KR101031174B1 - 금속 베이스 및 흑연 핀을 구비한 합성 히트 싱크 - Google Patents

금속 베이스 및 흑연 핀을 구비한 합성 히트 싱크 Download PDF

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Abstract

합성 히트 싱크 장치는 적어도 약 200 W/m0K의 열 전도도를 갖는 금속 베이스를 포함한다. 금속 베이스는 바람직하게 구리나 알루미늄으로 구성된다. 히트 싱크 장치는 베이스에 부착된 복수 개의 핀들을 더 포함하고, 핀들은 베이스에 수직인 상대적으로 높은 열 전도도 방향을 갖는 이방성 흑연 재료로 구성된다.

Description

금속 베이스 및 흑연 핀을 구비한 합성 히트 싱크 {COMPOSITE HEAT SINK WITH METAL BASE AND GRAPHITE FINS}
본 발명은 전자장치와 같은 열원(heat source)으로부터 나오는 열을 관리할 수 있는 히트 싱크(heat sink)에 관한 것이다.
마이크로프로세서, 및 전기전자 컴포넌트와 전기전자 시스템, 그리고 고전력 광학 장치들과 같은 다른 장치들 내의 집적 회로와 같이, 프로세싱 속도 및 더 높은 주파수를 증가시킬 수 있는 전자장치들을 포함하여, 더 작은 크기 및 더 복잡한 전력 요구조건을 가지며 다른 기술적 진보를 보여주는 점점 더 첨단의 전자장치들이 개발됨에 따라, 상대적으로 극단적인 온도들이 생성될 수 있다. 그러나, 마이크로프로세서, 집적 회로 및 다른 첨단 전자 컴포넌트들은 전형적으로 임계 온도라는 특정 범위 아래에서만 효과적으로 동작한다. 이러한 컴포넌트들의 동작동안 생성되는 과도한 열은 컴포넌트 자체의 성능을 해칠 뿐만 아니라, 전체 시스템의 성능 및 신뢰도 또한 저하시킬 수 있으며, 심지어 시스템 고장을 야기할 수 있다. 전자 시스템들이 동작하는 것으로 예상되는 온도 극한치들(extremes)을 포함하여, 점점 더 넓은 범위의 주위 조건들은 과도한 열의 부정적인 효과들을 더욱 악화시킨다.
마이크로전자 장치들로부터 열을 방산(dissipation)시킬 필요성이 증가함에 따라, 열 관리는 전자 제품 설계의 점점 더 중요한 요소가 되었다. 전자 장비의 성능 신뢰도 및 기대 수명은 둘 다 장비의 컴포넌트 온도에 역으로 관련된다. 예를 들어, 전형적인 실리콘 반도체와 같은 장치의 동작 온도 감소는 장치의 프로세싱 속도, 신뢰도 및 기대 수명 증가에 대응될 수 있다. 따라서, 컴포넌트의 수명 및 신뢰도를 최대화시키기 위하여, 설계자에 의해 설정된 한계 내에서 동작하도록 장치를 제어하는 것이 가장 중요하다.
몇 가지 유형의 열 방산 컴포넌트들이 전자장치들로부터의 열 방산을 촉진시키기 위하여 사용된다. 본 발명은 핀을 가진 히트 싱크(finned heat sink)에 직접 응용될 수 있다.
이러한 히트 싱크는 열 생성 전자 장치와 같은 열원의 표면으로부터 더 차가운 주변으로, 일반적으로 대기로 열이 방산되도록 돕는다. 히트 싱크는 주로 대기 또는 다른 열 전달 매체와 직접 접촉하는 표면 영역을 증가시킴으로써 전자장치와 주변 대기 사이의 열 전달 효율을 증가시키고자 한다. 이것은 더 많은 열이 방산되도록 하여 전자장치 동작 온도를 낮춘다. 열 방산 컴포넌트의 주요 목적은 설계자/제조자에 의해 특정된 최대 허용가능 온도 이하로 장치 온도를 유지하는 것을 돕는 것이다.
