CN109712950A - 石墨散热器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供轻量且机械强度强的石墨散热器。本发明的石墨散热器具备石墨翅片、和压入固定于石墨翅片的一部分表面的金属。

Description

石墨散热器及其制造方法
技术领域
本发明涉及能够管理从电子设备等的热源放出的热的石墨散热器及其制造方法。
背景技术
作为具有以高处理速度和高频进行工作的能力、小型且具有更复杂的电力条件的电子设备，有微处理器、电子和电器部件以及装置的集成电路等、还有高输出光学装置等。这些电子设备的开发越来越高度发展，会有产生极端高的温度的情况。但是，通常微处理器、集成电路、其他高性能的电子部件仅在特定范围的阈值温度下有效地工作。电子部件的工作中产生的过剩的热不仅对其固有性能有害，而且会有系统整体的性能、可靠性也因该热而损害，从而引起系统故障的情况。包括由电子系统的运行所予期的极端的温度在内的环境条件的范围日益变宽也会助长过剩热所带来的不良影响。
随着使热从小型电子设备散出的必要性提高，在电子设备的设计中管理成为越来越重要的要素。电子设备的性能可靠性和所期待的寿命这两者与电子设备的部件温度成反比。例如，通过降低典型的硅半导体等器件的工作温度，能够增加器件的处理速度、可靠性和所期待的寿命。因此，为了得到最大限度的部件寿命、可靠性，最重要的是将器件的工作温度控制在由设计者设定的限度内。
作为这样的热管理优异的材料而受到关注的是以石墨为代表的碳材料。石墨由于具备与作为通常的高导热材料的铝、铜同等的导热率，并且具备比铜优异的传热特性，因此作为LSI芯片的散热器(heat spreader)、半导体功率模块的散热器等中所使用的散热片用的材料而受到关注。
对于以往的使用了碳材料的散热器，例如，如专利文献1所示，提出了通过在将脆的碳粒子压缩固形化后施加基于金属膜的涂布从而防止了石墨的剥离、并且提高了机械强度的散热器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2009-505850号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，由于专利文献1的散热器是由将石墨粒子压缩固形化而成的材料制作的，因此没有在面方向形成致密的石墨结构，从而传热性能低。另外，石墨粒子不得不用粘接剂进行固定，机械强度弱。进而，由于使用的涂布剂是金属制的，因此散热器整体将会变重。而且，需要金属涂布、粘接接合而使工序复杂，制造成本将会变高。
本发明用于解决上述以往的问题，其目的在于，提供轻量且机械强度强的石墨散热器。
用于解决问题的方案
为了达成上述目的，本发明的石墨散热器具备石墨翅片(fin)、和压入固定于上述石墨翅片的一部分表面的金属。
另外，本发明的石墨散热器的制造方法包括：
将对多张层叠的高分子膜施加压力的同时进行加热从而石墨化的石墨板进行成形，得到石墨翅片的工序；和
将金属压入固定于上述得到的石墨翅片的一部分表面的工序。
发明效果
通过本发明的石墨散热器，能够提供轻量且机械强度强的石墨散热器。
附图说明
图1为示出实施方式1的石墨散热器的构成的概略图。
图2A为图1的石墨翅片与翅片基底的接合结构的示意图。
图2B为示出图2A的接合结构的细部的放大图。
图3为实施方式1与比较例的导热性评价试验的TEG的示意图。
图4A为在石墨翅片的两侧中的至少一侧设置有间隙的情况下的、石墨翅片与翅片基底的接合结构的压入前的放大示意图。
图4B为示出将图4A的石墨翅片压入翅片基底后的接合结构的放大示意图。
