(57)【要約】ＬＥＤ照明装置のような半導体装置は、基板シート（２）と、この基板シートの前面に支持した複数個のＬＥＤ（４）とを有する。複数個の開孔（９）を基板シート（２）に貫通させ、これら開孔に導管又はチューブ（１）の形式とした熱伝導素子が貫通するが、この熱伝導素子は基板シート（２）の前面と後面との間に妨害物なく貫通する。ＬＥＤで発生した熱はチューブ（１）に伝導し、このチューブ（１）から対流で消散する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面及び後面を有し、複数個の開孔（９）を画定する基板シート（２）であり、各開孔は前記前面と前記後面との間に延在する、該基板シート（２）と、
前記基板シートの前記前面に支持した複数個の半導体（４）と、及び
前記半導体及び前記開孔の周縁に対して良好な熱連通を生ずる熱伝導素子（１，１０）と、を備えた半導体装置であって、
前記熱伝導素子（１）のうち少なくとも若干は、前記基板シートの前記前面と前記後面との間の前記開孔に対して妨害物なしに貫通する開放通路を画定することを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の照明装置において、前記半導体の少なくとも若干をＬＥＤ（４）とした、照明装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の照明装置において、前記基板シートは、通常のプリント回路板（２）としたことを特徴とする、照明装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか一項記載の照明装置において、前記熱伝導素子は、前記半導体（４）と前記開孔（９）との間に延在する伝導性シート材料（１０）を有することを特徴とする、照明装置。
【請求項５】
請求項４記載の照明装置において、前記伝導性シート材料（１０）は、前記基板シート（２）の前面に沿って延在することを特徴とする、照明装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか一項記載の照明装置において、前記熱伝導素子は、前記開孔（９）内に配置し、前記基板シートの前面と後面との間における前記開放通路を画定する熱伝導性導管（１）を有することを特徴とする、照明装置。
【請求項７】
請求項６記載の照明装置において、内部通路の少なくとも若干は、前記基板シートを横切る指向性を有することを特徴とする、照明装置。
【請求項８】
請求項６又は７記載の照明装置において、前記導管（１）の少なくとも若干は、前記基板シート（２）の前面を越えて突出することを特徴とする、照明装置。
【請求項９】
請求項６〜８のうちいずれか一項記載の照明装置において、前記導管（１）の少なくとも若干は、前記基板シート（２）の後面を越えて突出することを特徴とする、照明装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか一項記載の照明装置において、前記装置はベンチレータ（５）を有し、このベンチレータ（５）は、前記開放通路を経て前記基板シート（２）の前面から前記基板シート（２）の後面に至る方向の空気流（６）を誘発するよう構成したことを特徴とする、照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置の冷却に関する。とくに、本発明は、通常のプリント回路板における高出力ＬＥＤ（発光ダイオード）の組立て及び冷却に関する。本発明はＬＥＤを組込んだ照明装置につき説明するが、任意の半導体装置にも適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー価格は上昇し、エネルギーを節約する必要性は、ＬＥＤ照明による解決策を成長させる要望を増大させている。フィラメント又はガスを燃焼しない固体照明であるＬＥＤは、他の形式の照明よりも効率的である。それにもかかわらず、ＬＥＤは、依然として、ＬＥＤに流れる電流から熱を発生し、この熱が寿命及びこのような装置の性能に対する有害な作用を及ぼすおそれがある。ＬＥＤは互いに密に近接させて集合化するとき過加熱を生ずるが、ＬＥＤの密な集合化は多重陰影、いわゆる「ドッティング（点状化）」を減少する上で重要である。
【０００３】
現在、高出力ＬＥＤ設置において、ヒートシンク、強制通気ベンチレータ及びアルミニウムプリント回路板の組合せにより密集合ＬＥＤから除熱している。これらの方法は、主に、ＬＥＤの電極（熱パッド）からプリント回路板の後面側に向かって直接接触による熱伝導に依存し、熱はプリント回路板の後面からヒートシンクに拡散し、また大気に放散される。多くのヒートシンクは、アルミニウムで形成し、生産するのにエネルギーを大量消費し、またこのようなＬＥＤライトの全体的エネルギー効率性に悪影響を及ぼす。
【０００４】
