石墨板及使用该石墨板的传热结构的制作方法

专利名称：石墨板及使用该石墨板的传热结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于发热体与散热体之间的热连接的散热板，尤其涉及石墨板及使用该石墨板的传热结构。
背景技术：
近年来，对于电子设备而言，伴随着以携带式电话机、PDP、个人计算机为代表那样要求高性能化、小型化的需求，半导体元件等电子部件的高性能化、高密度化正在推进。由于这一原因，抑制电子部件的发热量显著增大、电子设备的温度上升成为重要的课题。作为抑制电子设备的温度上升的机构，使用了图8所示的热连接结构。热连接结构包括内置有作为发热体的半导体元件的半导体封装体41、作为散热体的散热器42、将发热体与散热体热连接的热连接部43 (例如，参照专利文献1)。半导体封装体41经由端子与印刷电路布线板46的导体电路电连接。散热器42 由铝合金等金属构成，包括平板状的芯部和竖立在该芯部上的多个平板散热片。热连接部43用于提高从半导体封装体41向散热器42的散热性能而设置在半导体封装体41与散热器42之间。通过螺钉等安装部件45紧固加压，从而热连接部43与半导体封装体41和散热器42抵接。热连接部43为了提高冷却效果而由导热性良好的散热板形成。作为该散热板公知有将聚酰亚胺等高分子膜以高温烧成而形成的具有高导热率的热分解石墨板44。热分解石墨板44具有挠性，因此通过在热连接结构中加压从而能够使热分解石墨板44的表面与半导体封装体41和散热器42的表面密接。进而，在热分解石墨板44的表面涂敷硅滑酯或硅油等流动性树脂的散热材料。由此，散热材料进入半导体封装体41 ·散热器42 ·热分解石墨板44的表面的凹凸而减小间隙的空气层，从而提高密接性，减小热连接部43的接触热阻。尤其是，为了提高流动性的散热材料的导热性，使用含有导热率高的氮化铝等导热性填充物的流动性散热材料。然而，在这样的情况下，热分解石墨板44的表面的凹凸是在高分子膜烧成时形成的凹凸，没有能够充分收纳导热性填充物这种程度的空隙，因此在热连接部43被加压时，导热性填充物几乎都在热分解石墨板44的表面上移动而向外周被压出，存在无法减小热连接部43的热阻的问题。先行技术文献专利文献专利文献1日本特开2004-363432号公报

发明内容
本发明提供一种能够提高热连接部的散热性能的石墨板及使用该石墨板的传热结构。本发明的石墨板设置有第一主面和作为第一主面的相反侧的面的第二主面，且在主面方向上具有大的各向异性导热率，其具备第一凹部，其设置于第一主面且具备第一底面；第二凹部，其设置于第二主面且具备第二底面；薄膜部，其形成在第一底面与第二底面重合的区域；连结孔，其贯通薄膜部而使第一凹部与第二凹部连通。此外，本发明的传热结构具备热连接部，该热连接部具备石墨板和流动性的散热材料，所述石墨板具备第一主面；第二主面，其为第一主面的相反侧的面；第一凹部，其设置于第一主面且具有第一底面；第二凹部，其设置于第二主面且具有第二底面；薄膜部，其形成在第一底面与第二底面重合的区域；连结孔，其贯通薄膜部而使第一凹部与第二凹部连通，并且，石墨板在主面方向上具有大的各向异性导热性，所述流动性的散热材料填充于第一凹部、第二凹部及连结孔中，所述热连接部配置成发热体与石墨板的第一主面侧相接。根据本发明的石墨板，能够防止散热材料的漏出，从而提高散热性能。


