(57)【要約】      （修正有）【課題】携帯デバイス内で連続的な照明時の過熱問題を解決するため、放熱能力が優れた構造を提供する。【解決手段】携帯式電子デバイスは、筐体と回路組立構造を有するＬＥＤ光源からなり、回路組立構造は、ＬＥＤのオン／オフを反復させるための電気回路を含む基材を包む。ＬＥＤは、基材の第一主要表面に隣接して配置され、電気回路に接続される。剥離された天然グラファイトの粒子を圧縮したシートからなる放熱体は、基材の第二主要表面と熱伝達するように配置され、その際、放熱体の表面積は、基材と接触しているＬＥＤの表面積よりも大きい。放熱体は、光源が１０秒間内に少なくとも２サイクル、サイクル間で最大温度をほとんど上昇させずに、オン／オフを繰り返せるように機能する。電力レベルを大きく増加しながら、作動温度を劇的に低減させるため、照明を改良すると共に、電子部品の作動寿命を改良できる。【選択図】図４
2007227880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、前記筐体中に配置された光源組立構造と、を含んでなる携帯式電子デバイスであって、
前記光源が、
光源をオン／オフで反復作動させる電気回路を包含する、第一および第二主要表面を有する基材と、
前記基材の前記第一主要表面に隣接して配置された、前記電気回路に接続された発光ダイオード光源と、
グラファイトのシートを包含する放熱体と、
を包含し、
前記放熱体が、前記基材の第二主要表面と結合して熱伝導する状態にあり、
光源を１０秒間に少なくとも２回のオン／オフを行った場合であっても、最高温度をほとんど上昇させることなく、光源を反復作動することができる、携帯式電子デバイス。
【請求項２】
前記グラファイトのシートが、剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートおよびグラファイト化された重合体フィルムからなる群から選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートの厚さが約０．１〜約１．５ｍｍである、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記基材がフレキシブル基材であり、携帯式電子デバイス中に前記回路組立構造を設置し易いように、前記放熱体がフレキシブル放熱体である、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記基材の厚み方向に伸びる、前記放熱体と熱的に係合する熱通路をさらに含んでなり、前記発光ダイオード光源がその熱通路上に取り付けられている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記放熱体が、前記発光ダイオード光源と前記基材との間の接合部における温度を約１３５℃以下に維持しながら、光源を、少なくとも約２５０ｍｓのフラッシュ時間のフラッシュモードにおいて、約２秒間以内の回復時間で、少なくとも約２０℃の常温で作動させることができるようなサイズを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記グラファイトのシートが、少なくとも約２２０Ｗ／ｍＫの面内熱伝導率を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記基材が、重合体材料から形成された誘電体層を有するフレキシブル回路を含んでなる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
筐体と、前記筐体中に配置されたカメラと、前記筐体中にカメラに隣接して配置された光源組立構造とを含んでなる携帯式電子デバイスであって、
前記光源が、
基材と、
前記基材の片側に取り付けられた、オン／オフで反復作動することができる発光ダイオード光源と、
前記基材の反対側に取り付けられたグラファイト放熱体と、を包含し、
前記グラファイト放熱体が、グラファイト放熱体の面貫通熱伝導率よりも実質的に大きい面内熱伝導率を有する、携帯式電子デバイス。
【請求項１０】
前記光源組立構造を前記装置中に設置し易いように、前記基材および前記放熱体の両方が可撓性を有するものである、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記グラファイト放熱体の厚さが約０．１〜約１．５ｍｍである、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記グラファイト放熱体の面内熱伝導率が、少なくとも約２２０Ｗ／ｍＫである、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記グラファイト放熱体が、光源を、少なくとも約２５０ｍｓのフラッシュ時間のフラッシュモードにおいて、約２秒間以内の回復時間で、少なくとも約２０℃の常温で作動させることができるようなサイズを有する、請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本発明は、Reisらにより２００５年１１月４日に提出された、「放熱回路組立構造」と題する米国特許出願第１１／２６７，９３３号の部分継続出願である、Reisらにより２００６年１月２５日に提出された、「通路を含む放熱体」と題する米国特許出願第１１／３３９，３３８号の部分継続出願である。これら全文は、引用されることにより、本明細書の開示の一部とされる。
【０００２】
技術分野
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）光源、例えばカメラ用フラッシュとして使用するＬＥＤを包含する、携帯デバイス、例えば携帯電話やＰＤＡ（パーソナルデジタルアシスタント）に関する。これらＬＥＤ光源は、オンとオフのサイクルを繰り返す必要がある。本発明は、光源の作動温度を下げ、より速いサイクル時間を可能にし、作動している時間を長くすることができ、明るさを向上させることができる、および／またはＬＥＤ光源の信頼性および明るさをその寿命全体にわたって高めることができる、反復作動する光源用の放熱体を提供する。
【０００３】
発明の背景
携帯電話やＰＤＡの携帯デバイスには、通常、カメラを内蔵され典型的には反復作動する光源、例えばカメラ用フラッシュとして作用するＬＥＤ、が含まれている。
【０００４】
ＬＥＤは、回路組立構造に電気的に接続されており、この回路組立構造は、当該業界で一般的に「プリント回路基板」と呼ばれる種類、または一般的に「フレキシブル回路(flex circuit)」と呼ばれる種類のものが使用される。いずれの場合も、誘電体材料の基材上に電気回路が備えられている。
【０００５】
フレキシブル回路の場合、銅回路のような電気回路が、誘電体層として機能する重合体材料、例えばポリイミドまたはポリエステルの表面上に備えられている。その名前が示すように、これらの基材は、可撓性があり、ロール状の材料として形成することもできる。そのようなフレキシブル回路は、補強材でさらに支持することができ、この補強材は、金属、プラスチック、または他の材料、例えば一般的にＦＲ４材料と呼ばれるガラス繊維ラミネート材料のパッドが使用される。この補強材により、組立構造の構造的な剛性がより高くなるため、携帯デバイス中にＬＥＤ光源をより効果的に支持し、整列させることができる。
【０００６】
プリント回路基板の場合、基板は、通常、誘電体材料、例えばガラス繊維ラミネート（ＦＲ４基板と呼ばれることもある）、ポリテトラフルオロエチレン等の材料から製造される。そのような基板の一表面上、または誘電体材料の層間に、通常は銅製の回路がある。これらの回路は、一般的に写真平版印刷法、スパッタリング、スクリーン印刷等により形成される（層間に配置される回路は、ラミネート形成の前に誘電体材料に付けられる）。光源は、基板の表面上に、その表面上の回路と接触して配置される。「フラッシュ」光源を使用する場合、光源はかなりの量の熱を短時間で発生するため、装置が信頼性良く、意図する性能レベルで作動させるには、熱を放散させる必要がある。実際、ＬＥＤ光源に関しては、ＬＥＤの接合温度が低い程、そのＬＥＤの瞬間的な明るさが高く、輝度(luminosity)出力の低下が遅くなることが良く知られている（換言すれば、ＬＥＤの接合温度が高くなると、そのＬＥＤは、瞬間的な明るさが低くなり、長時間にわたる輝度の低下が速くなる）。
【０００７】
携帯電話および他の小型の携帯デバイスのカメラに使用する反復作動する光源は、比較的短い時間（１秒間未満のオーダー、より典型的には５００ミリ秒間（ｍｓ）未満）内に大量の熱を発生し、これがカメラやフラッシュの操作における制限的なファクターになる。過熱の問題により、フラッシュ間で重大な遅れが発生する（連続フラッシュ間の時間の量は、光源に対する回復時間と呼ばれる）ことがある。事実、５秒間を超える回復時間も珍しいことではなく、この業界では、できるだけ短い回復時間が目標とされている。さらに、連続的な照明、またはいわゆる「トーチ」モードの作動では、やはり過熱の問題により、照明レベルが制限される。これらの過熱問題に対して可能な解決策は、携帯デバイス内で利用できる空間が非常に小さいために、制限される。
