JP2010251466A - Heat dissipation substrate - Google Patents

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JP2010251466A JP2009098225A JP2009098225A JP2010251466A JP 2010251466 A JP2010251466 A JP 2010251466A JP 2009098225 A JP2009098225 A JP 2009098225A JP 2009098225 A JP2009098225 A JP 2009098225A JP 2010251466 A JP2010251466 A JP 2010251466A
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Takao Saito
貴夫 齋藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for dissipation heat at a heat generating body and its periphery, in the substrate of a semiconductor device, with high thermal conductivity. <P>SOLUTION: The heat-dissipation substrate 10 is formed by arranging many graphite sheets which are rectangular in plan view such that one side of each of the graphite sheets forms a part of a surface to be mounted with a semiconductor device 1 of the substrate 10 and another side sharing a vertex with the one side is in the thickness direction of the substrate, and then charging metal material 22 between the many graphite sheets. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体発光装置に代表される発熱体を搭載する基板、特に放熱性を有する基板に関する。   The present invention relates to a substrate on which a heating element typified by a semiconductor light emitting device is mounted, and more particularly to a substrate having heat dissipation properties.

近年、各種半導体装置は、高性能化により消費電力が加速度的に上昇しており、これに伴って発熱量が増えている。   In recent years, the power consumption of various semiconductor devices has increased at an accelerated pace due to higher performance, and the amount of heat generated has increased accordingly.

以上のような半導体装置の放熱対策の一例として、熱伝導性・熱拡散性に優れた搭載用基板の採用が考えられる。上記基板の一例としては、メタルコア基板やセラミック基板が実用化されている。   As an example of measures for heat dissipation of the semiconductor device as described above, it is conceivable to employ a mounting substrate having excellent thermal conductivity and thermal diffusivity. As an example of the substrate, a metal core substrate or a ceramic substrate has been put into practical use.

また、最近では金属よりも熱伝導率の高い基板材料として、炭素材料が注目されている。特に、グラファイトは、結晶構造の特徴から熱伝導率に異方性はあるものの、銅と比較して2から3倍の熱伝導率を有することが知られている。   Recently, carbon materials have attracted attention as substrate materials having higher thermal conductivity than metals. In particular, graphite is known to have a thermal conductivity 2 to 3 times that of copper, although it has anisotropy in thermal conductivity due to the characteristics of the crystal structure.

この炭素材料を放熱基板に応用しようという取り組みとして、回路基板の半田面が接する樹脂シャーシの一面にグラファイトシートをインサート成形した構造(例えば、特許文献1参照)、炭素繊維を厚さ方向に配列させ、液状硬化材料を用いて一体化した炭素複合板(例えば、特許文献2参照)、あるいは、長鎖状のカーボンナノチューブをアルミ粉末と焼結させて一体化した複合材料が開示されている(例えば、特許文献3参照)。   As an effort to apply this carbon material to a heat dissipation board, a structure in which a graphite sheet is insert-molded on one surface of a resin chassis with which a solder surface of a circuit board is in contact (for example, see Patent Document 1), carbon fibers are arranged in the thickness direction. In addition, a carbon composite plate integrated using a liquid curable material (see, for example, Patent Document 2) or a composite material in which long-chain carbon nanotubes are integrated with aluminum powder is disclosed (for example, And Patent Document 3).

特開2006−319134号公報JP 2006-319134 A 特開平11−054677号公報JP-A-11-054677 WO2005/040067号公報WO2005 / 040067 publication

ところで、半導体発光装置の一種である発光ダイオード装置(以下、LEDとも称する)においても、明るさ(性能)の向上に伴って消費電力が上昇している。   Incidentally, even in a light-emitting diode device (hereinafter also referred to as an LED) which is a kind of semiconductor light-emitting device, power consumption increases as brightness (performance) increases.

LEDにおける性能向上(それに伴う消費電力の上昇)による問題点として、発光時に投入した電力の大部分が熱となるため、その熱によって明るさ(性能)が低下してしまうという事象が挙げられる。以上の要因より、LEDの所望の性能を得るためには、LEDを適正な温度環境で使用することが求められている。   As a problem due to the performance improvement in LED (the increase in power consumption associated therewith), since most of the power input at the time of light emission becomes heat, there is an event that brightness (performance) is reduced by the heat. From the above factors, in order to obtain the desired performance of the LED, it is required to use the LED in an appropriate temperature environment.

特に、照明用LED光源の場合には、一つのチップあたりの面積が非常に小さい上に高消費電力(チップあたり数[W]の高熱を発する)であり、このようなLEDを複数密接して配置することが多々ある。このため、照明用LED光源の場合には、特に発熱密度(面積あたりの発熱量)が高く、この熱量を広い領域に拡散する対策が急務となっている。   In particular, in the case of an LED light source for illumination, the area per chip is very small and the power consumption is high (emits a high heat of several [W] per chip). There are many arrangements. For this reason, in the case of an LED light source for illumination, the heat generation density (heat generation amount per area) is particularly high, and measures to diffuse this heat amount over a wide area are urgently needed.