图1是本发明的实施方式中的石墨板的俯视图。图2是本发明的实施方式中的石墨板的剖视图。图3是表示本发明的实施方式中的石墨的结构的示意图。图4是本发明的实施方式中的其他的石墨板的主要部分剖视图。图5是表示使用了本发明的实施方式中的石墨板的传热结构的侧剖视图。图6是使用了本发明的实施方式中的石墨板的传热结构的主要部分剖视图。图7是表示本发明的实施方式中的石墨板的波状部(waviness)的剖视图。图8是表示使用了以往的石墨板的传热结构的侧剖视图。
具体实施例方式(实施方式)对本发明的实施方式的石墨板进行说明。图1是本发明的实施方式中的石墨板的俯视图。图2是图1中的A-A面的剖视图。如图1 ·图2所示，石墨板11平行地设有平坦的第一主面12、作为第一主面12的相反面的第二主面13。在第一主面12上设有第一凹部 14。在第二主面13上设有第二凹部15。第一凹部14具有第一底面19。第二凹部具有第二底面20。此外，薄膜部21是第一凹部14和第二凹部15的至少一部分在从垂直于第一主面 12的方向观察的俯视下重合的区域，薄膜部21的厚度比未设有凹部的部分薄。换言之，薄膜部21设置在第一底面19与第二底面20重合的部分。连结孔18是贯通薄膜部21设置的孔。通过连结孔18使第一凹部14和第二凹部15连通。连结孔18在薄膜部21上至少设置一个。优选连结孔18的主面方向的开口直径比第一凹部14的开口部16和第二凹部 15的开口部17的开口直径短。并且，由第一凹部14、第二凹部15和连结孔18形成贯通孔，在贯通孔中填充流动性的散热材料。石墨板11通过层叠石墨而形成，如图3所示，石墨具有碳原子排列成六边形的结构形成为网眼状的a-b轴方向的平面。此外，a_b轴方向的平面在与该平面垂直的c轴方向上以大致等间隔d平行地排列。即，石墨取向成与第一主面12 ·第二主面13实质上平行。通过层叠石墨，从而石墨板11具有各向异性导热率，主面方向的导热率比厚度方向的导热率高。在此，主面方向是与第一主面12 ·第二主面13平行的方向。作为石墨板11使用热分解石墨板或黑铅板等。此外，石墨板11也可以是层叠热分解石墨板或黑铅板的至少一种而得到的部件。热分解石墨板是将高分子膜以高温烧成而形成的部件。作为高分子膜可以使用例如聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺等耐热性的芳香族高分子。图3所示的热分解石墨板的石墨的间隔d为3. 3 X IO-8Cm 3. 356X 10_8Cm。此外，热分解石墨板可以形成以下的各向异性导热率，即，主面方向的导热率为500W/mK 1800W/mK，厚度方向的导热率为10W/mK 15W/mK。作为黑铅板是以黑铅为主要成分进行加压成形而层叠得到的部件，黑铅可以使用将膨胀黑铅、粉末焦炭以3000°C左右的温度进行热处理而得到的热分解黑铅等鳞片状或球状的黑铅粉。黑铅板也可以添加树脂等微量的结合剂，来提高板强度。其中，在使用膨胀黑铅的情况下，膨胀黑铅具有可塑性，因此能够不使用结合剂进行加压成形而得到导热率高的黑铅板。另外，为了形成高导热率的黑铅板，优选含有98重量％以上的碳。热分解石墨板和黑铅板具有挠性，容易得到散热器和半导体封装体的密接性。尤其是热分解石墨板与黑铅板相比其耐加压强度高，因此能够增大密接性，能够提高防止流动性的散热材料的漏出的效果。石墨板11的第一凹部14及第二凹部15分别设置一个以上。优选第一凹部14在第一主面12上设置为均勻地分散，且第二凹部15在第二主面 13上也设置为均勻地分散。由此，能够可靠地使流动性的散热材料分散在第一主面12 第二主面13上，因此能够提高散热性能。优选第一凹部14设置成第一凹部14的开口面16与第一主面12的面积比为 30% 70%。由此，能够将流动性的散热材料封入贯通孔而防止漏出且能够增大开口面16 的开口面积，因此能够减小基于流动性的散热材料的接触热阻。