特許 7494726 熱伝導構造体および熱伝導構造体の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-27

(45)【発行日】2024-06-04

(54)【発明の名称】熱伝導構造体および熱伝導構造体の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H05K 7/20 20060101AFI20240528BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20240528BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20240528BHJP

   F21V 29/502 20150101ALI20240528BHJP

   F21V 29/76 20150101ALI20240528BHJP

   F21V 29/85 20150101ALI20240528BHJP

   F21V 7/30 20180101ALI20240528BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20240528BHJP

【ＦＩ】

H05K7/20 F

H01L23/12 J

H01L23/36 C

H01L23/36 D

F21V29/502 100

F21V29/76

F21V29/85

F21V7/30

F21Y115:10

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020210760

(22)【出願日】2020-12-18

(65)【公開番号】P2022097276

(43)【公開日】2022-06-30

【審査請求日】2023-08-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091292

【弁理士】

【氏名又は名称】増田 達哉

(74)【代理人】

【識別番号】100091627

【弁理士】

【氏名又は名称】朝比 一夫

(72)【発明者】

【氏名】藤井 正寛

(72)【発明者】

【氏名】北原 浩司

(72)【発明者】

【氏名】四谷 真一

【審査官】石坂 博明

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１７４１６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１７６０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５１０４９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１８２８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－２６３６６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１３０４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１６５０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０３５４３７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｆ２１Ｖ ２９／５０２

Ｆ２１Ｖ ２９／７６

Ｆ２１Ｖ ２９／８５

Ｆ２１Ｖ ７／３０

Ｆ２１Ｙ １１５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱源に接続され、互いに接合されている複数のダイヤモンド基板を有するマウント基板と、
前記マウント基板の前記熱源とは反対側に接合され、前記ダイヤモンド基板より厚い熱伝導基板と、
を備えることを特徴とする熱伝導構造体。

【請求項2】

前記熱源をさらに備え、
前記熱源は、前記マウント基板と接続される接続面を有し、
前記ダイヤモンド基板は、互いに表裏の関係を持つ２つの主面を有し、
２つの前記主面は、前記接続面より小さい請求項１に記載の熱伝導構造体。

【請求項3】

前記ダイヤモンド基板は、
ダイヤモンドを主材料とする基部と、
前記基部の表面に設けられ、金属材料を含む表面改質膜と、
を含む請求項１または２に記載の熱伝導構造体。

【請求項4】

前記ダイヤモンド基板同士は、前記表面改質膜を介して接合されている請求項３に記載の熱伝導構造体。

【請求項5】

前記ダイヤモンド基板同士は、接合材を介して接合されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱伝導構造体。

【請求項6】

前記ダイヤモンド基板同士は、ダイヤモンド同士の直接接合により一体化している請求項１または２に記載の熱伝導構造体。

【請求項7】

前記熱伝導基板の前記マウント基板とは反対側に接合されている冷却機構を備える請求項１ないし６のいずれか１項に記載の熱伝導構造体。

【請求項8】

前記熱伝導基板は、前記マウント基板に臨む面に開口する凹部を有し、
前記ダイヤモンド基板の一部が前記凹部に挿入されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の熱伝導構造体。

【請求項9】

前記マウント基板は、前記凹部に挿入されている前記ダイヤモンド基板である第１基板と、前記マウント基板に臨む面に設けられている前記ダイヤモンド基板である第２基板と、を有し、
前記第１基板の厚さは、前記第２基板より厚い請求項８に記載の熱伝導構造体。

【請求項10】

前記熱源は、蛍光体である請求項１ないし９のいずれか１項に記載の熱伝導構造体。

【請求項11】

前記ダイヤモンド基板は、単結晶ダイヤモンドを含む請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の熱伝導構造体。

【請求項12】

ダイヤモンドを主材料とする個片の表面に金属材料を含む表面改質膜を形成し、ダイヤモンド基板を得るステップと、
前記ダイヤモンド基板同士を接合してマウント基板を得るステップと、
前記マウント基板を、前記ダイヤモンド基板より厚い熱伝導基板に接合するステップと、
前記マウント基板の前記熱伝導基板とは反対側に熱源を接続するステップと、
前記熱伝導基板の前記マウント基板とは反対側に冷却機構を接合するステップと、
を有することを特徴とする熱伝導構造体の製造方法。

【請求項13】

化学気相合成法により種結晶基板にダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させるステップと、
前記種結晶基板から前記ダイヤモンド膜を剥離するステップと、
前記ダイヤモンド膜を切断して前記個片を得るステップと、
を有する請求項１２に記載の熱伝導構造体の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱伝導構造体および熱伝導構造体の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、青色光を射出する光源と、青色光を吸収して蛍光に変換する波長変換光学系と、を備える光源装置が開示されている。波長変換光学系は、光を集光するレンズと、蛍光体と、蛍光体と熱的に接触している基板と、基板と接着されているヒートシンクと、を備えている。

【0003】

蛍光体は、光源からの青色光が照射されるため、高温になって特性が低下するおそれがある。このため、基板やヒートシンクを介して蛍光体の放熱を図る必要がある。特許文献１には、基板の材質として、熱抵抗が低いＡｌやＣｕを用いることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１４－１６５０５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

基板の材質として特許文献１に開示されているＡｌやＣｕは、金属材料の中では熱伝導率が高いものの、蛍光体の熱を十分に放熱するには、まだ熱抵抗が大きい。このため、蛍光体に照射される青色光の強度によっては、蛍光体が高温になり、蛍光の励起効率が低下する。