プリント回路板の中心から遠ざかるにつれて温度が低下するとき、温度勾配がこのようなヒートシンクに生ずる。回路板の中心に位置するＬＥＤは回路板の外側に位置するＬＥＤよりも熱く、中心におけるＬＥＤの性能及び／又は耐用寿命に悪影響を及ぼす。
【０００５】
プリント回路板の前面にＬＥＤを配置する場合、この前面におけるＬＥＤから熱が発生するとともに、この熱を除去することを意図するパーツを回路板の後面に配置する。プリント回路板自体は熱伝達のバリヤをなす。より高価なアルミニウム製のプリント回路板を使用することにより、回路板の後面に向かう熱伝導性を向上することができる。
【０００６】
ＬＥＤ据付けの例としては、特許文献１（国際特許公開第２００９／０６７５５８号）、特許文献２（米国特許出願公開第２００８／０１９１２３１号）、特許文献３（米国特許出願公開第２００２／１７５６２１号）、及び特許文献４（米国特許出願公開第２００５／０８３６９８号）があり、これら特許文献は、ＬＥＤの後面から突出する中実のヒートシンク素子を使用し、これらヒートシンク素子はＬＥＤを取り付ける回路板に貫通させ、これによりＬＥＤからヒートシンク素子を介する伝導によって熱伝達し、回路板の後面で消散させることを記載している。特許文献５（米国特許出願公開第２００７／０１４５３８３号）は、ベースフィルムを介してＬＥＤを回路板前面におけるヒートシンク層上にＬＥＤを取付けるＬＥＤ据付け方法を記載している。特許文献６（国際特許公開第０２／０９７８８４号）は、後面に凸部を設けた金属製回路板に支持したＬＥＤを記載している。特許文献７（米国特許第５，２７８，４３２号）は、ヒートシンク基板上に支持したＬＥＤアレイを記載しており、オプションとして基板後面にヒートシンクを配置し、また強制送気流を設ける。密集合化ＬＥＤを冷却するこれら努力のすべては、ＬＥＤ組立てのコスト及び形状要因（すなわち、過剰寸法）を増大させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際特許公開第２００９／０６７５５８号パンフレット
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／０１９１２３１号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２／１７５６２１号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／０８３６９８号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００７／０１４５３８３号明細書
【特許文献６】国際特許公開第０２／０９７８８４号パンフレット
【特許文献７】米国特許第５，２７８，４３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ＬＥＤのような半導体を通常のプリント回路板上に密に近接させて組立て、半導体／ＬＥＤの冷却を改善し、好適には、回路板の後面に取付ける従来型のヒートシンク及びコストのかかるプリント回路板の必要性を排除し、また場合によっては強制送気流を発生させる必要性をなくす半導体アセンブリ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】
【０００９】
本発明によれば半導体装置を提供し、この半導体装置は、
前面及び後面を有し、複数個の開孔を画定する基板シートであり、各開孔は前記前面と前記後面との間に延在する、該基板シートと、
前記基板シートの前記前面に支持した複数個の半導体と、及び
前記半導体及び前記開孔の周縁に対して良好な熱連通を生ずる熱伝導素子と、を備えた半導体装置であって、
前記熱伝導素子の少なくとも若干は、前記基板シートの前記前面と前記後面との間の前記開孔に対して妨害物なしに貫通する開放通路を画定することを特徴とする。
【００１０】
半導体の少なくとも若干をＬＥＤとすることができ、基板シートは、通常のプリント回路板とすることができる。
【００１１】
熱伝導素子は、ＬＥＤと開孔との間に延在する伝導性シート材料を有することができ、伝導性シート材料は、好適には、基板シートの前面に沿って延在するものとする。
【００１２】
熱伝導素子は、開孔内に配置し、基板シートの前面と後面との間における開放通路を画定する熱伝導性導管を有することができる。内部通路の少なくとも若干は、基板シートを横切る指向性を有することができ、また導管の少なくとも若干は、基板シートの前面及び／又は後面を越えて突出させることができる。
【００１３】
本発明装置は、ファンのようなベンチレータを有し、このベンチレータは、開孔（及び導管の内部通路）を経て基板シートの前面から前記基板シートの後面に至る方向の空気流を誘発するよう構成する。
【００１４】
本発明をよりよく理解するため、また本発明をどのように実施するかを示すため、非限定的な例として、以下に添付図面につき本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による半導体アセンブリの正面図である。