此外，优选第二凹部15也以与第一凹部14的开口面16同样的范围设定第二凹部15的开口面17与第二主面13的面积比。即，优选第二凹部15设置成第二凹部15的开口面17与第二主面13的面积比为 30% 70%。此外，可以将第一凹部14与第二凹部15设置成相同或不同的形状。薄膜部21是第一凹部14与第二凹部15在厚度方向上彼此对置而重合形成的区域。如图2所示，薄膜部21设置成在剖面中至少沿着主面方向突出且夹在第一凹部14与第二凹部15之间。此外，薄膜部21是层叠石墨得到的部件，由于在主面方向上具有高的各向异性导热率，因此主面方向的导热被迅速地进行。进而，在薄膜部21中，由于厚度方向的长度即在第一凹部14与第二凹部15之间导热的长度短，因此能够将热量高效地在第一凹部14与第二凹部15间传导。此外，图4表示本实施方式的其他的石墨板的主要部分剖视图。如图4所示，可以将薄膜部22设置成从前端23朝向底部M变厚。由此，能够提高薄膜部22的机械强度，能够在将石墨板Ila向半导体封装体与散热器间安装时或在热连接结构中对石墨板Ila加压·密接时减少薄膜部22的破损。该薄膜部22的表面可以设置成台阶状或倾斜状。
接下来，对使用了本发明的实施方式的石墨板的传热结构、尤其是热连接部进行说明。图5是使用了本发明的实施方式的石墨板的传热结构的侧剖视图。图6是使用了本发明的实施方式的石墨板的传热结构的主要部分剖视图。如图5 ·图6所示，构成传热结构的热连接部31包括石墨板11和散热材料32。热连接部31夹入于作为发热体的半导体封装体36的平坦状的上表面与作为散热体的散热器37的下表面。热连接部31以将石墨板 11的第一主面12设置于半导体封装体36侧的方式配置。在由第一凹部14、第二凹部15和连结孔18形成的贯通孔中填充有流动性的散热材料32，通过散热材料32提高减小热连接部31的接触热阻的效果。作为流动性的散热材料32使用硅油等散热润滑脂或相变型糊剂的导热性的树脂 33，并且含有导热性填充物34而将导热率提高至约lW/mK 约20W/mK。相变型糊剂是在常温下柔软的固体糊剂，在作为半导体封装体36的工作温度的40°C 100°C的范围具有软化温度。相变型糊剂为在软化温度以上成为流动性的低粘性体。作为导热性填充物34优选由导热率大的氮化铝、银、铜、铝等构成的平均粒子径为1 μ m 10 μ m的粉末。此外，作为流动性的散热材料32可以使用在作为半导体封装体的工作温度的 40°C 100°C熔融的低熔点金属，例如含有锡·铟·铋等的合金。第一凹部14及第二凹部15通过激光加工 冲床加工等形成，能够适当设置空隙的形状。由此，能够在第一凹部14 ·第二凹部15中收纳散热材料32的导热性填充物34等。第一凹部14及第二凹部15的空隙优选将开口面16、17设置得大，从而减小接触热阻。例如，在图6所示的石墨板11中，在剖面中开口面16、17的主面方向的长度形成得比空隙的厚度方向的深度大。石墨板11具有挠性，因此通过石墨板11被加压而使第一主面12 第二主面13与半导体封装体36、散热器37密接。由此，能够抑制散热材料32分别从石墨板11与半导体封装体36 ·散热器37的界面漏出，能够防止发生因印刷基板、电子部件受到污损及绝缘性下降等造成电路工作不良的情况。半导体封装体36的热点的热量容易向接触热阻小的第一凹部14的散热材料32 传导。从半导体封装体36向第一凹部14的散热材料32传导的热量呈大致各向同性状放散而到达薄膜部21，进而经由薄膜部21沿主面方向迅速放散热量并同时沿厚度方向传导。 