TWI575681B - Graphite structures and electronic devices using them - Google Patents

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松下知識產權經營股份有限公司
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Description

石墨構造體及使用其之電子裝置
本發明係使熱自發熱之半導體裝置、車載用裝置、電子機器中有效率地擴散、散逸，消除因熱導致之故障，維持並提高其功能，從而獲得高可靠性。
半導體裝置或車載零件等為了避免因其高輸出引起之裝置之一部分或全部成為高溫而產生的功能下降或停止，先前便採用Cu製之散熱器(heat spreader)或Al製之散熱片，或設法將其熱傳播、散逸至基板或框體等上。因此，作為該等熱傳遞及散熱之材料係使用金屬或碳化物等導熱率高者。
專利文獻1中提出有使用奈米碳作為第1層，於其上層積層非晶矽材料作為第2層之構造。該構成中，記載有作為第1層之奈米碳之結晶性提高，膜內之導熱率提高，較先前之導熱模組進一步實現了小型化。該方法中，導熱率於膜內方向為大約950~1600 W/mk，於膜厚方向為1.5~3.0 W/mk，使來自發熱部分之熱經由第1奈米碳層而有效率地向膜內傳播並熱擴散，但奈米碳層與非晶矽層之厚度均較薄，為1~20 nm，於傳播可能局部產生之大量發熱時，該等厚度不夠薄。
由於該構造之製造方法為薄膜工藝(真空設備)，故為增加厚度需要長時間，不適用於傳播大量發熱之用途。
又，驅動裝置或電子機器時，伴隨著加熱、冷卻之熱循環時之奈米碳層與非晶矽層間之熱膨脹係數差而產生的應力，會導致奈米碳 層之層間產生應變，其結果，產生龜裂或剝離之危險性較高。尤其是結晶性較高之奈米碳之層間的密接強度相對較弱，致使作為裝置或電子機器之可靠性下降之可能性較高。
專利文獻2中提及有於石墨之至少一面或兩面上設置有金屬薄膜之金屬-石墨複合體的記載，該金屬薄膜中所使用之金屬為鎳、鈷、鈦中之任一金屬或以其為主成份之合金，藉此，提高對碳原子結合面方向之良好之導熱性、及對與其垂直之方向之導電性以及本金屬膜上之焊接作業性。
[先行技術文獻] [專利文獻]
〔專利文獻1〕日本特開平10-330177號公報
〔專利文獻2〕日本特開2008-270724號公報
然而，認為該等方法中，並不能解決上述之加熱冷卻時之應力導致的石墨之層間之剝離問題，仍遺留可靠性上之問題。
本發明之石墨構造體之特徵為，具有：石墨板，其為使基底面平行地進行積層所得者；貫通孔，其自上述石墨板之與上述基底面平行之正面貫通至背面；及被覆層，其藉由可與上述石墨板之碳原子形成化合物之金屬，覆蓋上述貫通孔之內周面；且於內周面由上述被覆層予以覆蓋之上述貫通孔之更內側，形成有連通上述石墨板之上述正面與上述背面的連通孔。
又，本發明之電子裝置中於熱散逸路徑上設置有上述石墨構造體。
又，本發明之機器係使用上述電子裝置。
根據該構成，可謀求電子裝置或其機器之小型化、薄型化、輕質化，且可解決加熱冷卻時之應力所引起的剝離問題，從而可實現高 可靠性。
1‧‧‧石墨板
2‧‧‧貫通孔
3‧‧‧Ti層
4‧‧‧連通孔
11‧‧‧第1構件
12‧‧‧第2構件
13‧‧‧配置區域
23‧‧‧周邊區域
25‧‧‧石墨構造體
26‧‧‧電子裝置
27‧‧‧錐形狀
28‧‧‧R形狀
d1‧‧‧直徑
d2‧‧‧直徑
p1‧‧‧間距
t1‧‧‧厚度