【０００８】
より広い、大型電子装置の分野では、様々な放熱体技術が開発されている。いわゆる「サーマルボード」が開発されているが、そこでは、回路および発熱部品の層の表面またはそれに対向する層中に、放熱材料、例えば銅またはアルミニウムおよびそれらの合金の層が誘電体材料とラミネートされ、電子部品から発生する熱に対する放熱体として作用する。放熱体材料は、典型的には電気的に伝導性であり、接触すると回路の作動を妨害するおそれがあるので、放熱体は、誘電体材料の少なくとも一層が放熱体を回路から分離するように配置されることが重要である。
【０００９】
金属コアプリント回路基板（ＭＣＰＣＢ）と呼ばれることもある、幾つかの市販の「サーマルボード」、例えばThe Bergquist Companyから市販されているInsulated Metal Substrate（商品名）サーマルボード、Thermagonから市販されているT-Clad（商品名）サーマルボード、Denkaから市販されているHITTPlateボード、およびTTEl ectronicsから市販されているAnotherm（商品名）ボードがある。これらのサーマルボードは、最初の３製品の場合のように誘電体層に熱伝導性粒子を充填するか、またはAnothermの解決策のように、アルミニウム放熱体層の上に薄い陽極酸化層を形成することにより、熱伝導性の誘電体層を使用している。しかし、熱伝導性粒子は高価であり、その上に設けられる層は、ピンホールを確実に無くすために十分に厚い必要があり、熱抵抗の高い設計になる。この手法には、屈曲した、または平坦ではない構造を加工するための可撓性が不足してしまうこと、そして誘電体材料が放熱体層の表面全体を覆うことから、さらなる制限がある。誘電体層として陽極酸化を使用することは、これらの問題の幾つかを解決しようとしているが、銅は陽極酸化できないため、その放熱体層としてアルミニウムを使用しなければならない。アルミニウムの熱伝導率は、銅のそれよりもはるかに小さいので、これは熱的な欠点となる。しかし、上記の手法はすべて、プリント回路基板および部品を操作する際に有用な放熱特性そのものが、はんだ付け用に点熱源（例えばホットバーボンディング）を必要とする組立工程の妨げになるため、はんだ付けが困難であるのが難点である。
【００１０】
これらの問題の、全部ではないにしても、幾つかを解決するために、伝統的なプリント回路基板を、別の工程で、別の金属放熱体層と結合させることができる。この配置では、プリント回路基板に熱通路（典型的には、銅メッキしたドリル孔）を設け、プリント回路基板の充填していない誘電層を通して効果的に熱を伝導することができるが、これらの方法は、部品間の電気的絶縁を必要としない用途でしか使用できない。
【００１１】
その上、銅またはアルミニウムのような伝統的な放熱材料は、好ましくない大きな重量を基板に加え、これらの材料の熱伝導率（ＣＴＥ）が、ガラス繊維ラミネートと良く適合せず、熱の作用によりプリント回路基板上に物理的応力が生じ、剥離や亀裂を生じる可能性がある。
【００１２】
さらに、これらの基板上の放熱層は、等方性の薄い（その長さおよび幅に対して）金属材料を含むため、熱が放熱体の厚さを通して流れる傾向があり、熱源と直接対向する位置にホットスポットを生じることがある。
【００１３】
上記のように、別の種類の、この業界で「フレキシブル回路」と呼ばれる回路組立構造にも、類似の熱メネイジメントの問題がある。フレキシブル回路は、誘電体層として作用する重合体材料、例えばポリイミドまたはポリエステルの表面上に回路（例えば上記のような銅回路）を設けることにより、形成される。その名前が示すように、これらの回路材料は可撓性を有し、ロール状の回路材料として形成することもでき、これに後で銅またはアルミニウムのような放熱層を結合することができる。フレキシブル回路中の誘電体層は非常に薄いが、それでも特定の設計で熱抵抗をかなり加え、プリント回路基板で観察される問題と同じ問題の幾つかを抱えている。熱通路の使用は、上記の様な電気的に絶縁する用途になお限られている。比較的厚く、堅い金属層（例えば銅やアルミニウム）を使用すると、最終用途で可撓性が重要になる場合に、フレキシブル回路の可撓性の利点を活かすことができなくなることは明らかである。
【００１４】
剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートまたはグラファイト化された重合体フィルム（米国特許第５，０９１，０２５号に記載されており、この文献は、本明細書の開示の一部とされる）から形成された放熱体を使用することにより、グラファイト材料は、銅と比較して重量を８０％軽減でき、プリント回路基板の表面を横切って熱を放散させるのに必要な面内方向における銅の熱伝導率に匹敵するか、または超えることさえあるので、銅またはアルミニウム放熱体の使用で直面する欠点の多くを軽減することができる。
【００１５】
この分野では、一つ以上の層がフレキシブルグラファイトシートからなるラミネートが公知である。これらの構造は、例えばガスケット製造に使用されている（Howardの米国特許第４，９６１，９９１号参照）。Howardは、剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートの間に結合された金属またはプラスチックシートを含む各種のラミネート構造を開示している。Howardは、金属ネットの両側でフレキシブルグラファイトシートを冷間加工し、次いでグラファイトを金属ネットにプレス接着することにより、上記のラミネート構造を作製できることを開示している。Howardは、重合体樹脂被覆した布地を２枚のフレキシブルグラファイトシート間に配置し、重合体樹脂を軟化させるのに十分な温度に加熱することにより、重合体樹脂被覆した布地を２枚のフレキシブルグラファイトシート間に接着し、グラファイトラミネートを製造することも開示している。同様に、Hirschvogelの米国特許第５，５０９，９９３号には、第一工程として、結合すべき表面の一方に界面活性剤を塗布する方法により製造される、フレキシブルグラファイト／金属ラミネートが開示されている。Mercuriの米国特許第５，１９２，６０５号でも、金属、ガラス繊維または炭素でよいコア材料に結合させた、剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートからラミネートを形成している。Mercuriは、エポキシ樹脂および熱可塑性試剤の粒子をコア材料上に堆積させ、次いで硬化させてから、コア材料およびグラファイトをカレンダーロール間に供給し、ラミネートを形成している。
【００１６】
グラファイトラミネートは、それらのガスケット材料における用途に加えて、熱移動または冷却装置としても使用される。熱移動手段としての各種非中空構造の使用もこの分野では公知である。例えば、Banksの米国特許第５，３１６，０８０号および第５，２２４，０３０号には、好適な結合剤で接合したダイヤモンドおよびガスに由来するグラファイト繊維の熱移動装置としての使用が開示されている。そのような装置は、熱を供給源、例えば半導体、から吸熱源に受動的に伝導するために使用される。
【００１７】
上記したように、本発明の放熱材料として使用するのに好ましいグラファイト材料は、剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシート、または重合体材料のグラファイト化により形成されたグラファイトフィルムである。
【００１８】
天然グラファイトは、顕微鏡的尺度で、炭素原子の六角形配列または網目の層平面から形成されている。これらの、六角形に配置された炭素原子の層平面は、実質的に平坦であり、実質的に互いに平行で等間隔になるように配向または配列されている。実質的に平坦で、平行で、等間隔の炭素原子のシートまたは層は、通常、グラフェン層または基底面と呼ばれ、一つに連結または結合されており、それらの群がクリスタライトに配置されている。高度に秩序付けられたグラファイトは、かなりの大きさのクリスタライトからなり、それらのクリスタライトは、相互に高度に整列または配向しており、十分に秩序付けられた炭素層を有する。つまり、高度に秩序付けられたグラファイトは、高度の選択的クリスタライト配向を有する。グラファイトは、異方性構造を有し、従って、方向性が高い多くの特性、例えば熱的および電気的伝導性および流体拡散性、を示すか、または有することに注意すべきである。
【００１９】
手短に言うと、天然グラファイトは、炭素のラミネート構造、すなわち弱いファンデルワールス力により一つに接合された炭素原子の重なり合った層または薄片からなる構造として特徴付けることができる。グラファイト構造を考える時、２つの軸または方向、すなわち「ｃ」軸または方向および「ａ」軸または方向、を指定する。簡単にするために、「ｃ」軸または方向は、炭素層に対して直角の方向と考えることができる。「ａ」軸または方向は、炭素層に対して平行の方向または「ｃ」方向に対して直角の方向と考えることができる。剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートを製造するのに好適なグラファイトは、非常に高度の配向を有する。
