(57)【要約】  一体型熱バイアを有する発光ダイオードに関する。発光ダイオード（１０）は本体（２１）と前記本体と一体であり且つ前記本体（２１）から伸びている熱バイア（３０）とを具備する。
2010511289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体と、前記本体と一体であり且つ前記本体から伸びている熱バイアを具備する発光ダイオード。
【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）により発生した熱をヒートスプレッダ、ヒートシンク等に改良状態で熱伝送する一体型熱バイア（ｔｈｅｒｍａｌ  ｖｉａ）を有するＬＥＤに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、印刷回路基板は（ＦＲ４基板として知られる）ガラス繊維積層板、ポリテトラフルオロエチレン等のような誘電体材料から製造される。通常、銅から形成された回路はこのような基板の一方又は誘電体材料層間に形成される。回路はフォトリソグラフィー法、スパッタリング、スクリーン印刷等により一般的に形成される（層間に配置された回路のため、回路は積層板の形成前に誘電体材料に形成される）。更に、発光ダイオードは多くの場合基板表面に表面回路と接触状態で配置され、確実に且つこれらの所望の性能レベルで動作するために発光ダイオードの放熱を必要とする相当量の熱量を発生する。
【０００３】
発光ダイオードの存在の結果として、印刷回路基板が放熱しなければならない熱量は相当な量である。銅又はアルミニウム、及びその合金のような熱拡散材料層が電子部品から発生した熱のためのヒートスプレッダとして作用させるため回路と熱発生部品の表面と反対側の表面上に又は反対側の層内に誘電体材料で積層された所謂“熱基板”が開発されている。熱拡散材料は典型的には電気的に導通であり、接触状態にあると回路動作で干渉するので、誘電体材料の少なくとも１層がヒートスプレッダを回路から分離するように、ヒートスプレッダを配置することが重要である。
【０００４】
Ｂｅｒｇｑｕｉｓｔ社から販売されている絶縁金属基板（商標）基板、Ｔｈｅｒｍａｇｏｎ社から販売されているＴ−Ｃｌａｄ（商標）熱基板、Ｄｅｎｋａ社から販売されているＨＴＴＰプレート基板、及びＴＴエレクトロニクス社から販売されているＡｎｏｔｈｅｒｍ（商標）基板のような、金属コア印刷回路基板（ＭＣＰＣＢ）と呼称されるいくつかの市販“熱基板”が存在する。これらの熱基板は、最初の三つの場合において、誘電体層を熱導電粒子で充填することにより、又は、Ａｎｏｔｈｅｒｍの場合において、アルミニウムヒートスプレッダ層の上部に薄い陽極酸化層を介して形成された熱導電誘電体層を利用している。しかしながら、熱導電粒子の使用は高価になり、次の層は設計においてピンホール無しを保証するために充分に厚くしなければならず、設計的に熱抵抗を付加する。この解決法の更なる制約は湾曲又は非平面回路構造を製造するための柔軟性に欠けていること及び誘電体材料がヒートスプレッダ層の全表面を覆うことから生じる。誘電体層として陽極酸化の使用はこれらの問題点のいくつかを解決するために試行されるが、銅は陽極酸化できないので、そのヒートスプレッダ層としてアルミニウムの使用を強いられる。アルミニウムの熱伝導率は銅よりかなり小さいので、これは熱的に不利である。しかしながら、印刷回路基板及び部品の動作中に有益である同一熱放熱特性が（例えば、ホットバー接合ような）半田付けに一点熱源を要求するアセンブリ工程を禁止するので、前述の解決法は全て半田付けが難しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これらの問題点の全てではないが、いくつかを解決するために、従来の印刷回路基板は分離工程で分離金属拡散層に結合できる。この構成において、印刷回路基板は印刷回路基板の無充填誘電体層を通じて熱をより良好に伝導させるための熱バイア（典型的には、銅めっきされたドリル穴）を設けて設計できるが、これらは部品間に誘電体分離を要求しない用途に単に使用できる。
【０００６】
更に、銅又はアルミニウムのような従来の熱拡散材料は基板に対する望ましくない相当な重量を追加し、これらの材料の熱膨張係数（ＣＴＥ）はグラスファイバ積層部の係数と厳密に一致せず、熱を加えることにより印刷回路基板に物理的応力、潜在的には、層間剥離又はクラックを生じさせる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
更に、これらの印刷基板のヒートスプレッダ層は同位体の（その長さ及び幅に比べて）薄状金属材料からなるので、熱はヒートスプレッダ層の厚みを介して容易に伝わる傾向にあり、ホットスポットが熱源と反対側に生じる。