t2‧‧‧膜厚
圖1係本發明之實施形態1之石墨構造體之放大剖面圖。
圖2係該實施形態中使用之石墨板之俯視圖。
圖3(a)-(c)係該實施形態之石墨構造體之製造步驟圖。
圖4係本發明之實施形態2之使用石墨構造體的電子裝置之放大剖面圖。
圖5係本發明之實施形態3之使用石墨構造體的電子裝置之放大剖面圖。
圖6係本發明之實施形態4之使用石墨構造體的電子裝置之放大剖面圖。
圖7(a)、(b)係本發明之實施形態5之石墨構造體之俯視圖。
圖8係本發明之實施形態6之石墨構造體之俯視圖。
以下，基於各實施形態說明本發明之石墨構造體及使用其之電子裝置。再者，對發揮相同作用之部分附註相同之符號進行說明。
(實施形態1)
圖1係介裝於半導體晶片或封裝與散熱板之間使用的實施形態1之石墨構造體之放大剖面圖，圖2係顯示加工出用於製作石墨構造體之石墨板1的中途之一例的俯視圖，圖3係顯示製作步驟之圖。
在用於製作石墨構造體25之板狀石墨板1上，以間距p1呈矩陣狀(參照圖2)地穿設有貫通孔2。藉由與石墨板1之碳原子具有反應性之作為被覆層之Ti層3，覆蓋該石墨板1之正面與背面及貫通孔2之內周面。t1係石墨板1之厚度，而t2係石墨板1之正面與背面之Ti層3之膜厚。於貫通孔2之內側有連結上下而開設之連通孔4。圖2係顯示藉由Ti層3覆蓋前之石墨板1。該連通孔4有助於在使用該石墨構造體25 時，吸附保持隔著石墨構造體25而上下配置之構件。其詳情於實施形態2中進行說明。
石墨板1係對藉由將厚度為50 μ以下之高分子薄膜作為原料，在高於2500℃之高溫、加壓、還原氛圍下處理而獲得的薄板狀(圖3(a))進行加工而製作成。因此，該石墨板1係將碳之6員環構成之面即基底面平行地積層而成之石墨板。石墨板1之正面與背面之面間的厚度為：t1=15 μm以下。若較15 μm厚，則結晶性下降，導熱率降低。進而，對於朝小型化或薄型化前進之裝置或機器之應用受到限制。
又，該石墨板1之正面、背面係與碳之6員環構成之面(基底面)大致平行，該平行方向之石墨板1之導熱率為1000 W/mk以上，而石墨板1之垂直方向之導熱率為5 W/mk以下，比重為2.25 g/cm3以下，且導電率與楊氏模數分別為106S/m以上、750 GPa以上。
石墨板1之表面粗糙度較佳為1~4 μm，此處表面粗糙度設為2 μm。若表面粗糙度小於1 μm，則設置於石墨板1上之Ti層3之密接性下降，熱循環時會產生剝離。相反，若表面粗糙度超過4 μm，則會導致Ti層3之密接性下降。又，若石墨板1之表面粗糙度超過4 μm，則半導體裝置與石墨構造體之密接性下降，導熱性降低。
關於垂直地穿過石墨板1之平面膜內之貫通孔2，於石墨板1之正面與背面設置Ti層3之情形時，正面側之Ti層與背面側之Ti層3經由該貫通孔2而連續地結合形成。Ti與C之相容性佳，且與半導體封裝所使用之障壁金屬(主要為Ni)材料之相容性亦較佳。此處，相容性是指密接性與界面之熱阻較低。
貫通孔2之位置可任意設置，但為了提高石墨板1之可靠性，較佳為包括適用於裝置之石墨板1之最大尺寸之周圍在內呈矩陣狀地設置。
貫通孔2之開口之比例(密度)必需為相對於石墨板1之整個平面面 積為10%以下。較佳為7%以下。若面積大於10%，則會因貫通孔2而阻礙平面方向之熱傳導，若小於0.1%，則抑制石墨層間之剝離的力不足而不佳。導熱性亦下降，且亦會產生層間之剝離。貫通孔2之形狀為圓形，但並不限定於此。
關於貫通孔2之形成方法，例如可使用利用湯姆遜刀之機械加工。以將湯姆遜刀埋設於橡膠內之板狀者，將該板抵壓於石墨板1並穿通。亦可舉例利用高壓水之加工等，但並不限定於此。於圖3(b)中顯示形成有貫通孔2之石墨板1。