【００２０】
上記の様に、炭素原子の平行な層を一つに保持している結合力は弱いファンデルワールス力だけである。天然グラファイトを化学的に処理し、重なり合った炭素層または薄片間の間隔を十分に広げ、その層に対して直角の方向、すなわち「ｃ」方向に大きく拡張し、膨張した、または膨れあがったグラファイト構造を形成することができ、その際、炭素層の薄層特性は実質的に維持されている。
【００２１】
化学的または熱的に膨脹した、より詳しくは、最終的な厚さ、つまり「ｃ」方向寸法が本来の「ｃ」方向寸法の約８０倍以上にも膨張した天然グラファイトフレークを、結合剤を使用せずに形成し、膨張したグラファイトの凝集性の、または一体化されたシート、例えばウェブ、紙、細片、テープ、等を製造することができる。最終的な厚さ、つまり「ｃ」方向寸法が本来の「ｃ」方向寸法の約８０倍以上にも膨張したグラファイト粒子を、一体化されたフレキシブルシートに、結合剤を使用せずに圧縮により形成することは、大きく膨張したグラファイト粒子間に達成される機械的なかみ合わせ力または凝集性により、可能であると考えられる。
【００２２】
シート材料は、膨張グラファイト粒子およびグラファイト層が、非常に大きな圧縮、例えばロールプレス加工により得られるシートの対向面に対して実質的に平行に配向しているために、可撓性に加えて、上記の様に、熱的および電気的な伝導性および流体拡散性に関して、幾分小さいが、出発材料である天然グラファイトに匹敵する高度の異方性を有することも分かっている。この様にして製造されたシート材料は、可撓性に優れ、良好な強度を有し、非常に高度に配向している。これらの特性の優位性をより十分に活かす処理が必要とされている。
【００２３】
手短に言うと、可撓性があり、結合剤を含まない異方性の膨脹した天然グラファイトシート材料、例えばウェブ、紙、細片、テープ、ホイル、マット、等の製造方法は、予め決められた負荷の下で、結合剤の不存在下で、「ｃ」方向寸法が本来の粒子の約８０倍以上にも膨張したグラファイト粒子を圧縮または圧迫し、実質的に平坦で、かつ可撓性を有する一体化されたグラファイトシートを形成することを含む。膨張したグラファイト粒子は、一般的に外観がウォーム状である、または細長く、圧縮された後、圧縮永久ひずみを維持し、シートの対向する主表面と整列している。シートの特性は、圧縮工程の前に、結合剤または添加剤を被覆および／または添加することにより変えることができる（Shaneらの米国特許第３，４０４，０６１号参照）。シート材料の密度および厚さは、圧縮の程度を制御することにより変えることができる。
【００２４】
表面の細部がエンボス加工または成形を必要とする場合、低い密度が有利であり、低密度により、良好な細部を達成することができる。しかし、より高い面内強度および熱伝導率には、一般的に、より緻密なシートが好ましい。典型的には、シート材料の密度は約０．０４ｇ／ｃｍ３〜１．４ｇ／ｃｍ３である。
【００２５】
上記のようにして製造された天然グラファイトシート材料は、グラファイト粒子が、シートの対向する平行な主要表面に対して平行に配向しているために、かなりの程度の異方性を示し、異方性の程度は、シート材料をロールプレス加工し、密度を増加することにより増加する。ロールプレス加工した異方性シート材料では、厚さ、すなわち、対向する平行なシート表面に対して直角の方向は「ｃ」方向を含んでなり、長さおよび幅に沿った、すなわち対向する主要表面に沿った、または平行な方向は、「ａ」方向を含んでなり、シートの熱的特性は、「ｃ」および「ａ」方向で非常に大きく、数等級異なっている。
【００２６】
グラファイト化された重合体フィルムの形成では、重合体状フィルム、例えば芳香族ポリイミドフィルムまたはポリメリトイミドフィルムの固体状態炭化により、結晶化度の高いグラファイトフィルムを形成し、続いて高温熱処理し、形状が変化せずに（大きな収縮は起こるが）炭化したフィルムを形成するが、炭素フィルムは、後に続く不活性雰囲気中での熱処理によっても、グラファイトに転化することができる。
【００２７】
ポリイミドは、様々な電子工学的用途における耐熱性重合体として開発されている。フィルムの特性を特殊な用途に、より効果的に適合させるために、様々な分子構造を有する多種多様なポリイミドフィルムが製造されている。このために、ポリイミドフィルムの品質および組成をグラファイト化技術と組み合わせることにより、様々な特性を有するグラファイトフィルムを得ることができる。
【００２８】
フィルム、例えばポリイミドフィルム、を、先ず炭化工程中の収縮を予想して、切断および成形する。炭化の際、大量の一酸化炭素がフィルムから放出され、フィルムが著しく収縮する。炭化は、２工程で行われ、第一工程は第二工程よりもかなり低い温度で起こる。ポリイミドフィルムの第一炭化工程の際、重量損失は、主としてポリイミドフィルムのイミド部分におけるカルボニル基の開裂によるものである。特に、エーテル酸素が第一工程の最後で失われると思われる。炭化の第二工程では、フィルムのイミド基が分解する際に窒素ガスが放出される。
【００２９】
グラファイト化製法は、高温熱処理を包含し、熱処理の温度により、炭素原子の異なっている整列を引き起こす。特に、選択されたフィルムに応じて、特定温度におけるグラファイト化の後、炭素層積重構造間に細孔が存在する。例えば、２４５０℃で、ポリイミドフィルムは、グラファイト化工程の後、なお乱層構造を有し、平坦になった細孔が炭素層間に配向している。反対に、２５００℃では、同じフィルムの細孔が潰れ、事実上完全な炭素層を有するグラファイト系フィルムになる。
【発明の概要】
【００３０】
本発明の一態様においては、携帯式電子デバイスは、筐体と回路組立構造を有するＬＥＤ光源とを包含する。回路組立構造は、ＬＥＤのオン／オフが、典型的にはＬＥＤが約１秒間以下、より一般的には５００ｍｓ以下、最も一般的には約２５０ｍｓ以下の間オンになるように、反復させるための構造化された電気回路を含む基材を包含する。ＬＥＤは、基材の第一主要表面に隣接して配置され、電気回路に接続される。剥離された天然グラファイトの粒子を圧縮したシートであってよい放熱体は、基材の第二主要表面と熱伝達するように配置され、その際、放熱体の表面積は、基材と接触しているＬＥＤの表面積よりも大きい。放熱体は、光源が１０秒間内に少なくとも２サイクル、サイクル間で最大温度をほとんど上昇させずに、オン／オフを繰り返せるように機能する。
【００３１】
本発明の目的は、放熱能力が改良された回路組立構造を提供することである。
【００３２】
本発明の別の目的は、携帯デバイス中の光源を、オン／オフ反復作動させて使用するための放熱体を提供することである。
【００３３】
本発明の別の目的は、放熱体およびそれを取り付けた基材およびＬＥＤを、携帯デバイス中に容易に設置できるように、フレキシブル材料から製造された放熱体を提供することである。
【００３４】
本発明のさらに別の目的は、携帯デバイスにおけるＬＥＤ用の、強度、明るさ、輝度および／または発光度を高くして光源を作動させることができる、回路組立構造を提供することである。
【００３５】
これらの、および他の目的は、グラファイト材料製の放熱体を、携帯デバイス中で放熱体に取り付けた基材上に設置した光源と共に使用する本発明により、達成される。
【００３６】
本発明の他の、ならびにさらなる目的、特徴および利点は、添付の図面を参照しながら下記の開示を読むことにより、当業者は容易に理解できる。
【発明の詳細な説明】
【００３７】
本発明は、携帯デバイス内で反復作動する光源の熱的動作は、グラファイト製の放熱体を加えることにより、著しく改良できるという知見に基づくものである。好ましくは、ＬＥＤである光源を、電力レベルを大きく増大させて作動させ、従って、照明を改良し、それでも著しく低い温度で作動させることができる。放熱体としてグラファイトを使用することにより、機械的ファクターも向上し、例えば、携帯デバイス内に組立構造を容易に設置することができる。
【００３８】
用語「回路組立構造」とは、誘電体材料上に配置された１個以上の電子回路を包含する組立構造を意味し、１個以上の回路が誘電体材料の層間に挟まれているラミネートを包含することができる。回路組立構造の具体的な例は、当業者には周知のプリント回路基板およびフレキシブル回路である。
【００３９】
本発明が現在の材料を改良する方法を説明する前に、本発明の製品を形成するための主要放熱体になるグラファイトおよびそのフレキシブルシートへの形成を簡潔に説明する。
【００４０】
