(57)【要約】【課題】基板と放熱部材との密着性を高めて熱伝導性を向上でき、電子部品から発生する熱を効果的に放熱できる電子部品実装モジュールを提供する。【解決手段】セラミックス製の基板１の表面1aに電子部品４としてのＬＥＤ4aを実装し、基板１の裏面1b側を放熱部材２に配設する。基板１と放熱部材２との間に、高い熱伝導性および柔軟性を有する金属微粒子膜３を介在させる。【選択図】図１
2010153803.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面に動作時に発熱する電子部品が実装され、電子部品が実装された一面に対して反対側の他面が放熱部材に配設される非金属製の基板と；
基板と放熱部材との間に介在されるように形成された金属微粒子膜と；
を具備することを特徴とする電子部品実装モジュール。
【請求項２】
基板はセラミックス製であり、電子部品はＬＥＤであることを特徴とする請求項１に記載の電子部品実装モジュール。
【請求項３】
金属微粒子膜は、セラミックス製の基板に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電子部品実装モジュール。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか一に記載の電子部品実装モジュールと；
電子部品実装モジュールの基板が金属微粒子焼結膜を介在して配設される放熱部材と；
を具備することを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、動作時に発熱する電子部品が実装された電子部品実装モジュール及び電気機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、半導体素子等の電子部品は、通電時における自己発熱により、寿命が短くなったり、特性が変化したりする現象が生じる。特に、電子部品として、ＬＥＤやＥＬ素子等の発光素子は、そ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やＥＬ素子等の発光素子を光源とする照明装置では、発光素子の寿命、効率の諸特性を改善するために、発光素子の温度上昇を抑制する必要がある。
【０００３】
従来、半導体素子から発生した熱を放熱するために、半導体素子を実装した窒化アルミニウム等の放熱配線基板とヒートシンクであるラジエータとをねじ締めによって一体化した構造が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、発光素子実装用ホーロー基板に、多数のフィンを有する放熱構造体を接続したものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５８３０１９号公報（段落００１６、図２）
【特許文献２】特開２００６−３４４６９０号公報（段落００３４、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、基板とヒートシンク又は放熱構造体との互いの接合面には、微細な凹凸や反りが存在し、また、異物が付着している場合もある。このため、基板とヒートシンク又は放熱構造体との相互の密着性が悪く、熱伝導が良好に行われず、その結果、放熱が効率的に行われないという問題が生じている。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、基板と放熱部材との密着性を高めて熱伝導性を向上でき、電子部品から発生する熱を効果的に放熱することができる電子部品実装モジュール及び電気機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の電子部品実装モジュールは、一面に動作時に発熱する電子部品が実装され、電子部品が実装された一面に対して反対側の他面が放熱部材に配設される非金属製の基板と；基板と放熱部材との間に介在されるように形成された金属微粒子膜と；を具備するものである。
【０００８】
本発明及び以下の発明において、特に指定しない限り用語の定義及び技術的意味は次による。
【０００９】
電子部品には、例えば、ＬＥＤやＥＬ素子等の発光素子、トランジスタ等の半導体素子、ＩＣ、あるいは抵抗素子等が含まれる。
