KR0127314B1 - 열전도 장치 및 열전도 압축 시트 제조 방법 - Google Patents

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Description

열전도 장치 및 열전도 압축 시트 제조 공정

제1도는 상기 장치로부터의 열을 소산시키기 위한 본 발명에 의한 수단을 포함하는 전자 장치를 도시하는 도면.

제2도 본 발명에 사용되는 압축성 열전도체의 개략적인 횡단면도.

제3도 4도는 압축성 열전도 부재에 대한 다른 실시예들의 개략적 횡단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 전자 장치 3 : 열전도성 시트

4 : 금속 엔클로저(enclosure) 22 : 매트릭스

23 : 열전도성 자기 입자

본 발명은 발열 부재로부터 멀리 열을 전도시키기 위한 수단을 갖는 장치에 관한 것이다.

전자 산업에 있어서, 특히 고파워 및 고밀도의 디바이스들이 사용되는 곳에서, 종종 이런 디바이스들에 의한 발열 또는 이러 디바이스들에서의 발열을 소산시키기 위한 수단을 제공할 필요가 종종 있다. 상기 열소산이 없으면, 상기 디바이스의 수명에 치명적인 영향을 미칠 수도 있다. 종래에 열소산은 디바이스 상부로 공기를 통과시키게 하여 냉각시키거나 표면적을 증가시켜 열소산 효율을 높이는 냉각핀을 구비한 탈영 장치(heat sink)에 디바이스를 접촉시킴으로써 이루어졌었다. 통상, 상기 탈열 장치로는 강금속체 또는 가열전도성 세라믹이 사용되어 왔다. 또한, 열전도 입자로 충전(filled)된 탄성체가 소정의 디바이스들로부터 멀리 열을 전도시키는데 사용되어 왔다. 그러나, 냉각될 장치가 엔클로저(enclo-sure) 또는 하우징(housing)내에 장착되는 곳 또는 상기 디바이스 및 엔클로저나 탈열 장치사이의 간경이 변하는 곳에서는, 디바이스로부터 발생되는 열을 탈열 장치 또는 하우징으로 양호하게 열전도시켜 디바이스로부터의 열을 소산시키며 하우징 내에 생성되는 과열을 방지하는 데에 어려움이 있다. 한가지 문제점은 디바이스 상의 과도 압력 없이 열을 소산시키기 위해서 사용되는 수단과 장치 사이의 접촉을 양호하게 하는데 어려움이 있다는 것이었다.

따라서, 고압축성 열전도 부재를 개발하여, 이 부재가 가압 하에서 열원에 인접하게 위치하게 될 때 상기 부재를 통해 열원으로부터 멀리 열을 효과적으로 전도시킬 수 있게 하였다.

상기 압축성 열전도 부재는 적어도 가압 하에서 열 경로가 부재의 두께 부분을 가로질러 나타나도록 자기(maganetically)적으로 정열되어 있는 열전도성 입자들로 충전)filled)된 폴리머를 포함한다.

입자들의 자기적 정렬(magnetic alignment)은 부재의 두께를 횡단하여 연장되는 다수의 컬럼들을 형성하며, 최소한 한 표면상에서, 컬럼들은 표면으로부터 바깥쪽으로 연장되어 다수의 핑거형 돌기부(finger-like protrusion)를 형성한다.

놀랍게도, 폴리머 매트릭스 내의 상기와 같이 자기적으로 정열된 열전도성 입자들은, 자기적으로 정렬되어 있지 않은 동일 입자들 및 입자 주입(loading)의 구조와 비교할 때, 폴리머의 두께를 횡단하는 상당히 큰 열전도율(통상, 일반적으로 사용되는 용적 주입에 대해 최소한 두배의 전도율)을 나타낸다는 것이 발견되었다.

제1도에는, 서로 간격을 두고 가까이 적층되어 있는 복수의 발열성 전자 디바이스(2)와 이 전자 디바이스(2)의 일부와 접해 있는 압축성의 탄성 열전도성 시트(3)와 상기 디바이스를 둘러싸며 열전도성 시트(3)와 접해 있는 금속 엔클롤저(4)를 포함하는 전자 장치(1)가 도시되어 있다. 최소한 엔클로저(4)의 한 부분은 시트(3)의 주표면을 눌러서 압축하여 상기 디바이스(2)로부터 전도된 열을 시트(3)를 통해 엔클로저(4)로 통과하게 하여 대기로 소산되게 한다. 상기 장치는 냉각 효과를 더 내도록 팬(fan) (도시 안됨)을 더 포함할 수도 있다. 상기 엔클로저 대신에, 어떤 유형의 탈열 장치나 열소산 수단도 사용될 수 있음을 유의해야 한다. 대개, 제1도에 도시된 바와 같은 장치에서, 엔클로저 표면과 엔클로저 안의 다양한 디바이스들 사이에 간격을 두는 데에는 큰 변화가 있다. 이것은 모든 디바이스들을 효율적으로 냉각시키기 위해, 이를테면 상술한 열전도성 시트와 같은 고압축성이면서 열전도성인 부재에 대한 필요를 야기시킨다.