天然グラファイトは、平坦な層状平面で共有結合した原子を含んでなり、平面間で弱く結合した結晶形態の炭素である。天然グラファイトフレークを、例えば硫酸および硝酸の溶液のインターカレート(intercalant)で処理することにより、グラファイトの結晶構造が反応し、グラファイトとインターカレートの化合物を形成する。処理したグラファイト粒子を、以下、「インターカレーション処理されたグラファイトの粒子」と呼ぶ。高温にさらすことにより、グラファイト中のインターカレートが分解して揮発し、インターカレーション処理されたグラファイトの粒子を、「ｃ」方向で、すなわちグラファイトの結晶平面に対して直角の方向で、アコーディオン状に、その本来の体積の約８０倍以上もの寸法で膨張させる。剥離されたグラファイト粒子は、細長い外観を呈するので、一般的にウォームと呼ばれる。これらのウォームを一緒に圧縮し、フレキシブルシートを形成することができるが、これらのシートは、本来のグラファイトフレークと異なり、様々な形状に成形および切断することができる。
【００４１】
本発明で使用するのに好適な天然グラファイト出発材料は、有機および無機酸ならびにハロゲンでインターカレーション処理し、次いで加熱した時に膨脹することができるグラファイト化度の高い炭素質材料を包含する。これらのグラファイト化度の高い炭素質材料は、最も好ましくは約１．０のグラファイト化度を有する。本発明で使用する用語「グラファイト化度」は、下記式：
【数１】
2007227880.tif 000003
に従う値を意味する。ここでｄ（００２）は、オングストローム単位で測定した結晶構造中にある炭素のグラファイト層間における間隔である。グラファイト層間の間隔ｄは標準的なＸ線回折技術により測定される。（００２）、（００４）および（００６）ミラー指数に対応する回折ピークの位置を測定し、標準的な最小二乗技術を使用し、これらのピークすべてに対する総誤差を最小にする間隔を導く。グラファイト化度の高い炭素質材料の例としては、様々な供給源から得られる天然グラファイトがある。
【００４２】
本発明で使用するフレキシブルシート用のグラファイト出発材料は、出発材料の結晶構造が必要なグラファイト化度を維持し、剥離可能である限り、非グラファイト成分を含むことができる。一般的に、結晶構造が必要なグラファイト化度を有し、剥離可能である炭素含有材料はすべて、本発明で使用するのに好適である。その様なグラファイトは、好ましくは純度が少なくとも８０重量％である。より好ましくは、本発明で使用するグラファイトは、純度が少なくとも約９４％である。最も好ましい実施態様では、使用するグラファイトの純度が少なくとも約９８％である。
【００４３】
天然グラファイトシートの一般的な製造方法は、Shaneらの米国特許第３，４０４，０６１号に記載されている（この全文は、引用されることにより本明細書の開示の一部とされる）。Shaneらの方法の典型的な実施では、例えば硝酸および硫酸の混合物を、好ましくはグラファイトフレーク１００重量部あたりインターカレート溶液約２０〜約３００重量部（ｐｐｈ）のレベルで含む溶液中にフレークを分散させることにより、天然グラファイトフレークをインターカレーション処理する。インターカレーション溶液は、この分野で公知の酸化剤および他のインターカレーション剤を含む。例としては、酸化剤および酸化性混合物を含む溶液、例えば硝酸、塩素酸カリウム、クロム酸、過マンガン酸カリウム、クロム酸カリウム、二クロム酸カリウム、過塩素酸等、または混合物、例えば、濃硝酸と塩素酸塩、クロム酸とリン酸、硫酸と硝酸、または強有機酸の混合物、例えばトリフルオロ酢酸、および有機酸に可溶な強酸化剤、を含む溶液が挙げられる。あるいは、電位を利用してグラファイトの酸化を引き起こすこともできる。電解酸化を利用してグラファイト結晶中に導入することができる化学種としては、硫酸ならびに他の酸がある。
【００４４】
好ましい実施態様においては、インターカレーション剤は、硫酸、または硫酸およびリン酸、と酸化剤、すなわち硝酸、過塩素酸酸、クロム酸、過マンガン酸カリウム、過酸化水素、ヨウ素酸または過ヨウ素酸、等、との混合物の溶液である。あまり好ましくはないが、インターカレーション溶液は、金属ハロゲン化物、例えば塩化第二鉄、および硫酸と混合した塩化第二鉄、またはハロゲン化物、例えば臭素と硫酸の溶液として、または臭素の有機溶剤溶液として、臭素を含むこともできる。
【００４５】
インターカレーション溶液の量は、約２０〜約３５０ｐｐｈ、より典型的には約４０〜約１６０ｐｐｈである。フレークをインターカレーション処理した後、過剰の溶液はすべてフレークから排出し、フレークを水洗する。あるいは、インターカレーション溶液の量を約１０〜約４０ｐｐｈに制限することができ、これによって、米国特許第４，８９５，７１３号（この全文は、引用されることにより本明細書の開示の一部とされる）に開示されているように、洗浄工程を無くすことができる。
【００４６】
インターカレーション溶液で処理したグラファイトフレークの粒子は、所望により、例えば混合により、温度２５℃〜１２５℃で酸化性インターカレーション溶液の表面被膜と反応し得る、アルコール、糖、アルデヒドおよびエステルから選択された有機還元剤と接触させることができる。好適な、具体的な有機試剤としては、ヘキサデカノール、オクタデカノール、１−オクタノール、２−オクタノール、デシルアルコール、１，１０デカンジオール、デシルアルデヒド、１−プロパノール、１，３−プロパンジオール、エチレングリコール、プロピレングリコール、デキストロース、フルクトース、ラクトース、スクロース、ジャガイモデンプン、エチレングリコールモノステアレート、ジエチレングリコールジベンゾエート、プロピレングリコールモノステアレート、グリセロールモノステアレート、ジメチルオキシレート、ジエチルオキシレート、メチルホルメート、エチルホルメート、アスコルビン酸およびリグニンに由来する化合物、例えばリグノ硫酸ナトリウムがある。有機還元剤の量は、グラファイトフレーク粒子の約０．５〜４重量％であるのが好適である。
【００４７】
インターカレーションの前、最中または直後に膨脹助剤を塗布することによっても改良することができる。これらの改良には、剥離温度の低下および膨脹体積（「ウォーム体積」とも呼ばれる）の増加が含まれる。本明細書における膨脹助剤は、膨脹の改良を達成できるように、インターカレーション溶液に十分に可溶な有機材料が有利である。より詳しくは、好ましくは炭素、水素および酸素のみを含む、この種の有機材料を使用するとよい。カルボン酸が特に効果的であることが分かっている。膨脹助剤として有用な、好適なカルボン酸は、少なくとも一個の炭素原子、好ましくは約１５個までの炭素原子を有し、インターカレーション溶液中に、剥離の一つ以上の特徴を大きく改善するのに有効な量で溶解し得る、芳香族、脂肪族または環状脂肪族、直鎖状または分岐鎖状の、飽和および不飽和モノカルボン酸、ジカルボン酸およびポリカルボン酸から選択される。有機膨脹助剤のインターカレーション溶液に対する溶解度を改良するために、好適な有機溶剤を使用することができる。
【００４８】
飽和脂肪族カルボン酸の代表例は、例えば式Ｈ（ＣＨ２）ｎＣＯＯＨを有し、ｎが０〜約５の数である酸であり、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、ペンタン酸、ヘキサン酸、等を包含する。カルボン酸の代わりに、酸無水物または反応性カルボン酸誘導体、例えばアルキルエステル、も使用できる。アルキルエステルの代表例は、ギ酸メチルおよびギ酸エチルである。硫酸、硝酸および他の公知の水性インターカレートは、ギ酸を最終的に水および二酸化炭素に分解する能力を有する。このため、ギ酸および他の敏感な膨脹助剤をグラファイトフレークと接触させた後で、水性インターカレートにフレークを浸漬するのが有利である。ジカルボン酸の代表例は、２〜１２個の炭素原子を有する脂肪族ジカルボン酸、特にシュウ酸、フマル酸、マロン酸、マレイン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、１，５−ペンタンジカルボン酸、１，６−ヘキサンジカルボン酸、１，１０−デカンジカルボン酸、シクロヘキサン−１，４−ジカルボン酸および芳香族ジカルボン酸、例えばフタル酸またはテレフタル酸である。アルキルエステルの代表例は、シュウ酸ジメチルおよびシュウ酸ジエチルである。環状脂肪族酸の代表例は、シクロヘキサンカルボン酸であり、芳香族カルボン酸の代表例は、安息香酸、ナフトエ酸、アントラニル酸、ｐ−アミノ安息香酸、サリチル酸、ｏ−、ｍ−およびｐ−トリル酸、メトキシおよびエトキシ安息香酸、アセトアセタミド安息香酸およびアセトアミド安息香酸、フェニル酢酸およびナフトエ酸である。ヒドロキシ芳香族酸の代表例は、ヒドロキシ安息香酸、３−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、３−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、４−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−１−ナフトエ酸、５−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸、６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸および７−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸である。ポリカルボン酸の中ではクエン酸が特記される。
