放熱性基板
【課題】 ３次元的に熱伝導性が良く、従来に比べて放熱性を著しく向上させることの可能な放熱性基板を提供する。
【解決手段】 基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、複数のグラファイトシートの他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄよりも基板骨格面１１の法線方向Ｚに長さが長くなっており、基板骨格面１１上の複数のグラファイトシートが配置される側において、基板骨格面１１から前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの長さＺ１よりも短い距離にあって基板骨格面１１と該基板骨格面１１に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料３１が充填されて基板本体１０が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａにおいて、基板本体１０に埋設されていない部分がフィン部２５となっている。
【解決手段】 基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、複数のグラファイトシートの他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄよりも基板骨格面１１の法線方向Ｚに長さが長くなっており、基板骨格面１１上の複数のグラファイトシートが配置される側において、基板骨格面１１から前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの長さＺ１よりも短い距離にあって基板骨格面１１と該基板骨格面１１に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料３１が充填されて基板本体１０が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａにおいて、基板本体１０に埋設されていない部分がフィン部２５となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤやＣＰＵなどの発熱体が搭載される放熱性基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば特許文献１に記載のような、熱伝導性に優れるグラファイトシートをヒートシンクに応用する試みがなされている。
【０００３】
図１は特許文献１に記載のヒートシンクを示す図（断面図）である。図１において、符号９１はヒートシンク、符号９２はフィン部、符号９３はヒートシンクベース、符号９５は配線基板９４上に搭載されたＣＰＵである。ここで、フィン部９２は、グラファイトシートと金属薄板とを貼り合わせたものとなっている。すなわち、特許文献１では、グラファイトシートと金属薄板を貼り合わせたものをコルゲート状に形成し、ヒートシンクベース９３上に金属薄板部分で接合することによってヒートシンク９１を構成する。金属薄板は、フィンの剛性を確保するとともに、ヒートシンクベース９３とフィン部９２を構成するグラファイトシートに熱を伝える。フィン部９２は、金属薄板によって剛性が付与されるのでシート状のグラファイトでの構成が可能で、薄肉化が可能となる。グラファイトは高い熱伝導率を有するので、高い放熱性能を維持したままで、ヒートシンクの軽量化が図れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０９９８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図１のヒートシンクでは、基板の厚み方向（基板面の法線方向）Ｚへの熱伝導は良好なものとなるものの、基板の面方向Ｘ，Ｙへの熱拡散（熱伝導）が少なく、３次元的に熱伝導の良い基板とはなっていないという問題があった。
【０００６】
本発明は、３次元的に熱伝導性が良く、従来に比べて放熱性を著しく向上させることの可能な放熱性基板を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、矩形状の面を有するグラファイトシートの一辺が発熱体が搭載される基板骨格面と接し、前記グラファイトシートの前記一辺と頂点を共有するグラファイトシートの他辺が基板骨格面の法線方向となるように、グラファイトシートが複数個配置され、前記基板骨格面上に配置された前記複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシートは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材であり、前記複数のグラファイトシートの他のグラファイトシートよりも基板骨格面の法線方向に長さが長くなっており、前記基板骨格面上の前記複数のグラファイトシートが配置される側において、前記基板骨格面から前記少なくとも一部のグラファイトシートの長さよりも短い距離にあって前記基板骨格面と前記基板骨格面に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料が充填されて基板本体が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシートにおいて、基板本体に埋設されていない部分がフィン部となっていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の放熱性基板において、前記複数のグラファイトシートは、発熱体を中心として放射状に配置されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の放熱性基板において、金属材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、矩形状の面を有するグラファイトシートの一辺が発熱体が搭載される基板骨格面と接し、前記グラファイトシートの前記一辺と頂点を共有するグラファイトシートの他辺が基板骨格面の法線方向となるように、グラファイトシートが複数個配置され、前記基板骨格面上に配置された前記複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシートは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材であり、前記複数のグラファイトシートの他のグラファイトシートよりも基板骨格面の法線方向に長さが長くなっており、前記基板骨格面上の前記複数のグラファイトシートが配置される側において、前記基板骨格面から前記少なくとも一部のグラファイトシートの長さよりも短い距離にあって前記基板骨格面と前記基板骨格面に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料が充填されて基板本体が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシートにおいて、基板本体に埋設されていない部分がフィン部となっているので、３次元的に熱伝導性が良く、従来に比べて放熱性を著しく向上させることの可能な放熱性基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】特許文献１に記載のヒートシンクを示す図（断面図）である。
【図２】金属材料が充填される前の基板本体の一例を示す図（斜視図）である。
【図３】本発明の放熱性基板の第１の構成例を示す図（透過斜視図）である。
【図４】図３の上下が反対となるように図示した図である。
【図５】図３、図４のグラファイトシートのうちの一部のグラファイトシートの一例を示す図である。
【図６】図４の部分平面図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ線における断面図である。
【図８】グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっているグラファイトシートの斜視図である。
【図９】図８の分解斜視図である。
【図１０】本発明の放熱性基板の第２の構成例を示す図（透過斜視図）である。
【図１１】図１０のＤ−Ｄ線における断面図である。
【図１２】比較例１の構成を示す図（透過斜視図）である。
【図１３】図１２の部分平面図である。
【図１４】図１３のＣ−Ｃ線における断面図である。
【図１５】実施例、各比較例１、２、３、４のそれぞれにおける温度比較結果を示す図である。
【図１６】実施例における温度分布を示す図である。
【図１７】比較例１における温度分布を示す図である。
【図１８】実施例・比較例２・比較例３における流速分布の斜透視図である。
【図１９】比較例２における温度分布を示す図である。
【図２０】比較例３における温度分布を示す図である。
【図２１】比較例４における温度分布を示す図である。
【図２２】比較例４における流速分布の斜透視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
基本的に、本発明では、放熱性の高い（高い熱拡散率を有する）基板を構成するにあたり、高い熱拡散（高い熱伝導率）を有する材料の一つであるグラファイトシートに着目した。そして、本発明では、矩形状の面を有するグラファイトシートの一辺が発熱体（ＬＥＤやＣＰＵなど）が搭載される基板骨格面と接し、前記グラファイトシートの前記一辺と頂点を共有するグラファイトシートの他辺が基板骨格面の法線方向となるように、グラファイトシート（実際には、後述のように複数のグラファイトシート）を配置することによって、基板の厚み方向（基板骨格面の法線方向）の熱伝導率を向上させるようにしている。
