鉛１１を厚さ０．１〜３．０ｍｍ、かさ密度０．２〜１．１Ｍｇ／ｍ3まで圧縮して加圧成形し、原シート１２を形成する。尚、厚さ２．０ｍｍ、かさ密度０．１Ｍｇ／ｍ3の膨張黒鉛１１を、厚さ０．２ｍｍ、かさ密度１．０Ｍｇ／ｍ3の原シート１２となるように圧縮すると、圧縮時に気泡等の発生を防ぐことができ、均質な原シート１２を製造できる。すると、黒鉛シート１４における熱伝導率のバラツキをより確実に防ぐことができるので、好適である。
同図において符号１１は、本発明に好適な黒鉛シートの原料となる膨張黒鉛を示している。膨張黒鉛１１は、天然黒鉛やキャッシュ黒鉛等を硫酸や硝酸等の液体に浸漬させた後、４００℃以上で熱処理を行うことによって形成された綿状の黒鉛（膨張黒鉛）からなるシート状の原料である。この膨張黒鉛１１は、厚さが１．０〜５０．０ｍｍ、かさ密度が０．１〜０．３Ｍｇ／ｍ3であり、この膨張黒鉛１１を厚さ０．１〜３．０ｍｍ、かさ密度０．２〜１．１Ｍｇ／ｍ3まで圧縮して加圧成形し、原シート１２を形成する。尚、厚さ２．０ｍｍ、かさ密度０．１Ｍｇ／ｍ3の膨張黒鉛１１を、厚さ０．２ｍｍ、かさ密度１．０Ｍｇ／ｍ3の原シート１２となるように圧縮すると、圧縮時に気泡等の発生を防ぐことができ、均質な原シート１２を製造できる。すると、黒鉛シート１４における熱伝導率のバラツキをより確実に防ぐことができるので、好適である。
その後、ハロゲンガス等によって原シート１２に含まれる硫黄や鉄分等の不純物を除去し、原シート１２に含まれる不純物の総量が１０ｐｐｍ以下、とくに、硫黄が１ｐｐｍ以下となるように処理し、純化シート１３を形成する。尚、純化シート１３における不純物の総量は好ましくは５ｐｐｍ以下とすれば、黒鉛シート１４を取り付けた部材や装置の劣化をより確実に防ぐことができる。
さらに、原シート１２から不純物を除去する方法は上記の方法に限られず、原シート１２の厚さやかさ密度に合わせて最適な方法を採用すればよい。
前記純化シート１３をさらにロール圧延等によって厚さ０．０５〜１．５ｍｍ、かさ密度０．３〜２．０Ｍｇ／ｍ3となるように加圧圧縮すれば、本発明に好適な黒鉛シート１４が形成される。以上の手順により製造される黒鉛シートは、面方向に３５０ｗ／（ｍ・ｋ）以上という高い放熱特性を有する。尚、詳細については、特許第３６９１８３６号公報に開示されているとおりである。
以上のように、本発明の黒鉛シートの好ましい態様は、酸処理黒鉛を熱処理して膨張させて綿状になった膨張黒鉛を主材料とする膨張黒鉛シートである。
前記純化シート１３をさらにロール圧延等によって厚さ０．０５〜１．５ｍｍ、かさ密度０．３〜２．０Ｍｇ／ｍ3となるように加圧圧縮すれば、本発明に好適な黒鉛シート１４が形成される。以上の手順により製造される黒鉛シートは、面方向に３５０ｗ／（ｍ・ｋ）以上という高い放熱特性を有する。尚、詳細については、特許第３６９１８３６号公報に開示されているとおりである。
以上のように、本発明の黒鉛シートの好ましい態様は、酸処理黒鉛を熱処理して膨張させて綿状になった膨張黒鉛を主材料とする膨張黒鉛シートである。
本発明の放熱構造を有する電子部品モジュールは、表面に電気配線を備え、表面から裏面にまで貫通した貫通孔を設けた基板本体と、基板本体の貫通孔を裏面側に配設された黒鉛シートと、基板本体の表面側から貫通孔を通して臨む黒鉛シートに直接的に被着され、且つ電気配線からの給電により発熱する電子部品とから構成される。基板本体は、ガラスエポキシ製をはじめとする一般的なプリント基板である。
本発明の第１の構成例は図１に示すように、表面４１に電気配線（金属から成る配線パターン）３が設けられている基板本体４の裏面４２には、全面にわたり黒鉛シートから成る放熱部材５（かさ密度：１Ｍｇ／ｍ3）が配設されている。基板本体４には、ＬＥＤモジュール１を実装する部分に予め貫通孔６が設けられており、ＬＥＤモジュール１は、貫通孔６内に配置されて、放熱部材５と直接的に密着するように配設される。
