KR100459794B1 - 열계면체와 사용방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 계면열전달을 향상시키는 열전계면체를 기술한다. 본 계면체는 최소 두 가지 이상의 원소나 화합물 간의 합금이다. 본 합금은 동일하지 않은 액체온도와 고체온도를 갖는다. 두 매체 사이의 계면온도가 액체온도와 고체온도 사이에 위치하게 되면, 본 합금은 최소 하나 이상의 액상과 고상을 동시에 함유하며, 각 상간에는 준평형 또는 그 이상의 상평형이 존재한다. 이 계면체는 반도체장치와 같은 발열체와, 히트싱크와 같은 방열체 사이에 위치하여 두 매체간의 열전달을 향상시키는 작용을 한다.

Description

열계면체와 사용방법{THEMAL JOINT AND METHOD OF USE}

본 발명은 한 물체에서 다른 물체로 열을 전달하기 위한 열전계면체(a thermal joint)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 반도체장치와 같은 열 발생 장치와히트 싱크(heat sink)와 같은 열 제거 장치 간에 열을 전달하는 방법에 관한 것이다.

효율적인 열전달을 필요로 하는 장치들이 많이 있다. 예를 들어, 고속 컴퓨터나 다른 고속 장치들은 종종 많은 집적회로 칩을 필요로 하는데, 이 칩에는 많은 능동장치들이 있고, 또한 많은 칩들은 매우 가깝게 서로 이격되어 있다. 정상적인 작동 하에서, 상기 장치들은 매우 큰 전력밀도를 소비하게 되는데, 특히 바이폴라 트랜지스터인 경우에는 더 그러하다. 장치의 정상적인 작동을 위해서는 상대적으로 낮은 작동 온도가 필요하다. 다시 말해, 장치의 발열을 충분히 냉각하는 것이 필요하다. 반대로, 현재 사용되는 제한된 냉각 용량을 가진 장치와 그 장치들이 조합된 집적회로 칩의 최대 가능 작동 온도는 허용가능한 전력 밀도와 회로 밀도 그리고 시스템 속도를 제한하게 된다. 장치와 집적회로 칩의 냉각 능력 향상은 전력밀도와 회로 밀도 그리고 시스템 속도를 증가시킬 수 있다.

전도로써 한 물체에서 다른 물체로 열을 전달 또는 발산시키려 할 때, 열교환 과정에서 가장 중요한 부분은 두 물체 사이의 접촉부이다. 두 물체 사이의 열교환을 향상시키는 전형적인 방법은 두 물체 사이의 접촉면을 기계 가공하여 공차를 높이고 열결면의 더 많은 부분이 접촉하도록 밀착시키는 것이다. 이 방법은 비용이 많이 들고, 표면 처리의 매끈함과 함께 표면을 가로질러 인가되는 압력의 량도 고려하여야 한다. 표면 불규칙도 마이크로 단위이고 두 접촉면 사이의 압력이 크다 할지라도, 상대적으로 낮은 열효율을 얻게 된다. 이것은 두 물체의 접촉부가 공기와 빈 공간으로 둘러싸인 채 상대적으로 작은 부분에서만 접촉하기 때문이다. 접촉부의 공극과 빈공간은 열저항을 증가시키는 경향이 있다.

두 물체 사이의 접촉부의 열저항은 접촉면 안의 공극과 빈 공간을 채울 수 있는 계면재료를 제공함으로써 줄일 수 있다. 열 그리스에서 상 전환 혼합물에 이르기까지 여러 물질들이 전자 장치 냉각과 같은 경우에 접촉 물질로서 사용되고 있다. 이 틈새 물질의 주 기능은 빈 공간의 수를 최소화시키고 접촉 압력의 인가 하에서 점성유동 또는 화학 반응에 의한 접촉 면적을 증가시키는 것이다. 그러나, 이 접촉 물질들은 무결정 그리스/오일, 실리콘 그리스, 그리고 파라핀 밀랍 같은 상대적으로 낮은 열전도를 가진 혼합물에 기반하고 있다. 따라서, 이 물질들로 인한 열적 성능의 향상은 제한적일 수 밖에 없다. 높은 열 유속 또는 높은 작동 온도를 거치는 작동 환경에서 열전계면체로서 이 물질들의 성능은 휘발성 요소의 손실로 급격하게 저하될 수 있다. 이 문제를 완화시키기 위해, 이 물질들을 열전도가 좋은 분말과 섞거나 금속 구조와 결합시키곤 한다. 하지만, 그런 설계는 복잡하고 비용을 증대시킨다.

납땜은 두 물체 사이의 접촉부의 열저항을 줄이는 방법으로 고려되어 왔다. 두 물체 사이의 금속 접촉부를 납땜하는 것이 열접촉을 향상시킬 수 있을지 모르지만 납땜하는 물질과 반응하는 면에만 이용할 수 있는 단점이 있다. 알루미늄, 세라믹, 그리고 플라스틱처럼 반응하지 않는 면에 대해서는 귀금속 같은 결합층을 입히는 과정이 선행되어야 한다. 그러나 결합 물질 또는 피복층 사이의 열적 불일치로 인해 납땜 물질의 균열이 일어날 수 있다. 상대적으로 비싼 가격과 재작업의 어려움 같은 이유로 인해 효율적으로 열전계면체를 만드는 데에 있어 납땜의 이용은 제한받고 있다.

