JP4256463B1

JP4256463B1 - 放熱構造体

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Publication number: JP4256463B1
Application number: JP2008267638A
Authority: JP
Inventors: 裕久横倉
Original assignee: IREX INC.; OSHIZAWA & CO., LTD
Current assignee: IREX INC.; OSHIZAWA & CO., LTD
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2009-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-16
Also published as: JP2010098128A; TWI463612B; TW201021169A; WO2010044374A1

Abstract

【課題】発熱性デバイスが発生する熱を効率よく放散することが可能であるとともに、発熱性デバイスの電気的特性に悪影響を与える炭素粉等の塵の発生及び金属繊維の突起がない。
【解決手段】放熱構造体54は、主表面50aに発熱性デバイス60が搭載されたガラスエポキシ製の基板50と、ポリピロール浸潤シートを具えて構成された放熱シート52とを具えて構成されている。基板の主表面には導電材料からなる表面回路パターン層62が形成されており、裏面50bには導電材料からなる裏面回路パターン層66が形成されている。そして、表面回路パターン層62と裏面回路パターン層66とはスルーホール64を介して導通されている。発熱性デバイスは絶縁層68を挟んで、表面回路パターン層に密着される関係で搭載されている。放熱シートは、基板の裏面に密着されており、かつヒートシンク56がこの放熱シートに密着されている。
【選択図】図６

Description

この発明は、パワーデバイスあるいは発光デバイス等から発生する熱を効率よく外部に放散させる放熱構造体に関する。

パワーデバイスあるいは発光デバイスといった発熱性電子部品（以後、発熱性デバイスということもある。）は、自己が発生する熱によって過熱されて自己の温度が上昇することにより、電気的特性の低下あるいは光学的特性の低下等の性能の劣化が起こる。従って、発熱性デバイスの性能を維持するためには、発熱性デバイスから発生する熱を効率よく放散して、発熱性デバイスの温度上昇を抑える必要がある。

そこで、発熱性デバイスに対しては、放熱機構を取り付けることによって、これら発熱性デバイスから発生する熱を発熱性デバイス外に放散させる構成が採用されている。ここで、放熱機構とは、発熱性デバイスを搭載するプリント配線基板等からなる放熱構造体と放熱板あるいは放熱器（ヒートシンク：heat sink)とを密着させてなる機構を指す。

熱を発熱性デバイス外に放散させるには、まず発熱性デバイスを搭載するプリント配線基板そのものに対して放熱機構としての機能を高めることが有効であり、そのための工夫がいろいろと試みられている。例えば、発熱性デバイスに部品取り付け用導体パターンを設け、その直下のプリント配線基板に設けたスルーホールを介して裏面導体パターンと接続し、裏面導体パターンにヒートシンクを取り付けた構造が開示されている（例えば、特許文献1〜3参照）。更に、プリント配線基板の内部に導電材料からなる内部回路パターン層が介在されており、この内部回路パターン層は、スルーホールを介して、プリント配線基板の主表面に形成された表面回路パターン層とプリント配線基板の裏面に形成された裏面回路パターン層を導通させる構成として、プリント配線基板そのものに対する放熱機構としての機能を高める試みも開示されている（例えば、特許文献4及び5参照）。

また、発熱性デバイスが搭載されたプリント配線基板とヒートシンクとの間の接触熱抵抗を低減するため、プリント配線基板とヒートシンクとの間に放熱シートを介在させる手段がとられてきた。

放熱シートとして単体の金属板を利用することが考えられるが、放熱シートを単体の金属板とすると重量が重くなる。そのため、単体の金属板を放熱シートとして利用することは、重量を可能な限り小さくすることが求められるモバイル電子機器等への応用は敬遠される。そのため、最近は、放熱シートの材料として、単体の金属板に代えて、軽量であってしかも放熱効果の高いグラファイトシートを利用することが提案されている（例えば、特許文献6及び7参照）。

しかしながら、グラファイトシートは層間剥離が生じやすいという問題が指摘されている。そこで、グラファイトシートの層間剥離を生じにくくするため、グラファイトシートを金属線からなる網状体で挟んで一体化して放熱シートとして加工した例が開示されている（特許文献8参照）。

また、天然黒鉛等の黒鉛粉末をシート化して得られるグラファイトフィルムを用い、このグラファイトフィルムの表面に無機物質層を形成させて形成される放熱シートが開示されている（特許文献9参照）。ここで、グラファイトフィルムの表面に形成される無機物質層とは、メッキ等によって形成される金属膜、あるいは無機物質を形成するための液状体を直接グラファイトフィルムに塗布して形成される無機物質膜等である。この放熱シートは、電子機器などの湾曲部部分に容易に取り付けられるという柔軟性を有することが特長である。
特開平6-268341号公報特開平11-54883号公報特開平10-93249号公報特表平8-505013号公報特開2001-267473号公報特開平11-240706号公報特開2003-168882号公報特開2005-229100号公報特開2008-78380号公報

しかしながら、熱伝導層としてグラファイト材を用いて構成される放熱シートを具える放熱構造体にあっては、この放熱シートの切断面から炭素粉等の塵が発生する。この炭素粉等の塵は、放熱構造体を構成するプリント配線基板のプリント配線部分、あるいはプリント配線基板の主表面に取り付けられる発熱性デバイスに付着し、電気的なショートが生じる等の不都合が生じる可能性がある。

