放熱部材、電子部品及び実装基板
【課題】半導体素子等の発熱部品から熱を奪って発熱部品を速やかに冷却できる、小型で軽量な放熱部材等を提供する。
【解決手段】発熱部品を接続するための頂部１１と、基板に接続するための底部１２と、頂部１１と底部１２との接続配線１３が設けられた中空胴部１０とを有し、冷却媒体１４と、冷却媒体１４を底部１２及び頂部１１の間で毛細管移動させる毛細管構造体１５とを内部に有する放熱部材１により、上記課題を解決した。毛細管構造体１５としては多孔質体又は繊維構造体であることが好ましい。こうした放熱部材１の頂部１１に発熱部品を接続し、一体化した電子部品とすることができる。
【解決手段】発熱部品を接続するための頂部１１と、基板に接続するための底部１２と、頂部１１と底部１２との接続配線１３が設けられた中空胴部１０とを有し、冷却媒体１４と、冷却媒体１４を底部１２及び頂部１１の間で毛細管移動させる毛細管構造体１５とを内部に有する放熱部材１により、上記課題を解決した。毛細管構造体１５としては多孔質体又は繊維構造体であることが好ましい。こうした放熱部材１の頂部１１に発熱部品を接続し、一体化した電子部品とすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却媒体の還流循環により発熱部品を冷却することができる放熱部材、その放熱部材に発熱部品を接続した電子部品、及びその電子部品を実装した実装基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光素子、パワー半導体素子等の半導体素子は、パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化と高密度実装化に伴い、薄型化及び高機能化している。そのため、半導体素子の単位面積当たりの発熱量は飛躍的に増大しており、半導体素子の機能を低下させることなく動作させるために、その放熱性を高めることが要求されている。発光素子の１つである発光ダイオード（ＬＥＤ）は、寿命が長く、且つ消費電力も少ないことから、冷却陰管（ＣＣＦＬ）に代わるテレビのバックライトとして、蛍光灯に代わる照明として、自動車のバックライトとして、又はその他の用途に急速に普及している。また、レーザーダイオード（ＬＤ）は、光通信用機器、情報の読み書きの記録用機器、又は様々なセンサ等の広い分野で使用されている。
【０００３】
ＬＥＤ及びＬＤ等の発光素子では、投入電力の７０％が熱になるという問題があり、投入電力の僅か３０％で発光させているにすぎない。そのため、発光素子を効果的に冷却できれば、発光に寄与する投入電力の割合を高めることができ、結果として光度や輝度等の発光出力を高めることができることになる。しかしながら、発光素子の出力を高めるために高い電力を印加すると、発光素子からの発熱量が増大してしまうという問題があった。
【０００４】
こうした問題に対する放熱手段として、例えば特許文献１，２に示すように、１又は複数のＬＥＤ等を、金属基板、セラミックス基板又は樹脂基板等に実装してパッケージ化してモジュールとし、そのモジュールをヒートシンク等の冷却装置に接合して放熱特性を高める例が提案されている。また、例えば特許文献３では、冷媒注入用凹部に冷媒が注入されたヒートパイプに、上部に回路層が形成された絶縁層が付着されたヒートパイプ基板、及び回路層に実装された電子部品を含んでなる放熱パッケージ基板が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１６７１８９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２８８１号公報
【特許文献３】特開２０１０−２０６１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来の放熱手段では、依然として放熱が不十分であった。また、高価な放熱部材で放熱特性が改善できたとしても現実的でないという問題もあった。また、ＬＥＤやＬＤを装着する照明デバイス毎にパッケージ構造を設計した場合もコストがかさむという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決することができる新しい放熱部材を提供するものであって、その目的は、発熱部品から熱を奪って発熱部品を速やかに冷却することができる小型で軽量な放熱部材を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、その放熱部材に発熱部品を接続した電子部品、及びその電子部品を実装した実装基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、半導体素子等の発熱部品から熱を効果的に奪うための放熱部材に関する研究開発を行っている過程で、冷却媒体を還流循環させることができる毛細管構造体を内部に密閉収納した放熱部材によって、上記課題を解決できることを見出して本発明を完成させた。
【０００９】
上記課題を解決するための本発明に係る放熱部材は、発熱部品を接続するための頂部と、基板に接続するための底部と、前記頂部と前記底部との接続配線が設けられた中空胴部とを有し、冷却媒体と、該冷却媒体を前記底部及び前記頂部の間で毛細管移動させる毛細管構造体とを内部に有することを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、発熱部品を接続するための頂部と、基板に接続するための底部と、頂部と底部との接続配線が設けられた中空胴部とを有し、内部に冷却媒体と毛細管構造体とを有するので、その冷却媒体が底部及び頂部の間で毛細管移動する。そのため、頂部に発熱部品が設けられた場合、冷却媒体はその発熱部品が発生した熱を奪って気化し、気化した冷却媒体は、温度の低い底部で放熱して液化する。液化した冷却媒体は、毛細管構造体内を毛細管移動して頂部に向かって還流する還流循環を起こす。その結果、この放熱部材は、発熱部品で発生した熱を奪って発熱部品を速やかに冷却することができる。
【００１１】
本発明に係る放熱部材において、前記毛細管構造体が、多孔質体又は繊維構造体であることが好ましい。
【００１２】
この発明によれば、多孔質体又は繊維構造体が細孔又は微細な隙間を有するので、その細孔又は隙間で冷却媒体が毛細管移動する。その結果、冷却媒体の環流循環を起こすことができる。
【００１３】
上記課題を解決するための本発明に係る電子部品は、上記した本発明に係る放熱部材が有する頂部に発熱部品が接続されてなることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、放熱部材の頂部に発熱部品が接続されているので、放熱部材が発熱部品で発生した熱を奪ってその発熱部品を速やかに冷却することができる。その結果、発熱部品の機能をより向上させることができる。さらに、この発明によれば、発熱部品と放熱部材とを電子部品として一体化したので、放熱機能を備えた実装用小型部品として用いることができる。
【００１５】
本発明に係る電子部品において、前記発熱部品が発光ダイオード又はレーザダイオードであることが好ましい。
【００１６】
この発明によれば、発熱部品が発光ダイオード又はレーザダイオードであるので、放熱部材が発光ダイオード又はレーザダイオードで発生した熱を奪ってそれらを速やかに冷却することができる。その結果、発光ダイオード又はレーザダイオードに高い入力電圧を印加することができるので、その高出力化が可能になる。
【００１７】
上記課題を解決するための本発明に係る実装基板は、上記した本発明に係る放熱部材が有する頂部に発熱部品が接続され、該放熱部材が有する底部が基板に接続されてなることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、放熱部材の頂部に発熱部品が接続され、その放熱部材の底部が基板に接続されているので、発熱部品で発生した熱を底部から基板を通じて放熱させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る放熱部材によれば、冷却媒体が底部及び頂部の間で毛細管移動するので、頂部に発熱部品が設けられた場合、冷却媒体はその発熱部品が発生した熱を奪って気化する。そして、気化した冷却媒体は、温度の低い底部で放熱して液化し、液化した冷却媒体は、毛細管構造体内を毛細管移動して頂部に向かって還流するので、冷却媒体の還流循環を起こすことができる。その結果、この放熱部材は、発熱部品で発生した熱を奪って発熱部品を速やかに冷却することができる。特に、本発明は、外部駆動力が不要であるにもかかわらず、高い放熱特性を示す廉価なパッケージ基板一体型の放熱部材を提供できる。
