KR100946755B1 - 브레이징 접합층을 포함하는 열 확산기 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 열 확산기는 열 전도성 금속으로 형성되고 내부 표면에 다수의 열유로를 가지는 하우징, 열전도 이방성 흑연계 소재로 형성되고 하우징의 내부에 수용되며 상기 하우징의 열유로가 관통되는 다수의 개구를 가진 흑연계 소재층, 및 열 전도성 금속으로 형성되고 상기 하우징의 열유로를 수용하기 위한 다수의 개구 또는 내부 표면에 홈을 가지는 하우징 커버를 포함하고, 상기 흑연계 소재층의 하부면과 상기 하우징의 내부면 사이 및 상기 흑연계 소재층의 상부면과 상기 하우징 커버의 내부면 사이에 열 전도성 용가재의 브레이징(Brazing) 접합층이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열 확산기는 흑연계 소재층이 열 전도성 용가재의 브레이징에 의해 형성된 접합층을 매개로 하여 하우징 및 하우징 하부와 접합되어 있고 하우징 내부 표면에 열원과 접촉하는 다수의 열유로가 형성되어 있어서, 전자제품에서 국부적인 열점(hot spot) 현상이 발생하더라도 열을 골고루 분산시킬 수 있고, 상기 접합층은 열원에서 발생하는 열이 하우징 커버로부터 흑연계 소재층으로 및 흑연계 소재층으로부터 하우징으로 전달시 열 전달에 대한 저항을 최소화시켜 결과적으로 전자제품의 열을 효과적으로 제거할 수 있다.

열 확산기, 흑연, 열전도 이방성, 그래파이트, 딥 브레이징, heat spreader, dip brazing

Description

브레이징 접합층을 포함하는 열 확산기 및 이의 제조방법{Heat spreader with junction layer by brazing and manufacturing method thereof}

본 발명은 열 확산기 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 브레이징에 의해 형성된 접합층을 포함하는 열 확산기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 텔레비젼, 라디오, 컴퓨터, 의료기구, 사무기계, 통신 장치, 레이다, 탐색기, 위성체와 같은 전자 기기는 소형화, 경량화, 고성능화의 요구 조건에 의해 내부의 회로 설계가 더욱 복잡해지고, 그에 따라 내부에서 상당량의 열이 발생하며, 고온 환경 조건에서의 안정적인 작동을 위해서는 이들 전자 기기로부터 발생하는 열을 보다 효율적으로 방산시키는 것이 필요하다. 즉, 고온 환경에서의 전자 기기의 작동에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서는 열원에 대한 효과적인 방열 설계가 요구되며, 방열 설계시 효율적인 열 전달 경로를 만들어 주어야 한다.

종래부터 전자 기기 등에 있어서 사용중 온도 상승을 억제하기 위해 알루미늄 등의 열전도율이 높은 금속판을 이용한 히트싱크가 사용되고 있다. 이 히트싱크는 전자 기기에서 발생하는 열을 전도하고, 그 열을 외기와의 온도차에 의해서 표 면으로부터 방출시킨다. 특히 고 발열 전자 기기 제작시 추가적인 열 전달 특성을 확보하기 위하여 알루미늄보다 무게가 3배가량 큰 구리를 적용하고 있으나, 전자기기의 경량화에 걸림돌이 되고 있다.

이를 해결하기 위해 흑연(Graphite)이라는 재료의 분말을 이용하여 시트를 만든 후, 이를 에폭시 소재로 금속판에 접착한 열 확산기(Heat spreader)가 제조되었는데, 이러한 방법으로 열 확산기를 제조하면 그 강도가 상대적으로 약하기 때문에 일정 압력 이상이 가해지면 소성 변형되기 쉽고 흑연에 의해 수평방향과 수직방향의 열 전도율의 차이가 상대적으로 크게 벌어지기 때문에 원하는 방열효과를 얻을 수 없다. 또한, 에폭시 접착층을 형성하는 에폭시 소재는 일반적으로 열 전도 계수가 3~5 W/m.K 수준이기 때문에 열원에서 금속판을 통하여 흑연 시트로 열이 전달되는 경우 열 전달에 대한 저항으로 작용하여 효과적인 방열을 달성하는데 걸림돌이 되는 문제가 있다.