위에서 보았듯이 상대적으로 큰 열전도를 제공하는 열전계면체가 필요하게 되었다. 열전계면체의 열전도가 전형적인 금속 또는 그 합금에 필적할 만하다면 좋을 것이다. 열전계면체가 복잡하지 않아 쉽게 부착될 수 있다면 더 바람직할 것이다.

본 발명은 여러 측면에서 앞에 언급한 요구를 충족시킨다. 그 하나로, 본 발명은 열전달을 촉진시키는 열전계면체와 관련이 있다. 열전계면체는 두 개 이상의 구성원소로 된 합금을 포함한다. 합금은 작동 온도 T_P, 액체온도 T_L, 고체온도 T_S를 갖는다. 작동 온도 T_P가 액체온도 T_L과 고체온도 T_S사이에 있을 때, 합금 안에는 최소 하나 이상의 액상과 고상이 존재한다. 되도록이면 액상과 고상이 실제 평형 상태에 있는 것이 좋다. 열전계면체는 열발생부와 열발산부 사이에 놓여질 수 있도록 설계한다.

다른 측면에서 본 발명은 열발생부와 열제거부 사이에 위치한 열전계면체를 포함하는 장치와 관련이 있다. 그런 장치는 여러 다양한 기계의 부품이 될 수 있는데, 반드시 다음의 것들에만 한정되는 것이 아니지만, 예를 들어보면 컴퓨터, 프린터, 셀룰러폰, 텔레비전, VCR, 전력 증폭기, 변압기, 전력 공급회로, 고발열 트랜지스터, 다이오드 그리고 스위치 기판 등의 기계에 이용할 수 있다.

또 다른 측면에서 본 발명은 열을 발산하는 방법과 관련이 있다. 그 방법은다음 단계 중 하나 이상을 포함한다. (a) 열 발생부와 열 발산부 사이에 최소한 둘 이상 요소의 합금으로 구성된 열전계면체를 넣는다. (b) 합금의 액체온도 T_L과 고체온도 T_S사이의 온도에서 열전계면체를 작동시켜 합금이 최소한 하나 이상의 액상과 고상이 포함하게 한다. 액상과 고상이 실제 평형 상태에 있다면 더 좋다.

또 다른 측면에서 본 발명은 낮은 열저항을 가진 열전계면체를 만드는 방법과 관련이 있다. 이 방법은 다음 과정 중 하나 이상을 포함한다. (a) 액체온도 T_L, 고체온도 T_S를 가진 둘 이상 요소의 합금을 만든다. (b) 적어도 하나가 접촉면에 빈 공간을 가지고 있는 열 발생부와 열 발산부 사이에 합금을 놓는다. (c) 접촉면에 빈 공간을 채울 수 있는 액상을 만들기 위해 고체온도 T_S보다 높은 온도로 합금 온도를 높인다. (d) 액체온도 아래로 작동 온도를 낮춘다.

본 발명의 다른 측면들과, 이점과 목적은 다음의 기술로서 명확히 알 수 있을 것이다.

도 1은 A, B 요소의 가상적인 합금 시스템의 상태 선도를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 A, B 요소의 공정 상태도를 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 A, B 요소의 포정 상태도를 개략적으로 나타낸 도면.

도 4는 본 발명을 구체화시키는 작동 조건 하에서의 열전계면체를 나타낸 도면.

도 5는 다양한 샘플들의 열접촉 임피던스를 측정하는데 사용하는 기구를 나타낸 도면.

도 6은 다양한 샘플들의 열 접촉 임피던스를 열 유속의 함수로 나타낸 도면.

도 7은 한 샘플에 대해 다양한 작동 온도에서의 열 접촉 임피던스를 열 유속 함수로 나타낸 그래프도.

본 발명은 두 매체 사이의 열전달을 향상시켜 열 접촉저항을 줄여주는 열전계면체의 구성과 응용에 관한 것이다. 본 발명에서 지칭되는 열전계면체는 적어도 두 가지 이상의 구성 요소로 된 합금을 포함하고, 발열체와 방열체 사이의 계면에 위치되도록 그 크기를 형성한다. 상기 합금은, T_L이상의 온도(액체온도)에서는 완전 용융되어 액상이 되며 T_S이하(고체온도)에서는 고상으로 존재하는 특성을 갖는다. 액체온도(T_L)과 고체온도(T_S) 사이의 온도(T_P)에서 열전계면체가 작동하면, 상기 합금은 최소 하나 이상의 액상과 고상을 가진다. 상기 액상은 상기 고상과 열역학적 평형상태로 있는 것이 바람직하다. 상기와 같은 작동 조건하에서, 고상은 본래의 물리적 형상을 유지하는 반면, 액상은 두 접촉면 사이의 공극과 빈공간으로 메꾸게 된다. 이와 같이, 상기 두 접촉면 간의 공극과 빈공간들은 최소화되거나 또는 완전히 사라지게 된다. 따라서, 상기 두 접촉면 간의 열저항이 감소되어, 상기 두 접촉면 간의 열전도가 증가하게 된다.

