(57)【要約】      （修正有）【課題】放熱効率と強度及び靱性を両立し、軽量化して、ＬＥＤ等を実装したランプ部品として好適に用いることができる放熱構造体を提供する。【解決手段】熱伝導性を有する樹脂製放熱部品と、前記樹脂製放熱部品上に、前記樹脂製放熱部品よりも熱伝導率が低い層を介して、発熱源３が配置された放熱構造体。前記樹脂製放熱部品が、熱伝導性充填材を含有する熱可塑性樹脂からなる放熱構造体。前記低熱伝導性部品がスナップフィット部および／またはネジ穴部を有する放熱構造体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導性を有する樹脂製放熱部品と、前記樹脂製放熱部品上に、前記樹脂製放熱部品よりも熱伝導率が低い層を介して、発熱源が配置された放熱構造体。
【請求項２】
前記樹脂製放熱部品が、熱伝導性充填材を含有する熱可塑性樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の放熱構造体。
【請求項３】
前記低熱伝導性部品がスナップフィット部および／またはネジ穴部を有することを特徴とする請求項１または２記載の放熱構造体。
【請求項４】
前記スナップフィット部および／またはネジ穴部を構成する部材が、電気絶縁性熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の放熱構造体。
【請求項５】
前記放熱構造体がＬＥＤである請求項１〜４いずれかに記載の放熱構造体。
【請求項６】
射出成形によってスナップフィット部および／またはネジ穴部を有する低熱伝導性部品を得た後、発熱源を配置した後、前記樹脂製放熱部品と発熱源を一体化する工程を含む請求項１〜５いずれかに記載の放熱構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜５いずれか記載の放熱構造体を用いたランプ部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体を実装または発熱体からの熱を放熱するための放熱構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ランプ部品で用いられるＬＥＤ素子、コンピューターのマザーボードに搭載されるＣＰＵは、小型化、高性能化が進んでおり、ＬＥＤ素子やＣＰＵの発熱対策が重要となってきている。このような発熱対策としては、従来よりヒートシンクが用いられている。
例えばＬＥＤランプ（ＬＥＤ照明）用ヒートシンクには、従来から、アルミニウム（アルミニウム合金を含む）を材料とした、アルミダイキャストや押出形材によるものが多く採用されている（例えば、特許文献１、２）。
ヒートシンクとして金属を用いた場合、放熱効率を高めるため大型化したり、フィンの数を増やす等して、部品としての重量が増す問題があった。
また、ヒートシンクとしてアルミニウムを用いた場合、放熱効率を高めるため、アルミニウムの表面にアルマイト処理を施す必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１９３９６０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１９７０２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヒートシンクの放熱効率を損ねず、軽量化を図る手法として、ヒートシンクを樹脂化することが検討されている。
例えば、熱可塑性樹脂を用いて射出成形を行うことで、形状の自由度を高めたヒートシンクの作製が可能である。しかしながら、単に放熱効率を高めるため、熱可塑性樹脂にカーボン等の導電性フィラーを含有させることは、放熱効率を高めることはできるが部品の強度や靱性を低下させてしまう。
一方、強度や靱性を確保するため導電性フィラーとともにガラス繊維などの補強材を用いた場合、放熱効率を十分に高めることは難しかった。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するもので、放熱効率と強度及び靱性を両立し、軽量化した放熱構造体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】
【０００６】
本発明者等は上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、本発明に至ったものである。
すなわち本発明の要旨は、下記の通りである。
（１）熱伝導性を有する樹脂製放熱部品と、前記樹脂製放熱部品上に、前記樹脂製放熱部品よりも熱伝導率が低い層を介して、発熱源が配置された放熱構造体。
（２）前記樹脂製放熱部品が、熱伝導性充填材を含有する熱可塑性樹脂からなることを特徴とする（１）の放熱構造体。
（３）前記低熱伝導性部品がスナップフィット部および／またはネジ穴部を有することを特徴とする（１）または（２）の放熱構造体。