본 발명은 종래의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일 목적은 열전도 이방성 흑연계 소재를 사용하여 경량성이 뛰어나고, 수평방향과 수직방향의 열전도율의 차이를 최소화시키고, 고압에 의해서도 쉽게 변형되지 않으며, 에폭시 소재 대신 열 전도 계수가 높은 열전도 이방성 흑연계 소재가 금속판과 접착되어 열 전달에 대한 저항이 거의 발생하지 않는 열 확산기를 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기의 기능을 가진 열 확산기의 제조방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 열 전도성 금속으로 형성되고 내부 표면에 다수의 열유로를 가지는 하우징, 열전도 이방성 흑연계 소재로 형성되고 하우징의 내부에 수용되며 상기 하우징의 열유로가 관통되는 다수의 개구를 가진 흑연계 소재층, 및 열 전도성 금속으로 형성되고 상기 하우징의 열유로를 수용하기 위한 다수의 개구 또는 내부 표면에 홈을 가지는 하우징 커버를 포함하고, 상기 흑연계 소재층의 하부면과 상기 하우징의 내부 표면 사이 및 상기 흑연계 소재층의 상부면과 상기 하우징 커버의 내부 표면 사이에 열 전도성 용가재의 브레이징(Brazing) 접합층이 형성된 것을 특징으로 하는 열 확산기를 제공한다.

일반적으로 열전도 이방성 흑연계 소재는 취성이 크고 표면거칠기(표면조도 라고도 함, surface roughness)가 커서 열 확산기의 제조시 독립적으로 사용하기에는 적합하지 않다. 이러한 열전도 이방성 흑연계 소재에 내재되어 있는 취성과 표면거칠기의 문제를 개선하기 위하여 본 발명은 열전도 이방성 흑연계 소재와 상대적으로 구조적 강성이 우수하며 표면가공을 통하여 열원과 균일하게 접촉할 수 있는 금속 소재의 복합체로 이루어진 열 확산기를 제공한다. 또한, 흑연계 소재와 금속 소재 사이의 열에 대한 저항을 최소화하기 위하여 열전도 이방성 흑연계 소재와 금속 소재의 경계면에 열 전도성 용가재의 브레이징(Brazing) 접합층이 형성된다.

상기 하우징을 형성하는 열 전도성 금속은 바람직하게는 알루미늄, 니켈, 구리 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이고, 상기 하우징 커버을 형성하는 열 전도성 금속 또한 바람직하게는 알루미늄, 니켈, 구리 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나이다.

상기 열전도 이방성 흑연계 소재는 흑연을 유효성분으로 포함하는 소재로서, 수직방향과 수평방향으로의 열 전도성을 가지며, 수직 방향으로의 열전도성이 더 큰 소재이다. 본 발명의 열 확산기에서 사용되는 열전도 이방성 흑연계 소재는 바람직하게는 500 W/m.K 이상의 수평 방향 열 전도 계수를 가지며, 보다 바람직하게는 수평 방향 열 전도 계수가 1500 W/m.K 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 브레이징 접합층은 바람직하게는 두께가 0.5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는데, 브레이징 접합층을 형성하기 위해 사용되는 열 전도성 용가재는 브레이징 온도 범위가 540~610℃이고 실리콘 함량이 5~15 중량%인 알루미늄 합금이거나, 브레이징 온도 범위가 390~470℃이고 알루미늄 함량이 5~15 중량%인 아연 합금인 것 이 바람직하다. 또한, 열 전도성 용가재는 열 전도 계수가 150 W/m.K 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 열 전도성 금속으로 형성되고 내부 표면에 다수의 열유로를 가지는 하우징의 내부 표면에 열 전도성 용가재를 도포시키는 단계; (b) 상기 도포된 열 전도성 용가재 위에 열전도 이방성 흑연계 소재로 형성된 흑연계 소재층을 적재하고, 상기 흑연계 소재층 위에 열 전도성 용가재를 도포시키는 단계; (c) 열 전도성 금속으로 형성되고 상기 하우징의 열유로를 수용하기 위한 다수의 개구 또는 내부 표면에 홈을 가지는 하우징 커버를 상기 흑연계 소재층이 적재된 하우징 위에 올려 가 결합된 하우징과 하우징 커버의 조립체를 형성하는 단계; (d) 상기 가 결합된 하우징과 하우징 커버의 조립체를 고정 치구로 조립 상태를 유지하면서 브레이징 시켜 접합층을 형성하는 단계; 및 (e) 브레이징이 완료된 후 상기 하우징과 하우징 커버의 조립체를 냉각시키는 단계;를 포함하는 열 확산기의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 열 확산기의 제조방법은 상기 (a) 단계 이전에 하우징 및 하우징 커버를 세척하는 단계;를 더 포함하거나, 상기 (e) 단계 이후에 상기 하우징과 하우징 커버의 조립체를 세척하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 열 확산기의 제조방법에서 (d) 단계의 브레이징 방법은 크게 제한되지 않으며, 바람직하게는 가 결합된 하우징과 하우징 커버의 조립체를 고정 치구로 조립 상태를 유지하면서 용탕(Flux bath)에 침적시키는 딥 브레이징(Dip Brazing)인 것을 특징으로 한다. 딥 브레이징(Dip Brazing)을 사용하는 경우 용가재에 골고루 열을 전달하여 보다 균일한 접합층을 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 열 확산기의 제조방법에서, 상기 (b) 단계 및 (c) 단계의 열 전도성 용가재 도포 두께는 0.5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하며, 이때 열 전도성 용가재는 실리콘 함량이 5~15 중량%인 알루미늄 합금 또는 알루미늄 함량이 5~15 중량%인 아연 합금을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 열 전도성 용가재를 사용하는 경우 브레이징 온도 범위는 각각 540~610℃ 및 390~470℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열 확산기는 열 전도성 금속으로 형성된 하우징 및 하우징 커버 사이에 열전도 이방성 재질로서 수평 방향 열 전달 특성이 구리보다 3배 이상 뛰어난 흑연계 소재로 형성된 흑연계 소재층을 포함하고 있고 하우징 내부 표면에 열원과 접촉하는 다수의 열유로가 형성되어 있어서 전자제품에서 국부적인 열점(hot spot) 현상이 발생하더라도 열을 골고루 분산시킬 수 있고 전자제품의 열을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열 확산기는 흑연계 소재층이 열 전도성 용가재의 브레이징에 의해 형성된 접합층을 매개로 하여 하우징 및 하우징 하부와 접합되어 있고, 열 전도성 용가재는 에폭시 소재와 달리 열 전도 계수가 매우 높기 때문에 상기 접합층은 열원에서 발생하는 열이 하우징 커버로부터 흑연계 소재층으로 및 흑연계 소재층으로부터 하우징으로 전달시 열 전달에 대한 저항을 최소화시킬 수 있고, 결과적으로 열이 외부로 쉽게 제거될 수 있다.

