KR100980134B1 - 메모리 모듈용 열관리 장치 - Google Patents

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브래들리 이. 레이스
로버트 에이. 3세 레이놀즈
마틴 데이비드 스말크
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Abstract

본 명세서에서는, 두 개의 주 표면을 포함하는 메모리 기판으로서, 주 표면 중 하나가 그 위에 다수의 칩을 구비하고, 상기 칩들 중 하나 이상이 하나 이상의 다른 칩보다 높은 전력에서 작동하는, 메모리 기판; 및 하나 이상의 다른 칩보다 높은 전력에서 작동하는 하나 이상의 칩과 열적 접촉하는 열 관리 시스템; 을 포함하며, 상기 열 관리 시스템이, 열 관리 시스템과 접촉하는, 하나 이상의 다른 칩보다 높은 전력에서 작동하는 하나 이상의 칩에 의하여 발생하는 열을 확산시키는, 메모리 모듈이 개시된다.
그래파이트, 메모리 모듈, 열 방출

Description

메모리 모듈용 열관리 장치 {THERMAL MANAGEMENT DEVICE FOR A MEMORY MODULE}
도 1A는 본원발명에 따른 메모리 모듈의 일 실시예에 대한 측면 사시도이다.
도 1B는 도 1A의 메모리 모듈의 상부 평면도이다.
도 1C는 도 1A의 메모리 모듈의 측면도이다.
도 2는 본원발명에 따른 메모리 모듈의 다른 실시예의 측면도이다.
도 3은 열적 통로를 설명하는, 본원발명에 따른 열 관리 시스템의 부분 횡단면도이다.
본 출원은 2006년 5월 3일에 출원된 미국 가출원 60/797,098 호 "메모리 모듈용 열관리 장치"에 대하여 우선권을 주장하며, 상기 미국 가출원의 내용은 본 명세서에 참고된다.
본원발명은 향상된 열적 특성을 나타내는 메모리 모듈과 메모리 모듈용 열 관리 장치 및 기구에 관한 것이다. 특히, 본원발명의 장치는 메모리 모듈의 다양한 작동 파라미터(parameter)로 인한 열점(hot spot) 온도를 감소시키는 기능을 한다.
컴퓨터, 서버, 및 워크스테이션에 사용되는 메모리 모듈(때때로 듀얼 인라인 메모리 모듈(dual inline memory modules) 또는 DIMM로 언급됨)은 통상적으로 인쇄 회로 기판상에 배치되는 다양한 부품 및 다수의 메모리 칩(DRAM)을 포함하며, 또한 레지스터나 어드밴스드 메모리 버퍼(advanced memory buffers; AMB)와 같은 집적 제어 칩(integrated control chip)을 포함할 수 있다. 역사적으로, 작동 특성은 부품이 장착된 인쇄회로기판이 DIMM 에 충분한 열관리를 제공하도록 하여 왔다. 이러한 칩들 중 몇몇은 다른 칩들보다 더 높은 전력에서 작동하고, 다른 칩보다 더 높은 전력의 칩에 의하여 더 많은 열이 발생한다. 이러한 높은 전력의 칩은 모듈 상에 국부적으로 발생하는 높은 온도의 영역인 "열점(hot spot)" 을 발생시킨다. 이러한 열점은, 메모리 모듈이나 인접한 전자 부품의 작동에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 바람직하지 못하다. 더욱이, 메모리 모듈을 포함하는 장치의 작동기간 동안, 그 칩은 높은 전력에서 작동하여 더 많은 열과 열점을 생성하며 시간에 따라 변할 수 있다. 따라서, 메모리 모듈 상의 열점의 위치는 시간에 따라 변할 수 있다.
DIMM 이 의도된 대로 작동하도록 하기 위하여 최대 권장 작동 온도 이하에서 집적 제어 칩 및 DRAM의 온도를 유지하고, 전체 DIMM의 신뢰성을 최대화하기 위하여 칩의 온도를 가능한 한 낮추는 것이 각별한 관심사항이다. 집적 제어 칩의 전력 소비(예를 들어 레지스터에 있어서는 0.5-2 W 이며 AMB 에 있어서는 5-7 W 가 통상적임)가 DRAM(~0.1 W)의 전력소비보다 통상적으로 높으므로, 열관리 기술은 대체로 집적 제어 칩으로부터의 열 방출과 이렇게 방출된 열이 주위 DRAM 에 미치는 부정적 영향을 최소화시키는데 중점을 둔다. 그러나 (DRAM 에 있는) DIMM 상의 열점의 위치 및 크기가 공기 유동, DIMM 간격 및 메모리 접근 순서를 변경시킬 수 있으므로, DRAM에서의 열점 완화도 또한 중요한 고려요소이다.
메모리 모듈 중 특별한 형태인 FB-DIMM(fully buffered DIMM)은 최근에 개발된 서버의 증가된 속도 및 용량을 위해 개발된 비교적 새로운 형태의 메모리 기술이다. 종래의 DIMM 기술에 비해 FB-DIMM 기술의 중요한 차이점 및 향상은 메모리 제어기 및 모듈이 통상의 DIMM 기술에 의해 특징 되는 바와 같이 병렬 통신(parallel communication)에 의하기보다는 직렬 통신(serial communication)을 통해 통신한다는 것이다. 물리적으로 볼 때, 이는 더 적은 와이어 연결을 초래하게 되며, 이는 계속해서 메모리 성능의 증가를 가져온다. 이러한 기술을 달성하기 위해서, FB-DIMM 는 하나 이상의 AMB 칩을 포함하는데, 이는 모듈 상의 다른 칩보다 더 높은 전력에서 작동함으로써 다른 칩에 비해 더 많은 열을 발생시킨다. 또한, AMB 칩은 다른 칩들보다 기판으로부터 더 높게 연장함으로써(또는 보드 상의 다른 칩들보다 더 큼으로써), 종래의 평평한 열 관리 장치를 배치하는 것이 불가능하도록 FB-DIMM의 외형을 불규칙하게 한다.
고 밀도, 고 신뢰성 메모리 시스템을 가능하게 하도록 데이터를 버퍼링하고 시스템 부하를 감소시키는 RDIMM(registered DIMM)과 같은 다른 메모리 모듈에도 동일한 열 관리 문제가 존재한다. 블레이드 서버(blade server)용으로 설계된 VLP DIMM(very low profile DIMM) 및 노트북 컴퓨터용으로 설계된 SODIMM(small outline DIMM)에 대해서도 마찬가지이다.
본질적으로 문제를 야기하는 메모리 모듈을 위한 열 관리에 추가하여, 이러한 문제점은 모듈 두께 등을 관리하는 일정한 국제적 표준을 충족해야 하는 것이 요구되는 경우에는 더 악화된다. 종래의 메모리 모듈용 열 확산기는 이러한 표준을 충분히 만족시킬 정도로 얇은 상태로는 요구되는 열의 양을 효과적으로 방출시킬 수 없었다. 더욱이, 몇몇 국제 표준은 작동 동안에 적당한 공기 유동을 초래하도록 DIMM 사이에 적당한 간격을 형성하는 것과 같이 일정한 열적 목적을 달성하기 위해 규정되었다. 그러나 보다 꼭 끼는 간격은 공기 유동을 감소시키므로 DIMM 피치(pitch)는 종종 문제가 될 수 있으며; 따라서 종래의 것보다 더 얇은 열 확산기는 주어진 DIMM 간격에 대해 더 많은 공기가 유동될 수 있게 한다.
Krassowski 및 Chen의 미국 특허 US 6,758,263호에는, 열원으로부터 부품의 두께를 통해, 그리고 여기서부터 평면 방향으로 그래파이트 부재의 두께를 통해 열을 전도하기 위하여 그래파이트 히트 싱크 베이스와 같은 열 방출 부품으로 고 전도 삽입물을 병합시키는 것이 개시되어 있다.
Reis 등의 미국 특허출원 US 11/267,933호에는, 열적 비아(via)가 관통하여 연장하는 그래파이트계 열 확산기가 개시되어 있다. 이러한 열적 비아는 열원으로부터 그래파이트 열 확산기로의 열 전달의 촉진을 보조한다.
