特開 2024-122615 ヒートシンク、実装基板、ＬＥＤ照明装置、および半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024122615

(43)【公開日】2024-09-09

(54)【発明の名称】ヒートシンク、実装基板、ＬＥＤ照明装置、および半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/36 20060101AFI20240902BHJP

   H01L 33/64 20100101ALI20240902BHJP

【ＦＩ】

H01L23/36

H01L33/64

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023030269

(22)【出願日】2023-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】390032573

【氏名又は名称】丸茂電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123984

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 晃伸

(74)【代理人】

【識別番号】100102314

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 阿佐子

(74)【代理人】

【識別番号】100159178

【弁理士】

【氏名又は名称】榛葉 貴宏

(72)【発明者】

【氏名】榎本 實

(72)【発明者】

【氏名】山田 涼

【テーマコード（参考）】

5F136

5F142

【Ｆターム（参考）】

5F136BB01

5F136BC00

5F136BC01

5F136BC02

5F136BC06

5F136DA33

5F136EA02

5F136EA13

5F136EA23

5F136FA02

5F136FA03

5F142AA42

5F142CB14

5F142CB17

5F142CB23

5F142CD02

5F142CD18

5F142CF13

5F142CF23

5F142CF32

5F142EA02

5F142EA34

(57)【要約】

【課題】半導体素子で生じた熱を高効率で放熱可能なヒートシンク、実装基板、ＬＥＤ照明装置および半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体素子１２が搭載された実装基板１１を有する半導体モジュール１０に取り付けられるヒートシンク２０であって、実装基板１１と当接する側に設けられた平らな搭載面２３を有する本体部２１と、搭載面２３から突出する多数の伝熱ピラー２２と、を備え、搭載面２３に実装基板１１を取り付ける際に多数の伝熱ピラー２２が変形する。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子が搭載された実装基板を有する半導体モジュールに取り付けられるヒートシンクであって、
前記実装基板と当接する側に設けられた平らな搭載面を有する本体部と、
前記搭載面から突出する複数の伝熱ピラーと、を備え、
前記搭載面に前記実装基板を取り付ける際に前記複数の伝熱ピラーが変形するヒートシンク。

【請求項2】

前記複数の伝熱ピラーが、数十本以上の伝熱ピラーからなる、請求項１に記載のヒートシンク。

【請求項3】

前記伝熱ピラーが、φ４～４０μｍと同等の最大断面積を有する、請求項１に記載のヒートシンク。

【請求項4】

前記複数の伝熱ピラーの高さが、前記実装基板の反りの１．５～２．５倍の長さである、請求項３に記載のヒートシンク。

【請求項5】

前記複数の伝熱ピラーが、前記搭載面の面積の１０％以上を占めるように設けられている、請求項１に記載のヒートシンク。

【請求項6】

前記複数の伝熱ピラーが、金、金合金、銀、銀合金、銅または銅合金により構成される、請求項１に記載のヒートシンク。

【請求項7】

複数のＬＥＤ発光素子が搭載された実装基板を有するＬＥＤ照明モジュールと、
請求項１ないし６のいずれに記載のヒートシンクと、
前記ＬＥＤ照明モジュールと前記ヒートシンクとを押圧した状態で固定する固定具と、を備え、
前記実装基板と前記ヒートシンクの搭載面とが変形した前記複数の伝熱ピラーを介して接続されているＬＥＤ照明装置。

【請求項8】

半導体素子が搭載された実装基板を有する半導体モジュールと、
請求項１ないし６のいずれに記載のヒートシンクと、
前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとを押圧した状態で固定する固定具と、を備え、
前記実装基板と前記ヒートシンクの搭載面とが変形した前記複数の伝熱ピラーを介して接続されている半導体装置。

【請求項9】

半導体素子を上面に搭載可能であり、下面に平らな搭載面を有するヒートシンクを取り付けて使用される実装基板であって、
複数の伝熱ピラーを当該実装基板の下面に有しており、
前記下面に前記ヒートシンクを取り付ける際に、前記複数の伝熱ピラーが変形する実装基板。

【請求項10】

請求項９に記載の実装基板、および、当該実装基板の上面に搭載された複数のＬＥＤ発光素子を有するＬＥＤモジュールと、
前記実装基板の下面に取り付けられる平らな搭載面を有するヒートシンクと、
前記ＬＥＤモジュールと前記ヒートシンクとを押圧した状態で固定する固定具と、を備え、
前記ＬＥＤモジュールと前記ヒートシンクとが、変形した前記複数の伝熱ピラーを介して接続されているＬＥＤ照明装置。

【請求項11】

請求項９に記載の実装基板、および、当該実装基板の上面に搭載された半導体素子を有する半導体モジュールと、
前記実装基板の下面に取り付けられる平らな搭載面を有するヒートシンクと、
前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとを押圧した状態で固定する固定具と、を備え、
前記半導体モジュールと前記ヒートシンクの搭載面とが変形した前記複数の伝熱ピラーを介して接続されている半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヒートシンクおよび実装基板、並びに、それらヒートシンクまたは実装基板を備えるＬＥＤ照明装置および半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、実装基板上に搭載されたＬＥＤ発光素子で発生した熱を、ヒートシンクまで伝導させて放熱するＬＥＤ照明装置が知られている。また、このようなＬＥＤ照明装置においては、特許文献１や特許文献２のように、実装基板とヒートシンクとの間に放熱グリースや放熱性絶縁シートを介在させることで、実装基板からヒートシンクへと熱伝導を高効率で行う技術が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１０２６７８号公報