본 발명의 일 측면은 브레이징에 의해 형성된 접합층을 포함하는 열 확산기에 관한 것으로서, 이하 본 발명을 도면을 통하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 확산기의 분해 사시도이다.

도 1에서 보이는 바와 같이 본 발명에 따른 열 확산기(100)는 내부 표면에 다수의 열유로(11)를 가지는 하우징(10), 열전도 이방성 흑연계 소재로 형성되고 하우징의 내부에 수용되며 상기 하우징의 열유로가 관통되는 다수의 개구(21)를 가진 흑연계 소재층(20), 및 상기 하우징의 열유로를 수용하기 위한 다수의 개구(31) 또는 내부 표면에 홈을 가지며, 하우징을 덮는 역할을 하는 하우징 커버(30)를 포함하여 구성된다.

하우징(10)은 베이스 판(12)과 베이스 판의 가장자리에 형성된 일정 높이의 측부(13)로 이루어져 있어서 내부에 흑연계 소재층을 수용하기 위한 공간을 구비한다. 또한, 하우징은 내부 표면에 형성된 다수의 열유로(11)를 구비한다. 하우징의 열 유로 위치, 열 유로 형상, 하우징 베이스 판과 측부의 형상은 하우징이 열원 또는 다른 소자와 결합된 구조 내지 상태 등에 따라 최적의 열 확산 기능을 발휘할 수 있도록 다양하게 설계될 수 있다.

열유로는 그 형상에 큰 제한이 없으며 보통 핀 형상을 구조체로서, 본 발명의 열 확산기에서 수직 방향으로의 열 전달을 주도하는 역할을 한다. 다수의 열유로는 흑연계 소재층에 형성된 개구를 관통하여 하우징 커버에 형성된 개구에 수용되는데, 열유로 상부면은 하우징과 하우징 커버가 조립된 상태에서의 하우징 커버 상부면과 동일 높이로 형성되는 것이 바람직하고, 이때 열유로 상부면은 하우징 커버 상부면과 더불어 열원과 직접 접촉하게 된다. 열유로의 형상은 원기둥, 사각기둥, 삼각기둥 등 크게 제한되지 않으며, 열유로에 대응되는 흑연계 소재층의 개구 및 하우징 커버의 개구도 열유로의 형상과 동일한 형상을 가진다. 하우징 측부에는 일정 간격으로 홈(14)이 형성되는것이 바람직한데, 상기 홈은 하우징 커버의 측부에 형성된 돌기와 맞물려 하우징과 하우징 커버의 결합을 견고히 한다.