【００２０】
本発明に係る電子部品によれば、放熱部材が発熱部品で発生した熱を奪ってその発熱部品を速やかに冷却することができるので、発熱部品の機能をより向上させることができる。さらに、発熱部品と放熱部材とを電子部品として一体化したので、放熱機能を備えた実装用の小型部品として用いることができる。また、本発明に係る実装基板によれば、発熱部品で発生した熱を底部から基板を通じて放熱させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る放熱部材の一実施形態を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明に係る電子部品の一実施形態を示す模式的な斜視図である。
【図３】冷却媒体が還流循環する放熱メカニズムの説明図である。
【図４】（Ａ）は本発明に係る放熱部材の他の実施形態を示す模式的な断面図であり、（Ｂ）は本発明に係る放熱部材のさらに他の実施形態を示す模式的な断面図である。
【図５】本発明に係る電子部品の他の実施形態を示す模式的な斜視図である。
【図６】（Ａ）は本発明に係る実装基板の一実施形態を示す模式的な断面図であり、（Ｂ）は本発明に係る実装基板の他の実施形態を示す模式的な断面図であり、（Ｃ）は本発明に係る実装基板のさらに他の実施形態を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明に係る放熱部材の製造方法の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照しつつ本発明に係る放熱部材、電子部品及び実装基板の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、その技術的特徴を有すれば種々の変形が可能であり、以下に示す具体的な実施形態に限定されるものではない。
【００２３】
［放熱部材］
本発明に係る放熱部材１は、図１及び図２に示すように、発熱部品２０を接続するための頂部１１と、基板に接続するための底部１２と、頂部１１と底部１２との接続配線１３が設けられた中空胴部１０とを有している。そして、この放熱部材１は、冷却媒体１４と、冷却媒体１４を底部１２及び頂部１１の間で毛細管移動させる毛細管構造体１５とを内部に有することに特徴がある。
【００２４】
具体的には、この放熱部材１は、管状の中空胴部１０と、その中空胴部１０の縦方向の一方の端部にある平板状の頂部１１と、その中空胴部１０の縦方向の他方の端部にある平板状の底部１２とで密閉されている。密閉された放熱部材１は、図３に示すように、冷却媒体１４と毛細管構造体１５を内部に収容し、その冷却媒体１４が還流循環して発熱部品２０を冷却するように機能する。なお、「縦方向」とは、図１に示すように、管状の中空胴部１０の高さ方向のことであり、その高さ方向の両端に頂部１１と底部１２とが設けられる方向のことである。
【００２５】
（放熱メカニズム）
発熱部品２０で生じた熱は、図３に示すように、頂部１１に伝わり、頂部１１に伝わった熱（図３中の点線）は、放熱部材１の内部に封入された冷却媒体１４を気化させる（潜熱吸収による冷却媒体１４の気化現象）。冷却媒体１４が気化することで、その冷却媒体１４は蒸発潜熱により発熱部品２０から熱を奪って発熱部品２０を冷却する。気化した冷却媒体１４（蒸気）は、放熱部材１の内部でより温度の低い底部１２に向かって中空胴部１０を移動する（熱輸送現象）。そして、気化した冷却媒体１４は底部１２に接して底部１２に熱を与え、その冷却媒体１４は冷却されて液化する（潜熱放出による冷却媒体１４の液化現象）。冷却媒体１４から底部１２に伝わった熱は、底部１２から放熱部材１の外部に放出される。
【００２６】
液化した冷却媒体１４が毛細管構造体１５に接すると、液化した冷却媒体１４は毛細管力により毛細管構造体１５内に移動する。毛細管構造体１５内に移動した冷却媒体１４は、底部１２側から頂部１１側に移動し、冷却媒体１４が気化したことにより冷却媒体１４が不足した状態になっている頂部１１まで還流する。こうした冷却媒体１４の還流循環（図３の実線）により、放熱部材１は冷却部材（ヒートスプレッダともいう。）として機能し、発熱部品２０から熱を奪って発熱部品２０を速やかに冷却することができる。
【００２７】
なお、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２は、後述する高い熱伝導性の材料で形成されていることが好ましい。中空胴部１０、頂部１１及び底部１２が高い熱伝導性の材料で形成されることにより、頂部１１に接続された発熱部品２０で発生した熱が冷却媒体１４に速やかに伝わり、また、冷却媒体１４の熱が中空胴部１０と底部１２を伝わって放熱部材１の外部に速やかに伝わる。
【００２８】
こうした放熱メカニズムで作動する本発明に係る放熱部材１は、受熱部位（頂部１１）と放熱部位（底部１２）とが分離しており、複雑な制御が不要でメンテナンスフリーであり、且つ構造が簡単でリサイクルが可能で環境にも優しいという多くの優れた利点がある。また、冷却のための外部駆動力が不要であり、しかも銅の１００倍以上の熱伝導率を示すという熱伝導性能を備えている。
【００２９】
以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００３０】
（中空胴部、頂部、底部）
中空胴部１０は、図１及び図２に示すように、冷却媒体１４と毛細管構造体１５を収容する管状体である。この中空胴部１０の両端には、後述する頂部１１と底部１２とが接合され、密閉構造が形成される。密閉構造内に収容された冷却媒体１４と毛細管構造体１５は、上記した放熱メカニズムによって発熱部品２０を冷却するように機能する。
【００３１】
冷却を効果的に行うことができる中空胴部１０の形状は、毛細管構造体１５を収容可能なように、少なくとも片端が開口している必要があり、両端が開口した管形状であってもよいし、片端が開口したコップ形状であってもよい。さらに、中空胴部１０の寸法形状としては、縦方向長さＬが胴部内径Ｄよりも長い縦長形状であることが好ましい。中空胴部１０を縦長形状とすることにより頂部１１と底部１２との距離が離れるので、冷却媒体１４が熱を奪って気化する頂部１１と、冷却媒体１４が熱を放出して液化する底部１２との温度差が生じ易くなり、受熱部位（頂部１１）と放熱部位（底部１２）とが分離され、冷却媒体１４の環流循環が起き易くなる。
【００３２】
中空胴部１０の縦方向長さＬと胴部内径Ｄとの比は、毛細管構造体１５の大きさ、冷却媒体１４の性質、発熱部品２０の発熱量等により任意に設計される。一例を挙げれば、例えば［縦方向長さＬ］／［胴部内径Ｄ］が２〜４であることが好ましく、縦方向長さＬとしては、例えば５ｍｍ〜５０ｍｍのものを例示できる。なお、中空胴部１０の厚さ（肉厚）は、例えば０．１ｍｍ〜０．３ｍｍである。
【００３３】
中空胴部１０の形成材料は特に限定されないが、例えば、アルミニウム、銅、マグネシウム、鉄、ニッケル、亜鉛、若しくはそれらの合金、ステンレス鋼、洋白、青銅等の金属材料、又は、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のセラミックス材料等を挙げることができる。これらのうち、高い熱伝導性を示す金属材料は、放熱を効果的に行うことができるので好ましい。
【００３４】
頂部１１と底部１２は、中空胴部１０の縦方向の両端を密閉し、密閉型の放熱部材１を構成するための平板状部材である。頂部１１には後述する発熱部品２０が接続され、底部１２は後述する基板２６（実装基板）に接続される。そのため、頂部１１と底部１２は、金属材料のように熱伝導性の良い材料で形成されていることが望ましい。頂部１１と底部１２は同じ材料であってもよいし異なる材料であってもよい。なお、上記した中空胴部１０が管形状である場合は、頂部１１と底部１２はいずれも平板状部材を用いるが、上記した中空胴部１０がコップ形状である場合は、頂部１１と底部１２のいずれかが平板状部材となる。
【００３５】