【特許文献2】特開２０１６－１４３６２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、半導体素子の高密度実装に伴い、熱密度の問題が生じている。たとえば、多色ＬＥＤ照明装置など多数のＬＥＤ発光素子を搭載した実装基板では発生する熱の熱量が多く、ＬＥＤ発光素子が高温となった場合には、温度により発色が変化してしまい所望する色を調光できない場合や、高温により劣化が進み装置が短寿命となってしまう場合があった。
また、従来は、実装基板やヒートシンクの表面に製造上凹凸が存在し、また、実装基板が反りを有している場合もあり、このような凹凸や反りの影響を吸収するために、特許文献１のように、放熱グリースを１００μｍ程度の厚さで介在させることが一般的であるが、放熱グリースの熱伝導率は４Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、半導体素子がたとえば２ｍｍ角である場合には、グリース部の熱抵抗は６℃／Ｗ程度と大きくなり、十分な放熱効率を実現することができなかった。
そのため、より高効率の放熱が可能な放熱手段を有するヒートシンク、実装基板、ＬＥＤ照明装置、および半導体装置が希求されていた。

【0005】

本発明の課題は、半導体素子で生じた熱を高効率で放熱することができるヒートシンク、実装基板、ＬＥＤ照明装置、および半導体装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係るヒートシンクは、半導体素子が搭載された実装基板を有する半導体モジュールに取り付けられるヒートシンクであって、前記実装基板と当接する側に設けられた平らな搭載面を有する本体部と、前記搭載面から突出する複数の伝熱ピラーと、を備え、前記搭載面に前記実装基板を取り付ける際に前記複数の伝熱ピラーが変形するヒートシンク。
上記ヒートシンクにおいて、前記複数の伝熱ピラーが、数十本以上の伝熱ピラーからなる構成とすることができる。
上記ヒートシンクにおいて、前記伝熱ピラーが、φ４～４０μｍと同等の最大断面積を有する構成とすることができる。
上記ヒートシンクにおいて、前記複数の伝熱ピラーの高さが、前記実装基板の反りの１．５～２．５倍の長さである構成とすることができる。
上記ヒートシンクにおいて、前記複数の伝熱ピラーが、前記搭載面の面積の１０％以上を占めるように設けられている構成とすることができる。
上記ヒートシンクにおいて、前記複数の伝熱ピラーが、金、金合金、銀、銀合金、銅または銅合金により構成される構成とすることができる。
本発明の第１の観点に係るＬＥＤ照明装置は、複数のＬＥＤ発光素子が搭載された実装基板を有するＬＥＤ照明モジュールと、上記ヒートシンクと、前記ＬＥＤ照明モジュールと前記ヒートシンクとを押圧した状態で固定する固定具と、を備え、前記実装基板と前記ヒートシンクの搭載面とが変形した前記複数の伝熱ピラーを介して接続されている。
本発明の第１の観点に係る半導体装置は、半導体素子が搭載された実装基板を有する半導体モジュールと、上記ヒートシンクと、前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとを押圧した状態で固定する固定具と、を備え、前記実装基板と前記ヒートシンクの搭載面とが変形した前記複数の伝熱ピラーを介して接続されている。
本発明に係る実装基板は、半導体素子を上面に搭載可能であり、下面に平らな搭載面を有するヒートシンクを取り付けて使用される実装基板であって、複数の伝熱ピラーを当該実装基板の下面に有しており、前記下面に前記ヒートシンクを取り付ける際に、前記複数の伝熱ピラーが変形する。
本発明の第２の観点に係るＬＥＤ照明装置は、上記実装基板と、当該実装基板の上面に搭載された複数のＬＥＤ発光素子とを有するＬＥＤモジュールと、前記実装基板の下面に取り付けられる平らな搭載面を有するヒートシンクと、前記ＬＥＤモジュールと前記ヒートシンクとを押圧した状態で固定する固定具と、を備え、前記ＬＥＤモジュールと前記ヒートシンクとが変形した前記複数の伝熱ピラーを介して接続されている。
本発明の第２の観点に係る半導体装置は、上記実装基板と、当該実装基板の上面に搭載された半導体素子を有する半導体モジュールと、前記実装基板の下面に取り付けられる平らな搭載面を有するヒートシンクと、前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとを押圧した状態で固定する固定具と、を備え、前記半導体モジュールと前記ヒートシンクとが変形した前記複数の伝熱ピラーを介して接続されている。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、半導体素子で生じた熱を高効率で放熱可能なヒートシンク、実装基板、ＬＥＤ照明装置および半導体装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置の側面図である。

【図2】本実施形態に係るＬＥＤ照明装置の平面図である。

【図3】第１実施形態に係るＬＥＤモジュールとヒートシンクの側面図である。

【図4】第１実施形態に係るヒートシンクの平面拡大図である。

【図5】図１に示すＬＥＤ照明装置のＡ部分の側面拡大図であって、実装基板に反りや歪みが生じていない場合の例を説明する図である。

【図6】図１に示すＬＥＤ照明装置のＡ部分の側面拡大図であって、反りのある実装基板をヒートシンクに押し付ける前の状態を説明するための図である。

【図7】図１に示すＬＥＤ照明装置のＡ部分の側面拡大図であって、反りのある実装基板をヒートシンクに押し付けた場合の、伝熱ピラーの状態を説明するための図である（その１）。