【００１４】
さらに、本発明では、基板骨格面上に配置された複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシートは、前記複数のグラファイトシートの他のグラファイトシートよりも基板骨格面の法線方向に長さが長くなっており、前記基板骨格面上の前記複数のグラファイトシートが配置される側において、前記基板骨格面から前記少なくとも一部のグラファイトシートの長さよりも短い距離にあって前記基板骨格面と前記基板骨格面に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料が充填されて基板本体が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシートにおいて、基板本体に埋設されていない部分がフィン部となっていることによって、基板の厚み方向（基板骨格面の法線方向）に加えて面方向の熱拡散性をも向上させ（すなわち、基板本体に埋設されている複数のグラファイトシートの部分によって、面方向の熱拡散性を向上させ（その結果として、３次元的に熱伝導性が良いものとし））、さらに、フィン部によって、より一層効率の良い放熱を行うようにしている。
【００１５】
さらに、本発明では、基板骨格面上に配置された複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシートは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっているので、フィン部としての剛性（強度）を確保できるようにしている。
【００１６】
本発明の構成を詳細に説明する。
【００１７】
図２は、金属材料が充填される前の基板本体の一例を示す図（概略斜視図）である。図２において、１０は基板本体、１１は発熱体１が搭載される基板骨格面、１２は基板骨格面１１と辺を共有する４つの厚み方向（基板骨格面の法線方向）Ｚの側面であり、基板本体１０は、その外形が基板骨格面１１が側面１２より大きな面積を有する概略立方体形状のものとなっている。なお、図２では、発熱体１が搭載される側が上面として図示されており、グラファイトシートは、実際には、図４、図７に示すように、基板骨格面１１の発熱体１が搭載される側の面とは反対側の面１３に接して配置されるようになっている。また、発熱体１は、例えば照明用途等のＬＥＤ（発光ダイオード）や電子機器用途等のＣＰＵなどであり、基板骨格面１１（発熱体１が搭載される側の面）の上層に施されたＮｉ／Ａｕメッキ部分に対して、ＡｕＳｎ共晶はんだや熱伝導接着剤を用いて接合されるようになっている。
【００１８】
図３は本発明の放熱性基板の第１の構成例を示す図（透過斜視図）である。なお、図３では、基板本体１０が図２と同じ向き（発熱体１が搭載される側が上面となる向き）で図示されている。図４は図３の上下が反対となるように図示した図である。なお、図３、図４では、充填される金属材料については、説明の便宜上、図示を省略している。また、図５は図３、図４のグラファイトシート２のうちの一部のグラファイトシート２ａの一例を示す図である。また、図６は図４の部分平面図、図７は図６のＣ−Ｃ線における断面図である。
【００１９】
図３、図４の放熱性基板では、図５に示すような矩形状の面を有するグラファイトシート２の一辺２１が発熱体１が搭載される基板骨格面１１（正確には、基板骨格面１１の面１３）と接し、前記グラファイトシート２の一辺２１と頂点を共有するグラファイトシートの他辺２２、２３が基板骨格面１１の法線方向Ｚとなるように、グラファイトシート２が複数個配置されている。なお、図３、図４の例（第１の構成例）では、複数のグラファイトシート２は、発熱体１を中心として円形放射状に配置されている。すなわち、グラファイトシート２の一辺２１と頂点を共有するグラファイトシートの他辺２２、２３のうち、辺２１と辺２２との頂点は発熱体搭載位置の近傍に配置され、辺２１と辺２３との頂点は発熱体搭載位置から放射状外方に位置するように配置されている。
【００２０】
また、図３、図４の放熱性基板では、図６、図７に詳細に示すように、基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄよりも基板骨格面１１の法線方向Ｚに長さが長くなっており、基板骨格面１１上の複数のグラファイトシート２が配置される側において、基板骨格面１１から前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの長さＺ１よりも短い距離にあって基板骨格面１１と該基板骨格面１１に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料３１が充填されて基板本体１０が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａにおいて、基板本体１０に埋設されていない部分がフィン部２５となっている。
【００２１】
より具体的には、複数のグラファイトシート２のうちのグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄは、基板骨格面１１の法線方向Ｚにおける長さが例えば基板本体１０の側面１２の高さＺ２と同じものになっており、金属材料３１は、例えば、基板本体１０の側面１２の高さＺ２まで充填されている。この場合、複数のグラファイトシート２のうちのグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄは、金属材料３１すなわち基板本体１０に全て埋設される。なお、金属材料３１、並びに、金属材料３１を含めた基板本体１０の材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。
【００２２】
また、本発明において、基板骨格面１１上に配置された前記複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっている。図８はグラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっているグラファイトシート２ａの斜視図、図９は分解斜視図である。図８、図９を参照すると、グラファイトシート２ａは、グラファイト４１を金属材料の薄板４２で挟んだものとなっている。ここで、金属材料の薄板４２は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であり、金属材料３１すなわち基板本体１０に埋設される長さＺ２の部分（焼結して基板本体１０となる部分）を除く長さ（Ｚ１−Ｚ２）の部分は、アルマイト処理（酸化処理）が施され、赤外線（熱）を全反射する鏡面ではないものに加工されている。なお、他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっていてもよいが、グラファイト単体のものでも良い。
【００２３】
このような構成の放熱性基板では、矩形状の面を有するグラファイトシート２の一辺２１が発熱体１が搭載される基板骨格面１１（正確には、基板骨格面１１の面１３）と接し、前記グラファイトシート２の一辺２１と頂点を共有するグラファイトシートの他辺２２、２３が基板骨格面１１の法線方向Ｚとなるように、グラファイトシート２が複数個配置されているので、基板の厚み方向（基板骨格面の法線方向）Ｚの熱伝導率を向上させることができる。
【００２４】
さらに、上記のような構成の放熱性基板では、基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄよりも基板骨格面１１の法線方向Ｚに長さが長くなっており、基板骨格面１１上の複数のグラファイトシート２が配置される側において基板骨格面１１から前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの長さＺ１よりも短い距離にある直方体範囲に金属材料３１が充填されて基板本体１０が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの基板本体１０に埋設されていない部分がフィン部２５となっているので、基板の厚み方向（基板骨格面の法線方向）Ｚに加えて面方向Ｘ，Ｙの熱拡散性をも向上させ（すなわち、基板本体１０に埋設されている複数のグラファイトシート２の部分によって、面方向Ｘ，Ｙの熱拡散性を向上させ（その結果として、３次元的に熱伝導性が良いものとし））、さらに、フィン部２５によって、より一層効率の良い放熱を行うことができる。
【００２５】
さらに、上記のような構成の放熱性基板では、基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、グラファイト４１を金属材料の薄板４２で挟んだ複合材となっているので、フィン部２５としての剛性（強度）を確保することができる。
【００２６】
なお、上述した第１の構成例の放熱性基板では、複数のグラファイトシート２は、発熱体１を中心として円形放射状に配置されているが、本発明はこれに限定されない。例えば第２の構成例として、複数のグラファイトシート２を一方向（例えばＸ方向）に沿って所定の間隔を隔てて平行に配置することも可能である。
【００２７】