한편, 하우징, 즉 하우징을 구성하는 다수의 열유로, 베이스판 및 측부는 열을 효율적으로 전달하기 위하여 열 전도성 금속으로 형성되는데, 사용될 수 있는 열 전도성 금속의 종류는 소정 크기 이상의 열 전도 계수를 가진 것이라면 크게 제한되지 않으며, 바림직하게는 알루미늄, 니켈, 구리 및 이들의 합금(두가지 이상 성분의 합금)으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는 열 전도성과 경량성을 고려할 때 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 한다.

흑연계 소재층(20)은 열전도 이방성 흑연계 소재를 고온, 고압으로 성형하여 제조한 시트(Sheet) 타입의 층으로서, 하우징의 내부에 수용되고, 하우징의 열유로가 관통될 수 있도록 그 표면에 형성된 다수의 개구(21)를 가진다. 흑연계 소재층을 형성하는 열전도 이방성 흑연계 소재는 흑연을 유효성분으로 포함하는 소재로서, 수직방향과 수평방향으로의 열 전도성을 가지며, 수직 방향으로의 열전도성이 더 큰 소재이다. 일반적으로 흑연계 소재는 형상, 입자의 크기, 가공 방법 등에 의 해 열 전도 계수가 달라지는데, 본 발명의 열 확산기에서 사용되는 열전도 이방성 흑연계 소재는 그 형상(분말, 박편), 입자의 크기, 가공 방법 등에 제한이 없으며, 구체적으로 팽창 흑연, 박리 흑연, 은이 코팅된 흑연, 니켈이 코팅된 흑연, 분자의 결정 구조가 육각의 비늘 형상인 그래파이트(인상 흑연)이 있다. 또한, 본 발명의 열 확산기에서 사용되는 열전도 이방성 흑연계 소재는 바람직하게는 수평 방향 열 전도 계수가 적어도 500 W/m.K 이상이며, 보다 바람직하게는 열 전도 계수가 1500 W/m.K 이상인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 흑연계 소재층은 수직 방향으로의 열 전달보다는 주로 수평 방향으로의 열 전달을 담당하게 되는데, 수직 방향으로의 열 전달은 하우징 내부 표면에 형성된 다수의 열유로에 의해 구현되기 때문이다. 일반적으로 열 처리에 의해 일정 방향으로 배향되고 정렬된 3차원의 결정 구조를 가지는 흑연 입자는 1500 W/m.K 이상의 수평 방향 열 전도 계수를 가진다.

한편, 흑연계 소재층의 하부면과 하우징의 내부면 사이 및 흑연계 소재층의 상부면과 하우징 커버의 내부면 사이에는 열 전도성 용가재의 브레이징(Brazing) 접합층이 형성되는데, 브레이징 접합층은 흑연계 소재층을 하우징 및 하우징 커버와 밀착 결합시켜 공기층과 같이 열 전달에 방해가 되는 요소가 존재하는 것을 사전에 방지한다. 브레이징은 용가재(Filler)를 사용해서 모재(母材)를 녹이지 않고 결합하는 방법인 납땜(Soldering)의 일종으로서 경(硬)납땜이라고도 하며, 접합하려는 모재보다도 녹는점이 낮은 비철금속 또는 그 합금을 용가재로 사용함으로써 모재를 거의 용융시키지 않고 용가재만을 용융시켜 접합하는 접합 방법이다. 보다 구체적으로 일정 온도(일반적으로 Brazing Temperature라고 한다)에 도달하면 용가재는 유동도가 증가하고 모세관 현상에 의해 용가재가 모재 사이로 녹아 스며들어 접합층을 형성하게 된다. 브레이징에 의한 접합은 이종 금속 부품간의 접합을 가능하게 하며, 크기 및 두께가 다른 제품의 접합도 용이하게 한다. 또한, 다른 접합보다 강한 접합 강도를 가지며, 브레이징 후 깨끗한 연결부를 얻을 수 있기 때문에 열전도성, 연성, 내충격성, 내진동성, 기밀성, 내식성 등 다양한 효과를 확보할 수 있다.