전형적으로, 구리와 같은 금속들이 쉽게 열을 흡수하여 전체 구조물 둘레에 열을 전달할 수 있기 때문에, 히트 싱크는 금속, 특히 구리 또는 알루미늄으로 형성된다. 구리 히트 싱크는 종종 히트 싱크의 표면적을 증가시키기 위하여 핀 또는 다른 구조로 형성되고, 대기는 전자장치로부터 구리 히트 싱크를 통해 대기로 열을 방산시키기 위해 (예를 들어, 팬에 의해) 핀을 가로질러 또는 핀을 통해 강제로 통과된다.
구리 또는 알루미늄 열 방산 엘리먼트들의 사용은, 특히 열 방산 컴포넌트의 열 전달 영역이 전자장치에 비해 현저히 더 클 때, 금속의 중량(weight) 때문에 문제가 될 수 있다. 예를 들어, 순수한 구리의 중량은 입방 센티미터 당 8.96 그램(g/cm3)이고, 순수한 알루미늄은 2.70 g/cm3이다.
예를 들어, 다수의 응용예에서, 몇 개의 히트 싱크가 보드 상의 여러 가지 컴포넌트들로부터 열을 방산시키기 위하여 예를 들어, 회로 보드 상에 배열될 필요가 있다. 만약 금속 히트 싱크가 채택된다면, 보드 상의 순전한 금속 중량은 보드 크랙킹 또는 동등한 정도의 다른 바람직스럽지 못한 효과들이 발생할 확률을 증가시킬 수 있고, 컴포넌트 그 자체의 중량을 증가시킨다. 휴대용 전자장치에 대하여, 열 방산 특성을 유지하면서 중량을 줄일 수 있는 방법이 특히 바람직하다.
히트 싱크에 사용하기에 적합한 다른 그룹의 재료들은 일반적으로 흑연, 특히 이하에서 설명되는 바와 같이 천연 흑연(natural graphite) 및 가요성 흑연(flexible graphite)에 기초한 것과 같은 흑연으로 알려진 재료들이다. 이러한 재료들은 이방성이고 히트 싱크가 우선적으로 선택된 방향들로 열을 전달하도록 설계되게 한다. 또한, 흑연 재료들은 중량이 훨씬 더 가볍고, 그리하여 구리 또는 알루미늄에 비해 많은 이점을 제공한다.
흑연은 탄소 원자들의 육각형 배열 또는 네트워크로 이루어진 층 평면들로 구성된다. 육각형으로 배열된 탄소 원자들로 이루어진 이러한 층 평면들은 실질적으로 평평하며, 실질적으로 평행하고 서로에 대해 등거리에 있도록 배치되거나 배열된다. 보통 흑연층(graphene layer) 또는 기저면(basal plane)으로 언급되는, 실질적으로 평평하고 평행한 등거리 탄소 원자 시트 또는 층은 함께 연결되거나 결합되고, 그 그룹들은 미소결정(crystallite)들로 배열된다. 고도로 정렬된 흑연들은 상당한 크기의 미소결정들로 구성된다. 미소결정들은 서로에 대해 고도로 정렬 또는 배향되고, 잘 정돈된 탄소 층들을 갖는다. 즉, 고도로 정돈된 흑연들은 높은 정도의 바람직한 미소결정 방향성(orientation)을 갖는다. 흑연은 이방성 구조를 갖고, 그리하여 고도로 지향성인 다수의 속성들, 예를 들어, 열 및 전기 전도도와 유체 확산을 나타내거나 갖는다.