図１０は本発明の放熱性基板の第２の構成例を示す図（透過斜視図）、図１１は図１０のＤ−Ｄ線における断面図である。なお、図１０、図１１において、図３、図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図１０、図１１を参照すると、第２の構成例の放熱性基板では、基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｅよりも基板骨格面１１の法線方向Ｚに長さが長くなっており、基板骨格面１１上の複数のグラファイトシート２が配置される側において、基板骨格面１１から前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの長さＺ１よりも短い距離にあって基板骨格面１１と該基板骨格面１１に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料３１が充填されて基板本体１０が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａにおいて、基板本体１０に埋設されていない部分がフィン部２５となっている。
【００２８】
より具体的には、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｅは、基板骨格面１１の法線方向Ｚにおける長さが例えば基板本体１０の側面１２の高さＺ２と同じものになっており、金属材料３１は、例えば、基板本体１０の側面１２の高さＺ２まで充填されている。この場合、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｅは、金属材料３１すなわち基板本体１０に全て埋設される。なお、金属材料３１、並びに、金属材料３１を含めた基板本体１０の材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。
【００２９】
また、第２の構成例においても、基板骨格面１１上に配置された前記複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっている。
【００３０】
このように、第２の構成例においても、矩形状の面を有するグラファイトシート２の一辺２１が発熱体１が搭載される基板骨格面１１（正確には、基板骨格面１１の面１３）と接し、前記グラファイトシート２の一辺２１と頂点を共有するグラファイトシートの他辺２２、２３が基板骨格面１１の法線方向Ｚとなるように、グラファイトシート２が複数個配置され、基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｅよりも基板骨格面１１の法線方向Ｚに長さが長くなっており、基板骨格面１１上の複数のグラファイトシート２が配置される側において基板骨格面１１から前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの長さＺ１よりも短い距離にある直方体範囲に金属材料３１が充填されて基板本体１０が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの基板本体１０に埋設されていない部分がフィン部２５となっており、基板骨格面１１上に配置された前記複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっているので、第１の構成例と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
ただし、第２の構成例では、複数のグラファイトシート２は、一方向（例えばＸ方向）に沿って所定の間隔を隔てて互いに平行に配置されているので、第１の構成例のように円形放射状に配置される場合と比べて、後述のように、熱拡散に偏りが生じ（面方向Ｘ，Ｙに均一に熱拡散が生ぜず）、また、第１の構成例のように広範囲に高速度の流れを分布させることができない。従って、最も好ましくは、第１の構成例のように、複数のグラファイトシート２が、円形放射状に配置されるのが良い。すなわち、複数のグラファイトシート２が、円形放射状に配置されることによって、熱拡散に偏りを生じさせず（面方向Ｘ，Ｙに均一に熱拡散が生じ）、広範囲に高速度の流れを分布させることが可能となる。なお、以下では、実施例は第１の構成例に対応するものとし、比較例４は第２の構成例に対応するものとする。
【００３２】
次に、本発明の実施例（第１の構成例に対応）をより詳細に説明する。
【００３３】
本発明の放熱性基板について、その大きさは面積・厚みを問わず、あらゆるサイズに適応可能である。発熱体１の例として照明用途の高出力ＬＥＤ（チップサイズ１ｍｍ角）に適用する放熱性基板を想定し、基板本体１０が縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ５ｍｍの板材で、フィン部２５の高さ（Ｚ１−Ｚ２）が２０ｍｍとなるような放熱性基板を、下記のようにして作製した。
【００３４】
本発明におけるグラファイトシート２については、市販されているグラファイトを適宜用いることができるが、熱拡散の向上の観点から、面方向（Ｘ，Ｙ方向）の熱伝導率が５００Ｗ／ｍＫ以上のグラファイトを用いることが望ましい。厚み方向（Ｚ方向）の熱伝導率は特に規定しないが、１０〜５０Ｗ／ｍＫが一般的な値である。本実施例では、面方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫ・厚み方向の熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫの、厚さ２００μｍのグラファイトを用いた。
【００３５】
グラファイトシート２ａの作製工程、すなわち、グラファイト４１を金属材料の薄板４２で挟み込む工程については、加圧加熱プレスなどの方法を用いることができる。また、グラファイトシート２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを基板骨格面１１上に立設し、金属材料（金属粉末）３１を充填し、金属材料（金属粉末）３１をグラファイトシート２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと一緒に焼結させる工程については、プラズマ焼結法などの方法を用いることができる。
【００３６】
より具体的に、グラファイトシート２ａの作製工程、すなわち、グラファイト４１を金属材料の薄板４２で挟み込む工程において、グラファイト４１を、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ（Ｚ１＝２５ｍｍ）の短冊状に切断し、図９に示すように縦横が同サイズで厚さが２００μｍのアルミ板４２で挟みこんだ。なお、アルミ板４２の表面はフィン終端（焼結されて基板本体１０の一部となる部分）の縦５ｍｍ×横２５ｍｍ（Ｚ２＝５ｍｍ）を残してアルマイト処理が施され、熱放射率が約０．９５まで高められている。
【００３７】
さらに図５に示すように、このグラファイトシート２ａを２０枚、円形放射状に配列させた。グラファイトシート２ａが接する円の中央部は、適宜エポキシ系の接着剤を用いることが出来る。また、外周方向にいくにつれてシート間隔が広がるので、縦５ｍｍ（Ｚ２＝５ｍｍ）で横幅を２５ｍｍより狭く切断したグラファイト単体のシートを間に挿入することで、密度を高めることが出来る。本実施例においては、横２２ｍｍに切断したグラファイト単体シート２ｂを２０枚、横１９ｍｍに切断したグラファイト単体シート２ｃを４０枚、横１５ｍｍに切断したグラファイト単体シート２ｄを８０枚、それぞれ用意し、４重円となるように挿入・配置した。
【００３８】
焼結後の全体斜視図は図４のようになる。
【００３９】
次に、上記実施例を各比較例１、２、３、４と比較する。
【００４０】
図１２は比較例１の構成を示す図（透過斜視図）である。また、図１３は図１２の部分平面図、図１４は図１３のＣ−Ｃ線における断面図である。なお、図１２、図１３、図１４において、図３、図４、図６、図７と同様の箇所には同じ符号を付している。図１２、図１３、図１４を参照すると、比較例１の構成では、図３、図４、図６、図７のグラファイトシート２ａに対応するグラファイトシート２ｆは、他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄと同様に、基板骨格面１１の法線方向Ｚにおける長さが例えば基板本体１０の側面１２の高さＺ２と同じものになっている。すなわち、比較例１の構成では、実施例におけるフィン部２５は存在しない。また、比較例１の構成では、図３、図４、図６、図７のグラファイトシート２ａに対応するグラファイトシート２ｆは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材としては構成されておらず、他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄと同様に、グラファイト単体のものとなっている。
【００４１】
より具体的に、比較例１の構成では、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍの短冊状であった実施例のグラファイトシート２ａに対応するグラファイトシート２ｆを、縦５ｍｍ×横２５ｍｍに置き換え（アルミ板による挟みこみも廃止）、他の３種類の大きさのグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄは実施例と同一とした。すなわち、比較例１の構成では、４重円を構成する全てのグラファイトシート２ｆ，２ｂ，２ｃ，２ｄが焼結工程によって基板本体１０中に埋まるようになっている。
