散热构造及电子设备的制作方法

1.本发明涉及在基片的上表面设置有裸片并在其周围设置有电气元件的半导体芯片的散热构造及电子设备。


背景技术：

2.在电子设备中设置有gpu等半导体芯片。gpu是具有使其安装于基板的部分亦即基片、和设置于该基片的上表面的矩形的裸片的形状。另外，有时在基片的上表面以环绕裸片的方式排列有多个小电容器。
3.gpu等半导体芯片是发热体，由于其功耗而需要使其散热。作为使gpu散热的单元，有时采用均热板、散热器或散热片等散热体，使这样的散热体抵接于裸片的上表面来使热扩散。在裸片与散热体之间，有时为了使热高效地传递而设置导热性较高的润滑脂、液体金属(例如，日本特开2004-146819)。液体金属比润滑脂导热性高，能够从裸片向散热体有效地传热。
4.然而，液体金属是液体且流动性较高，因此需要采取对策以使其不从裸片的上表面漏出。另外，必须使得即使在液体金属流出至裸片的周边的情况下，也不接触周边的电容器等电气元件。这是因为液体金属是导体，有可能使电容器短路。
5.并且，在专业人员进行电子设备的维护时，有时会将散热体从半导体芯片取下。此时，也有可能液体金属漏出至周围，但优选为至少能够防止流出到安装基板，并能够适当地进行后处理的结构。


技术实现要素：

6.本发明是鉴于上述的课题而完成的，其目的在于提供一种能够使半导体芯片有效地散热，并且维护性优异的散热构造及电子设备。
7.为了解决上述的课题，实现目的，本发明的第1形态所涉及的散热构造是在基片的上表面设置有裸片并在其周围设置有电气元件的半导体芯片的散热构造，具有：散热体，相对于前述裸片的上表面热连接；液体金属，设置在前述裸片的上表面与前述散热体之间；绝缘材料，覆盖前述电气元件；绝缘片，包围前述裸片的周围；以及弹性壁，设置在前述基片的周边部并向上方突出，前述绝缘片具备：中央部，以相对于前述绝缘材料不固定的状态覆盖该绝缘材料的上表面；周边部，相对于前述基片的上表面装卸自如地固定；以及中间部，在前述中央部与前述周边部之间形成阶梯差，前述弹性壁固定于前述周边部的上表面。
8.本发明的第2形态所涉及的电子设备具备上述的散热构造和前述半导体芯片。
9.在本发明的形态中，在裸片的上表面与散热体之间设置有液体金属，能够使半导体芯片有效地散热。另外，在取下散热体时，电气元件也由绝缘材料和绝缘片保护，即使液体金属向周边漏出，也从绝缘片的中央部经由台阶部流至周边部，积存在弹性壁与中间部之间。绝缘片的周边部能够从基片的上表面被取下，积存的液体金属能够与弹性壁一起进行处理，维护性优异。
10.也可以构成为，在由前述绝缘材料覆盖的前述电气元件与前述裸片之间具有分隔壁。通过分隔壁能够分隔液体金属的流动。
11.也可以构成为，前述分隔壁是弹性件，且由前述基片和前述散热体夹持。通过这样的分隔壁，能够划分较分隔壁靠中央的第1空间、和靠外的第2空间，并将液体金属收纳在第1空间内。
12.也可以构成为，前述分隔壁是前述绝缘片的中央侧端部朝向下方折弯而成的弯曲部，前述弯曲部的前端相对于前述基片和前述绝缘材料不接触。这样的弯曲部即使存在一些尺寸误差，中央部也能够不相对于绝缘材料的上表面上浮而是适当地抵接，并且散热体不会与中央部干涉。
13.也可以构成为，前述弯曲部与前述裸片的间隔被设定为前述液体金属不能够进入的宽度。液体金属缺乏润湿性，因此通过设置一定程度的间隔而变得不能够进入，防止接触绝缘材料。
14.也可以构成为前述周边部和前述基片的外周缘一致。由此定位、固定变得容易，并且确保适度大的面积而确保积存液体金属的区域。
15.也可以构成为前述绝缘材料是紫外线固化型的涂料。这样的涂料能够容易地形成绝缘材料。
16.也可以构成为，前述半导体芯片是安装于基板的gpu，前述电气元件是电容器。
17.根据本发明的上述形态，在裸片的上表面与散热体之间设置有液体金属，能够使半导体芯片有效地散热。另外，在取下散热体时，电气元件也由绝缘材料和绝缘片保护，即使液体金属向周边漏出，也从绝缘片的中央部经由台阶部流至周边部，积存在弹性壁与中间部之间。绝缘片的周边部能够从基片的上表面被取下，积存的液体金属能够与弹性壁一起进行处理，维护性优异。
附图说明
18.图1是表示本发明的实施方式所涉及的散热构造及电子设备的一部分的分解立体图。
19.图2是gpu的立体图。
20.图3是第1实施方式所涉及的散热构造的示意剖面侧面图。
21.图4是表示变形例所涉及的分隔壁及其周边要素的立体图。