Reis, Smalc, Laser, Kostyak, Skandakumaran, Getz, 및 Frastaci의 미국 출원 US 11/339,338 ("비아를 구비하는 열 확산기", 2006. 1. 25. 출원) 호에는, 특히 인쇄회로기판 상의 열점으로부터 열적 전달을 촉진시키기 위하여, 그 내부에 열적 비아가 삽입된 이방성 그래파이트 열 확산기가 개시되어 있으며, 상기 특허 출원의 개시내용은 본 명세서에 참조된다.
그래파이트는 탄소 원자의 망상 구조 또는 육방 배열의 층 평면들로 구성되어 있다. 육방으로 배열된 탄소 원자의 이들 층 평면들은 실질적으로 편평하고 서로 실질적으로 평행하고 동일 거리에 있도록 배향(orient) 또는 정렬(order)된다. 일반적으로 그래팬(graphene)층 또는 바탕면(basal planes)으로 지칭되는, 실질적으로 편평하고 평행한 동일 거리의 탄소 원자의 시트 또는 층은 서로 링크되거나 결합되며 이들 그룹은 결정 상태로 배열된다. 잘 정렬된 그래파이트는 상당한 크기의 결정으로 구성되며, 이러한 결정은 서로 잘 정렬되거나 배향되며 잘 정렬된 탄소층을 갖는다. 즉, 잘 정렬된 그래파이트는 매우 바람직한 결정 방향을 갖는다. 그래파이트가 이방성(anisotropic) 구조를 가져 높은 방향성을 갖는 열전도도 및 전기 전도도 그리고 유체 확산(fluid diffusion)과 같은 많은 특성을 나타내거나 가짐을 주목해야 한다.
요컨대, 그래파이트는 탄소의 적층된 구조(laminated structure)를 특징으로 하며, 즉 상기 구조는 약한 반데르바알스 힘에 의해 서로 결합된 탄소 원자의 중첩된 층 또는 라미내(laminae)로 구성된다. 그래파이트 구조를 고려할 때, 두 개의 축 또는 방향, 즉 "c" 축 또는 방향과 "a" 축 또는 방향이 일반적으로 언급된다. 단순히, "c" 축 또는 방향은 탄소층에 수직한 방향으로 간주될 수도 있다. "a" 축 또는 방향은 탄소층에 평행한 방향 또는 "c" 방향에 수직한 방향으로 간주될 수도 있다. 가요성 그래파이트 시트를 제조하는데 적절한 그래파이트는 매우 높은 방향성(orientation)을 갖는다.
전술한 것처럼, 탄소 원자의 평행한 층을 서로 유지시키는 결합력은 단지 약한 반데르바알스 힘이다. 천연 그래파이트는 중첩된 탄소층 또는 라미내 사이의 공간이 다소 개방되어 층에 수직한 방향, 즉 "c" 방향으로 현저한 팽창을 제공하여, 탄소층의 층 특성이 실질적으로 유지되는 팽창된 또는 부푼 그래파이트 구조를 형성하도록 처리될 수 있다.
매우 팽창된, 보다 구체적으로 초기 "c" 방향 치수보다 약 80배 또는 그보다 더 큰 "c" 방향 치수 또는 최종 두께를 갖도록 팽창된 그래파이트 플레이크는 바인더의 사용 없이 예를 들어 웨브, 종이, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등(일반적으로 "가요성 그래파이트"로 지칭됨)과 같은 팽창된 그래파이트의 접착성 시트 또는 일체식(integrated) 시트로 형성될 수 있다. 초기 "c" 방향 치수보다 약 80배 또는 그보다 더 큰 "c" 방향 치수 또는 최종 두께를 갖도록 팽창된 그래파이트 입자를, 소정의 바인딩 재료를 사용하지 않고, 압축에 의해 일체식 가요성 시트로 형성하는 것은 큰 부피로 팽창된 그래파이트 입자 사이에서 달성되는 기계적 인터로킹(interlocking), 또는 접착으로 인해 가능하다고 믿어진다.
가요성 외에, 시트 재료는, 상기한 바와 같이, 매우 큰 압축으로 인해 시트의 대향면에 실질적으로 평행한 그래파이트 층 및 팽창된 그래파이트 입자의 방향성으로 인해서, 열전도도에 있어 큰 이방성을 갖으며, 이로써 열 확산 장치 분야에 유용하다는 것이 알려져 있다. 이렇게 제조된 시트 재료는 우수한 가요성, 양호한 강도 및 매우 높은 방향성을 갖는다.
요컨대, 예를 들어 웨브, 종이, 스트립, 테이프, 호일, 매트 등과 같은 가요성이 있고 바인더가 없는 이방성 그래파이트 시트 재료를 제조하는 방법은 실질적으로 편평하고, 가요성이 있는 일체식 그래파이트 시트를 형성하기 위해 소정의 하중 하에서 바인더 없이 초기 입자의 "c" 방향 치수보다 약 80배 또는 그보다 더 큰 "c" 방향 치수를 갖는 팽창된 그래파이트 입자를 압축하는 단계를 포함한다. 대체로 외형이 벌레 모양 또는 연충 모양인 팽창된 그래파이트 입자는 일단 압축되면, 시트의 대향 주 표면과의 정렬 상태 및 압축 상태를 유지한다. 시트 재료의 밀도와 두께는 압축 정도를 조절함으로써 변할 수 있다. 통상적으로 시트 재료의 밀도는 약 0.04g/cc내지 약 2.0g/cc 범위 내에 있을 수 있다.
가요성 그래파이트 시트 재료는, 시트의 대향하고 평행한 주 표면에 평행한 그래파이트 입자의 정렬로 인해 상당한 정도의 이방성을 나타내며, 이방성의 정도는 배향성을 높이기 위하여 시트 재료를 압축할 때 증가한다. 압축된 이방성 시트 재료에서, 두께, 즉 대향하고 평행한 시트 표면에 수직한 방향은 "c" 방향을 포함하고 길이 및 폭을 따른, 즉 대향된 주 표면을 따른 또는 대향된 주 표면에 평행한 방향은 "a" 방향을 포함하며 시트의 열적, 전기적, 및 유체 확산 특성은 "c" 및 "a" 방향에 대하여 그 크기가 매우 상이하게 된다.
그러므로 고 전력(및 이에 따라 다른 칩보다 높은 온도)에서 작동하는 하나 또는 그보다 많은 칩에 의해서 야기되고, 그 위치가 시간에 따라 변화되는 메모리 모듈 상의 열점을 감소시키기 위한 열 관리 제품 또는 장치가 요구된다. 바람직하게는, 요구되는 열 관리 장치는 FB-DIMM 모듈의 AMB에서와 같이 하나 또는 그보다 많은 칩이 다른 칩보다 더 큰(더 높은) 상황에 대해서 대비하기 위하여 비 평면 형성을 취할 수 있어야 하며, DIMM 간에 충분한 공기 유동을 제공하기 위한 산업/장치 요구를 충족시키기에 충분히 얇아야 한다.
따라서, 본원발명의 목적은 메모리 모듈의 향상된 열적 관리를 위한 구성을 제공하는 것이다.
본원발명의 또 다른 목적은, 메모리 모듈의 부품 중 하나 또는 그보다 많은 부품이 다른 것보다 더 높은 온도에서 작동하는 메모리 모듈에 사용하기 위한 그래파이트계 열 확산기를 제공하는 것이다.
본원발명의 또 다른 목적은, FB-DIMM 메모리 모듈의 열적 관리를 향상시키는 것이다.
본원발명의 또 다른 목적은, 열 확산기로의 열전달을 향상시키기 위해 그 내부에 비아를 구비하는 그래파이트계 열 확산기를 제공하는 것이다.