また、上述の特許文献8に開示されている放熱シートを具える放熱構造体によれば大変優れた放熱特性が得られるが、放熱シートの切断面から金属繊維が突起し、この金属繊維に対する取り扱いが面倒である。この金属繊維は、上述の炭素粉等と同様に、プリント配線基板のプリント配線部分あるいは発熱性デバイスにおいて、電気的なショートが生じる等の不都合が生じる可能性もある。

この発明の発明者は、数々の試作実験を重ねた結果、セルロースシートにポリピロール重合体が浸潤されたポリピロール浸潤シートと金属層とを密着させて形成して成る放熱シートによれば熱が効率よく放散されることを見出した。また、ポリピロール浸潤シートの主表面及び裏面の双方又はいずれか一方の面に接着部材を介して金属シートを密着させて形成して成る放熱シートによれば熱が効率よく放散されることを見出した。しかも、これらの放熱シートからは炭素粉等の塵の発生もないことが確かめられた。

更に、この発明の発明者は、スルーホールを介して裏面導体パターンと接続した構成のプリント配線基板と、上述のポリピロール浸潤シートを構成要素とする放熱シートとを具える放熱構造体を形成すれば、この放熱シートの有する優れた放熱特性に基づき、発熱性デバイスが発生する熱を効率よく放散することが可能な放熱構造体が実現することに思い至った。

そこで、この発明は、発熱性デバイスが発生する熱を効率よく放散することが可能であるという熱的特性を有するとともに、発熱性デバイスの電気的特性に悪影響を与える炭素粉等の塵の発生及び金属繊維の突起がない放熱構造体を提供することにある。

この発明の要旨によれば、放熱構造体は、以下の構成上の特徴を具えている。

この発明の第1の放熱構造体は、発熱性デバイスをその主表面に搭載する基板と、この基板の裏面に密着される放熱シートとを具えて構成される、発熱性デバイスの熱を放熱する放熱構造体である。放熱シートは、セルロースシートにポリピロール重合体が浸潤されたポリピロール浸潤シートの主表面及び裏面の双方又はいずれか一方の面に金属層が密着されて構成されている。

この発明の第2の放熱構造体は、第1の放熱構造体とその構成は類似するが、放熱シートの構成が相違する。すなわち、第2の放熱構造体が具える放熱シートは、セルロースシートにポリピロール重合体が浸潤されたポリピロール浸潤シートの主表面及び裏面の双方又はいずれか一方の面に接着部材を介して金属シートが接着されて構成されている。

上述の基板は、その主表面には導電材料からなる表面回路パターン層が形成されており、かつ裏面には導電材料からなる裏面回路パターン層が形成されており、裏面回路パターン層と表面回路パターン層とが、スルーホールを介して導通している構成とするのがよい。

また、上述の基板は、その内部に導電材料からなる内部回路パターン層が介在されており、この内部回路パターン層は、スルーホールを介して、当該基板の主表面に形成された表面回路パターン層、及び当該基板の裏面に形成された裏面回路パターン層と導通している構成とするのがよい。なお、内部回路パターン層は、基板の厚み方向に離間して複数層設けてもよい。

この発明の第1及び第2の放熱構造体が具える放熱シートは、ポリピロール重合体が浸潤されたポリピロール浸潤シートを含んでおり、ポリピロール浸潤シートは金属層が直接密着されているか、あるいは金属シートが接着部材を介して接着されている。

ポリピロール浸潤シートの熱伝導率は、金属シートあるいは金属層の熱伝導率に比べて小さい。しかしながら、この放熱シートは、ポリピロール浸潤シートが金属シートあるいは金属層と密着された構成とされているため、放熱シートの表面に平行な熱拡散率αpが垂直な方向に対する熱拡散率αtより大きく、すなわちαp/αt＞1となっている。

このため、この放熱シートを基板に密着した場合の等温面は、放熱シートの表面に垂直な方向よりも平行な方向に速い速度で広がる。

ここで、熱伝導率とは熱エネルギーの伝播特性を示す物理量であるのに対して、温度拡散率とは温度の伝播特性を示す物理量である。すなわち、温度拡散率は、材料の熱伝導率に比例し熱容量に反比例する値である。

発熱性デバイスを効率よく冷却するには、発熱性デバイスと放熱構造体とが接触している場所の温度が常に発熱性デバイスよりも低い温度に保たれていることが必要である。しかも、発熱性デバイスと放熱構造体とが接触している場所の温度が低温であるほど、発熱性デバイスの冷却効率が高く、発熱性デバイスとヒートシンクとの間の熱抵抗が小さいほど、発熱性デバイスは効率よく冷却される。

なお、熱抵抗とは、単位時間当たりの発熱量に対する温度上昇量を意味し、近似的に発熱性デバイス（高温部）とヒートシンク(低温部)との間の熱伝達係数の逆数を発熱性デバイスの接触面積で除することで求められる。熱伝達係数は、発熱性デバイスとヒートシンクとの間を短時間に単位面積を通過する熱エネルギーを、発熱性デバイスとヒートシンクとの温度差で除することで求められる。すなわち熱抵抗とは温度の伝えにくさを表す数値であり、この数値が大きいほど温度を伝えにくいことを意味する。

ここで、ヒートシンクに対応する低温部が発熱性デバイス等の高温部を囲む周辺空間雰囲気である場合であっても、熱抵抗を定義することができる。後述するように、発熱性デバイスとこの発熱性デバイスに接する空間との間の熱抵抗値等も算出することが可能である。発熱性デバイスとこの発熱性デバイスに接する空間との間の熱抵抗値が大きいほど、発熱性デバイスから発生する熱が放散されにくいことを意味し、発熱性デバイス自身の温度が上昇しやすい状態にあることを意味する。