本発明の第２の構成例は図２に示すように、基板本体４の裏面４２の一部に放熱部材５が配設されている。図１と比べ放熱部材５の面積が狭いため、厚みを増すことで放熱効果を高めている。また、放熱部材５の厚みを増すことにより、強度が増すという効果もある。尚、図１及び図２において、２はワイヤーボンディングのワイヤーであり、ＬＥＤモジュール１と基板本体４上の電気配線３とを電気接続している。
図１及び図２の構成に共通することであるが、より強度を高めたい場合には、放熱部材５の裏面に図示しない金属等の補強部材を裏打ちしてもよい。
図１及び図２の構成に共通することであるが、より強度を高めたい場合には、放熱部材５の裏面に図示しない金属等の補強部材を裏打ちしてもよい。
上記の電子部品モジュールの製造方法は、表面に電気配線を備え、表面から裏面にまで貫通した貫通孔を設けた基板本体の裏面に黒鉛シートを配設する第１工程と、基板本体の貫通孔を通して望む黒鉛シート上に発熱体である電子部品（上記例では、ＬＥＤモジュール１）を直接的に被着する第２工程と、電子部品と基板本体上の電気配線とを電気接続する第３工程とを有する。第１工程と第２工程の順序は不同である。
電子部品の被着方法は、黒鉛シート上に、熱伝導性接着剤（例えば、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂）により電子部品を被着するものであることが好ましい。この際、黒鉛シートと電子部品の当接面に空隙ができないように、両者の間隙が熱伝導性接着剤により埋設されていることが好ましい。
熱可塑性樹脂としては、高温によって可逆的に軟化する公知のプラスチックを用いることができる。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネートなどが例示される。
熱硬化性樹脂としては、高温で硬くなる公知のプラスチックを用いることができる。具体的には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂シリコン樹脂などが例示される。
熱硬化性樹脂としては、高温で硬くなる公知のプラスチックを用いることができる。具体的には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂シリコン樹脂などが例示される。
以下では、本発明の詳細を実施例で説明するが、本発明は実施例によってなんら限定されるものではない。
実施例１では、ＬＥＤモジュールの発熱を効果的に放熱することができる放熱構造において、異なる素材の放熱部材を用いて放熱効果を確認した。
一般にＬＥＤの使用できる最大温度は、ＬＥＤチップ表面温度（ジャンクション温度：Ｔｊ）で決められているが、実際にＴｊ温度を直接測定することができない。
一般にＬＥＤの使用できる最大温度は、ＬＥＤチップ表面温度（ジャンクション温度：Ｔｊ）で決められているが、実際にＴｊ温度を直接測定することができない。
ここで、ＬＥＤには、ジャンクション温度が上昇すると順方向電圧（Ｖｆ）は低くなる特性がある。そこで、順方向電圧（Ｖｆ）を測定することで、ジャンクション温度の変化傾向を計測することとした。
ジャンクション温度は、予備実験で求めたＬＥＤ電圧とジャンクション温度の特性より算出することができる。この結果から一定の精度でジャンクション温度を算出することができる。
ジャンクション温度は、予備実験で求めたＬＥＤ電圧とジャンクション温度の特性より算出することができる。この結果から一定の精度でジャンクション温度を算出することができる。
本実施例で用いたＬＥＤモジュール１は、金属層及び、絶縁層などから積層されてなるベース基板をベースとし、その上に反射板及びレンズ樹脂が積層された構成である。本実施例のＬＥＤモジュール１の仕様を下記に示す。
《ＬＥＤモジュールの仕様》