【０００８】
産業界で“フレックス回路”と称される他の型の回路アセンブリは同様な熱管理問題を生じる。フレックス回路は誘電体層として機能するポリイミドやポリエステルのようなポリマー材料の表面に前述の回路基板のような回路を設けることにより形成される。名称が示唆するように、これらの回路材料は柔軟であり、後で銅やアルミニウムのようなヒートスプレッダ層に結合できる回路材料のロールとして提供できる。非常に薄いが、フレックス回路の誘電体層は所定の設計で熱抵抗を感知できるほどに増大させ、印刷回路基板で見られる同様な問題点のいくつかに悩まされる。熱バイアの使用は前述のように電気的に分離する用途に制約される。明らかであるように、銅やアルミニウムのような硬質な金属層はこのような特性が最終用途に重要であるフレックス回路の柔軟性を利用できない。
【０００９】
ヒートスプレッダ、特に、剥離グラファイトの圧縮粒子のシート、又はヒートシンク、又は他の放熱部品、に延長する熱経路と動的熱接触状態にあるＬＥＤの使用は銅又はアルミニウムヒートスプレッダ層の使用で遭遇する多くの不利を改善する。
【００１０】
熱伝達手段としての種々の固体構造体を使用することは技術的に知られている。例えば、Ｂａｎｋｓ氏の米国特許第５，３１６，０８０号及び第５，２２４，０３０号は熱伝達手段として適切な結合剤と結合されたダイアモンド及びガス派生グラファイトファイバーの実用性を開示している。このような装置は熱を半導体のような熱源からヒートシンクへ受動的に伝導するために採用される。
【００１１】
米国特許第６，７５８，２６３号において、Ｋｒａｓｓｏｗｓｋｉ及びＣｈｅｎはコンポーネントの厚みを通して熱源から及び平面方向の熱源から熱を伝導するためグラファイトヒートシンクベースのような放熱コンポーネントに高導電挿入部を組み込むことを開示している。しかしながら、Ｋｒａｓｓｏｗｓｋｉ及びＣｈｅｎの開示において回路アセンブリの誘電体層のような比較的非伝導な材料層を通して熱源からの熱を伝導することを何も開示していない。
【００１２】
本発明の目的はＬＥＤからヒートスプレッダ又はヒートシンクのような放熱部品への熱伝達を容易にするため熱バイアを有するＬＥＤを提供することである。
【００１３】
更に、本発明の目的は一方の表面のヒートスプレッダ層とヒートスプレッダ層に向けて流すために他方の表面に配置されたＬＥＤから伝達する熱のための熱経路とを有する回路アセンブリを提供することである。
【００１４】
本発明の更に他の目的は一表面のヒートスプレッダ層と他方の表面に配置されたＬＥＤからヒートスプレッダ層に流れる熱伝送のためにＬＥＤと一体となった熱経路とを有する回路アセンブリを提供することである。
【００１５】
本発明の更に他の目的は回路アセンブリ内の熱発生コンポーネントとグラファイトに基づくヒートスプレッダ層間に挿入された誘電体層を横断して位置決めされ一体化した熱経路を有するＬＥＤを提供することである。
【００１６】
これらの及び他の目的は本発明により達成され、本発明はＬＥＤとヒートスプレッダ層とＬＥＤ間に位置決めされた誘電体材料の少なくとも一層からなる回路アセンブリの、ＬＥＤと、例えば、ヒートスプレッダ層間に熱経路を形成するためにＬＥＤと動作可能に接触した熱伝導素子を有するＬＥＤを提供する。最も好ましくは、熱伝導素子はＬＥＤと一体化している。
【００１７】
本発明の他の及び更なる目的、特徴及び利点は添付図面と共に以下の開示を読むことにより当業者にとって容易に明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は回路アセンブリ上のヒートスプレッダ層の熱拡散機能がＬＥＤとヒートスプレッダ層間の熱経路を設ける場合に実質的に改良されることを見出したことに基づいている。実際には、このような熱経路を使用することにより、グラファイトに基づくヒートスプレッダ層の使用はアルミニウム又は銅熱拡散器の使用と比べても重量削減の追加の利益と共に改良された熱拡散を提供できる。
【００１９】
用語において、“回路アセンブリ”は誘電体材料上に位置決めされた１つ又は複数の電子回路を含むアセンブリを意味し、一つ又は複数の回路が誘電体材料層間に挟まれた積層物を含む。回路アセンブリの具体例は当業者に知られた印刷回路基板及びフレックス回路である。
【００２０】
図面特に図１を参照すると、本発明によるＬＥＤは参照番号１０で示される。ＬＥＤは典型的には通常プラスチック材料で形成されたレンズ２０、半導体チップ２２、チップ２２周辺のシリコーンカプセル材２４のようなカプセル材と、チップ２２を電力供給するためのリード２５、チップ２２が載置されしばしば熱界面２８を有するマウント２６、及びリード２５とチップ２２間の結線部２９を含む本体２１を含む。