【００１０】
放熱部材には、例えば、ヒートシンクや、電気機器の本体、ケースあるいはカバー等が含まれる。要は、放熱部材は、基板と熱的に結合される高い熱伝導性を有する部材を意味する。例えば、電気機器としての照明装置において、この照明装置の本体に基板の他面を取り付けるような場合には、この本体が放熱部材に相当する。
【００１１】
基板は、例えば、セラミックス、ガラスエポキシ樹脂等の非金属材料であればいずれでも構わないが、非金属材料の中では熱伝導性が良好なものを用いるのが好ましい。
【００１２】
金属微粒子膜は、基板又は放熱部材に形成され、あるいは両方に形成されていてもよい。さらには、基板および放熱部材とは別体に形成し、基板と放熱部材との間に介在されるようにしてもよい。
【００１３】
金属微粒子膜は、例えば、数μｍサイズの銀、銅、アルミニウム、金、およびそれらの合金等であって、各粒子が異形である金属微粒子が用いられ、この金属微粒子が溶剤に分散されたペーストをスクリーン印刷により基板又は放熱部材に塗布した後、この放熱部材を加熱炉で加熱し、ペーストを焼成して硬化させることで形成されている。なお、ペーストを基板又は放熱部材に塗布した後、ペーストを焼成せずに自然硬化させることにより、金属微粒子膜を形成するようにしてもよい。このように形成された金属微粒子間には不規則な粒子間間隙が形成される。このように形成された金属微粒子膜は、高い熱伝導性を有し、粒子間間隙の存在により変形可能な柔軟性を有する。
【００１４】
請求項２に記載の電子部品実装モジュールは、請求項１に記載の電子部品実装モジュールにおいて、基板はセラミックス製であり、電子部品はＬＥＤであるものである。
【００１５】
請求項３に記載の電子部品実装モジュールは、請求項２に記載の電子部品実装モジュールにおいて、金属微粒子膜は、セラミックス製の基板に形成されているものである。
【００１６】
請求項４に記載の電気機器は、請求項１乃至３いずれか一に記載の電子部品実装モジュールと；電子部品実装モジュールの基板が金属微粒子焼結膜を介在して配設される放熱部材と；を具備するものである。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の電子部品実装モジュールによれば、非金属製の基板と放熱部材との間に、高い熱伝導性および柔軟性を有する金属微粒子膜を介在させるため、基板と放熱部材との密着性を高めて熱伝導性を向上でき、電子部品から発生する熱を効果的に放熱することができる。
【００１８】
請求項２に記載の電子部品実装モジュールによれば、請求項１に記載の電子部品実装モジュールの効果に加え、セラミックス製の基板と放熱部材との間に金属微粒子膜を介在させるため、セラミックス製の基板と放熱部材との密着性を高めて熱伝導性を向上でき、ＬＥＤから発生する熱を効果的に放熱することができ、さらに、セラミックス製の基板を放熱部材に配設する際に、セラミックス製の基板が割れるのを防止できる。
【００１９】
請求項３に記載の電子部品実装モジュールによれば、請求項２に記載の電子部品実装モジュールの効果に加え、金属微粒子膜はセラミックス製の基板に形成するため、金属微粒子膜の形成を容易にできるとともに、電子部品実装モジュールを放熱部材に容易に組み合わせることができる。
【００２０】
請求項４に記載の電気機器によれば、上記各請求項に記載の電子部品実装モジュールが奏する効果を得ることができる電気機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施の形態を示す電子部品実装モジュールの断面図である。
【図２】同上電子部品実装モジュールの平面図である。
【図３】同上電子部品実装モジュールの金属微粒子膜を模式的に示す一部の断面図である。
【図４】同上電子部品実装モジュールおよび放熱部材を模式的に示す一部の断面図である。
【図５】同上電子部品実装モジュールの基板と放熱部材との間に金属微粒子膜を介在させた本実施の形態と、介在させない比較例とについて、ＬＥＤのジャンクション温度比を測定した結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２３】