제2도에는 열전도 자기 입자(23)들의 배열이 매트릭스로 안에 매립(embeded)되어 있는 압축 탄성순응 폴리머 매트릭스(compressible resilient compliant polymer matrix ; 22)를 포함하는 열전도성 시트(21)가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 상기 입자(23)들은 간격을 가진 컬럼(24)들 내에 정렬되어 있다. 컬럼(24)내의 입자(23)들은 서로 접해 있거나 또는 충분히 밀집되어 있어서, 가압하에서, 시트의 한 주표면으로부터 컬럼 길이 방향을 따라 다른 표면으로 열을 전도한다. 상기 시트(21)의 한 주표면(25)은 본래 평평하다. 시트(21)의 다른 주표면(26)에는 복수의 핑크형 돌기부(27)들이 제공되고, 이돌기부는 폴리머 매트릭스(22)에 매립된 열전도성 입자(23)들의 컬럼(24)들을 포함한다. 이러한 돌기부들을 적어도 가압 하에서 변형될 때, 인접 돌기부들이 서로 오버랩(over lap)하거나 아니면 더 짧은 길이로 될 정도의 길이로 연장된다. 이 돌기부들의 오버래핑(over lapping)은 시트의 두께를 통해서 뿐만 아니라 시트를 횡방향으로 가로지를는 열소산을 가능하게 하고, 극소의 가해진 압력으로 시트의 고압축성을 제공한다. 대개, (돌기부가 구부러지기 전까지)돌기부의 높이가 높을 수록, 임의의 인가돈 히멩 대해 부재는 더욱 더 압축성 있게 된다. 선택적으로, 시트(21)의 베이스(base)는 내부 또는 평평한 표면(25)상에 열전도 스크린(28)을 매립했을 수도 있다. 상기 스크린은 가급적 자기 금속으로 제조되어, 횡방향 열전도성을 높일 뿐만 아니라, 시트(21)내에서 자기 입자들로된 컬럼들의 균일한 배열을 형성하는 역할을 한다.

폴리머는 열전도성 입자들이 주입될 때 가급적 순응적이고 탄성적인 임의의 폴리머가 될 수 있다. 적절한 폴리머의 예를 들면, 실리콘 탄성체, 신축성 에폭시 및 폴리우레탄 등이 있다. 일반적으로 열경화성 실리콘 탄성체는 폴리며 재료로 선호된다. 또한, 입자가 주입된 폴리머는 주조(casting), 드로우잉(drawing : 잡아 늘림) 및 압축 성형을 포함하여 일반에 공지된 기술중 소정의 기술로 형성될 수도 있으며, 기포 또는 고체의 형태가 될 수도 있다.

이용하기에 적합한 입자들의 형태는 가급적이면 구형이 되지만, 형태에는 제약이 없고, 박편(flake)형태도 가능하다. 열전도성 및 자성을 갖는 적당한 미립자 재료로는 이를테면 니켈, 코발트, 철 및 이들의 자기 합금과 같은 금속이 있다. 기타 다른 적절한 자성, 열전도성 입자들은 자기 열전도 세라믹, 산화물 및 해당분야에서 공지된 금속간 화합물(intermetallic compounds)들을 포함한다. 선호되는 입자들은, 통상 복합 재료들, 예를 들면 열전도성을 높이기 위해 위에 구리 코팅하고 구리 산화를 방지하기 위해 은과 같은 비교적 불활성인 금속으로 제2코팅을 한 니켈과 같은 재료이다. 또는 , 복합 입자는 자기 코팅을 한 비자성 금속, 또는 예를 들어 알루미나(alumina)및 베릴리아(beryllia)와 같은 세라믹 등과 같은 비자성 열전도 입자들을 포함할 수도 있다.

양호한 컬럼 구조를 이루기 위해, 롤리머를 경화시키는 동안에 자계를 폴리머 내의 입자들에 인가시킴으로써 입자들이 정렬된다.

시트의 두께는 결정 요인이 못되며, 특정용도 및 사용시 가해지는 최대 및 또는 최소 압력에 의존한다. 시트의 본체를 위한 전형적인 두께는 1내지 100mils이며, 여기에서 연장되는 추가로 5내지 500mils의 돌기부를 가진다. 돌기부의 길이는 적어도 입자 직경의 수배가 되므로 적어도 다수의 입자가 돌기부에 들어있다.

