(57)【要約】【課題】互いに接近した複数の電子素子を有しているにも関わらず放熱性に優れた電子部品を提供する。【解決手段】一主面を有する放熱体１９と、放熱体１９の主面上に面方向に配列するように搭載された複数の発光ダイオードなどの電子素子１８とを備える電子部品１１において、放熱体１９の主面における任意の一方向をｘ方向、同主面上でｘ方向と垂直な方向をｙ方向、同主面に直交する方向をｚ方向とするとき、前記放熱体１９が、前記主面方向に相対的に低い熱伝導率、ｚ方向に相対的に高い熱伝導率を有する熱伝導異方性の炭素材又は金属含浸炭素材からなることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一主面を有する放熱体と、放熱体の主面上に面方向に配列するように搭載された複数の電子素子とを備える電子部品において、放熱体の主面における任意の一方向をｘ方向、同主面上でｘ方向と垂直な方向をｙ方向、同主面に直交する方向をｚ方向とするとき、
前記放熱体が、前記主面方向に相対的に低い熱伝導率、ｚ方向に相対的に高い熱伝導率を有する熱伝導異方性の炭素材又は金属含浸炭素材からなることを特徴とする電子部品。
【請求項２】
前記電子素子がｘ方向に一次元的に配列しており、前記放熱体の主面方向の熱伝導率はｘ方向において最も低い請求項１に記載の電子部品。
【請求項３】
前記電子素子がｘ方向及びｙ方向に二次元的に配列しており、前記放熱体の主面方向の熱伝導率はｙ方向において最も低く、前記放熱体内のｘ方向における電子素子間に溝が形成されている請求項１に記載の電子部品。
【請求項４】
前記溝に、前記炭素材及び金属含浸炭素材よりも低い熱伝導率を有する断熱部材が配置されている請求項２に記載の電子部品。
【請求項５】
前記溝は、前記放熱体の主面又は裏面に形成されている請求項３又は４に記載の電子部品。
【請求項６】
前記放熱体の裏面に、凸部が形成されているか、又は前記炭素材及び金属含浸炭素材よりも高い熱伝導率を有する放熱部材が間欠的に固着されている請求項１〜５のいずれかに記載の電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＬＥＤプリントヘッドや表示装置などのように狭い領域に配列した複数の電子素子を有する電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種光源用に発光素子として半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）が広く利用されている。通常、電源供給用リードが設けられたＬＥＤ用容器にＬＥＤチップが搭載され、透明樹脂等の封着材で封止される。そして、発光効率を高めるためと高出力化のために発光素子を収容する容器に種々の放熱構造が提案されている。例えば、特許文献１は、複数の発光素子モジュールが設けられた基板に上面から下面に貫通した放熱用スルーホールを形成した光プリントヘッドを開示する。特許文献２および３は放熱体に利用される高熱伝導率・低熱膨張率の炭素基金属複合材に関する板状部材とその製法を開示する。特に、特許文献３では、溶融したアルミニウム、銅、銀などを加圧含浸させた板材成形体を開示する。更に、特許文献４は炭素基金属含浸板材の放熱体としての応用を提示し、特許文献５は具体的にＬＥＤ用容器において金属含浸炭素材を放熱体として使用することを開示している。特許文献４に開示されたＬＥＤ用容器は、板状の高熱伝導炭素材と、枠状の金属ベースとを備え、ＬＥＤチップが金属ベースの枠の内側に配置され、高熱伝導炭素材と直に接する状態で搭載されている。セラミック製容器に比べて放熱性が高められて、発光効率の向上が図られている。
【特許文献１】特開平１０−２２６１０７号公報
【特許文献２】特開２０００−２０３９７３号公報
【特許文献３】特開２００１−０５８２５５号公報
【特許文献４】特開２００１−１１８９６０号公報
【特許文献５】特開２００６−０８６３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載の構造では、発光素子に対応する位置にスルーホールを形成しなければならず、近年のように狭い領域に多数の電子素子が配列した電子部品においては限界に達している。一方、特許文献２−５には狭い領域に複数の電子素子が配列している場合の放熱対策を開示していない。そして、狭い領域に複数の電子素子が配列している場合は、電子素子間の熱干渉という、単独で収容されている電子素子には無い課題を有する。従って、一層優れた放熱構造が要請される。
それ故、この発明の課題は、互いに接近した複数の電子素子を有しているにも関わらず放熱性に優れた電子部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
その課題を解決するために、この発明の電子部品は、
一主面を有する放熱体と、放熱体の主面上に面方向に配列するように搭載された複数の電子素子とを備える電子部品において、放熱体の主面における任意の一方向をｘ方向、同主面上でｘ方向と垂直な方向をｙ方向、同主面に直交する方向をｚ方向とするとき、
前記放熱体が、前記主面方向に相対的に低い熱伝導率、ｚ方向に相対的に高い熱伝導率を有する熱伝導異方性の炭素材又は金属含浸炭素材からなることを特徴とする。