図１及び図２に示すように、電子部品実装モジュールは、一面である表面1aが実装面とされるとともに反対側の他面である裏面1bが放熱部材２に配設される基板１と、これら基板１と放熱部材２との間に介在される金属微粒子膜３とを備えている。
【００２４】
基板１の表面1aには、電子部品４としての半導体発光素子である複数個のＬＥＤ4aが、表面実装方式で実装されている。本実施の形態では、縦３個×横３個＝９個のＬＥＤ4aがマトリクス状に実装されている。ＬＥＤ4aは、表面実装型のＳＭＤ（Surface Mount Device）パッケージであり、概略的にはセラミックスで形成されたベース上に配設されたＬＥＤチップと、このＬＥＤチップを封止するエポキシ系樹脂やシリコーン樹脂等のモールド用の透光性樹脂とを備えている。ＬＥＤチップには、青色光を発光する青色のＬＥＤチップが用いられており、モールド用の透光性樹脂には、ＬＥＤチップからの光を吸収して黄色系の光を発生する蛍光体が含有されている。このため、ＬＥＤチップからの光は、透光性樹脂を透過して白色や電球色等の白色系の発光色となって外部へ放射される。なお、ＬＥＤ4aは、ＣＯＢ（Chip On Board）方式で基板１に直接実装するようにしてもよく、実装方式は、格別限定されるものではない。
【００２５】
基板１は、金属に比べて安価に構成できる非金属の絶縁材であって、熱伝導率が高く、耐久性にも優れたセラミックス材料が用いられ、略長方形状の平板に形成されている。基板１の表面1aには、銅箔により配線パターンが形成されているとともに、適宜レジスト層が形成されている。この配線パターン上に、複数個のＬＥＤ4aが実装されている。
【００２６】
また、放熱部材２は、例えば、アルミニウム等の高い熱伝導性を有する金属製であり、基板１が取り付けられて接合される平面状の接合面2aを備えている。この接合面2aは基板１と同様に略長方形状に形成されている。また、放熱部材２の接合面2aの長手方向の両端には、基板１を位置決め係止する係止枠2bが突出形成されている。さらに、放熱部材２の接合面2aとは反対側の面には、放熱表面積を増大するための多数の放熱フィン2cが突出形成されている。
【００２７】
放熱部材２への基板１の取り付けにあたっては、放熱部材２の接合面2aに基板１の裏面1bが対向するように配置され、固定手段としての複数のねじ５により基板１の両端側の複数箇所であって４箇所が放熱部材２に締め付けられて固定されている。
【００２８】
なお、放熱部材２には、いわゆるヒートシンク、電気機器の本体、ケースあるいはカバー等が含まれる。要は、放熱部材２は、基板１と熱的に結合される高い熱伝導性を有する部材を意味する。したがって、例えば、電気機器としての照明装置において、この照明装置の本体に基板１の裏面1bを対向させて取り付けるような場合には、この照明装置の本体が放熱部材２に相当することとなる。
【００２９】
次に、基板１と放熱部材２との間に介在された金属微粒子膜３について、図３の参照を加えて説明する。
【００３０】
金属微粒子膜３は、例えば、銀、銅、アルミニウム、金、およびそれらの合金で形成される熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上、平均粒径３μｍ程度であって、各粒子が異形である金属微粒子3aを用いている。この金属微粒子3aを溶剤に分散してペーストを形成し、このペーストをスクリーン印刷により基板１の裏面1b又は放熱部材２の接合面2aに塗布した後、この基板１又は放熱部材２を加熱炉に入れて８５０℃の温度で１０分間加熱し、ペーストを焼成して硬化させることにより、金属微粒子膜３が形成されている。この焼成処理を経ることにより、金属微粒子3a間には不規則な粒子間間隙Ｇが形成され、この粒子間間隙Ｇにより金属微粒子膜３に変形可能な柔軟性が得られる。なお、金属微粒子3aの平均粒径が３μｍより小さいと、金属微粒子膜３としての十分な膜厚が得られず、十分な柔軟性も得られない。
【００３１】