Ti層3係藉由蒸鍍、濺鍍、鍍敷中之任一方法設置者，其厚度t2=0.01 μm~0.2 μm。小於厚度t2=0.01 μm之情形時，會產生空隙等問題，相反，若大於厚度t2=0.2 μm，則難以實現裝置或電子機器之小型化、薄型化。Ti層3之密接性非常高，賽璐玢膠帶剝離試驗時之破壞模式為石墨板1之材料破壞。
於圖3(c)中顯示以上述方式製作之石墨構造體25。該實施形態1中，形成Ti層3後貫通孔2亦未被填埋，於貫通孔2之內側存在有連通孔4。連通孔4之直徑d2為“d1-2‧t2”。
藉由如此於石墨板1上設置貫通孔2、Ti層3、及連通孔4，在組入至半導體裝置中時，片狀晶粒(chip die)與障壁金屬層或金屬製散熱器之密接性提高。又，對於驅動半導體裝置時之發熱、冷卻循環時產生的對石墨板1之剪切應力，亦可利用貫通孔2之Ti層3之效果而使得因熱膨脹差產生之平面方向之剪切應變緩和，從而不會導致石墨板1產生龜裂或剝離。
因此，在將高導熱性複合材料即該石墨構造體，作為半導體封裝、車載裝置或電力系統裝置、或者LED照明用裝置中之熱管理零件運用之情形時，可使裝置小型化、薄化、輕質化。例如，於半導體裝置中尤其是高階機種之電腦之CPU(Central Processing Unit，中央處理 單元)用半導體裝置會依存於動作頻率之高度而產生大量之熱量，其結果，為了確保安全驅動，動作頻率及驅動電壓會自動下降，使應答速度或處理速度降低。再者，即便如此在溫度不下降之情況下有時亦會陷入自動停止之狀態。為了避免此種故障，作為半導體封裝，使片狀晶粒內產生之熱向銅製之散熱器傳播，其後，經由鋁片等散熱構件將熱釋放至空氣中。或，經由接合點使熱向已安裝之基板傳播，從而謀求低溫化。
然而，半導體之積體度大幅提高，CPU內之發熱溫度或發熱速度增大，先前對於如上所述之散熱管理，發熱部位至散熱零件之熱擴散、熱傳播速度較慢，無法避免該問題。本發明在此種狀況下使用時有較大之效果。即，代替將片狀晶粒內產生之熱傳播至散熱器時所使用之含有鋁粉末等金屬粉的導熱性潤滑油或銦等之低熔點金屬或其合金，而是藉由使用該石墨構造體，具體而言係於片狀晶粒與散熱器之間設置石墨構造體，而使片狀晶粒中產生之熱更快地擴散至石墨板1之平面內，其後傳播至散熱器，藉此，片狀晶粒之發熱部位冷卻而溫度降低，無需降低CPU之處理速度或應答速度，即可維持高動作頻率。又，藉由使用該石墨構造體，不僅可確保維持高動作頻率，亦可製作較先前小型且輕質之裝置。
將DU PONT-TORAY CO.,LTD.製之聚醯亞胺膜(厚度25 μm)在3000℃之還原氛圍下進行處理，製作成大小為60 mm×60 mm、厚度t1=10 μm、表面粗糙度為2 μm之實施形態1之石墨板1。其特性為，面方向之導熱率為1500 W/m．k，與其垂直之方向之導熱率為3 W/m．k，比重2.3，彈性模量為750 Gpa。
如圖2所示，於60 mm×60 mm見方之石墨板1上，使用湯姆遜刀片形成直徑d1=1 mm之25個圓形貫通孔2後，於石墨板1之正面與背面、及貫通孔2之側面，利用濺鍍而形成有t2=0.2 μm之連續的Ti層3。 此時之貫通孔2為通孔(through hole)狀態，於其中心部分形成有未填充Ti層3之連通孔4。再者，該例中之貫通孔2之總面積為19.6 mm2，面積相對於石墨板1之整體面積為0.5%。
<評估>
實施形態之情形時，將-65℃~120℃設為1週期，實施500週期、1000週期、2000週期之冷熱衝擊試驗。試驗結束後不存在層間剝離及/或外觀異常。