간단히 말해, 흑연들은 탄소의 적층된 구조들, 즉, 약한 반데르발스(van der Waals) 힘에 의해 함께 결합된 탄소 원자들의 중첩층 또는 박판으로 구성된 구조들로서 특징지을 수 있다. 흑연 구조를 고려하면, 2개의 축 또는 방향이 보통 주목되는데, 즉, "c" 축 또는 방향 및 "a" 축 또는 방향이 주목된다. 단순화를 위하여, "c" 축 또는 방향은 탄소 층에 수직인 방향으로서 고려될 수 있다. "a" 축 또는 방향은 탄소 층에 평행한 방향 또는 "c" 방향에 수직인 방향으로서 고려될 수 있다. 가요성 흑연 시트를 제조하는데 적절한 흑연은 매우 높은 정도의 방향성(orientation)을 갖는다.
앞서 언급한 바와 같이, 탄소 원자들의 평행한 층들을 함께 유지하는 결합력은 단지 약한 반데르발스 힘뿐이다. 천연 흑연은 중첩 탄소 층 또는 박판 사이의 간격이 층에 수직인 방향, 즉, "c" 방향으로 두드러진 팽창을 제공하기 위하여 적절히 개방되어, 탄소 층의 박판 특성이 실질적으로 보존되는 확장된 또는 팽창된 흑연 구조를 형성할 수 있도록 처리될 수 있다.
많이 팽창된 흑연 박편(graphite flake), 특히 최종 두께 또는 원래 "c" 방향 치수의 약 80배 이상인 "c" 방향 치수를 갖기 위하여 팽창된 흑연 박편은 팽창된 흑연의 밀착된 또는 통합된 시트들, 예를 들어, 웹, 페이퍼, 스트립, 테이프, 호일, 매트 또는 이와 유사한 것(전형적으로 "가요성 흑연"으로 언급됨) 내로 바인더를 사용하지 않고 형성될 수 있다. 아무런 바인딩 재료를 사용하지 않고 최종 두께 또는 원래 "c" 방향 치수의 약 80배 이상인 "c" 방향 치수를 갖도록 팽창된 흑연 입자들을 압축에 의해 통합된 가요성 시트로 형성하는 것은 기계적인 인터로킹(interlocking) 또는 응집으로 인해 가능한 것으로 인정되며, 이것은 부피가 팽창된 흑연 입자들 사이에서 달성된다.
가요성에 부가하여, 앞서 언급한 바와 같이, 매우 높은 압축, 예를 들어, 롤 프레싱으로부터 야기된, 시트의 대향면들에 실질적으로 평행한 팽창된 흑연 입자들 및 흑연 층들의 방향성으로 인하여, 시트 재료는 또한 천연 흑연 출발 재료에 비해 열 및 전기 전도도와 유체 확산과 관련하여 높은 정도의 이방성을 갖는 것으로 발견되었다. 이와 같이 생산된 시트 재료는 우수한 가요성, 양호한 강도 및 매우 높은 정도의 방향성을 갖는다.
간단히 말해, 가요성이고, 바인더가 없는 이방성 흑연 시트 재료, 예를 들어, 웹, 페이퍼, 스트립, 테이프, 호일, 매트 또는 이와 유사한 것을 생산하는 프로세스는 실질적으로 평평한, 가요성 통합된 흑연 시트를 형성하기 위하여 미리 설정된 부하 하에서 바인더가 부재한 상태로 원래 입자들의 약 80배 이상 큰 "c" 방향 치수를 갖는 팽창된 흑연 입자들을 압축 또는 밀착시키는 단계를 포함한다. 대체로 외형이 벌레처럼 생긴 팽창된 흑연 입자들은 일단 압축되면 압축 세트 및 시트의 대향하는 주표면들과의 정렬을 유지할 것이다. 시트 재료의 밀도 및 두께는 압축의 정도를 제어함으로써 가변될 수 있다. 시트 재료의 밀도는 약 0.04 g/cm3 내지 약 2.0 g/cm3의 범위 내에 있을 수 있다. 가요성 흑연 시트 재료는 시트의 대향하는 평행한 주표면들에 평행한 흑연 입자들의 정렬로 인하여 적절한 정도의 이방성을 나타내고, 이방성의 정도는 방향성을 증가시키는 시트 재료의 롤 프레싱 상태에서 증가한다. 롤 프레싱된 이방성 시트 재료에서, 두께, 즉, 대향하는 평행한 시트 표면들에 수직인 방향은 "c" 방향을 포함하고, 길이 및 폭을 따라 이어진 방향들, 즉, 대향하는 주 표면들을 따르거나, 대향하는 주 표면들에 평행인 방향들은 "a" 방향들을 포함하며, 시트의 열적, 전기적 그리고 유체 확산 속성들은 "c" 및 "a" 방향들에 대하여 수십배 만큼(by orders of magnitude) 매우 상이하다.