如此，通过经由薄膜部21传导，能够高效地向第二凹部15的散热材料32进行热传递，从而能够提高散热性能。此外，在存在多个第一凹部14 第二凹部15的情况下，由于石墨板11的各向异性导热，在相邻的第一凹部14彼此和相邻的第二凹部15彼此间容易进行热扩散，从而能够进一步提高散热性能。此外，通过在薄膜部21设置连结孔18，在作为传热结构使用石墨板11时，能够通过连结孔18的散热材料32减小由第一凹部14 ·第二凹部15的散热材料32对薄膜部21 的上下表面施加的压力差。因此，能够抑制因来自散热材料32的加压而导致薄膜部21变形或破损的情况。进而，通过在薄膜部21设置连结孔18，能够缩短连结孔18的长度，因此能够进一步减小薄膜部21的上下表面的压力差，从而能够稳定散热性能。进而，优选使流动性的散热材料的导热率比石墨板的厚度方向的导热率大，如此， 能够进一步提高散热性能。
如上所述，本发明的实施方式的石墨板能够保持流动性的散热材料而防止其漏出，从而能够提高热连接部的散热性能。接下来，对本发明的实施方式的石墨板的制造方法进行说明。作为石墨板使用热分解石墨板。作为成为热分解石墨板的原材料的高分子膜，具体使用聚酰亚胺膜进行说明。作为使用的聚酰亚胺膜，优选从聚酰胺酸溶液得到的凝胶膜延伸而形成的膜。通过对这样的聚酰亚胺膜以M00°c以上的温度进行烧成而提高取向性，从而能够形成主面方向的导热率非常高的薄膜的热分解石墨板。通过使用这样的热分解石墨板能够提高热连接部的导热性。优选使用的聚酰亚胺膜的每单位厚度的端裂阻力(edge tear resistance)为 8500N/ (20mm ‘ mm) 15000ΝΛ20πιπι · mm)。由此，石墨的结晶结构的取向性高，能够得到主面方向的导热率高的热分解石墨板。进而，能够减少热分解石墨板的波状部而提高平坦性。 另外，优选聚酰亚胺膜的每单位厚度的端裂阻力为9500NA20mm*mm)以上。由此，能够显著地减小得到的热分解石墨板的波状部。通过这样减小波状部，从而能够在热分解石墨板作为热连接部夹入发热体和散热体时抑制在热分解石墨板上产生褶皱的情况，因此能够提高密接性，从而能够减少在长时间使用中流动性散热材料发生漏出的情况。在此，端裂阻力是根据JIS C2151的B法测定宽度20mmX长度约200mm的聚酰亚胺膜的试验片而得到的，每单位厚度的端裂阻力是端裂阻力除以膜厚度得到的值。此外，热分解石墨板的波状部是指例如图7所示那样不对石墨板11施加载荷而将石墨板11的主面放置在平板52上时具有波状部高度51而呈现波状的部分。聚酰亚胺膜优选膜厚度为30 μ m 150 μ m。通过使用这样的聚酰亚胺膜，能够得到导热率高且平坦的热分解石墨板。聚酰亚胺膜的形成方法为如下方式，S卩，首先将至少一种芳香族酸二酐和至少一种二胺以等摩尔的方式溶解于有机溶剂中而得到聚酰胺酸溶液。接下来，在支承体上以均勻的厚度涂敷聚酰胺酸溶液，然后进行加热干燥而使一部分酰亚胺化，能够得到含有10 50重量％的固形量而能够自我支承的凝胶膜。此外，也可以在聚酰胺酸溶液中混合环化催化剂和脱水剂而形成凝胶膜。作为芳香族酸二酐的具体例可以举出均苯四酸二酐、3，3’，4，4’ -联苯四酸二酐、 2，3，，3，4，-联苯四酸二酐、3，3，，4，4，-二苯酮四酸二酐、2，3，6，7-萘二甲酸二酐、2，2-双 (3，4_ 二羧基苯基)醚二酐、嘧啶-2，3，5，6-四甲酸二酐及它们的酰胺形成性衍生物等。作为二胺的具体例可以举出对苯二胺、间苯二胺、对二氨基联苯、对苯二胺、4， 4’-二氨基二苯醚、4，4’_ 二氨基二苯基甲烷、4，4’_ 二氨基二苯砜、3，3’-二甲基-4，4’_ 二氨基二苯基甲烷、1，5_ 二氨基萘、3，3’_ 二甲氧基苯二胺、1，4_双(3甲基-5氨基苯基)苯及它们的酰胺形成性衍生物等。