(實施形態2)
圖4中顯示實施形態2。
實施形態2係使用實施形態1之石墨構造體的電子裝置26之放大剖面圖。
於石墨板1之正面配置有第1構件11。於石墨板1之背面配置有第2構件12。第1構件11為散熱構件、冷卻構件等。第2構件12為半導體元件、電子零件等。圖4中未說明者與實施形態1相同。
貫通孔2具有連通孔4。貫通孔2之直徑d1=1 mm，Ti層3之厚度為0.2 μm。若石墨板1正面之凹凸小於3 μm以下，則接近鏡面。因此，正面與背面被Ti層3覆蓋之石墨板1的第1構件11與第2構件12之密接性佳。如此，在第1構件11與第2構件12經由Ti層3而與石墨板1大致密接之狀態下，若使第1構件11溫度上升，則連通孔4內之氣體膨脹，而連通孔4之內部壓力較連通孔4之外部壓力進一步上升。伴隨著連通孔4之內部壓力之上升，進入連通孔4內之氣體通過第1構件11與Ti層3之間、第2構件12與Ti層3之間而釋放。該狀態下，若使第1構件11之溫度下降，則連通孔4之內部略微呈真空狀態，通過連通孔4使石墨板1、第1構件11、第2構件12一體化。接觸面亦可不使用任何潤滑油、導熱性接著劑等。
(實施形態3)
圖5中顯示實施形態3。
實施形態2中貫通孔2之形狀係自石墨板1之正面至背面為直徑d1單一之孔，連通孔4之形狀亦係自石墨板1之正面至背面為直徑單一之孔，但該實施形態3之電子裝置26所使用之石墨構造體25之連通孔4之形狀與實施形態2不同。
實施形態3之石墨構造體25之連通孔4之形狀係形成為連通孔4之開口向外擴展。具體而言，連通孔4之開口形成為向外擴展之錐形狀27。為了如此構成，貫通孔2之開口亦形成為向外擴展之錐形狀。
如此使連通孔4之開口成為向外擴張之錐形狀27之情形時，因連通孔4之內部壓力之減壓而產生的與第1、第2構件11、12之吸附性相較於實施形態2之情形更良好。
再者，關於貫通孔2之總面積，為了確保熱傳導，較佳為設為石墨板1之整體面積之10%以下。若面積小於0.1%，則無法保持石墨板1之層間，從而阻礙熱傳導。此處，貫通孔2之面積係以內部之中心部分之剖面面積定義，而非端部(上下表面)擴展之部分。即，以剖面面積最小處之直徑定義。原因為該部分決定導熱能力。
再者，就Ti層3之厚度t2而言，自貫通孔2減去2．t2之尺寸為連通孔4之直徑，且由於為t2=0.2 μm左右，故貫通孔2之總面積與連通孔4之總面積大致相等。
(實施形態4)
圖6中顯示實施形態4。
實施形態2中，貫通孔2之形狀係自石墨板1之正面至背面為直徑d1單一之孔，連通孔4之形狀亦係自石墨板1之正面至背面為直徑單一之孔，但該實施形態4之電子裝置26中所使用之石墨構造體25之連通孔4之形狀與實施形態2不同。
實施形態4之石墨構造體25之連通孔4之形狀係形成為上述連通 孔4之開口向外擴展。具體而言，連通孔4之開口形成為剖面面積自內側向外側逐漸增大之R形狀28。為了如此構成，貫通孔2之開口亦形成為向外擴展之R形狀。
如此，於連通孔4之開口設為向外擴展之R形狀28之情形時，因連通孔4之內部壓力之減壓而產生的與第1、第2構件11、12之吸附性相較於實施形態2之情形更良好。連通孔4之面積之比例與面積之定義與實施形態3相同。
(實施形態5)
圖7(a)與圖7(b)中分別顯示實施形態5之石墨構造體25。
實施形態1中石墨板1之貫通孔2之分佈係如圖2所示在平面內均一地配置，故石墨構造體25之連通孔4之分佈亦在平面內均一。
相對於此，圖7(a)之情形時，不同之處在於連通孔4之分佈在平面內不均一地配置。