つまり、照明用LED光源に代表されるような高発熱密度デバイスを効率よく冷却するためには、放熱板の面方向の熱伝導率を向上させ、熱拡散によって発熱密度を下げることが重要である。さらに、厚み方向の熱伝導率も同時に高められれば、よりいっそうの放熱効果が期待できる。   That is, in order to efficiently cool a high heat generation density device represented by an LED light source for illumination, it is important to improve the heat conductivity in the surface direction of the heat sink and lower the heat generation density by thermal diffusion. . Furthermore, if the thermal conductivity in the thickness direction can be increased at the same time, a further heat radiation effect can be expected.

しかしながら、上記従来の技術には、以下のような問題があった。
特許文献1に開示された発明では、樹脂シャーシの一面にインサート成形されたグラファイトシートによって当該面方向の熱拡散は高められるものの、厚み方向の熱拡散はグラファイトシートとインサート成形される金属や熱伝導率の低い樹脂材料の熱伝導率に依存することになる。このため、特許文献の発明では、厚み方向への効率の良い放熱が得られないことが考えられる。
However, the conventional technique has the following problems.
In the invention disclosed in Patent Document 1, although the thermal diffusion in the surface direction is enhanced by the graphite sheet insert-molded on one surface of the resin chassis, the thermal diffusion in the thickness direction is affected by the metal inserted into the graphite sheet and the heat conduction. It depends on the thermal conductivity of the resin material having a low rate. For this reason, in the patent document invention, it is considered that efficient heat dissipation in the thickness direction cannot be obtained.

また、特許文献2および特許文献3に開示された発明では、配列された炭素繊維やカーボンナノチューブによって厚み方向の熱伝導率は高められるものの、これら熱伝導率の高い材料を母材で一体化させるという構造上、面方向の熱拡散についてはその母材(熱伝導率の低い樹脂やアルミニウム)の熱伝導率に依存することになる。したがって、特許文献2および特許文献3に開示された発明では、面方向の熱拡散については母材の熱伝導率に依存するため、面方向への効率の良い放熱は得られないことが考えられる。   In the inventions disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3, although the thermal conductivity in the thickness direction is increased by the arranged carbon fibers and carbon nanotubes, these materials having high thermal conductivity are integrated with a base material. Therefore, the thermal diffusion in the plane direction depends on the thermal conductivity of the base material (resin or aluminum having low thermal conductivity). Therefore, in the inventions disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3, it is considered that efficient heat dissipation in the plane direction cannot be obtained because the thermal diffusion in the plane direction depends on the thermal conductivity of the base material. .

以上のように、炭素材料あるいは炭素材料を含む複合材料は、その材料を構成する炭素材料の結晶構造に起因する熱伝導率の異方性を有していた。   As described above, a carbon material or a composite material containing a carbon material has anisotropy in thermal conductivity due to the crystal structure of the carbon material constituting the material.

本発明は以上の点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、半導体装置の基板において発熱体を含むその周囲の熱を高い熱伝導率で拡散する技術を提供することをその解決すべき課題とする。   The present invention has been made in view of the above points. That is, an object of the present invention is to provide a technique for diffusing the surrounding heat including a heating element in a substrate of a semiconductor device with high thermal conductivity.

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明は、シート平面方向の熱伝導率がシート厚み方向の熱伝導率よりも高い平面視矩形状をなすグラファイトシートの一辺が基板の半導体装置搭載面の一部をなすように、その一辺と頂点を共有する他辺が基板の厚み方向となるように(グラファイトシートのシート面が基板の厚み方向を向くように)多数配置され、多数のグラファイトシート間には金属材料が充填されることで形成される放熱性基板である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following means.
That is, the present invention is such that one side of the graphite sheet having a rectangular shape in a plan view whose thermal conductivity in the sheet plane direction is higher than the thermal conductivity in the sheet thickness direction forms part of the semiconductor device mounting surface of the substrate. A large number are arranged so that the other side sharing the apex with one side is the thickness direction of the substrate (so that the sheet surface of the graphite sheet faces the thickness direction of the substrate), and a metal material is filled between the many graphite sheets This is a heat dissipating substrate.

以上のように構成することで、本発明は、基板の厚み方向においては、当該方向にグラファイトシートのシート面が配置されることにより、高い熱伝導率を有する。そして、多数のグラファイトシートの間に金属材料を充填することで、本発明は単一の板材として利用できる。   By comprising as mentioned above, this invention has high thermal conductivity in the thickness direction of a board | substrate by arrange | positioning the sheet | seat surface of a graphite sheet in the said direction. And this invention can be utilized as a single board | plate material by filling a metal material between many graphite sheets.