본 발명에서 지칭하는 "구성요소"는 화학원소, 화합물 또는 그들의 조합이 이루는 모든 조성을 통칭하며, "열전계면체"는 열전달 향상을 목적으로 두 매체 간에 끼워 넣는 모든 형태의 구조물을 의미한다. 열전계면체는 판(sheet), 박막, 분말, 그물망 등의 여러 가지 물리적 형태로 존재할 수 있다. 본 발명에서 지칭하는 "합금"은 최소 두 개 이상의 화학원소 간의 조합이나 두 개 이상의 화합물의 조합을 의미하는 것으로 각 구성원소 개개의 액체온도이나 고체온도와는 다른 온도 특성을 갖는 모든 물질을 포함한다. 이 합금은 액체온도 T_L이상에서는 거의 또는 완전히 용융되어 액상으로 존재하고, 고체온도 T_L이하에서는 거의 또는 완전히 응고하여 고상으로 존재한다. 상기 온도 사이의 온도에서, 합금은 최소한 하나 이상의 고상과 액상을 가진다. 모든 상들은 실질적으로 상평형 상태에 있는 것이 바람직하다. 적합한 합금은 이원계, 삼원계 또는 사원계일 수 있다. 이들 합금들은 또한 다섯 개 이상의 원소들과, 합성물 또는 화합물로 만들 수 있다. 또한, 합금체가 반드시 금속일 필요는 없다.

가장 이상적인 합금은 둘 또는 그 이상의 금속들이 균일하게 분포된 혼합물이나 고용체이나, 이 합금들이 반드시 균일할 필요는 없다.몇몇 합금들은 두 가지 이상의 금속들로 된 균일 혼합물 또는 두 가지 이상의 금속들로 된 고용체가 아니다. 그럼에도 불구하고, 이들 비-균일 합금들이 아래에서 기술하는 용융특성을 가진다면 본 발명의 실시 예에서 사용할 수도 있다: 즉 합금이 어떤 액체온도 이상에서는 완전히 녹아 액상이 되고, 소정의 고체온도 이하에서 응고하여 고상이 된다면 본 발명의 실시 예에서 상기 비-균일 합금들을 사용할 수 있다. 상기 합금을 상기 이 고체온도와 상기 액체온도 사이의 온도로 가열하면, 적어도 하나의 액상이 적어도 하나의 고상과 공존한다. 상기 액상과 고상 모두를 포함한 모든 상들이 실질적으로 서로간에 거의 또는 완전히 평형상태에 있는 것이 바람직하다.

완전한 상평형을 가지는 계에서, 각 상에 존재하는 각 화학원소(구성원소)의 화학에너지 (chemical potential)들이 같다. 화학에너지(μ)는 몰당 부분 깁스 자유에너지( partial Gibbs free energy, G)를 지칭하며 그 관계는 다음의 식으로 표현된다.

여기에서, μ와, G 및 n은 화학에너지와, 깁스 자유에너지와 그리고 몰수를 나타내고, i와 j는 평형계에 존재하는 화학 원소들을 의미한다. 고상( α)과 액상(L)이 완전한 평형상태에 있는 온도(T)에서의 A-B 이원계 합금의 경우, 다음의평형조건들을 충족해야 한다.

그리고

유사하게, 이원계에서 완전한 삼상 평형(두 개의 고상 α, β와 하나의 액상 L)이 존재한다면, 평형조건을 충족해야 한다.

그리고

일반적으로, 합금계에서 원소의 숫자가 증가할수록 평형조건들의 숫자가 증가한다. 예로서, 삼원계(A-B-C) 합금에서 고상 α와 액상 L 이 평형을 이룬다면 다음의 조건을 충족해야 한다.

그러나, 완벽한 상평형은 실제로 거의 달성하기 어렵다는 것을 알아야 한다. 대신에, 단지 실질적인 상평형을 이룰 뿐이다. 즉, 환언하면, 계의 모든 상에 존재하는 화학원소들의 화학에너지가 실질적으로 동일하면, 실질적인 상평형에 이른 것으로 간주할 수 있다. 본 발명의 실시예에 적합한 합금을 사용하면, 합금의 다양한 상들이 실질적인 평형상태 또는 완벽한 평형상태에 있는다. 그러나, 비-평형상태 조건하에서 적합한 합금을 작동시켜 실질적인 상평형결과를 이룰 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따라서, 적어도 하나의 고상과 적어도 하나의 액상을 가지는 합금을 열전계면체를 만드는데 사용하여 두 구성요소들 간에 열전달을 촉진할 수 있다. 편의상, 이러한 특성을 갖는 모든 합금을 본문에서는 "이상합금(二相合金)"이라 칭한다. 여기서 이상합금이라고 함은 적어도 하나 이상의 고상과 액상이공존하는 상태를 통칭하지만, 그러나 합금은 보다 많은 액상 및/또는 보다 많은 고상을 포함할 수도 있다.

합금의 상 상태도인 도 1은 열전계면체를 만들기 위해 본 발명의 실시예에서 사용하는 이상합금 중 한 유형을 보여준다. 도 1을 참조하여 보면, 원소 A와 원소 B를 혼합하여 합금을 형성했을 때, 최종 합금은 원소 A와 원소 B의 용융 특성과는 다른 용융 특성을 가진다. 상기 합금은 단일의 액체온도에서 온전히 용융되기 보다는, 다양한 온도범위, 예컨대 T_S에서 T_L까지의 온도범위에서 융용된다. 합금의 T_S와 T_L은 원소 A와 원소 B의 액체온도 사이에 있다. 이들 온도들은 원소 B의 함유량(C_B)이 증가하면 감소한다. 그러나, 원소 B의 함유량의 함수에 따라, 합금의 T_S는 합금의 T_L보다 빨리 감소한다. 주어진 C_B에서, 합금을 T_S와 T_L사이의 온도(T)로 가열하면, 합금은 고상과 평형상태에 있는 액상을 유지한다. 완벽한 상 평형계에서, 액상과 고상의 량은 열역학적인 평형의 원리에 지배를 받는다(lever rule). 예로서, 합금의 조성이 X인 경우, 온도 T에서의 각 상의 구성 비율은 다음과 같은 수식에 의하여 결정된다.