（４）前記スナップフィット部および／またはネジ穴部を構成する部材が、電気絶縁性熱可塑性樹脂であることを特徴とする（１）〜（３）の放熱構造体。
（５）前記放熱構造体がＬＥＤである（１）〜（４）の放熱構造体。
（６）射出成形によってスナップフィット部および／またはネジ穴部を有する低熱伝導性部品を得た後、発熱源を配置した後、前記樹脂製放熱部品と発熱源を一体化する工程を含む（１）〜（５）の放熱構造体の製造方法。
（７）（１）〜（５）の放熱構造体を用いたランプ部品。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、放熱効率と強度や靱性を両立し、軽量化した放熱構造体を提供することができる。このような放熱構造体は、例えばＬＥＤ等を実装したランプ部品として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の放熱構造体に関する斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る放熱構造体の斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る放熱部品を組み合わせた放熱構造体の斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る放熱構造体とそれを収納するケース一体化品の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の放熱構造体は、熱伝導性を有する樹脂製放熱部品と、前記樹脂製放熱部品上に、前記樹脂製放熱部品よりも熱伝導率が低い層を介して、発熱源が配置された放熱構造体であって、前記樹脂製放熱部品が、熱伝導性充填材を含有する熱可塑性樹脂からなることを特徴とする放熱構造体である。
【００１０】
熱伝導性を有する樹脂製放熱部品とは、熱伝導性を有する樹脂を成形してなる放熱部品を示す。熱伝導性を有する樹脂は、熱伝導性充填材を含有する熱可塑性樹脂である必要がある。
【００１１】
本発明に用いることができる熱可塑性樹脂としては、特に限定されるものではないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体等のエチレン−α−オレフィン共重合体、ポリメチルペンテン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセタール、フッ素樹脂（ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等）、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ乳酸、ポリスチレン、ポリアクリロニトリル、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ＡＢＳ樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、変性ＰＰＥ、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリメタクリル酸メチル等のポリメタクリル酸エステル、ポリアクリル酸類、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルケトン、ポリケトン、液晶ポリマーが挙げられる。なかでも成形性、耐薬品性、経済性の点でポリアミド樹脂が好ましく、封止性、接着性の点で、ポリブチレンテレフタレートが好ましく、耐熱性の点で、ポリフェニレンスルフィドが好ましい。
【００１２】
本発明の樹脂組成物は、熱伝導性充填材を含有する。
本発明で用いられる熱伝導性充填材としては、熱伝導性を有するものであれば特に限定されないが、５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有するものを使用することが好ましい。なお、充填材として機械的性質を改善する目的で用いられるものや、導電性、絶縁性、磁性、圧電性、電磁波吸収の機能を付与する目的で用いられるものでも、上記熱伝導率を有するものは、本発明において充填材として用いることが可能である。
熱伝導性充填材の形態としては、球状、粉状、繊維状、針状、鱗片状、ウィスカ状、マイクロコイル状、ナノチューブ状が挙げられる。
熱伝導性充填材の熱伝導率は、その焼結品を用いて測定することができる。
【００１３】
熱伝導性充填材の具体的な例としては（括弧内に熱伝導率の代表値（単位：Ｗ／（ｍ・Ｋ）を記す。）、タルク（５〜１０）、酸化アルミニウム（３６）、酸化マグネシウム（６０）、酸化亜鉛（２５）、炭酸マグネシウム（１５）、炭化ケイ素（１６０）、窒化アルミニウム（１７０）、窒化ホウ素（２１０）、窒化ケイ素（４０）、カーボン（１０〜数百）、黒鉛（１０〜数百）等の無機系充填材、銀（４２７）、銅（３９８）、アルミニウム（２３７）、チタン（２２）、ニッケル（９０）、錫（６８）、鉄（８４）、ステンレス（１５）等の金属系充填材が挙げられる。これらは単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
