JP7554303B1 - 放熱構造および携帯用情報機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＩＭとして液体金属を用いる場合に該液体金属が周囲に漏れだすことを防止するのに好適な放熱構造を提供する。【解決手段】放熱構造１０は、サブストレート２２および該サブストレート２２の上面に設けられたダイ２４を備えるＣＰＵ１４に適用され、ダイ２４の表面２４ａに沿って設けられるベーパーチャンバ１６および伝熱板２８と、ダイ２４と伝熱板２８との間に介在するように設けられる液体金属３０と、サブストレート２２と伝熱板２８との間を封止する状態で介在し、ダイ２４を囲うように設けられるサーマルパテ３２とを有する。サーマルパテ３２とダイ２４との間には第１隙間３８が形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、放熱構造および携帯用情報機器に関する。

ノート型ＰＣなどの携帯用情報機器にはＧＰＵ、ＣＰＵなどの半導体チップが設けられている。ＧＰＵ、ＣＰＵは基板に実装させる部分であるサブストレートと、該サブストレートの表面に設けられた矩形のダイとを有する形状になっている。

ＧＰＵ、ＣＰＵなどの半導体チップは発熱体であり、その消費電力（特に高負荷時）によっては放熱させる必要がある。ＧＰＵ、ＣＰＵを放熱させる手段としてベーパーチャンバ、ヒートスプレッダまたはヒートシンクなどの放熱体を用い、このような放熱体を介してダイの表面に当接させて熱を拡散させることがある。ダイと放熱体との間には、熱を効率的に伝達させるためにＴＩＭ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）として伝熱性グリスなどの流動体を介在させる場合がある。

このような流動体は振動などによりダイと伝熱板との間から周囲に浸み出してしまう懸念があるため、特許文献１ではサブストレートと伝熱板との間にダイを囲む壁部材を設けている。壁部材はクッション性のあるシリコーンゴムやグリスとなっている。

特開２０２０－０８８２７３号公報

近時は流動体のＴＩＭとして液体金属が適用されることがある。液体金属は伝熱性グリスよりも伝熱性が高くダイから放熱部品へ効果的に熱を伝えることができる。一方、液体金属は伝熱性グリスなどとは異なる固有の特性があり、ＴＩＭとして適用された場合に周囲に漏れ出すことを防止するには特有の対策が必要となる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、ＴＩＭとして液体金属を用いる場合に該液体金属が周囲に漏れだすことを防止するのに好適な放熱構造および携帯用情報機器を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の第１態様に係る放熱構造は、サブストレートおよび該サブストレートの上面に設けられたダイを備える半導体チップの放熱構造であって、前記ダイの表面に沿って設けられる放熱体と、前記ダイと前記放熱体との間に介在するように設けられる液体金属と、前記サブストレートと前記放熱体との間を封止する状態で介在し、前記ダイを囲うように設けられるサーマルパテと、を有する。また、本発明の第２態様に係る携帯用情報機器は、上記の放熱構造を有する。

本発明の上記態様は、ＴＩＭとして液体金属を用いる場合に該液体金属が周囲に漏れだすことを防止するのに好適である。

図１は、本発明の実施形態にかかる放熱構造および携帯用情報機器の一部を示す分解斜視図である。 図２は、ＣＰＵの斜視図である。 図３は、放熱構造の模式断面側面図である。

以下に、本発明にかかる発明名称の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施形態にかかる放熱構造１０および携帯用情報機器１２の一部を示す分解斜視図である。

携帯用情報機器１２は、例えばノート型ＰＣ、タブレット端末またはスマートフォンなどであり、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１４を備えている。ＣＰＵ（半導体チップ）１４は高速演算を行うことにより相応の発熱があるため放熱が必要となる。携帯用情報機器１２では、ＣＰＵ１４の放熱手段としてベーパーチャンバ（放熱体）を備えている。放熱構造１０は、据え置き型のデスクトップ型コンピュータなどの電子機器に適用することが可能であるが、携行に伴って振動や衝撃を受け得る携帯用情報機器１２に対して好適に用いられる。

ベーパーチャンバ１６は、２枚の金属プレート（例えば銅板）の周縁部を接合して内側に密閉空間を形成したプレート状のものであり、密閉空間に封入した作動流体の相変化によって熱を高効率に拡散可能である。ベーパーチャンバ１６の密閉空間内には、凝縮した作動流体を毛細管現象で送液するウィックが配設される。