소정의 응용 예를 위해, 엔클로저 내의 시트의 총면적이 큰 곳, 예를 들면 수입방미터인 곳 및 또는 냉각될 디바이스나 복수의 디바이스 및 또는 소산 매체나 엔클로저의 표면 균일성이 상당히 변화되는 곳에서, 시트 및 이 시트가 삽입되는 디바이스 소산 매체의 접촉 면적을 충분히 확보하도록 시트는 가해진 저압력에 대해 고압축될 수 있다는 것이 매우 중요하다. 일반적으로, 통상 약 10psi의 압력이 가해질 때 시트의 본래 전체 두께의 약 10% 내지 50% 정도가 변형된다. 이와 같은 시트는 소정의 컬럼구조를 형성하도록 정렬되는 1내지 10mils의 입자 크기를 가지는 본래 구형의 니켈 베이스 입자들과 함께 약 50용량퍼센트로 주입되는 폴리머 매트릭스로서 예를 들어 실리콘 탄성체를 사용함으로써 얻어질 수 있다.

제3도 및 제4도는 본 발명의 열전도성 시트 재료의 또다른 구조를 도시하고 있다. 시트재료는 열전도 이외의 용도로 사용될 수도 있음을 유의해야 하는데, 즉 예를 들면, 가스킷 재료 및 전기 도체로서 사용되어 이를테면 열전도성 입자들이 전기 전도 경로 또한 제공하는 경우에 접지 평면을 제공하는 기능을 한다. 또한, 하나의 열전도체는 자기적으로 정렬된 열전도성 폴리머 시트 및 또는 냉각되 디바이스 및 열소산 장치 사이에 예를 들면 금속박이나 금속 시트 등의 또다른 열 전도체를 삽입할 수도 있다. 이것은 열전도를 촉진시킨다. 또한, 시트의 단부를 향하는 횡방향 열전도가 존재하는 경우에 열소산을 촉진시키도록 발열 디바이스들 사이에 폴리머 시트가 사용될 수 있다.

다음의 표는 선택 스크린 없이 제2도를 참조하여 기술한 대로, 돌기부를 갖는 구조를 제공하도록 정렬되는 3mil 평균 직경의 금코팅한 니켈 구로 용량의 30%까지 충전(filled)된 175mil 열전도성 실리콘 탄성체 시트 및 돌기부가 없고 양주표면 위가 평평한 유사한 재료 사이의 특성을 비교한 것이다.

[표 1] 본 발명에 의한 열전도성 시트와 돌기부 없는 유사 시트의 특성 비교

표에서 알 수 있는 바와 같이, 돌기부를 가진 구조는 평평한 구조보다 더 훨씬 변형이 쉽고, 놀라울 정도로 평평한 구조와 비교될 만한 열전도성을 보인다.

제조에 있어서, 열전도성 돌기부의 높이, 밀도 및 형태는 하나 이상의 공정, 또는 예를 들어 자계 방향 및 또는 강도, 탄성체 점성도 및 입자 주입과 같은 재료 매개변수들을 조절함으로써 제어될 수 있다.

높은 내구성, 압축성 및 열전도성의 시트를 제조하기 위한 한 방법은 둘 또는 세개의 별개 층으로부터 하나의 복합체를 형성하는 것이다. 이와 같은 시트가 제3도에 도시되어 있다. 제1층(30)은 베이스를 제공하여 제2층(31)을 지지한다. 제2층(31)은 핑거형 돌기부(32)를 형성하며, 선택적인 제3층(33)은 돌기부(32)를 덮어서 횡방향 열전도율과 내구성을 높인다. 층(31 및 32)은 최종 장치에서 단일체이며, 층(33)은 돌기부의 상부에 있다. 이와 같은 샌드위치 구조는 복합체의 주변을 따라 뻗어 있는 프레임 내에서 유지될 수도 있다. 돌기부는 베이스 재료에 대해 수직 이외의 각도로 형성될 수도 있음을 유의해야 한다. 이것은 시트를 보다 더 용이하고 균일하게 압축시킬 수 있다.

예로서, 가급적이면 세 층 모두는 열전도를 높이도록 구리로 약 25microns 코팅했고 구리의 산화를 방지하기 위해 은이나 금과 같은 비교적 불활성인 금속으로 0.6microns 코팅한 니켈 입자 등의 동일한 선구 재료로 만들어진다. 약 7내지 10mills 범위의 평균 입자 크기를 갖는 입자들이 사용된다. 적어도 350%의 파열전 신장 계수, 50 미만의 쇼-A 듀로미터, 최소한 85파운드의 인렬 강도를 갖는 열경화성 실리콘 탄성체가 선호된다. 이와 같은 탄성체의 예가 다우코닝 실라스틱 이. (Dow Corning Silastic E.)이다.