图5A为翅片用槽的侧面形状为楔型形状的情况下的石墨翅片与翅片基底的接合结构的压入前的放大示意图。
图5B为示出将图5A的石墨翅片压入翅片基底后的接合结构的放大示意图。
附图标记说明
100 接合结构
101 石墨散热器
102 石墨翅片
103 翅片基底(金属)
104 金属压入部
105 铆接槽(かしめ溝)
106 金属压入量
107 润滑脂层
108 测温部(热电偶)
109 风扇
110 加热器
111 支撑板
112 间隙
114 翅片用槽
具体实施方式
第1方式的石墨散热器具备：石墨翅片、和压入固定于上述石墨翅片的一部分表面的金属。
根据上述构成，可以得到能够提高石墨翅片与金属的接触性、并且轻量且高强度的石墨散热器。
对于第2方式的石墨散热器，在上述第1方式中，上述金属的压入量可以为沿压入方向的上述石墨翅片的厚度的15％以上且35％以下。
对于第3方式的石墨散热器，在上述第1或第2方式中，可以还具备与上述金属连续的金属制的翅片基底。
第4方式的石墨散热器的制造方法包括：
将对多张层叠的高分子膜施加压力的同时进行加热从而石墨化的石墨板进行成形，得到石墨翅片的工序；和
将金属压入固定于上述得到的石墨翅片的一部分表面的工序。
对于第5方式的石墨散热器的制造方法，在上述第4方式中，上述高分子膜可以为选自由聚噁二唑、聚苯并噻唑、聚苯并双噻唑、聚苯并噁唑、聚苯并双噁唑、聚均苯四酰亚胺、芳香族聚酰胺、聚亚苯基苯并咪唑、聚亚苯基苯并双咪唑、聚噻唑、聚对苯撑乙烯所组成的组中的至少1种。
对于第6方式的石墨散热器的制造方法，在上述第4或第5方式中，上述金属的压入量可以为沿压入方向的上述石墨翅片的厚度的15％以上且35％以下。
对于第7方式的石墨散热器的制造方法，在上述第4～第6方式中的任一方式中，将上述金属压入固定于上述石墨翅片的一部分表面的工序可以包括：
在与上述金属连续的翅片基底设置翅片用槽的工序；和
将上述石墨翅片立在上述翅片用槽中从而压入到上述翅片基底的工序。
对于第8方式的石墨散热器的制造方法，在上述第7方式中，在将上述石墨翅片立在上述翅片用槽中从而压入到上述翅片基底的工序中，将上述翅片用槽的宽度设为100％时，上述石墨翅片与上述翅片用槽的间隙可以为1％～5％的范围。
以下，参照附图对实施方式的石墨散热器及其制造方法进行说明。需要说明的是，在附图中，对实质上相同的构件标注相同的符号。
(实施方式1)
＜石墨散热器＞
以下，参照附图对实施方式1的石墨散热器101进行说明。
图1为示出实施方式1的石墨散热器101的构成的概略图。图2A为示意性地示出图1中的石墨翅片102与翅片基底103的接合结构100的图。图2B为图2A的接合结构100的细部的放大图。需要说明的是，在附图中，方便起见，将石墨翅片102向翅片基底103的压入方向设为-z轴方向来示出。另外，将翅片基底103的延伸方向设为x轴方向。
该石墨散热器101具备石墨翅片102、和压入固定于该石墨翅片102的一部分表面的金属103。
以下，对构成该石墨散热器101的构成构件进行说明。
＜石墨翅片＞
石墨翅片102例如可以使用高取向性石墨的加压层叠品。该石墨翅片102例如可以为柱状、板状、箔状等。
＜翅片基底：金属＞
作为压入固定于石墨翅片102的一部分表面的金属103，例如可以使用铜、铝、不锈钢、压铸件(ダイキヤスト)等元素单质和合金。金属103中的压入固定的金属压入部104如图2B的放大图所示，只要为向石墨翅片102内突出的形状即可。其形状例如可以为突状、爪状、柱状、板状等中的任意形状。