【００４２】
比較例２は、グラファイトシートの持つ高い熱伝導率による効果を検証するため、図３、図４、図６、図７の実施例の構成において、グラファイトシート２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに対応する部材を全てアルミ材料のものとした。
【００４３】
より具体的に、比較例２の構成では、基板本体１０は厚さ５ｍｍのアルミの一枚板とし、フィン部２５は厚さ６００μｍのアルミ薄板とした。基板本体１０とフィン部２５の接合部については、基板本体１０に円形放射状にフィン部２５の厚さ分の溝を深さ２〜３ｍｍ程度で加工し、そこへフィン部２５を挿入し、打ち込みによって接合した。
【００４４】
比較例３は、金属材料で熱伝導率に優れる銅との比較をするため、比較例２の構成において、フィン部２５を厚さ６００μｍの銅板に置き換えた構成となっている。接合部については比較例２と同様に溝加工と打ち込みで構成した。
【００４５】
比較例４は、円形放射状に配置したことの効果を検証するため、実施例と同じ材料を図１０に示したように平行に配置した第２の構成例に対応したものである。
【００４６】
より具体的に、比較例４の構成では、全体に占めるグラファイトシートの割合がほぼ同一となるように、フィン部２５を構成するグラファイトシート２ａ（グラファイトとアルミ薄板の積層板）は縦２５ｍｍ×横５０ｍｍのものを計１６枚、基板本体１０中に埋設されるグラファイトシート２ｅは縦５ｍｍ×横５０ｍｍのものを計４５枚、両者合わせて計６１枚用い、８ｍｍ間隔で配置した。金属材料３１が充填されて成る基板本体１０は縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ５ｍｍで実施例と共通しており、３枚おきに間隔３２ｍｍでグラファイトシート２ａすなわちフィン部２５が立設するようになっている。
【００４７】
実施例と各比較例１、２、３、４における放熱基板の放熱性能と、熱拡散の様子を可視化するため、熱流体解析を行った。以下に、実施例と各比較例１、２、３、４の検証結果を述べる。
【００４８】
実施例、各比較例１、２、３、４のいずれにおいても、発熱体１は１ｍｍ角の照明用途のＬＥＤとし、基板本体１０の中央に配置して、投入電力を５Ｗとした。発熱体１を搭載した状態は、実施例を例にとると図３に示したとおりである。また、ＬＥＤは基板本体１０の表面に施されたＮｉ／Ａｕメッキ部分にＡｕＳｎ共晶はんだによって接合した。そして、２５℃の空気中に、熱伝導が無視できる糸で、発熱体１を鉛直下向きにして宙吊りにした。
【００４９】
このような共通条件下で、実施例、各比較例１、２、３、４のそれぞれについて、発熱体１の周囲空気温度に対する上昇値を比較した。図１５には、実施例、各比較例１、２、３、４のそれぞれにおける温度比較結果が示されている。図１５から、実施例の構成（グラファイトシート（ＧＳ）、フィンあり、放射状配置）は、比較例１、２、３、４と比べて、温度上昇が最も低く抑えられ、熱抵抗が最も低く、放熱性が最も良いことがわかる（最も効率よく放熱を行うことができることがわかる）。
【００５０】
図１６（ａ），（ｂ）は実施例における温度分布を示す図であり、図１６（ａ）は上面図、図１６（ｂ）は略断面図（図１６（ａ）の中心付近を通る面で切断した図）である。また、図１７（ａ），（ｂ）は比較例１における温度分布を示す図であり、図１７（ａ）は上面図、図１７（ｂ）は略断面図（図１７（ａ）の中心付近を通る面で切断した図）である。図１６（ａ），（ｂ）と図１７（ａ），（ｂ）とを比較すると、基板上の温度分布の様子は同じで、絶対値だけ比較例１の方が高温側へシフトしている。これは、グラファイトとアルミの複合基板部分の構造は同一であるため、実施例と比較例１とでは、基板の熱伝導に関する差異は無く、実施例だけフィン（フィン部２５）が立設していることにより、実施例では図１７に示すような空気の対流が起こって冷却性能が向上したと考えられる。また、後述する比較例２〜４に比べて、比較例１は実施例と熱抵抗の差が大きいことから、実施例ではフィン（フィン部２５）の冷却効果が非常に大きいことがわかる。
【００５１】
また、図１９（ａ），（ｂ）は比較例２における温度分布を示す図であり、図１９（ａ）は上面図、図１９（ｂ）は略断面図（図１９（ａ）の中心付近を通る面で切断した図）である。また、図２０（ａ），（ｂ）は比較例３における温度分布を示す図であり、図２０（ａ）は上面図、図２０（ｂ）は略断面図（図２０（ａ）の中心付近を通る面で切断した図）である。図１６（ａ），（ｂ）、図１９（ａ），（ｂ）、図２０（ａ），（ｂ）を比較すると、実施例＞比較例３＞比較例２の順に発熱体１を中心とした等温部の面積が広いことがわかる。これは、グラファイト＞銅＞アルミの順に熱伝導率が高く、発熱体１から上記の順に効率よく拡散されていることを表している。なお、実施例、比較例２、比較例３とも、フィンの形状が同一であるため、図１８（図１８は実施例・比較例２・比較例３における流速分布の斜透視図である）に示したような対流の様相は、３者の間で大差はない。
【００５２】
また、図２１（ａ），（ｂ），（ｃ）は比較例４における温度分布を示す図であり、図２１（ａ）は上面図、図２１（ｂ）は図２１（ａ）のＭ−Ｍ線における略断面図、図２１（ｃ）は図２１（ａ）のＮ−Ｎ線における略断面図である。図１６（ａ），（ｂ）と図２１（ａ），（ｂ），（ｃ）を比較すると、実施例では等方的に熱が拡散しているのに対し、比較例４では熱拡散に偏りが生じている。これは、フィンの配置形状の違いによる効果を表している。なお、グラファイトシートをアルミで挟むというフィンの構成は同一であるため、各々、図１６（ｂ）、図２１（ｂ）の略断面図においては、実施例、比較例４の両者とも、フィンの隅まで一様に熱が拡散されている。
【００５３】
また、図２２は比較例４における流速分布の斜透視図である。図１８と図２２とを比較すると、フィンの形状による影響が空気の対流にも表れていることがわかる。すなわち、比較例４よりも実施例の方が広範囲に高速度の流れが分布していることから、円形放射状の配置が対流においても有利に働くことがわかる。
【００５４】
なお、上述した本発明の第１の構成例、第２の構成例では、金属材料３１は、例えば、基板本体１０の側面１２の高さＺ２まで充填されているとしたが（すなわち、第１の構成例では、グラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄの高さＺ２まで、第２の構成例では、グラファイトシート２ｅの高さＺ２まで充填されているとしたが）、本発明は、これに限らず、金属材料３１がグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄ；２ｅの高さＺ２よりも高く（少し高く）充填される場合、あるいは、金属材料３１がグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄ；２ｅの高さＺ２よりも低く（少し低く）充填される場合も含まれる。但し、放熱効率の点からは、金属材料３１がグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄ；２ｅの高さＺ２まで充填される場合が最も望ましく、次いで、金属材料３１がグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄ；２ｅの高さＺ２よりも高く（少し高く）充填される場合が優れ、金属材料３１がグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄ；２ｅの高さＺ２よりも低く（少し低く）充填される場合は、上記２つの場合に比べて、余り好ましくない。
【００５５】
なお、上述した例では、基板本体１０の外形形状を正方形形状のものにしたが、本発明において、基板本体１０の外形形状は、正方形形状のものに限らず、円形、楕円形、星型などの形状のものにすることも可能であり、この場合にも、放熱効率に優れた放熱性基板とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、照明装置や電子機器などの放熱に利用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 発熱体
２ グラファイトシート
１０ 基板本体
１１ 基板骨格面
１２ 側面
２１ グラファイトシートの一辺
２２ グラファイトシートの他辺
２３ グラファイトシートの他辺
２５ フィン部
３１ 金属材料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤやＣＰＵなどの発熱体が搭載される放熱性基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば特許文献１に記載のような、熱伝導性に優れるグラファイトシートをヒートシンクに応用する試みがなされている。
【０００３】