【図8】図１に示すＬＥＤ照明装置のＡ部分の側面拡大図であって、反りのある実装基板をヒートシンクに押し付けた場合の、伝熱ピラーの状態を説明するための図である（その２）。

【図9】第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置の側面図である。

【図10】第２実施形態に係るＬＥＤモジュールの側面図である。

【図11】第２実施形態に係るヒートシンクの側面図である。

【図12】図９のＢ部分の側面拡大図であって、（Ａ）はＬＥＤモジュールをヒートシンクに押し付ける前の状態を示す図であり、（Ｂ）および（Ｃ）はＬＥＤモジュールをヒートシンクに押し付けた場合の、伝熱ピラーの状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態をＬＥＤ照明装置の例で説明する。なお、 本発明は、パワー半導体チップなどの半導体素子が実装基板に搭載された半導体装置や、パワーデバイスにおけるＴＣＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌｅ）にも適用が可能である。また、本発明に係る実装基板は、半導体素子が実装された基板だけではなく、半導体素子が実装される前の基板も含むものとする。さらに、本発明においては、ＬＥＤ発光素子が実装基板に搭載された半導体装置をＬＥＤモジュールと称して説明する。また、本発明では、複数の伝熱ピラー、特に、多数の伝熱ピラーを有することを特徴とするが、「多数」とは、たとえば数十本以上、より好ましくは数百本以上の伝熱ピラーを有する構成とする。

【0010】

《第１実施形態》
第１実施形態は、放熱が必要な半導体装置がＬＥＤモジュール１０である場合の構成例である。図１は、第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置１の側面図あり、図２は、第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置１の平面図である。図１および図２に示すように、第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置１は、ＬＥＤモジュール１０と、ヒートシンク２０とを有する。

【0011】

本実施形態において、ＬＥＤモジュール１０は、実装基板１１上にＣＯＢ実装およびＳＭＴ実装された多色のＬＥＤ発光素子１２を有しており、所望する色を調光可能となっている。具体的には、図１に示すように、実装基板１１の上に、異なる波長域の光を照射する４色のＬＥＤ発光素子１２（赤色ＬＥＤ発光素子１２１、緑色ＬＥＤ発光素子１２２、青色ＬＥＤ発光素子１２３および黄色ＬＥＤ発光素子１２４）と、外部電極１３（１３１～１３４），１４（１４１～１４４）が形成されている。なお、本実施形態において、赤色ＬＥＤ発光素子１２１および青色ＬＥＤ発光素子１２３は赤色ＬＥＤチップおよび青色ＬＥＤチップをそのまま発光させており、緑色ＬＥＤ発光素子１２２および黄色ＬＥＤ発光素子１２４は、青色ＬＥＤチップの発光を蛍光体で波長変換することで緑色および黄色の光を発光するように構成している。また、赤色ＬＥＤ発光素子１２１も、青色ＬＥＤチップの発光を蛍光体で波長変換することで赤色の光を発光するように構成することができる。ただし、赤色ＬＥＤ発光素子１２１および青色ＬＥＤ発光素子１２３も蛍光体で波長変換することで赤色および青色の光を発光するように構成してもよいし、緑色ＬＥＤ発光素子１２２および黄色ＬＥＤ発光素子１２４も緑色ＬＥＤチップおよび黄色ＬＥＤチップをそのまま発光させる構成としてもよい。

【0012】

４色のＬＥＤ発光素子１２は、実装基板１１の発光面にマトリックス状に配置されており、実質的に円形の面光源を構成する。また、各ＬＥＤ発光素子１２は、同じ色のＬＥＤ発光素子１２と直並列に接続するとともに、ＬＥＤ発光素子１２にそれぞれ対応する外部電極１３，１４と電気的に接続している。具体的には、本実施形態に係るＬＥＤ照明装置１では、実装基板１１上に３０個の赤色ＬＥＤ発光素子１２１が配設されているが、これら複数の赤色ＬＥＤ発光素子１２１は図示しない配線により全て直並列に接続されており、赤色ＬＥＤ発光素子群を構成する。赤色ＬＥＤ発光素子群の両端を構成する赤色ＬＥＤ発光素子１２１は、赤色ＬＥＤ発光素子１２１に対応する外部電極１３１，１４１に接続している。同様に、３０個の緑色ＬＥＤ発光素子１２２、青色ＬＥＤ発光素子１２３、黄色ＬＥＤ発光素子１２４も、それぞれ同じ色同士が全て直並列に接続され、緑色ＬＥＤ発光素子群、青色ＬＥＤ発光素子群、黄色ＬＥＤ発光素子群を構成する。緑色ＬＥＤ発光素子群、青色ＬＥＤ発光素子群、黄色ＬＥＤ発光素子群の両端は緑色ＬＥＤ発光素子１２２、青色ＬＥＤ発光素子１２３、黄色ＬＥＤ発光素子１２４にそれぞれ対応する外部電極１３２，１４２，１３３，１４３，１３４，１４４が接続される。外部電極１３，１４は、図示しない可変定電流電源と接続し、可変定電流電源から出力された電圧が外部電極１３，１４を介して、各ＬＥＤ発光素子１２に印加される。可変定電流電源により印加される順方向電流の電流値は、図示しない制御装置により制御されており、ＬＥＤ発光素子１２ごとに、印加する電流値を変えることができる。なお、本実施形態では、同色のＬＥＤ発光素子１２を全て直並列に接続したが、同色のＬＥＤ発光素子１２を全て直列または全て並列に接続した構成としてもよい。