【００２１】
本発明によると、ＬＥＤ１０は更にヒートスプレッダ又はヒートシンク（図示せず）のような放熱部品にチップ２２により発生した熱を移動させるための熱経路を形成する高熱伝導熱スラグ又はバイア３０を具備する。熱バイア３０は銅又はその合金又はアルミニウム又はその合金のような金属又はグラファイト特に剥離グラファイトの圧縮部材からなるグラファイト部品のような熱伝導材料から形成される。熱バイア３０はチップ２２からＬＥＤ１０の直近に配置されていない放熱部品に至る熱経路を提供するためにＬＥＤ１０の本体２１を超えて伸びている。実際には、熱バイア３０は本体２１とヒートスプレッダ又はヒートシンクのような放熱部品間の間隙を埋めるためＬＥＤ１０の本体２１を超えて伸び、本体２１と誘電体材料のような放熱部品間の部品を貫通して伸びている。
【００２２】
“高熱伝導率”はＬＥＤ１０と熱拡散部品のような放熱部品間の方向の熱バイア３０の熱伝導率がＬＥＤ１０と放熱部品間に位置決めされた（空気を含む）任意の材料の貫通熱伝導率より大きいことを意味し、好ましくは、熱バイア３０の熱伝導率が少なくとも約１００Ｗ／ｍ°Ｋであり、特に、少なくとも約２００Ｗ／ｍ°Ｋであり、より好ましくは、約３５０Ｗ／ｍ°Ｋである。一般的に、熱バイア３０は円筒形であるが、任意の特定の断面形状を想定できる。
【００２３】
図２を参照すると、発明のＬＥＤ１０の一つの好ましい使用環境は回路アセンブリ１００内である。回路アセンブリ１０は少なくとも誘電体層２００及びヒートスプレッダ層３００を含み、ヒートスプレッダ層３００は誘電体層２００と接している。好ましくは、ヒートスプレッダ層３００は剥離グラファイトの圧縮粒子の少なくとも１枚のシートを具備している。回路アセンブリ１００は一般的に印刷回路基板又はフレックス回路であるが、例えば、誘電体層２００に形成された導電インクの印刷又はシルクスクリーンパターンから成る。
【００２４】
回路アセンブリ１００は一般的にフォトリソグラフィー法、スパッタリング、スクリーン印刷等により誘電体層２００上に従来から形成されている銅からなる回路４００を具備している。上述のように、回路４００は、例えば、印刷又はシルクスクリーン処理により誘電体層２００に形成された導電性インクから形成できる。
【００２５】
誘電体層２００は好ましくは積層物として形成された樹脂（ＦＲ−４）を有するグラスファイバ  、テフロン（登録商標）ブランド材料として市販で入手できるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及びｅＰＴＦＥと表示された膨張ＰＴＦＥのような印刷回路基板産業で通常のもの、及び前述材料の樹脂含浸又は摂取物である。更に、誘電体層２００はフレックス回路の形成で使用されるようなポリイミド又はポリエステルのようなポリマーである。誘電体層２００は更に個別層として存在し、例えば、陽極酸化、蒸着、堆積、又は火炎溶射工程を介して（ヒートスプレッダ層３００のような）基板層に形成された窒化アルミニウム、酸化アルミニウム又はアルミナのようなセラミック材料より形成でき、陽極酸化の使用は特にヒートスプレッダ層３００がアルミニウムである場合に関係する。
【００２６】
好ましくは、ヒートスプレッダ層３００は約０．２５ｍｍから約２５ｍｍの厚みであり、より好ましくは、約０．５ｍｍから約１４ｍｍの厚みであり、少なくとも１枚のグラファイトシートからなる。有利なことには、ヒートスプレッダ層３００は所望の放熱能力を提供するために最大１０枚又はそれ以上のグラファイトシートの積層物である。グラファイト複合物は少なくとも部分的に使用でき、及び好ましい実施例では回路アセンブリ熱拡散部品として銅又は他の金属から完全に置換できる。
【００２７】
グラファイト／誘電体材料積層物は、例えば、従来の接着剤を使用して、回路アセンブリ積層物の形成で通常である方法で誘電体層２００とヒートスプレッダ層３００と共に積層することにより形成できる。代案として、グラファイト／誘電体材料積層はグラファイトの加圧硬化中に事前加圧スタック状に形成できる。含浸グラファイトシート中のエポキシポリマは硬化時に非グラファイト及び構造体の含浸グラファイト層を定位置で接着接合するために充分である。いずれにしても、好ましい実施例において、グラファイト複合物は所謂“金属裏打ちされた”印刷回路基板又はフレックス回路の銅又はアルミニウムヒートスプレッダと置換するために回路アセンブリ１００のヒートスプレッダ層３００として採用される。
【００２８】