頂部１１には、発熱部品２０を電気的に接続するための接続構造が設けられている。例えば、ペースト半田や半田ボールで半田付けできる半田パッド等の接続構造が設けられている。一方、底部１２にも、基板２６に接続できる接続構造が設けられている。例えば、図１等に示すようなピン型リード端子２１や、図６（Ｂ）に示すような半田ボール２２等の接続構造が設けられている。
【００３６】
絶縁層１６は、図１に示すように、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２が導電性材料で形成されている場合にそれぞれの表面に設けられる。絶縁層１６は、絶縁性材料であれば特に限定されないが、例えば、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のセラミックス材料や、プラスチック材料等の絶縁性材料を挙げることができる。特に、高い熱伝導性を示す絶縁性材料であることが好ましく、例えば上記した各セラミックス材料や、高い熱伝導性を示すプラスチック材料を挙げることができる。絶縁層１６の厚さは、目的とする絶縁性が確保できれば特に限定されないが、例えば１μｍ〜５０μｍである。なお、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２が絶縁性材料で形成されている場合は、絶縁層１６は設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい（図４を参照）。
【００３７】
接続配線１３は、発熱部品２０を接続する頂部１１と、基板２６に接続される底部１２とを電気的に接続する配線である。この接続配線１３は、少なくとも中空胴部１０の外表面に設けられ、必要に応じて頂部１１と底部１２にも設けられている。接続配線１３の種類は特に限定されないが、例えば銅配線やアルミニウム配線等を挙げることができる。
【００３８】
（冷却媒体）
冷却媒体１４は、毛細管構造体１５とともに放熱部材１の内部に密閉収容されている。この冷却媒体１４は、放熱部材１の内部で還流循環する上記放熱メカニズムにより、発熱部品２０を冷却するように作用する。冷却媒体１４としては、例えば、純水、イオン交換水、蒸留水等の水、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール、又はフロン等を挙げることができる。なかでも、潜熱の大きさから水が好ましく用いられる。
【００３９】
冷却媒体１４は、密閉された放熱部材１内に大気圧で封入されていてもよいし、減圧又は加圧されて封入されていてもよい。その封入圧力は、発熱部品２０から生じる熱量、冷却媒体１４の種類及びその冷却媒体１４の気化温度等の性質を考慮して調整することができ、その封入圧力を調整することにより、冷却媒体１４の沸点を可変させることができる。例えば、冷却媒体１４の気化温度を低くする場合は、冷却媒体１４を減圧して封入することが好ましく、冷却媒体１４の気化温度を高くする場合は、冷却媒体１４を加圧して封入することが好ましい。冷却媒体１４を減圧して封入するか加圧して封入するかは、発熱部品２０から生じる熱量と冷却媒体１４の気化温度等を考慮して適宜選択できる。冷却媒体１４の封入量は、上記した放熱メカニズムによる環流循環が効果的に行われる量であることが好ましい。
【００４０】
（毛細管構造体）
毛細管構造体１５は、冷却媒体１４を毛細管現象によって毛細管移動させるように作用する構造体（「ウィック」とも呼ばれ、毛細管現象を起こすための細溝を有する。）であり、放熱部材１の内部に収容されている。毛細管構造体１５の構造形態は、冷却媒体１４を毛細管移動させることができるものであれば特に限定されないが、例えば、細孔を有する構造体や、微細な隙間を有する構造体等を挙げることができる。細孔を有する構造体としては、例えば、多孔質体等を挙げることができ、微細な隙間を有する構造体としては、例えば、繊維を圧縮した繊維構造体等を挙げることができる。
【００４１】
多孔質体としては、例えば、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のセラミックスを多孔質化した多孔質セラミックス構造体、多孔質のカーボンシートを巻いた多孔質カーボンシート構造体、又は、金属粉末を焼結してなる多孔質焼結金属構造体等を挙げることができる。
【００４２】
繊維構造体としては、例えば、銅又は銅合金、鉄又は鉄合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、ニッケル又はニッケル合金、マグネシウム又はマグネシウム合金、亜鉛又は亜鉛合金等からなる金属繊維を圧縮してなる繊維構造体や、炭素繊維を圧縮してなる炭素繊維構造体や、竹材等の天然物繊維を圧縮してなる繊維構造体等を挙げることができる。用いる繊維の直径は任意に選択することが好ましい。
【００４３】
こうした毛細管構造体１５の空孔率又は空隙率は、例えば１％〜４０％であることが好ましい。空孔率又は空隙率は、例えば、水銀圧入法、ガス吸着法、バブルポイント法等の各種細孔分布測定方法で測定できる。
【００４４】
毛細管構造体１５の形状は、例えば図１〜図３に示す筒状体が好ましい。筒状体の毛細管構造体１５は、中央に冷却媒体１４を溜める空間を確保できる。なお、それ以外の形状であってもよく、例えば図４（Ｂ）に示す凹形状や、その他の形状にすることもできる。こうした毛細管構造体１５は、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２で密閉された放熱部材１の内面に接して収容されている。
【００４５】
（その他の形態）
図３に示す放熱部材１は、内部に１つの毛細管構造体１５を備えた放熱部材１の頂部１１に発熱部品２０を１つ接続しているが、本発明に係る放熱部材はこうした形態に限定されない。例えば、内部に１つの毛細管構造体１５を備えた放熱部材１の頂部１１に発熱部品２０を２つ又はそれ以上接続したものであってもよい（図示しない）。また、図５に示すように、内部に２つの毛細管構造体１５を備えた放熱部材２の頂部１１に、２つの発熱部品２０を接続したものであってもよい。この場合において、各発熱部品２０は、２つの毛細管構造体１５のそれぞれの位置の直上に接続されていることが好ましい。
【００４６】
このように、放熱部材１の頂部１１に１又は２以上の発熱部品２０を設けてもよいし、放熱部材１の内部に１又は２以上の毛細管構造体１５を収容したものであってもよい。なお、２以上の発熱部品２０を設ける場合には、その数と同じ数の毛細管構造体１５をその発熱部品２０の直下に設けることが好ましい。
【００４７】
以上、本発明に係る放熱部材１によれば、冷却媒体１４が底部１２及び頂部１１の間で毛細管移動するので、頂部１１に発熱部品２０が設けられた場合、冷却媒体１４はその発熱部品２０が発生した熱を奪って気化する。そして、気化した冷却媒体１４は、温度の低い底部１２で放熱して液化し、液化した冷却媒体１４は、毛細管構造体１５内を毛細管移動して頂部１１に向かって還流するので、冷却媒体１４の還流循環を起こすことができる。その結果、放熱部材１は、発熱部品２０で発生した熱を奪って発熱部品２０を速やかに冷却することができる。特に、本発明によれば、外部駆動力が不要であるにもかかわらず、高い放熱特性を示す廉価なパッケージ基板一体型の放熱部材を提供できる。
【００４８】
（製造方法）
放熱部材１は、例えば図７の（Ａ）〜（Ｅ）に示した方法で製造できる。図７（Ｆ）は、製造した放熱部材１に発熱部品２０を設けた後の電子部品２である。なお、放熱部材１の製造方法は以下の方法に限定されない。
【００４９】
放熱部材１の製造は、先ず、図７（Ａ）に示すように、中空胴部１０及び頂部１１が一体化したコップ状部材を準備する。コップ状部材は、例えば、押出成形、圧縮成形、深絞り加工等により形成することができる。
【００５０】
次に、図７（Ｂ）に示すように、その内部に毛細管構造体１５を入れる。毛細管構造体１５が多孔質構造体の場合は、中空胴部１０の内径Ｄに接する大きさに加工した多孔質構造体が用いられる。また、毛細管構造体１５が繊維構造体の場合は、所定の線径の繊維を中空胴部１０の内径Ｄに接する大きさに圧縮加工した繊維構造体が用いられる。
【００５１】