고상 비율 :액상비율 :

여기서 지정된 C_L과 C_S는 주어진 온도에서의 액상과 고상의 평형조성을 의미한다(도 1참조).

주어진 C_B에서, 합금의 온도가 증가하면, 액상의 비율이 증가하며, 반대로 합금의 온도가 감소하면 고상의 비율이 증가한다. 이러한 관계는 열계면에 생기기 쉬운 고온점(hot spot)을 최소화하는데 유리한 역할을 한다. 예컨대, 국부적인 상기 고온점이 생기면, 그 부분의 온도가 다른 부위보다 상승하여, 그에 따라 고온점 부근에서 액상 비율이 증가할 수 있다. 보다 많은 액상이 생성되면, 상기 고온점 부근에서 열접촉이 개선되어, 상기 영역에서 보다 많은 열을 제거할 수 있게 된다. 따라서, 상기 고온점을 실질적으로 최소화시키거나 또는 제거할 수 있다.

도 1에 소개된 상태도 이외에도 여러 가지 다른 종류의 상태도가 존재할 수 있다. 도 2와 3은 그 중 간단한 이원계 상태도의 경우를 소개한다. 도 2에 소개된 경우는 보통 "공정합금(Eutectic alloy)의 상태도"라 부르며, 도 3의 경우는 "포정합금(Peritectic alloy)의 상태도"라 부른다. 이들 합금계들은 고체상태에서 고용체를 형성하지 못한다는 점에서 도 1의 경우와는 다르다. 대신에, 합금의 조성과 온도에 따라 고체상태에서 하나 이상의 상들을 형성한다. 상기 차이점과는 상관없이, 양 상태도들은 액상이 고상과 함께 공존하는 영역을 가진다(상기 영역들은 상태도에서 그림자 영역으로 표시하였다). 합금 조성과 온도가 상기 그림자 영역에 들어가면, 적어도 하나의 고상과 공존하는 적어도 하나의 액상을 가지는 합금계를 얻을 수 있다. 이와 같은 이상 합금계는 본 발명의 실시예에서 열전계면체를 만드는데 사용할 수 있다.

도 1과 도 3이 이원계 합금에 대해 설명하였다 하더라도, 상태도는 삼원계합금이나 또는 보다 많은 합금 원소, 합성물 또는 화합물을 가지는 다원계 합금을 나타낼 수는 있으나, 좀 더 복잡해진다. 합금 원소나 화합물의 수에 상관없이, 소정의 적합한 합금의 수직면 상태도(vertical section)(즉, 온도 대 고정된 합금조성)는 상기 세 개의 상태도들 중 하나 또는 세 상태도의 소정 조합에 따른다. 환언하면, 적합한 합금은 이원계합금과 삼원계합금에 한정되는 것이 아니다. 네 개, 다섯 개, 여섯 개 또는 보다 많은 수의 구성원소(합금원소, 합성물 또흔 화합물)를 가지는 합금을 본 발명의 실시예에서 사용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 두 개의 구성요소 간에 사용되는 열전계면체의 단면을 보여준다. 장치(40)는 발열체(41)와 방열체(42)로 구성되고, 본 발명에 따른 열전계면체(45)가 그 사이에 위치한다.

작동온도가 합금의 고체온도(T_S) 이상으로 상승하기 전에, 구성요소들의 표면에 있는 빈 공간은 전형적으로 공기로 채워진다(도 4에는 도시되지 않음). 이러한 공극과 빈공간들은 두 구성요소간에 발생하는 상당히 높은 열저항에 주로 책임이 있다. 작동온도가 합금의 고체온도 위로 상승한 후에, 액상이 생성된다. 접촉하고 있는 두 매체에는 보통 접촉압력 (contact pressure)이 가해지므로, 이 압력에 의해 생성된 액상은 공극으로 밀려서 공극을 채우게 된다. 이때 고상은 실질적으로 동일한 형상을 유지하게 된다. 도 4에서 설명하였듯이, 공극과 빈공간에서 액상은 고상에 의해 제자리를 유지하여, 소정의 액체 유지 메카니즘의 필요성을 없앤다. 공극과 빈 공간의 숫자가 실질적으로 감소하거나 또는 제거되기 때문에, 실질적으로 열저항을 감소시킨다.

상기한 바와 같이, 소정의 온도 범위 내에서 최소한 하나 이상의 고상과 액상이 공존하는 합금을 본 발명의 실시예에서 열전계면체를 만드는데 사용할 수 있다. 적합한 합금은 훌륭한 열전도도를 가져야만 하고, 상온보다 높지만 전형적인 작동온도 보다는 낮은 온도에서 녹기 시작하여야만 하고, 그리고 작동온도에서 실질적인 상평형을 유지하여야만 한다. 또한, 정상 작동온도(operating temperature)에서, 합금은 공극을 충분히 채우면서도 계면 밖으로 유출되지 않는, 충분한 량의 액상을 생성해야 한다. 다른 설계 요소들, 즉 재료 및 가공비, 부내식성, 사용상의 용이성 등도 계면체의 유용도를 가늠하는 요소가 된다.