上述のように、回路アセンブリ１００の中央部を形成する誘電体材料２００は２つの主表面２００ａ及び２００ｂを有する。ヒートスプレッダ層３００は誘電体材料２００の表面２００ａの一方に接触し、他方の表面２００ｂは少なくとも１つのＬＥＤ１０及び、しばしば当業者になじみである、複数のＬＥＤ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ等を配置する。ＬＥＤ１０はＬＥＤ１０が配置される回路アセンブリ１００の表面２００ｂ上に形成された回路４００の一部と接触するように位置される。
【００２９】
注目されるように、ＬＥＤからヒートスプレッダ層３００への伝達を容易にするため、熱バイア３０がヒートスプレッダ層３００を貫通して伸びている。
【００３０】
熱バイア３０は位置的な配慮のため側部近傍誘電体層２００に肩部又は段差を好都合に有する。電気分離が要求される場合、陽極酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、又はアルミニウムナのような誘電体層が銅上の火炎溶射又は蒸着アルミニウムのような熱バイア３０のある表面又は全表面上に又は、例えば、熱バイア３０として陽極アルミニウムを使用して配置される。更に、熱バイア３０の表面は熱バイア３０に対するＬＥＤ１０の接合を容易にするため半田付け可能であり又は半田付け可能にめっきされる。
【００３１】
熱バイア３０はヒートスプレッダ層３００内に伸び、ヒートスプレッダ層３００と熱接触する。例えば、熱バイア３０は熱バイア３０とヒートスプレッダ層３００間の良好な熱接触を保証するため且つヒートスプレッダ層の厚みを横断して熱バイア３０からの熱伝達を保証するために熱接着又は所謂“スピードナット”のような加圧取付を使用してヒートスプレッダ層３００のスロット又は穴にはめ込まれる。適切な熱接触を確立するように熱バイア３０をヒートスプレッダ層３００にはめ込む適切な一方法は熱経路６０の径より小さい径を有する拡散層３００内の開口部を通して熱バイア３０を強制的に設けることであり、この方法で、開口部に熱バイア３０を強制貫通させることにより両者の加圧はめ込みが可能となる。代案として、ヒートスプレッダ層３００の穴は穿孔機のような熱バイア３０自身を使用して形成できる。剥離グラファイトの圧縮粒子シートの性質はこのようなはめ込みが熱バイア３０又はヒートスプレッダ層３００に過度の損傷を与えることなく達成されるのを可能にする。
【００３２】
熱バイア３０とヒートスプレッダ層３００間の良好な接触を提供する一つの有利な方法は“リベット”型熱バイア３０を使用することである。このように、リベットを基板に対して圧縮封止するのと同様な方法で、リベット型バイア３０はヒートスプレッダ層３００の外表面を圧縮又は強制封止され（即ち、表面は誘電体層と接触していない）、両者に良好な熱接続部を形成する。
【００３３】
最も好ましくは、熱バイア３０は誘電体層２００とヒートスプレッダ層３００の合成厚みにほぼ等しい長さを有し、更に、図２に示されるように、任意の距離だけ、熱バイア３０が誘電体層２００又はヒートスプレッダ層３００から伸びている。もちろん、熱バイア３０がヒートスプレッダ層２００を完全に貫通しないと、その長さは誘電体層２００とヒートスプレッダ層３００の合成厚みに等しくする必要はない。より一般的な意味で、熱バイア３０の長さはＬＥＤ１０から放熱部品への熱伝送が望まれる距離に依存する。
【００３４】
前述のように、ヒートスプレッダ層３００は誘電体層２００に有利に積層又は接着される。しかしながら、放熱を最適化するため、ヒートスプレッダ層３００と誘電体層２００間に間隙があるように熱バイア３０を使用することが予期される。換言すると、ＬＥＤ１０とヒートスプレッダ層３００間の熱伝送が、主に誘電体層２００を通じてであるのと異なり、主に熱バイア３０を通じて実施されるので、ヒートスプレッダ層３００が誘電体層２００と物理的に接触状態である必要はない。約１ｍｍ又はそれ以上の間をスペーサー（図示せず）等の使用によりヒートスプレッダ層３００と誘電体操２００間に設けられる。このように、ヒートスプレッダ層３００が熱バイア３０と熱接触状態にあると、ヒートスプレッダ層３００のより多くの表面領域が露出され、そこからより多くの熱が放熱される。
【００３５】
従って、本発明の使用により、ＬＥＤからの有効放熱が以前確認されなかった程度に達成される。
【００３６】
この出願で参照された引用された特許、特許出願、及び出版物の全ては参照のために示される。
【００３７】
上記記載は当業者が本発明を実施できることを意図している。明細書を読んで当業者に明らかである可能な変形及び改造の全てを詳述することを意図していない。しかしながら、このような改造及び変形の全てが特許請求の範囲により規定される本発明の範囲内に含まれることを意図している。もし文脈が具体的に正反対のものを示していなければ、特許請求の範囲は本発明を意図する目的に合致させるために有効である任意の構成又は順序で指示された素子及び工程を包含することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は本発明による一体熱経路を有するＬＥＤを示す部分的に切断された概略図である。