次に、図７（Ｃ）に示すように、毛細管構造体１５を入れた中空胴部１０に冷却媒体１４を入れ、さらに平板状の底部１２で封止して密閉する。平板状の底部１２は、中空胴部１０の底部側の開口部と嵌め合わさる形状に加工したものを用いることができる。なお、冷却媒体１４を減圧して封入する場合は、例えば、底部１２に減圧用吸引口（図示しない）及び冷却媒体注入口（図示しない）を設け、その減圧用吸引口から内部の空気を吸引しながら冷却媒体１４を冷却媒体注入口から注入する。そして、冷却媒体１４を注入した後、減圧用吸引口と冷却媒体注入口を例えば樹脂材料等の封止材料で封止し、加熱等で樹脂材料を硬化させて冷却媒体１４を減圧して封入する。
【００５２】
図７（Ｃ）の例では、ピン型リード端子２１を設けた底部１２を用いているが、ピン型リード端子２１以外の接続部材を設けてもよい。
【００５３】
次に、図７（Ｄ）に示すように、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２の表面に絶縁層１６を形成する。絶縁層１６は、例えば、絶縁性樹脂を塗布し、硬化させて形成できる。また、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２がアルミニウム等の金属材料で成形されている場合は、その表面に陽極酸化皮膜を形成して絶縁層１６を形成してもよい。
【００５４】
次に、図７（Ｅ）に示すように、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２の表面に接続配線１３を形成する。接続配線１３は、例えば、導電ペースト法、スパッタリング法又は真空蒸着法でパターン形成してもよいし、パターン形成した薄層上に電気めっき法で金属膜を積層して厚膜化してもよい。こうして、本発明に係る放熱部材１を製造できる。
【００５５】
最後に、図７（Ｆ）に示すように、放熱部材１の頂部１１に発熱部品２０を接続し、放熱部材１に発熱部品２０が装着された一体型の電子部品２を製造できる。発熱部品２０は、例えば、フリップチップ実装やワイヤボンディングにより接続できる。
【００５６】
［電子部品］
本発明に係る電子部品２は、図２、図３及び図５に示すように、上記した本発明に係る放熱部材１と、その放熱部材１の頂部１１に接続された発熱部品２０とで構成された一体型部品である。発熱部品２０としては、例えば、発光素子、パワー半導体素子、ＣＰＵ及びメモリ等の発熱する半導体素子や抵抗等を挙げることができる。発光素子としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等を挙げることができる。
【００５７】
発光ダイオード又はレーザダイオードを接続した放熱部材１は、その発光ダイオード又はレーザダイオードで発生した熱を奪って速やかに冷却することができる。その結果、発光ダイオード又はレーザダイオードに高い入力電圧を印加することができるので、その出力を増すことができる。
【００５８】
以上、本発明に係る電子部品２によれば、放熱部材１が発熱部品２０で発生した熱を奪ってその発熱部品２０を速やかに冷却することができるので、発熱部品２０の機能をより向上させることができる。さらに、発熱部品２０と放熱部材１とを電子部品２として一体化したので、放熱機能を備えた実装用の小型部品として用いることができる。
【００５９】
［実装基板］
本発明に係る実装基板３は、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示すように、上記した本発明に係る電子部品２が基板２６に実装されたものであり、詳しくは、上記した本発明に係る放熱部材１と、その放熱部材１の頂部１１に接続された発熱部品２０と、その放熱部材１の底部１２が接続する基板２６とで構成された実装基板である。なお、基板２６は、一般的に用いられるプリント基板であればよく、そうした基板２６に発熱部品２０が設けられた放熱部材１からなる電子部品２が少なくとも実装されていれば、抵抗、コンデンサ等の他の電子部品が実装されていてもよい。
【００６０】
電子部品２の基板２６への実装方法は、電子部品２の底部１２に種々の接続構造を設けて行うことができる。例えば、図６（Ａ）に示すように、電子部品２の底部にピン型リード端子２１を設けた場合には、そのピン型リード端子２１を基板２６に設けられたコネクタ端子２６に挿入することにより実装できる。また、そのピン型リード端子２１を、基板２６のスルーホール（図示しない）に差し込み、半田付けして実装してもよい。
【００６１】
また、図６（Ｂ）に示すように、電子部品２の底部に半田パッドを設けた場合には、その半田パッドと基板２６に設けた電極パッド部２４とを、半田ボール２２で接続することができる。
【００６２】
また、図６（Ｃ）に示すように、電子部品２の底部に筒状の実装補助部材２５を用いた場合には、電子部品２を筒状の実装補助部材２５の開口部にはめ込んで実装できる。なお、実装補助部材２５を用いて実装した電子部品２は、放熱部材１の底部１２を含む下方が実装補助部材２５に接触するので、放熱部材１の下方に伝わった熱が実装補助部材２５に効率的に伝わって放熱でき、その結果、電子部品２の放熱性をさらに向上させることができる。
【００６３】
なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）のいずれの場合も、実装基板３には、電子部品２から基板２６に伝わった熱を拡散させるための放熱配線（図示しない）や放熱フィン（図示しない）等を設けてもよい。
【００６４】
以上、本発明に係る実装基板３によれば、発熱部品２０で発生した熱を底部１２から基板２６を通じて放熱させることができる。
【実施例】
【００６５】
実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
【００６６】
［実施例１］
厚さ０．２ｍｍの頂部１１を有し、縦方向長さＬが７．８ｍｍで内径が２．６ｍｍで厚さが０．２ｍｍで洋白製のコップ状の中空胴部１０を準備した。さらに、ピン型リード端子２１を２本設けた直径２．７ｍｍでニッケル製の平板状の底部１２を準備した。さらに、外径２．６ｍｍ、内径２．４ｍｍ、高さ７．７ｍｍのチューブ状の多孔質アルミナセラミックス（空孔率１０％）製の毛細管構造体１５を準備した。
【００６７】
先ず、コップ状の中空胴部１０に毛細管構造体１５を入れ、その後、５ｍＬの純水を入れるのと同時に平板状の底部１２を嵌め込んで密閉し、密閉された放熱部材１を作製した。その後、その放熱部材１の外表面にアルマイト（アルミニウムの陽極酸化皮膜）からなる厚さ５０μｍの絶縁層１６を形成し、さらに中空胴部１０の外表面に幅０．３ｍｍで厚さ１０μｍの銅製の接続配線１３を設けた。
【００６８】
放熱部材１の頂部１１にＬＥＤを設けるとともに上記銅配線に接続した。こうしてＬＥＤが装着された一体型ＬＥＤパッケージ（電子部品２）を作製した。この一体型ＬＥＤパッケージ２を実装基板２６に実装した後、ＬＥＤに３Ｖを印加して発光させた。こうしたＬＥＤパッケージ（放熱部材）は、銅の１００倍以上の熱伝導率を達成でき、小型軽量化を実現できた。そして、従来実現することができなかった放熱特性（ＬＥＤ効率５０％）を実現できた。
【符号の説明】
【００６９】
１，１Ａ，１Ｂ 放熱部材
２ 電子部品
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 実装基板
１０ 中空胴部
１１ 頂部
１２ 底部
１３ 接続配線
１４ 冷却媒体
１５ 毛細管構造体
１６ 絶縁層
２０ 発熱部品
２１ ピン型リード端子
２２ 半田端子
２３ コネクタ端子
２４ 電極パッド部
２５ 放熱補助部材
２６ 基板
Ｌ 中空胴部の縦方向長さ
Ｄ 中空胴部の内径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却媒体の還流循環により発熱部品を冷却することができる放熱部材、その放熱部材に発熱部品を接続した電子部品、及びその電子部品を実装した実装基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光素子、パワー半導体素子等の半導体素子は、パーソナルコンピュータやモバイル電子機器の高機能化と高密度実装化に伴い、薄型化及び高機能化している。そのため、半導体素子の単位面積当たりの発熱量は飛躍的に増大しており、半導体素子の機能を低下させることなく動作させるために、その放熱性を高めることが要求されている。発光素子の１つである発光ダイオード（ＬＥＤ）は、寿命が長く、且つ消費電力も少ないことから、冷却陰管（ＣＣＦＬ）に代わるテレビのバックライトとして、蛍光灯に代わる照明として、自動車のバックライトとして、又はその他の用途に急速に普及している。また、レーザーダイオード（ＬＤ）は、光通信用機器、情報の読み書きの記録用機器、又は様々なセンサ等の広い分野で使用されている。