선행 기술의 설계에 비해 상대적으로 높은 열 전도도 및 상대적으로 낮은 중량을 제공하는 개선된 히트 싱크 설계에 대한 필요성이 계속하여 존재한다.
본 발명은 적어도 약 200 W/m0K의 열 전도도를 갖는 금속 베이스 및 베이스에 부착된 복수 개의 핀(fin)들을 포함하며, 핀이 베이스에 수직인, 상대적으로 높은 열 전도도 방향을 갖는 이방성 흑연 재료로 구성되는 히트 싱크 장치를 제공한다.
본 발명의 특정 실시예에서, 베이스는 구리 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 전자장치의 열 관리를 위해 개선된 히트 싱크 설계를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 금속 베이스 및 이방성 흑연 재료로 구성된 핀들을 구비한 합성 히트 싱크 설계를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 흑연 핀들을 갖는 구리 베이스를 구비한 합성 히트 싱크를 제공하는 것이고, 이러한 합성 히트 싱크는 전부 구리로 이루어진 히트 싱크보다 작은 중량을 가지면서 전부 구리로 이루어진 히트 싱크와 거의 동일한 열 성능을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 알루미늄 베이스 및 복수 개의 흑연 핀들을 구비한 히트 싱크 장치를 제공하여, 히트 싱크 장치가 전부 알루미늄으로 이루어진 히트 싱크에 비해 크지 않은 중량을 가지면서 전부 알루미늄으로 이루어진 유사한 크기의 히트 싱크보다 더 우수한 열 성능을 갖도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 부가적인 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 숙지한 당업자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 히트 싱크의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 라인 2-2를 따라 절단한 정면 단면도이다.
언급된 바와 같이, 본 발명의 히트 싱크가 구성될 수 있는 재료는 흑연 시트 재료이다. 히트 싱크의 구성을 기술하기에 앞서, 흑연 및 가요성 시트로의 흑연의 형성이 간단히 설명된다.
가요성 흑연 시트의 준비
흑연은 평면들 사이에 더 약한 결합을 가진 평평한 층상 평면들 내에서 공유 결합된 원자들을 포함하는 탄소의 결정 형태이다. 예를 들어, 황산 및 질산 용액의 유기화제(intercalant)로 천연 흑연 박편과 같은 흑연 입자들을 처리함으로써, 흑연의 결정 구조는 흑연 및 유기화제의 화합물을 형성하도록 반응한다. 처리된 흑연 입자들은 이하에서 "인터칼레이팅(intercalate)된 흑연 입자"로서 언급된다. 고온에 노출되는 경우, 흑연 내의 유기화제는 분해되고 휘발되어, 인터칼레이팅된 흑연 입자들이 "c" 방향, 즉, 흑연의 결정 평면에 수직인 방향으로 아코디언형 방식으로 원래 부피의 약 80배 이상의 치수로 팽창되게 한다. 박리된(exfoliated) 흑연 입자들은 외형이 벌레 모양이고, 따라서, 통상 웜(worm)으로 언급된다. 웜들은 함께 가요성 시트로 압축될 수 있고, 상기 가요성 시트는 원래의 흑연 박편들과 달리, 여러 형태들로 형성되고 절단될 수 있다.