従って、本発明によれば、半導体装置の基板において発熱体を含むその周囲の熱を高い熱伝導率により効率よく拡散することができる。   Therefore, according to the present invention, the surrounding heat including the heating element can be efficiently diffused with high thermal conductivity in the substrate of the semiconductor device.

また、本発明は、グラファイトシートが、一辺の頂点の一つが発熱体搭載位置を含むその近傍に配置され、他の頂点が発熱体搭載面平面視放射状外方に位置するように配置されるようにしてもよい。   Further, according to the present invention, the graphite sheet is arranged so that one of the apexes on one side is disposed in the vicinity thereof including the heating element mounting position, and the other apex is positioned radially outward in a plan view of the heating element mounting surface. It may be.

本発明は、矩形状のグラファイトシートを、半導体装置の搭載位置を中心として、一辺が基板の半導体装置搭載面の一部をなすように、この一辺と頂点を共有する他の辺が基板の厚み方向となるように(グラファイトシートのシート面が基板の厚み方向となるように)多数配置する。つまり、本発明では、半導体装置搭載位置を車輪のハブとしてグラファイトシートをスポークとしたように多数配置する。そして、本発明では、この多数のグラファイトシート間に金属材料を充填することにより、一つの複合材料としている。   In the present invention, a rectangular graphite sheet is formed such that one side forms a part of the semiconductor device mounting surface of the substrate with the semiconductor device mounting position as the center, and the other side sharing the vertex with the one side is the thickness of the substrate. A large number of them are arranged so that they are in the same direction (so that the sheet surface of the graphite sheet is in the thickness direction of the substrate). That is, in the present invention, a large number of graphite sheets are arranged as spokes with the semiconductor device mounting position as the wheel hub. And in this invention, it is set as one composite material by filling a metal material between these many graphite sheets.

以上のように構成することで、本発明は、半導体装置搭載面においては、当該搭載位置を中心に放射状にグラファイトシートの長辺が多数配置されることにより、高い熱伝導率を有する。また、本発明は、基板の厚み方向においては、当該方向にグラファイトシートのシート面が配置されることにより、高い熱伝導率を有する。そして、多数のグラファイトシートの間に金属材料を充填することで、本発明は単一の板材として利用できる。
従って、本発明によれば、半導体装置の基板において発熱体を含むその周囲の熱を当該基板の面方向及び厚み方向の何れにも拡散することができる。
By configuring as described above, the present invention has a high thermal conductivity on the semiconductor device mounting surface by arranging a large number of long sides of the graphite sheet radially around the mounting position. Moreover, this invention has high heat conductivity in the thickness direction of a board | substrate by arrange | positioning the sheet | seat surface of a graphite sheet in the said direction. And this invention can be utilized as a single board | plate material by filling a metal material between many graphite sheets.
Therefore, according to the present invention, the surrounding heat including the heating element can be diffused in both the surface direction and the thickness direction of the substrate of the semiconductor device.

また、本発明は、金属材料が、アルミニウム、アルミニウム合金のいずれかであってもよい。さらに、非金属材料ではあるが金属材料の好適な代替材料としてアルミナを用いてもよい。   In the present invention, the metal material may be aluminum or an aluminum alloy. Furthermore, although it is a non-metallic material, alumina may be used as a suitable alternative material for the metallic material.

以上のように、本発明によれば、半導体装置の基板において発熱体を含むその周囲の熱を当該基板周囲の熱を高い熱伝導率で拡散する技術を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a technique for diffusing heat around a substrate including a heating element in the substrate of the semiconductor device with high thermal conductivity.

本発明の一実施の形態にかかる基板の上面斜視図である。1 is a top perspective view of a substrate according to an embodiment of the present invention. 本実施の形態にかかる基板の上面透視斜視図である。It is an upper surface see-through perspective view of the substrate concerning this embodiment. 本実施の形態にかかる基板内部に含まれる、グラファイトシートの構成、及びこのグラファイトシートにより構成される熱拡散部の構成を示す上面斜視図である。It is an upper surface perspective view which shows the structure of the graphite sheet contained in the inside of the board | substrate concerning this Embodiment, and the structure of the thermal-diffusion part comprised by this graphite sheet. 本実施の形態の基板の温度分布の上面図である。It is a top view of the temperature distribution of the board | substrate of this Embodiment. 基板の温度分布の基板中央部における断面図である。It is sectional drawing in the board | substrate center part of the temperature distribution of a board | substrate. 比較例1における温度分布の上面図である。6 is a top view of a temperature distribution in Comparative Example 1. FIG. 比較例1における基板中央の断面図である。5 is a cross-sectional view of the center of a substrate in Comparative Example 1. FIG. 第2の実施の形態の基板の構造を示す上面透視斜視図である。It is a top see-through perspective view showing the structure of the substrate of the second embodiment. 第2の実施の形態の基板の搭載面中央にLEDを搭載し、同条件で熱解析を行った結果を示す搭載面の上面図である。It is a top view of the mounting surface which shows the result of having mounted LED in the center of the mounting surface of the board | substrate of 2nd Embodiment, and having performed the thermal analysis on the same conditions. 図9のb−b断面図である。It is bb sectional drawing of FIG. 図9のc−c断面図である。It is cc sectional drawing of FIG.