【0006】

また、放熱基板の材質として、グラファイトやグラフェン等の炭素材料が知られている。これらの材料は十分に高い熱伝導率を有している一方、熱伝導に異方性を持つ。この異方性は、蛍光体とヒートシンクとの間の熱伝達効率を低下させる一因となっている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の適用例に係る熱伝導構造体は、
熱源に接続され、互いに接合されている複数のダイヤモンド基板を有するマウント基板と、
前記マウント基板の前記熱源とは反対側に接合され、前記ダイヤモンド基板より厚い熱伝導基板と、
を備えることを特徴とする。

【0008】

本発明の適用例に係る熱伝導構造体の製造方法は、
ダイヤモンドを主材料とする個片の表面に金属材料を含む表面改質膜を形成し、ダイヤモンド基板を得るステップと、
前記ダイヤモンド基板同士を接合してマウント基板を得るステップと、
前記マウント基板を、前記ダイヤモンド基板より厚い熱伝導基板に接合するステップと、
前記マウント基板の前記熱伝導基板とは反対側に熱源を接続するステップと、
前記熱伝導基板の前記マウント基板とは反対側に冷却機構を接合するステップと、
を有することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係る熱伝導構造体を有する光源装置を示す平面図である。

【図2】図１のＡ－Ａ断面図である。

【図3】図２の部分拡大図である。

【図4】マウント基板の第１変形例を示す断面図である。

【図5】マウント基板の第２変形例を示す断面図である。

【図6】第２実施形態に係る熱伝導構造体を有する光源装置を示す平面図である。

【図7】図６のＢ－Ｂ断面図である。

【図8】第２実施形態の変形例に係る熱伝導構造体を有する光源装置を示す断面図である。

【図9】第３実施形態に係る熱伝導構造体の製造方法を説明するためのフローチャートである。

【図10】図９に示す熱伝導構造体の製造方法を説明するための断面図である。

【図11】図９に示す熱伝導構造体の製造方法を説明するための断面図である。

【図12】図９に示す熱伝導構造体の製造方法を説明するための断面図である。

【図13】図９に示す熱伝導構造体の製造方法を説明するための断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の熱伝導構造体および熱伝導構造体の製造方法を添付図面に基づいて詳細に説明する。

【0011】

１．第１実施形態
まず、第１実施形態に係る熱伝導構造体について説明する。

【0012】

１．１．熱伝導構造体
図１は、第１実施形態に係る熱伝導構造体を有する光源装置を示す平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。なお、本願の各図では、互いに直交する３つの軸としてＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を設定している。各軸を矢印で表し、先端側を「プラス」、基端側を「マイナス」とする。また、以下の説明では、Ｚ軸プラス側を「上」、Ｚ軸マイナス側を「下」として説明している。さらに、本明細書では、Ｚ軸上の位置から見ることを「平面視」という。また、本明細書における「接続」および「接合」は、それぞれ、対象となる部材同士が直接に接続または接合した状態だけでなく、任意の部材を介して間接的に接続または接合した状態も含む。

【0013】

図１および図２に示す光源装置１は、平凸レンズ１１と、スペーサー１３と、熱伝導構造体１５と、を有している。熱伝導構造体１５は、蛍光体１４（熱源）と、マウント基板１２と、熱伝導基板１６と、ヒートシンク１７と、を備えている。

【0014】

平凸レンズ１１は、一方の面が光軸方向の外側に凸の曲面形状で、他方の面が平らな平坦面１１ａとなっている凸レンズである。図２に示すように、平凸レンズ１１は、その平坦面１１ａ側がスペーサー１３の凹部１３ｂに嵌めこまれている。平凸レンズ１１の平坦面１１ａは、スペーサー１３の凹部１３ｂの底面１３ｃと、蛍光体１４の上面１４ａと、に接着されている。

【0015】

平凸レンズ１１の構成材料としては、透明な材料であれば特に限定されないが、例えば、ガラス、石英等が挙げられる。

【0016】

マウント基板１２は、平板状の板材である。マウント基板１２は、熱源である蛍光体１４と熱的に接続されている。マウント基板１２の平面視形状は、特に限定されず、図１に示す矩形状であってもよいし、円形状であってもよい。マウント基板１２の大きさは、マウント基板１２の上面１２ａにスペーサー１３および蛍光体１４を設置できる大きさであれば、特に限定されない。

【0017】

マウント基板１２は、互いに接合されている複数のダイヤモンド基板１２０を有する。ダイヤモンド基板１２０は、熱伝導率が特に高く、かつ、熱伝導の異方性も少ない。このため、ダイヤモンド基板１２０を有するマウント基板１２は、蛍光体１４の熱を効率よく拡散して放熱させることができる。ダイヤモンド基板１２０については、後述する。

【0018】

スペーサー１３は、図２に示すように、接着剤３１を介してマウント基板１２の上面１２ａに接着されている。スペーサー１３は、上面１３ｄの平面視中央部に開口する凹部１３ｂと、凹部１３ｂの平面視中央部を厚さ方向に貫通する貫通孔１３ａと、を有する。

【0019】

スペーサー１３の構成材料としては、熱抵抗が低い材料であれば特に限定されないが、例えば、無酸素銅、純アルミニウム等が挙げられる。

【0020】

蛍光体１４は、励起光ＬＥを受けて蛍光ＬＦを発する。このため、蛍光体１４は、励起光ＬＥの受光に伴う熱を発し、熱源となる。蛍光体１４としては、例えば、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体等が挙げられる。