통상적인 열 확산기는 흑연(Graphite)이라는 재료의 분말을 이용하여 시트를 만든 후, 이를 에폭시 소재로 금속판에 접착하여 제조되는데, 이 경우 에폭시 소재의 접착층은 낮은 열 전도 계수를 가지고 그로 인해 열 전달에 대한 저항으로 작용하여 방열을 방해하게 된다. 본 발명에 따른 열 확산기는 흑연계 소재층이 브레이징에 의해 하우징 및 하우징 커버와 같은 금속판에 접합되고, 이때 접합층을 형성하는 열 전도성 용가재는 하우징 및 하우징 커버를 형성하는 열 전도성 금속과 거의 동일한 수준의 열 전도도를 가지므로 접합층은 열 전달에 대한 저항을 최소화시킨다. 이때, 브레이징 접합층은 바람직하게는 두께가 0.05~0.5 ㎜ 인 것을 특징으로 하는데 접합층의 두께가 0.05 ㎜ 미만이면 흑연계 소재층과 하우징간 및 흑연계 소재층과 하우징 커버간의 접합력이 낮거나 접합이 원활하지 않아 밀착력이 떨어지고 높은 압력에 접합층이 변형될 염려가 있고, 접합층의 두께가 0.5 ㎜ 를 초과하면 초과에 따른 접합력의 증가가 미비하고 열 전달 특성이 떨어질 수 있다. 본 발명에 따른 열 확산기에서 접합층을 형성하는 열 전도성 용가재는 모재인 하우징 및 하우징 커버의 재료인 열 전도성 금속보다 녹는점이 낮은 것이라면 크게 제한되지 않으나, 바람직하게는 열 전도 계수가 150 W/m.K 이상인 것을 특징으로 한다. 하우징 및 하우징 커버가 알루미늄인 경우 알루미늄의 열 전도 계수는 약 170 W/m.K이므로, 이와 근접한 열 전도 계수를 가진 열 전도성 용가재를 사용하는 것이 열 전달을 원활하게 할 수 있다. 또한, 열 전도성 용가재는 바람직하게는 브레이징 온도 범위가 390~470℃이고 알루미늄 함량이 5~15 중량%인 아연 합금인 것을 특징으로 하고, 보다 바람직하게는 브레이징 온도 범위가 540~610℃이고 실리콘 함량이 5~15 중량%인 알루미늄 합금인 것을 특징으로 한다. 열 전도성 용가재의 브레이징 온도 범위가 390℃ 미만이면 브레이징 시 모재는 전혀 녹지 않아 열 전도성 용가재가 모재의 표면에 침투하기가 어려워 접합이 원활하기 않을 염려가 있고, 열 전도성 용가재의 브레이징 온도 범위가 610℃를 초과하면 브레이징 시 모재가 너무 녹아 본래의 형상을 유지하는데 어려움이 발생할 수 있다. 브레이징 온도 범위가 540~610℃이고 실리콘 함량이 5~15 중량%인 알루미늄 합금으로 이루어진 상업적인 열 전도성 용가재로는 Handy & Harman 사 제품의 Alumi_Braze # 400 분말(AWS A5.8 BAlSi-4 규격), AL 716, AL 719, AL 718 등이 있고, 브레이징 온도 범위가 390~470℃이고 알루미늄 함량이 5~15 중량%인 아연 합금으로 이루어진 상업적인 열 전도성 용가재로는 Handy & Harman 사 제품의 Al 802, Al 815 등이 있다. 상기 열거된 열 전도성 용가재는 모재가 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 경우에 선호되는 용가재이며, 모재가 다른 열 전도성 금속인 경우 그에 따라 선택되는 열 전도성 용가재의 종류도 달라질 수 있음은 당업자에 자명하다 할 것이다.