【０００３】
ＬＥＤ及びＬＤ等の発光素子では、投入電力の７０％が熱になるという問題があり、投入電力の僅か３０％で発光させているにすぎない。そのため、発光素子を効果的に冷却できれば、発光に寄与する投入電力の割合を高めることができ、結果として光度や輝度等の発光出力を高めることができることになる。しかしながら、発光素子の出力を高めるために高い電力を印加すると、発光素子からの発熱量が増大してしまうという問題があった。
【０００４】
こうした問題に対する放熱手段として、例えば特許文献１，２に示すように、１又は複数のＬＥＤ等を、金属基板、セラミックス基板又は樹脂基板等に実装してパッケージ化してモジュールとし、そのモジュールをヒートシンク等の冷却装置に接合して放熱特性を高める例が提案されている。また、例えば特許文献３では、冷媒注入用凹部に冷媒が注入されたヒートパイプに、上部に回路層が形成された絶縁層が付着されたヒートパイプ基板、及び回路層に実装された電子部品を含んでなる放熱パッケージ基板が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１６７１８９号公報
【特許文献２】特開２００５−３２８８１号公報
【特許文献３】特開２０１０−２０６１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来の放熱手段では、依然として放熱が不十分であった。また、高価な放熱部材で放熱特性が改善できたとしても現実的でないという問題もあった。また、ＬＥＤやＬＤを装着する照明デバイス毎にパッケージ構造を設計した場合もコストがかさむという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決することができる新しい放熱部材を提供するものであって、その目的は、発熱部品から熱を奪って発熱部品を速やかに冷却することができる小型で軽量な放熱部材を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、その放熱部材に発熱部品を接続した電子部品、及びその電子部品を実装した実装基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、半導体素子等の発熱部品から熱を効果的に奪うための放熱部材に関する研究開発を行っている過程で、冷却媒体を還流循環させることができる毛細管構造体を内部に密閉収納した放熱部材によって、上記課題を解決できることを見出して本発明を完成させた。
【０００９】
上記課題を解決するための本発明に係る放熱部材は、発熱部品を接続するための頂部と、基板に接続するための底部と、前記頂部と前記底部との接続配線が設けられた中空胴部とを有し、冷却媒体と、該冷却媒体を前記底部及び前記頂部の間で毛細管移動させる毛細管構造体とを内部に有することを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、発熱部品を接続するための頂部と、基板に接続するための底部と、頂部と底部との接続配線が設けられた中空胴部とを有し、内部に冷却媒体と毛細管構造体とを有するので、その冷却媒体が底部及び頂部の間で毛細管移動する。そのため、頂部に発熱部品が設けられた場合、冷却媒体はその発熱部品が発生した熱を奪って気化し、気化した冷却媒体は、温度の低い底部で放熱して液化する。液化した冷却媒体は、毛細管構造体内を毛細管移動して頂部に向かって還流する還流循環を起こす。その結果、この放熱部材は、発熱部品で発生した熱を奪って発熱部品を速やかに冷却することができる。
【００１１】
本発明に係る放熱部材において、前記毛細管構造体が、多孔質体又は繊維構造体であることが好ましい。
【００１２】
この発明によれば、多孔質体又は繊維構造体が細孔又は微細な隙間を有するので、その細孔又は隙間で冷却媒体が毛細管移動する。その結果、冷却媒体の環流循環を起こすことができる。
【００１３】
上記課題を解決するための本発明に係る電子部品は、上記した本発明に係る放熱部材が有する頂部に発熱部品が接続されてなることを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、放熱部材の頂部に発熱部品が接続されているので、放熱部材が発熱部品で発生した熱を奪ってその発熱部品を速やかに冷却することができる。その結果、発熱部品の機能をより向上させることができる。さらに、この発明によれば、発熱部品と放熱部材とを電子部品として一体化したので、放熱機能を備えた実装用小型部品として用いることができる。
【００１５】
本発明に係る電子部品において、前記発熱部品が発光ダイオード又はレーザダイオードであることが好ましい。
【００１６】
この発明によれば、発熱部品が発光ダイオード又はレーザダイオードであるので、放熱部材が発光ダイオード又はレーザダイオードで発生した熱を奪ってそれらを速やかに冷却することができる。その結果、発光ダイオード又はレーザダイオードに高い入力電圧を印加することができるので、その高出力化が可能になる。
【００１７】
上記課題を解決するための本発明に係る実装基板は、上記した本発明に係る放熱部材が有する頂部に発熱部品が接続され、該放熱部材が有する底部が基板に接続されてなることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、放熱部材の頂部に発熱部品が接続され、その放熱部材の底部が基板に接続されているので、発熱部品で発生した熱を底部から基板を通じて放熱させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る放熱部材によれば、冷却媒体が底部及び頂部の間で毛細管移動するので、頂部に発熱部品が設けられた場合、冷却媒体はその発熱部品が発生した熱を奪って気化する。そして、気化した冷却媒体は、温度の低い底部で放熱して液化し、液化した冷却媒体は、毛細管構造体内を毛細管移動して頂部に向かって還流するので、冷却媒体の還流循環を起こすことができる。その結果、この放熱部材は、発熱部品で発生した熱を奪って発熱部品を速やかに冷却することができる。特に、本発明は、外部駆動力が不要であるにもかかわらず、高い放熱特性を示す廉価なパッケージ基板一体型の放熱部材を提供できる。
【００２０】
本発明に係る電子部品によれば、放熱部材が発熱部品で発生した熱を奪ってその発熱部品を速やかに冷却することができるので、発熱部品の機能をより向上させることができる。さらに、発熱部品と放熱部材とを電子部品として一体化したので、放熱機能を備えた実装用の小型部品として用いることができる。また、本発明に係る実装基板によれば、発熱部品で発生した熱を底部から基板を通じて放熱させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る放熱部材の一実施形態を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明に係る電子部品の一実施形態を示す模式的な斜視図である。
【図３】冷却媒体が還流循環する放熱メカニズムの説明図である。
【図４】（Ａ）は本発明に係る放熱部材の他の実施形態を示す模式的な断面図であり、（Ｂ）は本発明に係る放熱部材のさらに他の実施形態を示す模式的な断面図である。
【図５】本発明に係る電子部品の他の実施形態を示す模式的な斜視図である。
【図６】（Ａ）は本発明に係る実装基板の一実施形態を示す模式的な断面図であり、（Ｂ）は本発明に係る実装基板の他の実施形態を示す模式的な断面図であり、（Ｃ）は本発明に係る実装基板のさらに他の実施形態を示す模式的な断面図である。
【図７】本発明に係る放熱部材の製造方法の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照しつつ本発明に係る放熱部材、電子部品及び実装基板の実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は、その技術的特徴を有すれば種々の変形が可能であり、以下に示す具体的な実施形態に限定されるものではない。