【0021】

なお、蛍光体１４は、熱伝導構造体１５によって放熱する熱源の一例であるが、他の熱源に置き換え可能である。蛍光体１４以外の熱源としては、例えば、発光ダイオード、半導体レーザーのような発光素子、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラートランジスター）、パワーＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスター）のようなパワー半導体等が挙げられる。なお、熱源の種類に応じて、平凸レンズ１１やスペーサー１３を別の部材に置き換えてもよいし、省略してもよい。

【0022】

蛍光体１４は、平凸レンズ１１と、スペーサー１３と、マウント基板１２と、に囲まれている。また、蛍光体１４は、前述したように、マウント基板１２と熱的に接続されている。蛍光体１４の上面１４ａと平凸レンズ１１との間には、図示しない充填剤が設けられている。これにより、蛍光体１４の上面１４ａと平凸レンズ１１との隙間が埋められ、蛍光体１４から射出される光を平凸レンズ１１に効率よく取り込むことができる。

【0023】

蛍光体１４の下面１４ｂは、後述する反射膜１４０および熱伝導接着剤２１を介してマウント基板１２の上面１２ａと接着され、熱的な接続が図られている。熱伝導接着剤２１は、熱伝導性を有する接着剤であれば、特に限定されず、導電性高分子を主材料とする接着剤であってもよいが、好ましくは導電性粒子を含むペースト状接着剤やシート状接着剤の硬化物で構成される。導電性粒子としては、例えば、銀粒子、金粒子、アルミニウム粒子、導電性金属で被覆された樹脂粒子等が挙げられる。導電性粒子の平均粒径は、０．１μｍ以上１００μｍ以下程度であるのが好ましく、１．０μｍ以上１０μｍ以下程度であるのがより好ましい。また、導電性粒子の形状としては、例えば、球状、フレーク状、繊維状等が挙げられる。なお、下面１４ｂと上面１２ａとの間は、熱的に接続されていれば、接触しているだけでもよい。

【0024】

蛍光体１４の下面１４ｂには、反射膜１４０が設けられている。反射膜１４０は、蛍光体１４が発する光を反射する薄膜である。反射膜１４０の構成材料には、熱伝導率が高い材料、例えば、銀が用いられる。

【0025】

平凸レンズ１１、スペーサー１３およびマウント基板１２で囲まれた空間は、好ましくは密閉されており、密閉空間１９となっている。この密閉空間１９内には不活性ガスが充填されているのが好ましい。これにより、蛍光体１４の酸化や吸湿による変性を抑制することができる。不活性ガスとしては、例えば窒素が挙げられる。

【0026】

熱伝導基板１６の上面１６ａは、熱伝導接着剤２２を介してマウント基板１２の下面１２ｂに接合されている。熱伝導基板１６は、マウント基板１２より厚い基板である。このため、熱伝導基板１６は、マウント基板１２より熱容量が大きいものとなり、マウント基板１２の熱を効率よく取り込むことができる。これにより、蛍光体１４に連続して光が照射された場合でも、蛍光体１４の温度が上昇し続けるのを抑制することができる。

【0027】

熱伝導基板１６の厚さは、マウント基板１２が有するダイヤモンド基板１２０より厚ければ、特に限定されない。熱伝導基板１６に期待する熱容量と、ダイヤモンド基板１２０に期待する熱拡散性と、のバランスを考慮すると、両者の厚さの差は、０．１ｍｍ以上であるのが好ましく、０．３ｍｍ以上であるのがより好ましく、０．５ｍｍ以上であるのがさらに好ましい。

【0028】

なお、差の上限値は、特に限定されないが、光源装置１の小型化、軽量化等を図るためには、１０ｍｍ以下であるのが好ましく、５ｍｍ以下であるのがより好ましい。

【0029】

熱伝導基板１６の構成材料としては、熱伝導率が高い材料であれば、特に限定されないものの、例えば、アルミニウム単体またはアルミニウム合金、銅単体または銅合金、銅単体または銅合金とカーボンとの複合材料等が挙げられる。

【0030】

熱伝導接着剤２２には、熱伝導接着剤２１として用いられる接着剤の中から適宜選択して用いられる。なお、熱伝導接着剤２２の種類や組成が熱伝導接着剤２１と異なっていてもよい。

【0031】

ヒートシンク１７は、熱伝導接着剤２３を介して熱伝導基板１６の下面１６ｂに接着されている。ヒートシンク１７は、基部１７２と、基部１７２から延在する複数の平板状のフィン１７４と、を備えている。複数のフィン１７４は、基部１７２の下面に沿って等間隔に並んでいる。

【0032】

ヒートシンク１７の構成材料としては、熱伝導基板１６の熱を放熱できる材料であれば、特に限定されないものの、例えば、アルミニウム単体またはアルミニウム合金、銅単体または銅合金等が挙げられる。

【0033】

また、ヒートシンク１７は、冷却機構の一種であるが、その他の冷却機構で代替されてもよい。その他の冷却機構としては、例えば、ヒートパイプ、ベイパーチャンバー等が挙げられる。

【0034】

熱伝導接着剤２３には、熱伝導接着剤２１として用いられる接着剤の中から適宜選択して用いられる。なお、熱伝導接着剤２３の種類や組成が熱伝導接着剤２１と異なっていてもよい。

【0035】

以上のような光源装置１では、蛍光体１４が発する光を、反射膜１４０で上方に反射する。そして、反射膜１４０で反射した光は、平凸レンズ１１を介して、外部へ射出される。このため、光源装置１は、例えば、プロジェクター用の反射型波長変換素子として好適に用いられる。なお、熱伝導基板１６およびヒートシンク１７に図示しない貫通孔を設けることにより、熱伝導構造体１５を透過型波長変換素子に適用することもできる。