上記例示した熱伝導性充填材のうち、熱可塑性樹脂に配合した際の熱伝導効率が高いことから、黒鉛、窒化ホウ素を使用することが好ましい。また、経済性の点では、タルク、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、炭酸マグネシウム、酸化亜鉛を使用することが好ましい。また、タルクや窒化ホウ素は電気絶縁性を有しているので、これを配合することにより、樹脂組成物に電気絶縁性を付与することができる。
【００１４】
黒鉛の形態としては、例えば、球状、粉状、繊維状、針状、鱗片状、ウィスカ状、マイクロコイル状、ナノチューブ状が挙げられる。なかでも鱗片状黒鉛は、熱可塑性樹脂に配合した際に熱伝導効率を高くすることができるため、特に好ましい。鱗片状黒鉛の
平均粒径は、１〜３００μｍであることが好ましく、５〜１５０μｍであることがさらに好ましい。平均粒径が１μｍ未満では、分散不良により凝集塊が生じやすくなり、均一な成形体が得られず、機械的物性が低下したり熱伝導性にバラツキが生じたりすることがある。平均粒径が３００μｍを超えると、樹脂組成物中に高濃度に充填することが難しくなったり、成形体表面が粗くなったりする場合がある。
【００１５】
タルクの形態としては、例えば、板状、鱗状、鱗片状、薄片状が挙げられる。なかでも鱗片状タルク、薄片状タルクは、成形体としたときに平面方向に配向しやすく、その結果、熱伝導率を高めることができるため、特に好ましい。鱗片状タルクの平均粒径は、上述と同様の理由から、１〜２００μｍであることが好ましく、５〜１００μｍであることがさらに好ましい。
【００１６】
窒化ホウ素の形態としては、例えば、板状、鱗片状、薄片状が挙げられる。なかでも鱗片状窒化ホウ素、薄片状窒化ホウ素は、成形体としたときに平面方向に配向しやすく、その結果、熱伝導率を高めることができるため、特に好ましい。鱗片状窒化ホウ素の平均粒径は、上述と同様の理由から、１〜２００μｍであることが好ましく、５〜１００μｍであることがさらに好ましい。窒化ホウ素の結晶系は、特に限定されるものではなく、六方晶系、立方晶系、その他いずれの結晶構造の窒化ホウ素であっても適用可能である。なかでも、六方晶系結晶構造を有する窒化ホウ素は、熱伝導率が大きいので好ましい。
【００１７】
酸化マグネシウムの形態としては、例えば、球状、繊維状、紡錘状、棒状、針状、筒状、柱状が挙げられる。なかでも球状酸化マグネシウムは、熱可塑性樹脂に配合したときに樹脂の流動性の低下を抑えることができるため、特に好ましい。酸化マグネシウムを含有することにより、樹脂組成物の絶縁性を低下させずに熱伝導性を向上させることができる。球状酸化マグネシウムの平均粒径は、上述と同様の理由から、０．５〜１５０μｍであることが好ましく、１〜１００μｍであることがさらに好ましい。
【００１８】
本発明の樹脂組成物において、熱可塑性樹脂と熱伝導性充填材との容量比は、熱可塑性樹脂と熱伝導性充填材が２０／８０〜９５／５であることが好ましく、３０／７０〜９０／１０であることがより好ましい。熱伝導性充填材の配合量が５容量％未満では十分な熱伝導性を得ることができなくなる場合があり、配合量が８０容量％を超えると、流動性が著しく低下するため成形加工時の負荷が高くなりすぎ操業性が低下する場合がある。
【００１９】
前記樹脂組成物は、公知の方法で樹脂製放熱部品としての形状に成形することができる。中でも、成形の自由度が高く、精度の高い加工が可能な点で、射出成形法が好ましい。
【００２０】
低熱伝導性部品は、必要に応じてスナップフィット部および／またはネジ穴部を形成することができる。スナップフィット部は、例えば基板に実装した発熱体を覆うようなカバー材を嵌合させるために、基板の要部に設けた薄片状の凸部で、例えばカバー材等を嵌合させる場合、スナップフィット部を若干押し広げ、スナップフィット部の内側にカバー材を押し込み、所定の嵌め合せを行うためのものである。したがって、スナップフィット部自体が、熱伝導性を有するものであって構わないが、前記スナップフィット部を押し広げる際、樹脂組成物の靭性が不足し、割れや欠けが生じる場合には熱伝導性充填材の含有量を下げたり、熱伝導性充填材を含有しない組成とすることもできる。
【００２１】
ネジ穴部は、円柱状に設けられた凹部であり、ネジをねじ込ませながら締め付ける際にネジ穴部が破断しないような靭性を有することを必要とする。したがって、ネジ穴部自体が、熱伝導性を有するものであって構わないが、前記ネジ穴部にネジをねじ込ませる際、樹脂組成物の靭性が不足し、ネジ穴部に破断が生じる場合には熱伝導性充填材の含有量を下げたり、熱伝導性充填材を含有しない組成とすることもできる。