【図２】図１に示す半導体アセンブリの側面図である。
【図３】図１に示す半導体アセンブリにおけるプリント回路板の一部の詳細な頂面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面には照明装置又は半導体アセンブリを示し、これら装置又はアセンブリは、通常のプリント回路板（ＰＣＢ）２の形式とした基板シートを有し、この基板シートにＬＥＤ４の形式とした半導体のアレイを装着し、ＬＥＤはＰＣＢの頂面に互いに密に近接させて集合化する。「通常」ＰＣＢは、誘電体／エポキシラミネートのような普通の材料で形成することを意味し、両面型ＰＣＢとすることができる。レンズ３を各ＬＥＤ４の頂面に取付けて、ＬＥＤから発生する光を拡散させる又は指向性を持たせる。
【００１７】
アセンブリは、頂面、側面及び底面を有するものとして図示しまた説明するが、当業者であれば、実際上はどの向きにしても装着することができ、「頂面」及び「底面」の基準は単に簡明性のために使用する。アセンブリの頂面は「前面」の代用とみなすことができ、底面は「後面」の代用とみなすことができる。
【００１８】
多数の開孔又は貫通孔９は、レンズ３間の自由空間においてＰＣＢ２に形成し、ＰＣＢの頂面と底面との間に延在し、銅製のチューブ１の形式とした導管を貫通孔９内に装着し、頂面−底面間に指向する各導管をＰＣＢに圧嵌又ははんだ付けする。銅製のチューブ１の代わりに、他の熱伝導性材料、例えば、グラファイトを使用することができる。円筒形のチューブ１の代わりに、異なった断面輪郭を有する導管を使用することができ、又は少なくとも異なった輪郭の内部通路を画定する、とくに、内部の表面積を増大させた輪郭にすることによって熱伝導を改善し、必要なチューブ／導管の長さを減少し、したがって、据付けの形状要因を改善することができる。銅製にチューブ１は必ずしも導管の理想的な選択ではなく、チューブがより大きな表面積を有する、例えば、内部フィン等を有する場合、放熱効率を改善することができる。しかし、入手が容易であり、費用効果がある（内部突起がある導管に比べて）銅製のチューブ１は、容易にはんだ付けすることができ、また適当な壁厚、例えば、熱を伝導するのに十分な厚さとし、また内部通路に侵入できないようにするのに十分な薄さとすることができる。
【００１９】
図３に明示するように、熱伝導性材料の薄い層の形式とした熱パッド１０をＰＣＢ２の頂面上に設け、この熱パッド１０を各ＬＥＤ４の周りに延在させる。ＬＥＤ４の基部を熱パッド１０に良好な熱接触を生ずるよう装着し、熱パッドを隣接する貫通孔９及び銅製のチューブ１の周りに延在させ、これによりＬＥＤから銅製のチューブ１への良好な熱伝導経路を生ずる。貫通孔９の内面には、例えば、銅のような良好な熱導体でメッキし、このメッキした内面に上述したようなはんだ付け又は圧嵌によって銅製のチューブ１を装着し、良好な熱接触を生ずるようにする。基本的にはＬＥＤ４の下方の熱パッド１０を直接銅製のチューブ１に連結し、これらチューブ１はＬＥＤから熱を吸収
するのに役立つ（以下の説明参照）。
【００２０】
図２に示すように、ＰＣＢ２の頂面から突出する各銅製のチューブ１の長さは、底面７から突出する長さよりも長くし、したがって、レンズ３間にチューブが存在するようにする。強制送気流ベンチレータ５又はファンをＰＣＢ２の下方に設け、参照符号６で示すように空気を下向きに引き込むよう構成する。温度センサ８をＰＣＢ２の底面７に設け、ベンチレータ５の速度を制御することによって、据付け体の温度を制御するフィードバックループに使用することができる。
【００２１】
使用にあたり、ＬＥＤ４で発生した熱は、熱パッド１０を介して極めて効果的に銅製のチューブ１に伝導され、銅製のチューブを加熱する。ベンチレータ５によって誘発された気流６により銅製のチューブ１内部の空気を下方に流れ出させ、ＬＥＤ４からの熱を銅製のチューブ内側でチューブ内壁から気流６に極めて効果的に消散（除去）する。
【００２２】
アセンブリを反転させた、すなわち、ＬＥＤ４を下向きにした本発明の実施形態においては、ＬＥＤによって発生した熱は、やはり銅製のチューブ１に伝導され、しかし、この場合、銅製のチューブ内部の空気への熱伝達は自然対流による空気の上昇流を生ずるのに十分であり、したがって、ベンチレータ５の必要性はない。
【００２３】
本発明の若干の実施形態において、気流はＰＣＢの後面から前面に向け、強制送気又は自然気流のいずれかによって逆流させることができる。しかし、多くの用途においては、例えば、装置を使用して食料品店を照明する場合のように、照明される領域から除熱するのが好ましい。
【００２４】