【0036】

また、熱伝導構造体１５は、蛍光体１４およびヒートシンク１７を備えていなくてもよい。つまり、熱伝導構造体１５は、少なくともマウント基板１２と熱伝導基板１６とで構成されていてもよい。

【0037】

このように、本実施形態に係る熱伝導構造体１５は、一例として、熱源としての蛍光体１４の放熱に用いられる。これにより、蛍光体１４に連続して光が照射される場合でも、蛍光体１４が高温になりすぎるのを防止することができる。よって、例えば、反射型または透過型の波長変換素子を実現することができる。

【0038】

１．２．タイヤモンド基板
マウント基板１２は、前述したように、互いに接合された複数のダイヤモンド基板１２０を有する。ダイヤモンド基板１２０同士の接合方法は、特に限定されず、例えば、表面改質膜（メタライズ被膜）を介して接合する方法、接合材を介して接合する方法、ダイヤモンド基板同士の直接接合により一体化する方法等が挙げられる。

【0039】

図３は、図２の部分拡大図である。図３に示すダイヤモンド基板１２０は、ダイヤモンドで構成されている基部１２１と、基部１２１の表面に設けられ、金属材料を含む表面改質膜１２２と、を含んでいる。このような表面改質膜１２２を設けることにより、基部１２１の表面に、他の部材に対する接着性を付与することができる。これにより、ダイヤモンドが有する優れた熱伝導性と、表面改質膜１２２が有する優れた接着性と、を両立するダイヤモンド基板１２０を実現することができる。

【0040】

基部１２１は、ダイヤモンドを主材料とする部位である。本明細書において「主材料」とは、体積分率で７０％以上を占める材料のことをいう。基部１２１の主材料は、単結晶ダイヤモンドであってもよいし、多結晶ダイヤモンドであってもよい。

【0041】

蛍光体１４の熱は、まず、図３の熱の流れＨＦ１に示すように、基部１２１の面内方向に沿って速やかに流れる。これにより、蛍光体１４の熱を速やかに拡散させることができる。そして、拡散させた熱は、図３の熱の流れＨＦ２に示すように、基部１２１から表面改質膜１２２および熱伝導接着剤２２を介して熱伝導基板１６に伝達される。このように、マウント基板１２は、ヒートスプレッダーとして機能する。

【0042】

マウント基板１２が有するダイヤモンド基板１２０は、単結晶ダイヤモンドを含むことが好ましい。つまり、基部１２１は、単結晶ダイヤモンドで構成されているのが好ましい。単結晶ダイヤモンドは、ダイヤモンド系材料の中でも、とりわけ熱伝導率が高い。また、単結晶ダイヤモンドの熱伝導性は、異方性も非常に小さい。このため、単結晶ダイヤモンドを含むダイヤモンド基板１２０は、蛍光体１４の熱を面内方向に効率よく広げるとともに、厚さ方向に効率よく伝導させ、熱伝導基板１６に伝達することができる。その結果、蛍光体１４を効率よく冷却することができ、蛍光体１４に連続して光が照射された場合でも、蛍光体１４の特性が低下するのを抑制することができる。

【0043】

基部１２１の製造方法としては、例えば、高温高圧法、化学気相合成（ＣＶＤ）法が挙げられる。このうち、後述する化学気相合成法によれば、基板状の単結晶ダイヤモンドを比較的低コストで製造することができる。

【0044】

基部１２１を構成するダイヤモンドの熱伝導率は、１０００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であるのが好ましく、１５００［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上であるのがより好ましい。

【0045】

ダイヤモンド基板１２０の平面視形状は、特に限定されないが、一例として辺の長さが、好ましくは２ｍｍ以上５０ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の四角形とされる。これにより、複数のダイヤモンド基板１２０をタイル状に並べるとき、ダイヤモンド基板１２０の枚数が著しく多くなるのを防止してタイリングの作業効率を高めることができ、かつ、ダイヤモンド基板１２０が著しく高コストになるのを避けることができる。また、ダイヤモンド基板１２０の枚数が著しく多くなるのが防止されることで、マウント基板１２の内部の熱抵抗が大きくなるのを防止することができる。

【0046】

なお、図１に示すダイヤモンド基板１２０の平面視形状は、正方形である。これにより、ダイヤモンド基板１２０のＸ－Ｙ面の面内方向における熱伝導の等方性を高めることができる。

【0047】

図１に示すダイヤモンド基板１２０の一辺の長さをＬ２とする。また、蛍光体１４の下面１４ｂは、マウント基板１２に対する接続面であって、図１では正方形をなしている。下面１４ｂの一辺の長さをＬ１とする。長さＬ２は、長さＬ１以上であってもよいが、本実施形態では、長さＬ２が、長さＬ１より短く設定されている。

【0048】

つまり、図１および図２に示す熱伝導構造体１５は、マウント基板１２との接続面である下面１４ｂを有する蛍光体１４（熱源）を備えているが、ダイヤモンド基板１２０が有する上面１２０ａおよび下面１２０ｂは、それぞれ下面１４ｂより小さく設定されている。なお、上面１２０ａおよび下面１２０ｂは、ダイヤモンド基板１２０の互いに表裏の関係を持つ２つの主面である。

【0049】

このような構成によれば、蛍光体１４とマウント基板１２との接続面である下面１４ｂが大きい場合でも、ダイヤモンド基板１２０を小さくすることができるので、マウント基板１２の低コスト化を容易に図ることができる。すなわち、ダイヤモンド基板１２０の熱伝導率が十分に高いため、小さなダイヤモンド基板１２０を複数並べても、マウント基板１２全体では十分に高い熱伝導性を確保することができる。このため、熱源である蛍光体１４のサイズによらず、十分に低コスト化が図られた光源装置１を実現することができる。

