(57)【要約】【課題】  放熱板の組立時の接触による破壊を防止すると共に放熱性能が向上した放熱構造を提供すること。【解決手段】  発熱素子１は配線基板２に搭載されて発熱源Ｈを構成する。発熱源Ｈは熱伝導性インターフェイス材料層３によって放熱板４に取り付けられている。放熱板４はその表面Ｓ４にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズ（ピッチ）の凹凸構造を形成した熱伝導率が高い炭素系材料よりなる。放熱板４の表面Ｓ４上に接触防止板５を支柱５ａ、５ｂを介して設け、放熱板４の表面Ｓ４の凹凸構造を保護する。接触防止板５は樹脂たとえばポリカーボネート（PC）や金属たとえばアルミニウムよりなり、開口が形成されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面に発熱源を取り付けられるように形成されており、表面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの凹凸構造を形成した炭素系材料よりなる放熱板と、
該放熱板の前記表面に対して所定距離離して対向して配置された接触防止板と
を具備し、前記接触防止板に開口を形成した放熱構造。
【請求項２】
前記接触防止板の前記放熱板に対向する受熱面での放射率を前記接触防止板の受熱面の反対の放熱面での放射率より小さくした請求項１に記載の放熱構造。
【請求項３】
前記接触防止板は樹脂よりなり、該樹脂の受熱面側に金属層を形成した請求項２に記載の放熱構造。
【請求項４】
前記接触防止板は金属よりなり、該金属の放熱面側を酸化した請求項２に記載の放熱構造。
【請求項５】
前記開口はスリットである請求項１〜４のいずれかに記載の放熱構造。
【請求項６】
前記開口はメッシュである請求項１〜４のいずれかに記載の放熱構造。
【請求項７】
前記放熱板の裏面に、発熱素子を含む前記発熱源が取り付けられた請求項１〜６のいずれかに記載の放熱構造が設けられた発熱素子装置。
【請求項８】
前記放熱板は熱伝導性インターフェイス材料層を介して前記発熱源に取り付けられた請求項７に記載の発熱素子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光ダイオード（LED）素子、レーザダイオード（LD）素子、マイクロプロセッサ等の発熱素子を含む発熱素子装置、特に、その放熱構造の保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、LED素子、LD素子、マイクロプロセッサ等の発熱素子の高性能化に伴い、発熱素子の発熱量は増大してきている。一方、発熱素子の小型化、薄型化の要求が高まり、発熱素子の発熱密度は非常に高くなり熱的に厳しい状況を強いられている。
【０００３】
特に、LED素子、LD素子は自身が発する熱により寿命及び性能が低下するという負の特性がある。また、発光素子との組合せにより発光色を変化させる目的で使用される蛍光体層も熱による負の特性を有する。
【０００４】
そのため、発熱素子、蛍光体層の温度上昇が問題となり、ヒートシンクの放熱手法以上の発熱素子、蛍光体層の放熱効率を高める放熱手法が求められている。
【０００５】
尚、ヒートシンクは発熱素子の熱を自然に空気中に放散させるものであり、その包絡体積が大きい程、潜在的放熱性能が上昇する。従って、包絡体積によってほぼ放熱機能が決定付けられる。一方、製品の小型化、薄型化の要求の高まり、ヒートシンクの包絡体積を単純に大きくできない。
【０００６】
従来の放熱構造として、表面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズ（ピッチ）の凹凸構造を形成した熱伝導率が高い炭素系材料よりなる放熱板を備えるものがある（参照：特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−４９２８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の従来の放熱構造においては、放熱性能向上のための凹凸構造は非常に脆いので、組立時に接触して破壊される恐れがあり、この結果、実使用時に著しく放熱性能が低下するという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために本発明に係る放熱構造は、裏面に発熱源を取り付けられるように形成されており、表面にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの凹凸構造を形成した炭素系材料よりなる放熱板と、放熱板の表面に対して所定距離離して対向して配置された接触防止板とを具備し、接触防止板に開口を形成したものである。