将该凝胶膜从支承体剥离，利用捏夹辊使其以约500N/m 约2000N/m的力拉伸并同时沿行进方向(MD方向)延伸。然后，通过伸幅装置利用伸幅夹把持凝胶膜的宽度方向的两端部并同时使其沿横向(TD方向)延伸。这样，使凝胶膜在两轴方向上进行延伸。此外，也可以同时进行两轴向上的延伸。通过增大该延伸的倍率，能够提高聚酰亚胺膜的膜面方向的分子取向性，因此能够增大每单位厚度的端裂阻力。
优选聚酰亚胺膜作为芳香族酸二酐使用均苯四酸二酐，作为二胺使用4，4’ - 二氨基二苯醚形成。由此，能够得到高延伸倍率，从而能够增大每单位厚度的端裂阻力。接下来，在将凝胶膜延伸后进行干燥、热处理而使其酰亚胺化，形成聚酰亚胺膜。然后，将聚酰亚胺膜切断成规定的尺寸，将聚酰亚胺膜放入石墨制的保持容器中而进行烧成。首先，使聚酰亚胺膜在氮或氩等惰性气体气氛或真空的非氧化性气氛中从室温以 1°C /分钟 10°c /分钟的固定的升温速度升温至设定在1200°C 1500°C范围内的烧成温度。以该烧成温度保持30分钟 2小时，使聚酰亚胺膜碳化。在碳化的烧成工序中，由于聚酰亚胺膜的热分解而放出碳以外的元素，从而进行碳-碳间的再结合而使聚酰亚胺膜烧成·收缩。接下来，使碳化后的板在氮或氩等惰性气体或真空的非氧化性气氛中以1°C /分钟 10°C /分钟的固定的升温速度升温至成为设定在M00°C 3500°C范围内的最高温度的烧成温度。以该烧成温度保持30分钟 2小时而进行烧成，从而石墨化。在该石墨化的烧成工序中，碳-碳的接合向石墨结晶转化。如果石墨化的工序中的烧成温度小于M00°C，则聚酰亚胺膜的石墨化不充分，因此无法形成高质量的石墨结晶，导致导热度小。接下来，优选将烧成后的热分解石墨板由压延辊夹入而进行压延处理。通过该压延处理能够提高挠性并增大烧成后的热分解石墨板的密度，从而能够提高导热率。并且，通过压延处理，能够以保持烧成后的热分解石墨板中的波状部的高度的大小关系的方式进一步减小波状部。接下来，对烧成后的热分解石墨板或在烧成后进行了压延处理的石墨板在大气中进行激光照射而使石墨氧化消失，由此形成第一凹部14、第二凹部15和连结孔18。通过进行激光照射而形成第一凹部14及第二凹部15，与利用冲孔等机械方法压缩热分解石墨板而形成凹部的情况相比，能够将第一凹部14及第二凹部15的区域和该区域以外的热分解石墨板的密度保持得均勻。即，能够在石墨板的全部区域使密度大致均勻。 因此，在传热结构中石墨板被加压时，热分解石墨板整体均勻地被压缩。由此，能够减小第一凹部14及第二凹部15的空隙体积，从而能够提高防止导热性填充物的漏出的效果。(实施例)利用图1 ·图2具体说明本实施方式的石墨板。首先，将每单位厚度的端裂阻力为9500Ν/(20πιπι·πιπι)的聚酰亚胺膜在氮气中以最高温度设定为3000°C的方式烧成。然后，以0. 3MPa的压力进行压延，形成第一主面12 第二主面13的一边为15mm 50mm且厚度为17 μ m的矩形状的热分解石墨板。该热分解石墨板的主面方向和厚度方向的导热率分别为1750W/mK、15W/mK，波状部高度为7μπι以下。接着，使YAG激光进行扫描而照射热分解石墨板，在第一主面12上形成第一凹部 14，该第一凹部14具有一边为0. 8mm 1. Omm的正方形状且深度为4 6 μ m的平板状的空隙。第一凹部14以使开口面16的总面积相对于第一主面12的面积比成为40% 60% 的方式根据第一主面12的尺寸适当地设置多个。