【0050】

なお、一例として、ダイヤモンド基板１２０の面積は、接続面である下面１４ｂの面積の９０％以下であるのが好ましく、１０％以上８０％以下であるのがより好ましい。

【0051】

また、このような大小関係は、必須ではなく、ダイヤモンド基板１２０の上面１２０ａおよび下面１２０ｂは、蛍光体１４の下面１４ｂより大きくても構わない。

【0052】

また、図１に示すマウント基板１２では、４枚のダイヤモンド基板１２０が２行×２列の行列状に並べられている。これにより、マウント基板１２のＸ－Ｙ面の面内方向における熱伝導の等方性を高めることができる。そして、面内方向に均等に広げた熱を、熱伝導基板１６に対して伝えることができるので、熱伝導基板１６の熱容量を最大限に活かした放熱が可能になる。なお、マウント基板１２が有するダイヤモンド基板１２０の枚数は、複数枚であれば特に限定されない。また、マウント基板１２が有するダイヤモンド基板１２０の大きさや形状は、互いに同じであっても互いに異なっていてもよい。

【0053】

なお、熱伝導の等方性という観点からすれば、マウント基板１２の中心を対称の中心としたとき、マウント基板１２におけるダイヤモンド基板１２０の配置は、任意の角度の回転対称性を有する配置であるのが好ましい。任意の角度としては、例えば、４５°、６０°、９０°、１２０°、１８０°等が挙げられる。図１に示すマウント基板１２では、４枚のダイヤモンド基板１２０が２行×２列の行列状に並べられているため、その配置は、９０°の回転対称性を有しているといえる。

【0054】

さらに、図１に示す光源装置１では、マウント基板１２の平面視における中央部に蛍光体１４が配置されている。このため、平面視において、蛍光体１４と各ダイヤモンド基板１２０の一部とが重なることになる。つまり、平面視において、蛍光体１４は各ダイヤモンド基板１２０にまたがるように配置されている。これにより、蛍光体１４と各ダイヤモンド基板１２０との間の熱抵抗のバラつきが小さくなる。よって、このような観点でも、図１に示すマウント基板１２では、面内方向における熱の広がりを均等化することができ、より効率よく熱を拡散させることができる。

【0055】

ダイヤモンド基板１２０の厚さは、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるのが好ましく、０．２ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であるのがより好ましい。このような厚さのダイヤモンド基板１２０は、蛍光体１４の熱をＸ－Ｙ面の面内方向に広げるのに十分な断面積を確保しつつ、低コスト化が容易に図られる。

【0056】

表面改質膜１２２は、前述したように金属材料を含む。これにより、基部１２１の表面を金属化して、ダイヤモンド基板１２０に対する接着剤３１や熱伝導接着剤２１、２２の密着性を高めることができる。その結果、接着強度を高めるとともに、蛍光体１４とダイヤモンド基板１２０との間、および、ダイヤモンド基板１２０と熱伝導基板１６との間の熱抵抗を下げることができる。これにより、ヒートサイクル等による接着部の剥離を抑制することができる。なお、熱伝導接着剤２１、２２がダイヤモンドに対する十分な接着性を有している場合には、表面改質膜１２２を省略してもよい。

【0057】

表面改質膜１２２の形成方法としては、例えば、めっき法、気相成膜法、液相成膜法、金属ペースト法、金属膜転写法等が挙げられる。

【0058】

このうち、めっき法としては、例えば、銅めっき、金めっき、銀めっき、ニッケルめっき等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。このうち、コストや接着性、熱伝導性等の観点で、銅めっきが好ましく用いられる。

【0059】

また、気相成膜法としては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法等が挙げられる。このうち、スパッタリング法が好ましく用いられる。スパッタリング法で成膜される材料としては、例えば、銅、金、銀等が挙げられる。なお、スパッタリング法でこれらの材料を成膜する場合には、下地膜を併用するのが好ましい。下地膜の構成材料としては、例えば、チタン（Ｔｉ）、チタン－タングステン（ＴｉＷ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等が挙げられる。

【0060】

表面改質膜１２２を形成する前には、必要に応じて、基部１２１に対して表面処理を行うようにしてもよい。表面処理としては、例えば、粗面化処理、プラズマ処理、オゾン処理等が挙げられる。このような表面処理を施すことにより、基部１２１に対する表面改質膜１２２の密着性を高めることができる。粗面化処理としては、例えば、スパッタエッチング処理等が挙げられる。

【0061】

表面改質膜１２２の平均厚さは、０．０５μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましく、０．１０μｍ以上１０μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、基部１２１の表面を金属化するために十分な厚さを確保するとともに、表面改質膜１２２の熱抵抗を十分に下げることができる。

【0062】

図３に示すマウント基板１２では、ダイヤモンド基板１２０同士が、表面改質膜１２２を介して接合されている。例えば、表面改質膜１２２が銅めっきである場合、銅めっき同士の直接接合によってダイヤモンド基板１２０同士が接合されている。これにより、基部１２１同士の間に介在するのは、表面改質膜１２２のみになるので、基部１２１同士の距離を短くして、接合に伴う熱抵抗を小さく抑えることができる。

【0063】

直接接合を行うには、まず、接合面に表面活性化処理を行って酸化膜や吸着層を除去した後、処理面同士を接触させる。表面活性化処理としては、例えば、イオン照射処理、中性原子ビーム照射処理等が挙げられる。