図１は特許文献１に記載のヒートシンクを示す図（断面図）である。図１において、符号９１はヒートシンク、符号９２はフィン部、符号９３はヒートシンクベース、符号９５は配線基板９４上に搭載されたＣＰＵである。ここで、フィン部９２は、グラファイトシートと金属薄板とを貼り合わせたものとなっている。すなわち、特許文献１では、グラファイトシートと金属薄板を貼り合わせたものをコルゲート状に形成し、ヒートシンクベース９３上に金属薄板部分で接合することによってヒートシンク９１を構成する。金属薄板は、フィンの剛性を確保するとともに、ヒートシンクベース９３とフィン部９２を構成するグラファイトシートに熱を伝える。フィン部９２は、金属薄板によって剛性が付与されるのでシート状のグラファイトでの構成が可能で、薄肉化が可能となる。グラファイトは高い熱伝導率を有するので、高い放熱性能を維持したままで、ヒートシンクの軽量化が図れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０９９８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、図１のヒートシンクでは、基板の厚み方向（基板面の法線方向）Ｚへの熱伝導は良好なものとなるものの、基板の面方向Ｘ，Ｙへの熱拡散（熱伝導）が少なく、３次元的に熱伝導の良い基板とはなっていないという問題があった。
【０００６】
本発明は、３次元的に熱伝導性が良く、従来に比べて放熱性を著しく向上させることの可能な放熱性基板を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、矩形状の面を有するグラファイトシートの一辺が発熱体が搭載される基板骨格面と接し、前記グラファイトシートの前記一辺と頂点を共有するグラファイトシートの他辺が基板骨格面の法線方向となるように、グラファイトシートが複数個配置され、前記基板骨格面上に配置された前記複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシートは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材であり、前記複数のグラファイトシートの他のグラファイトシートよりも基板骨格面の法線方向に長さが長くなっており、前記基板骨格面上の前記複数のグラファイトシートが配置される側において、前記基板骨格面から前記少なくとも一部のグラファイトシートの長さよりも短い距離にあって前記基板骨格面と前記基板骨格面に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料が充填されて基板本体が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシートにおいて、基板本体に埋設されていない部分がフィン部となっていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の放熱性基板において、前記複数のグラファイトシートは、発熱体を中心として放射状に配置されていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の放熱性基板において、金属材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、矩形状の面を有するグラファイトシートの一辺が発熱体が搭載される基板骨格面と接し、前記グラファイトシートの前記一辺と頂点を共有するグラファイトシートの他辺が基板骨格面の法線方向となるように、グラファイトシートが複数個配置され、前記基板骨格面上に配置された前記複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシートは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材であり、前記複数のグラファイトシートの他のグラファイトシートよりも基板骨格面の法線方向に長さが長くなっており、前記基板骨格面上の前記複数のグラファイトシートが配置される側において、前記基板骨格面から前記少なくとも一部のグラファイトシートの長さよりも短い距離にあって前記基板骨格面と前記基板骨格面に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料が充填されて基板本体が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシートにおいて、基板本体に埋設されていない部分がフィン部となっているので、３次元的に熱伝導性が良く、従来に比べて放熱性を著しく向上させることの可能な放熱性基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】特許文献１に記載のヒートシンクを示す図（断面図）である。
【図２】金属材料が充填される前の基板本体の一例を示す図（斜視図）である。
【図３】本発明の放熱性基板の第１の構成例を示す図（透過斜視図）である。
【図４】図３の上下が反対となるように図示した図である。
【図５】図３、図４のグラファイトシートのうちの一部のグラファイトシートの一例を示す図である。
【図６】図４の部分平面図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ線における断面図である。
【図８】グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっているグラファイトシートの斜視図である。
【図９】図８の分解斜視図である。
【図１０】本発明の放熱性基板の第２の構成例を示す図（透過斜視図）である。
【図１１】図１０のＤ−Ｄ線における断面図である。
【図１２】比較例１の構成を示す図（透過斜視図）である。
【図１３】図１２の部分平面図である。
【図１４】図１３のＣ−Ｃ線における断面図である。
【図１５】実施例、各比較例１、２、３、４のそれぞれにおける温度比較結果を示す図である。
【図１６】実施例における温度分布を示す図である。
【図１７】比較例１における温度分布を示す図である。
【図１８】実施例・比較例２・比較例３における流速分布の斜透視図である。
【図１９】比較例２における温度分布を示す図である。
【図２０】比較例３における温度分布を示す図である。
【図２１】比較例４における温度分布を示す図である。
【図２２】比較例４における流速分布の斜透視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
基本的に、本発明では、放熱性の高い（高い熱拡散率を有する）基板を構成するにあたり、高い熱拡散（高い熱伝導率）を有する材料の一つであるグラファイトシートに着目した。そして、本発明では、矩形状の面を有するグラファイトシートの一辺が発熱体（ＬＥＤやＣＰＵなど）が搭載される基板骨格面と接し、前記グラファイトシートの前記一辺と頂点を共有するグラファイトシートの他辺が基板骨格面の法線方向となるように、グラファイトシート（実際には、後述のように複数のグラファイトシート）を配置することによって、基板の厚み方向（基板骨格面の法線方向）の熱伝導率を向上させるようにしている。
【００１４】
さらに、本発明では、基板骨格面上に配置された複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシートは、前記複数のグラファイトシートの他のグラファイトシートよりも基板骨格面の法線方向に長さが長くなっており、前記基板骨格面上の前記複数のグラファイトシートが配置される側において、前記基板骨格面から前記少なくとも一部のグラファイトシートの長さよりも短い距離にあって前記基板骨格面と前記基板骨格面に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料が充填されて基板本体が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシートにおいて、基板本体に埋設されていない部分がフィン部となっていることによって、基板の厚み方向（基板骨格面の法線方向）に加えて面方向の熱拡散性をも向上させ（すなわち、基板本体に埋設されている複数のグラファイトシートの部分によって、面方向の熱拡散性を向上させ（その結果として、３次元的に熱伝導性が良いものとし））、さらに、フィン部によって、より一層効率の良い放熱を行うようにしている。
【００１５】
さらに、本発明では、基板骨格面上に配置された複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシートは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっているので、フィン部としての剛性（強度）を確保できるようにしている。
【００１６】
本発明の構成を詳細に説明する。
【００１７】
図２は、金属材料が充填される前の基板本体の一例を示す図（概略斜視図）である。図２において、１０は基板本体、１１は発熱体１が搭載される基板骨格面、１２は基板骨格面１１と辺を共有する４つの厚み方向（基板骨格面の法線方向）Ｚの側面であり、基板本体１０は、その外形が基板骨格面１１が側面１２より大きな面積を有する概略立方体形状のものとなっている。なお、図２では、発熱体１が搭載される側が上面として図示されており、グラファイトシートは、実際には、図４、図７に示すように、基板骨格面１１の発熱体１が搭載される側の面とは反対側の面１３に接して配置されるようになっている。また、発熱体１は、例えば照明用途等のＬＥＤ（発光ダイオード）や電子機器用途等のＣＰＵなどであり、基板骨格面１１（発熱体１が搭載される側の面）の上層に施されたＮｉ／Ａｕメッキ部分に対して、ＡｕＳｎ共晶はんだや熱伝導接着剤を用いて接合されるようになっている。
【００１８】