まず、本発明の概要について説明する。
本発明では、放熱性の高い(高い熱拡散率を有する)基板を構成するにあたり、高い熱拡散を有する材料の一つであるグラファイトシートに着目した。そして、本発明は、このグラファイトシートを半導体装置搭載面に対して直立(基板の厚み方向にグラファイトシートのシート面が向くように)させて使用する。つまり、本発明の第1の要旨としては、基板の厚み方向の熱伝導率を向上させることとした。
First, an outline of the present invention will be described.
In the present invention, attention is paid to a graphite sheet which is one of materials having high thermal diffusion in constructing a substrate having high heat dissipation (having a high thermal diffusivity). In the present invention, this graphite sheet is used upright with respect to the semiconductor device mounting surface (so that the sheet surface of the graphite sheet faces the thickness direction of the substrate). That is, the first gist of the present invention is to improve the thermal conductivity in the thickness direction of the substrate.

次に、本発明は、上述のように半導体装置搭載面に対して直立させたグラファイトシートを、半導体装置搭載位置を中心に円形放射状に配置する。つまり、本発明の第2の要旨としては、基板の厚み方向に加え面方向の熱拡散性を同時に向上させることとした。   Next, according to the present invention, the graphite sheet, which is upright with respect to the semiconductor device mounting surface as described above, is arranged in a circular radial pattern around the semiconductor device mounting position. That is, the second gist of the present invention is to simultaneously improve the thermal diffusivity in the surface direction in addition to the thickness direction of the substrate.

さらに、本発明は、上述のように炭素材料(グラファイトシート)だけで半導体装置を搭載する基板としては機械的強度が不足するので、金属材料をグラファイトシートの隙間に流し込んで一体化させた。つまり、本発明の第3の要旨は、熱拡散性の向上とともに強度と成形性・取扱性を満足させることとした。   Furthermore, since the present invention has insufficient mechanical strength as a substrate on which a semiconductor device is mounted only with a carbon material (graphite sheet) as described above, the metal material is poured into the gap between the graphite sheets and integrated. That is, the third gist of the present invention is to satisfy the strength, moldability and handleability as well as the improvement of thermal diffusibility.

基板10の外形について説明する。
図1は、本発明の一実施の形態にかかる基板10の(半導体装置搭載面を上面とする)上面斜視図である。また、図2は、本実施の形態にかかる基板10の上面透視斜視図である。図1,2を参照すれば、基板10は、半導体装置の一例である発光ダイオード1を搭載する搭載面11と、その搭載面11と辺を共有する4つの厚み方向の側面12と、搭載面11の裏面13を有し、搭載面11及び裏面13が側面12より大きな面積を有する概略立方体形状である。
The outer shape of the substrate 10 will be described.
FIG. 1 is a top perspective view of a substrate 10 according to an embodiment of the present invention (with a semiconductor device mounting surface as an upper surface). FIG. 2 is a top perspective view of the substrate 10 according to the present embodiment. Referring to FIGS. 1 and 2, a substrate 10 includes a mounting surface 11 on which a light emitting diode 1 which is an example of a semiconductor device is mounted, four side surfaces 12 in the thickness direction sharing sides with the mounting surface 11, and a mounting surface. The mounting surface 11 and the back surface 13 have a substantially cubic shape having an area larger than that of the side surface 12.

発熱源である発光ダイオード1は、例えば照明用途の発光ダイオード(以下、LEDとも称する)が挙げられる。発光ダイオード1は、搭載面11の上層に施されたNi/Auメッキ部分に対して、AuSn共晶はんだを用いて接合する。   Examples of the light-emitting diode 1 that is a heat source include a light-emitting diode (hereinafter also referred to as an LED) for illumination. The light emitting diode 1 is bonded to the Ni / Au plated portion provided on the upper layer of the mounting surface 11 using AuSn eutectic solder.

次に、基板10の構成について、図2を参照して説明する。
基板10は、搭載面11の半導体装置搭載位置を中心とした中心部21として、多数の矩形状のグラファイトシートにより構成される熱拡散部20を備える。また、基板10は、この熱拡散部20の周囲に充填することで上述の基板10の概略立方体の外形形状を構成する金属材料22を備える。
Next, the configuration of the substrate 10 will be described with reference to FIG.
The substrate 10 includes a heat diffusing portion 20 composed of a number of rectangular graphite sheets as a central portion 21 centering on the mounting position of the semiconductor device on the mounting surface 11. In addition, the substrate 10 includes a metal material 22 that forms a substantially cubic outer shape of the substrate 10 by filling the periphery of the thermal diffusion unit 20.