この発明の第1及び第2の放熱構造体は、発熱性デバイスから発生した熱を、この放熱構造体が具える放熱シートにプリント配線基板を介して密着されている放熱シートの表面に平行な方向に沿ってすばやく拡散し、放熱シートと接触しているヒートシンク面の広い範囲にわたり短時間で高温領域が形成されるという熱的特性を有している。ヒートシンクに単位時間に吸収される熱量の総量は、放熱シートと接触しているヒートシンク面の温度が広い範囲にわたって高温であるほど大きい。

すなわち、この発明の放熱構造体を介して発熱性デバイスとヒートシンクとを間接的に接触させる構成とすれば、発熱性デバイスから発生した熱を効率よく放散することが可能となる。

また、この発明の放熱構造体を構成する、放熱シートは切断処理等の工作処理中に炭素粉等が発生することがない。従って、この発明の放熱構造体によれば、この放熱構造体等に取り付けられる電子モジュールに炭素粉等が付着し電気的なショートが生じる等の不都合が生じることがない。

以下、図を参照してこの発明の実施形態につき説明するが、この発明の実施形態はこれら各図に基づき限定されるものではない。これらの図は、この発明が理解できる程度に構成要素の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示してあるにすぎず、また、以下に説明する数値的およびその他の条件は単なる好適例であり、この発明はこの発明の実施形態のみに限定されるものではない。

この発明の実施形態の第1及び第2の放熱構造体の説明をするに当たり、まず、この放熱構造体の構成要素である放熱シートの構成、その製造方法、及びその熱的性質についての検証実験の結果を説明する。

＜放熱シート＞
図1(A)及び(B)を参照して、この放熱構造体の構成要素である放熱シートの構成及びその製造方法について説明する。図1(A)及び(B)は、それぞれ第1及び第2の放熱構造体の構成要素である放熱シートの主表面及び裏面に垂直な方向で切断した概略的断面構造図である。以後の説明において、第1の発熱構造体の構成要素となる放熱シートを第1放熱シートし、第2の発熱構造体の構成要素となる放熱シートを第2放熱シートとする。

図1(A)に示す第1放熱シートは、セルロースシートにポリピロール重合体が浸潤されたポリピロール浸潤シート18の主表面18a及び裏面18bの少なくともいずれか一方の面に金属層が密着されて構成される。図1(A)には、ポリピロール浸潤シート18の主表面18a及び裏面18bのそれぞれに金属層16及び金属層20が形成されている例を示しているが、金属層16及び金属層20のいずれか一方が形成されていれば良い。

図1(A)に示す第1放熱シートを形成するには3通りの製造方法によることが可能であり、それらの方法は以下の通りである。

第1の方法は、セルロースシートにポリピロール重合体が浸潤されたポリピロール浸潤シートを作製するステップ（以後、第(2-1-1)ステップということもある。）と、ポリピロール浸潤シートの少なくともいずれか一方の面に真空蒸着法によって金属層を形成するステップ（以後、第(2-1-2)ステップということもある。）を含む方法である。

第2の方法は、セルロースシートにポリピロール重合体を浸潤させてポリピロール浸潤シートを作製するステップ（以後、第(2-2-1)ステップということもある。）と、ポリピロール浸潤シートの少なくともいずれか一方の面に金属微粒子を印刷固定して金属層を形成するステップ（以後、第(2-2-2)ステップということもある。）を含む方法である。

第3の方法は、セルロースシートにポリピロール重合体を浸潤させてポリピロール浸潤シートを作製するステップ（以後、第(2-3-1)ステップということもある。）と、ポリピロール浸潤シートの少なくともいずれか一方の面にメッキ法によって金属層を形成するステップ（以後、第(2-3-2)ステップということもある。）を含む方法である。

第(2-1-1)ステップ、第(2-2-1)ステップ及び第(2-3-1)ステップは、セルロースシートにポリピロール重合体が浸潤されたポリピロール浸潤シートを作製するという共通のステップであるので、以下にこれらのステップを一括して説明する。このポリピロール浸潤シートを作製するステップは、第(3-1)及び第(3-2)ステップを含んでいる。

第(3-1)ステップは、セルロースシートに塩化第二銅を含侵するステップであって、次のように実行される。例えば、濾過作業用の厚さが0.1 mmの濾紙を2モル/リットルの濃度の塩化第二銅の水溶液中に浸漬して十分に塩化第二銅を濾紙(filter paper)に染み込ませる。これによって第(3-1)ステップが実行される。

後述する熱的な特性の評価は、ここで説明した濾過作業用の厚さが0.1 mmの濾紙を用いて試作したポリピロール浸潤シートを構成要素として構成された第1放熱シートに対して行った。しかしながら、ポリピロール浸潤シートは、濾過作業用の厚さが0.1 mmの濾紙を利用して形成することに限定されることはなく、セルロースシートを主成分とする綿繊維を原料として作られる市販の濾紙、あるいは和紙等を適宜利用して形成することが可能である。

第(3-2)ステップは、塩化第二銅が含侵されたセルロースシートに気体状態のピロールを接触させるステップであって、次のように実行される。例えば、ピロールを80℃に加熱して気化させ、この気化したピロールの蒸気に、塩化第二銅を染み込ませた濾紙を10分間かざすことによってポリピロール重合体が浸潤された濾紙を形成する。

