JP2014183261A - Thermal interface material and its manufacturing method, and heat dissipation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱界面材料（ＴＩＭ：Thermal interface Material）及びその製造方法、並びに当該熱界面材料を用いた熱放散装置に関する。 The present invention relates to a thermal interface material (TIM), a manufacturing method thereof, and a heat dissipation device using the thermal interface material.
コンピュータに使用されるＣＰＵ等の発熱体の冷却には、ヒートシンク等の放熱体が使用される。この発熱体と放熱体との間の密着性を高めて熱伝導を良好にするために、発熱体と放熱体との間に熱界面材料（ＴＩＭ）が配されている。近年、ＴＩＭとしてグラファイトシートを用いることがしばしば提案されている。例えば、特許文献１には、グラファイトシートをＴＩＭとして用いること、及びＴＩＭとして一部分を圧縮したグラファイトシートを用いることが開示されている。 A heat radiator such as a heat sink is used to cool a heat generating element such as a CPU used in a computer. A thermal interface material (TIM) is disposed between the heat generating body and the heat radiating body in order to improve the adhesion between the heat generating body and the heat radiating body to improve heat conduction. In recent years, it has often been proposed to use a graphite sheet as the TIM. For example, Patent Document 1 discloses using a graphite sheet as a TIM and using a graphite sheet partially compressed as the TIM.
ＴＩＭとして未加工のグラファイトシートを用いる場合、発熱体やヒートシンクの表面に存在する凹凸の故に、グラファイトシートと発熱体やヒートシンクとの密着性が悪く、発熱体とヒートシンクとの間の熱経路における熱抵抗が高くなり、冷却効率が低いという問題があった。また、特許文献１に記載されているようなグラファイトシートであっても、グラファイトシート自体の製法を変更する必要があり、製造コストが増加してしまうという問題があった。 When an unprocessed graphite sheet is used as a TIM, the adhesion between the graphite sheet and the heating element or heat sink is poor due to the unevenness present on the surface of the heating element or heat sink, and the heat in the heat path between the heating element and the heat sink is poor. There was a problem that resistance became high and cooling efficiency was low. Moreover, even if it is a graphite sheet as described in patent document 1, it was necessary to change the manufacturing method of graphite sheet itself, and there existed a problem that manufacturing cost will increase.
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、発熱体及び放熱体との間の熱抵抗を低減し、発熱体からの熱放散を良好にすることが可能であり、かつ製造コストが安価である、グラファイトシートからなる熱界面材料（ＴＩＭ）及びその製造方法、並びに当該熱界面材料を用いた熱放散装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described points, and it is possible to reduce the thermal resistance between the heating element and the heat radiating body, to improve the heat dissipation from the heating element, and to produce the manufacturing cost. It is an object of the present invention to provide a thermal interface material (TIM) made of a graphite sheet and a method for producing the same, and a heat dissipation device using the thermal interface material.
本発明の熱界面材料は、グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸を包含する面を主面とするグラファイトシートからなる熱界面材料であって、当該グラファイトシートは、当該主面と平行な表面に、当該表面から少なくとも一部が繋がり層状に剥離されている複数のフレア状の構造体を有していることを特徴とする。 The thermal interface material of the present invention is a thermal interface material composed of a graphite sheet whose main surface is a plane including the a-axis and b-axis of the graphite crystal, and the graphite sheet has a surface parallel to the main surface, It has a plurality of flare-like structures that are connected at least partially from the surface and peeled in layers.
以下に、本発明の実施例１に係る熱界面材料（ＴＩＭ）１０について、図１乃至図４を参照しつつ説明する。図１はＴＩＭ１０の斜視図であり、図２は、グラファイトの分子構造を示す図である。図３は図１の３−３線に沿った断面図である。図４は、図３の領域Ａの部分拡大図である。図５は、ＴＩＭ１０表面の微分干渉顕微鏡像（約３０倍）である。 Below, the thermal interface material (TIM) 10 which concerns on Example 1 of this invention is demonstrated, referring FIG. 1 thru | or FIG. FIG. 1 is a perspective view of the TIM 10, and FIG. 2 is a diagram showing the molecular structure of graphite. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 3-3 in FIG. 4 is a partially enlarged view of region A in FIG. FIG. 5 is a differential interference microscope image (approximately 30 times) of the TIM 10 surface.
ＴＩＭ１０は、グラファイトシート１１からなっている。グラファイトシート１１は、ＧｒａｆＴｅｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ株式会社製、ＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標）Ｇｒａｄｅ−ＧＴＡで厚さ０．６３５ｍｍのものである。このグラファイトシート１１は、図２に示すグラファイト結晶のａ軸及びｂ軸を包含する面を略主面としている。グラファイトシート１１は、主面と平行な方向、すなわち図２に示すグラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な方向（平面方向）における熱伝導率が約１４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、主面と垂直な方向すなわち結晶のｃ軸方向（厚み方向）の熱伝導率が約５Ｗ／（ｍ・Ｋ）となっている。 The TIM 10 includes a graphite sheet 11. The graphite sheet 11 is made of GrafTech International Co., Ltd. and has a thickness of 0.635 mm using GRAFOIL (registered trademark) Grade-GTA. The graphite sheet 11 has a substantially main surface that includes the a-axis and the b-axis of the graphite crystal shown in FIG. The graphite sheet 11 has a thermal conductivity of about 140 W / (m · K) in the direction parallel to the main surface, that is, the direction parallel to the a-axis and b-axis (plane direction) of the graphite crystal shown in FIG. The thermal conductivity in the vertical direction, that is, the c-axis direction (thickness direction) of the crystal is about 5 W / (m · K).
図１及び図３に示すように、グラファイトシート１１の主面に平行な上面及び下面上には、断面がカールしている（反り返っている）フレア状の構造体である薄膜片１３が形成されている。薄膜片１３は、グラファイトシート１１の表面からグラファイト層が部分的に剥離されることによって形成され、図４に示すように、一次薄膜片１３ａ、二次薄膜片１３ｂ（第二のフレア状の構造体）及び三次薄膜片１３ｃ（第三のフレア状の構造体）からなっている。 As shown in FIGS. 1 and 3, thin film pieces 13, which are flare-like structures with a curled cross section (curved back), are formed on the upper and lower surfaces parallel to the main surface of the graphite sheet 11. ing. The thin film piece 13 is formed by partially peeling the graphite layer from the surface of the graphite sheet 11, and as shown in FIG. 4, the primary thin film piece 13a and the secondary thin film piece 13b (second flare-like structure). Body) and the third thin film piece 13c (third flared structure).