この発明の電子部品においては、放熱体が、電子素子の配列する主面方向に低い熱伝導率を有し、同主面に直交する方向に高い熱伝導率を有するので、電子素子の発する熱は隣の電子素子にはほとんど伝わらず、放熱体の裏面方向に伝導する。そして、裏面側で放熱される。金属含浸炭素材に含浸される金属としては、アルミニウム、銅または銀が挙げられる。
【０００５】
前記電子素子がｘ方向に一次元的に配列しているときは、前記放熱体の主面方向の熱伝導率はｘ方向において最も低いのが好ましい。これにより電子素子間の熱干渉が最も効率よく防がれるからである。また、前記電子素子がｘ方向及びｙ方向に二次元的に配列しているときは、前記放熱体の主面方向の熱伝導率はｙ方向において最も低く、前記放熱体内のｘ方向における電子素子間に溝が形成されているのが好ましい。ｙ方向においては放熱体自体の低熱伝導性により、ｘ方向においては溝の断熱作用により、隣り合う電子素子間の熱干渉が防がれるからである。溝に、前記炭素材及び金属含浸炭素材よりも低い熱伝導率を有する断熱部材が配置されていると更に良い。溝は、前記放熱体の主面及び裏面のいずれに形成されていてもよい。
【０００６】
前記放熱体の裏面に、凸部が形成されているか、又は前記炭素材及び金属含浸炭素材よりも高い熱伝導率を有する放熱部材が間欠的に固着されていてもよい。これにより、放熱面積が増すからである。
放熱体は、実施形態に応じて表面がＮｉなどでメッキされていてもよいし、電気絶縁性の膜で被覆されていてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
前記の通り、電子素子の発する熱は隣の電子素子にはほとんど伝わらず、放熱体の裏面方向に伝導することから、この発明の電子部品は、互いに接近した複数の電子素子を有しているにも関わらず放熱性に優れる。従って、電子素子を半導体素子とするときは、素子をマトリックス状に配列して素子アレイとすることにより、小型で高出力化を図ることができる。また、前記電子素子をＬＥＤプリントヘッドにおける発光素子として、この発光素子を収容する絶縁容器を放熱体と一体化するときは、両者の熱膨張量差が小さくなり、絶縁容器の反りを防ぐことができる。その結果、印字精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
−実施形態１−
この発明の第１の実施形態に係る電子部品について、図１及び図２を参照しつつ説明する。この電子部品１１は、板状の放熱体１９、絶縁容器１４、及び発光ダイオードからなる電子素子１８を備える。絶縁容器１４は、いずれも絶縁セラミック製で面方向（ｘ方向）に一列に形成された多数の貫通孔を有する下基板１２および上基板１３からなる。下基板１２は放熱体１９の主面上に固着され、上基板１３はその上に積層されている。上基板１３の孔は、下基板１２のそれよりも大きく、上基板１３の孔の内周面と下基板１２のそれとの間に環状の段差を有する。上下の基板１２、１３は、各々公知のシート成形法により成形された後、配線パターン（図示省略）が印刷され、互いに積層され、焼成されることにより、一体化されている。得られた絶縁容器１４に放熱体１９が接合されることにより、電子素子１８の搭載スペースが形成される。
【０００９】
電子素子１８は、放熱体１８の主面上に発光面が上向きとなるように前記孔と同じピッチで配列して搭載されており、上下の基板１２、１３の孔の内周面に個別に囲まれている。電子素子１８の表面にはワイヤ１７の一端がボンディングされ、他端が前記環状の段差に露出した図略の内部パッドにボンディングされることにより、電子素子１８が外部回路と電気的に接続可能にされている。搭載された電子素子１８は、放熱体１９と上下の基板１２、１３の孔とで囲まれる残部空間に透光性樹脂封止材１６が充填されることにより、密閉されると同時に封着される。
【００１０】
放熱体１９は熱伝導異方性の炭素材又は金属含浸炭素材からなり、最も高い熱伝導率を有する方向が上下の基板１２、１３に対する垂直（ｚ軸）方向と一致し、最も低い熱伝導率を有する方向がｘ軸方向と一致するように装着されている。金属含浸炭素材は、例えば炭素粉末あるいは炭素繊維を成形して焼成し、Ａｇ、Ｃｕ、Ａ１等の金属を含浸させて得られたものである。熱伝導率は方向により異なり、炭素の二次元結晶面の格子振動で伝わる方向（ｚ軸方向）において最も高い５４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、ｘ軸方向において１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ｙ軸方向において４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。この種の高熱伝導炭素材は焼成方法や含浸金属の違いにより若干の相違があるが、熱膨張係数は６〜１０ｐｐｍ／℃でセラミックやＳｉ、ＧａＡｓ等の半導体の熱膨張係数と非常に近く、ヤング率が低く、そのため電子素子１８や絶縁容器１４と良好に結合する。
【００１１】
電子部品１１によれば、電子素子１８が配列するｘ軸方向において放熱体１９の熱伝導率が最も低く、ｚ軸方向において最も高いので、電子素子の発する熱は隣り合う電子素子１８間では伝わりにくく、電子素子１８の裏面から放熱体１９の裏面に向かって優先的に且つ速やかに伝達される。