【００４９】
インターカレーション溶液は、水性であり、剥離を強化するのに有効な量、好ましくは約１〜１０％の膨脹助剤を含む。膨脹助剤をグラファイトフレークと、インターカレーション水溶液中に浸漬する前または後に接触させる実施態様では、膨脹助剤をグラファイトと、典型的にはグラファイトフレークの約０．２〜約１０重量％の量で、好適な手段、例えばＶ−ブレンダー、により混合することができる。
【００５０】
グラファイトフレークをインターカレーション処理し、インターカレート被覆した、インターカレーション処理したグラファイトフレークを有機還元剤と混合した後、その混合物を温度２５〜１２５℃にさらし、還元剤とインターカレート被覆の反応を促進する。加熱期間は約２０時間までであり、上記範囲中の高い温度では、より短く、例えば少なくとも約１０分間である。高い温度では、半時間以下、例えば１０〜２５分間のオーダーの時間でよい。
【００５１】
この様に処理したグラファイトの粒子は、「インターカレーション処理したグラファイトの粒子」と呼ばれることがある。高温、例えば少なくとも約１６０℃、特に約７００℃〜１０００℃以上の温度、にさらすことにより、インターカレーション処理されたグラファイトの粒子は、ｃ−方向で、すなわち構成するグラファイト粒子の結晶面に対して直角の方向で、アコーディオン状に、その本来の体積の約８０〜１０００倍以上にも膨張する。膨脹した、すなわち剥離されたグラファイト粒子は、細長い外観を呈するので、一般的にウォームと呼ばれる。これらのウォームを一緒に圧縮し、フレキシブルシートを形成することができるが、これらのシートは、本来のグラファイトフレークと異なり、様々な形状に成形および裁断することができる。
【００５２】
グラファイトシートおよびホイルは、凝集性であり、良好な取扱強度を有し、例えばロールプレス加工により、厚さ約０．０７５ｍｍ〜３．７５ｍｍ、典型的な密度約０．１〜１．５グラム／立方センチメートル（ｇ／ｃｍ３）に効果的に圧縮される。米国特許第５，９０２，７６２号（ここに参考として含める）に開示されているように、約１．５〜３０重量％のセラミック添加剤をインターカレーション加工したグラファイトフレークと混合し、最終的なフレキシブルグラファイト製品の樹脂含浸性を高めることができる。これらの添加剤は、長さ約０．１５〜１．５ミリメートルのセラミック繊維粒子を含む。粒子の幅は約０．０４〜０．００４ｍｍが好適である。セラミック繊維粒子は、グラファイトに対して非反応性で非粘着性であり、約１１００℃までの、好ましくは約１４００℃以上の温度で安定している。好適なセラミック繊維粒子は、細断した石英ガラス繊維、炭素およびグラファイト繊維、ジルコニア、窒化ホウ素、炭化ケイ素およびマグネシア繊維、天然鉱物繊維、例えばメタケイ酸カルシウム繊維、ケイ酸カルシウムアルミニウム繊維、酸化アルミニウム繊維、等から形成される。
【００５３】
グラファイトフレークをインターカレーション処理し、剥離させるための上記の方法は、ここにその開示を参考として含める国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０２／３９７４９号に記載されているように、グラファイトフレークをグラファイト化温度、すなわち約３０００℃以上の温度で前処理し、潤滑性添加剤のインターカレート中に包含することにより、有利に増強することができる。
【００５４】
グラファイトフレークの前処理、つまりアニーリング、により、続いてフレークをインターカレーション処理および剥離にかけた時に、膨脹が大幅に増大する（すなわち、膨脹体積が３００％以上増加する）。実際、好ましいことに、膨脹の増加は、アニーリング工程を含まない類似の処理と比較して、少なくとも約５０％である。アニーリング工程に使用する温度は、１００℃低い温度でも膨脹はかなり小さくなるので、３０００℃を大きく下回るべきではない。
【００５５】
本発明のアニーリングは、インターカレーションおよびそれに続く剥離により、高い膨脹度を有するフレークを得るのに十分な時間行う。典型的には、必要な時間は１時間以上、好ましくは１〜３時間であり、不活性環境中で行うのが最も有利である。最大限の有利な結果を得るには、アニーリング処理したグラファイトフレークを、この分野で公知の他の処理、すなわち有機還元剤、インターカレーション助剤、例えば有機酸、の存在下でのインターカレーション処理、およびインターカレーション処理に続く界面活性剤洗浄、にもかけ、膨脹度を増大させる。その上、最大限の有利な結果を得るには、インターカレーション処理工程を繰り返すとよい。
【００５６】
本発明で使用する、３０００℃の範囲内にある温度はグラファイト化製法で見られる範囲の上限にあるので、本発明のアニーリング工程は、誘導炉または他の、この分野でグラファイト化に公知であり、認められているそのような装置中で行うことができる。
【００５７】
インターカレーション前のアニーリングにかけたグラファイトを使用して製造されたウォームは、一つに「固まる」場合があり、坪量(area weight)の均質性に悪影響を及ぼすことが観察されているので、「自由流動性」ウォームの形成を助ける添加剤が非常に好ましい。インターカレーション溶液に潤滑性添加剤を加えることにより、グラファイトウォームをフレキシブルグラファイトシートに圧縮（または「カレンダー加工」）するのに従来から使用されている圧縮装置の床（例えばカレンダー加工区域の床）を横切って、ウォームをより一様に配分することができる。従って、得られるシートは、坪量の均質性が高くなり、引張強度が大きくなる。潤滑性添加剤は、好ましくは長鎖炭化水素、より好ましくは少なくとも約１０個の炭素を有する炭化水素である。長鎖炭化水素基を有する他の有機化合物も、他の官能基が存在していても、使用できる。
【００５８】
より好ましくは、潤滑性添加剤は油であり、特に鉱油は不快臭や臭気を発し難いことを考えると、鉱油が最も好ましいが、これは長期間の貯蔵には重要なことである。上に詳細に説明した特定の膨脹助剤も潤滑性添加剤の定義に適合することが分かる。これらの材料を膨脹助剤として使用すると、インターカレートに別の潤滑性添加剤を含まなくてもよい場合がある。
【００５９】
潤滑性添加剤は、インターカレート中に少なくとも約１．４ｐｐｈ、より好ましくは少なくとも約１．８ｐｐｈの量で存在する。潤滑性添加剤を含む上限は、下限ほど重要ではないが、約４ｐｐｈを超えるレベルで潤滑性添加剤を含んでも、それに見合う程の利点は見られない。
【００６０】
本発明の天然グラファイトシートは、所望により、Reynolds、NorleyおよびGreinkeの米国特許第６，６７３，２８９号（この全文は、引用されることにより本明細書の開示の一部とされる）に記載されているように、新しく膨脹させたウォームではなく、再粉砕したフレキシブルグラファイトシートの粒子を利用することもできる。これらのシートは、新しく形成されたシート材料、循環使用された材料、スクラップシート材料、あるいは他のいずれかの好適な供給源でもよい。
【００６１】
また、本発明の方法は、未使用材料と循環使用材料の混合物も使用できる。
【００６２】
循環使用材料用の供給源材料は、上記のように圧縮成形されたシートまたはシートの切り取り部分、または例えば予備カレンダー加工ロールで圧縮してあるが、樹脂含浸していないシートでよい。さらに、供給源材料は、樹脂含浸してあるが、まだ硬化させていないシートまたはシートの切り取り部分、または樹脂含浸し、硬化させたシートまたはシートの切り取り部分でもよい。供給源材料は、循環使用するフレキシブルグラファイトプロトン交換メンブラン（ＰＥＭ）燃料電池部品、例えばフローフィールドプレートまたは電極、でもよい。グラファイトの各種供給源のそれぞれは、そのまま、または天然グラファイトフレークと混合して使用することができる。
【００６３】
フレキシブルグラファイトシートの供給源材料を入手した後、公知の処理または装置、例えばジェットミル、エアミル、ブレンダー、等、により粉砕し、粒子を製造することができる。好ましくは、粒子の大部分は、２０ＵＳメッシュを通過し、より好ましくは主要部分（約２０％を超える、最も好ましくは約５０％を超える）が８０ＵＳメッシュを通過しないような直径を有する。最も好ましくは、粒子は、約２０メッシュ以下の粒子径を有する。フレキシブルグラファイトが樹脂含浸されている場合、粉砕工程の際に樹脂系に対する熱損傷を避けるために、粉砕する時に冷却するのが好ましい場合がある。
【００６４】
粉砕した粒子のサイズは、グラファイト製品の機械加工性および成形性と、所望の熱的特性が釣り合うように、選択することができる。例えば、小さな粒子は、容易に機械加工および／または成形できるグラファイト製品を与えるのに対し、大きな粒子は、異方性が高く、従って、面内の電気的および熱的伝導性が高いグラファイト製品を与える。
【００６５】
供給源材料を粉砕した後、その材料を再度膨脹させる。再膨脹は、上記のインターカレーションおよび剥離工程、およびShaneらの米国特許第３，４０４，０６１号およびGreinkeらの米国特許第４，８９５，７１３号に記載されている方法を使用して行うことができる。