본 발명에 사용하기에 적당한 흑연 출발 물질은 할로겐뿐만 아니라 유기산 및 무기산을 인터칼레이팅하여 열에 노출될 때 팽창할 수 있는 고도의 흑연 탄소질 재료(highly graphitic carbonaceous material)들을 포함한다. 이러한 고도의 흑연 탄소질 재료들은 가장 바람직하게 약 1.0의 흑연화 정도를 갖는다. 본 명세서에서 사용되는 것으로서, "흑연화 정도"는 이하의 식에 따른 값 g를 말한다.
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여기서, d(002)는 옹그스트롬 단위로 측정된 결정 구조 내 탄소들의 흑연 층들 사이의 간격이다. 흑연 층들 사이의 간격 d은 표준 X 레이 회절 기술에 의해 측정된다. (002), (004) 및 (006) 밀러 지수(Miller Indice)에 대응하는 회절 피크의 위치들이 측정되고, 표준 최소 제곱 기술(standard least-squares technique)들이 이러한 모든 피크에 대한 총 에러를 최소화시키는 간격을 유도하기 위하여 사용된다. 고도의 흑연 탄소질 재료들의 예는 화학 기상 증착, 폴리머의 고온 열분해, 또는 용융된 금속 용액으로부터의 결정화 및 이와 유사한 것에 의해 준비된 흑연과 같은 다른 탄소질 재료뿐만 아니라, 여러 소스로부터 나온 천연 흑연을 포함한다. 천연 흑연이 가장 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 흑연 출발 재료는 출발 재료의 결정 구조가 요구되는 흑연화 정도를 유지하고 박리가 가능한 한, 비흑연 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 결정 구조가 요구하는 정도의 흑연화 정도를 갖고 박리될 수 있는 임의의 탄소 함유 재료들은 본 발명에 사용하기에 적합하다. 그러한 흑연은 바람직하게 적어도 약 80 중량 퍼센트의 순도를 갖는다. 보다 바람직하게, 본 발명에 사용되는 흑연은 적어도 약 94%의 순도를 가질 것이다. 가장 바람직한 실시예에서, 채택된 흑연은 적어도 약 98%의 순도를 가질 것이다.
흑연 시트를 제조하는 일반적인 방법은 Shane 등에 의한 미국 특허 제 3,404,061호에 기재되어 있으며, 상기 미국 특허의 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 편입된다. Shane 등에 의한 방법의 전형적인 실시에서, 천연 흑연 박편들은 유리하게 흑연 박편들의 중량 단위로 100 파트(part) 당 유기화제 용액 중량 단위로 약 20 내지 약 300 파트의 레벨로(pph) 예를 들어, 질산 및 황산의 혼합물을 함유하는 용액에 상기 박편들을 분산시킴으로써 인터칼레이팅된다. 인터칼레이션 용액은 당업계에 공지된 산화제 및 인터칼레이팅제(intercalating agent)를 함유한다. 예시들은 산화제 및 산화 혼합물, 예를 들어, 질산, 염소산 칼륨(potassium chlorate), 크롬산, 과망간산 칼륨(potassium permanganate), 크롬산 칼륨(potassium chromate), 중크롬산 칼륨(potassium dichromate), 과염소산(perchloric acid) 및 이와 유사한 것을 함유한 용액들, 또는 혼합물들, 예를 들어, 농축된 질산과 염소산염(chlorate), 크롬산과 인산, 황산과 질산, 또는 강한 유기산의 혼합물, 예를 들어, 제삼불화초산(trifluoroacetic acid), 및 유기산에서 용해될 수 있는 강한 산화제를 포함한다. 대안적으로, 전위가 흑연의 산화를 야기하기 위해 사용될 수 있다. 전해 산화를 사용하여 흑연 결정 내로 도입될 수 있는 화학종들은 황산 및 다른 산들을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 인터칼레이팅제는 황산 또는 황산과 인산, 및 산화제, 즉, 질산, 과염소산, 크롬산, 과망간산 칼륨, 과산화수소, 요오드산 또는 과옥소산(periodic acid) 또는 이와 유사한 것의 혼합물 용액이다. 비록 덜 바람직스럽기는 하지만, 인터칼레이션 용액은 염화 제 2 철(ferric chloride)과 같은 할로겐화 금속(metal halide), 및 황산과 혼합된 염화 제 2 철, 또는 브롬과 황산 용액 또는 유기 용매 내 브롬으로서의 브롬과 같은 할로겐화물을 함유할 수 있다.