【0013】

また、本実施形態では、ＬＥＤモジュール１０のＬＥＤ発光素子１２が設置されている側の面と反対側の面（以下、下面１５という）が、ヒートシンク２０に近接するように、ヒートシンク２０の上にＬＥＤモジュール１０が搭載されて、ＬＥＤ照明装置１が構成されている。

【0014】

本実施形態では、実装基板１１を放熱性に優れた窒化アルミニウム基板により構成している。実装基板１１は、市販の基板を用いることができるが、実装基板１１の下面１５は、僅かな反りや歪みが生じていることが通常である。本実施形態に係るＬＥＤ照明装置１では、実装基板１１に反りや歪みが生じている場合でも、以下に説明するように、実質的に全ての伝熱ピラー２２との接触を確保することで熱伝導率を高くすることが可能である。

【0015】

次に、ヒートシンク２０について説明する。ヒートシンク２０は、ＬＥＤ発光素子１２で発生した熱を放熱するための部材であり、本実施形態では本体部２１を直方体状の金属部材（たとえば、銅、アルミニウム）により構成している。ここで、図３は、第１実施形態に係るＬＥＤモジュール１０およびヒートシンク２０の側面図であり、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを接合する前を示す。また、図４は第１実施形態に係るヒートシンク２０の部分平面図である。図３および図４に示すように、ヒートシンク２０は、ＬＥＤモジュール１０に近接する本体部２１と、本体部２１の上面２３に形成された複数の伝熱ピラー２２と、本体部２１の下面２４に形成された複数の放熱フィン２５とを有している。なお、本実施形態では、自然空冷タイプのヒートシンクを例示しているが、空冷ファンを備えたヒートシンクや水冷タイプのヒートシンクにも本発明の技術思想は適用可能である。

【0016】

複数の伝熱ピラー２２は、図３に示すように、上面２３から上方に真っ直ぐに突出して形成されているとともに、図４に示すように、上面２３上において、マトリックス状に配設されている。また、伝熱ピラー２２は、図５に示すように、ＬＥＤモジュール１０の下面１５と接触することで、ＬＥＤモジュール１０で生じた熱をヒートシンク２０に伝熱する機能を有する。

【0017】

ここで、図５は、図１に示すＬＥＤ照明装置１のＡ部分の側面拡大図であって、実装基板１１に反りや歪みが生じていない場合の例を示す図である。図５に示すように、伝熱ピラー２２同士の間には、放熱グリースＧが入り込んでいる。放熱グリースＧによってもＬＥＤモジュール１０が発した熱はヒートシンク２０に伝達されるが、放熱グリースＧの熱伝導率は４Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、伝熱ピラー２２を銅で構成した場合には伝熱ピラー２２の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であるため、伝熱ピラー２２と比べると大幅に熱伝導率が悪く、実装基板１１と伝熱ピラー２２との当接面積ができるだけ大きくなるようにすることが重要である。本実施形態では、放熱グリースＧを伝熱ピラー２２の上に塗布してから、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを荷重をかけて押し付け合わせることで、放熱グリースＧが伝熱ピラー２２の隙間に広がって充填される。放熱グリースＧは、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを接着する機能を有するとともに、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０との間に熱伝導率の低い空気（熱伝導率０．０２６Ｗ／ｍ・Ｋ）が入り込むことを防止し熱伝導率の低下を防ぐ機能を有する。

【0018】

また、ＬＥＤモジュール１０によっては、図６および図７に示すように、実装基板１１に歪みや反りが生じている場合がある。ここで、図６および図７は、実装基板１１が歪んでいる場合の伝熱ピラー２２を説明するための図であり、図６はＬＥＤモジュール１０をヒートシンク２０に押し付ける前の状態を示しており、図７は、ＬＥＤモジュール１０をヒートシンク２０に押し付けた場合の、伝熱ピラー２２の状態を示している。図６に示すように、実装基板１１が中央側において下側（ヒートシンク２０側）に撓んでいることから、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを組み合わせて押圧する前の状態では、ＬＥＤモジュール１０の下面１５からヒートシンク２０の上面２３までの距離が不均一となり、下面１５と接触しない伝熱ピラー２２が存在する。具体的に、図６に示す例では、実装基板１１が中央側において下側（ヒートシンク２０側）に撓んでいるため、伝熱ピラー２２ａが形成されている中央側の位置においては、伝熱ピラー２２ｂが形成されている端側の位置と比べて、ＬＥＤモジュール１０の下面１５からヒートシンク２０の上面２３までの距離が短くなるため、伝熱ピラー２２の高さを均一にした場合に、下面１５と接触しない伝熱ピラー２２が生じることとなる。

【0019】

しかしながら、本実施形態において、伝熱ピラー２２は、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを荷重をかけて押し付け合わせた際の荷重により変形可能な構成とされる。そのため、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを荷重をかけて押し付け合わせた場合に、図７に示すように、ＬＥＤモジュール１０の下面１５からヒートシンク２０の上面２３までの距離が短い位置に形成された伝熱ピラー２２ａが、実装基板１１に押し潰されて変形し、端側に形成された伝熱ピラー２２ｂも実装基板１１の下面１５と接触することができる。このように、本実施形態では、伝熱ピラー２２を、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを荷重をかけて押し付け合わせた際の荷重で変形可能な構成とすることで、伝熱ピラー２２を実装基板１１と接触させることが可能となり、熱伝導性をより高めることができる。