【００１２】
−実施形態２−
第２の実施形態の電子部品３１は、図３に斜視図として、図４及び図５に各々図３のＸＸ線断面図及びＹＹ線断面図として示されるように、板状の放熱体３９、絶縁容器３４、及び発光ダイオードからなる電子素子３８を備える。絶縁容器３４は、実施形態１におけると同じくいずれも絶縁セラミック製の下基板１２および上基板１３からなる。以下、実施形態１と相違する点のみを詳述する。まず、実施形態１において電子素子１８を収容する孔が一方向に配列して形成されていたのと異なり、この実施形態では下基板１２および上基板１３に平面視縦横にマトリックス状に孔が形成され、それらの孔と放熱体３９とで囲まれる各搭載スペースに電子素子３８が個別に収容されている。
【００１３】
放熱体３９は、実施形態１におけるものと同質の熱伝導異方性の炭素材又は金属含浸炭素材であってよいが、熱伝導率がｙ軸方向に最も低く、ｚ軸方向に最も高いとするとき、ｘ軸方向における隣り合う電子素子３８間の境界部分に切り欠き等の溝４０が形成されている。溝４０は開口部が下基板３２で閉じられており、その内部は、炭素よりも更に熱伝導率の低い空気からなることから、ｘ軸方向の熱伝達の抵抗となって断熱している。従って、電子素子の発する熱は隣り合う電子素子３８間ではｙ軸方向には放熱体３９自身の相対的な低熱伝導性により、またｘ軸方向には溝４０の断熱作用によりいずれも伝わりにくく、電子素子３８の裏面から放熱体３９の裏面に向かって優先的に且つ速やかに伝達される。発光ダイオードの温度上昇に伴なう発光効率低下が抑止され、かつ多数の発光ダイオードを集約的に配置して高出力化を実現する。
【００１４】
尚、溝４０に代えて図６に示すように放熱体３９の裏面側に開口した溝５０を設けても良い。この場合、ｘ軸方向の熱抵抗は溝４０に比べて若干弱くなるが、表面積が増して放熱性が向上することにより、相殺される。また、図７に示すように、放熱体３９の裏面における電子素子３８と対応する位置に凸部６０を一体的に設けて放熱面積を増やしても良い。凸部６０は、放熱体３９と別体成形したものを固着してもよい。
【実施例】
【００１５】
放熱体として炭素材に銅を含浸させた１０×１０×１ｍｍの板を準備した。比重は２．７ｇ／ｃｃで、曲げ強度、ヤング率、熱伝導率、熱膨張係数及び電気抵抗率は、炭素の二次元結晶面の方向において各々８０ＭＰａ、２５ＧＰａ、４５０−５４０Ｗ／ｍＫ、０．１ｐｐｍ／℃、及び２００μΩ・ｃｍであり、それと垂直方向において各々１３ＭＰａ、７ＧＰａ、１４０Ｗ／ｍＫ、１０ｐｐｍ／℃、及び６００μΩ・ｃｍであった。放熱体の表面にはＮｉ電解メッキを施した。別途、配線パターンを形成したセラミック絶縁体を準備した。
この放熱体の主面上にセラミック絶縁体を接合するとともに、１ｍｍ角の２個の青色ＬＥＤ素子を互いに約３．５ｍｍの間隔を開けて銀ペーストにて搭載した。そして、ＬＥＤ素子とセラミック絶縁体上の配線パターンとを金ワイヤにて結線することにより、実施例の電子部品を作成した。
比較のために、前記銅含浸炭素材に代えて銅板の表面にＮｉ電解メッキを施したものを放熱体として用いた以外は実施例の電子部品と同一条件で比較例の電子部品を作成した。
【００１６】
これらの電子部品に通電し、通電電流を０−３５０ｍＡの間で変化させながらＬＥＤ素子表面の温度を測定したところ、いずれも表面温度が電流値とともに同様に高くなった。また、通電電流を３５０ｍＡに固定し、ＬＥＤ素子及び放熱体の表面温度の経時変化を測定したところ、実施例と比較例との間に差は認められなかった。次に、２個のＬＥＤ素子の一方に通電したときの他方のＬＥＤ素子の温度を測定したところ、図８に示すように実施例の方が比較例よりも隣接素子に与える熱影響が少なかった。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る実施形態１の電子部品の主要部分を示す断面図である。
【図２】同電子部品を示す主要部で封止材による封着前の状態の斜視図である。
【図３】実施形態２の電子部品を示す斜視図である。
【図４】同じく図３の電子部品のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図５】同じく図３の電子部品のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。
【図６】実施形態２の変形例を示す断面図である。
【図７】実施形態２のもう一つの変形例を示す断面図である。
【図８】隣り合う２個のＬＥＤ素子の一方に通電したときの他方の温度を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１８】
１１，３１；電子部品
１２，３２；下基板
１３，３３；上基板
１７，３７；ワイヤ
１９，３９；放熱体
１４，３４；絶縁容器
１６，３６；封止材
１８，３８；電子素子
４０、５０；溝
６０；凸部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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