ベーパーチャンバ１６には２本の略平行するヒートパイプ１８が設けられ、さらに該ヒートパイプ１８の端部はファン２０に接続されている。ヒートパイプ１８は、薄く扁平な金属パイプ内に形成された密閉空間に作動流体を封入したものであり、ベーパーチャンバ１６と同様にウィックが設けられている。ベーパーチャンバ１６は、基本的にダイ２４の表面２４ａに沿って平行に設けられる。

ベーパーチャンバ１６にはＣＰＵ１４のダイ２４と対面する箇所に伝熱板（放熱体）２８が設けられている。伝熱板２８は液体金属３０を介してダイ２４と熱接続される。伝熱板２８は熱伝達性に優れる材質で形成されており、例えば銅板である。伝熱板２８は、例えば０．３～２ｍｍ程度の厚さである。伝熱板２８は矩形であって、面積はダイ２４より一回り大きく、サブストレート２２より小さくなっている。伝熱板２８は、ベーパーチャンバ１６に対してハンダ付けなどによって固定されており、実質的に伝熱板２８はベーパーチャンバ１６とともに放熱体を構成している。伝熱板２８はニッケルメッキなどの表面処理がなされていてもよい。設計条件によっては伝熱板２８を省略してもよい。

ＣＰＵ１４等の発熱体の放熱手段としては、ベーパーチャンバ１６以外にも、各種の放熱体が適用可能である。放熱体としては、例えば銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い金属プレート、グラファイトプレート、ヒートレーン、ヒートシンク等が挙げられる。

図２は、ＣＰＵ１４の斜視図である。図２では放熱構造１０の構成要素を省略している。ＣＰＵ１４はサブストレート２２と、ダイ２４とを有する。サブストレート２２は基板２６に実装される薄い板状部であり、平面視で長方形となっている。ダイ２４は演算回路を含む部分であり、サブストレート２２の上面からやや突出するように設けられている。ダイ２４の高さＨは一般的に０.３～１．０ｍｍ程度である。ダイ２４は、平面視でサブストレート２２よりも小さい矩形であり、該サブストレート２２の上面でやや偏った位置に設けられている。サブストレート２２およびダイ２４は正方形であってもよい。

ＣＰＵ１４は携帯用情報機器１２の中で最も発熱する部品の１つであり、その中でもダイ２４が特に発熱する。なお、携帯用情報機器１２はＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を備える場合がある。ＧＰＵはＣＰＵと同様にサブストレートおよびダイを備えており、放熱構造１０の適用が可能である。さらに、放熱構造１０はＣＰＵ１４やＧＰＵ以外の半導体チップ、またはその他の発熱する電気部品の放熱にも適用可能である。

図３は、放熱構造１０の模式断面側面図である。放熱構造１０は、上記のベーパーチャンバ１６と、伝熱板２８と、ダイ２４の表面２４ａと伝熱板２８との間に介在するように設けられる液体金属３０と、サブストレート２２と伝熱板２８との間で押圧され、両者に密着してその間を封止する状態で介在し、ダイ２４を囲うように設けられるサーマルパテ３２と、サブストレート２２とベーパーチャンバ１６との間で押圧され、両者間を封止する状態で介在してサーマルパテ３２を囲うように設けられるスポンジ３４とを有する。ダイ２４とサーマルパテ３２との間には狭い第１隙間３８が形成されている。サーマルパテ３２とスポンジ３４との間には第２隙間４０が形成されている。

液体金属３０は基本的には常温で液体となっている金属であるが、少なくとも携帯用情報機器１２の基板２６に通電され、ＣＰＵ１４が稼働した通常の使用状態の温度で液体となっていればよい。液体金属３０は金属であることから熱伝導性、導電性に優れる。液体金属３０は、例えばガリウムを主成分としている。図１では液体金属３０の塗布範囲をドット地で示している。

スポンジ３４は、サブストレート２２の周辺部に設けられて上方に突出している。スポンジ３４は枠体であって、外周縁がサブストレート２２一致している。スポンジ３４は外力のない自然状態ではダイ２４よりも多少高く、放熱構造１０の組み立て状態ではベーパーチャンバ１６および伝熱板２８によって適度に圧縮されている。スポンジ３４は、平面視で同形状の粘着テープ３６によってサブストレート２２の表面に接着固定されている。