【００１０】
また、接触防止板の放熱板に対向する受熱面での放射率を接触防止板の受熱面の反対の放熱面での放射率より小さくする。
【００１１】
さらに、上述の開口はスリットあるいはメッシュである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、接触防止板により放熱板の組立時の接触破壊を防止できると共に、開口を形成した接触防止板による放熱表面積の増大により放熱性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る発熱素子装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の放射板の凹凸構造の加工フローを示すフローチャートである。
【図３】図２のプラズマエッチング後のグラファイト基板の表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図４】図１の発熱素子装置の動作を説明するための図である。
【図５】本発明に係る発熱素子装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図６】図５の発熱素子装置の動作を説明するための図である。
【図７】図１、図５の接触防止板の第１の例を示し、（Ａ）は分解斜視写真、（Ｂ）は組立斜視写真である。
【図８】図１、図５の接触防止板の第２の例を示す組立斜視写真である。
【図９】本願発明者が実施した接触防止板なしの従来の発熱素子装置の実験結果、接触防止板の第１、第２の例を適用した本発明の発熱素子装置の実験結果を示すテーブルである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明に係る発熱素子装置の第１の実施の形態を示す断面図である。
【００１５】
図１においては、LED素子、LD素子等の発熱素子１は配線基板２に搭載されて発熱源Ｈを構成する。
【００１６】
発熱源Ｈは熱伝導性インターフェイス材料（Thermal Interface Material）層３によって放熱板４に取り付けられている。熱伝導性インターフェイス材料層３はたとえばシート状のシリコーン樹脂によって形成され、発熱源Ｈと放熱板４との間に発生する接触熱抵抗を軽減させる作用を有するので、発熱素子１に対する温度低減効果を奏する。
【００１７】
放熱板４はその表面Ｓ４にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズ（ピッチ）の凹凸構造を形成した熱伝導率が高い炭素系材料よりなる。
【００１８】
上述のナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの凹凸構造は、炭素系基板たとえばグラファイト基板、金属を混ぜた稠密グラファイト基板、その他ダイヤモンド基板、ガラス状炭素系基板上にも加工でき、また、基板あるいは層（シート）のいずれにも加工できる。この凹凸構造の加工を図２のフローチャートを参照して説明する（参照：特許文献１）。
【００１９】
すなわち、ステップ２０１を参照すると、たとえばグラファイト基板にナノメートルオーダからサブミクロメートルオーダのサイズの凹凸構造を形成する。凹凸構造の例を図３に示す。尚、図３の（Ａ）、（Ｂ）は撮影角度が異なる。図３に示すように、凹凸構造の突起部のピッチ（間隔）はサイズ（幅）の数倍程度であり、同一オーダである。尚、凹凸構造の高さはサブミクロメートルオーダ以上である。すなわち、グラファイト基板をプラズマエッチング装置に投入し、グラファイト基板を酸素（O2）ガスを用いたプラズマエッチング法によってエッチングを行う。
【００２０】