一次薄膜片１３ａは、グラファイトシート１１の上面及び下面上に密に形成されており、端部がグラファイトシートに繋がっている。一次薄膜片１３ａは断面がカールしている薄膜のフレア状の構造体である。一次薄膜片１３ａの１つの長辺Ｌの長さは０．５ｍｍから１ｍｍ程度以下であり、幅は０．５ｍｍから１ｍｍ程度である。一次薄膜片１３ａの厚さは、最小で単分子層分の厚さであり、概ね数十μｍ以下である。図４に示すように、一次薄膜片１３ａの表面には、一次薄膜片１３ａの表面がさらに剥離することによって、一次薄膜片１３ａの表面に密に配されているフレア状の二次薄膜片１３ｂが形成されている。さらに、二次薄膜片１３ｂの表面には、二次薄膜片の表面がさらに剥離することによって二次薄膜片１３ｂの表面に密に配されているフレア状の三次薄膜片１３ｃが形成されている。グラファイトシート１１上に薄膜片１３が密に配されている様子は、図５に示す拡大画像からわかる。薄膜片１３は断面がカールしている薄膜のフレア状の構造である故に、僅かな外力により簡単に変形する。なお、若干の弾性を有する。 The primary thin film pieces 13a are densely formed on the upper and lower surfaces of the graphite sheet 11, and the ends are connected to the graphite sheet. The primary thin film piece 13a is a thin film flare-like structure with a curled cross section. The length of one long side L of the primary thin film piece 13a is about 0.5 mm to 1 mm or less, and the width is about 0.5 mm to 1 mm. The thickness of the primary thin film piece 13a is at least the thickness of a monomolecular layer, and is approximately several tens of μm or less. As shown in FIG. 4, on the surface of the primary thin film piece 13a, the surface of the primary thin film piece 13a is further peeled off, so that the flared secondary thin film piece 13b is densely arranged on the surface of the primary thin film piece 13a. Is formed. Further, the surface of the secondary thin film piece 13b is formed with a flared tertiary thin film piece 13c that is densely arranged on the surface of the secondary thin film piece 13b by further peeling the surface of the secondary thin film piece. . It can be seen from the enlarged image shown in FIG. 5 that the thin film pieces 13 are densely arranged on the graphite sheet 11. Since the thin film piece 13 is a thin film flare-like structure with a curled cross section, it is easily deformed by a slight external force. In addition, it has some elasticity.
以下に、本発明の実施例１に係るＴＩＭ１０の製造方法について、図６、図７Ａ及び図７Ｂを参照しつつ説明する。 Below, the manufacturing method of TIM10 which concerns on Example 1 of this invention is demonstrated, referring FIG.6, FIG.7A and FIG.7B.
まず、上述したグラファイトシート（ＧｒａｆＴｅｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ株式会社製、ＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標）Ｇｒａｄｅ−ＧＴＡ、厚さ０．６３５ｍｍ）を用意し、用途に応じて所定の大きさに裁断し、グラファイトシート１１を形成する。加工前のグラファイトシート１１の表面の微分干渉顕微鏡像（約３０倍）を図６に示す。図６に示すように、加工前のグラファイトシート１１は、滑らかな表面をしている。次に、図７Ａに示すように、グラファイトシート１１の上面に粘着シート１５（例えば、セロファンテープ、ビニールテープ等）を貼り付ける。 First, the above-described graphite sheet (manufactured by GrafTech International Co., Ltd., GRAFOIL (registered trademark) Grade-GTA, thickness 0.635 mm) is prepared, and cut into a predetermined size according to the application to form the graphite sheet 11. . FIG. 6 shows a differential interference microscope image (approximately 30 times) of the surface of the graphite sheet 11 before processing. As shown in FIG. 6, the graphite sheet 11 before processing has a smooth surface. Next, as shown in FIG. 7A, an adhesive sheet 15 (for example, cellophane tape, vinyl tape, etc.) is attached to the upper surface of the graphite sheet 11.
次に、図７Ｂに示すように、粘着シート１５をグラファイトシート１１から引き剥がす。図２に示すように、グラファイトシート１１を構成するグラファイト結晶は、層状の構造を有しており、層毎のａ軸及びｂ軸に平行な面内においては強い共有結合で炭素同士が結合しているが、層と層の間（面間）において、すなわちｃ軸方向においては、炭素からなる層同士が弱いファンデルワールス力で結合している。それゆえに、表面においてｃ軸方向に引っ張りを受けると表面が層状に剥離する性質を有している。従って、図７Ｂに示すように、グラファイトシート１１の表面から粘着シート１５を引きはがす（引っ張り剥離）ことによって、断面がカールしたフレア状の薄膜片１３を形成できる。 Next, as shown in FIG. 7B, the adhesive sheet 15 is peeled off from the graphite sheet 11. As shown in FIG. 2, the graphite crystal constituting the graphite sheet 11 has a layered structure, and carbons are bonded by strong covalent bonds in a plane parallel to the a-axis and the b-axis for each layer. However, between the layers (between planes), that is, in the c-axis direction, the layers made of carbon are bonded with a weak van der Waals force. Therefore, when the surface is pulled in the c-axis direction, the surface has a property of peeling in layers. Therefore, as shown in FIG. 7B, by peeling off the adhesive sheet 15 from the surface of the graphite sheet 11 (pulling and peeling), a flare-shaped thin film piece 13 with a curled cross section can be formed.
その後、まだ薄膜片１３を形成していない領域についても、テープの貼り付け及び引きはがしを行い、グラファイトシート１１の主面に平行な上面及び下面全体に、薄膜片１３を形成し、ＴＩＭ１０が完成する。以下、上記薄膜片１３を形成する加工を毛羽立て加工と称する。 Thereafter, the tape is pasted and peeled even in the region where the thin film piece 13 is not yet formed, and the thin film piece 13 is formed on the entire upper and lower surfaces parallel to the main surface of the graphite sheet 11 to complete the TIM 10. To do. Hereinafter, the process of forming the thin film piece 13 is referred to as fluffing process.
以下に、パーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）の発熱体としてのＣＰＵ２１と放熱体としてのヒートシンク２３との間にＴＩＭ１０を用いる場合の使用例について、図８に示すＣＰＵ装置２５の断面図及び図８のＢ部拡大図である図９Ａ、図９ＡのＣ部拡大図である図９Ｂを用いて説明する。なお、図８、図９Ａにおいて、ＴＩＭ１０の厚み方向の中心線を一点鎖線ＣＬで示している。ＣＰＵ装置２５は、ＴＩＭ１０、ＣＰＵ２１、ヒートシンク２３及びクーリングファン２７からなっている。 8 is a cross-sectional view of the CPU device 25 shown in FIG. 8 and FIG. 8 for a usage example in the case where the TIM 10 is used between the CPU 21 as a heating element of a personal computer (hereinafter referred to as a personal computer) and the heat sink 23 as a heat radiator. 9B, which is an enlarged view of part B, and FIG. 9B, which is an enlarged view of part C, of FIG. 9A. 8 and 9A, the center line in the thickness direction of the TIM 10 is indicated by a one-dot chain line CL. The CPU device 25 includes a TIM 10, a CPU 21, a heat sink 23, and a cooling fan 27.