若於石墨板1上，貫通孔2、與經由Ti層3而形成於貫通孔2之內側的連通孔4之數量較多，則藉由Ti層3使得石墨板1之厚度方向確實地被保持、固定，從而確保導熱率。但，由於在貫通孔2、連通孔4之部位熱傳導中斷，故橫向(石墨板1之平面方向)之導熱性降低。
圖7(a)中，關於石墨板1之貫通孔2與連通孔4之密度，在實施形態2之配置第1、第2構件11、12之配置區域13，與未配置第1、第2構件11、12之周邊區域23不同。具體而言，周邊區域23之貫通孔2與連通孔4之總面積之密度係以配置區域13與周邊區域23中之全部貫通孔2與連通孔4之直徑相同、且不阻礙配置區域13之熱傳導之方式，設置為高於配置區域13之密度。
如此，可將第2構件12產生之熱自配置區域13內，首先迅速地傳遞至周邊區域23，使第2構件12即刻冷卻。由於周邊區域23中貫通孔2與連通孔4較多，故導熱性遜於配置區域13，但可防止石墨板1整體之 層間剝離，確保上下方向之熱傳導。
該例中，配置區域13之貫通孔2與連通孔4之總面積的密度為周邊區域23之大約一半的密度。若設置2倍以上之密度差異，則可確保導熱率，及防止石墨層間之剝離，故而較佳。
圖7(b)之情形時，變更配置區域13與周邊區域23中之貫通孔2與連通孔4之直徑，藉此，使石墨構造體25之貫通孔2與連通孔4之分佈在平面內不均一。具體而言，為了不阻礙導熱性，使配置區域13之貫通孔2與連通孔4之直徑小於周邊區域23之貫通孔2與連通孔4之直徑。第1構件11之配置區域13中的貫通孔2與連通孔4之總面積之密度為周邊區域23的一半。該情形時，無需於周邊區域23內設置大量的貫通孔2與連通孔4，即可實現導熱性良好之石墨構造體。
(實施形態6)
圖8係顯示實施形態6之石墨構造體25中使用之石墨板1的俯視圖。
該石墨板1中，貫通孔2之數量最少，貫通孔2之直徑最大，且貫通孔2之比例為石墨板1之面積之10%以下。為了固定保護石墨板1整體的層間，貫通孔2必需有最少3個部位的大小相同。其結果，每一個貫通孔2之最大面積必需為石墨板1之整體面積的3.3%以下。
另一方面，由於係藉由使之後於貫通孔2之內側形成Ti層3而形成的連通孔4之內部壓力減小，而將第1、第2構件11、12固定於石墨板1上，故必需於石墨構造體25之配置第1、第2構件11、12之配置區域13，設置1個以上之貫通孔2。
因此，圖8中，於配置區域13之中央配置有1個貫通孔2，而於周邊區域23之端部配置有2個貫通孔2。當然，較佳為於周邊區域23均等地設置複數個直徑更小的貫通孔2。
又，由於Ti層3最小必需為厚度t2=0.01 mm，故為了於貫通孔2之 內周形成Ti膜3，且於其內側確保d2=0.01 mm之連通孔4，必需以d1=0.03 mm作為貫通孔2之最小直徑。
上述之各實施形態中，雖未於Ti層3上設置保護膜，但可使用用於提高Ti層3之耐久性的抗氧化膜，例如WN或TiN等氮化物、碳氟化合物等氟化物、對二甲苯或丙烯酸等有機高分子。根據電性絕緣之需要，亦可設置類金剛石碳(Diamond-like Carbon)層、高分子層等絕緣層。
上述之各實施形態中，已舉例使用Ti層3之情形進行說明，但作為與碳原子具有反應性之該被覆層，可使用鎳、鈷、鈦等與碳之間容易產生反應的金屬，即與碳組成化合物之金屬、及以該等金屬元素為主成份而包含之合金。
上述之各實施形態中，貫通孔2、連通孔4之形狀為圓形，但未必為圓形，亦可為三角形、橢圓等。
再者，上述實施形態只要沒有阻礙因素，便可進行組合。