【００６６】
典型的には、インターカレーションの後、インターカレーション処理した粒子を炉中で加熱することにより、粒子を剥離させる。この剥離工程の際、インターカレーション処理された天然グラファイトフレークを、循環使用されるインターカレーション処理された粒子に加えることができる。好ましくは、再膨脹工程の際、粒子は、少なくとも約１００ｃｃ／ｇ〜約３５０ｃｃ／ｇ以上の範囲内の比体積を有するように膨脹させる。最後に、再膨脹工程の後、再膨脹した粒子を、上記のようにフレキシブルシートに圧縮することができる。
【００６７】
本発明により、上記のようにして製造したグラファイトシート（典型的には厚さが約０．０７５ｍｍ〜約１０ｍｍであるが、厚さは、例えば使用する圧縮度に応じて変えることができる）樹脂で処理することができ、吸収された樹脂は、硬化後、シートの耐湿性および取扱強度、すなわち剛性、を高めると共に、シートの形状を「固定する」。エポキシ含浸したグラファイトシート中の樹脂量は、最終的に組み立てた、硬化した層状構造が緻密で凝集性であり、緻密化されたグラファイト構造に関連する異方性熱伝導率が悪影響を受けていないことが保証されるのに十分な量である。好適な樹脂含有量は、好ましくは少なくとも約５重量％、より好ましくは約１０〜３５重量％、好適には約６０重量％までである。
【００６８】
本発明の実施に特に有用であることが分かっている樹脂としては、アクリル、エポキシおよびフェノールを基剤とする樹脂系、フルオロ系重合体、またはそれらの混合物が挙げられる。好適なエポキシ樹脂系には、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（ＤＧＥＢＡ）を基剤とする系、および他の多官能性樹脂系があり、使用できるフェノール系樹脂としては、レゾールおよびノボラックフェノール系がある。所望により、フレキシブルグラファイトは、樹脂に加えて、または樹脂の代わりに、線維および／または塩を含浸させることができる。さらに、反応性または非反応性添加剤を樹脂系と併用し、特性（例えば粘着性、材料流動性、疎水性等）を変えることができる。
【００６９】
樹脂含浸され、圧縮されたフレキシブルグラファイト材料を連続的に形成する装置の一種類は、Mercuri、Capp、WarddripおよびWeberらの米国特許第６，７０６，４００号（この全文は、引用されることにより本明細書の開示の一部とされる）に記載されている。
【００７０】
剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートが樹脂含浸されている場合、圧縮工程（例えばカレンダー加工による）に続いて、含浸された材料を適当な大きさの断片に切断し、プレス中に配置し、そこで樹脂を高温で硬化させるのが有利である。さらに、天然グラファイトシートは、個々のグラファイトシートをプレス中に積み重ねることにより製造できるラミネートの形態でも使用できる。
【００７１】
プレス中で使用する温度は、グラファイト構造が硬化圧で緻密化するが、構造の熱的特性は悪影響を受けないことが保証されるのに十分な温度にすべきである。一般的に、これには少なくとも約９０℃、一般的には約２００℃までの温度が必要である。最も好ましくは、硬化は約１５０℃〜２００℃で行う。硬化に使用する圧力は、使用する温度によって幾分異なるが、構造の熱的特性に悪影響を及ぼさずに、グラファイト構造が確実に緻密化するのに十分な圧力である。一般的に、製造し易いように、構造を必要な程度に緻密化するのに必要な最小圧を使用する。そのような圧力は、一般的に少なくとも約７メガパスカル（ＭＰａ、約１０００ポンド／平方インチに等しい）であり、約３５ＭＰａ（約５０００ｐｓｉに等しい）を超える必要はなく、より一般的には約７〜約２１ＭＰａ（１０００〜３０００ｐｓｉ）である。硬化時間は、使用する樹脂系および温度と圧力によって異なるが、一般的には約０．５時間〜２時間である。硬化が完了した後、材料は、密度が少なくとも約１．８ｇ／ｃｍ３、一般的には約１．８ｇ／ｃｍ３〜２．０ｇ／ｃｍ３である。
【００７２】
天然グラファイトシートが、それ自体ラミネートとして形成されている場合、含浸されたシート中に存在する樹脂はラミネートのための接着剤として作用し得るのが有利である。しかし、本発明の別の実施態様では、カレンダー加工され、含浸されたフレキシブルグラファイトシートに接着剤を塗布してから、フレキシブルシートを積み重ね、硬化させる。好適な接着剤としては、エポキシ、アクリル、およびフェノール系樹脂がある。本発明の実施で特に有用であることが分かっているフェノール系樹脂としては、レゾールおよびノボラックフェノール化合物を包含するフェノール系樹脂系が挙げられる。
【００７３】
カレンダー加工または成形によるシートの形成が、本発明の実施で有用なグラファイト材料の最も一般的な形成方法であるが、他の形成方法も使用できる。
【００７４】
上記のように、使用するグラファイトは、グラファイト化された重合体フィルムであってよい。
【００７５】
本発明の放熱体として使用するには、グラファイトシートは、銅の重量画分で、銅の面内熱伝導率と同等またはそれ以上の熱伝導率を有する。より詳しくは、この複合材料は、面内熱伝導率が少なくとも約２２０Ｗ／ｍ°Ｋ、より好ましくは少なくとも約３００Ｗ／ｍ°Ｋであり、面貫通熱伝導率が約１５Ｗ／ｍ°Ｋ未満、より好ましくは約１０Ｗ／ｍ°Ｋ未満である。
【００７６】
図１〜３に示す先行技術の構造
ここで、図１〜３に関し、携帯デバイス、例えば携帯電話における典型的な従来の、先行技術によるフラッシュＬＥＤの構造を示す。
【００７７】
図１に、携帯電話１０の後立面図を示す。携帯電話１０は、後方に面したカメラ１２、およびそのカメラ１２に隣接する光源１４を包含する。
【００７８】
携帯電話１０の筐体内にある回路組立構造１８の一般的な位置を、図２および３に拡大図で、破線で番号１６により示す。
【００７９】
回路組立構造１８は、補強材パッド２４により支持されているフレキシブル回路２２の上には位置されたフラッシュＬＥＤ２０を包含する。
【００８０】
典型的な先行技術のカメラ、例えばNokia Mode l6280においては、ＬＥＤ２０は、おおよその長さ２６が２．０ｍｍ、幅２８が１．６ｍｍ、厚さ３０が０．７ｍｍであるLumileds LUXEONフラッシュモデルLXCL-PWF1でよい。フレキシブル回路２２は、ポリイミドベース上に形成され、長さ３２が５ｍｍ、幅３４が５ｍｍ、図３に示す厚さが０．０２５４ｍｍである。ポリイミドベースフレキシブル回路２２は、熱伝導率が０．３７Ｗ／ｍＫである。ポリイミド材料は、より一般的には誘電体層と呼ばれ、重合体材料またはセラミック層、例えばアルミナ、から形成することもできる。
【００８１】
補強材パッド２４は、フレックスシェル２４と等しい長さおよび幅寸法３２および３４、すなわち５ｍｍ×５ｍｍを有し、図３に示す厚さ３６が０．３８１ｍｍである。補強材パッド２４は、熱伝導率が約０．４Ｗ／ｍＫであるＦＲ４のような材料であることが多い。
【００８２】
携帯電話１０は、長さ１１が３．０インチ、幅１３が１．５インチであり、図１の平面に対して直角の厚さ（図示せず）が約０．２５インチである。
【００８３】
図１〜３に示す先行技術の設計は、典型的にはフラッシュモードで電力５００ｍＡ、トーチモードでは僅か１００ｍＡで作動する。トーチモードは、ビデオ撮影に使用できるが、現在の主な用途は、周囲の光が不十分である時の、スチールカメラの自動焦点機能である。これは、画像品質に直接影響を及ぼす。
【００８４】
図４〜１０に示す本発明の構造
ここで、図１０に関して、本発明の携帯電話または他の携帯式電子デバイス１００を示す。装置１００は、その中に配置されたカメラ１０２およびカメラ１０２に隣接するＬＥＤ光源１０４を有する。ＬＥＤ光源１０４およびその関連する回路組立構造１１０の外側輪郭を破線１０６で示す。
【００８５】
図４は、装置１００のＬＥＤ光源１０４に使用する回路組立構造１１０の立面図を示す。
【００８６】
図６、７、８および９は、すべて、図４の線Ｘ−Ｘに沿って見た回路組立構造１１０の断面図であり、図６、７、８および９のそれぞれが回路組立構造１１０の異なっている構造を示す。図６、７、８および９の実施態様は、それぞれ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃおよび１１０Ｄと等しい。
【００８７】
それぞれの場合、回路組立構造１１０は、基材１１２を包含し、その基材は電気回路１１３を包含する。図６から分かるように、基材１１２は、一般的に平坦な第一および第二の主要表面１１４および１１６を有する。図６に示す実施態様では、基材１１２Ａはフレキシブル回路である。基材１１２Ａは、誘電体層、例えばポリイミドのような重合体材料から形成された層を包含する。
【００８８】
図４の立面図では、基材１２は長方形であるが、無論、基材１１２は、長方形、円形または不規則形であれ、所望のどのような形状でも有することができる。
【００８９】