ＣＰＵ２１は、Ｉｎｔｅｌ（登録商標）社製Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）４であり、ＣＰＵダイのサイズ１１２ｍｍ２、熱設計電力（ＴＤＰ：Thermal Design Power）８９Ｗである。ＣＰＵ２１の一方の表面にはヒートスプレッダ２１ａが形成されている。ＣＰＵヒートスプレッダ２１ａはＣｕからなり、表面には耐食メッキが施されている。ＣＰＵヒートスプレッダ２１ａのサイズは、縦３１ｍｍ×横３１ｍｍ×厚さが２ｍｍである
ＣＰＵ２１の上面にあるヒートスプレッダ２１ａ上には、ＴＩＭ１０が配されている。ＴＩＭ１０上には、ヒートスプレッダ２１ａとともにＴＩＭ１０を挟み込むように、ヒートシンク２３が配されている。ヒートシンク２３は、アルミ合金からなり、縦６８ｍｍ×横８３ｍｍ×高さ３７ｍｍである。ヒートシンク２３及びＴＩＭ１０は、ばね等（図示せず）によってヒートスプレッダ２１ａに対して押圧されている。ヒートシンク２３上には、ヒートシンク２３を冷却するためのクーリングファン２７が配されている。クーリングファン２７は、ファンの直径ｄが６８ｍｍである。なお、ヒートシンク２３とクーリングファン２５は、前記ＣＰＵ２１に付属のＩｎｔｅｌ（登録商標）社製のリテールパッケージ品を用いた。このＣＰＵ装置２５において、ＣＰＵ２１において発生した熱は、ＴＩＭ１０を介してヒートシンク２３に伝導し、ヒートシンク２３から大気中に放散される。
The CPU 21 is Pentium (registered trademark) 4 manufactured by Intel (registered trademark), and has a CPU die size of 112 mm 2 and thermal design power (TDP) 89 W. A heat spreader 21 a is formed on one surface of the CPU 21. The CPU heat spreader 21a is made of Cu, and the surface thereof is subjected to corrosion resistance plating. The size of the CPU heat spreader 21 a is 31 mm long × 31 mm wide × 2 mm thick. The TIM 10 is arranged on the heat spreader 21 a on the upper surface of the CPU 21. A heat sink 23 is arranged on the TIM 10 so as to sandwich the TIM 10 together with the heat spreader 21a. The heat sink 23 is made of an aluminum alloy, and is 68 mm long × 83 mm wide × 37 mm high. The heat sink 23 and the TIM 10 are pressed against the heat spreader 21a by a spring or the like (not shown). A cooling fan 27 for cooling the heat sink 23 is disposed on the heat sink 23. The cooling fan 27 has a fan diameter d of 68 mm. As the heat sink 23 and the cooling fan 25, retail package products manufactured by Intel (registered trademark) attached to the CPU 21 were used. In the CPU device 25, the heat generated in the CPU 21 is conducted to the heat sink 23 via the TIM 10 and is dissipated from the heat sink 23 into the atmosphere.
図９Ａに示すように、グラファイトシート１１の表面には、０．５ｍｍから数ｍｍ周期のうねりがあり、図９Ｂに示すように、ＣＰＵ２１のヒートスプレッダ２１ＡのＴＩＭ１０に接している表面には、細かい凹凸が多数存在する。この細かい凹凸にグラファイトシート１１の表面に形成されている一次薄膜片１３ａ、二次薄膜片１３ｂ及び三次薄膜片１３ｃが入り込むことで、ヒートスプレッダ２１Ａの凹部においても、ＴＩＭ１０との接触がなされる。なお、ヒートシンク２３のＴＩＭ１０に接している表面にも、図９Ｂに示したヒートスプレッダ２１Ａの表面と同様に細かい凹凸が多数存在している。図９Ｂに示したヒートスプレッダ２１ＡとＴＩＭ１０の界面の状態と同様に、この細かい凹凸にグラファイトシート１１の表面に形成されている一次薄膜片１３ａ、二次薄膜片１３ｂ及び三次薄膜片１３ｃが入り込むことで、ヒートシンク２３の凹部においても、ＴＩＭ１０との接触がなされている。従って、ヒートスプレッダ２１Ａ及びヒートシンク２３の表面とＴＩＭ１０との接触性が良好となり接触熱抵抗が低減され、ＴＩＭ１０を介したヒートスプレッダ２１Ａからヒートシンク２３までの熱経路の熱抵抗を低く抑えることができる。 As shown in FIG. 9A, the surface of the graphite sheet 11 has undulations with a period of 0.5 mm to several mm. As shown in FIG. 9B, the surface of the heat spreader 21A of the CPU 21 that is in contact with the TIM 10 has fine irregularities. There are many. The primary thin film piece 13a, the secondary thin film piece 13b, and the tertiary thin film piece 13c formed on the surface of the graphite sheet 11 enter the fine irregularities, so that the contact with the TIM 10 is also made in the concave portion of the heat spreader 21A. It should be noted that the surface of the heat sink 23 that is in contact with the TIM 10 has many fine irregularities as in the surface of the heat spreader 21A shown in FIG. 9B. As in the state of the interface between the heat spreader 21A and the TIM 10 shown in FIG. 9B, the primary thin film piece 13a, the secondary thin film piece 13b, and the tertiary thin film piece 13c formed on the surface of the graphite sheet 11 enter the fine irregularities. In the recess of the heat sink 23, contact with the TIM 10 is also made. Therefore, the contact property between the heat spreader 21A and the surface of the heat sink 23 and the TIM 10 is improved, the contact thermal resistance is reduced, and the thermal resistance of the heat path from the heat spreader 21A to the heat sink 23 via the TIM 10 can be kept low.
また、上述したように、グラファイトシート１１は、グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸に平行な平面において、１４０Ｗ／ｍ・Ｋという良好な熱伝導率を有している。ヒートスプレッダ２１Ａから、層状に剥離されている薄膜片１３に熱が伝導すると、薄膜片１３内の結晶のａ軸及びｂ軸に平行な方向に熱が素早く伝導し、グラファイトシート１１の内部に迅速に熱が伝わる。グラファイトシート１１の内部に伝わり、ヒートシンク２３に接している薄膜片１３に到達した熱は上記同様に薄膜片１３内の結晶のａ軸及びｂ軸に平行な方向に素早く伝導し、ヒートシンク２３まで到達する。特に、薄膜片の面（ａ軸とｂ軸を包含した面）とヒートスプレッダ及びヒートシンク表面が接するとグラファイトの熱伝導特性ゆえに熱伝導性は向上する。よって、このことによっても、ＴＩＭ１０を介したヒートスプレッダ２１Ａからヒートシンク２３までの熱経路の熱抵抗の低減が達成される。 Further, as described above, the graphite sheet 11 has a good thermal conductivity of 140 W / m · K on a plane parallel to the a-axis and the b-axis of the graphite crystal. When heat is conducted from the heat spreader 21A to the thin film piece 13 peeled in layers, the heat is quickly conducted in the direction parallel to the a-axis and b-axis of the crystal in the thin film piece 13 and quickly into the graphite sheet 11. Heat is transmitted. The heat transmitted to the inside of the graphite sheet 11 and reaches the thin film piece 13 in contact with the heat sink 23 is quickly conducted in the direction parallel to the a-axis and the b-axis of the crystal in the thin film piece 13 and reaches the heat sink 23. To do. In particular, when the surface of the thin film piece (the surface including the a-axis and b-axis) is in contact with the heat spreader and heat sink surfaces, the thermal conductivity is improved due to the thermal conductivity characteristics of graphite. Accordingly, this also achieves a reduction in the thermal resistance of the heat path from the heat spreader 21A to the heat sink 23 via the TIM 10.
以下に、本発明の実施例２に係るＴＩＭ１０について説明する。実施例２のＴＩＭ１０は、上記実施例１のＴＩＭ１０の製造過程において、グラファイトシート１１に平坦化加工を加えたものである。 Below, TIM10 which concerns on Example 2 of this invention is demonstrated. The TIM 10 of Example 2 is obtained by adding a flattening process to the graphite sheet 11 in the manufacturing process of the TIM 10 of Example 1 described above.