【0020】

ここで、仮に、伝熱ピラー２２が比較的硬い金属で構成されており、あるいは、伝熱ピラー２２の直径が大きく構成されているなどして、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを荷重をかけて押し付け合わせただけでは伝熱ピラー２２が変形しない場合には、図６に示すように、中央側の伝熱ピラー２２ａ周辺のみがＬＥＤモジュール１０の下面１５と接することとなり、端側の伝熱ピラー２２ｂはＬＥＤモジュール１０の下面１５とは接しなくなる。この状態から必要以上に荷重をかけると実装基板１１が破損することにもなりかねない。これに対して、本実施形態では、図７に示すように、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを荷重をかけて押し付け合わせた際に、伝熱ピラー２２側が変形するので、実装基板１１の反りを一定程度矯正することも可能である。

【0021】

なお、図７に示す例では、伝熱ピラー２２ａが実装基板１１に押されて変形する際に、伝熱ピラー２２が押し潰され、伝熱ピラー２２の径が太くなる態様を例示したが、伝熱ピラー２２の変形はこのような態様の変形だけではなく、たとえば、図８に示すように、伝熱ピラー２２の一部が不規則に屈折することで、屈折した伝熱ピラー２２ａが実装基板１１と接触した状態となる場合もある。なお、図８も、図７と同様に、ＬＥＤモジュール１０をヒートシンク２０に押し付けた場合の、伝熱ピラー２２の状態を説明するための図である。

【0022】

このように、本実施形態では、実装基板１１に反りがある場合に、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを荷重をかけて押し付け合わせた際の荷重によって、少なくても一部の伝熱ピラー２２が変形された状態とされる。そのため、伝熱ピラー２２は、製造工程においてＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを放熱グリースＧを介して接合する際に一般的に付与される荷重により変形可能な構成（素材や形状）とされる。具体的には、伝熱ピラー２２は、以下のような構成とすることができる。

【0023】

すなわち、本実施形態において、伝熱ピラー２２は、熱伝導性が高い金属であることに加えて、比較的変形しやすい金属であることが好ましい。たとえば、銅、銀、金、アルミニウム、亜鉛などの比較的低い荷重（応力）で変形が生じる金属またはそれらいずれかの合金であることが好ましく、また、伝熱ピラー２２が４００ＭＰａ以下の荷重で変形する金属またはその合金であることが好ましい。また、伝熱ピラー２２の形状は、変形しやすい円柱状、角柱状、円錐状、角錐状など、幅方向よりも突出方向に長い形状とすることが好ましい。このように比較的柔らかい金属を用い、変形しやすい形状とすることで、後述するように、伝熱ピラー２２が実装基板１１の反りや歪みに合わせて変形することが可能となり、多数の伝熱ピラー２２が実装基板１１に接触することができるため、実装基板１１の歪みによる熱伝導性の低下を抑制することができる。

【0024】

また、伝熱ピラー２２は、押圧時に変形を生じさせるために断面積を一定以下とすることが必要であり、たとえばφ４～４０μｍまたはφ５～３０μｍと同等の最大断面積を有する形状とすることができる。一方で、実装基板１１と伝熱ピラー２２との当接面積を確保することも必要であることから、数十～数百本以上設けることが好ましく、数百本～数千本以上設けることがより好ましい。さらに、伝熱ピラー２２が変形するためには伝熱ピラー２２同士が一定以上の間隔を有することが好ましい。伝熱ピラー２２同士の間隔Ｗは、変形に支障がない範囲であれば特に限定されないが、一定とすることが好ましく、たとえば数十μｍ～数百μｍとすることができる。なお、本実施形態では、伝熱ピラー２２の直径を２０μｍ、伝熱ピラー２２同士の間隔Ｗを４０μｍとしている。また、伝熱ピラー２２の実装面積密度も、伝熱ピラー２２が変形可能な密度であれば特に限定されず、たとえば、ヒートシンク２０の本体部２１の搭載面の面積の１０～６０％、より好ましくは１５～５０％を占める伝熱ピラー２２を設けることが好ましい。伝熱ピラー２２の実装面積密度が１０％未満の場合は放熱性改善効果が少なくなる一方、６０％を超える場合には変形時に伝熱ピラー２２同士が接触していまい変形しにくくなってしまうおそれがあるためである。

【0025】

このように複数の伝熱ピラー２２を配置することで、高い熱伝導率を実現することが可能となる。たとえば、円柱状の伝熱ピラー２２を、直径の３倍のピッチで配置した場合、伝熱ピラー２２の実装面積密度は配置面積の３０％程度となり、図７に示すように伝熱ピラー２２が変形した場合には、伝熱ピラー２２の実装面積密度はさらに高くなる。仮に、伝熱ピラー２２を銅で構成した場合には伝熱ピラー２２の熱伝導率は４００Ｗ／ｍ・Ｋ程度となるため、伝熱ピラー２２の実装面積密度が配置面積の３０％である場合は、１２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率が得られることとなる。これは、熱伝導率が４Ｗ／ｍ・Ｋの放熱グリースＧと比べると３０倍の熱伝導率となり、このことからも、伝熱ピラー２２により、ＬＥＤ照明装置１の放熱性を大幅に改善することができることが分かる。