본 명세서를 통해 숙련된 기술자에게 명백하게 될 이러한 목적들 및 기타의 목적들은 하나 이상의 주 표면이 그 위에 다수의 칩을 구비하고, 이들 칩 중 하나 이상이, 어드밴스드 메모리 버퍼 칩(advanced memory buffer chip)과 같이, 하나 이상의 다른 칩들보다 더 높은 전력에서 작동하는, 두 개의 주 표면을 포함하는, 완전 버퍼링형 메모리 기판(fully buffered memory board)과 같은, 메모리 기판; 및 하나 이상의 다른 칩들보다 더 높은 전력에서 작동하는 하나 또는 그보다 많은 칩과 열적으로 접촉하는 열 관리 시스템을 포함하고, 여기서 상기 열 관리 시스템은 열 관리 시스템이 접촉하고 있는 하나 이상의 다른 칩보다 더 높은 전력에서 작동하는 하나 또는 그보다 많은 칩에 의해 발생하는 열을 확산시키는, 메모리 모듈을 제공함으로써 달성될 수 있다. 열 관리 시스템은 메모리 기판상의 다수의 칩과 열적 접촉을 유지할 수 있게 하는 프로파일을 취하는 것이 바람직하다.
열 관리 시스템은, 바람직하게, 그 내부에 열 통로를 구비하는, 박리 그래파이트 압축 입자(compressed particles of exfoliated graphite)의 하나 또는 그보다 많은 시트를 포함하는 열 확산기 구조체를 포함하며, 여기서 열적 통로는 하나 이상의 다른 칩보다 더 높은 전력에서 작동하는 하나 이상의 칩과 열적 접촉하여 이러한 칩으로부터 열 확산기 구조체로 열 전달을 촉진시킨다. 열적 통로는 열 확산기를 통해 연장되어야 하며, 하나 이상의 다른 칩보다 더 높은 전력에서 작동하는 하나 이상의 칩과 열 확산기 구조체 사이의 방향에서, 열 확산기 구조체의 수직(through-thickness) 열전도도보다 더 큰 열 전도도를 갖는 재료를 포함해야 한다. 특히, 열적 통로는 약 100 W/mK 이상, 더욱 바람직하게는 약 200 W/mk 이상의 열 전도도를 가져야 한다.
또한, 본원발명의 메모리 모듈은 칩이 배치되는 표면이 아닌 메모리 기판의 주 표면과 열적 접촉을 하는 열 확산기를 더 포함할 수 있다. 또한, 강화 소재(rigidifying material)가 열 관리 시스템의 프로파일을 유지할 수 있으며, 열적 인터페이스 재료가 열 관리 시스템과 메모리 기판 사이에 배치될 수 있다.
본원발명의 여타 목적, 특징, 및 장점들은 첨부된 도면과 함께 이하의 명세서에 의해서 당업계의 숙련자에게 명백하게 될 것이다.
그래파이트는 평면 사이에 약한 결합을 갖는 편평한 층 평면 내에 공유 결합된 원자를 포함하는 탄소의 결정 구조이다. 천연 그래파이트 플레이크(flake)와 같은 그래파이트 입자를, 예를 들어 황산과 질산의 용액의 인터카렌트(intercalant)로 처리함으로써, 그래파이트의 결정 구조가 그래파이트와 인터카렌트의 화합물을 형성하도록 반응한다. 처리된 그래파이트의 입자는 그 후 "인터카레이트된 그래파이트 입자(particles of intercalated graphite)"로 지칭된다. 고온에 노출되면, 그래파이트 내의 인터카렌트는 분해되고 기화되어, 인터카레이트된 그래파이트 입자가 "c" 방향, 즉 그래파이트의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 치수보다 약 80배 또는 그보다 더 큰 치수로 팽창한다. 팽창된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레(worms)로 지칭된다. 벌레는 초기의 그래파이트 플레이크와 달리 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있는 가요성 시트 내에 함께 압축될 수도 있다.
본 발명에 사용되기에 적절한 가요성 시트용 그래파이트 출발 물질은 할로겐화물뿐만 아니라 유기산 및 무기산을 인터카레이트시킬 수 있고 이후 열에 노출될 때 팽창할 수 있는 고도의 그래파이트 탄소질 재료(highly graphitic carbonaceous material)를 포함한다. 이들 고도의 그래파이트 탄소질 재료는 가장 바람직하게 약 1.0의 흑연화도(a degree of graphitization)를 갖는다. 본원에서 사용될 때, "흑연화도"란 용어는 g = [3.45-d(002)]/0.095에 따른 값 g를 지칭하며, 여기서 d(002)는 옹스트롱 단위로 측정된 결정 구조 내의 탄소의 그래파이트 층 사이의 거리이다. 그래파이트 층 사이의 거리 d는 표준 X-선 회절 기술에 의해 측정된다. (002), (004) 및 (006) 밀러 지수에 대응하는 회절 피크의 위치가 측정되고, 이들 모든 피크에 대한 전체 에러를 최소화시키는 거리를 유도하기 위해 표준 최소 자승법 기술이 이용된다. 고도의 그래파이트 탄소질 재료의 예로는 다양한 소스로부터의 천연 그래파이트뿐만 아니라 화학 기상 증착, 폴리머의 고온 열분해, 또는 용융된 금속 용매로부터의 결정화 등에 의해 준비된 탄소와 같은 다른 탄소질 재료를 포함한다. 천연 그래파이트가 가장 바람직하다.
본 발명에 사용되는 그래파이트 출발 물질은 출발 물질의 결정 구조가 요구된 흑연화도를 유지하고 출발 물질이 박리될 수 있는 한 비-그래파이트 성분을 함유할 수도 있다. 일반적으로, 결정 구조가 요구된 흑연화도를 소유하고 박리될 수 있는 탄소 함유 재료는 본 발명에 사용되기에 적절하다. 이러한 그래파이트는 바람직하게 약 80 중량% 이상의 순도를 갖는다. 더욱 바람직하게, 본 발명에 사용된 그래파이트는 약 94% 이상의 순도를 가질 것이다. 가장 바람직한 실시예에서, 사용된 그래파이트는 약 98% 이상의 순도를 가질 것이다.
그래파이트 시트를 제조하는 통상적인 방법은 쉐인(Shane) 등에게 허여된 미국 특허 제 3,404,061호에 개시되어 있고, 그 개시는 본원에 참고로 병합된다. 쉐인 등에게 허여된 특허의 방법의 실행에서, 천연 그래파이트 플레이크는 예를 들어 질산과 황산의 혼합물을 함유하는 용액 내에 유리하게 100 중량부의 그래파이트 플레이크 당 약 20 내지 약 300 중량부의 인터카렌트 용액 레벨(pph)로 플레이크를 분산킴으로써 인터카레이트된다. 인터카레이션 용액은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 산화제와 다른 인터카레이팅제를 함유한다. 그 예로는 질산, 칼륨 클로레이트, 크롬산, 과망간산 칼륨, 칼륨 크로메이트, 칼륨 디크로메이트, 과염소산 등을 함유하는 용액 등이나, 예를 들어 농축된 질산 및 염소산염, 크롬산 및 인산, 황산 및 질산과 같은 혼합물, 또는 강 유기산 예를 들어 트리플루오로아세트산의 혼합물 및 유기산에 용해가능한 강 산화제와 같은 산화제 및 산화 혼합물을 함유하는 것을 포함한다. 대안적으로, 전기 포텐셜이 그래파이트의 산화를 발생시키기 위해 사용될 수 있다. 전해질 산화를 이용하여 그래파이트 결정에 유입될 수 있는 화학종은 황산뿐만 아니라 다른 산을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 인터카레이팅제는 황산, 또는 황산과 인산, 및 산화제, 즉 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산 칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 과옥소산 등의 혼합 용액이다. 덜 바람직할 수도 있지만, 인터카레이션 용액은 염화제1철(ferric chloride), 및 황산과 혼합된 염화제1철과 같은 금속 할로겐화물, 또는 브롬 용액으로서의 브롬 및 유기 용매 내의 황산 또는 브롬과 같은 할라이드를 함유할 수도 있다.
인터카레이션 용액의 양은 약 20 내지 약 350pph 그리고 보다 일반적으로 약 40 내지 약 160pph 범위일 수도 있다. 플레이크가 인터카레이트된 후에, 임의의 과잉 용액은 플레이크로부터 유출되고 플레이크는 수세척된다. 대안적으로, 인터카레이션 용액의 양은 약 10 내지 약 40pph 범위로 제한될 수도 있는데, 이로 인해 참고로 본원에 병합된 미국 특허 제 4,895,713호에 개시되고 설명된 것처럼 세척 단계가 제거될 수 있다.