일반적으로, 합금을 선택하기만 하면 고상/액상 평형의 온도범위는 정해진다. 합금의 화학조성을 변경시키는 일이 없이 액상의 비율을 감소시킬 필요가 있는 경우에, 이상 합금과 함께 첨가물을 사용할 수 있다. 일반적으로, 첨가물은 합금의 화학 평형에 기여하지 않는다. 적절한 첨가물들은 상당히 높은 열전도도를 가지고 또한 정상 작동 환경 하에서 고형으로 존재한다. 이들은 금속, 세라믹, 또는 다른 것들일 수 있다. 제한하고자 하는 것은 아니지만, 이러한 첨가물들의 예로서는, 다이아몬드 분말, 세라믹 분말 그리고 금속분말(예컨대, Cu, Ag, Au 및 Pb)이다. 게다가, 규정된 량의 금속분말 또는 금속섬유들은 핵형성 위치를 제공하여, 이들 핵형성 위치 주위에 고상의 형성을 촉진한다. 이종합금의 기본 동작은 변하지 않는 반면, 금속 첨가물의 존재로 인해 고상의 비율이 증가하여, 합금조성을 실질적으로 변경시키는 일이 없이 액상 비율을 편리하게 제어할 수 있도록 한다.

제한하고자 하는 것은 아니지만 적절한 합금들의 예는, Bi, Pb, Sn, Cd, In, Tl, Te, Ga 및 Hg와 같은 원소들의 소정 화합물을 포함하는 합금계를 포함한다. 천이금속과 비-천이 금속들을 합금계에 첨가할 수 있다. 제한하고자 하는 것은 아니지만, 전형적인 비-천이 금속은 Na, Li, Al, Mg, Zn, As, K, Rb 및 Cd 를 포함한다. 적절한 천이금속은 공지된 모든 천이 금속을 포함하며, 제한하고자 하는 것은 아니지만, 예컨대 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, 란탄족 원소들(Lanthanides) 및 악티늄족 원소(Actinides)들을 포함한다. 바람직한 천이금속들은 Cu, Au 및 Ag 이다. 이외에도, Si 및 Ge 와 같은 반전도 원소들을 합금에 첨가할 수 있다. 제한하고자 하는 것은 아니지만, 본 발명의 실시예에 사용할 수 있는 적절한 합금들의 예는, Bi-In, Sn-In-Ga, Bi-Pb-In, Bi-In-Sn 및 Bi-Pb-Cd, 또는 이들을 근간으로 하는 모든 합금계이다.

부가적으로 적절한 합금들은, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, Si 및 Ge 와 같은 귀금속들의 소정 화합물을 포함하는 합금계이다. 게다가, Al, Mg, Zn, Cr, Ni 및 Be 등의 소정 화합물을 포함하는 합금들을 사용할 수도 있다. 이외에도, 하나 이상의 천이 금속들을 상기에서 말한 합금들에 첨가하여 합금들의 화학적 안정성을 변경할 수 있다. 제한하고자 하는 것은 아니지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 사용할 수 있는 적절한 합금들의 예는, Au-Si, Ag-Si, Au-GE, Cu-Zn, Al-Ag, Ag-Ge, Ag-Cu-Zn, 및 Ag-Cu-Sn 등이다.

앞서 설명하였듯이, 적절한 합금들은 반드시 금속일 필요는 없다. 본 발명의실시예에 다른 합금계들을 사용할 수 있다. 예컨대, 비-금속 합금은 염화물, 산화물, 질화물, 황화물 및 안티몬족 원소(Antimonides)들의 합성 합금을 포함할 수 있다. MgCl-NaCl 이 적절한 염화물 합금의 예이다. 제한하고자 하는 것은 아니지만, 적절한 실리카 합금은 납유리(Flint glass)와, SiO₂/CaCO₂, SiO₂/PbO 및 SiO₂/TiO₂이다. 수 많은 다른 합금들을 있다는 것을 본 기술분야의 당업자들이 잘 알고 있을 것이다.

바람직한 이상 합금의 형태로는 정해진 두께로 압연된 얇은 판이 좋다. 물론 다른 형태의 합금도 가능하다. 예로서, 물리적, 화학적, 또는 전자화학적 침전법을 사용하여 연결면 한쪽 또는 양쪽에 이상 합금을 입힐 수 있다. 또한 연결면에 분말 형태로 놓여질 수 있는데, 작동 조건 하에서, 이 가루들은 굳어져 층을 이루게 된다. 이상 합금의 작동은 본질적으로 연결면에 대한 액세상태의 습윤 정도와 무관하기 때문에, 미리 표면처리를 할 필요가 없다. 실제로, 알루미늄 표면과 같은, 젖지 않는 표면은 계면의 조립과 해체를 용이하게 할 수 있다. 연결면이 합금과 반응할 우려가 있다면 알루미나 같은 비-반응층을 입혀야 한다. 이러한 얇은 피복층은 전기적으로 비전도성이기 때문에, 전기 절연이 필요한 고성능 열전계면체가 필요한 경우에 유용하다.