図3は、本実施の形態にかかる基板10内部に含まれる、グラファイトシートの構成、及びこのグラファイトシートにより構成される熱拡散部20の構成を示す上面斜視図である。   FIG. 3 is a top perspective view showing the configuration of the graphite sheet and the configuration of the thermal diffusion unit 20 configured by the graphite sheet included in the substrate 10 according to the present embodiment.

グラファイトシート100は、長辺101a,101bと短辺102a,102bを有する(縦(短辺)5mm×横(長辺)25mm)矩形状のシート材料である。   The graphite sheet 100 is a rectangular sheet material having long sides 101a and 101b and short sides 102a and 102b (vertical (short side) 5 mm × horizontal (long side) 25 mm).

ここで、本発明におけるグラファイトシートについては、様々なものを適宜用いることができるが、熱拡散の向上の観点から、面方向の熱伝導率が500[W/m・K]以上のものを用いることが望ましい。なお、厚み方向の熱伝導率は、10〜50[W/m・K]が一般的な値である。   Here, various graphite sheets in the present invention can be used as appropriate, but from the viewpoint of improving thermal diffusion, those having a thermal conductivity in the plane direction of 500 [W / m · K] or more are used. It is desirable. In addition, 10-50 [W / m * K] is a general value for the thermal conductivity in the thickness direction.

本実施の形態では、面方向の熱伝導率が1000[W/m・K]、厚み方向の熱伝導率が50[W/m・K]、厚さ200[μm]のグラファイトシート100を用いた。   In the present embodiment, a graphite sheet 100 having a thermal conductivity in the plane direction of 1000 [W / m · K], a thermal conductivity in the thickness direction of 50 [W / m · K], and a thickness of 200 [μm] is used. It was.

熱拡散部20は、図3に示したように中心部21からグラファイトシート100の長辺101a(本発明の一辺に相当)が平面視円形放射状に並ぶように(発光ダイオード1の搭載位置を車輪のハブとして平面視でスポークを張るように)、長辺101aと頂点を共有する短辺102a,102b(本実施の形態の他辺に相当)が基板10の厚み方向となるように多数配列させて構成される。   As shown in FIG. 3, the heat diffusing unit 20 is arranged such that the long side 101a (corresponding to one side of the present invention) of the graphite sheet 100 is arranged radially in a plan view from the center part 21 (the mounting position of the light emitting diode 1 is set to a wheel A large number of short sides 102a and 102b (corresponding to the other sides of the present embodiment) sharing the apex with the long side 101a are arranged in the thickness direction of the substrate 10. Configured.

多数のグラファイトシート100を半導体装置搭載面と垂直にシート面を配列して熱拡散部20を構成することで、本実施の形態の基板10は、グラファイトシート100のシート面が有する高い熱伝導率により発光ダイオード1の搭載位置から厚み方向(短辺102a,102b方向)に効率よく熱拡散することができる。   By arranging a large number of graphite sheets 100 so that the sheet surfaces are arranged perpendicularly to the semiconductor device mounting surface to form the thermal diffusion section 20, the substrate 10 of the present embodiment has a high thermal conductivity that the sheet surface of the graphite sheet 100 has. Thus, it is possible to efficiently diffuse the heat from the mounting position of the light emitting diode 1 in the thickness direction (short side 102a, 102b direction).

また、本実施の形態の基板10は、発光ダイオード1の搭載位置から搭載面11において放射状にグラファイトシート100を配置して熱拡散部20を構成したことにより、搭載面11方向にも高い熱伝導率で熱拡散することができる。   Further, the substrate 10 of the present embodiment is configured such that the thermal diffusion portion 20 is configured by arranging the graphite sheet 100 radially from the mounting position of the light emitting diode 1 on the mounting surface 11, so that high heat conduction is also achieved in the direction of the mounting surface 11. Can diffuse at a rate.

なお、上述のように平面視放射状にグラファイトシート100を配列した場合には、外周方向に向かうにつれて個々のグラファイトシート100の間隔が広がる。そこで、本実施の形態の基板10の熱拡散部20では、グラファイトシート100のサイズより小さく切断したグラファイトシートをグラファイトシート100の間に挿入することで、グラファイトシートの密度(単位面積あたりのグラファイトシートの占める割合)を高めてもよい。   In addition, when the graphite sheets 100 are arranged radially in a plan view as described above, the intervals between the individual graphite sheets 100 increase in the outer circumferential direction. Therefore, in the thermal diffusion section 20 of the substrate 10 of the present embodiment, the graphite sheet is cut to a size smaller than the size of the graphite sheet 100 and inserted between the graphite sheets 100, so that the density of the graphite sheets (graphite sheets per unit area). May be increased).