サーマルパテ３２は塗布によって液体金属３０が周囲へ漏れることを防ぐための熱伝導性を有するパテ材である。サーマルパテ３２は固体ではなく、また弾性体でもないため、低反発でありサブストレート２２および伝熱板２８によって圧縮されることによって大きな反力を発生させることがない。このため伝熱板２８は確実に液体金属３０に接触し、該液体金属３０を介してダイ２４の表面２４ａと熱接続される。サーマルパテ３２は低反発であってサブストレート２２と伝熱板２８との間で振動や衝撃が吸収される。サーマルパテ３２は固体ではないため、追従性および密着性が高くシール性能および伝熱性能が高い。サーマルパテ３２はパテ材であることからグリスと比較して粘度が高く、形状保持性があって流動性が低く、放熱構造１０として組み立てられた後にも形状変化が少なくシール性能が維持される。このような低流動性による作用を得るためにはサーマルパテ３２の粘度は、ＡＳＴＭ Ｄ１８２４ １．０（１／Ｓ）による計測法で２５００（Ｐａ・ｓ）以上であることが望ましい。

サーマルパテ３２は形状保持性があることから第１隙間３８の幅Ｗを相当正確に設定することができる。第１隙間３８は適度に狭く形成され、標準的なサイズのダイ２４および一般に用いられている液体金属３０の種類によれば０．５～１．０ｍｍ程度に設定することが好適である。液体金属３０は一般に自動機によって塗布量が制御されるが、誤差を考慮してある程度多めに塗布される。そうすると、上からベーパーチャンバ１６および伝熱板２８で押圧された液体金属３０は微量の余剰分がダイ２４の表面２４ａからはみ出るが、基本的に第１隙間３８に溜められてそれより外には漏れ出すことがない。また、仮に不測の事態により液体金属３０が第１隙間３８から漏れ出た場合であってもスポンジ３４によって形成される第２隙間４０内に溜められ、サブストレート２２の範囲より外に漏れ出ることが防止される。第２隙間４０の容積は第１隙間３８の容積と比較して十分大きく設定されており、仮に液体金属３０の漏れ量が多くなっても貯留が可能である。

なお、伝熱性グリスは一般的に粘度が１０００（Ｐａ・ｓ）以下であってサーマルパテ３２のような形状保持性能などがなく、サブストレート２２と伝熱板２８との間で高さＨの範囲を振動などに耐えうるように安定的に封止することは困難であり、さらにダイ２４との間に狭い第１隙間３８を精度良く形成することが困難である。

サーマルパテ３２は低流動性であるがパテ材としての流動性を有しており、図１で模式的に示すようにディスペンサ４２によるオートインジェクションが可能となっている。

サーマルパテ３２はディスペンサ４２によって相当正確に塗布されるが、組み付け時などで不測の事態によって変形して一部がダイ２４と伝熱板２８との間に侵入することがあったとしても、該サーマルパテ３２は熱伝導性を有していることから両者間で熱抵抗を発生させることがなく、良好な伝熱性が確保される。このような熱伝導性による作用を得るためには、サーマルパテ３２の熱伝導率は、ホットディスク法による計測法で、熱伝導材としての一般的数値として３．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であることが望ましい。

サーマルパテ３２は金属に対して不活性である。そのため、液体金属３０が第１隙間３８内に入り込んでサーマルパテ３２と接触しても該サーマルパテ３２は液体金属３０の主成分であるガリウムと化学反応を起こして腐食させることがない。またサーマルパテ３２自身も変質することがなくシール作用が維持される。なお、伝熱性グリスにはアルミニウムフィラーが含まれていて液体金属３０を腐食させる懸念があるが、サーマルパテ３２ではその懸念がない。