金属微粒子膜３の膜厚寸法は、３μｍ以上に形成されており、好ましくは１０〜５０μｍの範囲である。その膜厚寸法が３μｍ（好ましくは１０μｍ）より薄いと、金属微粒子膜３の変形可能な柔軟性が得られず、基板１と放熱部材２との密着性を高くして熱伝導性を向上させる十分な効果が得られない。また、その膜厚寸法が５０μｍより厚いと、金属微粒子膜３を低コストで容易に製造するのが困難になる。なお、コストや製造性を考慮しなくてよい場合には、金属微粒子膜３の膜厚寸法は５０μｍより厚くしても構わず、その場合には、スクリーン印刷処理を複数回繰り返すことにより所望の膜厚寸法に調整可能である。
【００３２】
このように形成された金属微粒子膜３は、２００Ｗ／ｍｋ以上の高い熱伝導性を有し、粒子間間隙Ｇの存在により変形可能な柔軟性を有している。
【００３３】
そのため、図１および図２に示すように、金属微粒子膜３を介在して基板１と放熱部材２とをねじ５で締め付けて固定することにより、基板１の裏面1bや放熱部材２の接合面2aの微細な凹凸やそれらに付着した異物等による凹凸が金属微粒子膜３の変形で吸収され、基板１の裏面1bおよび放熱部材２の接合面2aに金属微粒子膜３が密着する。例えば、図４には、放熱部材２の接合面2aに凹凸が存在する例を模式的に示す。この例では、基板１に金属微粒子膜３が形成され、この基板１の金属微粒子膜３が放熱部材２の接合面2aに接合されることにより、金属微粒子膜３が放熱部材２の接合面2aの凹凸に沿って変形して密着する。
【００３４】
また、金属微粒子膜３を介在して基板１と放熱部材２とをねじ５で締め付けて固定する際、金属微粒子膜３がクッション性を有し、ねじ５を強く締め付けなくても基板１と放熱部材２との熱的な密着性が得られるので、セラミックス製の基板１が締め付けによって割れるのを抑制できる。
【００３５】
以上のように構成された電子部品実装モジュールにおいて、電源が投入されると、図示しない点灯回路が動作して基板１に実装されているＬＥＤ4aに電力が供給され、ＬＥＤ4aが発光する。
【００３６】
ＬＥＤ4aの発光に伴ってＬＥＤ4aから発生する熱は、基板１、金属微粒子膜３および放熱部材２へと順に熱伝導され、放熱部材２から放熱される。
【００３７】
このとき、基板１と放熱部材２との間に金属微粒子膜３が介在され、これら基板１の裏面1bや放熱部材２の接合面2aの微細な凹凸やそれらに付着した異物等による凹凸に沿って金属微粒子膜３が変形して密着しているので、それら基板１の裏面1bおよび放熱部材２の接合面2aと金属微粒子膜３との相互の接触面積を大きく確保することができる。そのため、基板１と放熱部材２との熱的な密着性が高く、熱伝導性が良好となる。
【００３８】
したがって、ＬＥＤ4aから発生する熱は、基板１、金属微粒子膜３および放熱部材２へと順に効率よく熱伝導され、放熱部材２から効果的に放熱できる。
【００３９】
次に、このような放熱効果を確認するため、基板１と放熱部材２との間に金属微粒子膜３を介在させた本実施の形態と、金属微粒子膜３を介在させていない比較例とについて、ＬＥＤ4aのジャンクション温度を測定したところ、図５に示す結果が得られた。なお、測定条件は、基板１には熱伝導率３０Ｗ／ｍｋのセラミックスを用い、放熱部材２には熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の金属を用いた。本実施の形態の金属微粒子膜３の熱伝導率は２００Ｗ／ｍｋ以上である。
【００４０】
この測定結果から分かるように、比較例のジャンクション温度を１００％とすると、本実施の形態では、８５％のジャンクション温度に低下することが確認できた。よって、本実施の形態では、熱伝導、放熱が効果的に行われ、ＬＥＤ4aの温度上昇を抑制できることを確認するに至った。
【００４１】
次に、基板１にセラミックスを用い、基板１と放熱部材２との間に介在させる接合部材として金属微粒子膜３を用いることが好ましい理由について、上述した図４を参照して説明する。
【００４２】
基板１の非金属材料としては、本実施の形態のセラミックスの他に、例えばガラスエポキシ樹脂等がある。また、接合部材としては、一般的に、２つの部材間を密着させて熱伝導を良好にするのにシリコーン樹脂が多く用いられている。これらガラスエポキシ樹脂およびシリコーン樹脂の熱伝導率は１Ｗ／ｍｋ程度である。
【００４３】