하우징 커버(30)는 하우징의 열유로를 수용하고 하우징과 결합되어 조립체를 형성함으로써 하우징을 덮는 역할을 한다. 하우징 커버 또한 하우징과 마찬가지로 열 전도성 금속으로 형성되고 이에 대한 상술은 생략한다. 한편, 하우징 커버는 하우징의 열유로을 수용하기 위한 형상으로 그 표면에 다수의 개구(31)를 가지는 것이 바람직한데, 이 경우 하우징 커버의 개구에 수용된 열유로은 상부면이 하우징 커버의 상부면과 동일한 높이를 가지며, 하우징과 하우징 커버는 결합시 결합력이 견고한 조립체를 형성한다. 또한, 도 1에 도시하지는 않았지만, 하우징 커버는 표면에 개구를 구비하지 않고 전체가 폐쇄된 금속판의 형태를 가질 수 있고, 이 경우 하우징 커버는 바람직하게는 내부 표면에 하우징의 열유로과 동일한 형상의 홈이 구비되어 하우징의 열유로을 수용할 수 있다. 또한, 하우징 커버는 하우징 측부에 형성된 홈과 대응되는 간격으로 측부에 돌기(32)가 형성되는 것이 바람직한데, 상기 돌기는 하우징의 측부에 형성된 홈과 맞물려 하우징과 하우징 커버의 결합을 견고하게 하는 역할을 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 확산기에서 열원으로부터 발생된 열이 외부로 방출되는 경로를 도시한 것이다. 도 2에서 보이는 바와 같이 본 발명에 따른 열 확산기의 하우징 커버 또는 하우징 열유로의 상부면은 열원과 직접적으로 접촉하거나, 도 2에 도시되지는 않았지만 방열 패드 등을 통해 열원과 간접적으로 접촉한다. 또한, 다른 실시예로서 하우징 커버가 개구를 구비하지 않는 경우 하우징 열유로은 하우징 커버의 내부 표면과 밀접하게 접촉하고, 이 경우 열원은 하우징 커버의 상부면에만 접촉하게 되나, 하우징 커버와 하우징 열유로이 동일 재료로 형성되는 경우 하우징 커버와 하우징 열유로은 연속체로 간주 되므로 열 전달 효과는 거의 동일하다. 열원에서 발생하는 열 중 일부는 하우징 열유로을 통해 주로 수직 방향으로 전달되고 나머지 일부는 흑연계 소재층을 통해 주로 수평 방향으로 전달되고 최종적으로 하우징 전체 표면을 통해 방열된다.

본 발명에 따른 열 확산기는 수직 방향 및 수평 방향으로의 열 전달이 동시에 이루어지기 때문에 금속판으로 이루어진 열 확산기에 비해 국부적인 열점(Hot spot)이 발생하는 경우에도 열 확산기 전체로 골고루 열을 분산시킬 수 있고, 내부에 흑연계 소재층만을 구비하고 하우징 열유로를 구비하지 않은 열 확산기에 비해 수직 방향으로도 열 확산이 효과적으로 이루어져 방열 효과가 보다 뛰어나다. 또한, 본 발명에 따른 열 확산기는 흑연계 소재층 및 하우징 열유로를 구비하나 흑연계 소재층과 하우징간 및 흑연계 소재층과 하우징 커버간의 접착층이 에폭시 소재처럼 열 전도 계수가 낮은 재료로 형성되는 경우에 비해 상기 접착층에 대응되는 브레이징 접합층이 열 전도성이 뛰어난 용가재로 형성되어 열 전달에 대한 저항으로 작용하지 않고, 아울러 접합력이 매우 강해 압력 등 외부 충격에도 거의 변형이 일어나지 않는다.

본 발명의 다른 측면은 본 발명에 따른 열 확산기를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 열 확산기 제조방법은 (a) 열 전도성 금속으로 형성되고 내부 표면에 다수의 열유로를 가지는 하우징의 내부 표면에 열 전도성 용가재를 도포시키는 단계; (b) 상기 도포된 열 전도성 용가재 위에 열전도 이방성 흑연계 소재로 형성된 흑연계 소재층을 적재하고, 상기 흑연계 소재층 위에 열 전도성 용가재를 도포시키는 단계; (c) 열 전도성 금속으로 형성되고 상기 하우징의 열유로를 수용하기 위한 다수의 개구 또는 내부 표면에 홈을 가지는 하우징 커버를 상기 흑연계 소재층이 적재된 하우징 위에 올려 가 결합된 하우징과 하우징 커버의 조립체를 형성하는 단계; (d) 상기 가 결합된 하우징과 하우징 커버의 조립체를 고정 치구로 조립 상태를 유지하면서 브레이징 시켜 접합층을 형성하는 단계; 및 (e) 브레이징이 완료된 후 상기 하우징과 하우징 커버의 조립체를 냉각시키는 단계;를 포함한다. 또한, 본 발명의 열 확산기 제조방법은 상기 (a) 단계 이전에 하우징 및 하우징 커버를 세척하는 단계 또는 상기 (e) 단계 이후에 상기 하우징과 하우징 커버의 조립체를 세척하는 단계를 선택적으로 더 포함할 수 있다. 상기의 제조방법에서 열 전도성 용가재의 종류와 도포 두께, 하우징 및 하우징 커버를 형성하는 열 전도성 금속의 종류의 내용은 앞의 열 확산기에서 서술한 바와 동일하므로 생략한다.