金属103的压入量106优选为沿压入方向(-z轴方向)的石墨翅片102的厚度的15％以上且35％以下，特别优选20％以上且30％以下。压入量106小于15％的情况下，由于石墨表面滑，因此无法保持，由于落下试验和振动试验等的冲击，石墨翅片102将会滑出，因此不能确保接触，散热性能降低。另一方面，若压入量106超过35％，则石墨翅片102的石墨结构被破坏，不能保持面方向(x轴方向)的强度。因此，对于压入量106，沿压入方向(-z轴方向)的石墨翅片102的厚度的15％以上且35％以下的范围是恰当的。
另外，该金属103可以进而构成支撑石墨翅片102的翅片基底103。可以借助该金属和翅片基底103来散热。翅片基底103可以设置夹持石墨翅片102的翅片用槽。此时，可以在翅片基底103的翅片用槽的附近形成铆接槽105。
＜石墨散热器的制造方法＞
接着，对该石墨散热器101的制造方法进行说明。
(1)首先，将多张由聚噁二唑、聚苯并噻唑、聚苯并双噻唑、聚苯并噁唑、聚苯并双噁唑、聚均苯四酰亚胺、芳香族聚酰胺、聚亚苯基苯并咪唑、聚亚苯基苯并双咪唑、聚噻唑、聚对苯撑乙烯所组成的组中的至少1种高分子膜层叠，边控制施加压力边进行加热烧成从而石墨化得到石墨板，将该石墨板进行成形，从而制作石墨翅片102。
(2)接着，将石墨翅片102立在切出了槽的金属制的翅片基底103上，将翅片基底103的一部分压入固定于石墨翅片102的一部分表面，形成石墨散热器101。需要说明的是，作为翅片基底103中使用的金属，例如可以使用铜、铝、不锈钢、压铸件等元素单质和合金。
通过以上，可得到图1所示的石墨散热器101。
进而，对上述(2)的将石墨翅片102立在金属制的翅片基底103中，将翅片基底103的一部分压入固定于石墨翅片102的一部分表面的工序进行说明。
图2A为石墨翅片102与翅片基底103的接合结构100的示意图。图2B为图2A的接合结构100的细部的放大图，为示意性地示出将翅片基底103的一部分压入固定于石墨翅片102的一部分表面的金属压入部104的图。作为形成该金属压入部104的接合结构100的方法之一，有如下方法：在切出了槽的翅片基底103的附近以45°的角度进行加压，由此在石墨翅片102侧堆积翅片基底103的金属，在该状态下将翅片基底103的一部分金属压入石墨翅片102内部进行固定的方法。此时，在翅片基底103的翅片用槽的附近形成铆接槽105。
作为形成上述金属压入部104的接合结构100的另一方法，为如下方方法：利用石墨的热膨胀率变动非常小、以及与金属的热膨胀之差，在高温环境下将石墨翅片102插入到使翅片基底103的槽膨胀了的部分中，返回到常温时，通过金属的收缩，能够将石墨翅片102固定的方法。该方法中不必形成铆接槽105。但是，该方法依赖于翅片基底103的热膨胀系数，例如，在金属为铝的铝基底的情况下，即使在500℃也只膨胀几μm。因此，需要超过500℃的高温环境和在该环境下立起石墨翅片102的工序，因此，作为形成金属压入部的接合结构的工序，优选前者的工序。
进而，对翅片基底103的翅片用槽与石墨翅片102的位置关系进行了研究，结果可知：优选在翅片用槽114与石墨翅片102的两侧之间的至少任一侧间具有间隙112。
图4A和图4B为在石墨翅片102的两侧中的至少一侧设置有间隙112的情况下的石墨翅片102与翅片基底103的接合结构的压入前和压入后的放大示意图。图4A示出了压入前的状态，图4B示出了压入后的状态。若与翅片用槽114对应地立起石墨翅片102，则在该翅片用槽114与石墨翅片102之间形成间隙112(图4A)。然后，对翅片基底103进行局部加压，形成铆接槽105，由此以嵌入至石墨翅片102的方式形成金属压入部104(图4B)。因此，若考虑结构上的对称性，则特别优选在石墨翅片102的两侧具有均等的间隙112。