まず、基板１がガラスエポキシ樹脂の場合について説明する。熱伝導率１Ｗ／ｍｋ程度のガラスエポキシ樹脂製の基板１と熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の金属製の放熱部材２との間に、熱伝導率１Ｗ／ｍｋ程度のシリコーン樹脂を介在させた場合には、同じ熱伝導率１Ｗ／ｍｋ程度の基板１およびシリコーン樹脂側と熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の放熱部材２側との接触面積が増加し、熱伝導性が向上する。また、熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の金属微粒子膜３を介在させた場合には、同じ熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の放熱部材２および金属微粒子膜３側と熱伝導率１Ｗ／ｍｋ程度の基板１側との接触面積が増加し、熱伝導性が向上する。しかしながら、基板１がガラスエポキシ樹脂であってもセラミックスであっても、基板１から放熱部材２への熱伝導性の向上については同程度の効果となる。
【００４４】
次に、基板１がセラミックスの場合について説明する。熱伝導率３０Ｗ／ｍｋのセラミックス製の基板１と熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の金属製の放熱部材２との間に、熱伝導率１Ｗ／ｍｋ程度のシリコーン樹脂を介在させた場合には、基板１および放熱部材２より熱伝導率が低いシリコーン樹脂が介在することになるため、基板１から放熱部材２への熱伝導性の向上効果が低い。また、熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の金属微粒子膜３を介在させた場合には、同じ熱伝導率２００Ｗ／ｍｋ以上の放熱部材２および金属微粒子膜３側と熱伝導率３０Ｗ／ｍｋの基板１側との接触面積が増加し、熱伝導性が向上する。
【００４５】
したがって、基板１にセラミックスを用い、基板１と放熱部材２との間に介在させる接合部材として金属微粒子膜３を用いる組み合わせとすることにより、基板１から放熱部材２への熱伝導性の向上効果を高くすることができる。
【００４６】
以上のように、本実施の形態によれば、セラミックス製の基板１と放熱部材２との間に金属微粒子膜３を介在させたので、基板１と放熱部材２との熱的な密着性を高めることができ、ＬＥＤ4aから発生する熱を基板１から放熱部材２へと効率的に熱伝導し、放熱部材２から効果的に放熱することができる。
【００４７】
また、金属微粒子膜３は、スクリーン印刷によって基板１又は放熱部材２に塗布し、基板１と放熱部材２との間に介在するように形成したので、格別に部品として介在物を設ける必要もなく、簡素化した構成で所期の目的を達成できる。
【００４８】
次に、電子部品実装モジュールを用いる電気機器について説明する。電気機器は、図示を省略するが、照明装置やディスプレイ等があり、いずれにも電子部品実装モジュールに用いることができる。なお、この場合、放熱部材２としては、電気機器の本体を利用してもよく、また、格別に放熱部材２を設けてもよい。このような電気機器によれば、上述した電子部品実装モジュールの効果を奏する電気機器を提供できる。
【００４９】
なお、本発明は、前記実施の形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、基板の材料には、セラミックスを用いるのが好ましいが、ガラスエポキシ樹脂等、他の非金属を用いてもよい。また、金属微粒子膜は、基板に形成することが好ましいが、放熱部材側に形成してもよく、あるいは両方に形成してもよい。さらに、金属微粒子膜の形成は、スクリーン印刷による塗布が好適であるが、これに限らず、他の方法によって塗布してもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１    基板
２    放熱部材
３    金属微粒子膜
４    電子部品
4a    ＬＥＤ
【図１】
2010153803.tif 000003
【図２】
2010153803.tif 000004
【図３】
2010153803.tif 000005
【図４】
2010153803.tif 000006
【図５】
2010153803.tif 000007