グラファイトシート１１の平坦化加工は次の手順で行った。まず、図１０Ａに示すように、グラファイトシート１１を厚さ１ｍｍの柔らかいシリコーンシート（図示せず）上に載せ、表面に１ｍｍ間隔で細かな突起（円錐状突起）を有するローラー３１を用いて、グラファイトシートの表側と裏側から２〜３回ローラー掛けをしてシートにディンプル状の窪み構造３３を形成する。この際、グラファイトシート１１が破断しない程度の押圧力でローラー掛けをする。次に、図１０Ｂに示すように、平坦なガラス板（図示せず）の上にグラファイトシート１１を載せ、表面が平坦なローラー３５を用い、シートの表側と裏側から数回ローラー掛けをしてシート表面を平坦化した。 The flattening process of the graphite sheet 11 was performed according to the following procedure. First, as shown in FIG. 10A, a graphite sheet 11 is placed on a soft silicone sheet (not shown) having a thickness of 1 mm, and a roller 31 having fine protrusions (conical protrusions) at intervals of 1 mm on the surface is used. A dimple-like depression structure 33 is formed on the sheet by rolling it two to three times from the front side and the back side of the graphite sheet. At this time, the roller is hung with a pressing force such that the graphite sheet 11 does not break. Next, as shown in FIG. 10B, the graphite sheet 11 is placed on a flat glass plate (not shown), and a roller 35 having a flat surface is used, and the roller is hung several times from the front side and the back side of the sheet. The sheet surface was flattened.
その後、上記実施例１のＴＩＭ１０の製造方法と同様に、グラファイトシート１１の表面に粘着シート１５を貼り付けて引き剥がす毛羽立て加工を行うことによって、薄膜片１３を形成し、実施例２のＴＩＭ１０が完成する。 Thereafter, similarly to the method for manufacturing the TIM 10 of Example 1, the thin film piece 13 is formed by performing a fluffing process in which the pressure-sensitive adhesive sheet 15 is attached to the surface of the graphite sheet 11 and peeled off, and the TIM 10 of Example 2 is formed. Is completed.
上記平坦化加工を行っていないグラファイトシート１１の表面は、０．５ｍｍから数ｍｍ周期のうねりを有するが、上記平坦化加工を施すとうねりが低減される。図１１Ａに、実施例１において説明したのと同様のＣＰＵ装置２５において、実施例１のＴＩＭ１０の代わりに実施例２のＴＩＭ１０を用いた場合の図８の領域Ｂの拡大図を示す。また、図１１Ｂに、図１１Ａの領域Ｄの拡大図を示す。図１１Ａにおいても、ＴＩＭ１０の厚み方向の中心線を一点鎖線ＣＬで示している。図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように実施例１のＴＩＭ１０の代わりに実施例２のＴＩＭ１０を用いると、うねりが低減されている分、ＴＩＭとＣＰＵ及びヒートシンクとの接触面積が増加しＣＰＵとヒートシンクとの間の熱経路における熱抵抗が減少する。 The surface of the graphite sheet 11 that has not been flattened has undulations of a period of 0.5 mm to several mm, but the undulations are reduced when the flattening process is performed. FIG. 11A shows an enlarged view of region B in FIG. 8 when the TIM 10 of the second embodiment is used instead of the TIM 10 of the first embodiment in the same CPU device 25 as described in the first embodiment. FIG. 11B shows an enlarged view of region D in FIG. 11A. Also in FIG. 11A, the center line in the thickness direction of the TIM 10 is indicated by a one-dot chain line CL. As shown in FIGS. 11A and 11B, when the TIM 10 of the second embodiment is used instead of the TIM 10 of the first embodiment, the contact area between the TIM, the CPU, and the heat sink is increased by the reduction of the swell, and the CPU, the heat sink, and the like. The thermal resistance in the heat path between is reduced.
また、上記平坦化加工を施した実施例２のＴＩＭ１０の表面には、突起を有するローラーをかけた際に形成される、例えば、直径０．５ｍｍ未満のディンプル状の窪み構造が約１ｍｍ間隔で残る。この窪みはＴＩＭ１０をＣＰＵ２１とヒートシンク２３との間に挟んで押圧した際に、ＣＰＵ２１及びヒートシンク２３の表面の凹凸によってＴＩＭ１０が変形させられる際の応力を吸収緩和し、ＴＩＭとＣＰＵ２１及びヒートシンク２３との接触性をさらに向上させる効果を有する。 Further, on the surface of the TIM 10 of Example 2 subjected to the above-described flattening process, for example, dimple-like depression structures having a diameter of less than 0.5 mm are formed at intervals of about 1 mm when a roller having protrusions is applied. Remains. This depression absorbs and relaxes stress when the TIM 10 is deformed by the unevenness of the surfaces of the CPU 21 and the heat sink 23 when the TIM 10 is pressed between the CPU 21 and the heat sink 23, and the TIM 10 is coupled with the heat sink 23. It has the effect of further improving contactability.
以下に、本発明の実施例３に係るＴＩＭ１０について説明する。実施例３のＴＩＭ１０は、上記実施例２のようにグラファイトシート１１に平坦化加工を加える前に、さらに薄膜化加工を施したものである。 Below, TIM10 which concerns on Example 3 of this invention is demonstrated. The TIM 10 of Example 3 is obtained by further thinning the graphite sheet 11 before applying the flattening process as in Example 2 above.
グラファイトシート１１の薄膜化加工は、ロータリー式のグラインダーを用い、シートの片面を、グラファイトシート１１の厚みが０．３ｍｍになるまで削ることによって行った。尚、元々０．３ｍｍの厚さを有する市販のグラファイトシートを用いてもよい。 The thinning process of the graphite sheet 11 was performed by using a rotary grinder and scraping one side of the sheet until the thickness of the graphite sheet 11 became 0.3 mm. A commercially available graphite sheet originally having a thickness of 0.3 mm may be used.
この薄膜化加工の後、上記実施例２のＴＩＭ１０の製造方法と同様に、グラファイトシート１１に平坦化加工を施し、グラファイトシート１１の表面に粘着シート１５を貼り付けて引き剥がす毛羽立て加工を行うことによって、薄膜片１３を形成し、実施例３のＴＩＭ１０が完成する。 After the thinning process, as in the method for manufacturing the TIM 10 of Example 2, the graphite sheet 11 is flattened, and the fluffing process is performed in which the adhesive sheet 15 is attached to the surface of the graphite sheet 11 and peeled off. Thereby, the thin film piece 13 is formed, and the TIM 10 of Example 3 is completed.
図１２に、実施例１において説明したのと同様のＣＰＵ装置２５において、実施例１のＴＩＭ１０の代わりに実施例３のＴＩＭ１０を用いた場合の図８の領域Ｂの拡大図を示す。また、図１２Ｂに、図１２Ａの領域Ｅの拡大図を示す。図１２Ａにおいても、ＴＩＭ１０の厚み方向の中心線を一点鎖線ＣＬで示している。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、実施例３のＴＩＭ１０を用いた場合には、実施例２のＴＩＭ１０を用いた場合と同様に、うねりが低減されている分、ＴＩＭとＣＰＵ及びヒートシンクとの接触面積が増加しＣＰＵとヒートシンクとの間の熱経路における熱抵抗が減少する。さらに、グラファイトシート１１の厚さが薄い分、ＴＩＭ内での熱抵抗が低減され、ＣＰＵとヒートシンクとの間の熱経路における熱抵抗が減少する。 FIG. 12 shows an enlarged view of the region B in FIG. 8 when the TIM 10 of the third embodiment is used instead of the TIM 10 of the first embodiment in the same CPU device 25 as described in the first embodiment. FIG. 12B shows an enlarged view of region E in FIG. 12A. Also in FIG. 12A, the center line in the thickness direction of the TIM 10 is indicated by a one-dot chain line CL. As shown in FIG. 12A and FIG. 12B, when the TIM 10 of the third embodiment is used, the swell is reduced to the extent that the swell is reduced as in the case of using the TIM 10 of the second embodiment. The contact area increases and the thermal resistance in the thermal path between the CPU and the heat sink decreases. Furthermore, as the graphite sheet 11 is thinner, the thermal resistance in the TIM is reduced, and the thermal resistance in the thermal path between the CPU and the heat sink is reduced.