【００２３】
［放熱部材］
本発明に係る放熱部材１は、図１及び図２に示すように、発熱部品２０を接続するための頂部１１と、基板に接続するための底部１２と、頂部１１と底部１２との接続配線１３が設けられた中空胴部１０とを有している。そして、この放熱部材１は、冷却媒体１４と、冷却媒体１４を底部１２及び頂部１１の間で毛細管移動させる毛細管構造体１５とを内部に有することに特徴がある。
【００２４】
具体的には、この放熱部材１は、管状の中空胴部１０と、その中空胴部１０の縦方向の一方の端部にある平板状の頂部１１と、その中空胴部１０の縦方向の他方の端部にある平板状の底部１２とで密閉されている。密閉された放熱部材１は、図３に示すように、冷却媒体１４と毛細管構造体１５を内部に収容し、その冷却媒体１４が還流循環して発熱部品２０を冷却するように機能する。なお、「縦方向」とは、図１に示すように、管状の中空胴部１０の高さ方向のことであり、その高さ方向の両端に頂部１１と底部１２とが設けられる方向のことである。
【００２５】
（放熱メカニズム）
発熱部品２０で生じた熱は、図３に示すように、頂部１１に伝わり、頂部１１に伝わった熱（図３中の点線）は、放熱部材１の内部に封入された冷却媒体１４を気化させる（潜熱吸収による冷却媒体１４の気化現象）。冷却媒体１４が気化することで、その冷却媒体１４は蒸発潜熱により発熱部品２０から熱を奪って発熱部品２０を冷却する。気化した冷却媒体１４（蒸気）は、放熱部材１の内部でより温度の低い底部１２に向かって中空胴部１０を移動する（熱輸送現象）。そして、気化した冷却媒体１４は底部１２に接して底部１２に熱を与え、その冷却媒体１４は冷却されて液化する（潜熱放出による冷却媒体１４の液化現象）。冷却媒体１４から底部１２に伝わった熱は、底部１２から放熱部材１の外部に放出される。
【００２６】
液化した冷却媒体１４が毛細管構造体１５に接すると、液化した冷却媒体１４は毛細管力により毛細管構造体１５内に移動する。毛細管構造体１５内に移動した冷却媒体１４は、底部１２側から頂部１１側に移動し、冷却媒体１４が気化したことにより冷却媒体１４が不足した状態になっている頂部１１まで還流する。こうした冷却媒体１４の還流循環（図３の実線）により、放熱部材１は冷却部材（ヒートスプレッダともいう。）として機能し、発熱部品２０から熱を奪って発熱部品２０を速やかに冷却することができる。
【００２７】
なお、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２は、後述する高い熱伝導性の材料で形成されていることが好ましい。中空胴部１０、頂部１１及び底部１２が高い熱伝導性の材料で形成されることにより、頂部１１に接続された発熱部品２０で発生した熱が冷却媒体１４に速やかに伝わり、また、冷却媒体１４の熱が中空胴部１０と底部１２を伝わって放熱部材１の外部に速やかに伝わる。
【００２８】
こうした放熱メカニズムで作動する本発明に係る放熱部材１は、受熱部位（頂部１１）と放熱部位（底部１２）とが分離しており、複雑な制御が不要でメンテナンスフリーであり、且つ構造が簡単でリサイクルが可能で環境にも優しいという多くの優れた利点がある。また、冷却のための外部駆動力が不要であり、しかも銅の１００倍以上の熱伝導率を示すという熱伝導性能を備えている。
【００２９】
以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００３０】
（中空胴部、頂部、底部）
中空胴部１０は、図１及び図２に示すように、冷却媒体１４と毛細管構造体１５を収容する管状体である。この中空胴部１０の両端には、後述する頂部１１と底部１２とが接合され、密閉構造が形成される。密閉構造内に収容された冷却媒体１４と毛細管構造体１５は、上記した放熱メカニズムによって発熱部品２０を冷却するように機能する。
【００３１】
冷却を効果的に行うことができる中空胴部１０の形状は、毛細管構造体１５を収容可能なように、少なくとも片端が開口している必要があり、両端が開口した管形状であってもよいし、片端が開口したコップ形状であってもよい。さらに、中空胴部１０の寸法形状としては、縦方向長さＬが胴部内径Ｄよりも長い縦長形状であることが好ましい。中空胴部１０を縦長形状とすることにより頂部１１と底部１２との距離が離れるので、冷却媒体１４が熱を奪って気化する頂部１１と、冷却媒体１４が熱を放出して液化する底部１２との温度差が生じ易くなり、受熱部位（頂部１１）と放熱部位（底部１２）とが分離され、冷却媒体１４の環流循環が起き易くなる。
【００３２】
中空胴部１０の縦方向長さＬと胴部内径Ｄとの比は、毛細管構造体１５の大きさ、冷却媒体１４の性質、発熱部品２０の発熱量等により任意に設計される。一例を挙げれば、例えば［縦方向長さＬ］／［胴部内径Ｄ］が２〜４であることが好ましく、縦方向長さＬとしては、例えば５ｍｍ〜５０ｍｍのものを例示できる。なお、中空胴部１０の厚さ（肉厚）は、例えば０．１ｍｍ〜０．３ｍｍである。
【００３３】
中空胴部１０の形成材料は特に限定されないが、例えば、アルミニウム、銅、マグネシウム、鉄、ニッケル、亜鉛、若しくはそれらの合金、ステンレス鋼、洋白、青銅等の金属材料、又は、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のセラミックス材料等を挙げることができる。これらのうち、高い熱伝導性を示す金属材料は、放熱を効果的に行うことができるので好ましい。
【００３４】
頂部１１と底部１２は、中空胴部１０の縦方向の両端を密閉し、密閉型の放熱部材１を構成するための平板状部材である。頂部１１には後述する発熱部品２０が接続され、底部１２は後述する基板２６（実装基板）に接続される。そのため、頂部１１と底部１２は、金属材料のように熱伝導性の良い材料で形成されていることが望ましい。頂部１１と底部１２は同じ材料であってもよいし異なる材料であってもよい。なお、上記した中空胴部１０が管形状である場合は、頂部１１と底部１２はいずれも平板状部材を用いるが、上記した中空胴部１０がコップ形状である場合は、頂部１１と底部１２のいずれかが平板状部材となる。
【００３５】
頂部１１には、発熱部品２０を電気的に接続するための接続構造が設けられている。例えば、ペースト半田や半田ボールで半田付けできる半田パッド等の接続構造が設けられている。一方、底部１２にも、基板２６に接続できる接続構造が設けられている。例えば、図１等に示すようなピン型リード端子２１や、図６（Ｂ）に示すような半田ボール２２等の接続構造が設けられている。
【００３６】
絶縁層１６は、図１に示すように、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２が導電性材料で形成されている場合にそれぞれの表面に設けられる。絶縁層１６は、絶縁性材料であれば特に限定されないが、例えば、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のセラミックス材料や、プラスチック材料等の絶縁性材料を挙げることができる。特に、高い熱伝導性を示す絶縁性材料であることが好ましく、例えば上記した各セラミックス材料や、高い熱伝導性を示すプラスチック材料を挙げることができる。絶縁層１６の厚さは、目的とする絶縁性が確保できれば特に限定されないが、例えば１μｍ〜５０μｍである。なお、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２が絶縁性材料で形成されている場合は、絶縁層１６は設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい（図４を参照）。
【００３７】
接続配線１３は、発熱部品２０を接続する頂部１１と、基板２６に接続される底部１２とを電気的に接続する配線である。この接続配線１３は、少なくとも中空胴部１０の外表面に設けられ、必要に応じて頂部１１と底部１２にも設けられている。接続配線１３の種類は特に限定されないが、例えば銅配線やアルミニウム配線等を挙げることができる。
【００３８】
（冷却媒体）