【0064】

図４は、マウント基板の第１変形例を示す断面図である。
図４に示すマウント基板１２Ａでは、ダイヤモンド基板１２０同士が、接合材２４を介して接合されている。接合材２４としては、例えば、前述した熱伝導接着剤２１、２２と同様の接着剤が挙げられる。なお、接合材２４としてこの接着剤を用いた場合には、ダイヤモンド基板１２０を並べる工程と、マウント基板１２Ａを熱伝導基板１６に接合する工程と、を同時に行うこともできるため、工数の削減という観点でも有用である。

【0065】

図５は、マウント基板の第２変形例を示す断面図である。
図５に示すマウント基板１２Ｂでは、ダイヤモンド基板１２０同士が、ダイヤモンド同士の直接接合により一体化している。これにより、基部１２１同士が直接接合されるため、両者間の熱抵抗を最小化することができる。また、マウント基板１２の機械的強度を特に高めることができる。

【0066】

マウント基板１２Ｂの製造方法としては、例えば、モザイク法によりダイヤモンド同士が一体化した大型基板を作製した後、その大型基板に表面改質膜１２２を形成する方法が挙げられる。

【0067】

以上のように、本実施形態に係る熱伝導構造体１５は、蛍光体１４（熱源）に接続されるマウント基板１２と、マウント基板１２に接合されている熱伝導基板１６と、を少なくとも備える。マウント基板１２は、互いに接合されている複数のダイヤモンド基板１２０を有する。また、熱伝導基板１６は、マウント基板１２の蛍光体１４とは反対側に接合され、ダイヤモンド基板１２０より厚い基板である。

【0068】

このような構成によれば、ダイヤモンドに由来した、異方性が少なくかつ高い熱伝導性により、マウント基板１２を高性能なヒートスプレッダーとして機能させることができる。このため、蛍光体１４の熱を効率よく拡散して放熱させることができる。また、マウント基板１２にはダイヤモンド基板１２０よりも厚い熱伝導基板１６が接合されているため、マウント基板１２で拡散させた熱を、熱容量が大きい熱伝導基板１６に移動させることによって、マウント基板１２の熱を熱伝導基板１６へ効率よく取り込むことができる。これにより、蛍光体１４の熱を効率よく伝達し、蛍光体１４の冷却効率に優れた熱伝導構造体１５を実現することができる。

【0069】

また、マウント基板１２は、互いに接合されている複数のダイヤモンド基板１２０で構成されているため、大きな１つのダイヤモンド基板を用いる場合に比べて、製造容易性に優れている。よって、熱伝導構造体１５は、低コスト化が図られやすいという観点でも有用である。

【0070】

このような熱伝導構造体１５を備えることにより、光源装置１では蛍光体１４の波長変換効率の低下が抑制されるため、高輝度および高光束を実現することができる。また、熱伝導構造体１５は、ダイヤモンドに由来する高い熱伝導性によって、小型化が図られている。このため、光源装置１およびそれを備えるプロジェクター等の電子機器を小型化することも容易に実現することができる。

【0071】

また、本実施形態に係る熱伝導構造体１５は、熱伝導基板１６のマウント基板１２とは反対側に接合されているヒートシンク１７（冷却機構）を備えている。

【0072】

このようなヒートシンク１７を備えることにより、熱伝導基板１６の冷却を特に効率よく行える。このため、例えば、蛍光体１４に連続して光が照射された場合でも、蛍光体１４の温度が上昇し続けるのを抑制することができる。

【0073】

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る熱伝導構造体について説明する。

【0074】

図６は、第２実施形態に係る熱伝導構造体を有する光源装置を示す平面図である。図７は、図６のＢ－Ｂ断面図である。

【0075】

以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図６および図７において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。
第２実施形態は、マウント基板の構成が異なること以外、第１実施形態と同様である。

【0076】

前述した第１実施形態では、マウント基板１２が４枚のダイヤモンド基板１２０を有している。これに対し、本実施形態では、図６および図７に示すように、マウント基板１２Ｃが９枚のダイヤモンド基板１２０を有している。具体的には、図６に示すマウント基板１２Ｃでは、９枚のダイヤモンド基板１２０が３行×３列の行列状に並べられている。これにより、マウント基板１２ＣのＸ－Ｙ面の面内方向における熱伝導の等方性を高めることができる。

【0077】

また、本実施形態では、第１実施形態に比べてダイヤモンド基板１２０の枚数が多いので、仮にマウント基板１２Ｃの大きさが変わらなければ、第１実施形態に比べてダイヤモンド基板１２０の１枚当たりの大きさを小さくすることができる。その結果、マウント基板１２Ｃの低コスト化を図ること、または、より大きな蛍光体１４に対応すること、が可能なマウント基板１２Ｃを実現することができる。

【0078】

図８は、第２実施形態の変形例に係る熱伝導構造体を有する光源装置を示す断面図である。

【0079】

前述した図７に示すマウント基板１２Ｃでは、９枚のダイヤモンド基板１２０の厚さが互いに等しい。これに対し、図８に示すマウント基板１２Ｄでは、９枚のダイヤモンド基板１２０のうち、中央に位置する１枚の第１基板１２０１の厚さｔ１が、それ以外の８枚の第２基板１２０２の厚さｔ２より厚くなっている。

【0080】

また、図８に示す熱伝導基板１６Ｄは、マウント基板１２Ｄに臨む上面１６ａに開口する凹部１６ｃを有する。そして、複数のダイヤモンド基板１２０の一部、すなわち中央に位置する１枚の第１基板１２０１が、凹部１６ｃに挿入されている。