つまり、本実施の形態において、熱拡散部20は、グラファイトシート100の間にグラファイトシート200を挿入し、グラファイトシート100とグラファイトシート200との間にグラファイトシート300を挿入し、グラファイトシート100とグラファイトシート300との間にグラファイトシート400を挿入し、グラファイトシート200とグラファイトシート300との間にグラファイトシート500を挿入し、平面視グラファイトシートの長辺の頂点位置が4重円となるようにした。   That is, in the present embodiment, the thermal diffusion unit 20 inserts the graphite sheet 200 between the graphite sheets 100, inserts the graphite sheet 300 between the graphite sheets 100, and the graphite sheet 100 and graphite. The graphite sheet 400 is inserted between the sheet 300 and the graphite sheet 500 is inserted between the graphite sheet 200 and the graphite sheet 300 so that the vertex position of the long side of the graphite sheet in plan view is a quadruple circle. .

なお、熱拡散部20の作成にあたり、グラファイトシート100の長辺101aが接する中心部21を含む接合部分は、例えばエポキシ系の接着剤(不図示)を用いて接合する。   In creating the thermal diffusion portion 20, the joining portion including the central portion 21 with which the long side 101a of the graphite sheet 100 contacts is joined using, for example, an epoxy-based adhesive (not shown).

そして、基板10は、上述の通り構成された熱拡散部20の周囲を、金属材料22を充填することで上述の通り概略立方体の外形形状を定める。この金属材料22としては、本実施の形態ではアルミニウムを用いる。   The substrate 10 is filled with a metal material 22 around the thermal diffusion portion 20 configured as described above, thereby defining a substantially cubic external shape as described above. As the metal material 22, aluminum is used in the present embodiment.

本発明において、金属材料22の充填方法は、多数のグラファイトシート間を充填し熱拡散部20の外形形状を定めることができればよいため、特に限定されない。本実施の形態では、本発明のような混合材料の焼結に最適とされる放電プラズマ焼結法を用いた。   In the present invention, the filling method of the metal material 22 is not particularly limited as long as it can fill between a large number of graphite sheets and determine the outer shape of the heat diffusion portion 20. In this embodiment, the discharge plasma sintering method, which is optimal for sintering the mixed material as in the present invention, is used.

本実施の形態において熱拡散部20の周囲に充填するアルミニウムは、グラファイトシートの間に充填して焼結するため、アルミ粉末を用いる。このとき、アルミ粉末の平均粒径は、50[μm]程度が望ましい。   In the present embodiment, the aluminum filled around the thermal diffusion section 20 is filled with a graphite sheet and sintered, so that aluminum powder is used. At this time, the average particle diameter of the aluminum powder is desirably about 50 [μm].

また、アルミ粉末の形状は、球体・繊維状・不定形・樹木状など、特に限定されず種々形態のものも適宜利用することが出来る。   The shape of the aluminum powder is not particularly limited, such as a sphere, a fiber, an indeterminate shape, or a tree shape, and various shapes can be used as appropriate.

[基板の熱拡散性の検証]
以上のように作成した本実施の形態の基板10の放熱性能について、従来の基板との熱拡散の様子を可視化して比較するため、熱伝導解析を行った。以下に、基板10と比較例との検証結果を説明する。
[Verification of thermal diffusivity of substrate]
In order to visualize and compare the heat diffusing performance of the substrate 10 of the present embodiment created as described above with respect to the state of thermal diffusion with the conventional substrate, a heat conduction analysis was performed. Below, the verification result of the board | substrate 10 and a comparative example is demonstrated.

なお、本実施の形態の基板10との比較対象として、内部にグラファイトシートを包含しない純アルミ材料の板材(メタルコア基板を想定したもの)を比較例1として用い、純銅材料の板材を比較例2として用いた。   In addition, as a comparison object with the substrate 10 of the present embodiment, a pure aluminum material plate material that does not include a graphite sheet therein (assuming a metal core substrate) is used as Comparative Example 1, and a pure copper material plate material is used as Comparative Example 2. Used as.

基板10と比較例との共通の境界条件を以下説明する。
発熱源は、1[mm]角の照明用途の発光ダイオード(以下、LEDとも称する)とし、投入電力を5[W]とした。LEDは、各基板表面に施されたNi/Auメッキ部分に、AuSn共晶はんだによって接合した。
A common boundary condition between the substrate 10 and the comparative example will be described below.
The heat source was a 1 [mm] square light emitting diode (hereinafter also referred to as LED) for illumination, and the input power was 5 [W]. The LED was bonded to the Ni / Au plated portion provided on the surface of each substrate by AuSn eutectic solder.

各基板のLED搭載面の裏面(下面)には、LEDの発熱を十分に冷却できるだけの能力を持つ、一辺10[cm]程度の概略立方体形状のヒートシンクを接続した。   To the back surface (lower surface) of the LED mounting surface of each substrate, a heat sink having an approximately cubic shape with a side of about 10 [cm] having a capacity capable of sufficiently cooling the heat generated by the LED was connected.