在本实施例中，将第一凹部14在第二主面13的宽度方向及长度方向分别等间隔地排列形成。由此，在第一主面12上形成格子状的提部25。接下来，将第二凹部15设置成与第一凹部14相同的形状，以从垂直于主面的方向观察时的俯视下与第一凹部14大致全部重合的方式形成第二凹部15。然后，向第一凹部14的底面的中央照射激光而在各第一凹部14上分别形成一个与第一主面12正交地贯通的直径为0. 3mm的环状的连结孔18。然后，薄膜部21形成为厚度是5 μ m 9 μ m的平板且与第一主面12及第二主面13平行地设置。工业上的可利用性本发明的石墨板具有提高热连接部的散热性能的效果，适合用作用于发热体与散热体之间的热连接的散热板。符号说明
IlUla石墨板
12第一主面
13第二主面
14第一凹部
15第二凹部
16、17开口面
18连结孔
19第一底面
20第二底面
21、22薄膜部
23前端
M底部
31热连接部
32散热材料
33树脂
34导热性填充物
36半导体封装体(发热体)
37散热器(散热体)
权利要求
1.一种石墨板，其设置有第一主面和作为所述第一主面的相反侧的面的第二主面，且在主面方向上具有高的各向异性导热率，其具备第一凹部，其设置于所述第一主面且具备第一底面； 第二凹部，其设置于所述第二主面且具备第二底面； 薄膜部，其形成在所述第一底面与所述第二底面重合的区域； 连结孔，其贯通所述薄膜部而使所述第一凹部与所述第二凹部连通。
2.根据权利要求1所述的石墨板，其中，所述薄膜部设置成从所述薄膜部的前端朝向底部变厚。
3.根据权利要求1所述的石墨板，其中， 所述石墨板通过烧成高分子膜而生成。
4.根据权利要求3所述的石墨板，其中，所述高分子膜为聚酰亚胺膜，所述聚酰亚胺膜的每单位厚度的端裂阻力为 8500N/20mm · mm 15000N/20mm · mm。
5.根据权利要求1所述的石墨板，其中， 在全部的区域具有均勻的密度。
6.根据权利要求5所述的石墨板，其中，所述第一凹部及所述第二凹部通过激光照射而形成。
7.一种传热结构，其具备热连接部，该热连接部具备石墨板和流动性的散热材料， 所述石墨板具备 第一主面；第二主面，其为所述第一主面的相反侧的面； 第一凹部，其设置于所述第一主面且具有第一底面； 第二凹部，其设置于所述第二主面且具有第二底面； 薄膜部，其形成在所述第一底面与所述第二底面重合的区域； 连结孔，其贯通所述薄膜部而使所述第一凹部与所述第二凹部连通， 并且，所述石墨板在主面方向上具有高的各向异性导热性， 所述流动性的散热材料填充于所述第一凹部、所述第二凹部及所述连结孔中， 所述热连接部配置成发热体与所述石墨板的所述第一主面侧相接。
8.根据权利要求7所述的传热结构，其中，所述流动性的散热材料的导热率设定成比所述石墨板的与主面方向垂直的方向上的导热率大。
全文摘要
本发明提供一种在使用润滑脂等流动性的散热材料时防止散热材料的漏出且提高了散热性能的石墨板。石墨板设置有第一主面和为第一主面的相反侧的面的第二主面，且具有在主面方向上大的各向异性导热率，其具备第一凹部，其设置于第一主面，且具备第一底面；第二凹部，其设置于第二主面，且具备第二底面；薄膜部，其形成在第一底面与所述第二底面重合的区域；连结孔，其贯通薄膜部而使所述第一凹部与所述第二凹部连通。
文档编号H05K7/20GK102396302SQ20108001670
公开日2012年3月28日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年7月13日
发明者久保和彦, 佐藤雄一, 河村典裕, 船场正志 申请人:松下电器产业株式会社