第1の方法における第(2-1-2)ステップは、このポリピロール浸潤シートの少なくともいずれか一方の面に真空蒸着法によって金属層を形成するステップである。金属層は、銅、金、銀、アルミニウム等を適宜選択して、抵抗加熱あるいは電子線過熱によってこれらの金属を真空中で気化させて、ポリピロール浸潤シートの少なくともいずれか一方の面に真空蒸着を行えばよい。このとき蒸着する範囲をポリピロール浸潤シートの主表面あるいは裏面の全面とする必要はない。第1放熱シートの利用の形態に応じて適宜蒸着範囲を設定することが可能である。

第2の方法における第(2-2-2)ステップは、このポリピロール浸潤シートの少なくともいずれか一方の面に、印刷の技術を用いて金属微粒子を印刷固定することによって実現される。このとき、上述の第(2-1-2)ステップにおける場合と同様に、印刷の範囲は、ポリピロール浸潤シートの主表面あるいは裏面の全面とする必要はない。第1放熱シートの利用の形態に応じて適宜印刷範囲を設定することが可能である。

第3の方法における第(2-3-2)ステップは、このポリピロール浸潤シートの少なくともいずれか一方の面に、メッキ液を用いて、金属層をメッキすることで実現される。メッキ液は、例えば、蒸留水500 ml（ミリリットル）に、硫酸第二銅を150 g及び硫酸を20 ml加えて攪拌し、硫酸第二銅を完全に溶解させることによって作ることが可能である。このメッキ液を35℃に設定して、ポリピロール浸潤シートの主表面及び裏面にメッキを施した。メッキを実行するに当たっては、ポリピロール浸潤シートを陰極に接続して、厚さが0.02 mmの銅の層を形成した。

ポリピロール浸潤シートの主表面及び裏面のいずれか一方の面にのみ金属層が形成されて成る第1放熱シートを作製する場合は、金属層を形成させない側の面を高分子フィルム等の絶縁体フィルムで覆ってから第(2-1-2)ステップ、第(2-2-2)ステップ及び第(2-3-2)ステップを実行すればよい。

同様に、ポリピロール浸潤シートの主表面及び裏面の、金属層を形成する領域のみを露出するように、金属層を形成しない領域を高分子フィルム等の絶縁体フィルムで覆ってから第(2-1-2)ステップ、第(2-2-2)ステップ及び第(2-3-2)ステップを実行すれば、必要とされる領域のみに金属層が形成された第1放熱シートを作製することが可能である。すなわち、第1放熱シートの利用の形態に応じて適宜第(2-1-2)ステップ、第(2-2-2)ステップ及び第(2-3-2)ステップによって金属層を形成する範囲を設定することが可能である。

図1(B)に示す第2放熱シートは、セルロースシートにポリピロール重合体が浸潤されたポリピロール浸潤シート26の主表面26a及び裏面26bの少なくともいずれか一方の面に接着部材を介して金属シートが接着されて構成される。図1(B)には、ポリピロール浸潤シート26の主表面26aに接着部材24を介して金属シート22が接着され、裏面26bに接着部材28を介して金属シート30が接着されて構成されて成る第2放熱シートを示しているが、金属シート22及び金属シート30のいずれか一方が形成されていれば良い。

接着部材24及び28としては、ニチバン株式会社製の両面粘着テープ（製品番号NW-50)あるいは、セメダイン株式会社製のアクリル変成シリコーン樹脂であるセメダイン（製品番号SX720W）等を適宜選択して利用することが可能である。

＜放熱シートの熱的性質の検証＞
図2から図5を参照して、この発明の実施形態の放熱シートの熱的性質についての検証実験の結果を説明する。

図2は、この発明の実施形態の放熱シートの熱的性質についての検証実験の説明に供する図であり、発熱性デバイス40、電気配線ボード42、放熱シート44、及びヒートシンク46の配置関係を概略的に示した断面構造図である。

発熱性デバイス40として１Wの発光ダイオードを使った。電気配線ボード42は周知のユニバーサルプリント基板を使った。このユニバーサルプリント基板は、ガラスエポキシ材を使って形成されたサンハヤト株式会社製のユニバーサルプリント基板(型番：ICB-93SHG)である。ヒートシンク46はアルミニウム製の厚みが0.5 mmのアルミニウム板ヒートシンクを使った。

電気配線ボード42、放熱シート44、及びヒートシンク46はそれぞれ60 mmの正方形に切断して、図2に示すように重ね合わせてある。発熱性デバイス40の中心位置は、60 mmの正方形の一辺から5 mm離れた位置であって、この一辺と垂直な2辺から等距離の位置に配置されている。

放熱シート44には、図1(A)に示した放熱シート及び比較のためのグラファイト材を用いて構成される放熱シートを用いてそれぞれ熱的特性を検証した。また、比較のためにこれら放熱シートを利用せず、直接電気配線ボード42とヒートシンク46とを接触させる構成とした場合の熱的特性についても検証した。なお、図1(B)に示した放熱シートについては、図1(A)に示した放熱シートの熱的特性と同一であったので、その説明は省略する。

放熱シートの熱的特性の評価は、図2に示すCH1〜CH8の合計8箇所での発熱性デバイス40への通電開始時からの温度時間変化を観測することによって行った。CH1、CH3、CH5及びCH7は、電気配線ボード42の、発熱性デバイス40が設置されている側の表面の温度測定ポイントを示す。また、CH2、CH4、CH6及びCH8は、ヒートシンク46の電気配線ボード42が設置された側とは反対側の表面の温度測定ポイントを示す。