なお、発熱体あたりの基板下面の熱伝達率は、基板そのもの放熱性能を比較するために、実施例・比較例のすべてにおいて同一の値(基板下面に接続されたヒートシンクの冷却性能は同一)となるようにした。   Note that the heat transfer coefficient on the lower surface of the substrate per heating element is the same value in all the examples and comparative examples in order to compare the heat dissipation performance of the substrate itself (the cooling performance of the heat sink connected to the lower surface of the substrate is the same). It was made to become.

そして、以上のような共通の境界条件における、発熱源の周囲空気温度に対する上昇値、及び、熱抵抗値の比較結果を表1に示す。   Table 1 shows a comparison result of the increase value with respect to the ambient air temperature of the heat generation source and the thermal resistance value under the common boundary conditions as described above.

図4は、本実施の形態の基板10の温度分布の上面図であり、図5は基板10の温度分布の基板中央部における断面図である。   4 is a top view of the temperature distribution of the substrate 10 of the present embodiment, and FIG. 5 is a cross-sectional view of the temperature distribution of the substrate 10 at the center of the substrate.

また、図6は、比較例1,2の温度分布の一例として示す、比較例1における温度分布の上面図であり、図7は比較例1における基板中央の断面図である。図4から7において、濃色の部分ほど温度が高い。なお、比較例2については、比較例1と比較して温度の数値が低温度方向にシフトし、熱拡散の様子は比較例1と概ね共通するため、図示を省略する。   FIG. 6 is a top view of the temperature distribution in Comparative Example 1 shown as an example of the temperature distribution in Comparative Examples 1 and 2, and FIG. 4 to 7, the darker color portion has a higher temperature. In Comparative Example 2, the temperature value is shifted in the lower temperature direction as compared with Comparative Example 1, and the state of thermal diffusion is substantially the same as that of Comparative Example 1, and thus illustration is omitted.

図4,5と図6,7を比較すると、基板10は、アルミ基板の比較例1に対して基板の厚み方向・面方向ともに熱伝導率が増加しているため熱拡散性能が高まり、発熱源及びその付近の温度が低下しているのがわかる。表1で示したように基板10と比較例1の熱抵抗を比較すると1.2[℃/W]の低減効果があった。   Comparing FIGS. 4 and 5 with FIGS. 6 and 7, the substrate 10 has higher thermal diffusion performance in both the thickness direction and the surface direction of the substrate compared to the comparative example 1 of the aluminum substrate. It can be seen that the temperature of the source and its vicinity is decreasing. As shown in Table 1, when the thermal resistances of the substrate 10 and Comparative Example 1 were compared, there was a reduction effect of 1.2 [° C./W].

また、表1より、基板10の熱拡散性能は、銅基板の比較例2に対しても高いことが分かる。炭素・アルミ材料は銅材料に比べて軽いため、本発明を実施することによって製品の軽量化に十分な効果を発揮できるといえる。   Table 1 also shows that the thermal diffusion performance of the substrate 10 is higher than that of the comparative example 2 of the copper substrate. Since the carbon / aluminum material is lighter than the copper material, it can be said that the present invention can exert a sufficient effect for reducing the weight of the product.

なお、基板10における主要な箇所における温度上昇値は、外部空気を基準として、基板10の搭載面11側中心部21(LED直下)では、+0.6[℃]、裏面13側中心部21では+0.5[℃]、基板10の搭載面11側端部では+0.5[℃]、基板10の裏面13側端部では+0.4[℃]であった。   In addition, the temperature rise value in the main part in the board | substrate 10 is +0.6 [degreeC] in the mounting surface 11 side center part 21 (directly under LED) of the board | substrate 10 on the basis of external air, and in the back surface 13 side center part 21. +0.5 [° C.], +0.5 [° C.] at the mounting surface 11 side end of the substrate 10, and +0.4 [° C.] at the back surface 13 side end of the substrate 10.

さらに、基板10が半導体装置搭載面から平面視円形放射状にグラファイトシートの長辺101aを配置したことによる効果を検証するため、第2の実施の形態の基板として、基板10と同じ体積占有率(母材(金属材料22)であるアルミに対するグラファイトシートによる熱拡散部20の占める体積の割合)で、基板内に等間隔で平行に並べたものを作製した。   Furthermore, in order to verify the effect of arranging the long side 101a of the graphite sheet in a circular shape in plan view from the semiconductor device mounting surface, the substrate 10 of the second embodiment has the same volume occupation ratio ( In the base material (metal material 22), the volume ratio of the thermal diffusion part 20 occupied by the graphite sheet to the aluminum (a metal material 22)) was arranged in parallel at equal intervals in the substrate.