図３は本発明の放熱性基板の第１の構成例を示す図（透過斜視図）である。なお、図３では、基板本体１０が図２と同じ向き（発熱体１が搭載される側が上面となる向き）で図示されている。図４は図３の上下が反対となるように図示した図である。なお、図３、図４では、充填される金属材料については、説明の便宜上、図示を省略している。また、図５は図３、図４のグラファイトシート２のうちの一部のグラファイトシート２ａの一例を示す図である。また、図６は図４の部分平面図、図７は図６のＣ−Ｃ線における断面図である。
【００１９】
図３、図４の放熱性基板では、図５に示すような矩形状の面を有するグラファイトシート２の一辺２１が発熱体１が搭載される基板骨格面１１（正確には、基板骨格面１１の面１３）と接し、前記グラファイトシート２の一辺２１と頂点を共有するグラファイトシートの他辺２２、２３が基板骨格面１１の法線方向Ｚとなるように、グラファイトシート２が複数個配置されている。なお、図３、図４の例（第１の構成例）では、複数のグラファイトシート２は、発熱体１を中心として円形放射状に配置されている。すなわち、グラファイトシート２の一辺２１と頂点を共有するグラファイトシートの他辺２２、２３のうち、辺２１と辺２２との頂点は発熱体搭載位置の近傍に配置され、辺２１と辺２３との頂点は発熱体搭載位置から放射状外方に位置するように配置されている。
【００２０】
また、図３、図４の放熱性基板では、図６、図７に詳細に示すように、基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄよりも基板骨格面１１の法線方向Ｚに長さが長くなっており、基板骨格面１１上の複数のグラファイトシート２が配置される側において、基板骨格面１１から前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの長さＺ１よりも短い距離にあって基板骨格面１１と該基板骨格面１１に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料３１が充填されて基板本体１０が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａにおいて、基板本体１０に埋設されていない部分がフィン部２５となっている。
【００２１】
より具体的には、複数のグラファイトシート２のうちのグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄは、基板骨格面１１の法線方向Ｚにおける長さが例えば基板本体１０の側面１２の高さＺ２と同じものになっており、金属材料３１は、例えば、基板本体１０の側面１２の高さＺ２まで充填されている。この場合、複数のグラファイトシート２のうちのグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄは、金属材料３１すなわち基板本体１０に全て埋設される。なお、金属材料３１、並びに、金属材料３１を含めた基板本体１０の材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。
【００２２】
また、本発明において、基板骨格面１１上に配置された前記複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっている。図８はグラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっているグラファイトシート２ａの斜視図、図９は分解斜視図である。図８、図９を参照すると、グラファイトシート２ａは、グラファイト４１を金属材料の薄板４２で挟んだものとなっている。ここで、金属材料の薄板４２は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であり、金属材料３１すなわち基板本体１０に埋設される長さＺ２の部分（焼結して基板本体１０となる部分）を除く長さ（Ｚ１−Ｚ２）の部分は、アルマイト処理（酸化処理）が施され、赤外線（熱）を全反射する鏡面ではないものに加工されている。なお、他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっていてもよいが、グラファイト単体のものでも良い。
【００２３】
このような構成の放熱性基板では、矩形状の面を有するグラファイトシート２の一辺２１が発熱体１が搭載される基板骨格面１１（正確には、基板骨格面１１の面１３）と接し、前記グラファイトシート２の一辺２１と頂点を共有するグラファイトシートの他辺２２、２３が基板骨格面１１の法線方向Ｚとなるように、グラファイトシート２が複数個配置されているので、基板の厚み方向（基板骨格面の法線方向）Ｚの熱伝導率を向上させることができる。
【００２４】
さらに、上記のような構成の放熱性基板では、基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄよりも基板骨格面１１の法線方向Ｚに長さが長くなっており、基板骨格面１１上の複数のグラファイトシート２が配置される側において基板骨格面１１から前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの長さＺ１よりも短い距離にある直方体範囲に金属材料３１が充填されて基板本体１０が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの基板本体１０に埋設されていない部分がフィン部２５となっているので、基板の厚み方向（基板骨格面の法線方向）Ｚに加えて面方向Ｘ，Ｙの熱拡散性をも向上させ（すなわち、基板本体１０に埋設されている複数のグラファイトシート２の部分によって、面方向Ｘ，Ｙの熱拡散性を向上させ（その結果として、３次元的に熱伝導性が良いものとし））、さらに、フィン部２５によって、より一層効率の良い放熱を行うことができる。
【００２５】
さらに、上記のような構成の放熱性基板では、基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、グラファイト４１を金属材料の薄板４２で挟んだ複合材となっているので、フィン部２５としての剛性（強度）を確保することができる。
【００２６】
なお、上述した第１の構成例の放熱性基板では、複数のグラファイトシート２は、発熱体１を中心として円形放射状に配置されているが、本発明はこれに限定されない。例えば第２の構成例として、複数のグラファイトシート２を一方向（例えばＸ方向）に沿って所定の間隔を隔てて平行に配置することも可能である。
【００２７】
図１０は本発明の放熱性基板の第２の構成例を示す図（透過斜視図）、図１１は図１０のＤ−Ｄ線における断面図である。なお、図１０、図１１において、図３、図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図１０、図１１を参照すると、第２の構成例の放熱性基板では、基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｅよりも基板骨格面１１の法線方向Ｚに長さが長くなっており、基板骨格面１１上の複数のグラファイトシート２が配置される側において、基板骨格面１１から前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの長さＺ１よりも短い距離にあって基板骨格面１１と該基板骨格面１１に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料３１が充填されて基板本体１０が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａにおいて、基板本体１０に埋設されていない部分がフィン部２５となっている。
【００２８】
より具体的には、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｅは、基板骨格面１１の法線方向Ｚにおける長さが例えば基板本体１０の側面１２の高さＺ２と同じものになっており、金属材料３１は、例えば、基板本体１０の側面１２の高さＺ２まで充填されている。この場合、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｅは、金属材料３１すなわち基板本体１０に全て埋設される。なお、金属材料３１、並びに、金属材料３１を含めた基板本体１０の材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金である。
【００２９】
また、第２の構成例においても、基板骨格面１１上に配置された前記複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっている。
【００３０】
このように、第２の構成例においても、矩形状の面を有するグラファイトシート２の一辺２１が発熱体１が搭載される基板骨格面１１（正確には、基板骨格面１１の面１３）と接し、前記グラファイトシート２の一辺２１と頂点を共有するグラファイトシートの他辺２２、２３が基板骨格面１１の法線方向Ｚとなるように、グラファイトシート２が複数個配置され、基板骨格面１１上に配置された複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、複数のグラファイトシート２の他のグラファイトシート２ｅよりも基板骨格面１１の法線方向Ｚに長さが長くなっており、基板骨格面１１上の複数のグラファイトシート２が配置される側において基板骨格面１１から前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの長さＺ１よりも短い距離にある直方体範囲に金属材料３１が充填されて基板本体１０が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシート２ａの基板本体１０に埋設されていない部分がフィン部２５となっており、基板骨格面１１上に配置された前記複数のグラファイトシート２のうちの少なくとも一部のグラファイトシート２ａは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材となっているので、第１の構成例と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