図2に示すように、CH1は発熱性デバイス40の直下に設定された温度測定ポイントであり、CH3、CH5及びCH7は、それぞれ発熱性デバイス40から15 mm、30 mm及び45 mm離れた位置に設定された温度測定ポイントである。また、CH2は発熱性デバイス40の直下に設定された温度測定ポイントであり、CH4、CH6及びCH8は、それぞれ発熱性デバイス40から15 mm、30 mm及び45 mm離れた位置に設定された温度測定ポイントである。

表1に、放熱シートの熱的特性の評価において求められた熱抵抗の大きさを一覧にまとめて示してある。I及びIIと示す縦の欄には、放熱シート44にそれぞれ図1(A)に示した第1放熱シート及びグラファイト材を用いて構成される放熱シートを用いた場合の熱抵抗の大きさを示してある。IIIとして示す縦の欄には、放熱シート44を設置していない場合の熱抵抗の大きさを示してある。

表1のA〜Hと示してある横の欄には、それぞれ以下に示す2箇所の間の熱抵抗の値を示してある。Aの欄は発熱性デバイスとこの発熱性デバイスに接する空間との間の熱抵抗値、Bの欄はCH2とCH2に接する空間との間の熱抵抗値、Cの欄はCH3とCH3に接する空間との間の熱抵抗値、Dの欄はCH4とCH4に接する空間との間の熱抵抗値、Eの欄はCH5とCH5に接する空間との間の熱抵抗値、Fの欄はCH6とCH6に接する空間との間の熱抵抗値、Gの欄はCH7とCH7に接する空間との間の熱抵抗値、Hの欄はCH8とCH8に接する空間との間の熱抵抗値を示している。

図3は、この発明の実施形態の第1の放熱構造体の構成要素である放熱シートを放熱シート44として用いた場合の、CH1〜CH8における温度の時間変化を示す図である。横軸は時間を分単位で目盛って示してあり、縦軸は温度を℃目盛で目盛って示してある。

この発明の実施形態の第1の放熱構造体の構成要素である放熱シートは、厚さが0.1 mmの濾紙を利用して形成されたポリピロール浸潤シートに0.1 mmの厚さの銅板が接着剤を使用せずに直に密着させて構成された放熱シートである。ここでは、電気配線ボード42としてのユニバーサルプリント基板と放熱シート44とは直に密着されており、ヒートシンク46としてのアルミニウム製のヒートシンクと放熱シート44とは直に密着されている。

図3に示すように、発熱性デバイス40の直下に設定された温度測定ポイントCH1における温度変化は、発熱性デバイスである発光ダイオードに通電開始3分後に45.4℃に達している。そして、最終的に52.7℃に達して熱的に平衡状態となっている。温度測定ポイントCH2〜CH8は、CH1よりも概ね15℃程度低い温度となっている。

表1に示すように、この発明の実施形態の第1の放熱構造体の構成要素である放熱シートを放熱シート44として用いた場合の、熱抵抗値は、概ね21.2℃/W〜37.3℃/Wとなっている。

図4は、この発明の実施形態の第1の放熱構造体の構成要素である放熱シートを放熱シート44として用いた場合と比較するために、放熱シート44として特許文献3に開示された従来のグラファイトシートを金属線からなる網状体で挟んで一体化して構成される同種の放熱シート(ジャパンマテックス株式会社製、商品名「Jits 3D Thermal Conduction Sheet」)を用いた場合の、CH1〜CH8における温度の時間変化を示す図である。この放熱シートの厚みは0.15 mmである。図4の横軸は時間を分単位で目盛って示してあり、縦軸は温度を℃目盛で目盛って示してある。

図4に示すように、発熱性デバイス40の直下に設定された温度測定ポイントCH1における温度変化は、発熱性デバイスである発光ダイオードに通電開始3分後に49.1℃に達している。そして、最終的に57.5℃に達して熱的に平衡状態となっている。温度測定ポイントCH2〜CH8は、CH1よりも概ね15℃〜18℃程度低い温度となっている。

表1に示すように、グラファイトシートを金属線からなる網状体で挟んで一体化して構成され放熱シートを放熱シート44として用いた場合の、熱抵抗値は、概ね19.0℃/W〜32.7℃/Wとなっている。

図5は、放熱シート44を使用せずに直接電気配線ボード42とヒートシンク46とを接触させる構成とした場合の、CH1〜CH8における温度の時間変化を示す図である。横軸は時間を分単位で目盛って示してあり、縦軸は温度を℃目盛で目盛って示してある。

図5に示すように、発熱性デバイス40の直下に設定された温度測定ポイントCH1における温度変化は、発熱性デバイスである発光ダイオードに通電開始3分後に93.6℃に達している。そして、更に温度は時間とともに上昇する傾向にあることが読み取れる。温度測定ポイントCH2〜CH8は、CH1よりも概ね60℃程度低い温度となっている。

温度測定ポイントCH2及びCH4〜CH8における温度変化を与える曲線が極めて接近しており、図5において2本の破線で示す間にCH2及びCH4〜CH8における温度変化を与える曲線がまとまっている。そのため、図5においては、CH2及びCH4〜CH8における温度変化を与える個々の曲線を省略してある。

上述の図3及び図4に示す、放熱シートを使った場合における発熱性デバイス40の直下に設定された温度測定ポイントCH1における温度変化は、50℃から60℃の範囲に留まっているのに対して、図5に示す放熱シートを使わない場合は、CH1における温度は90℃以上にも上昇することが分かる。このことから、放熱シートを使うことによって発熱性デバイスの温度上昇を効果的に防ぐことができることが分かる。