열전계면체와 그로부터 만들어진 장치들에 덧붙여, 본 발명의 실시예들은 한 요소에서 다른 요소로 열을 발산하는 방법을 제공한다. 방법은 다음과 같이 기술할 수 있다. (a) 열발생부와 열발산부 사이에 이상 합금으로 만든 열전계면체를 제공하고, (b) 합금이 최소한 하나의 액상과 고상을 갖도록 합금의 액체온도 T_L과 고체온도 T_S사이의 온도에서 열전계면체를 작동시킨다. 액체 상태가 고체 상태와 실질적으로 평형상태에 있는 것이 좋고, 열전계면체가 열발생부의 한 면과 직접 접촉하고 있는 것이 더욱 바람직하다. 마찬가지로, 열전계면체가 열제거부의 한 쪽면과 직접 접촉하는 것이 좋다. 열발생부는 열을 제거하어야 하는 모든 장치 또는 물체를 포함한다. 이것들만 있는 것이 아니지만, 열발생부의 예를 들면 반도체장치, 마이크로 전자장치, 반응로 그리고 다중 칩 모듈이 있다. 열제거부는 열원으로부터 열을 제거할 수 있는 모든 장치 또는 물체를 포함한다. 역시 여기에 한정되지는 않지만 열제거부의 예로는 히드 싱크, 열 파이프, 그리고 냉각판을 들 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 방열법은 한 요소에서 다른 요소로 열을 제거할 필요가 있는 모든 시스템에서 사용할 수 있다.

본 발명을 사용할 때, 작동 온도 T_P를 항상 합금의 고체온도 T_S보다 높게 유지할 필요는 없다는 점을 주지해야 한다. 대신에, 접촉면(계면)의 공극과 빈공간이 실질적으로 액체 상태로 채워지도록 작동 온도가 일정 시간 동안 합금의 고체온도 T_S보다 높을 필요만이 있을 뿐이다. 공극과 빈공간이 실제로 액상으로 채워진 후에, 열전계면체 전체가 단지 고상만을 포함하도록 작동온도를 T_S아래로 낮출 수 있다.그러므로, 본 발명을 실시할 때 최종 작동 온도는 T_S와 T_L사이 또는 T_S이하가 된다.

위에서 언급했듯이, 본 발명의 실시예에 따른 열전계면체와 방열방법은 한 요소에서 다른 요소로 열을 전달할 필요가 있는 모든 장치에 사용할 수 있다. 예를 들어, 슈퍼 컴퓨터, 워크스테이션, 개인용 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 프린터, 셀룰러 폰 과 그리고 텔레비전, VCR 과 같은 가전기기의 내외부 열 패키징과, 그리고 상업적, 군사적 용도의 여러 운송수단의 전자 제어시스템에서 사용할 수 있다. 더 나아가 전자장치의 열 패키지에서의 응용으로, 기지국( base station), 전력 증폭기, 변압기, AC 및 DC 전력 공급회로, 고출력 트랜지스터, 다이오드 그리고 스위치 기판 같은 전력시스템과 통신 시스템에까지 확장하여 사용할 수 있다. 또한 열전계면체는 히트 싱크 조립체 또는 열파이프 조립체에 대해 소정의 형태의 계면으로서 사용할 수 있다. 열전계면체의 적용은 또한 열 교환기, 응축기와 다른 유사 장치에 대한 계면으로서 사용하는 것을 포함할 수 있다. 본 기술분야의 당업자라면 다른 적용들을 잘 알 수 있을 것이다. 예컨대, 미국특허 제4,092,697호에는 집적 회로 패키지를 위한 열전달 장치가 설명되어 있다. 본 발명의 실시예에 따른 열전계면체를 상기 미국특허에 기재된 집적회로 패키지에서 상기 열전달 장치를 대신하여 사용할 수 있다. 마찬가지로, 미국특허 제5,323,292호에는 일치형 칩-열 교환 접촉부를 가지는, 집적화된 다중칩 모듈이 기재되어 있다. 본 발명의 열전계면체를 상기 다중 칩 모듈에서 상기 일치형 칩-열교환 접촉부를 대신하여 사용할 수 잇다. 두 특허의 내용은 참조로서 그대로 이 안에 첨부되어 있다.

다음은 본 발명의 구체적인 한 예만을 보여주는 것으로서, 여기 기술된 것에만 범위를 한정하지는 않는다. 여기에 기술된 모든 수치값들은 근사값이다.

예 1

이 예는 액상 보존 메카니즘을 사용하지 않고 열저항을 감소시킴에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 열전계면체를 사용할 만한가를 보여준다.

다양한 샘플 그룹에 대해 열 접촉 임피던스를 열유속의 함수로 측정하기 위해 ASTM D-5470(검사방법 A)과 유사한 검사 과정이 행해졌다. 도 5는 ASTM D-5470 에 따라 전형적으로 사용하는 장치를 보여준다. 장치(50)에서, 시험재료(51)는 아래쪽 측정바(52A)와 위쪽 측정바(52B) 사이에 놓인다. 아래쪽 측정바(52A)는 냉각장치(53) 위에 놓이고, 이어서 53은 단열기(55A) 위에 놓인다. 한편, 히터(54A)는 위쪽 측정바(52B) 위에 놓이고, 단열기(55B)는 히터(54) 위에 놓인다. 위험방지 히터(56)는 단열기(55B) 위에 놓이고, 이어서 단열기(57)로 덮여진다. 아래 방향 힘이 단열기(57) 위에 가해지고, 그 힘은 수직으로 시험재료(51)에 전해진다.