인터카레이션 용액으로 처리된 그래파이트 플레이크 입자는 예를 들어 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에서 산화 인터카레이팅 용액의 표면 필름과 반응하는 알코올, 설탕, 알데히드 및 에스테르로부터 선택되는 유기 환원제(organic reducing agent)와 혼합됨으로써 선택적으로 접촉될 수 있다. 적절한 특정 유기제로는 헥사데카놀, 옥타데카놀, 1-옥탄올, 2-옥탄올, 데실알코올, 1,10 데칸디올, 데실알데히드, 1-프로판올, 1,3프로판디올, 에틸렌글리콜, 폴리프로필렌 글리콜, 덱스트로스, 프럭토스, 락토스, 수크로스, 포테이토 스타치, 에틸렌 글리콜 모노스테아레이트, 디에틸렌 글리콜 디벤조에이트, 프로필렌 글리콜 모노스테아레이트, 글리세롤 모노스테아레이트, 디메틸 옥실레이트, 디에틸 옥실레이트, 메틸 포르메이트, 에틸 포르메이트, 아스코르빈산 및 소듐 리그노술페이트와 같은 리그린 유도 화합물을 포함한다. 유기 환원제의 양은 적절하게 그래파이트 플레이크 입자의 약 0.5 내지 4 중량%이다.
인터카레이션 전에, 중에 또는 직후에 적용된 팽창 보조제의 이용이 또한 개선점을 제공할 수 있다. 이들 개선점 중 박리 온도는 감소될 수 있고 팽창된 부피(또한, "벌레 부피"로 지칭됨)는 증가될 수 있다. 본원에서 팽창 보조제는 유리하게 팽창 개선을 달성하기 위해 인터카레이션 용액 내에 충분히 용해 가능한 유기 재료일 것이다. 더욱 좁게, 탄소, 수소 및 산소를 함유하는 이러한 형태의 유기 재료가, 바람직하게는 배타적으로, 이용될 수도 있다. 카르복시산이 특히 효과적이라고 알려져 있다. 팽창 보조제로서 유용한 카르복시산은 1개 이상의 탄소 원자, 바람직하게 약 15개까지의 탄소 원자를 갖는 방향족, 지방족 또는 지환족, 직쇄 또는 분지쇄의, 포화 및 불포화 모노카르복시산, 디카르복시산 및 폴리카르복시산으로부터 선택될 수 있고, 박리의 하나 또는 그보다 많은 측면의 개선을 제공하기에 효과적인 양으로 인터카레이션 용액에 용해 가능하다. 적절한 유기 용매는 인터카레이션 내의 유기 팽창 보조제의 용해성을 개선시키기 위해 사용될 수 있다.
포화 지방족 카르복시산의 대표적인 예는 화학식 H(CH2)nCOOH와 같은 산이고, 포름산, 아세트산, 프로피온산, 낙산, 펜탄산, 헥산산 등을 포함하며, 여기서 n은 0에서 약 5까지의 수이다. 카르복시산을 대신하여, 무수물 또는 알킬 에스테르와 같은 반응성 카르복시산이 또한 사용될 수 있다. 알킬 에스테르의 대표적인 예는 메틸 포르메이트 및 에틸 포르메이트이다. 황산, 질산 및 다른 공지된 수용성 인터카렌트는 포름산을 궁극적으로 물과 이산화탄소로 분해시킬 수 있다. 이 때문에, 포름산과 다른 민감한 팽창 보조제는 유리하게 수용성 인터카렌트 내에 플레이크를 주입시키기 전에 그래파이트 플레이크와 접촉된다. 대표적인 디카르복시산은 2-12 개의 탄소 원자를 갖는 지방족 디카르복시산, 특히 옥살산, 푸마르산, 말론산, 말레산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 1,5-펜탄디카르복시산, 1,6-헥산디카르복시산, 1,10-데칸디카르복시산, 시클로헥산-1,4-디카르복시산 및 프탈산 또는 테레프탈산과 같은 방향족 디카르복시산이다. 대표적인 알킬 에스테르는 디메틸 옥실레이트 및 디에틸 옥실레이트이다. 대표적인 지환족 산은 시클로헥산 카르복시산이고 대표적인 방향족 카르복시산은 벤조산, 나프토산(naphthoic acid), 안트라닐산, p-아미노벤조산, 살리실산, o-, m-, 및 p-토릴산, 메톡시 및 오톡시 벤조산, 아세토아세트아미도벤조산 및, 아세트아미도벤조산, 페닐아세트산 및 나프토산이다. 대표적인 하이드록시 방향족 산은 하이드록시 벤조산, 3-하이드록시-1-나프토산, 3-하이드록시-2-나프토산, 4-하이드록시-2-나프토산, 5-하이드록시-1-나프토산, 5-하이드록시-2-나프토산, 6-하이드록시-2-나프토산 및 7-하이드록시-2-나프토산이다. 폴리카르복시산 중에는 구연산이 대표적이다.
인터카레이션 용액은 수용성일 것이고 바람직하게 약 1 내지 10%의 팽창 보조제를 함유하며, 이 양은 박리를 향상시키는데 효과적이다. 팽창 보조제가 수용성 인터카레이션 용액 내에 주입되기 전 또는 주입된 후에 그래파이트 플레이크와 접촉되는 실시예에서, 팽창 보조제는 그래파이트와 일반적으로 약 0.2중량% 내지 약 10중량% 범위의 양으로 V-블렌더와 같은 적절한 수단에 의해 혼합될 수 있다.
그래파이트 플레이크를 인터카레이트하고, 그 후 인터카레이트된 그래파이트 플레이크와 유기 환원제를 혼합한 후에, 상기 혼합물은 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에 노출되어 환원제와 인터카렌트 코팅의 반응을 촉진시킬 수 있다. 가열 기간은 약 20시간까지이며, 전술한 범위보다 높은 온도에 대해서는 보다 짧은 가열 기간, 예를 들어 적어도 약 10분이다. 30분 또는 그 미만의 시간, 예를 들어 10 내지 25분 정도가 보다 높은 온도에서 사용될 수 있다.
이렇게 처리된 그래파이트 입자는 종종 "인터카레이트된 그래파이트 입자"로 지칭된다. 고온, 예를 들어 약 160℃ 이상의 온도 및 특히 약 700℃ 내지 1000℃ 및 그보다 높은 온도에 노출될 때, 인터카레이트된 그래파이트의 입자는 "c" 방향, 즉 구성성분인 그래파이트 입자의 결정면에 수직한 방향으로 아코디언 형태로 초기 부피보다 약 80배 내지 1000배 또는 그보다 많이 팽창한다. 팽창된, 즉 박리된 그래파이트 입자는 외형이 벌레 모양이어서, 통상 벌레로 지칭된다. 벌레는, 초기 그래파이트 플레이크와 달리, 다양한 형태로 형성 및 절단될 수 있는 가요성 시트로 압축 성형될 수도 있다.
가요성 그래파이트 시트 및 호일은 양호한 처리 강도를 가지면서 응집성이 있으며, 예를 들어 롤러 압착에 의해 약 0.075mm 내지 3.75mm의 두께 및 약 0.1 내지 1.9 g/cm3의 전형적인 밀도로 적절히 압축된다. 약 1.5 내지 30 중량%의 세라믹 첨가제가 최종 가요성 그래파이트 생성물에 향상된 수지 주입을 제공하기 위해 미국 특허 제 5,902,762호(본원에 참고문헌으로서 병합됨)에 개시된 것처럼 인터카레이트된 입자 플레이크와 혼합될 수 있다. 첨가제는 약 0.15 내지 1.5mm의 길이를 갖는 세라믹 섬유 입자를 포함한다. 입자의 폭은 적절하게 약 0.04 내지 0.004mm 범위이다. 세라믹 섬유 입자는 그래파이트에 비반응성 및 비접착성이며 약 1100℃까지, 바람직하게 약 1400℃ 또는 그보다 높은 온도에서 안정하다. 적절한 세라믹 섬유 입자는 매서레이티드(macerated) 석영 유리 섬유, 탄소 및 그래파이트 섬유, 지르코니아, 보론 나이트라이드, 실리콘 카바이드 및 마그네시아 섬유, 칼슘 메타실리케이트 섬유, 칼슘 알루미늄 실리케이트 섬유, 알루미늄 옥사이드 섬유 등과 같은 자연 발생 광 섬유로부터 형성된다.