石墨翅片102的两侧均没有间隙的情况下，会有在向翅片基底103压入的瞬间石墨翅片102稍微升起，因此翅片用槽114的底面与石墨翅片102的截面的接触变得不充分，得不到充分的导热性的情况。另一方面，在石墨翅片102的两侧中的至少任一侧具有间隙112时，石墨翅片102的压入的时机会稍微偏离。因此，石墨翅片102自身不升起，保持了石墨翅片102与翅片基底103的翅片用槽114的底面的接触。
间隙112用(翅片用槽114的底面的宽度-石墨翅片102的厚度)来定义(图4A)，优选相对于翅片用槽114的底面的宽度，间隙112为1％～5％。
另外，翅片用槽114的形状不限定于矩形。在压入后确保石墨翅片102的截面与翅片用槽114的底面的接触，能够维持可靠性强度即可。因此，在压入前石墨翅片102的位置能够固定、在压入的瞬间对石墨翅片102施加的力为翅片基底103方向(朝向图的下方：-z方向)即可。
图5A为翅片用槽114的侧面形状为楔型形状的情况下的石墨翅片102与翅片基底103的接合结构的压入前的放大示意图。图5B为示出将图5A的石墨翅片102压入到翅片基底103后的接合结构的放大示意图。例如，作为翅片用槽114的侧面的形状，为图5A和图5B那样的楔型形状时，可得到在压入的瞬间将石墨翅片102挤入到翅片基底103的效果，因此非常优选。需要说明的是，图5A和图5B所示的翅片用槽114的侧面形状为例示，不限定于此。例如，可以为突状、爪状、柱状、板状等。但是，由于耗费加工方面的成本，因此通常使用矩形。
需要说明的是，如上所述，翅片基底103的一部分的金属的压入量106优选为沿压入方向(-z轴方向)的石墨翅片102的厚度的15％以上且35％以下，特别优选20％以上且30％以下。压入量106小于15％的情况下，石墨表面滑，因此无法保持，由于落下试验和振动试验等的冲击，石墨翅片102将会滑出，因此不能确保接触，散热性能降低。另一方面，若压入量106超过35％，则石墨翅片102的石墨结构被破坏，不能保持面方向(x轴方向)的强度。因此，对于压入量106，沿压入方向(-z轴方向)的石墨翅片102的厚度的15％以上且35％以下的范围是恰当的。
根据该构成，关于石墨翅片102与作为金属的翅片基底103的连接，可以实现与利用粘接剂的化学结合不同的机械连接，因此与以往的使用了石墨的散热器相比，能够实现更高的强度。另外，由于不需要如上述的现有技术文献那样的金属涂布剂、粘接剂之类的构成材料，因此与以往的石墨散热器相比，能够轻量化为约3/4。另外，接合可仅通过铆接工序来完成，因此能够简化工序，大幅提高生产性。
(实施例1)
如以下这样来制作实施例1的石墨散热器101。
首先，石墨翅片102使用纵50mm、横50mm、厚度0.2mm的高取向性石墨的加压层叠品。作为起始原料，使用将多张作为高分子膜的聚噁二唑层叠，边控制施加压力边进行烧成从而石墨化的石墨板。另外，翅片基底103使用50mm见方(□50mm)、厚度5mm、槽的深度为2mm、槽个数为8个、间距4mm的铝制基底。另外，在铆接时以15t的加压力以压入量0.06mm(30％)将铝压入到石墨翅片102，制作石墨散热器101。对于制作的石墨散热器101通过落下试验和振动试验前后的导热性试验来进行性能评价。
需要说明的是，作为上述高取向性石墨的加压层叠品的起始原料，作为高分子膜，不限于上述聚噁二唑。例如，作为高分子膜，可以使用由聚噁二唑、聚苯并噻唑、聚苯并双噻唑、聚苯并噁唑、聚苯并双噁唑、聚均苯四酰亚胺、芳香族聚酰胺、聚亚苯基苯并咪唑、聚亚苯基苯并双咪唑、聚噻唑、聚对苯撑乙烯所组成的组中的至少1种。