メーカー名： ＬｕｍｉＬＥＤｓ社 ＬＸＨＬ ＬＷ３Ｃ
順方向電流最大定格： １０００（ｍＡ）
耐熱温度： １３５（℃）
動作温度： −４０〜１２０（℃）
メーカー名： ＬｕｍｉＬＥＤｓ社 ＬＸＨＬ ＬＷ３Ｃ
順方向電流最大定格： １０００（ｍＡ）
耐熱温度： １３５（℃）
動作温度： −４０〜１２０（℃）
《測定方法》
図３に示す簡易測定装置により、ジャンクション温度の変化傾向を測定した。尚、図３において、１はＬＥＤモジュール、５は放熱部材、８はＬＥＤ取り付け穴、Ｔ１，Ｔ２は温度計である。また、ＬＥＤモジュール１から温度計Ｔ１までの距離は３２ｍｍ、ＬＥＤモジュール１から温度計Ｔ２までの距離は５２ｍｍである。
図３に示す簡易測定装置により、ジャンクション温度の変化傾向を測定した。尚、図３において、１はＬＥＤモジュール、５は放熱部材、８はＬＥＤ取り付け穴、Ｔ１，Ｔ２は温度計である。また、ＬＥＤモジュール１から温度計Ｔ１までの距離は３２ｍｍ、ＬＥＤモジュール１から温度計Ｔ２までの距離は５２ｍｍである。
以下に、測定手順を示す。
まず、ＬＥＤモジュール１に定格電流７００［ｍＡ］を２０分間流して発光させると共に測定を開始した。引き続き、２０秒毎に温度計Ｔ１，Ｔ２の温度とＬＥＤの電圧を測定した。ＬＥＤモジュール１の電圧は測定装置によって随時（０．１秒毎に）自動で記録される。ここで、温度記録時には、約１秒間ＬＥＤに流す電流を１５［ｍＡ］にまで落としている。測定中にＬＥＤの発光によりジャンクション温度が上がるのを防ぐためである。
順方向電圧（Ｖｆ）とジャンクション温度（Ｔｊ）の関係は、予備実験で算出した。本実施例で用いたＬＥＤモジュール１の基礎特性を図４に示す。
まず、ＬＥＤモジュール１に定格電流７００［ｍＡ］を２０分間流して発光させると共に測定を開始した。引き続き、２０秒毎に温度計Ｔ１，Ｔ２の温度とＬＥＤの電圧を測定した。ＬＥＤモジュール１の電圧は測定装置によって随時（０．１秒毎に）自動で記録される。ここで、温度記録時には、約１秒間ＬＥＤに流す電流を１５［ｍＡ］にまで落としている。測定中にＬＥＤの発光によりジャンクション温度が上がるのを防ぐためである。
順方向電圧（Ｖｆ）とジャンクション温度（Ｔｊ）の関係は、予備実験で算出した。本実施例で用いたＬＥＤモジュール１の基礎特性を図４に示す。
《比較試験》
上記構成及び測定方法により、放熱部材５を銅、アルミ、及び黒鉛シートとした際の放熱能力の比較試験を行った。放熱部材５の厚さは、銅及びアルミが１．５ｍｍ、黒鉛シートが１．５ｍｍである。この黒鉛シートとして、出願人が製造する黒鉛シート（かさ密度：２．０Ｍｇ／ｍ3、重さ１８ｇ）を用いた。
上記構成及び測定方法により、放熱部材５を銅、アルミ、及び黒鉛シートとした際の放熱能力の比較試験を行った。放熱部材５の厚さは、銅及びアルミが１．５ｍｍ、黒鉛シートが１．５ｍｍである。この黒鉛シートとして、出願人が製造する黒鉛シート（かさ密度：２．０Ｍｇ／ｍ3、重さ１８ｇ）を用いた。
図５は、異なる素材からなる放熱部材のジャンクション温度の比較結果を示したグラフであり、図６は温度計Ｔ１の温度変化を示したグラフであり、図７は温度計Ｔ２の温度変化を示したグラフである。
図５に示すとおり、非定常状態（概ね０〜５００秒の範囲）においては、黒鉛シートは、銅やアルミよりも温度の立ち上がりが早いのが分かる。これは熱容量が小さいことが要因となっている。金属による放熱部材にあっては、その大きさなどによって熱容量を変化させることは常套手段であるものの、その物性そのものを制御することで、非定常時での立ち上がり特性の向上や、定常時の温度レベルを制御することは困難である。
また、図６及び図７から、放熱部材５に黒鉛シートを用いた場合が最も高い放熱能力を有することが分かる。
従来、ヒートシンク等の形状変更による設計変更においては、数度の壁に阻まれることが少なくないが、本実施例の放熱構造によれば、放熱部材の素材を変えるだけで、数度の壁を打ち破ることができるのであり、その意義は極めて大きい。