그래파이트 플레이크를 인터카레이트시키고 박리시키는 전술한 방법은, 그 내용이 본 명세서에 참조되는 국제특허출원 PCT/US02/39749호에 개시된 바와 같이, 흑연화 온도, 즉 약 3000℃ 및 그보다 높은 범위의 온도에서 그래파이트 플레이크의 예비 처리 및 인터카렌트에 유연성 첨가제의 함유에 의해 유리하게 향상될 수도 있다.
그래파이트 플레이크의 예비처리, 또는 어닐링은 플레이크가 후속적으로 인터카레이션 및 박리될 때 상당히 증가된 팽창(즉, 300% 또는 그보다 큰 팽창 부피 증가)을 야기한다. 사실, 바람직하게, 팽창의 증가는 어닐링 단계 없는 유사한 프로세싱과 비교할 때 적어도 약 50%이다. 어닐링 단계에 사용되는 온도는 3000℃보다 상당히 낮아서는 안 되며, 이는 100℃ 낮은 온도가 실질적으로 감소된 팽창을 야기하기 때문이다.
본 발명의 어닐링은 인터카레이션 및 후속적인 박리 시에 향상된 정도의 팽창을 갖는 플레이크를 야기하기에 충분한 시간 동안 수행된다. 일반적으로 요구된 시간은 1 시간 또는 그보다 많은 시간, 바람직하게 1 내지 3시간이고 가장 유리하게 불활성 분위기에서 진행한다. 최대의 유익한 결과를 위해, 어닐링된 그래파이트 플레이크는 팽창 정도를 향상시키기 위해 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 다른 프로세스, 즉 유기 환원제, 유기 산과 같은 인터카레이션 보조제, 및 인터카레이션 후 계면활성제 세척제의 존재 하에서의 인터카레이션을 거칠 것이다. 더욱이, 최대의 유익한 결과를 위해, 인터카레이션 단계는 반복될 수도 있다.
본 발명의 어닐링 단계는 흑연화 분야에서 공지되고 인식된 유도로 또는 다른 유사한 장치에서 수행되고, 여기서 사용되는 온도는 3000℃ 범위이고, 흑연화 프로세스에서 일어날 수 있는 높은 범위의 온도이다.
예비 인터카레이션 어닐링을 거친 그래파이트를 이용하여 생성된 벌레는 종종 "응집(clump)"되어, 충격 면적 중량 균일성에 악영향을 줄 수 있다고 관찰되었기 때문에, "자유 유동" 벌레의 형성을 보조하는 첨가제가 매우 바람직하다. 인터카레이션 용액에 유연성 첨가제를 첨가하면 압축 장치(그래파이트 벌레를 가요성 그래파이트 시트로 압축 또는 "칼랜더링" 하는데 통상적으로 사용되는 칼랜더 스테이션의 베드와 같은)의 베드를 가로질러 벌레의 보다 균일한 분포가 용이하게 된다. 그러므로 결과적인 시트는 보다 큰 면적 중량 균일성과 인장 강도를 갖는다. 유연성 첨가제는 장쇄(long chain) 탄화수소인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 약 10개 이상의 탄소를 갖는 탄화수소인 것이 좋다. 다른 작용기가 존재하지만, 장쇄 탄화수소기를 갖는 다른 유기 화합물이 또한 사용될 수 있다.
더욱 바람직하게, 유연성 첨가제는 오일이며, 광유가 특히 장기간 저장에 있어 중요한 고려사항인 악취 및 냄새가 덜 하다는 사실을 고려할 때 가장 바람직하다. 전술한 소정의 팽창 보조제가 유연성 첨가제의 정의를 충족시킴을 주목한다. 이들 재료가 팽창 보조제로 사용될 때, 인터카렌트 내에 별도의 유연성 첨가제를 포함할 필요가 없다.
유연성 첨가제는 약 1.4pph 이상, 더욱 바람직하게 약 1.8pph 이상의 양으로 인터카렌트 내에 존재한다. 유연성 첨가제 함유의 상한이 하한보다 중요하진 않지만, 약 4pph 보다 많은 정도의 유연성 첨가제를 함유한다고 하여 상당한 추가적인 장점이 있는 것은 아니다.
본원발명의 가요성 그래파이트 시트는, 필요하다면, 그 개시 내용이 본 명세서에 참조되는 레이놀드(Reynolds), 놀리(Norley), 그레인크(Greinke) 에게 허여된 미국 특허 제 6,673,289호에 개시된 바와 같이, 새로이 팽창된 벌레보다는 재가공 된(reground) 가요성 그래파이트 입자를 사용할 수 있다. 이러한 시트는 새롭게 형성된 시트 재료, 재생된 시트 재료, 작은 조각(scrap)의 시트 재료, 또는 기타 적절한 소스(source)가 될 수 있다.
또한, 본원발명의 처리 과정은 순수 재료(virgin material)와 재생된 재료의 혼합물을 사용할 수도 있다.
재생된 재료의 소오스 재료는 전술한 것처럼 압축 성형된 시트 또는 시트의 마무리부분, 또는 예를 들어 예비 칼랜더링 롤로 압축되지만 수지로 주입되지 않은 시트일 수도 있다. 더욱이, 소오스 재료는 수지로 주입되었지만 아직 경화되지 않은 시트 또는 시트의 마무리부분, 또는 수지로 주입되고 경화된 시트 또는 시트의 마무리부분일 수도 있다. 소오스 재료는 플로우 필드 플레이트 또는 전극과 같은 재생된 가요성 그래파이트 양성자 교환 막(proton exchange membrane; PEM) 연료 전지 성분일 수도 있다. 다양한 그래파이트 소오스 각각은 그대로 또는 천연 그래파이트 플레이크와 혼합된 채로 사용될 수도 있다.
가요성 그래파이트 시트의 소오스 재료가 이용가능하면, 입자를 생성하기 위해 제트 밀, 에어 밀, 블렌더 등과 같은 공지된 프로세스 또는 장치와 연결될 수 있다. 바람직하게, 대부분의 입자는 20 U.S. 메쉬를 통과하고 보다 바람직하게 대부분(약 20%보다 많은, 더욱 바람직하게 약 50%보다 많은 입자)이 80 U.S. 메쉬를 통과하지 않는 지름을 갖는다. 가장 바람직하게 입자는 약 20 U.S. 메쉬 이하의 입자 크기를 갖는다. 가요성 그래파이트 시트는 분쇄 프로세스 중에 수지 시스템에 열 손상을 방지하기 위해 분쇄되기 때문에 수지 주입될 때 가요성 그래파이트 시트를 냉각시키는 것이 바람직할 수도 있다.
분쇄된 입자의 크기는 요구된 열적 특성과 그래파이트 입자의 기계가공성 및 성형성을 균형 맞추도록 선택될 수도 있다. 그러므로 더욱 작은 입자는 기계가공 및/또는 성형을 용이하게 하는 그래파이트 입자를 야기하는 반면, 보다 큰 입자는 보다 큰 이방성, 및 보다 큰 수평(in-plane) 전기전도도 및 열전도도를 야기할 것이다.
소오스 재료가 분쇄되면, 이는 재팽창된다. 재팽창은 인터카레이션과 박리 프로세스 및 그레인크(Greinke) 등에게 허여된 미국 특허 제 4,895,713호 및 쉐인(Shane)에게 허여된 미국 특허 제 3,404,061호에 개시된 내용을 이용함으로써 발생할 수도 있다.
일반적으로, 인터카레이션 후에 입자는 노 내에서 인터카레이트된 입자를 가열함으로써 박리된다. 이러한 박리 단계 중에, 인터카레이트된 천연 그래파이트 플레이크는 재생되고 인터카레이트된 입자에 추가될 수도 있다. 바람직하게, 재팽창 단계 중에 입자는 약 100cc/g 이상 그리고 약 350cc/g 또는 그보다 큰 범위의 비부피를 갖도록 팽창된다. 마지막으로, 재팽창 단계 후에, 재팽창된 입자는 이하에 기술된 것처럼 가요성 시트로 압축될 수도 있다.