열 접촉 임피던스를 측정하는데 사용하는 실제 장치는 두꺼운 단열 블록을 단열기(57)와 위험방지 히터(56)를 대신해 사용하는 점만 제외하고, 도 5에 도시된 것과 유사하다. 그러나, 그 효과는 비슷하다. ASTM D-5470에는 쌓여있는 검사 재료에 적용되는 힘이 3.0 ± 0.1 ㎫ 이 되어야 한다고 명시되어 있다. 그러나, 이 검사에서는 69 ±0.5㎪(약 10 psi) 정도의 힘만이 가해졌다. 대부분의 적용분야에서 더 작은 죔 압력이 수반되기 때문에 낮은 접촉 압력이 더 적당하다고 생각된다.

세 가지 타입의 열전계면체를 시험하였다. 비어있는 접촉(즉, 아무런 열전계면체도 장착되어 있지 않다)와 이상 합금을 가진 열전계면체, 그리고 액상 합금을 가진 열전계면체이다. 액상 합금을 가지는 열전계면체는 액체온도보다 높은 온도로합금을 녹여 만든 액체 금속 열전계면체를 가리킨다. 이에 반해, 이상 합금을 가진 열전계면체는 본 발명의 실시예에 따른 열전계면체를 말한다. 시험에 사용한 두 합금 모두 Bi/In/Sn 세 가지의 합금이다. 특히, 단상 합금은 Bi/In/Sn 세 가지 금속의공정합금으로서 60℃ 에서 완전히 녹는다. 이상 합금은 56 wt.%의 In과, 약 26wt.%의 Sn과 약 18wt.%의 Bi로 이루어진다. 이상 합금은 약 60℃에서 녹기 시작한다. 그러나 온도가 90℃를 넘을 때까지 액체 상태와 고체 상태를 유지한다. 약 60℃와 90℃ 사이에서 합금 안에는 세 개의 평형을 이루는 상이 존재한다.

비교를 위해 사용된 다른 샘플은 미합중국 매사츄세츠 우번에 소재하는 주식회사 파커 하니핀 (Parker Hannifin Corp.)의 코메릭스(Chomerics) 부에서 "Chomerics T412"라는 상품명으로 판매하는 상업 제품이다. 이것은 열 테이프로 만들어졌고, 이붕소화 티탄(titanium diboride)이 적재되는, 압력에 민감한 아크릴 접착제와 알루미늄 띠로 구성되어 있다.

작동 중 액체 손실 정도를 측정하기 위하여 시험 과정 동안 액상 보존시스템은 사용되지 않았다. 세 개의 열전계면체에 대해 수집된 시험 결과가 표 1에 요약되어 있다.

비어있는 접촉(Bare Contact)
열 유속, W/㎤	임피던스, K㎤/W
2.00	4.20
4.00	4.24
6.00	4.24
Chomerics T412
열 유속, W/㎤	임피던스, K㎤/W
3.00	2.50
6.00	2.45
9.00	2.42
단상 합금(Single-Phase Alloy)
열 유속, W/㎤	임피던스, K㎤/W
8.00	0.41
16.00	0.36
40.00	0.20
이상 합금(Two-Phase Alloy)
열 유속, W/㎤	임피던스, K㎤/W
15.00	0.31
30.00	0.22
50.00	0.13

도 6은 시험 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 6에는 로그스케일의 열접촉 임피던스가 열 유속의 함수로 그려져 있다. 속이 찬 사각형은 비어있는 접촉의 열접촉 임피던스 값을 나타낸다. 속이 찬 원은 액상 합금을 가진 열전계면체의 열접촉 임피던스를 나타내고, 속이 빈 원은 이상 합금을 가진 열전계면체의 열접촉 임피던스를 나타낸다. 시험 결과, 접촉면 열저항을 줄이는데에 이상 합금을 가진 열전계면체가 액상 열전계면체와 비슷하거나 더 좋음을 알 수 있다.

시험하는 동안, 액상 합금을 가진 열전계면체의 두께가 처음에는 약 150 마이크론이었지만 계면에서 액상이 접촉면 바깥으로 빠져나감으로써 접촉 압력 하에서 계속 압축되어 얇아짐을 볼 수 있었다. 반면에 이상 합금을 가진 열전계면체에서 두께가 줄어들고 합금이 펴지는 현상은 실제 무시할 만큼 작았다. 이는 액상 보존 메카니즘이 본 발명의 사용에서 필요하지 않음을 의미한다.

10 psi의 접촉 압력과 함께 3 psi까지의 다른 접촉 압력 하에서 추가적인 시험을 수행하였다. 그 결과로 이상 합금을 가진 열전계면체의 성능이 접촉 압력 변화에 거의 영향을 받지 않는다는 것을 관찰할 수 있었다. 이로부터 하나 이상의 고상의 존재가 작은 접촉 압력 하에서도 접촉부 빈공간에 액상을 재분배하는 과정을 촉진한다는 것을 알 수 있다.

예 2

이 예는 작동 온도가 전체 작동 시간 내내 합금의 고체 온도보다 높게 유지될 필요가 없음을 보여준다. 예 1에서 사용한 이상 합금과 본질적으로 유사한 재료를 만들어 같은 장치 안에 위치시켰다. 재료의 열접촉 임피던스는 예 1에서 기술한 방법과 마찬가지로 열 유속의 함수로 측정하였다. 열 유속이 40 W/㎤ 이하일 때, 재료는 고체 형태였다. 약 40 W/㎤ 에서 재료가 녹기 시작하여 접촉부의 빈공간을 채웠다. 결과적으로 열접촉 임피던스가 감소했다. 약 60 W/㎤ 의 열 유속에 도달한 후, 재료가 실온까지 냉각되도록 하였고 그 후 다시 50 W/㎤ 정도까지 열을 가했다. 두 번째 가열 동안의 열접촉 임피던스도 역시 측정하였다.