ただし、第２の構成例では、複数のグラファイトシート２は、一方向（例えばＸ方向）に沿って所定の間隔を隔てて互いに平行に配置されているので、第１の構成例のように円形放射状に配置される場合と比べて、後述のように、熱拡散に偏りが生じ（面方向Ｘ，Ｙに均一に熱拡散が生ぜず）、また、第１の構成例のように広範囲に高速度の流れを分布させることができない。従って、最も好ましくは、第１の構成例のように、複数のグラファイトシート２が、円形放射状に配置されるのが良い。すなわち、複数のグラファイトシート２が、円形放射状に配置されることによって、熱拡散に偏りを生じさせず（面方向Ｘ，Ｙに均一に熱拡散が生じ）、広範囲に高速度の流れを分布させることが可能となる。なお、以下では、実施例は第１の構成例に対応するものとし、比較例４は第２の構成例に対応するものとする。
【００３２】
次に、本発明の実施例（第１の構成例に対応）をより詳細に説明する。
【００３３】
本発明の放熱性基板について、その大きさは面積・厚みを問わず、あらゆるサイズに適応可能である。発熱体１の例として照明用途の高出力ＬＥＤ（チップサイズ１ｍｍ角）に適用する放熱性基板を想定し、基板本体１０が縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ５ｍｍの板材で、フィン部２５の高さ（Ｚ１−Ｚ２）が２０ｍｍとなるような放熱性基板を、下記のようにして作製した。
【００３４】
本発明におけるグラファイトシート２については、市販されているグラファイトを適宜用いることができるが、熱拡散の向上の観点から、面方向（Ｘ，Ｙ方向）の熱伝導率が５００Ｗ／ｍＫ以上のグラファイトを用いることが望ましい。厚み方向（Ｚ方向）の熱伝導率は特に規定しないが、１０〜５０Ｗ／ｍＫが一般的な値である。本実施例では、面方向の熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫ・厚み方向の熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫの、厚さ２００μｍのグラファイトを用いた。
【００３５】
グラファイトシート２ａの作製工程、すなわち、グラファイト４１を金属材料の薄板４２で挟み込む工程については、加圧加熱プレスなどの方法を用いることができる。また、グラファイトシート２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを基板骨格面１１上に立設し、金属材料（金属粉末）３１を充填し、金属材料（金属粉末）３１をグラファイトシート２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと一緒に焼結させる工程については、プラズマ焼結法などの方法を用いることができる。
【００３６】
より具体的に、グラファイトシート２ａの作製工程、すなわち、グラファイト４１を金属材料の薄板４２で挟み込む工程において、グラファイト４１を、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ（Ｚ１＝２５ｍｍ）の短冊状に切断し、図９に示すように縦横が同サイズで厚さが２００μｍのアルミ板４２で挟みこんだ。なお、アルミ板４２の表面はフィン終端（焼結されて基板本体１０の一部となる部分）の縦５ｍｍ×横２５ｍｍ（Ｚ２＝５ｍｍ）を残してアルマイト処理が施され、熱放射率が約０．９５まで高められている。
【００３７】
さらに図５に示すように、このグラファイトシート２ａを２０枚、円形放射状に配列させた。グラファイトシート２ａが接する円の中央部は、適宜エポキシ系の接着剤を用いることが出来る。また、外周方向にいくにつれてシート間隔が広がるので、縦５ｍｍ（Ｚ２＝５ｍｍ）で横幅を２５ｍｍより狭く切断したグラファイト単体のシートを間に挿入することで、密度を高めることが出来る。本実施例においては、横２２ｍｍに切断したグラファイト単体シート２ｂを２０枚、横１９ｍｍに切断したグラファイト単体シート２ｃを４０枚、横１５ｍｍに切断したグラファイト単体シート２ｄを８０枚、それぞれ用意し、４重円となるように挿入・配置した。
【００３８】
焼結後の全体斜視図は図４のようになる。
【００３９】
次に、上記実施例を各比較例１、２、３、４と比較する。
【００４０】
図１２は比較例１の構成を示す図（透過斜視図）である。また、図１３は図１２の部分平面図、図１４は図１３のＣ−Ｃ線における断面図である。なお、図１２、図１３、図１４において、図３、図４、図６、図７と同様の箇所には同じ符号を付している。図１２、図１３、図１４を参照すると、比較例１の構成では、図３、図４、図６、図７のグラファイトシート２ａに対応するグラファイトシート２ｆは、他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄと同様に、基板骨格面１１の法線方向Ｚにおける長さが例えば基板本体１０の側面１２の高さＺ２と同じものになっている。すなわち、比較例１の構成では、実施例におけるフィン部２５は存在しない。また、比較例１の構成では、図３、図４、図６、図７のグラファイトシート２ａに対応するグラファイトシート２ｆは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材としては構成されておらず、他のグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄと同様に、グラファイト単体のものとなっている。
【００４１】
より具体的に、比較例１の構成では、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍの短冊状であった実施例のグラファイトシート２ａに対応するグラファイトシート２ｆを、縦５ｍｍ×横２５ｍｍに置き換え（アルミ板による挟みこみも廃止）、他の３種類の大きさのグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄは実施例と同一とした。すなわち、比較例１の構成では、４重円を構成する全てのグラファイトシート２ｆ，２ｂ，２ｃ，２ｄが焼結工程によって基板本体１０中に埋まるようになっている。
【００４２】
比較例２は、グラファイトシートの持つ高い熱伝導率による効果を検証するため、図３、図４、図６、図７の実施例の構成において、グラファイトシート２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに対応する部材を全てアルミ材料のものとした。
【００４３】
より具体的に、比較例２の構成では、基板本体１０は厚さ５ｍｍのアルミの一枚板とし、フィン部２５は厚さ６００μｍのアルミ薄板とした。基板本体１０とフィン部２５の接合部については、基板本体１０に円形放射状にフィン部２５の厚さ分の溝を深さ２〜３ｍｍ程度で加工し、そこへフィン部２５を挿入し、打ち込みによって接合した。
【００４４】
比較例３は、金属材料で熱伝導率に優れる銅との比較をするため、比較例２の構成において、フィン部２５を厚さ６００μｍの銅板に置き換えた構成となっている。接合部については比較例２と同様に溝加工と打ち込みで構成した。
【００４５】
比較例４は、円形放射状に配置したことの効果を検証するため、実施例と同じ材料を図１０に示したように平行に配置した第２の構成例に対応したものである。
【００４６】
より具体的に、比較例４の構成では、全体に占めるグラファイトシートの割合がほぼ同一となるように、フィン部２５を構成するグラファイトシート２ａ（グラファイトとアルミ薄板の積層板）は縦２５ｍｍ×横５０ｍｍのものを計１６枚、基板本体１０中に埋設されるグラファイトシート２ｅは縦５ｍｍ×横５０ｍｍのものを計４５枚、両者合わせて計６１枚用い、８ｍｍ間隔で配置した。金属材料３１が充填されて成る基板本体１０は縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ５ｍｍで実施例と共通しており、３枚おきに間隔３２ｍｍでグラファイトシート２ａすなわちフィン部２５が立設するようになっている。
【００４７】
実施例と各比較例１、２、３、４における放熱基板の放熱性能と、熱拡散の様子を可視化するため、熱流体解析を行った。以下に、実施例と各比較例１、２、３、４の検証結果を述べる。
【００４８】
実施例、各比較例１、２、３、４のいずれにおいても、発熱体１は１ｍｍ角の照明用途のＬＥＤとし、基板本体１０の中央に配置して、投入電力を５Ｗとした。発熱体１を搭載した状態は、実施例を例にとると図３に示したとおりである。また、ＬＥＤは基板本体１０の表面に施されたＮｉ／Ａｕメッキ部分にＡｕＳｎ共晶はんだによって接合した。そして、２５℃の空気中に、熱伝導が無視できる糸で、発熱体１を鉛直下向きにして宙吊りにした。
【００４９】
このような共通条件下で、実施例、各比較例１、２、３、４のそれぞれについて、発熱体１の周囲空気温度に対する上昇値を比較した。図１５には、実施例、各比較例１、２、３、４のそれぞれにおける温度比較結果が示されている。図１５から、実施例の構成（グラファイトシート（ＧＳ）、フィンあり、放射状配置）は、比較例１、２、３、４と比べて、温度上昇が最も低く抑えられ、熱抵抗が最も低く、放熱性が最も良いことがわかる（最も効率よく放熱を行うことができることがわかる）。