本發明適用於半導體、太陽電池、電動車、照明機器等需要使用大量能量之熱管理之各種用途中，有助於提高可靠性與實現機器之薄型化。
1‧‧‧石墨板
2‧‧‧貫通孔
3‧‧‧Ti層
4‧‧‧連通孔
25‧‧‧石墨構造體
d1‧‧‧直徑
p1‧‧‧間距
t1‧‧‧厚度
t2‧‧‧膜厚

Claims (12)

  1. 一種石墨構造體，其具有：石墨板，其為使基底面平行地進行積層所得者；貫通孔，其自上述石墨板之與上述基底面平行之正面貫通至背面；及被覆層，其藉由可與上述石墨板之碳原子形成化合物之金屬，覆蓋上述貫通孔之內周面；且於內周面由上述被覆層予以覆蓋之上述貫通孔之更內側，形成有連通上述石墨板之上述正面與上述背面的連通孔，其中上述石墨板具有配置電子零件之配置區域、與未配置電子零件之周邊區域，且上述貫通孔之總面積密度在上述周邊區域分佈得較上述配置區域為多。
  2. 如請求項1之石墨構造體，其中被覆層係自上述貫通孔之內側形成至上述石墨板之上述正面與背面。
  3. 如請求項1之石墨構造體，其中上述連通孔之開口形成為向外擴展。
  4. 如請求項1之石墨構造體，其中上述石墨板之配置電子零件之配置區域之上述貫通孔的直徑小於上述周邊區域之貫通孔的直徑。
  5. 如請求項1之石墨構造體，其中上述被覆層為鎳、鈷、鈦及包含該等中之任一元素之合金中的1個。
  6. 一種石墨構造體，其具有：石墨板，其為使基底面平行地進行積層所得者；貫通孔，其自上述石墨板之與上述基底面平行之正面貫通至背面；及 被覆層，其藉由可與上述石墨板之碳原子形成化合物之金屬，覆蓋上述貫通孔之內周面；且於內周面由上述被覆層予以覆蓋之上述貫通孔之更內側，形成有連通上述石墨板之上述正面與上述背面的連通孔，其中上述貫通孔之總面積相對於上述石墨板之面積為0.1%以上10%以下，且最大孔徑小於3.3%。
  7. 一種石墨構造體，其具有：石墨板，其為使基底面平行地進行積層所得者；貫通孔，其自上述石墨板之與上述基底面平行之正面貫通至背面；及被覆層，其藉由可與上述石墨板之碳原子形成化合物之金屬，覆蓋上述貫通孔之內周面；且於內周面由上述被覆層予以覆蓋之上述貫通孔之更內側，形成有連通上述石墨板之上述正面與上述背面的連通孔，其中上述石墨板之比重為2.25g/cm3以下，導電率為106S/m以上，楊氏模數為750GPa以上。
  8. 一種石墨構造體，其具有：石墨板，其為使基底面平行地進行積層所得者；貫通孔，其自上述石墨板之與上述基底面平行之正面貫通至背面；及被覆層，其藉由可與上述石墨板之碳原子形成化合物之金屬，覆蓋上述貫通孔之內周面；且於內周面由上述被覆層予以覆蓋之上述貫通孔之更內側，形成有連通上述石墨板之上述正面與上述背面的連通孔，其中於上述被覆層上形成有抗氧化膜。
  9. 如請求項1之石墨構造體，其中上述石墨板之表面粗糙度為1~4 μm。
  10. 一種石墨構造體，其具有：石墨板，其為使基底面平行地進行積層所得者；貫通孔，其自上述石墨板之與上述基底面平行之正面貫通至背面；及被覆層，其藉由可與上述石墨板之碳原子形成化合物之金屬，覆蓋上述貫通孔之內周面；且於內周面由上述被覆層予以覆蓋之上述貫通孔之更內側，形成有連通上述石墨板之上述正面與上述背面的連通孔，其中為使石墨板上表面之第1構件及下表面之第2構件吸附於上述石墨板，上述連通孔係經減壓。
  11. 一種電子裝置，其中於熱散逸路徑上設置有如請求項1~10中任一項之石墨構造體。
  12. 一種機器，其使用如請求項11之電子裝置。
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