実施例３のＴＩＭ１０においては、グラファイトシート１１の厚さを０．３ｍｍにすることとしたが、グラファイトシート１１の厚さをさらに薄くし、ＴＩＭ内の熱抵抗を低減することとしてもよい。なお、グラファイトシート１１を余り薄くしすぎると、上記ＣＰＵ装置２５に用いる場合に、グラファイトシート１１の弾性によるＣＰＵ２１及びヒートシンク２３の表面凹凸の緩衝効果が消失し接触性が低下して接触熱抵抗が増加してしまうため、グラファイトシート１１は、一定の厚さを有していることが好ましい。 In the TIM 10 of Example 3, the thickness of the graphite sheet 11 is set to 0.3 mm, but the thickness of the graphite sheet 11 may be further reduced to reduce the thermal resistance in the TIM. If the graphite sheet 11 is made too thin, when it is used for the CPU device 25, the buffering effect of the surface irregularities of the CPU 21 and the heat sink 23 due to the elasticity of the graphite sheet 11 disappears, the contact property is lowered, and the contact thermal resistance is reduced. In order to increase, it is preferable that the graphite sheet 11 has a certain thickness.
ＣＰＵ２１及びヒートシンク２３の表面の平坦度は、表面積が大きくなると悪化するため、グラファイトシート１１の厚みは、ＣＰＵ２１及びヒートシンク２３のＴＩＭ１０と接する表面の面積が１００ｃｍ２以下なら厚み０．３ｍｍ程度以上が好ましく、２５ｃｍ２以下ならば厚さ０．１ｍｍ程度以上が好ましく、９ｃｍ２以下ならば０．０５ｍｍ以上が好ましく、１ｃｍ２以下ならば０．０２ｍｍ以上が好ましい。 Since the flatness of the surface of the CPU 21 and the heat sink 23 deteriorates as the surface area increases, the thickness of the graphite sheet 11 is preferably about 0.3 mm or more if the area of the surface in contact with the TIM 10 of the CPU 21 and the heat sink 23 is 100 cm 2 or less. If it is 25 cm 2 or less, the thickness is preferably about 0.1 mm or more, if it is 9 cm 2 or less, it is preferably 0.05 mm or more, and if it is 1 cm 2 or less, 0.02 mm or more is preferable.
以下に、実施例１乃至３のＴＩＭ１０をＣＰＵ装置２５のＣＰＵ２１とヒートシンク２３との間に配した場合の効果を、比較例１乃至４と比較しつつ説明する。 Below, the effect when the TIM 10 of the first to third embodiments is arranged between the CPU 21 and the heat sink 23 of the CPU device 25 will be described in comparison with the first to fourth comparative examples.
［比較例１］
比較例１は、ＣＰＵ装置２５においてＴＩＭを使用しない、すなわちＣＰＵ２１とヒートシンク２３との間に何も配置せずに、ＣＰＵ２１のヒートスプレッダ２１ａとヒートシンク２３とを直接接触させているＣＰＵ装置である。
[Comparative Example 1]
Comparative Example 1 is a CPU device in which the TIM is not used in the CPU device 25, that is, nothing is arranged between the CPU 21 and the heat sink 23, and the heat spreader 21a of the CPU 21 and the heat sink 23 are in direct contact.
［比較例２］
比較例２は、ＣＰＵ装置２５において、ＴＩＭとして、上記実施例に示したＴＩＭ１０の代わりに、ＣＰＩ２１とヒートシンクとの間に、実施例１で用いたグラファイトシートと同一の厚さ０．６３５ｍｍのグラファイトシートを何も加工を施さずに、すなわち未加工の状態で用いたＣＰＵ装置である。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, in the CPU device 25, as the TIM, a graphite having the same thickness of 0.635 mm as the graphite sheet used in Example 1 is used between the CPI 21 and the heat sink instead of the TIM 10 shown in the above example. This is a CPU device used without any processing of the sheet, that is, in an unprocessed state.
［比較例３］
比較例３は、ＣＰＵ装置２５において、ＴＩＭとして、上記実施例に示したＴＩＭ１０の代わりに、実施例１で用いたグラファイトシートと同一の厚さ０．６３５ｍｍのグラファイトシートの表面にヤスリをかけて表面を荒らしたものを、ＣＰＵ２１とヒートシンク２３との間に配したＣＰＵ装置である。
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, in the CPU device 25, as a TIM, instead of the TIM 10 shown in the above example, a file is applied to the surface of a graphite sheet having the same thickness of 0.635 mm as the graphite sheet used in Example 1. This is a CPU device in which the surface is roughened between the CPU 21 and the heat sink 23.
ヤスリ削り加工は、粒度＃１４０番のダイヤモンドヤスリでグラファイトシート表面を押圧しながら上下左右に動かし、グラファイトシートの表面を僅かに削り取ることで行った。ヤスリ削り加工後のグラファイトシートの上面の微分干渉顕微鏡（約３０倍）を図１３に示す。未加工のグラファイトシートに見られる０．５ｍｍから数ｍｍ周期の厚みムラは消失するが、グラファイトシート表面には、実施例１乃至３のＴＩＭ１０の表面にあるような薄膜片は形成されず、ヤスリ砥粒に起因する細かな線状痕が付くだけである。グラファイトシートの表面は柔らかくまた滑りやすいので、押圧して行うヤスリ削り加工では、ダイヤモンド砥粒を用いたとしても、フレア状の薄膜片は形成できない。 The file cutting process was performed by moving the graphite sheet surface up and down and left and right while pressing the surface of the graphite sheet with a diamond file having a particle size of # 140 to slightly scrape the surface of the graphite sheet. FIG. 13 shows a differential interference microscope (about 30 times) on the upper surface of the graphite sheet after file processing. Although the thickness variation of 0.5 mm to several mm seen in the unprocessed graphite sheet disappears, the thin film pieces on the surface of the TIM 10 of Examples 1 to 3 are not formed on the surface of the graphite sheet. Only fine line marks resulting from abrasive grains are attached. Since the surface of the graphite sheet is soft and slippery, a flare-shaped thin film piece cannot be formed even if diamond abrasive grains are used in the file processing performed by pressing.
［比較例４］
比較例４は、ＣＰＵ装置２５において、ＴＩＭとして、上記実施例に示したＴＩＭ１０の代わりに、比較例２と同様の未加工のグラファイトシートの表面に、シリコーングリース（信越化学株式会社製のシリコーングリースＨＩＶＡＣ−Ｇ）（熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋ）薄く塗布したものをＣＰＵ２１とヒートシンク２３との間に配したものである。
[Comparative Example 4]
In Comparative Example 4, the CPU device 25 uses silicone grease (silicone grease manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) on the surface of an unprocessed graphite sheet similar to Comparative Example 2 as the TIM instead of the TIM 10 shown in the above example. (HIVAC-G) (thermal conductivity 0.2 W / m · K) is a thinly applied material disposed between the CPU 21 and the heat sink 23.
［実施例及び比較例の評価］
実施例１乃至３のＴＩＭをＣＰＵ装置２５に用いた場合及び比較例１乃至４のＣＰＵ装置について、実際にＣＰＵを稼働させて熱放散能について評価を行った。当該評価におけるＴＩＭの評価表を表１に示す。
[Evaluation of Examples and Comparative Examples]
When the TIMs of Examples 1 to 3 were used for the CPU device 25 and the CPU devices of Comparative Examples 1 to 4, the CPU was actually operated to evaluate the heat dissipation capability. Table 1 shows an evaluation table of TIM in this evaluation.