본원발명에 따르면, 상술한 바와 같이 준비된 그래파이트 시트(통상적으로 약 0.075mm 에서 약 10mm 의 두께를 가지나, 예를 들어 사용된 압축 정도에 따라서 달라질 수 있다)는 수지로 유리하게 처리될 수 있고 흡수된 수지는 경화 후에 내습성 및 처리 강도, 즉 가요성 그래파이트 시트의 강성도를 향상시킬 뿐만 아니라 시트의 형상을 "고정(fixing)"시킨다. 에폭시가 함유된 그래파이트 시트 내의 수지의 양은 압축된 그래파이트 구조체와 관련된 이방성 열 전도도에 불리한 영향을 끼치지 않으면서 최종적으로 조립되고 경화된 층 구조체가 고밀도의 접착성을 갖는 것을 보장하기에 충분한 양이어야 한다. 적절한 수지 함량은 바람직하게 약 5 중량% 이상, 더욱 바람직하게 약 10 내지 35 중량%, 그리고 적절하게 약 60 중량% 까지이다.
본 발명의 실시에서 특히 유용하다고 알려진 수지는 아크릴-, 에폭시- 및 페놀-계 수지 시스템, 플루오르-계 폴리머 또는 이들의 혼합물을 포함한다. 적절한 에폭시 수지 시스템은 디글리시딜 에테르 또는 비스페놀 A(DGEBA) 및 다른 다기능성 수지 시스템에 기초한 것을 포함하며; 사용될 수 있는 페놀 수지는 레졸(resole) 및 노볼락(novolak) 페놀을 포함한다. 선택적으로, 가요성 그래파이트에는 수지에 추가하여 또는 수지를 대신하여 섬유 및/또는 염이 주입될 수 있다. 추가적으로, (접착성, 물질 유동(material flow), 친수성 등과 같은) 특성을 변경시키기 위하여 반응성 또는 비반응성 첨가제가 수지 시스템에 사용될 수 있다.
수지가 함유되고 압축된 가요성 그래파이트 재료를 연속적으로 형성하는 장치 중 하나가 머큐리(Mercuri), 카프(Capp), 와드립(Warddrip), 웨버(Weber)에게 허여된 미국 특허 제 6,706,400호에 개시되어 있으며, 상기 특허의 내용은 본 명세서에 참조된다.
바람직하게는, (캘린더링과 같은) 압축 단계 이후에 박리 그래파이트 압축 입자의 시트에 수지가 침투되면, 침투된 물질은 적당한 크기의 조각으로 잘려서 프레스에 놓이며, 여기서 수지는 높은 온도에서 경화된다. 또한, 가요성 그래파이트 시트는 적층물의 형태로 사용될 수도 있는데, 이러한 적층물은 프레스에서 각각의 그래파이트 시트를 서로 적층시킴으로써 마련될 수 있다.
프레스에서 사용되는 온도는 구조체의 열적 특성에 불리한 영향을 끼치지 않으면서도, 경화 압력에서 그래파이트 구조체가 고밀도화되기에 충분한 온도이어야 한다. 대체로, 이를 위해서는 적어도 약 90℃ 이상, 그리고 일반적으로는 약 200℃까지의 온도가 요구된다. 가장 바람직하게는, 약 150℃ 내지 200℃ 사이의 온도에서 경화가 이루어지는 것이 좋다. 경화에 사용되는 압력은 어느 정도는 사용된 온도의 함수가 될 것이나, 구조체의 열적 특성에 불리한 영향을 미치지 않으면서 그래파이트 구조체가 고밀도화되는 것을 보장하기에 충분해야 할 것이다. 일반적으로, 제조의 편리를 위해, 요구되는 정도까지 구조체를 고밀도화시키기 위해 필요한 최소 압력이 사용될 것이다. 이러한 압력은 약 7 Mpa (약 1000 psi 에 해당한다) 이상 약 35Mpa (약 5000 psi 에 해당한다) 이하가 일반적이며, 더욱 널리 사용되는 값은 약 7 내지 약 21Mpa (1000 내지 3000psi)이다. 경화 시간은 사용된 압력, 온도 및 수지 시스템에 따라 다르게 되나, 대체로 약 0.5 내지 2 시간 사이이다. 경화가 완료된 이후에, 상기 재료는 약 1.8g/cm3 이상, 일반적으로는 약 1.8 내지 2.0g/cm3 의 밀도를 갖는다.
바람직하게는, 가요성 그래파이트 시트 자체가 적층물로서 제공될 때, 침투된 시트 내에 존재하는 수지는 상기 적층물을 위한 접착제로서 작용할 수 있다. 그러나 본원발명의 다른 실시예에 따르면, 캘린더링되고 침투된 가요성 그래파이트 시트는 가요성 시트가 적층되어 경화되기 전에 접착제로 코팅된다. 적절한 접착제로는 에폭시-, 아크릴-(acrlylic-), 및 페놀- 계 수지가 있다. 본원발명에 실시에 있어 특히 유용한 페놀 수지는 레졸(resole) 및 노볼락(nobolak) 페놀을 포함하는 페놀-계 수지 시스템을 포함한다.
비록 캘린더링이나 몰딩을 통한 시트의 형성이 본원발명의 실시에 유용한 그래파이트 재료의 형성방법으로서 가장 일반적이기는 하나, 다른 형성방법이 사용될 수도 있다.
본원발명의 온도 및 압력 경화된 그래파이트/수지 복합재는, 구리 중량의 일부를 갖고도, 구리의 수평 열 전도도와 동일하거나 이보다 큰 수평 열전도도를 갖는 그래파이트계 복합 소재를 제공한다. 보다 구체적으로 복합재는, 적어도 약 300W/mK 이상의 수평 열 전도도와 약 15W/mK 미만, 더욱 바람직하게는 약 10W/mK 미만의 수직 열 전도도를 갖는다.
본원발명은 메모리 모듈 상의 열원과 결합되어 그로부터 열을 확산시키는 하나 이상의 플랜지 구비형 열적 비아(flanged thermal via)를 갖는 박리 그래파이트 압축 입자의 시트를 포함하는, 메모리 모듈 특히 FB-DIMM 에 사용하기 위한 열 확산기를 제공한다. 이러한 플랜지 구비형 비아는 푸시-온(push-on) 너트를 사용하거나 비아의 주축에 견고하게 연결된 제2 플랜지의 사용을 통해 그래파이트 열 확산기에 고정될 수 있다. 따라서 이러한 플랜지 구비형 비아는 하나 이상의 플랜지, 및 제2 플랜지 또는 푸시-온 너트 중 하나를 포함하며, 제2 플랜지 및 푸시-온 너트 모두는 그래파이트 열 확산기 시트의 표면 위로 연장된다. 다른 실시예에서는, 최종 위치에서 그래파이트 열 확산기의 주 평면 표면과 동일 평면에 놓이는 플러시 열적 비아(flush thermal via)가 제공된다. 이들 실시예 모두는, 비아의 주축이 유사하게 형성되었기는 하나 약간 작은, 그래파이트 평면 부재를 통하는 개구부 내로 강제 결합되어 그래파이트 평면 부재를 통하는 개구와 주축 간의 밀착 결합을 제공하는 제조 방법을 바람직하게 수반한다. 대안적으로, 비아 자체가 그래파이트 열 확산기 내에 구멍을 뚫으면서 그 내부에 삽입될 수 있다.
전술한 바와 같이, 메모리 모듈은 다른 것들보다 더 높은 전력에서 작동하는(따라서 더 많은 열을 발생하는) 칩을 하나 또는 그보다 많이 포함할 수 있으며; FB-DIMM의 경우에는 이러한 칩이 어드밴스드 메모리 버퍼 칩(AMB)으로 언급되는데, 이는 다른 칩에 대해 일종의 "트래픽 코프(traffic cop)" 로서 작용한다. AMB는 메모리 모듈 상에서 직접 메모리 칩으로 또는 메모리 칩으로부터 정보의 저장 및 검색을 관리함으로써 종래의 메모리 모듈과 비교하여 속도 및 전송 용량(bandwidth)을 최대화한다. 대부분은 FB-DIMM이 하나의 AMB를 갖기는 하나, 하나보다 많은 AMB의 사용도 고려된다. 메모리 모듈 상의 고 전력 칩은 메모리 모듈의 표면에 "열점"을 형성하는데, 이는 인접한 칩이나 부품에 해로운 영향을 미칠 수 있다. 본원 발명의 목적을 위해, 이러한 고 전력 칩은 "열점 원(hot spot source)" 로서 언급된다.