본 발명에 따른 열 확산기의 제조방법에서 흑연계 소재층과 하우징 및 흑연계 소재층과 하우징 커버를 밀착 결합시키는 접합층을 생성하기 위해 사용될 수 있는 (d) 단계의 브레이징 방법의 종류는 로 브레이징(Furnace brazing), 토치 브레이징(Torch brazing), 저항 브레이징(Resistance brazing), 유도 가열 브레이징(Induction brazing), 딥 브레이징(Dip brazing) 등 크게 제한되지 않는다. 로 브레이징은 로(Furnace)에 모재와 용가재(Filler)를 함께 넣고 전기, 가스, 혹은 오일을 태워 열을 가하여 브레이징을 실시하는 방법이다. 용가재와 용제(Flux)는 미리 접합면에 삽입하여 로 내에 넣는다. 유도 가열 브레이징은 모재에 유도 코일 을 감고 여기에 전류를 흘려 유도되는 전류에 의해 열을 발생시키는 방법이다. 불규칙한 형상과 접합부를 가지는 제품에 적용된다. 딥 브레이징은 사전에 조립된 알루미늄 제품(모재)에 용가재를 미리 장착하고 이를 용탕(Flux bath)에 침적시키고 용탕 내에서 브레이징을 실시하는 방법이다. 일반적으로 549~616℃의 용융된 용제(Flux)를 가열 매체로 사용한다. 본 발명에 따른 열 확산기에서 접합층을 생성하기 위해 사용되는 브레이징 방법은 상기에 열거된 방법들에서 선택될 수 있으며, 바람직하게는 딥 브레이징인 것을 특징으로 한다. 딥 브레이징은 모재 전체를 골고루 가열하여 보다 균일한 접합층을 생성시킬 수 있기 때문이다.

이하, 본 발명의 열 확산기 제조방법을 구체적인 실시예를 통하여 보다 상세히 설명한다. 하기 실시예는 딥 브레이징을 사용하여 열 확산기를 제조하는 방법이다.

먼저 알루미늄으로 형성된 하우징 및 하우징 커버의 상태를 검사하고 이물질 등이 표면에 있는 경우 다음과 같은 공정으로 세척한다.

메틸이소부틸케톤으로 세척(Methyl isobutyl ketone, MIBK) → 약 2~3분간 5 중량% 농도의 수산화나트륨 용액으로 세척 → 40℃이하의 온수로 세척 → 공기 중에서 건조 → 약 0.5~1분간 30% 농도의 질산 용액으로 세척 → 40℃이하의 온수로 세척 → 공기 중에서 건조

세척이 완료된 하우징 내부에 열 전도성 용가재인 Handy & Harman 사 제품의 Alumi_Braze # 400 분말(AWS A5.8 BAlSi-4 규격)을 약 0.5 ㎜ 이하의 두께로 도포 하고 공기 중에서 건조시킨다. 도포된 용가재 위에 열 처리에 의해 일정 방향으로 배향되고 정렬된 3차원의 결정 구조를 가지는 흑연 입자(1500 W/m.K 이상의 수평 방향 열 전도 계수를 가짐)로 형성된 흑연계 소재층을 적재하고 그 위에 다시 용가재를 약 0.5 ㎜ 이하의 두께로 도포한 후 공기 중에서 건조시킨다. 이후 하우징 커버를 하우징과 가 결합시켜 조립체를 형성하고, 고정 치구를 이용하여 가 결합 조립체의 조립 상태를 유지하면서 약 560℃로 예열된 용탕(Flux bath)에 침적시킨다. 용제(Flux)는 모재를 형성하는 재료 및 용가재를 형성하는 재료에 의해 선택되며, 구체적으로 모재가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성되고 사용되는 용가재가 BAlSi 합금인 경우 사용되는 용제는 불화물 또는 염화물의 성분으로 이루어진다. 본 발명의 실시예에서는 용제로 HeatBath 사의 AluBraze 960을 사용하였다. 가 결합 조립체를 예열된 용탕에 침적 시킨 후 온도를 약 598℃로 올린 후 약 1분간 브레이징 시킨다. 브레이징이 완료된 후 하우징과 하우징 커버의 조립체를 공기 중에서 100℃ 이하로 냉각시킨 후 다음과 같은 공정으로 세척한다.

100℃이하의 온수로 세척 → 약 2~3분간 5 중량% 농도의 수산화나트륨 용액으로 세척 → 40℃이하의 온수로 세척 → 공기 중에서 건조 → 약 0.5~1분간 30% 농도의 질산 용액으로 세척 → 40℃이하의 온수로 세척 → 공기 중에서 건조

세척이 완료된 열 확산기는 후가공 및 표면 처리 등에 의해 원하는 형상 및 규격으로 제조된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 확산기의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 확산기에서 열원으로부터 발생된 열이 외부로 방출되는 경로를 도시한 것이다.