表１にはＴＩＭのマトリックス、加工・処理、厚み、及び評価値としてＣＰＵ稼働率、ＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）、ヒートシンク放熱面（ＣＰＵと接している面と反対側の面）温度（Ｔｓｉｎｋ）を示している。さらに、ＣＰＵジャンクション温度とヒートシンク表面温度との差異（Ｔｊ−Ｔｓｉｎｋ）、ヒートシンク表面温度と大気温度との差異（Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒ）、及びＣＰＵが８９Ｗ（ＴＤＰ値）で発熱した際のＣＰＵジャンクションとヒートシンク表面間の熱抵抗（Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ））、ヒートシンク表面と大気間の熱抵抗（Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ））も示している。 Table 1 shows the TIM matrix, processing / treatment, thickness, and evaluation values, such as CPU availability, CPU junction temperature (CPU Tj), heat sink heat dissipation surface (surface opposite to the surface in contact with CPU) temperature (T sink) Is shown. Furthermore, the difference between the CPU junction temperature and the heat sink surface temperature (Tj-Tsink), the difference between the heat sink surface temperature and the atmospheric temperature (Tsink-Tair), and the CPU junction and heat sink when the CPU generates heat at 89 W (TDP value). The thermal resistance between the surfaces (Rth (CPU-sink)) and the thermal resistance between the heat sink surface and the atmosphere (Rth (sink-air)) are also shown.
上記評価値は、ＣＰＵ装置２５をパソコンに組み込んで測定した。また、評価する際のパソコンのＯＳ（Operating system）は、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）社のＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ＸＰをとし、評価値の測定には、ＣＰＵに負荷を掛けるためにベンチマークソフトとしてＣｒｙｓｔａｌ Ｍａｒｋ ２００４ Ｒ３を用い、ＣＰＵのジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）を測定するために、Ｏｐｅｎ Ｈａｒｄｗａｒｅ Ｍｏｎｉｔｏｒ ０．５４Ｂを用いた。ヒートシンク放熱面温度は熱電対で測定した。評価値の測定時の大気温度Ｔａｉｒは、２２℃で一定としている。 The evaluation value was measured by incorporating the CPU device 25 into a personal computer. In addition, the OS (Operating System) of the personal computer at the time of evaluation is Windows (registered trademark) XP of Microsoft (registered trademark), and the evaluation value is measured by using the Crystal Mark as benchmark software in order to load the CPU. An Open Hardware Monitor 0.54B was used to measure the CPU junction temperature (CPU Tj) using 2004 R3. The heat sink heat sink surface temperature was measured with a thermocouple. The atmospheric temperature Tair when measuring the evaluation value is constant at 22 ° C.
図１４には、実施例及び比較例の各々のＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）をプロットしたグラフを示している。ＣＰＵジャンクションとヒートシンクとの間にＴＩＭが挿入されるので、上記評価値において重要なのはＣＰＵジャンクションとヒートシンク表面間の熱抵抗（Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ））となる。 FIG. 14 shows a graph in which the CPU junction temperatures (CPU Tj) of the examples and comparative examples are plotted. Since the TIM is inserted between the CPU junction and the heat sink, what is important in the evaluation value is the thermal resistance (Rth (CPU-sink)) between the CPU junction and the heat sink surface.
ＣＰＵのヒートスプレッダの表面温度（Ｔｃａｓｅ）が６７℃（メーカー公開値）を超えると、ＣＰＵの保護のためにＣＰＵ稼働率を抑え、発熱量を低下させてＣＰＵジャンクション温度（Ｔｊ）上昇を抑制する機能（以下、過熱保護機能という）が働く。過熱保護機能が働いた場合は、ＣＰＵ稼動率で接続部材の熱伝導性の比較を行う。 When the surface temperature (Tcase) of the CPU heat spreader exceeds 67 ° C. (manufacturer's published value), the CPU operating rate is suppressed to protect the CPU, the heat generation amount is reduced, and the CPU junction temperature (Tj) rise is suppressed. (Hereinafter referred to as overheat protection function) works. When the overheat protection function works, the thermal conductivity of the connection member is compared based on the CPU operating rate.
ＣＰＵ稼働率が１．０未満の場合には過熱保護機能が働いており、ＣＰＵ稼働率が１．０未満であることは、接続部材１２の熱抵抗が高く放熱が不十分であることを示す。ＴＩＭの熱抵抗値が高いほど、ＣＰＵのヒートスプレッダ温度が早く上昇し、過熱保護機能が早期に働くので、ＣＰＵ稼働率の値が小さくなる。すなわち、ＣＰＵ稼働率が低いほど、ＴＩＭの熱抵抗値が高いということになる。 When the CPU operating rate is less than 1.0, the overheat protection function is working, and the CPU operating rate of less than 1.0 indicates that the thermal resistance of the connecting member 12 is high and heat dissipation is insufficient. . The higher the thermal resistance value of the TIM, the faster the CPU heat spreader temperature rises, and the overheat protection function works earlier, so the value of the CPU operating rate becomes smaller. That is, the lower the CPU operating rate, the higher the thermal resistance value of the TIM.
上記表に示すように、実施例１のＴＩＭ１０を用いた場合のＣＰＵ稼働率は１．０１、ＣＰＵ Ｔｊは７１．５℃、ヒートシンク放熱面温度（Ｔｓｉｎｋ）は５２℃であった。この時のＴｊ−Ｔｓｉｎｋは１９．５℃、Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒは３０℃であり、Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）は０．２１９℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ）は０．３３７℃／Ｗであった。 As shown in the above table, when the TIM 10 of Example 1 was used, the CPU operating rate was 1.01, the CPU Tj was 71.5 ° C., and the heat sink heat dissipation surface temperature (T sink) was 52 ° C. At this time, Tj-Tsink was 19.5 ° C., Tsink-Tair was 30 ° C., Rth (CPU-sink) was 0.219 ° C./W, and Rth (sink-air) was 0.337 ° C./W. It was.
実施例２のＴＩＭ１０を用いた場合のＣＰＵ稼働率は１．００、ＣＰＵ Ｔｊは６８．５℃、ヒートシンク放熱面温度（Ｔｓｉｎｋ）は５１℃であった。この時のＴｊ−Ｔｓｉｎｋは１７．５℃、Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒは２９℃であり、Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）は０．１９７℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ）は０．３２６℃／Ｗであった。 When the TIM 10 of Example 2 was used, the CPU operating rate was 1.00, the CPU Tj was 68.5 ° C., and the heat sink heat dissipation surface temperature (T sink) was 51 ° C. At this time, Tj-Tsink was 17.5 ° C., Tsink-Tair was 29 ° C., Rth (CPU-sink) was 0.197 ° C./W, and Rth (sink-air) was 0.326 ° C./W. It was.
実施例３のＴＩＭ１０を用いた場合のＣＰＵ稼働率は１．０１、ＣＰＵ Ｔｊは６６．８℃、ヒートシンク放熱面温度（Ｔｓｉｎｋ）は５１℃であった。この時のＴｊ−Ｔｓｉｎｋは１５．８℃、Ｔｓｉｎｋ−Ｔａｉｒは２９℃であり、Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）は０．１７７℃／Ｗ、Ｒｔｈ（ｓｉｎｋ−ａｉｒ）は０．３２６℃／Ｗであった。 When the TIM 10 of Example 3 was used, the CPU operating rate was 1.01, the CPU Tj was 66.8 ° C., and the heat sink heat dissipation surface temperature (T sink) was 51 ° C. At this time, Tj-Tsink was 15.8 ° C., Tsink-Tair was 29 ° C., Rth (CPU-sink) was 0.177 ° C./W, and Rth (sink-air) was 0.326 ° C./W. It was.