また、表1に示すように、放熱シート44を利用しない場合の、熱抵抗値は、概ね14.5℃/W〜75.5℃/Wとなっている。特に、表1のAの欄に示す発熱性デバイスとこの発熱性デバイスに接する空間との間の熱抵抗値が際立って高いことが読み取れる。すなわち、放熱シート44を利用しないと発熱性デバイスから発生する熱を効果的に放散させることができず、発熱性デバイスの温度上昇が大きく、電気的特性の低下あるいは光学的特性の低下等の性能の劣化が起こる可能性を示唆している。

一方、ポリピロール浸潤シートを具えて構成される放熱シートを利用することによって、熱の放散特性に優れるとされている従来のグラファイトシートを金属線からなる網状体で挟んで一体化して構成される放熱シートと、同等あるいはそれ以上の熱放散効果が実現されることが確かめられた。その上、このポリピロール浸潤シートを具えて構成される放熱シートは、電子モジュールに悪影響を与える炭素粉等の塵が発生しないという優れた特性を有している。

＜放熱構造体＞
この発明の第1の放熱構造体と第2の放熱構造体との相違点は、構成要素である放熱シートの構造にある。この発明の第1及び第2の放熱構造体に利用される放熱シートの構造については既に説明したので、以下この発明の第1及び第2の放熱構造体に共通して利用される、発熱性電子部品を搭載する基板の構成について3つの実施例を示して説明する。なお以下の説明では、この発明の第1及び第2の放熱構造体に共通する内容であるので、第1及び第2の放熱構造体を区別せず、単に放熱構造体と言うこともある。また、第1及び第2放熱シートについても、特に区別すする必要がある場合を除き、単に放熱シートと言うこともある。

図6〜図8を参照してこの発明の第1〜第3実施例の放熱構造体について説明する。

以下の第1〜第3実施例の説明において、放熱シートについては、上述の第1及び第2放熱シートのいずれをも用いることが可能である。

図6は、第1実施例の放熱構造体の説明に供する図であり、放熱シート及びヒートシンクを含めた概略的断面構造図である。第1実施例の放熱構造体54は、主表面50aに発熱性デバイス60が搭載されたガラスエポキシ製の基板50と、この基板50の裏面50bに密着された放熱シート52とを具えて構成されている。なお、基板50はガラスエポキシ製の基板とは限らず、発熱性デバイス60等との電気的絶縁をするための絶縁層を備えて構成されるアルミニウム製の基板等であってもよい。

基板50の主表面50aには導電材料からなる表面回路パターン層62が形成されており、裏面50bには導電材料からなる裏面回路パターン層66が形成されている。そして、表面回路パターン層62と裏面回路パターン層66とは、スルーホール64を介して導通されている。

表面回路パターン層62及び裏面回路パターン層66は、例えば、ガラスエポキシ製の基板50の主表面50a及び裏面50bに形成された、回路パターンが形成された銅の配線層を意味する。

発熱性デバイス60は絶縁層58を挟んで、表面回路パターン層62に密着される関係で搭載されている。放熱シート52は、基板50の裏面50bに密着されており、かつヒートシンク56がこの放熱シート52に密着されている。ヒートシンク56は、通常利用されているアルミニウム板あるいはフィン構造等を具えたアルミニウム板等である。また、発熱性デバイス60は、発光ダイオード（LED: Light Emitting Diode）、論理集積回路、パワートランジスタ等の能動電子素子を指す。

発熱性デバイス60で発生する熱は、絶縁層58を介して表面回路パターン層62に伝わり、表面回路パターン層62を伝播して拡散される。表面回路パターン層62に拡散された熱は、スルーホールを伝播して裏面回路パターン層66に伝播されて拡散される。裏面回路パターン層66に到達して拡散された熱は、放熱シート52に伝えられる。

放熱シート52に伝えられた熱は、放熱シート52と密着しているヒートシンク56に伝えられ、外部に放熱される。

基板50に密着された放熱シート52は、上述したように、熱を放熱シート52の表面に垂直な方向よりも平行な方向に速い速度で広げる特性を有している。従って、発熱性デバイス60から発生した熱が、基板54を介して放熱シート52に伝えられると、放熱シート52の表面に平行な方向に沿ってすばやく拡散し、放熱シート52と接触しているヒートシンク56の主表面56aの広い範囲にわたり短時間で高温領域が形成される。

ヒートシンク56に単位時間に吸収される熱量の総量は、放熱シート52と接触しているヒートシンク56の主表面56aの温度が広い範囲にわたって高温であるほど大きい。すなわち、放熱構造体54を介して発熱性デバイス60とヒートシンク56とを間接的に接触させる構成とすれば、発熱性デバイス60から発生した熱を効率よく放散することが可能となる。

図7は、第2実施例の放熱構造体の説明に供する図であり、放熱シート及びヒートシンクを含めた概略的断面構造図である。第2実施例の放熱構造体74は、基板70の内部に内部回路パターン層68が具えられている点が、上述の第1実施例の放熱構造体54と相違する。これ以外の構成要素は、第1実施例の放熱構造体54と同一であるので、重複する説明を省略する。

内部回路パターン層68は、例えば、ガラスエポキシ製の基板70の内部に主表面70a及び裏面70bに対して平行な平面として形成された層状の銅板であり、回路パターンが形成された銅の配線層である場合もある。