*도면의 주요 부호에 대한 설명*

10 : 하우징 11 : 열유로 20 : 흑연계 소재층 30 : 하우징 커버

Claims (15)

1. 열 전도성 금속으로 형성되고 내부 표면에 다수의 열유로를 가지는 하우징, 열전도 이방성 흑연계 소재로 형성되고 하우징의 내부에 수용되며 상기 하우징의 열유로가 관통되는 다수의 개구를 가진 흑연계 소재층, 및 열 전도성 금속으로 형성되고 상기 하우징의 열유로를 수용하기 위한 다수의 개구 또는 내부 표면에 홈을 가지는 하우징 커버를 포함하고,

   상기 흑연계 소재층의 하부면과 상기 하우징의 내부면 사이 및 상기 흑연계 소재층의 상부면과 상기 하우징 커버의 내부면 사이에 열 전도성 용가재의 브레이징(Brazing) 접합층이 형성된 것을 특징으로 하는 열 확산기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 브레이징 접합층은 두께가 0.5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
3. 제 2항에 있어서, 상기 열 전도성 용가재는 브레이징 온도 범위가 540~610℃이고 실리콘 함량이 5~15 중량%인 알루미늄 합금이거나, 브레이징 온도 범위가 390~470℃이고 알루미늄 함량이 5~15 중량%인 아연 합금인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
4. 제 3항에 있어서, 상기 열 전도성 용가재는 열 전도 계수가 150 W/m.K 이상인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
5. 제 1항에 있어서, 상기 하우징을 형성하는 열 전도성 금속은 알루미늄, 니켈, 구리 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
6. 제 5항에 있어서, 상기 하우징 커버를 형성하는 열 전도성 금속은 알루미늄, 니켈, 구리 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
7. 제 1항에 있어서, 상기 열전도 이방성 흑연계 소재는 수평 방향 열 전도 계수가 1500 W/m.K 이상인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
8. (a) 열 전도성 금속으로 형성되고 내부 표면에 다수의 열유로를 가지는 하우징의 내부 표면에 열 전도성 용가재를 도포시키는 단계;

   (b) 상기 도포된 열 전도성 용가재 위에 열전도 이방성 흑연계 소재로 형성된 흑연계 소재층을 적재하고, 상기 흑연계 소재층 위에 열 전도성 용가재를 도포시키는 단계;

   (c) 열 전도성 금속으로 형성되고 상기 하우징의 열유로를 수용하기 위한 다수의 개구 또는 내부 표면에 홈을 가지는 하우징 커버를 상기 흑연계 소재층이 적재된 하우징 위에 올려 가 결합된 하우징과 하우징 커버의 조립체를 형성하는 단계;

   (d) 상기 가 결합된 하우징과 하우징 커버의 조립체를 고정 치구로 조립 상태를 유지하면서 브레이징 시켜 접합층을 형성하는 단계; 및

   (e) 브레이징이 완료된 후 상기 하우징과 하우징 커버의 조립체를 냉각시키는 단계;를 포함하는 열 확산기의 제조방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에 하우징 및 하우징 커버를 세척하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 확산기의 제조방법.
10. 제 8항에 있어서, 상기 (e) 단계 이후에 상기 하우징과 하우징 커버의 조립 체를 세척하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 확산기의 제조방법.
11. 제 8항에 있어서, 상기 (d) 단계의 브레이징은 가 결합된 하우징과 하우징 커버의 조립체를 고정 치구로 조립 상태를 유지하면서 용탕(Flux bath)에 침적시키는 딥 브레이징(Dip brazing)인 것을 특징으로 하는 열 확산기의 제조방법.
12. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (b) 단계 및 (c) 단계의 열 전도성 용가재 도포 두께는 0.5 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 열 확산기의 제조방법.
13. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (b) 단계 및 (c) 단계의 열 전도성 용가재는 실리콘 함량이 5~15 중량%인 알루미늄 합금이고, 상기 (d) 단계의 브레이징 온도 범위는 540~610℃인 것을 특징으로 열 확산기의 제조방법.
14. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (b) 단계 및 (c) 단계의 열 전도성 용가재는 알루미늄 함량이 5~15 중량%인 아연 합금이고, 상기 (d) 단계 의 브레이징 온도 범위는 390~470℃인 것을 특징으로 열 확산기의 제조방법.
15. 제 8항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징 및 하우징 커버를 형성하는 열 전도성 금속은 알루미늄, 니켈, 구리 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열 확산기의 제조방법.

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