回路組立構造１１０は、基材１１２の第一主要平面１１４に隣接して配置され、電気回路１１３に接続された発光ダイオード（ＬＥＤ）１２２を包含する。複数のＬＥＤ光源も使用できる。ＬＥＤ１２２は、ＬＥＤ１２２の特定の表面積を横切って基材１１２の表面１１４と接触しており、輪郭１２２ａで示す特定の面積にわたって基材１１２の表面１１４と熱的に接触している（熱的接触とは、ＬＥＤ１２２から放出された熱が輪郭１２２ａを横切って基材１１２に伝達されるような、十分に密接な空間的関係を意味する）。
【００９０】
回路組立構造１１０は、グラファイトから構築された放熱体１２４をさらに包含し、この放熱体は、一般的に剥離されたグラファイトの粒子を圧縮したシートまたはグラファイト化された重合体フィルムを包含する。放熱体１２４は、上記のように、所望のどのような厚さでもよく、複数のグラファイトシートを張り合わせたものでもよい。放熱体１２４は、基材１１２の第二の主要平面１１６と熱を伝達する関係にある。放熱体１２４自体の表面積は、図４から分かるように、ＬＥＤ１２２の輪郭１２２ａより大きい。図４から明らかなように、最大放熱体寸法１２６は、ＬＥＤ１２２の輪郭１２２ａより大きく、これが、熱エネルギーの放散を改良し、ＬＥＤ１２２の最高温度を下げる。
【００９１】
図４におけるＬＥＤ１２２および基材またはフレキシブル回路１１２の寸法は、例えば図２および３に関して上に説明した先行技術のＬＥＤ２０およびフレキシブル回路２２の寸法と同等でよい。従って、ＬＥＤ１２２は、図４で分かるように長方形ＬＥＤ１２２の対角線でよい最大ＬＥＤ寸法を有し、これは最大放熱体寸法１２６より小さい。
【００９２】
ＬＥＤ１２２および放熱体１２４は、基材１１２の第一および第二主要平面１１４および１１６に、直接、または様々な熱的界面、例えばサーマルグリース、フレキシブルグラファイト材料の薄いシート、または部品間に熱伝導性を与える他の界面により、取り付けることができる。あるいは、ＬＥＤ１２２および放熱体１２４は、基材１１２の第一および第二主要平面１１４および１１６に、接着剤を使用して、はんだにより、または取付手段を一切使用せずに、取り付けることもできる。
【００９３】
図６に示すフレキシブル回路上の回路１１３は、通常、写真平版印刷法、スパッタリング、スクリーン印刷、等により誘電体層に付けた銅から形成される。この回路は、印刷またはシルクスクリーン印刷方法により誘電体に塗布した導電性インクから形成することもできる。
【００９４】
図７は、熱通路１２８を追加し、その上にＬＥＤ１２２を取り付けた以外は、図６の実施態様と類似の、別の実施態様を示す。熱通路は、熱伝導性の高い材料、例えば銅、の円筒形スラグでよく、図７に示すように、通路１２８は、基材またはフレキシブル回路１１２Ｂを通り、放熱体１２４Ｂのグラファイト材料の中に入り、その中を通って伸びている。
【００９５】
熱通路１２８は、多くの異なった方法で構築することができ、本発明の譲受人に譲渡された、「通路を含む放熱体」と題する、２００６年１月５日提出の米国特許継続出願第１１／３３９，３３８号（この全文は引用されることにより本明細書の開示の一部とされる）に記載されている熱通路の実施態様のいずれであってもよい。熱通路１２８は、基材１１２Ｂを通り、放熱体１２４Ｂと熱的に係合し、その熱通路１２８の上にＬＥＤ１２２を取り付ける。
【００９６】
図８は、回路組立構造の別の実施態様１１０Ｃを示す。図８の実施態様では、補強材パッド１３０が、基材１１２とグラファイト放熱体１２４との間に配置されている。この場合、パッド１３０およびフレキシブル回路１１２を、まとめて基材として定義し、その基材の第一主要平面１１４Ｃの上にＬＥＤ１２２を取り付け、放熱体１２４を基材の第二主要平面１１６Ｃに取り付けることができる。
【００９７】
図９に示す回路組立構造の最後の変形１１０Ｄは、基材１１２Ｄ上に取り付けたＬＥＤ１２２を有し、基材は、この実施態様では、ＦＲ４材料から製造されたプリント回路基板であり、その上に電気回路１１３が印刷されている。ＬＥＤ１２２は、プリント回路基板１１２Ｄの第一主要平面１１４Ｄ上に取り付けてあり、放熱体１２４は、プリント回路基板１１２Ｄの第二主要平面１１６Ｄ上に取り付けてある。
【００９８】
プリント回路基板１１２Ｄでは、誘電体層が、プリント回路基板業界で通常の層、例えば、好ましくはラミネートとして形成された樹脂を含むガラス繊維（ＦＲ４）、商品名テフロン（登録商標）材料として市販のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、およびｅＰＴＦＥと呼ばれることもある膨脹ＰＴＦＥ、ならびにこれらの樹脂を含浸した、または染み込ませたもの、セラミック、例えばアルミナ、等でよい。
【００９９】
図５は、回路組立構造１１０に対する別の変形を示し、この場合、１１０Ｅで示す。図５の回路組立構造１１０Ｅと、図４の回路組立構造１１０の違いは、単に基材１１２を放熱体１２４上の所望の位置に配置でき、図４に示すように中央に配置する必要がないことである。最適な熱分布は、典型的には熱源を放熱体１２４上の中央に置くことにより得られるが、これが必要という訳ではなく、放熱体１２４の面内熱伝導性が非常に高いので、熱源を放熱体１２４の中央から外して取り付けても、非常に妥当な結果が得られることが分かる。
【実施例】
【０１００】
比較データ
本発明の性能データを、図１〜３に示すような先行技術の装置と比較して行った下記の考察は、グラファイト基材１１２の上に取り付けた５ｍｍ×５ｍｍのフレキシブル回路１１２上にＬＥＤ１２２を取り付けた、図６の実施態様に焦点を当てて行う。図１１〜１７のデータは、コンピュータモデル形成により発生させた。
【０１０１】
ＬＥＤ１２２をカメラ１０２用の光源として使用する典型的な携帯デバイスでは、光源を２つのモードの一方で作動させることができる。フラッシュモードと呼ばれる第一のモードは、その名前が意味するように、非常に明るい光強度を、非常に短い時間内で使用し、写真撮影の瞬間に光を与える。第二の作動モードは、「トーチ」モードと呼ばれ、この場合、光源は低い強度で、ただし、ビデオ撮影の時に望まれるように、より長い時間作動させる。
【０１０２】
図１１および図１２は、温度と時間の関係を、図１〜３の先行技術に関して図１１に、図４および６に示す本発明に関して図１２に示すグラフである。
【０１０３】
それぞれの場合に示す温度は、ＬＥＤ１２２自体（図には示していない）内のｐ−ｎ接合部における温度であり、この温度は、典型的にはこの業界でＴｊと呼ばれる。図１１および１２で解析するフラッシュモードは、２５０ｍｓのパルスで発生させた３．０Ｗフラッシュとしてモデル化し、回復時間を２．５秒間にした。３．０Ｗのフラッシュモードは、３．７５Ｖにおける８００ｍＡに相当する。
【０１０４】
図１１に示すように、先行技術の装置では、第一フラッシュに対する作動温度が約１１０℃に達し、２．５秒間のサイクル時間内に約７５℃にしか冷却されず、第二フラッシュは作動温度が約１７０℃になった。図１１で分かるように、先行技術の装置は作動温度が連続的に益々高くなり、第三フラッシュですでに作動温度は実質的に２００℃を超えている。
【０１０５】
これに対して図１２に示す本発明では、第一フラッシュで作動温度が約８０℃に達しただけであり、２．５秒間のサイクル時間の間に常温近くに回復し、第二および第三のフラッシュも、８０℃を僅かに超える作動温度に達しただけである。従って、本発明により、フラッシュモードで操作して、カメラは、８０℃を僅かに超える非常に妥当な作動温度で２．５秒間毎に繰り返しフラッシュすることができるのに対し、先行技術では僅か数フラッシュで、許容できない作動温度に急速に達している。
【０１０６】
図１２のデータに示すように、放熱体１２４は、ＬＥＤ１２２がフラッシュモードで、少なくとも約２５０ｍｓのフラッシュ持続時間で、約２秒間以内の回復時間で、約２０℃の常温で作動できるようなサイズを有する。これによって、使用者は、先行技術の装置で可能であるよりも、はるかに明るい写真を撮ることができ、１分あたり、より多くのフラッシュ写真を撮ることができる。
【０１０７】
図１２に示すフラッシュモードのモデル化では、放熱体１２４は、Advanced Energy Technology社から市販されているSPREADER SHIELD（商品名）天然グラファイト材料で構築した、厚さ０．８ｍｍで、長さと幅が２５ｍｍ×２５ｍｍであり、面内熱伝導率が約４００Ｗ／ｍＫの放熱体としてモデル化した。より一般的には、放熱体１２４は、少なくとも約２２０Ｗ／ｍＫ、より好ましくは少なくとも約４００Ｗ／ｍＫの面内熱伝導率を有するべきである。
【０１０８】
トーチモードでは、装置を、電圧３．２Ｖで１５０ｍＡの電流に相当する、０．５ＷのＬＥＤユニット中での一定発熱を使用してモデル化する。
【０１０９】
図１３は、棒グラフ形式で、種々の厚さのグラファイト材料および放熱体１２４の様々な長さおよび幅に対して計算したＴｊを示す。解析した厚さは０．１ｍｍ〜１．５ｍｍであり、解析した平面寸法は１０ｍｍ×１０ｍｍ〜２５ｍｍ×２５ｍｍであり、全ての場合で熱シールドを正方形熱シールドとして解析した。
【０１１０】