【００２２】
また、低熱伝導性部品は、熱可塑性樹脂に対し電気導電性の熱伝導性フィラーを含有したもの、あるいは電気絶縁性の熱伝導性フィラーを含有させたもので形成することができる。発熱源と放熱部品との間が電気的に絶縁化されていれば、一般に熱伝導率が高い電気導電性の熱伝導性フィラーを用いることができる。
しかし、発熱源と放熱部品の間が電気的に絶縁化されていない場合は、電気絶縁性の熱伝導性フィラーを用いることが好ましい。また、電気的に問題のない程度に電気絶縁性の熱伝導性フィラーと電気絶縁性の熱伝導性フィラーを混ぜたものを用いても良い。
低熱伝導性部品を形成した後、ＬＥＤ等の発熱源が実装された基板等に組み付けすることができるが、例えば、基板所定部に射出成形によって、直接タルクや窒化ホウ素を含有させた低熱伝導性部品を成形することもできる。その場合、基板と絶縁性を有する層を一体化することができるので、発熱源が発する熱を、絶縁性を有する層を経由し樹脂製放熱部品を通して効率的に放熱することができる。例えば、シート状に成形した絶縁性を有する層を用いる場合は、基板の所定部に配置しているだけであるので、間に空気層を含み伝熱ロスを生じる。放熱構造体の放熱効率を高めるためには、基板上に直接絶縁性を有する層を形成することが特に好ましい。
なお、基板上に直接絶縁性を有する層を一体成形することで、放熱効率を高めることできるが、他方でＬＥＤ等の発熱源における電気回路と樹脂製放熱部品との間を絶縁性を有する層を介して電気的に遮断できるため、電気的な信頼性を高めることもできる。
【００２３】
低熱伝導性部品を形成し、ＬＥＤ等の発熱源が実装された基板等に組み付けた後、射出成形により樹脂製放熱部品と１体化する。つまり、樹脂製放熱部品はできるかぎり熱伝導性の高い樹脂にして、放熱性を高めたいが、熱伝導性フィラーを高充填すると、強度であったり、靱性が低下してしまう。そのため、他の構成部品と固定するためのネジ部を形成してもねじ止めしようとすると、クラックが生じてしまう。また、スナップフィットなどの構造を形成しても、固定する際に、応力のかかった根元が折れてしまったりする。そこで、樹脂製放熱部品よりも熱伝導性が低い樹脂でできた部品を間にはさみ、そこに強度や靱性が必要なネジ部であったりスナップフィット等の構造を形成する。
発熱源が実装された基板等を、低熱伝導性部品に組み付けた後、金型内にインサートし低熱伝導性樹脂と金型との隙間に熱伝導率の高い樹脂を流し込み、低熱伝導性部品と高熱伝導性部品を一体化する。低熱伝導性部品と高熱伝導性部品の界面はお互いに溶着していることが好ましい。そのためには低熱伝導性部品のマトリックス樹脂と、高熱伝導性部品のマトリックス樹脂が同材量であるか、接着性の良い組み合わせを適宜選択することが好ましい。
さらに、熱を放出する面積を多くするために、熱伝導性樹脂で形成されたケース等と一体化することが好ましい。ケースに用いられる熱伝導性樹脂は、強度、成形性、放熱性の観点から、熱伝導性フィラーの添加量を適宜選択することができる。つまり、あまり機械的強度が必要でない場合は、できるだけ熱伝導性フィラーの充填量を多くして、ケースの熱伝導率を高くすることが好ましい。逆にケースの機械的強度が必要であったり、成形性が必要であったりする場合は、熱伝導性フィラーの充填量を少なくして、ケースの機械的強度を高くしたり、成形性を良くしたりすることが好ましい。放熱部品とケースは１体化することで界面の熱抵抗を下げることが好ましい。発熱源と低熱伝導性部品及び放熱部品が１体化された部品を金型内にインサートし、ケースを射出成形することで界面を溶着または接着することが好ましい。
【００２４】
本発明の放熱構造体を製造する方法は、特に制限はないが、例えば、射出成形によってネジ部やスナップフィットを備えた低熱伝導性部品を得る工程と、発熱源を組み付ける工程と、前記組み付けられた発熱源と樹脂製放熱部品を一体化する工程と、含む製造方法を用いて効率よく製造ができる。
【００２５】
本発明の放熱構造体は、発熱源を実装した場合に、放熱効率が良く、軽量化した放熱構造体とすることができるので、例えば、ＬＥＤや電球バルブを実装したランプ部品、ＣＰＵを実装したコンピューターの基板部品、ＬＳＩ等のＩＣ素子を実装した各種電気・電子部品等で好適に使用ができる。
【符号の説明】
【００２６】
１     基板
２     ケーブル
３     発熱源
４     発熱部材
５     ネジ部
６     スナップフィット部
７     低熱伝導性部品
８     発熱源と低熱伝導性部品の一体品
９     放熱部品
１０   発熱源と放熱部品の一体品
１１   ケース
１２   発熱源とケース一体化品
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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