도 7에서, 첫 번째 가열 동안 측정한 열접촉 임피던스는 속이 빈 원으로 나타나 있고, 속이 채워진 원은 두 번째 가열에서 측정한 열접촉 임피던스를 나타낸다. 두 번째 가열에서 낮은 열 유속(즉, 재료가 고체 상태로 있을 때)에서 접촉부의 열접촉 임피던스는 첫 번째 가열에서보다 두 배 이상 낮다. 이는 첫 번째 가열 동안 접촉부의 빈 공간이 액체 상태로 채워졌음을 나타낸다. 그 결과로, 재료가 실온까지 냉각된 후에, 액체 상태가 없어도 낮은 열접촉 임피던스를 갖는 접촉면을얻을 수 있었다. 추가적으로 열을 가해도 열접촉 임피던스는 크게 바뀌지 않음을 볼 수 있었다.

이 예는, 낮은 열저항을 가진 열전계면체를 본 발명의 실시예에 따라 얻을 수 있다는 것을 보여준다. 낮은 열저항의 열전계면체는 적당한 합금을 이 합금의 고체 온도 이상에서 작동함으로써 얻을 수 있으며, 작동 온도를 항상 고체 온도보다 높게 유지할 필요는 없다. 일단 접촉부의 빈 공간이 액체 상태로 채워진 후에는 작동 온도는 고체 온도 이하로 낮춰질 수 있다. 그 경우 열전계면체는 여전히 좋은 열전도를 보여준다.

본 발명을 몇몇의 제한된 실시예로써 설명하였지만, 수정과 변형을 행할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들이 액체 보존 시스템의 필요성을 없앴을지라도, 소정 조건 하에서는 이러한 시스템을 사용할 수 있다. 마찬가지로, 결합면의 습윤성이 중요하지 않다고 해도, 결합면의 습윤성이 필요한 상황이 있을 수 있다. 열전계면체를 위에 서술한 녹는 특성을 가진 적당한 합금으로 만들지라도, 합금은 아니지만 비슷한 녹는 특성을 갖는 물질을, 합금을 대신해 사용할 수 있다. 마지막으로, 합금이 평형 또는 준평형 상태에 있는 것이 좋다는 점은 분명하다. 그러나, 합금을 비평형상태에서 작동시키더라도 여전히 접촉부의 빈 공간을 채우고 접촉 열저항을 작게하여 같은 결과를 얻을 수가 있다. 예컨대, 적당한 합금 또는 금속을 고온에서 완전히 액체 상태로 바꿔서 접촉부 긴 공간을 채운 다음, 고체 온도 또는 녹는점 이하에서 작동시키면, 본 발명의 이점들은 달성될 수 있다. 덧붙여, 본 발명의 범위 안에 들어가는 모든 변형과 수정을 포괄하여 본 발명의 범위를 청구한다.

이상에서 본 발명을 구현하는 열전달 방법을 제시하였다. 본 발명의 구체화는 하나 이상의 이점을 제공한다. 첫째로 액상 보존 시스템을 사용하지 않아도 작동 조건 하에서 액체의 실질적인 손실이 없다. 이것은 본질적으로 열전계면체가 장치의 제작을 단순하게 하여, 따라서 비용을 줄일 수 있다는 것을 말한다. 두 번째, 열전계면체의 성능이 사실상 접촉 압력에 의존하지 않기 때문에 열전계면체는 상대적으로 높은 또는 상대적으로 낮은 접촉 압력에서 사용될 수 있다. 세 번째로, 열전계면체는 작동 조건 하에서 액상의 존재로 인해 국부적으로 뜨거운 지점을 줄이거나 최소화할 수 있다. 또한 고체 상태 역시 존재하기 때문에 열전계면체는 몇몇 적용 분야에 있어 요구되는 강성을 제공한다. 결국 그 단순함으로 해서 열전계면체는 전에는 비실용적이거나 적합하지 않다고 생각되어 온 여러 분야에 적용될 수 있다.

Claims (26)

1. 두가지 이상의 성분의 합금을 포함하며, 액체온도(T_L)와 고체온도(T_S)사이의 온도범위에서는 하나 이상의 고상과 상기 고상과 평형상태에 있는 하나 이상의 액상을 가지며, 상기합금은 As, Bi, Ca, Cd, Cr, Ge, Hg, In, K, Li, Mg, Na, Pb, Pd, Pt, Rb, Sb, Se, Si, Sn, Te, Ti, Tl 및 이들의 화합물들 중 하나 이상을 포함하는 것으로 구성된 열전계면체.
2. 제1항에 있어서, 상기 합금은 다이아몬드 분말, 세라믹 분말 또는 금속분말의 첨가물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전계면체.
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17. 발열체와 방열체 사이에, 제1항의 열전계면체를 제공하는 단계; 및

    상기 액체온도(TL)와 상기 고체온도(TS) 사이의 온도에서 열전계면체를 작동시키는 단계를 포함하는 방열방법.
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