22.图5是第2实施方式所涉及的散热构造的示意剖面侧面图。
23.图6是第3实施方式所涉及的散热构造的示意剖面侧面图。
24.附图标记说明
25.10、10a、10b、10c
…
散热构造；12
…
电子设备；14
…
gpu(半导体芯片)；16
…
均热板(散热体)；22
…
基片；24
…
裸片；26
…
基板；28
…
电容器(电气元件)；30
…
液体金属；32
…
绝缘材料；34、34b
…
绝缘片；34a
…
中央部；34b
…
周边部；34ba
…
露出平坦部；34c
…
中间部；34ba
…
弯曲部；36
…
弹性壁；38、38a
…
分隔壁；38aa
…
槽；42
…
弹性件；g
…
间隔；s1
…
第1空间；s2
…
第2空间；s2a
…
积液部。
具体实施方式
26.以下，基于附图对本发明的实施方式详细地进行说明。此外，并不通过该实施方式限定本发明。
27.图1是表示本发明的实施方式所涉及的散热构造10及电子设备12的一部分的分解立体图。作为散热构造10的具体的例子，可以举出第1实施方式所涉及的散热构造10a(参照图3)、第2实施方式所涉及的散热构造10b(参照图5)、以及第3实施方式所涉及的散热构造10c(参照图6)。代表性地记载为散热构造10。
28.电子设备12例如是笔记本型pc、桌面型pc、平板终端或者智能手机等，并具备gpu(graphics processing unit)14。gpu14是能够进行实时图像处理的半导体芯片(chip)。gpu14由于进行高速运算而有相应的发热，因此需要散热。在电子设备12中，作为gpu14的散热单元而具备均热板(散热体)16。
29.均热板16是将两张金属板(例如铜板)的周缘部接合而在内侧形成封闭空间的板状的结构，通过封入于封闭空间的工作流体的相变而能够高效地扩散热。在均热板16的封闭空间内配设利用毛细管现象输送冷凝的工作流体的吸液芯。
30.在均热板16设置有2根大致并行的导热管18，并且该导热管18的端部连接于风扇20。导热管18是在形成于薄且扁平的金属管内的封闭空间封入工作流体的结构，并与均热板16相同地设置有吸液芯。
31.作为gpu14等发热体的散热单元，除均热板16以外，也能够应用各种散热体。作为散热体，例如可以举出铜、铝等热传导率较高的金属板、石墨板、热通道、散热片等。
32.图2是gpu14的立体图。在图2中省略了散热构造10的结构要素。以下，在本技术的散热构造10的说明中，将在上下方向对基板26和gpu14进行维护的状况作为基准。即，从基板26观察，将安装有gpu14的一侧设为上，将相反侧设为下。在各图中适当地用箭头示出上下方向。此外，散热构造10在被嵌入于电子设备12并使用的状态下，在上下方向上没有限制，例如也可以是上下颠倒的状态。
33.gpu14具有基片22和裸片(die)24。基片22是安装于基板26的较薄的板状部，在俯视中呈矩形。裸片24是包括运算电路的部分，且设置为从基片22的上表面稍微突出。裸片24在俯视中是小于基片22的矩形，设置在该基片22的上表面大致中央。在电子设备12中gpu14是最发热的部件之一，其中，裸片24特别发热。
34.在基片22的上表面以环绕裸片24的方式排列有多个较小的电容器(电气元件)28。因场所而异，电容器28在裸片24的四周排列1列或2列。电容器28设置于裸片24的比较附近的位置。电容器28的高度低于裸片24。
35.图3是第1实施方式所涉及的散热构造10a的示意剖面侧面图。散热构造10a具有：上述的均热板16；液体金属30，设置在裸片24的上表面与均热板16之间；绝缘材料32，覆盖电容器28；绝缘片34；弹性壁36；以及分隔壁38。均热板16经由液体金属30和后述的金属箔40而与第24的上表面热地连接(热连接)。
36.液体金属30基本上是在常温下成为液体的金属，但至少在对电子设备12的基板26通电而gpu14运行的通常的使用状态的温度下成为液体即可。液体金属30是金属，因此导热性、导电性优异。
37.绝缘材料32例如是紫外线固化型的涂料并形成为薄膜状。该涂料在覆盖电容器28
地涂覆后通过被照射紫外线而固化并形成绝缘材料32。利用紫外线固化型的涂料容易形成绝缘材料32。绝缘材料32以规定宽度形成为绕裸片24一周。通过该绝缘材料32而电容器28的1列的部位和2列的部位均相同地绝缘。在图3中，对于电容器28，例示了2列的部位。