(实施例2)
实施例2中，将铝压入量设为0.04mm(20％)，除此以外，在与实施例1实质上同样的条件下制作石墨散热器。
(实施例3)
实施例3中，将铝压入量设为0.03mm(15％)，除此以外，在与实施例1实质上同样的条件下制作石墨散热器。
(实施例4)
实施例4中，将铝压入量设为0.07mm(35％)，除此以外，在与实施例1实质上同样的条件下制作石墨散热器。
(实施例5)
实施例5中，对石墨板实施5μm厚的聚酰亚胺涂布，其他的条件与实施例1同样地制作石墨散热器。
(比较例1)
作为比较例1，利用使用聚酯膜(实施例1以外的物质)作为高分子膜而制作的加压层叠品，除此以外，在与实施例1同样的条件下制作散热器。
(比较例2)
作为比较例2，使用实施例1中的石墨板和翅片基底，制作用导电性润滑脂(Shin-Etsu Chemical Co.，Ltd.)将石墨板和翅片基底粘接而成的散热器。
(比较例3)
作为比较例3，将铝压入量设为0.02mm(10％)，除此以外，在与实施例1实质上同样的条件下制作石墨散热器。
(比较例4)
作为比较例4，将铝压入量设为0.08mm(40％)，除此以外，在与实施例1实质上同样的条件下制作石墨散热器。
＜评价方法＞
(导热性评价试验)
对于实施例和比较例中制作的样品在落下试验和振动试验前后进行导热性评价试验。图3为导热性评价TEG的示意图。在基于强制冷却环境的评价中，涂布0.3mm的润滑脂层107来将测温部108(10mm见方(□10mm)、t(厚度)5mm、铜制)、加热器110(10mm见方(口10mm)、t(厚度)1mm、陶瓷制)粘接在上述实施例和比较例中记载的石墨散热器的中央正下方，在正上方设置50mm见方(□50mm)尺寸的风扇109(型号UDQF56C11CET(Panasonic))，对以输入11V使加热器和风扇运转时的加热器和散热器的边界部的温度进行测定并进行评价。
(落下试验·振动试验)
对各样品在下述表1所示的条件下实施试验。
[表1]
＜考察＞
表2为实施例1～5、比较例1～4的导热性的评价结果。
[表2]
导热性评价通过与以往的铝散热器的评价结果的比较来判断。
作为铝散热器的结构，用基底部和翅片部成为一体的样品进行评价。对于尺寸，基底部使用50mm见方(口50mm)、厚度5mm，翅片部使用高度48mm、厚度200μm、个数为8个、间距4mm者。
评价基准如下。
(1)在落下/振动试验前温度差为5℃以上、并且落下/振动试验前后差为0.3℃以下◎
(2)落下/振动试验前的温度差为5℃以上、并且落下/振动试验前后差为0.4～1℃○
(3)落下/振动试验前的温度差为5℃以上、并且落下/振动试验前后差为1℃以上×
(4)落下/振动试验前的温度差为5℃以下××
另外，对于强度评价的判定基准，在进行了落下和振动试验后的导热性评价后进行截面观察，石墨层未产生因冲击和振动而折断所引起的裂纹时记为○、产生时记为×。
最后，作为综合评价，仅将导热性评价和强度评价这两者为◎或○的情况记为○，任意一者或两者为×的情况记为×。
如实施例1、2所示，翅片基底103的金属向石墨翅片102的一部分表面的压入量为厚度的20％以上且30％以下的范围中，不会破坏石墨翅片102的面方向(x轴方向)的石墨结构。而且，确保了石墨翅片102与翅片基底103的接触而不滑动，因此落下和振动试验后的温度变化为0.2℃以下。另外，如实施例3、4所示，即使在压入量为石墨翅片102的厚度的15％以上且35％以下的范围，温度变化也能够抑制为0.6℃以下，可以说维持了充分的散热性能。另外，关于强度评价，为厚度的35％以下的压入量时，虽然通过铝的压入，石墨的一部分发生变形，但石墨翅片102的面内的石墨结构未被切断。因此，石墨翅片102的石墨层未折断，未产生裂纹。