【0026】

また、本実施形態において、各伝熱ピラー２２は、略同一の高さで形成することが好ましい。伝熱ピラー２２の高さは、特に限定されないが、たとえば実装基板１１の反りの１．５～２．５倍の長さ、あるいは、伝熱ピラー２２の配置ピッチの２～３倍の長さとすることができる。たとえば、実装基板１１の反りが５０μｍである場合、伝熱ピラー２２の高さを７５～１２５μｍ程度とすることができる。一例として、図７に示す例において、実装基板１１の反りが５０μｍあり、ＬＥＤモジュール１０の下面１５からヒートシンク２０の上面２３までの距離が、最も反りの小さい部分（撓みの最も小さい部分、あるいは、ＬＥＤモジュール１０の下面１５からヒートシンク２０の上面２３までの距離が最も長い部分。たとえば、図７に示す例では、伝熱ピラー２２ｂが形成されている位置。）で１００μｍであり、最も反りの大きい部分（撓みの最も大きい部分、あるいは、ＬＥＤモジュール１０の下面１５からヒートシンク２０の上面２３までの距離が最も短い部分。たとえば、図７に示す例では、伝熱ピラー２２ａが形成されている位置。）で５０μｍであるとする。この場合、伝熱ピラー２２の高さが反りの２倍の１００μｍであり、伝熱ピラー２２の直径が２０μｍである場合には、最も反りの大きい部分にある伝熱ピラー２２は高さが５０μｍとなるまで押し潰され、伝熱ピラー２２の直径は２８μｍとなる。この場合、隣接する伝熱ピラー２２同士が接触しないようにするためには、伝熱ピラー２２の配置間隔は２８μｍ（伝熱ピラー２２の直径の１．４倍）よりも大きくすることが好ましい。なお、実装基板１１の反りは、設計仕様や試験成績書などで予め把握することができる。

【0027】

また、伝熱ピラー２２は、ＬＥＤモジュール１０の下面１５と接触する先端部に半田キャップを設ける構成としてもよい。たとえば、円柱状に形成した伝熱ピラー２２の先端に、スズ、銀、アルミニウム、銅などを半田により半球状などの形態で接合することで、伝熱ピラー２２の先端部に半田キャップを形成することができる。このように、伝熱ピラー２２の先端部に半田キャップを設けることで、本体部が比較的硬い伝熱ピラー２２でも、先端部が変形しやいため、実装基板１１に撓みや反りがある場合に、実装基板１１の下面１５に接触しやすくなる。また、放熱グリースＧを用いずに、高温圧縮成形を行う場合も半田キャップが溶解して実装基板１１の反りを矯正することができる。

【0028】

加えて、伝熱ピラー２２は、ＬＥＤモジュール１０の下面１５全域に形成する必要はなく、図３に示すように、ＬＥＤモジュール１０のうちＬＥＤ発光素子１２が配置される領域に対応する範囲で形成する構成とすることが好ましい。熱源であるＬＥＤ発光素子１２に対応する範囲内で伝熱ピラー２２を形成することで、高効率な熱伝導率を得られるとともに、伝熱ピラー２２を変形するための荷重を少なくすることができる。

【0029】

次に、第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置１の製造方法について説明する。まず、第１実施形態に係るＬＥＤモジュール１０を準備する。ＬＥＤモジュール１０は、市販のものを用いてもよいし、公知の方法で別途製作したものを使用してもよい。次に、第１実施形態に係るヒートシンク２０を製作する。ヒートシンク２０において、伝熱ピラー２２の形成方法は、特に限定されないが、たとえば、伝熱ピラー２２の位置に合わせてレジストを形成し、ヒートシンク２０の本体部２１の上面２３にめっきを施すことで、所望する高さの伝熱ピラー２２を形成することができる。また、無電解ＵＢＭめっき法でチタンや銅などのＵＢＭ層を形成した後に、めっきを施すことで、伝熱ピラー２２を構成とすることもできる。さらに、エッチングにより伝熱ピラー２２を形成する構成とすることもでき、スタッドバンプを用いて伝熱ピラー２２を形成する構成とすることもできる。なお、伝熱ピラー２２は、たとえば金、金合金、銀、銀合金、銅または銅合金を用いて構成することができる。

【0030】

そして、製造したヒートシンク２０の伝熱ピラー２２の上に、放熱グリースＧを塗布し、ヒートシンク２０とＬＥＤモジュール１０とを荷重をかけて押し合わせた状態で、たとえば、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを、ネジやビスあるいは半田付けなどの固定具で連結する。なお、ヒートシンク２０とＬＥＤモジュール１０とを荷重をかけて押し合わせて連結する際に、図６に示すように、ＬＥＤモジュール１０が撓んでいる場合には、ヒートシンク２０の伝熱ピラー２２の一部（たとえば図６に示す例では伝熱ピラー２２ａ）に大きな荷重がかかり、図７および図８に示すように、少なくとも一部の伝熱ピラー２２が変形した状態で、ＬＥＤ照明装置１が製造されることとなる。このように、本実施形態のヒートシンク２０によれば、ＬＥＤモジュール１０の撓みに応じて伝熱ピラー２２が変形することで、より多くの数の伝熱ピラー２２がＬＥＤモジュール１０の下面１５と接触することができ、熱伝導率の高いＬＥＤ照明装置１を製造することが可能となる。