従来、ヒートシンク等の形状変更による設計変更においては、数度の壁に阻まれることが少なくないが、本実施例の放熱構造によれば、放熱部材の素材を変えるだけで、数度の壁を打ち破ることができるのであり、その意義は極めて大きい。
本実施例では、異なる面積の黒鉛シートにおける温度比較試験を行った。本実施例では、実施例１で用いたＬＥＤモジュール１を、図８に示すように、基板４上に７個実装した。放熱部材５とＬＥＤモジュール１の間には、シリコングリース（Ｇ−７４７）を塗布した。シリコングリースを塗布することにより、密着面積を増やすことができるので、より高い放熱効果を奏することが可能となる。放熱部材５の仕様は下記のとおりであり、その他の構成は実施例１と同じである。したがって、黒鉛シートのかさ密度は全て２．０Ｍｇ／ｍ3であり、厚さＤは１．５ｍｍとなっている。
《放熱部材の仕様》
メーカー名： 東洋炭素株式会社
型式： ＰＦ−１５０ＵＨＰ
厚さ： １．５ｍｍ
形状等：
実験例１（面積が４３０ｃｍ2の正方形状を成し、また、質量は１２９ｇであるので、熱容量は４５．１５Ｊ／Ｋとなっている）
実験例２（面積が２１５ｃｍ2の正方形状を成し、また、質量は６４ｇであるので、熱容量は２２．５４Ｊ／Ｋとなっている）
実験例３（面積が１４４ｃｍ2の正方形状を成し、また、質量は４３ｇであるので、熱容量は１５．１２Ｊ／Ｋとなっている）
実験例４（面積が１０７．５ｃｍ2の正方形状を成し、また、質量は３２ｇであるので、熱容量は１１．２７Ｊ／Ｋとなっている）
実験例５（面積が５１．３ｃｍ2の正六角形状を成し、また、質量は１５ｇであるので、熱容量は５．３９Ｊ／Ｋとなっている）
尚、実験例１は、基板本体４と同一面積である。
メーカー名： 東洋炭素株式会社
型式： ＰＦ−１５０ＵＨＰ
厚さ： １．５ｍｍ
形状等：
実験例１（面積が４３０ｃｍ2の正方形状を成し、また、質量は１２９ｇであるので、熱容量は４５．１５Ｊ／Ｋとなっている）
実験例２（面積が２１５ｃｍ2の正方形状を成し、また、質量は６４ｇであるので、熱容量は２２．５４Ｊ／Ｋとなっている）
実験例３（面積が１４４ｃｍ2の正方形状を成し、また、質量は４３ｇであるので、熱容量は１５．１２Ｊ／Ｋとなっている）
実験例４（面積が１０７．５ｃｍ2の正方形状を成し、また、質量は３２ｇであるので、熱容量は１１．２７Ｊ／Ｋとなっている）
実験例５（面積が５１．３ｃｍ2の正六角形状を成し、また、質量は１５ｇであるので、熱容量は５．３９Ｊ／Ｋとなっている）
尚、実験例１は、基板本体４と同一面積である。
図９は、異なる面積の黒鉛シートのジャンクション温度の比較結果を示した表である。図９から、放熱部材５の面積に応じて放熱能力が向上することを確認することができる。本実施例では７個のＬＥＤモジュールを実装したが、より多数のＬＥＤモジュールを集積実装する場合には、更に発熱量が膨大になることが想定され、その場合には、本実施例の放熱構造が極めて効果的である。
本実施例では、ファン有りの状態とファン無しの状態において、異なる素材の放熱部材における温度変化を測定した。
本実施例で用いたファンの仕様を下記に示す。また、ファンは黒鉛シートの裏面から１０ｃｍ離して配置している。
本実施例で用いたファンの仕様を下記に示す。また、ファンは黒鉛シートの裏面から１０ｃｍ離して配置している。
《ファンの仕様》
メーカー名： 日本サーボ株式会社
型式： ＶＥ５５Ｂ５
最大風量： ０．５５（ｍ3／ｍｉｎ）
最大静圧： ４．３（ｍｍＨ2Ｏ）
騒音： ３０（ｄＢ（Ａ））
メーカー名： 日本サーボ株式会社
型式： ＶＥ５５Ｂ５
最大風量： ０．５５（ｍ3／ｍｉｎ）
最大静圧： ４．３（ｍｍＨ2Ｏ）
騒音： ３０（ｄＢ（Ａ））
図１０がファン無しの状態における測定結果で、図１１がファン有りの状態における測定結果である。図１０及び図１１から、ファンを組み合わせることにより、高い放熱効果を得られることを確認することができる。