38.绝缘片34是树脂等绝缘材料，是三维形状适度地薄的成型体。绝缘片34在俯视中呈包围裸片24的框形状(参照图1)。绝缘片34具备：距裸片24较近的中央部34a；外侧的周边部34b；以及这些的中间亦即中间部34c。中央部34a和周边部34b与基片22的上表面平行。
39.中央部34a是绝缘片34的框内侧部分且覆盖绝缘材料32的上表面。在本实施例中绝缘片34的中央部34a和绝缘材料32未固定。中央部34a覆盖了绝缘材料32的上方整个面，但至少覆盖电容器28的上方部分即可。
40.周边部34b利用粘性胶带等装卸自如地固定于基片22的周边部上表面。周边部34b构成为外周缘与基片22一致的大小和形状而容易定位、固定，并且确保适度大的面积。
41.中间部34c是覆盖绝缘材料32的上表面的中央部34a与固定于基片22的上表面的周边部34b之间的部分，并形成有基于两者的高度差的阶梯差。中间部34c遍及适度的宽度地倾斜，成型容易。
42.弹性壁36设置于基片22的周边部并向上方突出。在本实施例中，弹性壁36通过粘性胶带等固定于绝缘片34中的周边部34b的上表面。弹性壁36是框体，且外周缘与基片22和周边部34b一致。弹性壁36的内周缘较周边部34b的内周缘靠外。周边部34b在靠内部位确保有不被弹性壁36覆盖的一些露出平坦部34ba。弹性壁36在没有外力的自然状态下稍微高于裸片24，在散热构造10a的组装状态下通过均热板16被适度地压缩。弹性壁36例如是海绵材料。
43.分隔壁38设置在由绝缘材料32覆盖的电容器28与裸片24之间并向上方突出。分隔壁38是框体，且其内周缘接近或接触于裸片24的外周缘。分隔壁38例如是海绵材料等的弹性件且由基片22和均热板16夹持。分隔壁38通过粘性胶带等固定于基片22的上表面。此外，绝缘材料32实际上不是如图3所示的准确的矩形剖面，有时会稍微在横方向上扩展地涂覆。分隔壁38的下表面也可以固定于扩展地涂覆的绝缘材料32的上表面。分隔壁38在没有外力的自然状态下稍微高于裸片24，在散热构造10a的组装状态下通过均热板16被适度地压缩。
44.均热板16通过螺钉等规定的固定单元固定于基板26或者电子设备12的壳体(参照图1)。通过组装均热板16，弹性壁36和分隔壁38被适度地压缩。均热板16配置为导热管18的部分抵接于裸片24即可。在均热板16的下表面且在与裸片24抵接的部位设置有金属箔40。因设计条件而异，也可以省略该金属箔40。在散热构造10a中，在四周形成有由分隔壁38包围的第1空间s1、和由分隔壁38和弹性壁36包围的第2空间s2。第1空间s1和第2空间s2基本上是封闭空间。分隔壁38的内周缘接近裸片24的外周缘，因此第1空间s1是充分狭小的空间。
45.液体金属30在散热构造10a的组装阶段中适量涂覆于裸片24的上表面，之后均热板16放置在其上，由此通过该均热板16的下表面而被按压从而无遗漏地扩展至裸片24的上表面，填补裸片24与均热板16的间隙。液体金属30是液体因此具有流动性且通过均热板16的挤压而充分地扩展。因此，在微观等级中均热板16和裸片24有直接接触的部位，并且在除此之外的微少间隙部填充液体金属30。由此能够在裸片24与均热板16之间进行高效的热传导，使gpu14的散热性提高。
46.在这样构成的散热构造10a中，液体金属30由均热板16按压扩展，由此多余量被向裸片24的周围挤出，但第1空间s1由分隔壁38分隔，因此不会漏出到第2空间s2。此外，第1空间s1是充分狭小的空间，实质上由液体金属30充满而几乎不存在空气。因此，液体金属30在第1空间s1的内部不会不经意地流动。
47.另外，即使在液体金属30越过分隔壁38而浸入至第2空间s2的情况下，电容器28也由绝缘材料32和绝缘片34双重绝缘而不会接触液体金属30。电容器28仅通过绝缘材料32就能得到相当的绝缘性，但即使在由于施加了意外的过大的冲击、振动等而在绝缘材料32产生了针孔、破裂的情况下，也通过绝缘片34确保绝缘性。另外，第2空间s2由弹性壁36封闭，因此液体金属30不会漏出到基板26。
48.在专业人员进行电子设备12的维护时，以基板26处于下侧、gpu14成为上侧的朝向放置散热构造10a。在维护时有时从gpu14和基板26取下均热板16。此时，液体金属30也有可能向周围漏出至第2空间s2的区域，但如上所述，电容器28通过绝缘材料32和绝缘片34保护，不会接触液体金属30。另外，漏出至第2空间s2的液体金属30在绝缘片34的中央部34a的上表面流动，并积存于在形成阶梯差的中间部34c与弹性壁36的内周壁之间形成的积液部s2a，至少不会流出到基板26。在积液部s2a确保露出平坦部34ba并具有一定程度的空间容量从而液体金属30不会溢出，而变得容易积存液体金属30。