박리 그래파이트 압축 입자의 하나 또는 그보다 많은 시트를 사용함으로써 이러한 열점 원으로부터 열을 확산시켜, 메모리 모듈 상의 열점을 제거하고 열원을 냉각시킬 수 있다. 열의 방출이 상당하지 않을지라도, 본원발명의 방식으로 그래파이트 열 확산기를 사용하게 되면 메모리 모듈에 걸쳐 온도가 비교적 균일해져서, 상당히 높은 온도로 상승되는 이러한 영역을 감소시키게 된다. 시트의 평면 내에서의 열 전도도(약 300 W/mK, 또는 약 400 W/mK 또는 그보다 높은, 잠재적으로는 약 600 W/mK 정도로 높음)가 시트의 평면을 통과하는 열 전도도(약 10W/mK, 또는 약 5 W/mK 또는 그보다 낮은, 심지어 약 2 W/mK 정도로 낮음)보다 10:1 또는 20:1 또는 그보다 큰 인자만큼 상당히 높은, 이방성 그래파이트 재료의 몸체로 열 전달을 촉진시키기 위하여, 열적 비아가 그래파이트 구조체를 통해 삽입되어 시트의 두께를 통해 열을 끌어내어 열 확산기의 평면에 걸쳐 열이 확산되도록 한다.
이제 도면을 참조하면, 도 1A-1C에는 그래파이트계 열 관리 시스템(10)을 갖는, FB-DIMM 과 같은 메모리 모듈(100)이 도시되어 있다. 메모리 모듈(100)은 그 위에 메모리 칩(112)을 갖는 메모리 기판(110)을 포함한다. 적어도 하나(및, 선택적으로 두 개 이상)의 메모리 칩(112)이 다른 메모리 칩(112)보다 더 높은 전력에서 작동되는데, 도면부호 "114" 로 표시되어 있다. 예를 들어, 메모리 모듈(100)이 FB-DIMM 인 경우에, 고 전력 칩(114)은 하나 또는 그보다 많은 AMB 일 수 있다. 메모리 모듈(100)은 또한 그 위에 칩(112)을 갖는 표면의 대향 표면(메모리 모듈(100)의 "하부" 로 언급됨) 상에 비교적 평평한 열 확산기(130)를 포함할 수도 있다. 열 확산기(130)는 보다 나은 열 확산을 제공하도록 기능하며, 박리 그래파이트 압축 입자의 하나 또는 그보다 많은 시트를 포함할 수 있다.
또한, 메모리 보드(110), 열 관리 시스템(10), 및 (사용된다면) 열 확산기(130)를 포함하는 전체 메모리 모듈(100) 구조는 선택적으로, 통상적으로 강이나 알루미늄과 같은 금속으로 형성되며 전체 유닛을 압력하에서 유지함으로써 메모리 모듈(100)의 요소가 서로 열적 접촉을 유지하도록 하는, 하나 또는 그보다 많은 클립(140) 및 유지 부재(142)에 의해 함께 유지될 수 있다. 실제로, 유지 부재(142)는 도 1A 및 도 1B에 도시된 바와 같이, 메모리 모듈(100)의 서로 다른 요소의 적절한 정렬을 보장하도록 메모리 기판(110)의 노치부(notch)와 정렬하는 레지스트레이션 수단(registration means)으로서의 기능을 할 수도 있다. (도시되지 않은) 다른 레지스트레이션 형태가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 열 관리 시스템(10)은 적절한 정렬을 보장하기 위하여 열 확산기(130) 및/또는 메모리 보드(110) 내의 상응하는 노치부로 접히는 탭(tab)을 특징으로 할 수 있으며; 대안적으로, 열 확산기(130)가 열 관리 시스템(10) 및/또는 메모리 기판(110) 내의 노치부로 접히는 탭을 가질 수도 있다.
바람직한 실시예에서는, 열 관리 시스템(10)이 고 전력 칩(들)(114)로부터 열 확산기 구조체(20)로의 열전달을 촉진시키기 위하여 그 내부에 열적 통로(30)를 갖는, 박리 그래파이트 압축 입자의 하나 또는 그보다 많은 시트를 포함하는 열 확산기 구조체(20)를 포함한다. 메모리 모듈(100)의 표면상의 칩(112)이 균일한 높이가 아니거나 메모리 기판(110)의 표면으로부터의 거리가 균일하지 않으므로, 종래 기술의 알루미늄 열 확산기와 같은 평평한 열 확산기는 메모리 모듈(100)의 표면에 걸쳐 양호한 열적 접촉을 하지 못하기 때문에 효과적이지 않다. 보다 구체적으로는, 고 전력 칩(들)(114)이 메모리 기판(110)의 표면으로부터 더 높이 연장할 수 있다. 따라서, 열 관리 시스템(10)은, 서로 다른 높이의 칩(112 및 114)을 갖는 메모리 모듈(100)의 프로파일에 맞추기 위하여 복잡한, 또는 3차원 형태나 프로파일로 형성될 수 있어야 하며, 이로써 열 관리 시스템이 칩(112 및 114)과 열적 접촉을 유지할 수 있게 된다. "열적 접촉"은 열 전달을 허용하기 위한 충분한 접촉 또는 적절한 위치를 의미한다.
논의된 바와 같이, 고 전력 칩(114)으로부터 그래파이트 열 확산기 층(20)으로의 열전달을 촉진시키기 위하여, 열적 비아 또는 리벳 또는 간단히 비아(30)라고도 불리는 열적 통로(30)가 고 전력 칩(114)에 인접하여 그래파이트 열 확산기 층(20)을 통해 연장한다. 메모리 모듈(100)이 하나보다 많은 고 전력 칩(114)을 갖는 경우에는, 하나보다 많은 열적 통로(30)가 사용될 수 있다. 비아(30)는, 비록 알루미늄이나 박리 그래파이트 압축 입자와 같은 고 열전도성 소재가 사용될 수 있다 하더라도, 구리 또는 그 합금과 같은 고 열전도성 소재의 슬러그(slug) 또는 "리벳"을 포함한다. "고 열전도성"은 고 전력 칩(114)과 열 확산기 층(20) 사이의 방향에서 비아(30)의 열 전도성이 열 확산기 층(20)의 수직(through-thickness) 열 전도성보다 크다(다시 말해서, 열 확산기 층(20)의 수직 방향에 상응하는 방향에서 비아(30)의 열 전도성이 열 확산기 층(20)의 수직 방향에서의 열 전도성보다 크다)는 것을 의미하며; 바람직하게는, 비아(30)의 열 전도성이 약 100 W/mK 이상, 더욱 바람직하게는 약 200 W/mK 이상, 가장 바람직하게는 350 W/mK 이상인 것이 좋다. 각각의 비아(30)는, 비록 가장 통상적으로는 원통형 형태일 것이지만, 임의의 특정한 단면 형상을 가질 수도 있다.
이제 도 3을 참조하면, 비아(30)는 그래파이트 열 확산기 층(20) 내에 삽입되는 비아를 포함할 수 있다. 이러한 비아(30)는 비아(30)에 견고하게 연결되며 층(20)의 표면에 지지되며, 푸시 온 너트(31)를 사용하거나 (도시되지 않은) 제2 플랜지를 사용함으로써 그래파이트 열 확산기(20)에 부착될 수 있는 플랜지(32)를 구비한다. 따라서, 이러한 비아(30)는 하나 이상의 플랜지와 그래파이트 열 확산기 요소의 표면 위에서 모두 연장되는 푸시 온 너트나 제2 플랜지 중 하나를 포함한다. 다른 실시예에서는, 그 최종 위치에서 그래파이트 열 확산기 요소의 주 평면 표면과 동일 평면에 놓이는 플러시 열적 비아가 제공된다. 이들 두 실시예들을 제조하기 위한 여러 가지의 바람직한 기술들이 제공된다. 이들 실시예 모두는, 비록 비아 자체가 그래파이트 열 확산기 내에 구멍을 뚫으면서 그 내부에 삽입될 수 있을지라도, 비아의 주축이 유사하게 형성되었기는 하나 약간 작은, 그래파이트 평면 부재를 통하는 개구부 내로 강제 결합되어 그래파이트 평면 부재를 통하는 개구와 주축 간의 밀착 결합을 제공하는 제조 방법을 바람직하게 수반한다.
