JP7440004B2 - 高い横方向熱伝導率を有する熱ガスケット - Google Patents
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Description
本発明は一般に、デバイスでの望ましくない熱の蓄積を防止するために、熱を発生する物体、例えば能動半導体デバイスから離れた熱の移動に関する。より具体的には、本発明が冷却されるべき装置に係合し、装置から離れる熱の効果的な伝達を容易にする柔軟なシート状ガスケットに関する。
ますます多くの電子回路が、集積回路（ＩＣ）または能動半導体デバイスを利用して、様々な機能を実行する。ウェハおよび／またはプリント回路基板上のそのような装置の密度が増加することにつれて、装置から発生する熱も増加する。これは、デバイスが動作する温度を制限するために、この熱をデバイスから遠ざけるためにヒートシンクを使用することをもたらす。伝統的なヒートシンクの１つのタイプは、デバイスに取り付けられた平坦な表面を有する金属のブロックと、熱が伝達される空気または他の環境に曝される表面領域を最大にするための、不規則な表面、例えばフィンを有する対向する表面とからなる。しかしながら、装置の密度の増加によるこのような装置のための平方面積あたりの発生熱量の増加に伴い、熱を発生する装置から離れてより効率的に熱を伝達する改良された構造が必要とされている。
本発明の目的は、この必要性を満たすことである。
例示的な受動熱伝達装置は、熱を電子熱発生装置から別の環境に伝達するのに適している。ガスケットには、ガスケットの２つの主要な対向面を横断する多数の離間した孔がある。熱伝導性材料が２つの主表面のうちの１つから他の主表面へ熱を伝導するために、孔の内部に配置され、孔を満たす。熱伝導性材料は、２つの主要な対向する表面に対して実質的に垂直に整列したナノ粒子を有するナノ複合材料である。孔に配置されるような熱伝導性材料は、熱の伝達に悪影響を及ぼす可能性のある内部界面境界を有さない。
別の例示的な装置は、熱が除去される電子熱発生装置と、例示的な受動熱伝達装置と、熱が伝達される吸熱器とを含む。
例示的な方法を使用して、電子熱発生装置から別の環境に熱を伝達するのに適した受動的熱伝達装置を作る。シート状ガスケットは、２つの主要な対向面を横断する複数の離間した孔を備えて製造される。好ましくは大きなアスペクト比を有し、２つの主要な対向する表面に対して実質的に垂直に整列したナノ寸法粒子を有する熱伝導性ナノ複合材料が孔内に配置されたように、界面境界が材料内に形成されないように、孔内に注入される。材料は、２つの主表面のうちの一方から他方の主表面に熱を伝導する。
本発明の例示的な実施形態の特徴は、説明、特許請求の範囲、および添付の図面から明らかになるのであろう。
図１は、本発明の実施形態を組み込んだ例示的な装置１００の側面図を示す。この例示的な実施形態では、熱発生装置１０５、例えば、集積回路、固体レーザ、アクティブアンテナ要素が複数の金属接点１１５によってプリント回路基板１１０に実装される。熱発生装置１０５は実質的に複数の近接して間隔をあけた能動装置１１７を含み、その各々は装置１０５によって発生される全ての熱に寄与する。そのような装置１１７は、対応して高い熱負荷をもたらす非常に高い電力密度を作り出すことができる。シート状ガスケット１２０は熱発生装置１０５の上面に取り付けられた底面を有し、ガスケット１２０の２つの主面の間に延在し、ガスケット１２０の領域全体に分布する複数の離間した熱伝達要素１２５を含む。ガスケット１２０の上面は熱発生装置１０５から熱を伝達し、および／または熱を吸収するために利用される、さらなる熱伝達要素および／または様々な流体または液体からなり得る、熱吸収環境１３０に接している。ガスケット１２０は、好ましくはしかし独占的には３Ｄ印刷方法を用いて製造される。
図２は例示的な受動伝熱ガスケット１２０の斜視図を示し、図３は、その分解部分を示す。「受動的」とは、熱の伝達を達成するためにガスケット中に液体または気体が存在しないことをいう。ガスケット１２０は熱可塑性エラストマー材料、例えば、ポリオレフィン、ポリウレタン、ポリエステル、およびポリアミドから形成されてもよく、複数の離間した孔２１０が一方の主表面から反対側の主表面まで横断するスイスチーズ構造を有する。孔２１０の各々は、高い横方向熱伝導率を有する、すなわちガスケット１２０の主表面に垂直なｚ軸に沿った高い熱伝導率を有する材料２１５で充填される。