本発明は、発熱量の多い電子部品の冷却に適しており、特に、高密度実装した大光量ＬＥＤ照明装置に好適である。大光量ＬＥＤ照明装置の用途としては、自動車のヘッドランプにおける利用が例示される。
１ ＬＥＤモジュール
２ ワイヤー
３ 電気配線（配線パターン）
４ 基板本体
５ 放熱部材
６ 貫通孔
２ ワイヤー
３ 電気配線（配線パターン）
４ 基板本体
５ 放熱部材
６ 貫通孔
Claims (19)
- 製造条件により所望の熱容量に可変できる素材からなることを特徴とする放熱部材。
- 前記素材が、かさ密度を制御することにより熱容量を可変できる素材である、請求項１の放熱部材。
- 前記素材が黒鉛シートである、請求項１又は２に記載の放熱部材。
- 膨張黒鉛の単位体積当たりの重量を変化させて、かさ密度を制御することにより熱容量を可変できる黒鉛シートである、請求項３に記載の放熱部材。
- 表面に配線パターンが形成された基板本体を有すると共に、電子部品が上記配線パターンに接続される構造の回路基板であって、
上記基板本体の一部には表面から裏面まで貫通した貫通孔が設けられ、且つ、上記基板本体の裏面には、上記貫通孔の一方端を塞ぐように放熱部材が配設されると共に、この放熱部材と上記電子部品とが直接的に当接された状態で上記貫通孔内に上記電子部品が配置されていることを特徴とする回路基板。 - 上記放熱部材は、製造条件により所望の熱容量に可変できる素材からなる、請求項５に記載の回路基板。
- 上記素材が、かさ密度を制御することにより熱容量を可変できる素材である、請求項６の回路基板。
- 上記放熱部材は膨張黒鉛シートから成る、請求項７に記載の回路基板。
- 上記膨張黒鉛シートのかさ密度が、０．３〜２．０Ｍｇ／ｍ3に規制される、請求項８に記載の回路基板。
- 請求項５〜９のいずれか１項に記載の回路基板を用いた電子部品モジュール。
- 上記電子部品と上記放熱部材とが熱伝導性の接着剤により密着されている、請求項１０に記載の電子部品モジュール。
- 上記電子部品がＬＥＤモジュールである、請求項１０又は１１に記載の電子部品モジュール。
- 表面に配線パターンが形成された基板本体における電子部品の設置位置に、表面から裏面まで貫通した貫通孔を設ける貫通孔形成工程と、
上記貫通孔の一方端を塞ぐように、上記放熱部材を上記基板本体の裏面に配設する放熱部材配設工程と、
上記電子部品と上記放熱部材とを直接的に当接した状態で上記貫通孔内に上記電子部品を配置する電子部品配置工程と、
を有することを特徴とする電子部品モジュールの製造方法。 - 上記放熱部材は、製造条件により所望の熱容量に可変できる素材からなる、請求項１３に記載の電子部品モジュールの製造方法。
- かさ密度を制御することで熱容量を可変とした放熱部材を用いる、請求項１４に記載の電子部品モジュールの製造方法。
- 上記放熱部材は黒鉛シートから成る、請求項１５に記載の電子部品モジュールの製造方法。
- 上記電子部品配置工程において、上記電子部品と上記放熱部材とを熱伝導性の接着剤により接着する、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の電子部品モジュールの製造方法。
- 上記電子部品がＬＥＤモジュールである、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の電子部品モジュールの製造方法。
- 上記電子部品には電極が設けられ、この電極と上記配線パターンとを電気的に接続する接続工程を有する、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の電子部品モジュールの製造方法。
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