冷却媒体１４は、毛細管構造体１５とともに放熱部材１の内部に密閉収容されている。この冷却媒体１４は、放熱部材１の内部で還流循環する上記放熱メカニズムにより、発熱部品２０を冷却するように作用する。冷却媒体１４としては、例えば、純水、イオン交換水、蒸留水等の水、エタノール、メタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール、又はフロン等を挙げることができる。なかでも、潜熱の大きさから水が好ましく用いられる。
【００３９】
冷却媒体１４は、密閉された放熱部材１内に大気圧で封入されていてもよいし、減圧又は加圧されて封入されていてもよい。その封入圧力は、発熱部品２０から生じる熱量、冷却媒体１４の種類及びその冷却媒体１４の気化温度等の性質を考慮して調整することができ、その封入圧力を調整することにより、冷却媒体１４の沸点を可変させることができる。例えば、冷却媒体１４の気化温度を低くする場合は、冷却媒体１４を減圧して封入することが好ましく、冷却媒体１４の気化温度を高くする場合は、冷却媒体１４を加圧して封入することが好ましい。冷却媒体１４を減圧して封入するか加圧して封入するかは、発熱部品２０から生じる熱量と冷却媒体１４の気化温度等を考慮して適宜選択できる。冷却媒体１４の封入量は、上記した放熱メカニズムによる環流循環が効果的に行われる量であることが好ましい。
【００４０】
（毛細管構造体）
毛細管構造体１５は、冷却媒体１４を毛細管現象によって毛細管移動させるように作用する構造体（「ウィック」とも呼ばれ、毛細管現象を起こすための細溝を有する。）であり、放熱部材１の内部に収容されている。毛細管構造体１５の構造形態は、冷却媒体１４を毛細管移動させることができるものであれば特に限定されないが、例えば、細孔を有する構造体や、微細な隙間を有する構造体等を挙げることができる。細孔を有する構造体としては、例えば、多孔質体等を挙げることができ、微細な隙間を有する構造体としては、例えば、繊維を圧縮した繊維構造体等を挙げることができる。
【００４１】
多孔質体としては、例えば、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のセラミックスを多孔質化した多孔質セラミックス構造体、多孔質のカーボンシートを巻いた多孔質カーボンシート構造体、又は、金属粉末を焼結してなる多孔質焼結金属構造体等を挙げることができる。
【００４２】
繊維構造体としては、例えば、銅又は銅合金、鉄又は鉄合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、ニッケル又はニッケル合金、マグネシウム又はマグネシウム合金、亜鉛又は亜鉛合金等からなる金属繊維を圧縮してなる繊維構造体や、炭素繊維を圧縮してなる炭素繊維構造体や、竹材等の天然物繊維を圧縮してなる繊維構造体等を挙げることができる。用いる繊維の直径は任意に選択することが好ましい。
【００４３】
こうした毛細管構造体１５の空孔率又は空隙率は、例えば１％〜４０％であることが好ましい。空孔率又は空隙率は、例えば、水銀圧入法、ガス吸着法、バブルポイント法等の各種細孔分布測定方法で測定できる。
【００４４】
毛細管構造体１５の形状は、例えば図１〜図３に示す筒状体が好ましい。筒状体の毛細管構造体１５は、中央に冷却媒体１４を溜める空間を確保できる。なお、それ以外の形状であってもよく、例えば図４（Ｂ）に示す凹形状や、その他の形状にすることもできる。こうした毛細管構造体１５は、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２で密閉された放熱部材１の内面に接して収容されている。
【００４５】
（その他の形態）
図３に示す放熱部材１は、内部に１つの毛細管構造体１５を備えた放熱部材１の頂部１１に発熱部品２０を１つ接続しているが、本発明に係る放熱部材はこうした形態に限定されない。例えば、内部に１つの毛細管構造体１５を備えた放熱部材１の頂部１１に発熱部品２０を２つ又はそれ以上接続したものであってもよい（図示しない）。また、図５に示すように、内部に２つの毛細管構造体１５を備えた放熱部材２の頂部１１に、２つの発熱部品２０を接続したものであってもよい。この場合において、各発熱部品２０は、２つの毛細管構造体１５のそれぞれの位置の直上に接続されていることが好ましい。
【００４６】
このように、放熱部材１の頂部１１に１又は２以上の発熱部品２０を設けてもよいし、放熱部材１の内部に１又は２以上の毛細管構造体１５を収容したものであってもよい。なお、２以上の発熱部品２０を設ける場合には、その数と同じ数の毛細管構造体１５をその発熱部品２０の直下に設けることが好ましい。
【００４７】
以上、本発明に係る放熱部材１によれば、冷却媒体１４が底部１２及び頂部１１の間で毛細管移動するので、頂部１１に発熱部品２０が設けられた場合、冷却媒体１４はその発熱部品２０が発生した熱を奪って気化する。そして、気化した冷却媒体１４は、温度の低い底部１２で放熱して液化し、液化した冷却媒体１４は、毛細管構造体１５内を毛細管移動して頂部１１に向かって還流するので、冷却媒体１４の還流循環を起こすことができる。その結果、放熱部材１は、発熱部品２０で発生した熱を奪って発熱部品２０を速やかに冷却することができる。特に、本発明によれば、外部駆動力が不要であるにもかかわらず、高い放熱特性を示す廉価なパッケージ基板一体型の放熱部材を提供できる。
【００４８】
（製造方法）
放熱部材１は、例えば図７の（Ａ）〜（Ｅ）に示した方法で製造できる。図７（Ｆ）は、製造した放熱部材１に発熱部品２０を設けた後の電子部品２である。なお、放熱部材１の製造方法は以下の方法に限定されない。
【００４９】
放熱部材１の製造は、先ず、図７（Ａ）に示すように、中空胴部１０及び頂部１１が一体化したコップ状部材を準備する。コップ状部材は、例えば、押出成形、圧縮成形、深絞り加工等により形成することができる。
【００５０】
次に、図７（Ｂ）に示すように、その内部に毛細管構造体１５を入れる。毛細管構造体１５が多孔質構造体の場合は、中空胴部１０の内径Ｄに接する大きさに加工した多孔質構造体が用いられる。また、毛細管構造体１５が繊維構造体の場合は、所定の線径の繊維を中空胴部１０の内径Ｄに接する大きさに圧縮加工した繊維構造体が用いられる。
【００５１】
次に、図７（Ｃ）に示すように、毛細管構造体１５を入れた中空胴部１０に冷却媒体１４を入れ、さらに平板状の底部１２で封止して密閉する。平板状の底部１２は、中空胴部１０の底部側の開口部と嵌め合わさる形状に加工したものを用いることができる。なお、冷却媒体１４を減圧して封入する場合は、例えば、底部１２に減圧用吸引口（図示しない）及び冷却媒体注入口（図示しない）を設け、その減圧用吸引口から内部の空気を吸引しながら冷却媒体１４を冷却媒体注入口から注入する。そして、冷却媒体１４を注入した後、減圧用吸引口と冷却媒体注入口を例えば樹脂材料等の封止材料で封止し、加熱等で樹脂材料を硬化させて冷却媒体１４を減圧して封入する。
【００５２】
図７（Ｃ）の例では、ピン型リード端子２１を設けた底部１２を用いているが、ピン型リード端子２１以外の接続部材を設けてもよい。
【００５３】
次に、図７（Ｄ）に示すように、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２の表面に絶縁層１６を形成する。絶縁層１６は、例えば、絶縁性樹脂を塗布し、硬化させて形成できる。また、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２がアルミニウム等の金属材料で成形されている場合は、その表面に陽極酸化皮膜を形成して絶縁層１６を形成してもよい。
【００５４】
次に、図７（Ｅ）に示すように、中空胴部１０、頂部１１及び底部１２の表面に接続配線１３を形成する。接続配線１３は、例えば、導電ペースト法、スパッタリング法又は真空蒸着法でパターン形成してもよいし、パターン形成した薄層上に電気めっき法で金属膜を積層して厚膜化してもよい。こうして、本発明に係る放熱部材１を製造できる。
【００５５】
最後に、図７（Ｆ）に示すように、放熱部材１の頂部１１に発熱部品２０を接続し、放熱部材１に発熱部品２０が装着された一体型の電子部品２を製造できる。発熱部品２０は、例えば、フリップチップ実装やワイヤボンディングにより接続できる。
【００５６】
［電子部品］