図8は、第2の実施の形態の基板30の構造を示す上面透視斜視図である。基板30の熱拡散部40は、基板10と同じく長辺101aが搭載面の一部をなすように短辺102a,102bが厚み方向になるように、所定の間隔(本実施の形態では8[mm]間隔で計60枚)のグラファイトシート100を平行に並べた。   FIG. 8 is a top perspective view showing the structure of the substrate 30 according to the second embodiment. Similar to the substrate 10, the thermal diffusion section 40 of the substrate 30 has a predetermined interval (8 [in this embodiment], so that the short sides 102a and 102b are in the thickness direction so that the long side 101a forms part of the mounting surface. mm], a total of 60 sheets of graphite sheets 100 were arranged in parallel.

図9から11は、基板10と同様に基板30の搭載面中央にLEDを搭載し、同条件で熱解析を行った結果を示す図であり、図9が搭載面の上面図、図10が図9のb−b断面図、図11が図9のc−c断面図である。ここで、グラファイトシート100の配向(シート面の向き)は、図9の矢印方向(b−b断面方向)である。   9 to 11 are diagrams showing the results of thermal analysis under the same conditions in which an LED is mounted in the center of the mounting surface of the substrate 30 in the same manner as the substrate 10, FIG. 9 is a top view of the mounting surface, and FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line bb in FIG. 9, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line cc in FIG. Here, the orientation (direction of the sheet surface) of the graphite sheet 100 is the arrow direction (bb cross-sectional direction) in FIG.

第2の実施の形態の基板30の図10と図11を比べると、グラファイトシート100の面方向(配向)であるb−b断面方向と比べてc−c断面方向の熱拡散性が低いといえる。   When comparing FIG. 10 and FIG. 11 of the substrate 30 of the second embodiment, the thermal diffusivity in the cc cross-sectional direction is lower than the bb cross-sectional direction which is the plane direction (orientation) of the graphite sheet 100. I can say that.

基板10と基板30とを比較した場合に上述のような結果となった理由としては、c−c断面方向では、母材であるアルミの熱伝導率(アルミはグラファイトの5分の1程度の熱伝導率)の影響が大きいためである。   The reason why the above results are obtained when the substrate 10 and the substrate 30 are compared is that, in the cc cross-sectional direction, the thermal conductivity of aluminum as a base material (aluminum is about 1/5 that of graphite). This is because the influence of (thermal conductivity) is large.

第1の実施の形態の基板10と第2の実施の形態の基板30との熱抵抗の差が、表1より0.5[℃/W]であることから、第1の実施の形態の基板10の比較例1と比較した熱抵抗低減効果1.2[℃/W]のうち、約半分はグラファイトシートを円形放射状に配置したことによる効果であると言える。   Since the difference in thermal resistance between the substrate 10 of the first embodiment and the substrate 30 of the second embodiment is 0.5 [° C./W] from Table 1, the difference in the first embodiment is shown in FIG. It can be said that about half of the thermal resistance reduction effect of 1.2 [° C./W] compared to Comparative Example 1 of the substrate 10 is an effect of arranging the graphite sheets in a circular radial shape.

1 発光ダイオード
10 基板
11 搭載面
12 側面
13 裏面
20 熱拡散部
21 中心部
22 金属材料
100 グラファイトシート
101a,101b 長辺
102a,102b 短辺
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting diode 10 Board | substrate 11 Mounting surface 12 Side surface 13 Back surface 20 Thermal diffusion part 21 Center part 22 Metal material 100 Graphite sheet 101a, 101b Long side 102a, 102b Short side

Claims (3)

平面視矩形状をなすグラファイトシートの一辺が基板の半導体装置搭載面の一部をなすように、その一辺と頂点を共有する他辺が基板の厚み方向となるように多数配置され、
前記多数のグラファイトシート間には金属材料が充填されることで形成される放熱性基板。
Arranged so that one side of the graphite sheet forming a rectangular shape in plan view forms part of the semiconductor device mounting surface of the substrate, the other side sharing the apex with the one side is in the thickness direction of the substrate,
A heat dissipating substrate formed by filling a metal material between the multiple graphite sheets.
前記グラファイトシートが、
前記一辺の頂点の一つが発熱体搭載位置を含むその近傍に配置され、他の頂点が発熱体搭載面平面視放射状外方に位置するように配置される、請求項1に記載の放熱性基板。
The graphite sheet is
2. The heat dissipating board according to claim 1, wherein one of the apexes of the one side is disposed in the vicinity thereof including the heating element mounting position, and the other apex is positioned radially outward in plan view of the heating element mounting surface. .
前記金属材料が、
アルミニウム、及びアルミニウム合金のいずれかである請求項1または2に記載の放熱性基板。
The metal material is
The heat-radiating substrate according to claim 1 or 2, wherein the heat-radiating substrate is one of aluminum and an aluminum alloy.
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