제1및 제3층은 예를 들어 약 50 용량퍼센트의 높은 입자 주입에 의해 제조된다. 제1층은 통상 15내지 25mils 의 두께로 되고, 입자들은 110에서 2분동안 부분적인 열경화로 약 300애르스텟의 자계에 의해 컬럼 패턴을 형성하도록 정렬된다. 제2층은 약 20mils의 두께로 부분 경화된 제1층위에 형성된다. 일반적으로 제2층에는 30내지 50 용량퍼센트의 입자 주입이 이루어진다. 상기 층은 약 1100애르스텟의 자계를 사용하여 돌기부를 형성하도록 잡아 당겨지며, 이런 돌기부의 높이는 자기 갭의 크기에 의해 제어된다. 이와 같은 복합층은 15분 동안 약 110 로 자계에서 경화된다. 제3층은 제1층과 동일한 방법으로 제조되어 처음 두 층으로된 복합체 위에 제공된다. 이 복합체의 모든 섹션은 그 이후에 약 10시간 동안 약 140℃에서 가급적이면 예를 들어 니트로겐이나 아르곤 등의 불활성 대기 내에서 추가로 더 경화된다. 실제사용시에, 한 표면상에 돌기부를 가진 두개 이상의 시트가 결합될 수 있거나, 한 시트가 자체적으로 접혀 질수 있어서, 외부 표면은 모두 평평하게 되거나, 또는 표면 모두 돌기부를 가지거나, 또는 한쪽 표면은 평평하고 다른 한쪽은 돌기부를 갖는다는 것을 유의해야 한다.

Claims (11)

1. 발열 부재를 포함하는 장치에 있어서, 시트의 두께를 가로지르면서 자기(magnetically)적으로 정렬된 열전도 입자들의 다수의 간격진 컬럼들을 갖는 베이스 부분과, 적어도 상기 베이스 부분의 한 표면으로부터 외부로 연장되는 상기 입자들을 포함하는 다수의 핑거형 돌기부를 포함하고, 상기 입자들이 폴리머 매트릭스 내에 존재하고, 상기 발열 부재에 인접하게 놓여져서 상기 부재로부터 열전도를 가능하게 하는 압축성 순응 시트 및 상기 시트를 압축하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 폴리머는 탄성체이며, 상기 자기적으로 정렬된 입자들은 금속, 금속 합금, 산화물 및 금속간 화합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 자기 재로로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전도 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 탄성체는 열경화성 실리콘이며, 상기 입자들은 니켈 및 니켈 합금으로부터 선택되는 그룹에서 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전도 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 입자들은 자기 코어,상기 코어 둘레의 고열전도성 재료 및 열전도성 금속 둘레의 내산화성 열전도층을 갖는 복합체인 것을 특징으로 하는 열전도 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 자기적으로 정렬된 입자들의 입자 크기는 1내지 10mils인 것을 특징으로 하는 열전도 장치.
6. 제1항에 있어서, 열전도층은 상기 시트에 접해 있는 것을 특징으로 하는 열전도장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 열전도층은 상기 돌기부와 접해 있고, 폴리머 매트릭스 내에 분산되어 있는 열전도 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 시트는 10psi의 압력 하에서 처음 두께의 최소한 10% 변형될 수 있는 것을 특징으로 하는 열전도 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 베이스 부분은 1내지 100mils의 두께를 가지며, 상기 돌기부는 베이스 부분으로부터 5내지 500mils 연장되는 것을 특징으로 하는 열전도 장치.
10. 압축성 열전도 시트를 제조하기 위한 방법에 있어서, 탄성체 내에 입자들의 간격진 컬럼들을 형성하기 위해 자기적으로 정렬된 내부에 분산되어 있는 입자들을 갖는 부분 경화 탄성체의 제1층(30)을 형성하는 단계와, 상기 제1층(30) 상에 제2층(31)이 그로부터 연장되는 핑거형 돌기부(32)를 갖도록 형성되고, 상기 돌기부(32)가 있는 상기 제2층(31)은 폴리머 탄성체 내에 분산된 자기 입자들을 가지며, 상기 돌기부(32)는 돌기부가 형성될 정도로 상기 시트의 두께를 가로지르는 소정 크기의 자계를 가함으로써 형성되는 단계와 상기 자계의 영향하에서 상기 폴리머를 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압축성 열전도 시트 제조방법.
11. 제10항에 있어서 상기 돌기부 위에 상기 제1층과 유사한 방법으로 제3층(33)을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축성 열전도 시트 제조 방법.

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