【0031】

次に、本実施形態に係るＬＥＤ照明装置１の効果について説明する。まず、比較例として、従来の伝熱ピラー２２を有しないＬＥＤ照明装置の熱伝導率のシミュレーションを行った。具体的には、下面が平坦なＬＥＤモジュールと、上面が平坦なヒートシンクとが近接しており、これらＬＥＤモジュールとヒートシンクとの間に放熱グリースが介在しているものとする。なお、ＬＥＤモジュールには、２ｍｍ^２のＬＥＤ発光素子またはＬＥＤ発光素子パッケージが搭載されているとともに、放熱グリースは１００μｍの厚さで塗布されているものとする。この場合、放熱グリースの熱伝導率である４Ｗ／ｍ・Ｋが、実装基板とヒートシンクとの間の熱伝導率に相当する。また、放熱グリースを２ｍｍ^２（０．００２ｍ×０．００２ｍ）おいて１００μｍ（高さ０．０００１ｍ）の厚さで塗布した場合、放熱グリース全体での熱伝導率は、４Ｗ／ｍ・Ｋ×（０．００２ｍ×０．００２ｍ）／高さ０．０００１ｍ＝０．１６Ｗ／Ｋとなり、放熱グリース全体での熱抵抗は６．２５℃／Ｗとなる。

【0032】

これに対して、本実施例として、銅製（熱伝導率３８０Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、直径２０μｍ（半径０．００００１ｍ）かつ高さ１００μｍ（高さ０．０００１ｍ）の円柱状の伝熱ピラー２２が、ヒートシンク２０の本体部２１の上面２３に、４０μｍピッチで５０×５０＝２５００個配設されているとともに、それらの隙間には放熱グリースＧが充填されているＬＥＤ照明装置１の熱伝導率をシミュレーションした。この場合、伝熱ピラー２２の全体での熱伝導率は、３８０Ｗ／ｍ・Ｋ×（半径０．００００１ｍ×半径０．００００１ｍ×３．１４）／高さ０．０００１ｍ×２５００個＝２．９８５Ｗ／Ｋとなり、伝熱ピラー２２全体での熱抵抗は０．３４℃／Ｗとなる。また、放熱グリースＧが塗布される面積は、２ｍｍ^２の面積のうち伝熱ピラー２２の隙間部分に充填されているとして、２ｍｍ×２ｍｍ－（半径０．０１ｍｍ×０．０１ｍｍ×３．１４）×２５００個＝３．２１５ｍｍ^２（０．０００００３２１５ｍ^２）と算出される。そうすると、厚さ１００μｍの放熱グリースＧ全体での熱伝導率は、４Ｗ／ｍ・Ｋ×面積０．０００００３２１５ｍ^２／厚さ０．０００１ｍ＝０．１２８５Ｗ／Ｋとなり、放熱グリース全体での熱抵抗は７．７８℃／Ｗとなる。この場合、ＬＥＤ照明装置１における伝熱ピラー２２および放熱グリースＧ全体の熱抵抗（並列抵抗）は０．３３℃／Ｗとなる。

【0033】

このように、本実施例では、ヒートシンク２０の本体部２１の上面２３にＬＥＤモジュール１０の下面１５と接触する２５００本の伝熱ピラー２２を有することで、実装基板１１とヒートシンク２０との間に放熱グリースＧだけが介在する比較例と比べて、熱伝導率を２０倍以上向上することができ、ＬＥＤ発光素子１２で生じた熱を高効率にヒートシンク２０へと伝導することが可能となる。

【0034】

以上のように、第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置１は、複数のＬＥＤ発光素子１２を有するＬＥＤモジュール１０と、ＬＥＤ発光素子１２で発生した熱を放熱するヒートシンク２０と、を有し、ヒートシンク２０は、ＬＥＤモジュール１０側に突出し、ＬＥＤモジュール１０と接する複数の伝熱ピラー２２を有する。このように、第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置１では、ヒートシンク２０に伝熱ピラー２２を有するため、ＬＥＤモジュール１０で発生した熱を、熱伝導性が高い伝熱ピラー２２を介してヒートシンク２０に高効率で伝導することができ、ＬＥＤ照明装置１全体としての放熱性能を高めることができる。

【0035】

また、本実施形態に係るＬＥＤ照明装置１では、複数の伝熱ピラー２２が金、金合金、銀、銀合金、銅または銅合金などの変形しやすい金属で構成され、あるいは、変形しやすい形状で構成されているため、図６に示すように、ＬＥＤモジュール１０の実装基板１１に歪みや反りがある場合でも、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とを荷重をかけて押し合わせた際に、少なくとも一部の伝熱ピラー２２が歪みや反りに合わせて変形することで、より多数の伝熱ピラー２２がＬＥＤモジュール１０の下面１５と接触することができ、熱伝導性をより高めることができる。また、本実施形態に係るＬＥＤ照明装置１では、複数の伝熱ピラー２２が変形することで、ＬＥＤモジュール１０をヒートシンク２０に押し付けて、実装基板１１の反りを矯正する際に生じ得る実装基板１１の破損を防ぐことが可能となる。

【0036】

《第２実施形態》
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置１ａを示す側面図である。図９に示すように、第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置１ａは、ＬＥＤモジュール１０ａとヒートシンク２０ａとから構成される。

【0037】

また、図１０は第２実施形態に係るＬＥＤモジュール１０ａを示す側面図、図１１は第２実施形態に係るヒートシンク２０ａを示す側面図である。図１０に示すように、第２実施形態に係るＬＥＤモジュール１０ａは、伝熱ピラー１６が形成された実装基板１１ａを有する。具体的には、実装基板１１ａのヒートシンク２０ａに近接する側の面（ＬＥＤ発光素子１２が載置される面と反対側の面）である下面１５に、複数の伝熱ピラー１６が、ヒートシンク２０ａ側に突出するように形成されている。なお、伝熱ピラー１６の構成（長さ、径、ピッチ、本数、材質、構造）や製造方法は、第１実施形態に係る伝熱ピラー２２と同様の構成及び製造方法とすることができる。一方、図１１に示すように、第２実施形態に係るヒートシンク２０ａでは、本体部２１の上面２３は平坦となっており、伝熱ピラー２２は形成されていない。