【0081】

このような構成によれば、中央に位置する第１基板１２０１は、蛍光体１４の熱をＸ－Ｙ面の面内方向に広げつつ、Ｚ軸方向にも効率よく伝達することができる。中央に位置する第１基板１２０１には、最も多くの熱が流れるため、その熱を熱伝導基板１６Ｄに向けて速やかに拡散させることができる。また、熱伝導基板１６Ｄが凹部１６ｃを有しているため、第１基板１２０１と凹部１６ｃとの接触面積を、図７の形態に比べて広げることができる。その結果、マウント基板１２Ｄと熱伝導基板１６Ｄとの熱抵抗を十分に下げることができ、蛍光体１４の冷却効率を特に高めることができる。

【0082】

以上のように、図８に示すマウント基板１２Ｄは、凹部１６ｃに挿入されているダイヤモンド基板１２０である第１基板１２０１と、マウント基板１２Ｄに臨む上面１６ａに設けられているダイヤモンド基板１２０である第２基板１２０２と、を有する。そして、第１基板１２０１の厚さｔ１が第２基板１２０２の厚さｔ２より厚くなっている。

【0083】

このような構成によれば、マウント基板１２Ｄの上面１２ａを平坦面にすることができる。その結果、蛍光体１４とマウント基板１２Ｄとの間に隙間が生じにくくなり、熱抵抗を十分に下げることができる。

【0084】

なお、厚さｔ１を１としたとき、厚さｔ２は、１．０５以上２．００以下であるのが好ましく、１．１０以上１．８０以下であるのがより好ましく、１．１５以上１．７０以下であるのがさらに好ましい。これにより、上記効果をより顕著に得ることができる。

【0085】

また、凹部１６ｃの深さは、上述した厚さの差ｔ１－ｔ２に応じて適宜設定される。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

【0086】

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る熱伝導構造体の製造方法について説明する。

【0087】

図９は、第３実施形態に係る熱伝導構造体の製造方法を説明するためのフローチャートである。図１０ないし図１３は、それぞれ図９に示す熱伝導構造体の製造方法を説明するための断面図である。

【0088】

以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図１０ないし図１３において、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付している。

【0089】

図９に示す熱伝導構造体の製造方法は、ダイヤモンド成膜ステップＳ１０２と、剥離ステップＳ１０４と、切断ステップＳ１０６と、表面改質ステップＳ１０８と、マウント基板作製ステップＳ１１０と、積層ステップＳ１１２と、熱源接続ステップＳ１１４と、ヒートシンク接合ステップＳ１１６と、を有する。以下、各工程について順次説明する。なお、以下の説明では、図２に示す熱伝導構造体１５を製造する方法を例にして説明している。

【0090】

３．１．ダイヤモンド成膜ステップ
ダイヤモンド成膜ステップＳ１０２では、ダイヤモンドを主材料とする基部１２１を製造する方法の一例として、化学気相合成（ＣＶＤ）法により種結晶基板上にダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させる。種結晶基板には、例えば単結晶ダイヤモンド基板が用いられる。

【0091】

３．２．剥離ステップ
剥離ステップＳ１０４では、種結晶基板上に成膜されたダイヤモンド膜を、種結晶基板から剥離する。これにより、自立のダイヤモンド膜を得る。剥離には、例えば、レーザーアブレーションを用いたリフトオフ法等の剥離加工技術を用いることができる。

【0092】

３．３．切断ステップ
切断ステップＳ１０６では、剥離したダイヤモンド膜を所望の形状に切断し、個片化する。これにより、図１０に示す基部１２１（個片）を得る。ダイヤモンド膜の切断には、例えばレーザー加工が用いられる。

【0093】

３．４．表面改質ステップ
表面改質ステップＳ１０８では、図１１に示すように、基部１２１の表面に表面改質膜１２２を形成する。これにより、ダイヤモンド基板１２０（表面改質個片）を得る。表面改質膜１２２の形成方法は、前述した通りである。

【0094】

３．５．マウント基板作製ステップ
マウント基板作製ステップＳ１１０では、ダイヤモンド基板１２０同士を接合する。これにより、図１２に示すマウント基板１２を得る。ダイヤモンド基板１２０同士の接合には、前述した各種の接合方法が用いられる。

【0095】

３．６．積層ステップ
積層ステップＳ１１２では、図１３に示すように、マウント基板１２を熱伝導基板１６に積層し、両者を接合する。接合には、例えば前述した熱伝導接着剤２２を用いる。熱伝導基板１６には、あらかじめ表面洗浄処理を施しておくのが好ましい。これにより、マウント基板１２と熱伝導基板１６との接合強度、および、熱伝導基板１６とヒートシンク１７との接合強度をそれぞれ高めることができ、ヒートサイクル等による接合部の剥離を抑制することができる。また、接合強度を高めるだけでなく、熱抵抗を下げることもできる。表面洗浄処理としては、例えば、酸素プラズマ洗浄、有機溶剤による洗浄等が挙げられる。

【0096】

３．７．熱源接続ステップ
熱源接続ステップＳ１１４では、マウント基板１２の熱伝導基板１６とは反対側の面、すなわちマウント基板１２の上面１２ａに、蛍光体１４（熱源）を接続する。接続には、例えば前述した熱伝導接着剤２１を用いる。

【0097】

３．８．ヒートシンク接合ステップ
ヒートシンク接合ステップＳ１１６では、熱伝導基板１６のマウント基板１２とは反対側の面、すなわち熱伝導基板１６の下面１６ｂに、ヒートシンク１７（冷却機構）を接合する。接合には、例えば前述した熱伝導接着剤２３を用いる。これにより、図２に示す熱伝導構造体１５が得られる。