また、比較例１のＣＰＵ稼働率は０．４５、ＣＰＵ Ｔｊは７８．５℃であり過熱保護機能が動作した。比較例２のＣＰＵ稼働率は０．７６、ＣＰＵ Ｔｊは７５．２℃であり過熱保護機能が動作した。比較例３のＣＰＵ稼働率は０．７０、ＣＰＵ Ｔｊは７５．０℃であり過熱保護機能が動作した。比較例４のＣＰＵ稼働率は０．７７、ＣＰＵ Ｔｊは７５．８℃であり過熱保護機能が動作した。 Further, the CPU operating rate of Comparative Example 1 was 0.45 and the CPU Tj was 78.5 ° C., and the overheat protection function was activated. In Comparative Example 2, the CPU operating rate was 0.76, the CPU Tj was 75.2 ° C., and the overheat protection function was activated. In Comparative Example 3, the CPU operating rate was 0.70, the CPU Tj was 75.0 ° C., and the overheat protection function was activated. In Comparative Example 4, the CPU operating rate was 0.77, the CPU Tj was 75.8 ° C., and the overheat protection function was activated.
ＴＩＭを用いない比較例１のＣＰＵ稼働率０．４５に対して、表面未加工のグラファイトシートをＴＩＭとして用いた比較例２のＣＰＵ稼働率は０．７６と向上している。すなわち、グラファイトシートをＴＩＭとして用いた方が、ＴＩＭを用いない場合よりも接続部の熱抵抗を低下させることができる。しかし、比較例２の場合でも過熱保護機能が動作しており、熱伝導性は十分ではない。 Compared to the CPU operating rate of 0.45 in Comparative Example 1 that does not use TIM, the CPU operating rate of Comparative Example 2 that uses a graphite sheet with an unprocessed surface as TIM is improved to 0.76. That is, the thermal resistance of the connection portion can be reduced when the graphite sheet is used as the TIM than when the TIM is not used. However, even in the case of Comparative Example 2, the overheat protection function operates and the thermal conductivity is not sufficient.
グラファイトシートの平坦性改善と表面荒しを目的にヤスリ削り加工を実施したＴＩＭを用いた比較例３におけるＣＰＵ稼働率は０．７０であり、比較例２と比較して０．０６悪化した。また、未加工のグラファイトシートにグリースを塗布した比較例４のＣＰＵ稼動率は０．７７で比較例２と比較して大差無かった。 The CPU operating rate in Comparative Example 3 using TIM that was filed for the purpose of improving the flatness and surface roughness of the graphite sheet was 0.70, which was 0.06 worse than that in Comparative Example 2. Further, the CPU operation rate of Comparative Example 4 in which grease was applied to an unprocessed graphite sheet was 0.77, which was not significantly different from that of Comparative Example 2.
これは、押圧を加えて表面を削るヤスリ削り加工では、表面のうねりを改善できるが砥粒により細かい線状痕ができ、ＣＰＵのヒートスプレッダやヒートシンクとの隙間空間を増加させてしまい熱抵抗が増加する故と考えられる。また、比較例４のように、グリース等でグラファイトシートとＣＰＵ及びヒートシンクとの隙間空間を埋める方法では、グリースの熱伝導率の低さ故に熱伝導性の改善効果は得られない。 This is because the surface of the file can be improved by applying pressure to the surface, but the waviness of the surface can be improved, but fine line marks are formed by the abrasive grains, which increases the clearance between the CPU heat spreader and heat sink and increases thermal resistance. It is thought that it is because. Further, in the method of filling the gap space between the graphite sheet, the CPU, and the heat sink with grease or the like as in Comparative Example 4, the effect of improving the thermal conductivity cannot be obtained because of the low thermal conductivity of the grease.
表面に薄膜片が形成されている実施例１、実施例２、実施例３のＴＩＭ１０を用いた場合、いずれの場合も、ＣＰＵ稼働率は１．０以上となり、加熱保護機能は働かなかった。また、実施例１、実施例２、実施例３のいずれのＴＩＭ１０を用いた場合も、未加工のグラファイトシートをＴＩＭとして用いた比較例２と比較して、ＣＰＵ Ｔｊは低下した。すなわち、ＣＰＵとヒートシンクとの間のＴＩＭの熱伝導性が著しく向上した（ＴＩＭの熱抵抗が著しく低下した）。 When using TIM10 of Example 1, Example 2, and Example 3 in which the thin film piece was formed in the surface, in any case, CPU operation rate became 1.0 or more, and the heat protection function did not work. In addition, when any of the TIMs of Example 1, Example 2, and Example 3 was used, the CPU Tj decreased compared to Comparative Example 2 in which an unprocessed graphite sheet was used as the TIM. That is, the thermal conductivity of the TIM between the CPU and the heat sink was significantly improved (the thermal resistance of the TIM was significantly reduced).
また、平坦化加工を施した実施例２のＴＩＭ１０を用いた場合、ＣＰＵ Ｔｊは実施例１のＴＩＭ１０を用いた場合に比べ、ＣＰＵジャンクションとヒートシンク表面間の熱抵抗（Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ））は０．０２２Ｗ／ｍ・Ｋ低下し、ＣＰＵジャンクション温度（ＣＰＵ Ｔｊ）は３℃低下した。更に、グラファイトシートの膜厚を０．３ｍｍまで薄くした実施例３のＴＩＭ１０を用いた場合において、実施例２のＴＩＭ１０を用いた場合に対して、Ｒｔｈ（ＣＰＵ−ｓｉｎｋ）は０．０２Ｗ／ｍ・Ｋ低下し、ＣＰＵ Ｔｊは１．７℃低下した。即ち、毛羽立て加工、並びに平坦化加工及び薄膜化加工をグラファイトシートに行うことで、熱抵抗値の低い良好なＴＩＭを形成できることがわかった。 Further, when the TIM 10 of Example 2 subjected to planarization is used, the CPU Tj has a thermal resistance (Rth (CPU-sink)) between the CPU junction and the heat sink surface as compared with the case where the TIM 10 of Example 1 is used. Decreased by 0.022 W / m · K, and the CPU junction temperature (CPU Tj) decreased by 3 ° C. Further, when the TIM 10 of Example 3 in which the film thickness of the graphite sheet is reduced to 0.3 mm is used, Rth (CPU-sink) is 0.02 W / m compared to the case of using the TIM 10 of Example 2. -K decreased and CPU Tj decreased 1.7 ° C. That is, it was found that a good TIM with a low thermal resistance value can be formed by performing fluffing, flattening and thinning on a graphite sheet.
本発明によれば、ＴＩＭを構成するグラファイトシートの表面に薄膜片を設けることによって、ＴＩＭを発熱体と放熱体との間に配した場合の、発熱体と放熱体との間の熱経路における熱抵抗を低減し、発熱体からの熱放散を良好にすることが可能である。また、本発明によれば、グラファイトシートの表面に薄膜片を簡便な方法で形成することで、熱抵抗の非常に低いＴＩＭを安価に製造することが可能である。 According to the present invention, by providing a thin film piece on the surface of the graphite sheet constituting the TIM, in the heat path between the heating element and the radiator when the TIM is arranged between the heating element and the radiator. It is possible to reduce thermal resistance and improve heat dissipation from the heating element. In addition, according to the present invention, a TIM having a very low thermal resistance can be manufactured at low cost by forming a thin film piece on the surface of a graphite sheet by a simple method.