49.如上述那样，绝缘片34的周边部34b的下表面相对于基片22装卸自如地固定。因此，流入至积液部s2a的液体金属30通过从基片22取下该绝缘片34而能够与绝缘片34和弹性壁36一同地去除并进行适当且容易的后处理。绝缘片34是相对于绝缘材料32不固定的状态，即使卸下绝缘片34，绝缘材料32也不会剥离。在散热构造10a的再组装中，采用新的绝缘片34和弹性壁36即可。
50.在维护时作业人员有时用手指或工具接触gpu14，但电容器28由绝缘材料32和绝缘片34保护，即使接触该绝缘片34也会防止直接接触绝缘材料32，不会使该绝缘材料32损伤而使绝缘性下降。这样，本实施方式所涉及的散热构造10a及电子设备12能够使gpu14有效地散热，并且维护性优异。
51.此外，基本上液体金属30封入在第1空间s1内，但因向裸片24上表面的涂覆量而异，能够允许在组装阶段中微量流出至第2空间s2。这是因为电容器28由绝缘材料32和绝缘片34绝缘，由弹性壁36防止向外部的漏出。
52.图4是表示变形例所涉及的分隔壁38a及其周边要素的立体图。分隔壁38a是上述的分隔壁38的变形例，在四边部的各上表面中央形成有将第1空间s1和第2空间s2连通的较浅的槽38aa。若采用这样的分隔壁38a，当在散热构造10a的组装时安装均热板16时，涂覆于裸片24的上表面的液体金属30的多余量被向周围挤出，但即使在不能完全收纳于第1空间s1的情况下，微量的多余量也被向第2空间s2排出，而在第1空间s1中填充适量的液体金属30。由此，在组装时允许液体金属30稍微多地涂覆于裸片24上表面而组装性提高。另外，在第1空间s1填充适量的液体金属30，而在均热板16与裸片24之间进行更可靠的热传递。分隔壁38a通过均热板16压缩，由此槽38aa也可以形成得实质上关闭的程度地浅。
53.图5是第2实施方式所涉及的散热构造10b的示意剖面侧面图。在散热构造10b和后述的散热构造10c中，对与上述的散热构造10a相同的结构要素标注相同的附图标记并省略其详细的说明。在散热构造10b中，取代上述的散热构造10a中的绝缘片34而设置有绝缘片
34b。在散热构造10b中省略上述的散热构造10a中的分隔壁38。
54.绝缘片34b与上述的绝缘片34相同地具有中央部34a、周边部34b以及中间部34c。绝缘片34b还具有从中央部34a的内周缘向下方突出的弯曲部(分隔壁)34ba。弯曲部34ba是绝缘片34的一部分，且与中央部34a、周边部34b以及中间部34c一体成型，部件件数不会增加。
55.弯曲部34ba较小，其下端相对于基片22的上表面和绝缘材料32不接触。因此，即使存在一些尺寸误差，中央部34a也能够不相对于绝缘材料32的上表面上浮而适当地抵接，并且均热板16能够不与中央部34a干涉而适当地按压扩展液体金属30。
56.弯曲部34ba与裸片24的间隔g充分地小，设定为液体金属30不能够进入的宽度。液体金属30缺乏润湿性，因此通过设置一定程度的间隔g(例如，0.5mm左右)而变得不能进入，被防止接触位于绝缘片34的内部的绝缘材料32。因此，即使在绝缘材料32产生了针孔、破裂的情况下，电容器28被保护不受液体金属30影响。另外，由于确保有间隔g，即使存在一些尺寸误差也不抵接于裸片24的侧表面，不会对绝缘片34施加应力、或者中央部34a上浮。
57.图6是第3实施方式所涉及的散热构造10c的示意剖面侧面图。在散热构造10c中，在散热构造10b中的绝缘片34的中央部34a与均热板16之间设置有较薄的弹性件42。弹性件42是框体，例如由海绵形成。弹性件42充分地柔软而不会成为安装均热板16时的妨碍。另外，较强的压缩力不会作用于弹性件42，因此过大的压缩力也不会作用于中央部34a、绝缘材料32以及电容器28。
58.这样的弹性件42将第1空间s1和第2空间s2明确地划分，能够防止液体金属30浸入至第2空间s2。另外，若在维护时取下弹性件42，则能够使漏出的液体金属30流入至积液部s2a。
59.本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够自由地变更。