【図２】図２は、一表面上のヒートスプレッダ層とこのヒートスプレッダ層とＬＥＤ間の熱経路を内蔵するＬＥＤを有する、本発明による回路アセンブリを示す部分的に切断した斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０    ＬＥＤ
２０    レンズ
２１    本体
２２    半導体チップ
２６    マウント
２８    熱接合部
２９    結線部
３０    熱バイア
６０    熱経路
１００    回路アセンブリ
２００    誘電体層
３００    ヒートスプレッダ層
４００    回路
【図１】
2010511289.tif 000003
【図２】
2010511289.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月10日(2008.11.10)
【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】
本体と、前記本体と一体であり且つ前記本体から伸びている熱バイアを具備することを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
前記熱バイアが高熱伝導材料を具備することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
【請求項３】
前記熱バイアが前記発光ダイオードから放熱部品への熱経路を形成することを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオード。
【請求項４】
誘電体層を具備する基板と；
前記基板の第１表面に配置されたヒートスプレッダ層と；
前記基板の第２表面に配置された発光ダイオードと；
を具備し、前記発光ダイオードが本体と、前記本体と一体し且つ前記誘電体層を介して前記本体から延長し且つ前記ヒートスプレッダ層と熱接続された熱バイアとを具備することを特徴とする回路アセンブリ。
【請求項５】
前記ヒートスプレッダ層が銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金、剥離グラファイトの圧縮粒子のシート、又はそれらの組合せを具備することを特徴とする請求項４に記載の回路アセンブリ。
【請求項６】
前記基板の前記第２表面が回路を有することを特徴とする請求項４に記載の回路アセンブリ。
【請求項７】
前記誘電体層が樹脂含浸グラスファイバ、ポリテトラフルオロエチレン、発泡ポリテトラフルオロエチレン、ポリマー、セラミック材料又はそれらの組合せからなるグループから選択された材料からなることを特徴とする請求項４に記載の回路アセンブリ。
【請求項８】
前記誘電体が陽極酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、又はアルミナからなる請求項４に記載の回路アセンブリ。
【請求項９】
前記熱バイアが高熱伝導材料からなることを特徴とする請求項４に記載の回路アセンブリ。
【請求項１０】
前記熱バイアの前記熱伝導率が前記誘電体層の前記厚さ方向熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項９に記載の回路アセンブリ。
【請求項１１】
前記熱バイア上の誘電体層を更に具備し、前記誘電体層が陽極酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、又はアルミナからなることを特徴とする請求項４に記載の回路アセンブリ。
【請求項１２】
発光ダイオードと、前記発光ダイオードと動的接触状態にある熱バイアとを具備し、前記熱バイアは前記熱バイアが放熱部品と熱的接続状態で伸びるように寸法決めされていることを特徴とする発光ダイオードアセンブリ。
【請求項１３】
前記熱バイアは回路アセンブリの前記誘電体層を貫通して延長し、前記回路アセンブリの前記ヒートスプレッダ層と熱接触状態にあるように寸法決めされていることを特徴とする請求項１３に記載の発光ダイオードアセンブリ。
【請求項１４】
前記熱バイアが高熱伝導材料からなることを特徴とする請求項１３記載の発光ダイオードアセンブリ。
【請求項１５】
前記熱経路の熱伝導率が前記誘電体層の厚さ方向熱伝導率より大きいことを特徴とする請求項１５記載の発光ダイオードアセンブリ。