好ましくは、材料２１５が高熱伝導性ナノ複合材料である。ナノコンポジットは大きなアスペクト比のナノ粒子、例えば、キャボンナノチューブ（ＣＮＴ）糸、グラフェン繊維、金属ナノワイヤ（Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ）、および熱可塑性エラストマーフィラメント中に優先的に整列および配向されたセラミックナノウィッカー（ＡｌＮ、ＳｉＣ、Ａｌ2 Ｏ3、グラファイト）のような高熱伝導率の、一方の寸法が他方の寸法の１０～１０，０００倍となる粒子からなる。１つの態様は、例示的材料２１８（材料２１５のうちの１つ）の拡大された視野で示される、長手方向に整列した（ガスケットの主要表面に垂直である）ナノ粒子２１７に存在する。別の態様は、材料２１５がそれぞれの孔内に配置されて、ｚ軸に沿った界面境界を排除することである。本発明の一態様は材料２１５を、層毎の３Ｄ印刷または層毎の堆積のような、連続した複数の水平層（ガスケットの主表面に平行な配置層）内のそれぞれの孔内に配置することにより、隣接して形成された層間の界面に生じる界面境界を生じさせるという認識にある。順次の多層堆積は面内熱伝導率、すなわち、界面境界に平行な面に沿った熱伝導率を減少させることはできないかもしれないが、複数の界面境界は熱伝導率、すなわち、界面境界層に垂直な熱伝導率を劇的に減少させる。したがって、ガスケット２０５をその孔２１０で製造し、次いで、それぞれの孔２１０を材料２１５で充填して、各孔に対して、材料２１５の全てが、ｚ軸に対して横断方向の任意の界面境界の形成を排除するための一工程として、実質的に一度に挿入されるようにすることが望ましい。界面境界とは、ガスケット材料２０５のそれぞれの２つの主表面と実質的に水平な２つの遠位面の間で熱伝達要素２１５内部に形成された不連続な境界を指す。調製される熱ガスケットの厚さは、約５０マイクロメートル（０．００２インチ）～３００マイクロメートル（０．０１２インチ）を超える範囲であり得る。
図４は、異なる材料２１５についての熱伝導率対導体面積分率（ガスケット１２０の一方の表面上の総面積に対するガスケットの一方の表面における熱伝達要素２１５の総面積）を示すグラフ４００である。右下の挿入図は、グラフ中の対応するそれぞれの曲線４０５、４１０、４１５、４２０、および４２５を有するグラフェン繊維、ピッチグラファイト繊維、銅、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）湿式紡糸、およびＣＮＴヤーン酸処理（ＡＴ）材料について、ワット／メートルケルビン（Ｗ／ｍＫ）の単位での代表的な熱伝導率を示す。これらのグラフは、内部界面不連続性のないそれぞれの材料の値を表す。グラフを解釈するための例として、０．５導体面積分率でピッチグラファイト繊維材料を用いて作られたガスケットは、ガスケットの１つの主表面の面積の半分がピッチグラファイト繊維の面積によって占められていることを意味し、約５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。同じ面積分率に対して、グラフェン繊維は約１，５００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する。
図５は、例示的な伝熱ガスケット１２０を製造するための例示的な装置５００を示す。ガスケット１２０は材料２１５を受け取る前に、３Ｄ印刷プロセスによって製造されて、ビア（スルーホール）を有するポリマーフィルムを形成することができる。スプール５０５は、ガスケット材料のそれぞれの孔に挿入される材料２１５（好ましくはナノ粒子複合材料）の連続フィラメント５１０を含む。供給コントローラ５１５はフィラメントの供給を制御し、フィラメントをガイドチューブ５２５内の中空部を通して摩擦供給する供給ローラ５２０を含む。フィラメントはノズル５３０を通して指示され、ノズルはフィラメントを液化し、または液体材料２１５を各々の孔２１０に連続的に一歩ずつ移動させて、ナノ粒子整合を維持する、加熱された高せん断押出ノズルかもしれない。従って、材料はホール内に最終的にホール内に配置されるような材料内の任意の界面不連続部の形成を回避するために、１つの有効層としてホール内に堆積される。次いで、材料は孔内で凝固する。このプロセスが、各々の孔に材料を充填するために繰り返されることが想定され、ガスケットまたは供給コントローラ／ノズルのいずれかが、それぞれの孔の上に移動して配置され得る。ビアまたは孔を充填するために使用することができる例示的な熱可塑性ナノ複合フィラメント直径は、０．５ｍｍ(０．０２インチ）から３ｍｍ(０．０１２インチ）を超える範囲であってもよい。余分な材料がガスケットから突出することがないように、ビア又は孔を充填することが望ましい。若干の過充填が存在する場合には、ガスケット表面を研磨またはバニシ仕上げして過充填材料を除去し、充填されたガスケットに平滑な平面を設けることができる。
本発明の例示的な実施態様を本明細書に示し、詳細に説明したが、本発明の精神から逸脱することなく、様々な修正、追加、置換などを行うことができることが当業者には明らかであろう。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される。