또한, 바람직하다면, 도 2에 도시된 바와 같이, 칩(112)과 열 관리 시스템(10) 간의 열전달을 촉진시키기 위하여, 그래파이트계 열 관리 시스템(10)과 메모리 기판(110) 상의 칩(112) 사이에 열적 인터페이스 물질(150)이 배치될 수 있다. 추가적으로, 열적 인터페이스 물질(150)은, 역시 열전달을 촉진시키기 위하여, 그래파이트계 열 관리 시스템(10)과 칩(114) 사이에 배치될 수도 있다. 열적 인터페이스 물질은 상변화 물질과 같은 종래의 어떠한 열적 인터페이스 물질도 포함할 수 있다. 부가적으로, 열적 인터페이스 물질(150)은 열 관리 시스템(10)과 칩(112) 사이에 위치될 때, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 절연 물질일 수 있다.
더욱이, 그래파이트 열 관리 시스템(10)을 원하는 형상으로 유지하는 것을 돕기 위하여, 압형된(stamped) 알루미늄 플레이트(도시되지 않음)와 같은 강화 재료가 사용될 수 있으며; 또한, 강화 재료는, 알루미늄이나 구리 등의 금속과 같은 등방성이며 비교적 열전도성인 물질로 형성되면, 열 관리를 보조할 수 있다. 또한, 강화 재료는 딤플(dimple), 핑거(finger) 또는 이와 유사한 구성이나 표면 조도가 제공될 수 있으며, 이는 강화 재료의 표면 주위에서 공기 유동의 난류 상태를 증가시켜 열 방출을 향상시키도록 작용할 수 있다.
따라서 본원발명은 하나 또는 그보다 많은 고 전력 칩을 갖는 FB-DIMM 과 같은 메모리 모듈에 대하여, 국제 표준을 준수하면서도, 효과적인 열 관리를 제공할 수 있다.
본 명세서에서 언급된 모든 인용 특허, 특허출원 및 공보는 본 명세서에 참조된다.
이상의 설명은 당업계의 숙련자가 본원발명을 실시할 수 있게 하고자 위함이다. 본 명세서를 읽음으로써 당업계의 숙련자에게 명백하게 될 모든 가능한 변경이나 수정을 상세하게 기술하고자 함은 아니다. 그러나 이러한 모든 수정 및 변경은 이하의 청구범위에서 한정되는 본원발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 청구범위는 본 명세서에서 특별히 반대로 언급하지 않는 한, 본원발명의 목적을 달성하기에 효과적인 모든 배열이나 순서의 지시된 구성요소 및 단계를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (29)

  1. 메모리 모듈로서,
    a. 두 개의 주 표면을 포함하는 메모리 기판으로서, 주 표면 중 하나가 그 위에 다수의 칩을 구비하고, 상기 칩들 중 하나 이상이 하나 이상의 다른 칩보다 높은 전력에서 작동하는, 메모리 기판;
    b. 하나 이상의 다른 칩보다 높은 전력에서 작동하는 칩들 중 하나 또는 그보다 많은 칩들과 열적 접촉하는 열 관리 시스템; 을 포함하며,
    상기 열 관리 시스템은, 열 관리 시스템과 접촉하는, 하나 이상의 다른 칩보다 높은 전력에서 작동하는 칩들 중 하나 또는 그보다 많은 칩에 의하여 발생하는 열을 확산시키며,
    상기 열 관리 시스템이 그 내부에 열적 비아를 갖는, 박리 그래파이트 압축 입자의 하나 또는 그보다 많은 시트를 구비하는 열 확산기 구조체를 포함하고,
    상기 열적 비아는 하나 이상의 다른 칩보다 높은 전력에서 작동하는 칩들 중 하나 이상과 열적 접촉하여, 이러한 칩으로부터 열 확산기 구조체로의 열 전달을 촉진시키며,
    상기 열적 비아가 상기 열 확산기 구조체를 통해 연장하며,
    상기 열적 비아가, 열 확산기 구조체의 수직 방향에 상응하는 방향으로의 열 전도도가 열 확산기 구조체의 수직 열 전도도보다 큰 물질을 포함하는,
    메모리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 관리 시스템이 상기 메모리 기판상의 다수의 칩과 열적 접촉을 유지하는 것을 특징으로 하는,
    메모리 모듈.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열적 비아가 100 W/mK 이상의 열 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는,
    메모리 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열적 비아가 200 W/mK 이상의 열 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는,
    메모리 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    칩이 배치되는 표면이 아닌 메모리 기판의 주 표면과 열적 접촉을 하는 열 확산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    메모리 모듈.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 열 관리 시스템을 상기 메모리 기판상의 다수의 칩과 열적으로 접촉하도록 유지시키는 강화 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    메모리 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 강화 재료가 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    메모리 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 강화 재료가 그 주위의 공기 유동의 난류 상태를 증가시키는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는,
    메모리 모듈.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 열 관리 시스템과 상기 메모리 기판 사이에 열적 인터페이스 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    메모리 모듈.
  12. 완전 버퍼링형 메모리 모듈(fully buffered memory module)로서,
    a. 두 개의 주 표면을 포함하는 메모리 기판으로서, 주 표면 중 하나가 그 위에 다수의 칩을 구비하고, 상기 칩들 중 하나 이상이 어드밴스드 메모리 버퍼 칩을 구비하는, 메모리 기판;
    b. 상기 어드밴스드 메모리 버퍼 칩들 중 하나 또는 그보다 많은 칩과 열적 접촉하는 열 관리 시스템으로서,
    상기 열 관리 시스템은, 상기 어드밴스드 메모리 버퍼 칩들 중 하나 또는 그보다 많은 칩들에 의하여 발생하는 열을 확산시키며,
    상기 열 관리 시스템이 그 내부에 열적 비아를 갖는, 박리 그래파이트 압축 입자의 하나 또는 그보다 많은 시트를 구비하는 열 확산기 구조체를 포함하고,
    상기 열적 비아는 상기 어드밴스드 메모리 버퍼 칩들 중 하나 이상과 열적 접촉하여, 이러한 칩으로부터 상기 열 확산기 구조체로의 열 전달을 촉진시키며,
    상기 열적 비아가 상기 열 확산기 구조체를 통해 연장하며,
    상기 열적 비아가, 열 확산기 구조체의 수직 방향에 상응하는 방향으로의 열 전도도가 열 확산기 구조체의 수직 열 전도도보다 큰 물질을 포함하는,
    완전 버퍼링형 메모리 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열 관리 시스템이 상기 메모리 기판상의 다수의 칩과 열적 접촉을 유지하는 것을 특징으로 하는,
    완전 버퍼링형 메모리 모듈.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제12항에 있어서,
    상기 열적 비아가 100 W/mK 이상의 열 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는,
    완전 버퍼링형 메모리 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열적 비아가 200 W/mK 이상의 열 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는,
    완전 버퍼링형 메모리 모듈.
  18. 제12항에 있어서,
    칩이 배치되는 표면이 아닌 메모리 기판의 주 표면과 열적 접촉을 하는 열 확산기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    완전 버퍼링형 메모리 모듈.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 열 관리 시스템을 상기 메모리 기판상의 다수의 칩과 열적으로 접촉하도록 유지시키는 강화 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    완전 버퍼링형 메모리 모듈.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 강화 재료가 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    완전 버퍼링형 메모리 모듈.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 강화 재료가 그 주위의 공기 유동의 난류 상태를 증가시키는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는,
    완전 버퍼링형 메모리 모듈.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 열 관리 시스템과 상기 메모리 기판 사이에 열적 인터페이스 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    완전 버퍼링형 메모리 모듈.
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