プラズマエッチング条件は、たとえば、次のごとくである。
RFパワー：500W
圧力：6.65Pa（50mTorr）
O2流量：200sccm
エッチング時間：50分
である。
【００２１】
尚、ステップ２０１でのプラズマエッチング法は、電子サイクロトロン共鳴（ECR）エッチング法、反応性イオンエッチング（RIE）法、大気圧プラズマエッチング法等のいずれでもよく、また、処理ガスは、O2ガス以外のArガス、CO2ガス、H2ガス、CF4ガス等、及びこれらの混合ガスのいずれでもよい。
【００２２】
また、図２のプラズマエッチングステップ２０１の前に、サンドブラスト等の機械的表面研磨及び／またはCO2レーザ、YAGレーザ、エキシマレーザ等のハイパワーレーザ照射による表面研磨によるさらなる前処理、つまり、ミクロメートルオーダからサブミクロメートルオーダの不規則周期凹凸構造を予め形成しておく。尚、この不規則周期凹凸構造の高さもミクロメートルオーダ以上である。従って、凹凸構造だけの場合よりも、不規則周期凹凸構造によりグラファイト基板の凹凸構造の表面積が一層増大して放熱効率が高くなる。尚、ステップ２０１でのプラズマエッチングの前に、不規則周期凹凸構造が形成される場合、この不規則周期凹凸構造のサイズ（ピッチ）はステップ２０１でのプラズマエッチングで形成される凹凸構造のサイズ（ピッチ）よりも必ず大きいものである。このときの放射温度計（商標KEYENCE FT-H20）により測定した結果、基板の表面の温度が150℃のときの放射率は理論最大値1.00に対して0.99となった。
【００２３】
尚、上述のナノメートルオーダとは約10〜500nmの範囲を示し、サブミクロメートルオーダとは約0.5〜10μmの範囲を示し、ミクロメートルオーダとは約10〜500μmの範囲を示す。
【００２４】
図１に戻ると、放熱板４の表面Ｓ４上に接触防止板５を支柱５ａ、５ｂを介して設け、放熱板４の表面Ｓ４の凹凸構造を保護する。接触防止板５は樹脂たとえばポリカーボネート（PC）あるいは金属たとえばアルミニウムよりなり、後述するスリット５１あるいはメッシュ５２の開口が形成されている。支柱５ａ、５ｂは同一材料で構成しても他の熱伝導性材料で構成してもよい。このとき、開口が形成された接触防止板５により放熱表面積も増大するので、放熱性能も向上する。
【００２５】
次に、図１の発熱素子装置の動作を図４を参照して説明する。
【００２６】
発熱素子１から発生した熱は、矢印Ａに示す熱伝導により、配線基板２、熱伝導性インターフェイス材料層３、放熱板４及び支柱５ａ、５ｂを介して接触防止板５の受熱面Ｓ５１に受熱される。
【００２７】
また、同時に放熱板４の熱は、矢印Ｂに示す対流により、接触防止板５の受熱面Ｓ５１に受熱される。
【００２８】
最後に、接触防止板５に受熱された熱は、矢印Ｂ＋Ｃに示す対流及び放射により、放熱面Ｓ５２から外気へ放熱される。この場合、接触防止板５には開口（スリット５１、メッシュ５２）が形成されている。そのため、矢印Ｂに示す放熱板４からの対流（熱）が接触防止板５の開口を通過することにより、放熱板４の熱を外気へ放熱させることができる。
【００２９】
図４においては、接触防止板５が単一の樹脂もしくは金属よりなるので、接触防止板５の受熱面Ｓ５１側の放射率と放熱面Ｓ５２側の放射率とは同一となる。従って、接触防止板５に一旦受熱された熱の一部は、矢印Ｃ’に示す放射により、受熱面Ｓ５１から放熱板４に戻る。この結果、放熱板４と接触防止板５との間に熱だまりＸが発生する。
【００３０】
図１の発熱素子装置によれば、接触防止板５により放熱板４の表面Ｓ４の凹凸構造を保護できると共に、熱だまりＸが発生するも、接触防止板５による放熱表面積が増大し、さらに、接触防止板５に形成された開口によって対流による放熱が増大するので、放熱性能も向上できる。
【００３１】
図５は本発明に係る発熱素子装置の第２の実施の形態を示す断面図である。
【００３２】