銅製のチューブ１は、ＬＥＤ４を取付け、熱を発生するのと同一側のＰＣＢ２頂面上に突出するため、熱は熱伝導によってＰＣＢの底面（後面）に熱伝達する必要はなく、その代わりに、空気が銅製のチューブ内側の通路内で流動できるという事実に起因して、熱は銅製のチューブ１から対流によって除去される。このことは、ＰＣＢの後面にヒートシンクを必要とし（ＰＣＢの前面にヒートシンクを装着するのは実用的ではなく、不可能だからである）、熱をＰＣＢからヒートシンクに伝導しなければならなかった従来の据付け方法とは極めて対極的である。
【００２５】
ＬＥＤ４と銅製のチューブ１との間における距離は、すべてのＬＥＤが銅製のチューブによって包囲され、またすべてのＬＥＤが銅製のチューブに近接しているため短く、ＰＣＢの中心から周縁に向かう温度勾配は、従来のヒートシンクと比べると、少ないものである。
【００２６】
上述の利点の他に、ＬＥＤ４は極めて効果的に冷却され、したがって、従来のアセンブリよりもＬＥＤを互いにより一掃密に近接させて使用でき、より一層低温で動作することができ、及び／又はより一層高いパワーの出力で動作することができる。この優れた冷却特性は、コストのかかる熱伝導性ＰＣＢ又はヒートシンクを必要とせず、また場合によっては、ベンチレータ５の必要がなく、達成することができる。
【００２７】
さらに、本発明のアセンブリは従来のアセンブリよりも相当コンパクトであり（形状要因がより少ない）、これは主に、ＰＣＢの後面に大きなヒートシンクがないことに起因する。
【００２８】
本発明は、気流６を（強制ベンチレーション又は自然対流のいずれかによって）ＬＥＤ４から照明側とは反対方向に誘導し、したがって、ＬＥＤによって照明されるアセンブリの前面領域に放熱されず、又は蓄積されないという特別な利点を保持する。
【図１】
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【図２】
2014522571.tif 000004
【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年3月22日(2013.3.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面及び後面を有し、複数個の開孔（９）を画定する基板シート（２）であり、各開孔は前記前面と前記後面との間に延在する、該基板シート（２）と、
前記基板シートの前記前面に支持した複数個の半導体（４）と、及び
前記半導体及び前記開孔の周縁に対して良好な熱連通を生ずる熱伝導素子（１，１０）と、を備えた半導体装置であって、
前記熱伝導素子のうち少なくとも若干は、前記基板シートの前記前面を越えて突出し、また前記基板シートの前記前面と前記後面との間の前記開孔に対して妨害物なしに貫通する開放通路を画定する熱伝導性導管（１）としたことを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
請求項１記載の照明装置において、前記半導体の少なくとも若干をＬＥＤ（４）とした、照明装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の照明装置において、前記基板シートは、通常のプリント回路板（２）としたことを特徴とする、照明装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか一項記載の照明装置において、前記熱伝導素子は、前記半導体（４）と前記開孔（９）との間に延在する伝導性シート材料（１０）を有することを特徴とする、照明装置。
【請求項５】
請求項４記載の照明装置において、前記伝導性シート材料（１０）は、前記基板シート（２）の前面に沿って延在することを特徴とする、照明装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか一項記載の照明装置において、前記熱伝導素子は、前記開孔（９）内に配置し、前記基板シートの前面と後面との間における前記開放通路を画定する熱伝導性導管（１）を有することを特徴とする、照明装置。
【請求項７】
請求項６記載の照明装置において、内部通路の少なくとも若干は、前記基板シートを横切る指向性を有することを特徴とする、照明装置。
【請求項８】
請求項６又は７記載の照明装置において、前記導管（１）の少なくとも若干は、前記基板シート（２）の後面を越えて突出することを特徴とする、照明装置。
【請求項９】
請求項１〜８のうちいずれか一項記載の照明装置において、前記装置はベンチレータ（５）を有し、このベンチレータ（５）は、前記開放通路を経て前記基板シート（２）の前面から前記基板シート（２）の後面に至る方向の空気流（６）を誘発するよう構成したことを特徴とする、照明装置。
【請求項１０】
請求項６又は７記載の照明装置において、前記熱伝導性導管（１）は円筒形のチューブとしたことを特徴とする、照明装置。
【請求項１１】
請求項３記載の照明装置において、前記プリント回路板（２）は非金属としたことを特徴とする、照明装置。
【国際調査報告】
2014522571.tif 000006
2014522571.tif 000007