【0098】

なお、以上の各ステップの順序は、上述した本実施形態の順序に限定されない。また、一部のステップが省略されていてもよい。例えば、図５に示すマウント基板１２Ｂを有する熱伝導構造体１５を作製する場合には、まず、ダイヤモンド成膜ステップＳ１０２において同一の種結晶基板から複数のダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させた後、剥離ステップＳ１０４でダイヤモンド膜を剥離し、複数の基部１２１（個片）を得る。その後、切断ステップＳ１０６を省略して、マウント基板作製ステップＳ１１０で基部１２１同士を直接接合した後、表面改質ステップＳ１０８で接合後の基部１２１に表面改質膜１２２を形成する。これにより、図５に示すマウント基板１２Ｂが得られる。

【0099】

以上のように、本実施形態に係る熱伝導構造体の製造方法は、表面改質ステップＳ１０８と、マウント基板作製ステップＳ１１０と、積層ステップＳ１１２と、熱源接続ステップＳ１１４と、ヒートシンク接合ステップＳ１１６と、を有する。表面改質ステップＳ１０８では、ダイヤモンドを主材料とする基部１２１（個片）の表面に金属材料を含む表面改質膜１２２を形成し、ダイヤモンド基板１２０を得る。マウント基板作製ステップＳ１１０では、ダイヤモンド基板１２０同士を接合してマウント基板１２を得る。積層ステップＳ１１２では、マウント基板１２を、ダイヤモンド基板１２０より厚い熱伝導基板１６に接合する。熱源接続ステップＳ１１４では、マウント基板１２の熱伝導基板１６とは反対側に蛍光体１４（熱源）を接続する。ヒートシンク接合ステップＳ１１６では、熱伝導基板１６のマウント基板１２とは反対側にヒートシンク１７（冷却機構）を接合する。

【0100】

このような構成によれば、蛍光体１４の熱を効率よく拡散して放熱させる熱伝導構造体１５が得られる。また、複数のダイヤモンド基板１２０を接合するというプロセスを経ることにより、１枚の大きなダイヤモンド基板を製造することなく、ダイヤモンドを主材料とする大型のマウント基板１２を実現することができる。このため、ダイヤモンドに由来した、異方性が少なくかつ高い熱伝導性を持つマウント基板１２を備える熱伝導構造体１５を、容易かつ低コストで製造することができる。

【0101】

また、ダイヤモンド基板１２０の枚数を適宜変更することにより、マウント基板１２の設計変更にも容易に対応することができる。

【0102】

また、本実施形態に係る熱伝導構造体の製造方法は、さらに、ダイヤモンド成膜ステップＳ１０２と、剥離ステップＳ１０４と、切断ステップＳ１０６と、を有する。ダイヤモンド成膜ステップＳ１０２では、化学気相合成法により種結晶基板にダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させる。剥離ステップＳ１０４では、種結晶基板からダイヤモンド膜を剥離する。切断ステップＳ１０６では、ダイヤモンド膜を切断して基部１２１（個片）を得る。

【0103】

このような構成によれば、化学気相合成法により、ダイヤモンド膜を安定して製造し、その後、切断によって板状の基部１２１を大量に製造することができる。このため、ダイヤモンド基板１２０を効率的に低コストで製造することができる。

【0104】

以上、本発明の熱伝導構造体および熱伝導構造体の製造方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明の熱伝導構造体は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、前記実施形態の各部が同様の機能を有する任意の構成のものに置換されたものであってもよく、前記実施形態に任意の構成物が付加されたものであってもよい。また、本発明の熱伝導構造体の製造方法は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、前記実施形態に任意の目的の工程が追加されたものであってもよい。

【符号の説明】

【0105】

１…光源装置、１１…平凸レンズ、１１ａ…平坦面、１２…マウント基板、１２Ａ…マウント基板、１２Ｂ…マウント基板、１２Ｃ…マウント基板、１２Ｄ…マウント基板、１２ａ…上面、１２ｂ…下面、１３…スペーサー、１３ａ…貫通孔、１３ｂ…凹部、１３ｃ…底面、１３ｄ…上面、１４…蛍光体、１４ａ…上面、１４ｂ…下面、１５…熱伝導構造体、１６…熱伝導基板、１６Ｄ…熱伝導基板、１６ａ…上面、１６ｂ…下面、１６ｃ…凹部、１７…ヒートシンク、１９…密閉空間、２１…熱伝導接着剤、２２…熱伝導接着剤、２３…熱伝導接着剤、２４…接合材、３１…接着剤、１２０…ダイヤモンド基板、１２０ａ…上面、１２０ｂ…下面、１２１…基部、１２２…表面改質膜、１４０…反射膜、１７２…基部、１７４…フィン、１２０１…第１基板、１２０２…第２基板、ＨＦ１…熱の流れ、ＨＦ２…熱の流れ、Ｌ１…長さ、Ｌ２…長さ、ＬＥ…励起光、ＬＦ…蛍光、Ｓ１０２…ダイヤモンド成膜ステップ、Ｓ１０４…剥離ステップ、Ｓ１０６…切断ステップ、Ｓ１０８…表面改質ステップ、Ｓ１１０…マウント基板作製ステップ、Ｓ１１２…積層ステップ、Ｓ１１４…熱源接続ステップ、Ｓ１１６…ヒートシンク接合ステップ、ｔ１…厚さ、ｔ２…厚さ

【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】