このデータから分かるように、放熱体１２４に最適な寸法は、この特別な解析では、厚さ０．８ｍｍで面積２５ｍｍ×２５ｍｍである。これは、図１２および以下の図１４、１５および１７に示すように、本発明のモデル化使用した放熱体１２４に対する寸法の組合せである。
【０１１１】
図１４は、ＬＥＤ１２２に投入した、０．５Ｗ〜３．０Ｗの様々な電力に対する、接合部における最大作動温度を℃で表す表である。これらの試験は、２０℃の常温を仮定して行った。図１５は、図１４と同じデータを示す棒グラフである。
【０１１２】
Lumileds LUXEON Flash LXCL-PWFに対する最大規定作動温度は１３５℃である。図１４および１５から明らかなように、２５ｍｍ×２５ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの放熱体１２４を使用することにより、ＬＥＤ１２２をトーチ（連続）モードで１．５Ｗまで作動させることができるが、これは３５０ｍＡに相当し、それでも作動限界１３５℃未満の最大Ｔｊを達成している。
【０１１３】
図１６および１７は、図１〜３に示す先行技術に対する温度と時間の関係を、トーチモードで作動する本発明と比較して示す。図１６および１７の縦軸尺度が大きく異なっていることに注意することが非常に重要である。
【０１１４】
図１６および１７のデータは、２５ｍｍ×２５ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの放熱体１２４を使用し、ＬＥＤ１２２をトーチ（連続）モードで、１．５Ｗまたは３５０ｍＡで、２０℃の常温で作動させた場合の過渡的応答を示す。図１〜３に示す先行技術では、装置がその７００℃に近い最高温度に到達する前に損傷しているが、本発明の装置では、最高温度が１００℃より低いままである。
【０１１５】
図１３に示すデータに基づき、放熱体１２４は、厚さ約０．１ｍｍ〜約１．５ｍｍ、平面寸法１０ｍｍ×１０ｍｍ〜２５ｍｍ×２５ｍｍに対して、Ｔｊが１２０℃未満であることが分かる。好ましい厚さの範囲は、剥離されたグラファイトの圧縮粒子でには約０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ、グラファイト化された重合体フィルムでは約０．００５ｍｍ〜約０．１ｍｍである。
【０１１６】
従って、図１７のデータにより示されるように、放熱体１２４は、ＬＥＤ１２２がトーチモードで、少なくとも約３５０ｍＡの電力レベルで、少なくとも約２０℃の常温で作動できるような大きさを有する。この３５０ｍＡのトーチモードは、少なくとも約１．５Ｗの電力レベルに相当する。より一般的には、放熱体１２４は、ＬＥＤ１２２がトーチモードで、少なくとも約１．０Ｗ、より好ましくは約１．５Ｗの電力レベルで、少なくとも約２０℃の常温で、すべて１３５℃未満のＴｊを維持しながら作動できるような大きさを有する。
【０１１７】
図１〜３の装置のような先行技術の装置は、現在、トーチモードで、１００ｍＡの比較的低い電力レベルでしか作動していないが、本発明の放熱体１２４を加えることにより、ＬＥＤ１２２は、１．５Ａまでのはるかに高い電流で作動させ、従って、光出力および明るさを増加し、なお且つ、ＬＥＤ１２２とフレキシブル回路１１２との間の接合部における最高温度を妥当なレベルに維持することができる。
【０１１８】
厚さが０．８ｍｍのSPREADER SHIELD（商品名）天然グラファイト材料から構築された放熱体１２４は、非常に可撓性の高い製品であり、フレキシブル回路１１２Ａ、１１２Ｂまたは１１２Ｃと容易に適合し、屈曲することができ、簡単に曲げて携帯デバイス１００の筐体１０８内に設置できることが分かる。当業者には明らかなように、小型の電子装置では、空間が非常に乏しく、多くの部品を筐体１０８の中に適合させなければならない。容易に曲げることができ、筐体１０８中で利用可能な空間の中に挿入し、適合させることができる可撓性の放熱体１２４を使用することにより、比較的堅い放熱体、例えば銅から製造された放熱体、で行うよりも、設置がはるかに容易である。
【０１１９】
さらに、特定の状況下では、放熱体層１２４を少なくとも部分的にカプセル封入するか、または放熱体層１２４の表面に被覆を施し、放熱体層１２４から粒子状物質が剥離するのを防止することが望ましい場合がある。例えば、グラファイト材料は剥離し易いと感じる人もいる。それが真実かどうかは別として、重合体状材料の被覆（典型的には厚さ２０ミクロン未満のオーダーの）、例えばMylar材料を施して剥離を防止することにより、この感じを和らげることができる。この場合、重合体状材料は、使用する材料が電気的に非伝導性であるので、回路組立構造の誘電層として作用することができるが、十分に薄く、放熱層１２４への熱伝導を実質的に妨害しない。
【０１２０】
放熱体層１２４は、平坦である必要はなく、一個以上の「屈曲部」を有し、３次元的な形状を形成することもできる。これは、回路組立構造１１０が、放熱体層１２４から異なった平面上にある場合に望ましい。
【０１２１】
本明細書中で言及したすべての特許、特許出願および出版物は、引用されることにより本明細書の開示の一部とされる。
【０１２２】
上記の説明は、当業者が本発明を実施できるようにすることを意図している。この説明を読むことにより当業者には明らかな可能な変形および修正のすべてを詳細に説明することは意図していない。しかし、そのような修正および変形はすべて、特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲内に含まれる。特許請求の範囲は、本文が反対のことを具体的に示唆していない限り、本発明に意図される目的を達成するのに効果的なあらゆる配置および順序で、ここに示す部品および工程を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】典型的な先行技術の携帯式携帯電話の、背部に取り付けたカメラを示し、ガラス繊維ラミネートベース上に取り付けたフレキシブル回路上に設置したＬＥＤを有する回路組立構造の位置を破線で示す立面図である。
【図２】図１に示す先行技術による装置で使用する回路組立構造の拡大立面図である。
【図３】図２の先行技術による回路組立構造の線３−３に沿って見た立面断面図である。
【図４】グラファイト放熱体上に取り付けたフレキシブル回路上にＬＥＤを設置した、本発明の回路組立構造の立面図である。図４の実施態様では、フレキシブル回路は、放熱体の実質的に中央に取り付けられている。
【図５】図４と類似の、放熱体の中央に取り付けたフレキシブル回路を示す図である。
【図６】図４の線Ｘ−Ｘに沿って見た、本発明による回路組立構造の様々な実施態様を示す立面断面図であり、グラファイト放熱体上に取り付けたフレキシブル回路上に設置したＬＥＤを示す。
【図７】図４の線Ｘ−Ｘに沿って見た、本発明による回路組立構造の様々な実施態様を示す立面断面図であり、フレキシブル回路およびグラファイト放熱体を通って伸びる熱通路を追加した以外は、図６と類似の回路組立構造を示す。
【図８】図４の線Ｘ−Ｘに沿って見た、本発明による回路組立構造の様々な実施態様を示す立面断面図であり、グラファイト放熱体上に取り付けたガラス繊維ベース上に設置した、フレキシブル回路上に取り付けたＬＥＤを示す。
【図９】図４の線Ｘ−Ｘに沿って見た、本発明による回路組立構造の様々な実施態様を示す立面断面図であり、グラファイト放熱体上に取り付けたプリント回路上に設置したＬＥＤを示す。
【図１０】本発明の携帯デバイスにおける、携帯デバイスの筐体内の、本発明のグラファイト放熱体の大体の位置を破線で示す立面図である。
【図１１】フラッシュモードで作動する、図１〜３に示すＬＥＤのような先行技術のＬＥＤに対する、温度と時間の関係を示すグラフである。
【図１２】フラッシュモードで作動する本発明の光源に対する温度と時間の関係を示し、図１１の先行技術の結果と比較して、著しく低い作動温度およびはるかに早い回復時間を示すグラフである。
【図１３】本発明のグラファイト放熱体における、最高温度と様々な可能な寸法との関係を示す棒グラフである。
【図１４】ＬＥＤ光源の最大電力、および対応する、ＬＥＤと、その下にある基材との間の接合部における最高温度を示す表である。
【図１５】図１４のデータを示す棒グラフである。
【図１６】連続または「トーチ」モードで作動する、図１〜３に示す先行技術のＬＥＤに対する、温度と時間の関係を示すグラフである。
【図１７】本発明の回路組立構造に対する温度と時間の関係を示し、本発明によりトーチモードで達成される著しく低い作動温度を示すグラフである。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年12月12日(2006.12.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2007227880.tif 000035
【図１６】
2007227880.tif 000036
【図１７】
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【外国語明細書】
2007227880000001.pdf