図５においては、図１の接触防止板５の代りに、接触防止板５’を設けてある。接触防止板５’においては、受熱面Ｓ５１’での放射率を放熱面Ｓ５２’での放射率より小さくしてある。接触防止板５’にも後述するスリット５１あるいはメッシュ５２の開口が形成されている。この場合、受熱面Ｓ５１’での放射率は0.1〜0.5であり、放熱面Ｓ５２’での放射率は0.8以上である。たとえば、接触防止板５’をアルミニウム等の金属で構成し、その放熱面Ｓ５２’側を放射率が大きいアルマイト処理等による金属酸化物を形成する。あるいは、接触防止板５’をポリカーボネート（PC）等の樹脂で構成し、その受熱面Ｓ５１’側をアルミニウム等の放射率の小さい金属層を蒸着する。
【００３３】
次に、図５の発熱素子装置の動作を図６を参照して説明する。
【００３４】
図４の場合と同様に、発熱素子１から発生した熱は、矢印Ａに示す熱伝導率及び矢印Ｂに示す対流により、接触防止板５’の受熱面Ｓ５１’に受熱され、また、接触防止板５’に受熱された熱は、矢印Ｂ＋Ｃに示す対流及び放射により、放熱面Ｓ５２’から外気へ放熱される。
【００３５】
図６においては、接触防止板５’の受熱面Ｓ５１’側の放射率は放熱面Ｓ５２’側の放射率より小さくしてある。これにより、接触防止板５´の受熱面Ｓ５１’の熱の吸収率も小さくなり、放熱板４の表面Ｓ４からの放射熱を受熱しにくくなる。従って、接触防止板５’の受熱面Ｓ５１’から放熱板４の表面Ｓ４への放射による熱の戻りはほとんどなくなる。この結果、図４の熱だまりＸはほとんど発生せず、放熱性能がさらに向上する。
【００３６】
図５の発熱素子装置によれば、接触防止板５’により放熱板４の表面Ｓ４の凹凸構造を保護できると共に、熱だまりＸを発生せずに、開口が形成された接触防止板５’による放熱表面積が増大するので、放熱性能をさらに向上できる。
【００３７】
図７は図１、図５の接触防止板５、５’の第１の例を示し、（Ａ）は分解斜視写真、（Ｂ）は組立斜視写真である。
【００３８】
図７においては、接触防止板５、５’に複数の規則的なスリット５１を設ける。たとえば、接触防止板５、５’のサイズを50mm×50mmとすれば、スリット５１の線形幅を1mm、ピッチを6mmとし、スリット５１による開口の開口率を75%とする。これにより、接触防止板５、５’のスリット５１を介して空気の循環を可能にし、放熱性能をさらに向上させる。
【００３９】
図８は図１、図５の接触防止板５、５’の第２の例を示す組立斜視写真である。
【００４０】
図８においては、接触防止板５、５’に複数の規則的なメッシュ５２を設ける。たとえば、接触防止板５、５’のサイズを50mm×50mmとすれば、メッシュ５２の線形幅を0.5mm、ピッチを2.04mmとし、メッシュ５２による開口の開口率を80%とする。これにより、接触防止板５、５’のメッシュ５２を介して空気の循環を可能にし、放熱性能をさらに向上させる。
【実施例】
【００４１】
図９は本願発明者が実施した接触防止板なしの従来の発熱素子装置の実験結果、接触防止板５、５’の第１の例、第２の例を適用した本発明の発熱素子装置の実験結果を示すテーブルである。
【００４２】
従来の発熱素子装置及び本発明の発熱素子装置の共通条件は次の通りである。
【００４３】
発熱素子１：
セラミックヒータ
サイズ：10mm×10mm
発熱量：2.5W
配線基板２
実施例においては省略。つまり、発熱素子１を熱伝導性インターフェイス材料層３によって放熱板４に直接取り付ける。
熱伝導性インターフェイス材料層３
材料：シリコーン樹脂
サイズ：10mm×10mm
厚さ：0.5mm
熱伝導率：2.1W/mK
放熱板４
材料：炭素
サイズ：50mm×50mm
厚さ：1mm
熱伝導率：140W/mK
周囲温度
25℃
【００４４】
上述の共通条件を満足する従来の発熱素子装置の発熱源（発熱素子１）の発熱温度は、図９の（Ａ）に示すごとく、
58℃
と高かった。
【００４５】
接触防止板５、５’にスリット５１を用いた第１の例の共通条件は次の通りである。
接触防止板５、５’のスリット５１
スリットの線形：1mm
スリットのピッチ：6mm
スリットの開口率：75%
支柱５ａ、５ｂ
高さ：1mm
【００４６】
第１の例の接触防止板５（第１の実施の形態）として、
材料：ポリカーボネート（PC）
熱伝導率：0.2W/mK
を用いた場合、図９の（Ｂ）の左側に示すごとく、発熱源（発熱素子１）の熱源温度は、
57.0℃
と低かった。
【００４７】
また、第１の例の接触防止板５（第１の実施の形態）として、
材料：アルミニウム
熱伝導率：140W/mK