第2実施例の放熱構造体74が、基板70の内部に内部回路パターン層68が具えられていることによって、発熱性デバイス60から発生した熱が、一旦内部回路パターン層68で、基板70の横方向に沿って拡散されるので、基板70における熱拡散効率が高くなる。そのため、発熱性デバイス60から発生した熱を、上述の第1実施例の放熱構造体よりも、効率よく放散することが可能となる。

図8は、第3実施例の放熱構造体の説明に供する図であり、放熱シート及びヒートシンクを含めた概略的断面構造図である。第3実施例の放熱構造体76は、基板72の内部に2枚の内部回路パターン層68-1及び68-2が基板の厚み方向に離間して具えられている点が、上述の第1及び第2実施例の放熱構造体54及び74と相違する。これ以外の構成要素は、第1及び第2実施例の放熱構造体54及び74と同一であるので、重複する説明を省略する。

内部回路パターン層68-1及び68-2も内部回路パターン層68同様に、例えば、ガラスエポキシ製の基板72の内部に主表面72a及び裏面72bに対して平行な平面として、基板の厚み方向に離間して形成された層状の銅板であり、回路パターンが形成された銅の配線層である場合もある。

第3実施例の放熱構造体76は、基板72の内部に内部回路パターン層68-1及び68-2が具えられていることによって、発熱性デバイス60から発生した熱が、一旦内部回路パターン層68-1及び68-2で、基板72の横方向に沿って拡散されるので、基板72における熱拡散効率が高くなる。基板72が内部回路パターン層を2枚具えていることから、発熱性デバイス60から発生した熱の横方向の拡散効率は、第2実施例の基板70よりも、一層高くなる。一般に基板が具える内部回路パターン層の枚数が多いほど、基板における熱の横方向の拡散効率は高くなる。

従って、第3実施例の放熱構造体76は、発熱性デバイス60から発生した熱を、上述の第1及び第2の実施例の放熱構造体よりも、効率よく放散することが可能となる。

図9(A)〜(D)を参照して、この発明の放熱構造体を利用したLEDバックライトモジュールについて説明する。図9(A)はLEDバックライトモジュールの正面図であり、図9(B)は側面図であり、図9(C)は裏面図であり、図9(D)は側面図を拡大して示す断面構造図である。

この発明の放熱構造体を利用したLEDバックライトモジュールは、LED 80が搭載された放熱構造体82が、取り付け部品として機能を兼ね備えたヒートシンク84に固定されて構成されている。放熱構造体82として、上述したこの発明の第1実施例の放熱構造体が利用されている。図9(D)に示すように、放熱構造体82は、LED 80が取り付けられた基板82-1に放熱シート82-2が密着されて構成されている。放熱シート82-2は、基板82-1とヒートシンク84とに挟まれる部分から、アルミ背面支持パネル86とヒートシンク84とに挟まれる部分にわたるように取り付けられている。

放熱構造体82に搭載されたLED 80から出力されるLED光は、アルミ背面支持パネル86によって支持された光反射板88で乱反射されながらアクリル導光板90を伝播して表面板92が一様な明るさに照明するように設計されている。表面板92の寸法はA4サイズ（縦210 mm、横297 mm）である。すなわち、図9(A)のLEDバックライトモジュールの正面図の寸法がA4サイズに相当する。

一方、LED 80からは熱も発生し、この熱は放熱構造体82を介してヒートシンク84及びアルミ背面支持パネル86に伝えられて外部に拡散される。

次に、この発明の放熱構造体を利用したLEDバックライトモジュールの熱的性質についての検証実験の結果を説明する。

LED 80に60 mAの順方向電流を流して発光させたところ、表面板92の照度が6000ルックスとなった。LED 80の温度上昇による発光効率の低下は2％以内と見積もられ、LED 80の発光効率は98％以上を確保することができた。また、LED 80に上述の条件の1.67倍に相当する100 mAの順方向電流を流して発光させたところ、表面板92の照度が10000ルックスとなった。このとき、LEDバックライトモジュールの背面の中心位置（図9(A)にEと示すポイント）では54℃まで温度上昇したが、LED 80の温度は77℃であった。このときのLED 80の温度上昇による発光効率の低下は9％以内と見積もられ、LED 80の発光効率は91％以上を確保することができた。

比較のために、LEDバックライトモジュールを、この発明の放熱構造体を使用しないで構成して同様の実験を行った。この比較実験において、LED 80に60 mAの順方向電流を流して発光させたところ、LED 80の温度は100℃を超え、発光効率は70％まで低下することが確かめられた。

この発明の放熱構造体を利用したLEDバックライトモジュールの熱的特性の評価は、図9(A)〜(D)に示すA〜Eの合計5箇所の、通電開始時からの温度時間変化を観測することによって行った。A及びBはLED 80の近傍の測定点を示し、C及びDはヒートシンク84の測定点を示す。LEDバックライトモジュールのフレームの温度Fは図9(A)〜(D)に示してないが、LEDバックライトモジュール周辺の室温である。また、GはLEDバックライトモジュールの正面の中心位置を示し、EはLEDバックライトモジュールの背面の中心位置を示す。

図10を参照して、この発明の放熱構造体を利用したLEDバックライトモジュールの熱的特性の評価について説明する。図10はこの発明の放熱構造体を利用したLEDバックライトモジュールの熱的特性の評価についての説明に供する図である。図10において、横軸にLED 80への通電開始からの時間経過を分単位で目盛って示してある。また、左側の縦軸はA〜Fにおける温度を℃単位で目盛って示し、右側の縦軸は表面板92の照度Gをルックス（Lux）単位で目盛って示してある。