１００ 装置
１０５ 熱発生装置
１１０ プリント回路基板
１１５ 金属接点
１１７ 能動装置
１２０ ガスケット
１２５ 熱伝達要素
１３０ 熱吸収環境
２０５ ガスケット材料
２１０ 孔
２１５ 材料
２１７ ナノ粒子
２１８ 例示的材料
４００ グラフ
４０５ 曲線
５００ 装置
５０５ スプール
５１０ 連続フィラメント
５１５ 供給コントローラ
５２０ 供給ローラ
５２５ ガイドチューブ
５３０ ノズル
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Claims (14)
- 電子熱発生装置から別の環境に熱を伝達するのに適した受動的熱伝達装置であって、
２つの主たる対向する主表面を横断する複数の離間した孔を有する非金属のガスケットと、
２つの前記主表面のうちの一方の主表面から他方の主表面に熱を伝導させるために、孔の内部に配置され、かつ充填される熱伝導性材料であって、２つの対向する前記主表面に対して垂直に整列したナノ粒子を有するナノ複合材料であり、内部界面境界を有さず、１００Ｗ／ｍＫを超える有効熱伝導率を有し、かつ銅よりも高い熱伝導率を有する前記熱伝導性材料と、
を備える受動的熱伝達装置。 - 前記熱伝導性材料が、ピッチグラファイト繊維とグラフェン繊維のうちの１つからなる請求項１に記載の受動的熱伝達装置。
- 前記ナノ粒子は長手方向および幅方向のアスペクト比が少なくとも１０対１であり、前記ナノ粒子は前記２つの対向する前記主表面に対して垂直な長手方向の寸法に整列され、複数の前記ナノ粒子は熱吸収装置および前記電子熱発生装置の表面と係合する前記熱伝導性材料内に配置される、請求項１に記載の受動的熱伝達装置。
- ガスケットの２つの主表面のうちの一方は、前記電子熱発生装置の表面と係合するために平坦である請求項１に記載の受動的熱伝達装置。
- 平坦な表面を有する電子熱発生装置と、
２つの対向する主表面を横断する複数の離間した孔を有し、２つの対向する前記主表面の一方が前記平坦な表面と係合する、シート状のガスケットと、
２つの対向する前記主表面のうちの一方の主表面から他方の主表面へ熱を伝導する孔内に配置され、かつ充填される熱伝導性材料であって、２つの対向する前記主表面に対して垂直に整列したナノ粒子を有するナノ複合材料であり、内部界面境界を有さず、１００Ｗ／ｍＫを超える有効熱伝導率を有し、かつ銅よりも高い熱伝導率を有する前記熱伝導性材料と、
他方の主表面と係合し、前記電子熱発生装置から前記熱伝導性材料を介して伝達される熱を受け入れ、それによって、熱を前記電子熱発生装置から伝達する熱吸収体と、
を備える電子装置。 - 前記熱伝導性材料が、ピッチグラファイト繊維およびグラフェン繊維のうちの１つからなる請求項５に記載の電子装置。
- 前記ナノ粒子は長手方向および幅方向のアスペクト比が少なくとも１０対１であり、前記ナノ粒子は前記２つの対向する前記主表面に対して垂直な長手方向の寸法に整列され、複数の前記ナノ粒子は熱吸収装置および前記電子熱発生装置の表面と係合する前記熱伝導性材料内に配置される、請求項５に記載の電子装置。
- 電子熱発生装置から別の環境に熱を伝達するのに適した受動的熱伝達装置を作製するための方法であって、
２つの対向する主表面を横断する複数の離間した孔を有するシート状のガスケットを製造するステップと、
２つの対向する前記主表面に対して垂直に整列したナノ粒子を有する熱伝導性ナノ複合材料である材料を孔内に注入することにより、孔内に配置されたように前記材料の内部に界面境界が形成されず、前記材料が２つの前記主表面のうちの一方の主表面から他方の主表面へ熱を伝導する注入ステップと、
を含む方法。 - 前記注入ステップは、
前記熱伝導性ナノ複合材料のフィラメントを液化するステップと、
前記孔内の前記材料の全体が前記材料の内部の界面境界の可能性を排除するための単一層として形成されるように、それぞれの孔を液化した前記材料で充填するステップと、
を含む、請求項８に記載の方法。 - 前記液化は、前記フィラメントの加熱押出によって行われる、請求項９に記載の方法。
- 前記熱伝導性ナノ複合材料は、銅よりも高い熱伝導性を有する、請求項８に記載の方法。
- 前記注入された材料が、ピッチグラファイト繊維およびグラフェン繊維のうちの１つからなる、請求項１０に記載の方法。
- 前記ガスケットの２つの対向する前記主表面のうちの一方の熱伝導性材料の総表面積が、一方の主表面の総面積の半分である場合に、１００Ｗ／ｍＫより大きい有効熱伝導率を有する熱を伝達する工程を含む請求項８に記載の方法。
- 前記ガスケットは前記ガスケットの２つの前記主表面のうちの一方が、前記電子熱発生装置の表面と係合するために平坦である状態で製造される、請求項８に記載の方法。
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