本発明に係る電子部品２は、図２、図３及び図５に示すように、上記した本発明に係る放熱部材１と、その放熱部材１の頂部１１に接続された発熱部品２０とで構成された一体型部品である。発熱部品２０としては、例えば、発光素子、パワー半導体素子、ＣＰＵ及びメモリ等の発熱する半導体素子や抵抗等を挙げることができる。発光素子としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）等を挙げることができる。
【００５７】
発光ダイオード又はレーザダイオードを接続した放熱部材１は、その発光ダイオード又はレーザダイオードで発生した熱を奪って速やかに冷却することができる。その結果、発光ダイオード又はレーザダイオードに高い入力電圧を印加することができるので、その出力を増すことができる。
【００５８】
以上、本発明に係る電子部品２によれば、放熱部材１が発熱部品２０で発生した熱を奪ってその発熱部品２０を速やかに冷却することができるので、発熱部品２０の機能をより向上させることができる。さらに、発熱部品２０と放熱部材１とを電子部品２として一体化したので、放熱機能を備えた実装用の小型部品として用いることができる。
【００５９】
［実装基板］
本発明に係る実装基板３は、図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示すように、上記した本発明に係る電子部品２が基板２６に実装されたものであり、詳しくは、上記した本発明に係る放熱部材１と、その放熱部材１の頂部１１に接続された発熱部品２０と、その放熱部材１の底部１２が接続する基板２６とで構成された実装基板である。なお、基板２６は、一般的に用いられるプリント基板であればよく、そうした基板２６に発熱部品２０が設けられた放熱部材１からなる電子部品２が少なくとも実装されていれば、抵抗、コンデンサ等の他の電子部品が実装されていてもよい。
【００６０】
電子部品２の基板２６への実装方法は、電子部品２の底部１２に種々の接続構造を設けて行うことができる。例えば、図６（Ａ）に示すように、電子部品２の底部にピン型リード端子２１を設けた場合には、そのピン型リード端子２１を基板２６に設けられたコネクタ端子２６に挿入することにより実装できる。また、そのピン型リード端子２１を、基板２６のスルーホール（図示しない）に差し込み、半田付けして実装してもよい。
【００６１】
また、図６（Ｂ）に示すように、電子部品２の底部に半田パッドを設けた場合には、その半田パッドと基板２６に設けた電極パッド部２４とを、半田ボール２２で接続することができる。
【００６２】
また、図６（Ｃ）に示すように、電子部品２の底部に筒状の実装補助部材２５を用いた場合には、電子部品２を筒状の実装補助部材２５の開口部にはめ込んで実装できる。なお、実装補助部材２５を用いて実装した電子部品２は、放熱部材１の底部１２を含む下方が実装補助部材２５に接触するので、放熱部材１の下方に伝わった熱が実装補助部材２５に効率的に伝わって放熱でき、その結果、電子部品２の放熱性をさらに向上させることができる。
【００６３】
なお、図６（Ａ）〜（Ｃ）のいずれの場合も、実装基板３には、電子部品２から基板２６に伝わった熱を拡散させるための放熱配線（図示しない）や放熱フィン（図示しない）等を設けてもよい。
【００６４】
以上、本発明に係る実装基板３によれば、発熱部品２０で発生した熱を底部１２から基板２６を通じて放熱させることができる。
【実施例】
【００６５】
実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
【００６６】
［実施例１］
厚さ０．２ｍｍの頂部１１を有し、縦方向長さＬが７．８ｍｍで内径が２．６ｍｍで厚さが０．２ｍｍで洋白製のコップ状の中空胴部１０を準備した。さらに、ピン型リード端子２１を２本設けた直径２．７ｍｍでニッケル製の平板状の底部１２を準備した。さらに、外径２．６ｍｍ、内径２．４ｍｍ、高さ７．７ｍｍのチューブ状の多孔質アルミナセラミックス（空孔率１０％）製の毛細管構造体１５を準備した。
【００６７】
先ず、コップ状の中空胴部１０に毛細管構造体１５を入れ、その後、５ｍＬの純水を入れるのと同時に平板状の底部１２を嵌め込んで密閉し、密閉された放熱部材１を作製した。その後、その放熱部材１の外表面にアルマイト（アルミニウムの陽極酸化皮膜）からなる厚さ５０μｍの絶縁層１６を形成し、さらに中空胴部１０の外表面に幅０．３ｍｍで厚さ１０μｍの銅製の接続配線１３を設けた。
【００６８】
放熱部材１の頂部１１にＬＥＤを設けるとともに上記銅配線に接続した。こうしてＬＥＤが装着された一体型ＬＥＤパッケージ（電子部品２）を作製した。この一体型ＬＥＤパッケージ２を実装基板２６に実装した後、ＬＥＤに３Ｖを印加して発光させた。こうしたＬＥＤパッケージ（放熱部材）は、銅の１００倍以上の熱伝導率を達成でき、小型軽量化を実現できた。そして、従来実現することができなかった放熱特性（ＬＥＤ効率５０％）を実現できた。
【符号の説明】
【００６９】
１，１Ａ，１Ｂ 放熱部材
２ 電子部品
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 実装基板
１０ 中空胴部
１１ 頂部
１２ 底部
１３ 接続配線
１４ 冷却媒体
１５ 毛細管構造体
１６ 絶縁層
２０ 発熱部品
２１ ピン型リード端子
２２ 半田端子
２３ コネクタ端子
２４ 電極パッド部
２５ 放熱補助部材
２６ 基板
Ｌ 中空胴部の縦方向長さ
Ｄ 中空胴部の内径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部品を接続するための頂部と、基板に接続するための底部と、前記頂部と前記底部との接続配線が設けられた中空胴部とを有し、
冷却媒体と、該冷却媒体を前記底部及び前記頂部の間で毛細管移動させる毛細管構造体とを内部に有することを特徴とする放熱部材。
【請求項２】
前記毛細管構造体が、多孔質体又は繊維構造体である、請求項１に記載の放熱部材。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の放熱部材が有する頂部に発熱部品が接続されてなることを特徴とする電子部品。
【請求項４】
前記発熱部品が発光ダイオード又はレーザダイオードである、請求項３に記載の電子部品。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の放熱部材が有する頂部に発熱部品が接続され、該放熱部材が有する底部が基板に接続されてなることを特徴とする実装基板。
【請求項１】
発熱部品を接続するための頂部と、基板に接続するための底部と、前記頂部と前記底部との接続配線が設けられた中空胴部とを有し、
冷却媒体と、該冷却媒体を前記底部及び前記頂部の間で毛細管移動させる毛細管構造体とを内部に有することを特徴とする放熱部材。
【請求項２】
前記毛細管構造体が、多孔質体又は繊維構造体である、請求項１に記載の放熱部材。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の放熱部材が有する頂部に発熱部品が接続されてなることを特徴とする電子部品。
【請求項４】
前記発熱部品が発光ダイオード又はレーザダイオードである、請求項３に記載の電子部品。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の放熱部材が有する頂部に発熱部品が接続され、該放熱部材が有する底部が基板に接続されてなることを特徴とする実装基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１１５３６４（Ｐ２０１３−１１５３６４Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６２５６３（Ｐ２０１１−２６２５６３）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００１６６９４８）シチズンファインテックミヨタ株式会社 (438)
【出願人】（０００１３１４３０）シチズン電子株式会社 (798)
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００１６６９４８）シチズンファインテックミヨタ株式会社 (438)
【出願人】（０００１３１４３０）シチズン電子株式会社 (798)
【出願人】（０００００１９６０）シチズンホールディングス株式会社 (1,939)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]