【0038】

ここで、図１２は、図９に示すＬＥＤ照明装置１ａのＢ部分の側面拡大図である。具体的には、図１２において、（Ａ）はＬＥＤモジュール１０ａをヒートシンク２０ａに押し付ける前の状態を示しており、（Ｂ）および（Ｃ）は、ＬＥＤモジュール１０ａをヒートシンク２０ａに押し付けた場合の、伝熱ピラー１６の状態を示している。第２実施形態においても、図１２（Ａ）に示すように、ＬＥＤモジュール１０ａの実装基板１１ａに反りがある場合でも、ＬＥＤモジュール１０ａをヒートシンク２０ａに押し付けることで、図１２（Ｂ）に示すように、一部の伝熱ピラー１６がヒートシンク２０ａの上面２３に押し潰されて変形することで、あるいは、図１２（Ｃ）に示すように、一部の伝熱ピラー１６が屈折して変形することで、大部分の伝熱ピラー２２をヒートシンク２０ａの上面２３と接触させることが可能となり、熱伝導性をより高めることができる。

【0039】

以上のように、第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置１ａでは、ＬＥＤモジュール１０ａの下面１５に、ヒートシンク２０ａ側に突出し、ヒートシンク２０ａと接する複数の伝熱ピラー１６が形成され、伝熱ピラー１６の先端がヒートシンク２０ａの本体部２１の上面２３に接している。このように、第２実施形態に係るＬＥＤ照明装置１ａでは、ＬＥＤモジュール１０ａに伝熱ピラー２２を有するため、第１実施形態に係るＬＥＤ照明装置１と同様に、ＬＥＤモジュール１０ａのＬＥＤ発光素子１２で発生した熱を、放熱グリースＧよりも熱伝導性が高い伝熱ピラー１６を介してヒートシンク２０ａに高効率で伝導することができ、ＬＥＤ照明装置１ａ全体としての放熱性能を高めることができる。また、ヒートシンク２０ａにＬＥＤモジュール１０ａと押し付けて実装基板１１ａの反りを矯正する際に生じ得る実装基板１１ａの破損を防ぐことが可能となる。

【0040】

以上、本発明の好ましい実施形態例について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載に限定されるものではない。上記実施形態例には様々な変更・改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態のものも本発明の技術的範囲に含まれる。

【0041】

たとえば、上述した実施形態では、ヒートシンク２０またはＬＥＤモジュール１０ａに伝熱ピラー２２，１６が形成される構成を例示したが、この構成に代えて、ヒートシンク２０およびＬＥＤモジュール１０ａの両方に伝熱ピラー２２，１６を形成する構成としてもよい。この場合、伝熱ピラー２２および伝熱ピラー１６の両方を合わせて、第１実施形態に係る伝熱ピラー２２または第２実施形態に係る伝熱ピラー１６と同程度の本数およびピッチで形成し、伝熱ピラー２２および伝熱ピラー１６が櫛歯となるように配置するとともに、伝熱ピラー２２および伝熱ピラー１６がそれぞれ実装基板１１の下面１５およびヒートシンク２０の上面２３に接するように構成することが好ましい。また、上述した実施形態では、ヒートシンク２０の本体部２１の面積がＬＥＤモジュール１０よりも大きい例を図示したが、ヒートシンク２０の本体部２１の面積がＬＥＤモジュール１０と同等以下となるように構成してもよい。

【0042】

また、上述した実施形態では、赤色ＬＥＤ発光素子１２１、緑色ＬＥＤ発光素子１２２、青色ＬＥＤ発光素子１２３および黄色ＬＥＤ発光素子１２４の４色のＬＥＤ発光素子１２を有する構成を例示したが、この構成に限定されず、３色以下または５色以上のＬＥＤ発光素子１２を有する構成とすることができる。また、黄色ＬＥＤ発光素子群を、アンバー色ＬＥＤ発光素子群または白色ＬＥＤ発光素子群に置き換えても本発明の技術的思想は実現可能である。さらに、上述した実施形態では、ＬＥＤ照明装置１は、実質的に円形の発光面を有する構成としたが、発光面の形状はこれに限定されず、多角形（好ましくは、六角形、八角形十角形などの偶数角を有する多角形）としてもよいし、楕円形としてもよい。

【0043】

また、上述した実施形態では、ヒートシンク２０とＬＥＤモジュール１０とを荷重をかけて押し合わせた状態で、ＬＥＤモジュール１０とヒートシンク２０とをネジやビスあるいは半田付けなどの固定具で連結する構成を例示したが、バネなどの付勢手段を用いて、ヒートシンク２０とＬＥＤモジュール１０とを押し合わせた状態で保持する構成とすることもできる。

【符号の説明】

【0044】

１，１ａ…ＬＥＤ照明装置
１０，１０ａ…ＬＥＤモジュール
１１…実装基板
１２…ＬＥＤ発光素子
１３，１４…外部電極
１５…下面
１６…伝熱ピラー
２０，２０ａ…ヒートシンク
２１…本体部
２２…伝熱ピラー
２３…上面
２４…下面
２５…放熱フィン
Ｇ…グリース

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】