表面板92の照度Gは通電開始直後に減少しているが、10000ルックスで安定した。また、LEDバックライトモジュールのフレームの温度FであるLEDバックライトモジュール周辺の室温はほぼ30℃と一定しており、LED 80の近傍A及びBにおける温度は77℃以上には上昇していない。またLED 80に近いヒートシンク84の測定点C及びDにおいては、55℃程度で安定している。

LED 80の近傍A及びBにおける温度77℃と比較して、LED 80に近いヒートシンク84の測定点C及びDにおける温度が55℃と22℃の差があるだけであることから、LED 80から発生した熱は、ヒートシンク84に効率よく伝達されていることが分かる。このことによって、LED 80の近傍A及びBにおける温度は77℃以上には上昇しないという良好な結果が得られたものと結論される。

放熱シートの構成及びその製造方法についての説明に供する図であり、(A)及び(B)は、それぞれ第1及び第2の放熱構造体の構成要素である放熱シートの主表面及び裏面に垂直な方向で切断した概略的断面構造図である。この発明の実施形態の第1及び第2の放熱構造体の構成要素である放熱シートの熱的性質についての検証実験の説明に供する図である。この発明の実施形態の第1の放熱構造体の構成要素である放熱シートを放熱シート44として用いた場合の、CH1〜CH8における温度の時間変化を示す図である。従来のグラファイトシートを金属線からなる網状体で挟んで一体化して構成される放熱シートを放熱シートとして用いた場合の、CH1〜CH8における温度の時間変化を示す図である。放熱シートを使用せずに直接電気配線ボードとヒートシンクとを接触させる構成とした場合の、CH1〜CH8における温度の時間変化を示す図である。この発明の第1実施例の放熱構造体の説明に供する図であり、放熱シート及びヒートシンクを含めた概略的断面構造図である。この発明の第2実施例の放熱構造体の説明に供する図であり、放熱シート及びヒートシンクを含めた概略的断面構造図である。この発明の第3実施例の放熱構造体の説明に供する図であり、放熱シート及びヒートシンクを含めた概略的断面構造図である。この発明の放熱構造体を利用したLEDバックライトモジュールについての説明に供する図であり、(A)はLEDバックライトモジュールの正面図であり、(B)は側面図であり、(C)は裏面図であり、(D)は側面図を拡大して示す断面構造図である。この発明の放熱構造体を利用したLEDバックライトモジュールの熱的特性の評価についての説明に供する図である。

符号の説明

16、20：金属層
18、26：ポリピロール浸潤シート
22、30：金属シート
24、28：接着部材
40、60：発熱性デバイス
42：電気配線ボード
44、52、82-2：放熱シート
46、56、84：ヒートシンク
50、70、72、82-1：基板
54、74、76、82：放熱構造体
58：絶縁層
62：表面回路パターン層
64：スルーホール
66：裏面回路パターン層
68、68-1、68-2：内部回路パターン層
80：LED
86：アルミ背面支持パネル
88：光反射板
90：アクリル導光板
92：表面板

Claims

発熱性電子部品を搭載し、該発熱性電子部品の熱を放熱する放熱構造体であって、
主表面に前記発熱性電子部品を搭載する基板と、
該基板の裏面に密着された放熱シートと
を具え、
前記放熱シートは、セルロースシートにポリピロール重合体が浸潤されたポリピロール浸潤シートの主表面及び裏面の双方又はいずれか一方の面に金属層が密着されて成る
ことを特徴とする放熱構造体。
前記基板の主表面には導電材料からなる表面回路パターン層が形成されており、かつ前記基板の裏面には導電材料からなる裏面回路パターン層が形成されており、
該裏面回路パターン層と前記表面回路パターン層とが、スルーホールを介して導通している
ことを特徴とする請求項1に記載の放熱構造体。
前記基板の内部に導電材料からなる内部回路パターン層が介在されており、
該内部回路パターン層は、前記スルーホールを介して、前記基板の主表面に形成された表面回路パターン層、及び前記基板の裏面に形成された裏面回路パターン層と導通している
ことを特徴とする請求項2に記載の放熱構造体。
前記内部回路パターン層が、前記基板の厚み方向に離間して複数層設けられていることを特徴とする請求項2に記載の放熱構造体。
発熱性電子部品を搭載し、該発熱性電子部品の熱を放熱する放熱構造体であって、
主表面に前記発熱性電子部品を搭載する基板と、
該基板の裏面に密着された放熱シートと
を具え、
前記放熱シートは、セルロースシートにポリピロール重合体が浸潤されたポリピロール浸潤シートの主表面及び裏面の双方又はいずれか一方の面に接着部材を介して金属シートが接着されて成る
ことを特徴とする放熱構造体。
前記基板の主表面には導電材料からなる表面回路パターン層が形成されており、かつ前記基板の裏面には導電材料からなる裏面回路パターン層が形成されており、
該裏面回路パターン層と前記表面回路パターン層とが、スルーホールを介して導通している
ことを特徴とする請求項5に記載の放熱構造体。
前記基板の内部に導電材料からなる内部回路パターン層が介在されており、
該内部回路パターン層は、前記スルーホールを介して、前記基板の主表面に形成された表面回路パターン層、及び前記基板の裏面に形成された裏面回路パターン層と導通している
ことを特徴とする請求項6に記載の放熱構造体。
前記内部回路パターン層が、前記基板の厚み方向に離間して複数層設けられていることを特徴とする請求項6に記載の放熱構造体。