サーマルパテ３２は一液型で非硬化タイプのため硬化作業が不要であり、経時的にも硬化によるシール性能の劣化がない。サーマルパテ３２はリコーンゴムの成分を有し、耐熱・耐寒性、電気絶縁性などの特性を有する。サーマルパテ３２は電気絶縁性を有することから、仮に一部が剥離して基板２６上の電子部品と接触しても短絡事象にはなない。伝熱板２８が省略される場合には、サーマルパテ３２はサブストレート２２とベーパーチャンバ１６との間に介在することになる。ただし、サーマルパテ３２はベーパーチャンバ１６との間に介在するよりも伝熱板２８との間に介在させる方が好ましい。第１隙間３８の幅Ｗを狭く設定することができ、しかも伝熱板２８の板厚分だけサーマルパテ３２の厚みも薄くなって安定性、伝熱性が高くなり、サーマルパテ３２自体の使用量も抑制できるためである。サーマルパテ３２は伝熱板２８からベーパーチャンバ１６にわたる範囲に設けられていてもよい。サーマルパテ３２としては、例えば富士高分子工業株式会社製のサーコンＳＰＧ－３０Ｂが挙げられる。

本実施の形態に係る放熱構造１０では、ＴＩＭとして適用される液体金属３０がＴＩＭとしての伝熱性グリスより流動性が高いため、特に携帯用情報機器１２に用いられると携行時の振動によりダイ２４と伝熱板２８との間から漏れ出るとも考えられるが、ダイ２４は形態が形状保持性のあるサーマルパテ３２で覆われていることから基本的に第１隙間３８より外には漏れ出ることがない。したがって、液体金属３０はほとんどがダイ２４の表面２４ａに保持され、放熱性能が維持されて安定性が強化される。仮に液体金属３０が第１隙間３８より外に漏れたとしてもスポンジ３４によって２段階に封止されていることから第２隙間４０内に封じ込められて基板２６にまで拡散することがない。このように、放熱構造１０および携帯用情報機器１２はＴＩＭとして液体金属３０を用いる場合に該液体金属３０が周囲に漏れを防止するのに好適であって信頼性が向上する。

サーマルパテ３２は形状保持性を有するがパテ材の特性としてディスペンサ４２によるインジェクションが可能な程度の流動性があることから、ゴム材等の弾性体と比較して低反発性であってサブストレート２２および伝熱板２８に対してほとんど反力を及ぼすことがない。液体金属３０は液体であり薄い層を形成するが伝熱板２８はサーマルパテ３２から反力を受けることがないため確実に液体金属３０に接触することができる。

なお、設計条件によってはダイ２４の表面２４ａに塗布する液体金属３０の量を抑制することで第１隙間３８を無くすようにしてもよい。サブストレート２２の上面にキャパシタなどの電子部品が設けられている場合には、該電子部品を紫外線硬化型などのコーティング材によって保護してもよい。本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

１０ 放熱構造
１２ 携帯用情報機器
２０ ファン
２２ サブストレート
２４ ダイ
２８ 伝熱板
３０ 液体金属
３２ サーマルパテ
３４ スポンジ
３８ 第１隙間
４０ 第２隙間
４２ ディスペンサ

Claims (7)

1. サブストレートおよび該サブストレートの上面に設けられたダイを備える半導体チップの放熱構造であって、
   前記ダイの表面に沿って設けられ、前記サブストレートに対する平行面を備える放熱体と、
   前記ダイと前記放熱体の前記平行面との間に介在するように設けられる液体金属と、
   前記サブストレートと前記放熱体の前記平行面との間を封止する状態で介在し、前記ダイを囲うように設けられるサーマルパテと、
   を有することを特徴とする放熱構造。
2. 請求項１に記載の放熱構造において、
   前記サーマルパテと前記ダイとの間には隙間が形成されている
   ことを特徴とする放熱構造。
3. 請求項１に記載の放熱構造において、
   前記サーマルパテは、
   シール材としての形状を維持可能な低流動性と、
   金属に対する不活性と、
   を有する
   ことを特徴とする放熱構造。
4. 請求項３に記載の放熱構造において、
   前記サーマルパテは、
   熱伝導率が３．０（Ｗ／ｍ・Ｋ）以上であり、
   粘度が２５００（Ｐａ・ｓ）以上である
   ことを特徴とする放熱構造。
5. 請求項１に記載の放熱構造において、
   前記サブストレートと前記放熱体との間を封止する状態で介在し、前記サーマルパテを囲うよう隙間を介して設けられるスポンジを有する
   ことを特徴とする放熱構造。
6. 請求項１に記載の放熱構造において、
   前記放熱体は前記液体金属を介して前記ダイと熱接続される伝熱板を含み、
   前記サーマルパテは前記サブストレートと前記伝熱板との間に設けられる
   ことを特徴とする放熱構造。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の放熱構造を備える
   ことを特徴とする携帯用情報機器。

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