また、本発明のＴＩＭによれば、グラファイトシートと発熱体や放熱体との密着性を向上させるために、グリースや粘着シートまたは樹脂等を使用なくともよい。従って、本発明のＴＩＭを使用する場合、例えば、発熱体または放熱体の取り外しを必要とする場合に、粘着シートや樹脂等の残渣処理をしなくてよい等、非常に取り扱いが容易となる。 In addition, according to the TIM of the present invention, it is not necessary to use grease, an adhesive sheet, a resin, or the like in order to improve the adhesion between the graphite sheet and the heating element or the heat dissipation element. Accordingly, when the TIM of the present invention is used, for example, when it is necessary to remove the heat generating body or the heat radiating body, it is very easy to handle, such as eliminating the need for residue treatment such as an adhesive sheet or resin.
上記実施例で用いたグラファイトシートは、天然黒鉛の小片をバインダーなしに圧延してシート状に形成した製品である。そのため毛羽立て加工により細かくランダムなフレア状薄膜片が形成できる。このように、小片からシート状に形成したグラファイトシートは本発明に適したグラファイトシートと言える。 The graphite sheet used in the above examples is a product formed by rolling a small piece of natural graphite without a binder into a sheet shape. Therefore, fine and random flared thin film pieces can be formed by fluffing. Thus, a graphite sheet formed from a small piece into a sheet can be said to be a graphite sheet suitable for the present invention.
一方、高分子のシートを炭化させて形成されたグラファイトシートもある。このような製品は、上記毛羽立て加工によりフレア状の薄膜片が大きく形成されるので上記実施例に使用するには若干不向きである。しかし、実施例２の平坦化加工を行い、最表面に所望の薄膜片の大きさに応じて、三角形や四角形等の切り込みを形成すれば問題なく使用できる。 On the other hand, there is also a graphite sheet formed by carbonizing a polymer sheet. Such a product is slightly unsuitable for use in the above embodiment because flare-like thin film pieces are formed largely by the fluffing process. However, if the flattening process of Example 2 is performed and notches such as a triangle or a quadrangle are formed on the outermost surface in accordance with the size of the desired thin film piece, it can be used without any problem.
上記実施例においては、発熱体と放熱体との間にＴＩＭ１０を挟み込むＣＰＵ装置について説明したが、図１５に示すように、放熱体としてのヒートシンク２３と当該ヒートシンク上に配されるＴＩＭ１０とで熱放散装置５０を形成することとしてもよい。この場合、例えば、ＴＩＭ１０の表面のうちヒートシンク２３と接する表面のみに上記実施例と同様の薄膜片を形成することとしてもよい。 In the above embodiment, the CPU device is described in which the TIM 10 is sandwiched between the heat generating body and the heat radiating body. However, as shown in FIG. 15, heat is generated by the heat sink 23 as the heat radiating body and the TIM 10 disposed on the heat sink. The diffusion device 50 may be formed. In this case, for example, a thin film piece similar to the above embodiment may be formed only on the surface of the TIM 10 that contacts the heat sink 23.
また、上記実施例においては、薄膜片は三次薄膜片まで形成されるとしたが、三次薄膜片の表面に四次薄膜片が形成されていてもよく。さらに高次の薄膜片が形成されていてもよい。また、二次以上の薄膜片は必ず形成されるわけでは無く、一次薄膜片の表面にさらに二次以上の薄膜片が形成されていなくともよい。 Moreover, in the said Example, although the thin film piece was formed even to the tertiary thin film piece, the quaternary thin film piece may be formed in the surface of the tertiary thin film piece. Further, higher-order thin film pieces may be formed. Further, the secondary or higher thin film piece is not necessarily formed, and the secondary or higher thin film piece may not be formed on the surface of the primary thin film piece.
また、上記実施例においては、放熱体としてＣＰＵを例に挙げたが、本発明のＴＩＭは他の発熱体に対しても利用可能である。例えば、ＬＥＤ素子等の半導体発光素子とヒートシンク等の放熱体との間に本発明のＴＩＭが用いられてもよい。 Moreover, in the said Example, although CPU was mentioned as an example as a heat radiator, TIM of this invention can be utilized also with respect to another heat generating body. For example, the TIM of the present invention may be used between a semiconductor light emitting element such as an LED element and a heat radiator such as a heat sink.
上述した実施例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途に応じて、適宜選択することができる。 Various numerical values, dimensions, materials, and the like in the above-described embodiments are merely examples, and can be appropriately selected depending on the application.
１０ ＴＩＭ
１１ グラファイトシート
１３ 薄膜片
１３ａ 一次薄膜片
１３ｂ 二次薄膜片
１３ｃ 三次薄膜片
１５ 粘着シート
２１ ＣＰＵ
２１ａ ヒートスプレッダ
２３ ヒートシンク
２５ ＣＰＵ装置
２７ クーリングファン
３１ 突起を有するローラー
３３ 窪み構造
３５ 平坦なローラー
５０ 熱放散装置
10 TIM
11 Graphite sheet 13 Thin film piece 13a Primary thin film piece 13b Secondary thin film piece 13c Tertiary thin film piece 15 Adhesive sheet 21 CPU
21a Heat spreader 23 Heat sink 25 CPU device 27 Cooling fan 31 Roller 33 with protrusions Depression structure 35 Flat roller 50 Heat dissipation device
Claims (8)
前記グラファイトシートは、前記主面と平行な表面に、前記表面から少なくとも一部が繋がり層状に剥離されている複数のフレア状の構造体を有していることを特徴とする熱界面材料。 A thermal interface material composed of a graphite sheet whose principal surface is a plane including the a-axis and b-axis of a graphite crystal,
The thermal interface material, wherein the graphite sheet has a plurality of flare-like structures that are at least partially connected from the surface and separated in a layered manner on a surface parallel to the main surface.
前記熱界面材料の一方の表面に設けられている放熱手段と、を含み、
前記グラファイトシートの前記一方の表面には、前記表面から少なくとも一部が繋がり層状に剥離されている複数のフレア状の構造体が形成されていることを特徴とする熱放散装置。 A thermal interface material composed of a graphite sheet whose principal surface is a plane including the a-axis and b-axis of the graphite crystal;
Heat dissipation means provided on one surface of the thermal interface material,
A heat dissipating apparatus according to claim 1, wherein a plurality of flare-like structures are formed on the one surface of the graphite sheet.
前記グラファイトシートは、グラファイト結晶のａ軸及びｂ軸を包含する面を主面とし、
前記方法は、前記グラファイトシートの前記主面と平行な表面に、粘着シートを貼り付けて、前記粘着シートを前記表面から引きはがすことによって前記表面に、前記表面から少なくとも一部が繋がり層状に剥離されてなるフレア状の構造体を形成するステップを含むことを特徴とする熱界面材料の製造方法。 A method for producing a thermal interface material comprising a graphite sheet,
The graphite sheet has a plane including the a-axis and b-axis of the graphite crystal as a main surface,
In the method, the pressure-sensitive adhesive sheet is attached to a surface parallel to the main surface of the graphite sheet, and the pressure-sensitive adhesive sheet is peeled off from the surface, whereby at least a part is connected to the surface and peeled in a layered manner. The manufacturing method of the thermal interface material characterized by including the step of forming the flare-like structure formed by this.
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