【００５０】
図１６（ａ），（ｂ）は実施例における温度分布を示す図であり、図１６（ａ）は上面図、図１６（ｂ）は略断面図（図１６（ａ）の中心付近を通る面で切断した図）である。また、図１７（ａ），（ｂ）は比較例１における温度分布を示す図であり、図１７（ａ）は上面図、図１７（ｂ）は略断面図（図１７（ａ）の中心付近を通る面で切断した図）である。図１６（ａ），（ｂ）と図１７（ａ），（ｂ）とを比較すると、基板上の温度分布の様子は同じで、絶対値だけ比較例１の方が高温側へシフトしている。これは、グラファイトとアルミの複合基板部分の構造は同一であるため、実施例と比較例１とでは、基板の熱伝導に関する差異は無く、実施例だけフィン（フィン部２５）が立設していることにより、実施例では図１７に示すような空気の対流が起こって冷却性能が向上したと考えられる。また、後述する比較例２〜４に比べて、比較例１は実施例と熱抵抗の差が大きいことから、実施例ではフィン（フィン部２５）の冷却効果が非常に大きいことがわかる。
【００５１】
また、図１９（ａ），（ｂ）は比較例２における温度分布を示す図であり、図１９（ａ）は上面図、図１９（ｂ）は略断面図（図１９（ａ）の中心付近を通る面で切断した図）である。また、図２０（ａ），（ｂ）は比較例３における温度分布を示す図であり、図２０（ａ）は上面図、図２０（ｂ）は略断面図（図２０（ａ）の中心付近を通る面で切断した図）である。図１６（ａ），（ｂ）、図１９（ａ），（ｂ）、図２０（ａ），（ｂ）を比較すると、実施例＞比較例３＞比較例２の順に発熱体１を中心とした等温部の面積が広いことがわかる。これは、グラファイト＞銅＞アルミの順に熱伝導率が高く、発熱体１から上記の順に効率よく拡散されていることを表している。なお、実施例、比較例２、比較例３とも、フィンの形状が同一であるため、図１８（図１８は実施例・比較例２・比較例３における流速分布の斜透視図である）に示したような対流の様相は、３者の間で大差はない。
【００５２】
また、図２１（ａ），（ｂ），（ｃ）は比較例４における温度分布を示す図であり、図２１（ａ）は上面図、図２１（ｂ）は図２１（ａ）のＭ−Ｍ線における略断面図、図２１（ｃ）は図２１（ａ）のＮ−Ｎ線における略断面図である。図１６（ａ），（ｂ）と図２１（ａ），（ｂ），（ｃ）を比較すると、実施例では等方的に熱が拡散しているのに対し、比較例４では熱拡散に偏りが生じている。これは、フィンの配置形状の違いによる効果を表している。なお、グラファイトシートをアルミで挟むというフィンの構成は同一であるため、各々、図１６（ｂ）、図２１（ｂ）の略断面図においては、実施例、比較例４の両者とも、フィンの隅まで一様に熱が拡散されている。
【００５３】
また、図２２は比較例４における流速分布の斜透視図である。図１８と図２２とを比較すると、フィンの形状による影響が空気の対流にも表れていることがわかる。すなわち、比較例４よりも実施例の方が広範囲に高速度の流れが分布していることから、円形放射状の配置が対流においても有利に働くことがわかる。
【００５４】
なお、上述した本発明の第１の構成例、第２の構成例では、金属材料３１は、例えば、基板本体１０の側面１２の高さＺ２まで充填されているとしたが（すなわち、第１の構成例では、グラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄの高さＺ２まで、第２の構成例では、グラファイトシート２ｅの高さＺ２まで充填されているとしたが）、本発明は、これに限らず、金属材料３１がグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄ；２ｅの高さＺ２よりも高く（少し高く）充填される場合、あるいは、金属材料３１がグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄ；２ｅの高さＺ２よりも低く（少し低く）充填される場合も含まれる。但し、放熱効率の点からは、金属材料３１がグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄ；２ｅの高さＺ２まで充填される場合が最も望ましく、次いで、金属材料３１がグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄ；２ｅの高さＺ２よりも高く（少し高く）充填される場合が優れ、金属材料３１がグラファイトシート２ｂ，２ｃ，２ｄ；２ｅの高さＺ２よりも低く（少し低く）充填される場合は、上記２つの場合に比べて、余り好ましくない。
【００５５】
なお、上述した例では、基板本体１０の外形形状を正方形形状のものにしたが、本発明において、基板本体１０の外形形状は、正方形形状のものに限らず、円形、楕円形、星型などの形状のものにすることも可能であり、この場合にも、放熱効率に優れた放熱性基板とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、照明装置や電子機器などの放熱に利用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１ 発熱体
２ グラファイトシート
１０ 基板本体
１１ 基板骨格面
１２ 側面
２１ グラファイトシートの一辺
２２ グラファイトシートの他辺
２３ グラファイトシートの他辺
２５ フィン部
３１ 金属材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状の面を有するグラファイトシートの一辺が発熱体が搭載される基板骨格面と接し、前記グラファイトシートの前記一辺と頂点を共有するグラファイトシートの他辺が基板骨格面の法線方向となるように、グラファイトシートが複数個配置され、前記基板骨格面上に配置された前記複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシートは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材であり、前記複数のグラファイトシートの他のグラファイトシートよりも基板骨格面の法線方向に長さが長くなっており、前記基板骨格面上の前記複数のグラファイトシートが配置される側において、前記基板骨格面から前記少なくとも一部のグラファイトシートの長さよりも短い距離にあって前記基板骨格面と前記基板骨格面に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料が充填されて基板本体が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシートにおいて、基板本体に埋設されていない部分がフィン部となっていることを特徴とする放熱性基板。
【請求項２】
請求項１記載の放熱性基板において、前記複数のグラファイトシートは、発熱体を中心として放射状に配置されていることを特徴とする放熱性基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の放熱性基板において、金属材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする放熱性基板。
【請求項１】
矩形状の面を有するグラファイトシートの一辺が発熱体が搭載される基板骨格面と接し、前記グラファイトシートの前記一辺と頂点を共有するグラファイトシートの他辺が基板骨格面の法線方向となるように、グラファイトシートが複数個配置され、前記基板骨格面上に配置された前記複数のグラファイトシートのうちの少なくとも一部のグラファイトシートは、グラファイトを金属材料の薄板で挟んだ複合材であり、前記複数のグラファイトシートの他のグラファイトシートよりも基板骨格面の法線方向に長さが長くなっており、前記基板骨格面上の前記複数のグラファイトシートが配置される側において、前記基板骨格面から前記少なくとも一部のグラファイトシートの長さよりも短い距離にあって前記基板骨格面と前記基板骨格面に平行な面とに挟まれた範囲に、金属材料が充填されて基板本体が形成され、前記少なくとも一部のグラファイトシートにおいて、基板本体に埋設されていない部分がフィン部となっていることを特徴とする放熱性基板。
【請求項２】
請求項１記載の放熱性基板において、前記複数のグラファイトシートは、発熱体を中心として放射状に配置されていることを特徴とする放熱性基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の放熱性基板において、金属材料は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする放熱性基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１２−６００４５（Ｐ２０１２−６００４５Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０３９６２（Ｐ２０１０−２０３９６２）
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１３日（２０１０．９．１３）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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