另一方面，如比较例1所示，使用实施例1所示的材料以外的高分子膜的情况下，高分子膜的石墨化不充分，铆接时的接合强度也未显示出，因此在落下·振动试验后无法测定，无法作为散热器而起作用。另外，如比较例2所示，对于基于石墨翅片与翅片基底的粘接接合的石墨散热器，虽然在落下·振动试验前显示出同等水平的导热性，但在试验后粘接脱落，石墨翅片102的一部分滑落，因此导热性降低。
另外，如比较例3所示，铆接时的金属的压入量小的情况下，在落下和振动试验后发生滑动，因此导热性降低。但是，在比较例2、3中，石墨翅片102与粘接剂、翅片基底的密合性弱从而滑落，因此在石墨层未产生裂纹。进而，如比较例4所示，在铆接时的金属的压入量过大的情况下，在落下和振动试验后产生裂纹，因此导热性和强度降低。
表3为示出在实施例1的条件下在翅片基底设置翅片用槽并且对石墨翅片与翅片用槽的间隙设定各种各样的间隙的情况(No.1～12)下，对其间隙进行测定并且进行其导热性评价和强度评价的结果的表。需要说明的是，间隙112用(翅片用槽114的底面的宽度-石墨翅片102的厚度)来定义。
[表3]
如表3所示，可知：间隙的尺寸小于翅片用槽的宽度的1％(No.11)时，如前所述，与底面的接触变不稳定，初始的散热性能降低。另外可知：间隙的尺寸大于翅片用槽的宽度的5％时(No.12)，形状变不稳定，振动·冲击试验后的散热性能降低。因此，间隙的尺寸优选为翅片用槽的宽度的1％～5％的范围。
需要说明的是，在本公开中，包含将上述各种各样的实施方式和/或实施例中的任意实施方式和/或实施例适宜组合，能够发挥各个实施方式和/或实施例所具有的效果。
产业上的可利用性
本发明的石墨散热器可以应用于产业设备和车载领域中的发热部的散热用途。

Claims (8)

1.一种石墨散热器，其具备：石墨翅片、和压入固定于所述石墨翅片的一部分表面的金属。
2.根据权利要求1所述的石墨散热器，其中，所述金属的压入量为沿压入方向的所述石墨翅片的厚度的15％以上且35％以下。
3.根据权利要求1所述的石墨散热器，其还具备与所述金属连续的金属制的翅片基底。
4.一种石墨散热器的制造方法，该制造方法包括：
将对多张层叠的高分子膜施加压力的同时进行加热从而使之石墨化而得到的石墨板进行成形，得到石墨翅片的工序；和
将金属压入固定于所述得到的石墨翅片的一部分表面的工序。
5.根据权利要求4所述的石墨散热器的制造方法，其中，所述高分子膜为选自由聚噁二唑、聚苯并噻唑、聚苯并双噻唑、聚苯并噁唑、聚苯并双噁唑、聚均苯四酰亚胺、芳香族聚酰胺、聚亚苯基苯并咪唑、聚亚苯基苯并双咪唑、聚噻唑、聚对苯撑乙烯所组成的组中的至少1种。
6.根据权利要求4所述的石墨散热器的制造方法，其中，所述金属的压入量为沿压入方向的所述石墨翅片的厚度的15％以上且35％以下。
7.根据权利要求4所述的石墨散热器的制造方法，其中，所述将金属压入固定于所述石墨翅片的一部分表面的工序包括：
在与所述金属连续的翅片基底设置翅片用槽的工序；和
将所述石墨翅片立在所述翅片用槽中从而压入到所述翅片基底的工序。
8.根据权利要求7所述的石墨散热器的制造方法，其中，在将所述石墨翅片立在所述翅片用槽中从而压入到所述翅片基底的工序中，将所述翅片用槽的宽度设为100％时，所述石墨翅片与所述翅片用槽的间隙为1％～5％的范围。
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