を用いた場合、図９の（Ｂ）の左側に示すごとく、発熱源（発熱素子１）の発熱温度は、
56.5℃
と低かった。これにより、第１の例（スリット）を用いた接触防止板５（第１の実施の形態）の材料として、ポリカーボネートよりもアルミニウムを用いた方が放熱性能は向上していた。
【００４８】
第１の例の接触防止板５’（第２の実施の形態）として、
材料：ポリカーボネート（PC）樹脂
熱伝導率：0.2W/mK
を用いた場合、
受熱面Ｓ５１’での放射率：0.3
放熱面Ｓ５２’での放射率：0.9
となり、図９の（Ｂ）の右側に示すごとく、発熱源（発熱素子１）の熱源温度は、
57.2℃
と低かった。
【００４９】
また、第１の例の接触防止板５’（第２の実施の形態）として、
材料：アルミニウム
熱伝導率：140W/mK
を用いた場合、
受熱面Ｓ５１’での放射率：0.3
放熱面Ｓ５２’での放射率：0.9
となり、図９の（Ｂ）の右側に示すごとく、発熱源（発熱素子１）の発熱温度は、
55.5℃
と低かった。これにより、第１の例（スリット）を用いた接触防止板５’（第２の実施の形態）の材料として、ポリカーボネートにアルミニウムを蒸着したものよりもアルミニウムを酸化してアルミナ（登録商標）を形成したものを用いた方が放熱性能は向上していた。
【００５０】
接触防止板５、５’にメッシュ５２を用いた第２の例の共通条件は次の通りである。
接触防止板５、５’のメッシュ５２
メッシュの線形：0.5mm
メッシュのピッチ：2.04mm
メッシュの開口率：80%
支柱５ａ、５ｂ
高さ：1mm
【００５１】
第２の例の接触防止板５（第１の実施の形態）として、
材料：ポリカーボネート（PC）
熱伝導率：0.2W/mK
を用いた場合、図９の（Ｃ）の左側に示すごとく、発熱源（発熱素子１）の熱源温度は、
57.7℃
と低かった。
【００５２】
また、第２の例の接触防止板５（第１の実施の形態）として、
材料：アルミニウム
熱伝導率：140W/mK
を用いた場合、図９の（Ｃ）の左側に示すごとく、発熱源（発熱素子１）の発熱温度は、
55.1℃
と低かった。これにより、第２の例（メッシュ）を用いた接触防止板５（第１の実施の形態）の材料として、ポリカーボネートよりもアルミニウムを用いた方が放熱性能は向上していた。
【００５３】
第２の例の接触防止板５’（第２の実施の形態）として、
材料：ポリカーボネート（PC）樹脂
熱伝導率：0.2W/mK
を用いた場合、
受熱面Ｓ５１’での放射率：0.3
放熱面Ｓ５２’での放射率：0.9
となり、図９の（Ｃ）の右側に示すごとく、発熱源（発熱素子１）の熱源温度は、
57.7℃
と低かった。
【００５４】
また、第２の例の接触防止板５’（第２の実施の形態）として、
材料：アルミニウム
熱伝導率：140W/mK
を用いた場合、
受熱面Ｓ５１’での放射率：0.3
放熱面Ｓ５２’での放射率：0.9
となり、図９の（Ｃ）の右側に示すごとく、発熱源（発熱素子１）の発熱温度は、
55.1℃
と低かった。これにより、第２の例（メッシュ）を用いた接触防止板５’（第２の実施の形態）の材料として、ポリカーボネートにアルミニウムを蒸着したものよりもアルミニウムを酸化してアルミナ（登録商標）を形成したものを用いた方が放熱性能は向上していた。
【００５５】
尚、図９の（Ｂ）、（Ｃ）においては、表裏の放射率に差を付けた第２の実施の形態が表裏の放射率が同一の第１の実施の形態に比較して顕著な熱源温度の低下が観察できないのは、寸法の最適化が図られていないためと考えられる。
【符号の説明】
【００５６】
１：発熱素子
２：配線基板
３：熱伝導性インターフェイス材料層
４：放熱板
５、５’：接触防止板
５ａ、５ｂ：支柱
Ｓ５１、Ｓ５１’：受熱面
Ｓ５２、Ｓ５２’：放熱面
５１：スリット
５２：メッシュ
【図１】
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【図２】
2014036187.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
2014036187.tif 000008
【図３】
2014036187.tif 000009
【図７】
2014036187.tif 000010
【図８】
2014036187.tif 000011