인터칼레이션 용액의 약은 약 20 내지 약 350 pph에 이르고, 보다 전형적으로 약 40 내지 약 160 pph에 이른다. 박편이 인터칼레이팅된 이후에, 임의의 초과 용액은 박편들로부터 배출되고 박편들은 물로 세정된다. 대안적으로, 인터칼레이션 용액의 양은 약 10 내지 약 40 pph 사이에서 제한될 수 있고, 이것은 미국 특허 제 4,895,713호에 개시된 바와 같이 세정 단계가 제거될 수 있도록 허용하며, 상기 미국 특허의 개시내용 또한 본 명세서에 참조로서 편입된다.
인터칼레이션 용액으로 처리된 흑연 박편 입자들은, 예를 들어, 블렌딩에 의해, 25℃와 125℃의 범위에 있는 온도에서 산화 인터칼레이션 용액의 표면막과 반응하는 알코올, 당, 알데히드 및 에스테르로부터 선택된 유기 환원제와 선택적으로 접촉될 수 있다. 적절한 특정 유기제는 헥사데카놀(hexadecanol), 옥타데카놀, 1-옥탄올(octanol), 2-옥탄올, 데실알코올(decylalcohol), 1, 10 데카네디올(decanediol), 데실알데히드, 1-프로판올(propanol), 1,3 프로파네디올(propanediol), 에틸렌글리콜(ethyleneglycol), 폴리프로필렌 글리콜(polypropylene glycol), 덱스트로즈(dextrose), 프럭토오즈(fructose), 락토오즈(lactose), 슈크로즈(sucrose), 감자 녹말(potato starch), 에틸렌 글리콜 모노스테어레이트(ethylene glycol monostearate), 디에틸렌 글리콜 디벤조에이트(diethylene glycol dibenzoate), 프로필렌 글리콜 모노스테어레이트, 글리세롤 모노스테어레이트, 디메틸 옥실레이트(dimethyl oxylate), 디에틸 옥실레이트, 메틸 포르메이트(methyl formate), 에틸 포르메이트, 아스코르브산 및 소듐 리그노설페이트(sodium lignosulfate)와 같은 리그닌 유도((lignin-derived) 화합물을 포함한다. 유기 환원제의 양은 적절하게 흑연 박편 입자 중량 단위로 약 0.5 내지 4%이다.
인터칼레이션 이전에, 인터칼레이션 동안에 또는 인터칼레이션 직후에 제공되는 팽창 보조제(expansion aid)의 사용은 또한 개선점을 제공할 수 있다. 이러한 개선점들 가운데, 감소된 박리 온도 및 증가된 팽창 부피(또한 "웜 부피"로도 언급됨)가 있다. 이러한 맥락에서 팽창 보조제는 유리하게 팽창의 개선을 달성하기 위하여 인터칼레이션 용액에 충분히 용해가능한 유기 재료일 것이다. 보다 범위를 좁히면, 바람직하게 배타적으로 탄소, 수소 및 산소를 함유한 이러한 유형의 유기 재료가 채택될 수 있다. 카르복시산이 특히 효과적인 것으로 발견되었다. 팽창 보조제로서 유용한 적합한 카르복시산은, 적어도 하나의 탄소 원자를 갖고 바람직하게 약 15개 까지의 탄소 원자를 갖는 방향족, 지방족 또는 환형 지방족, 직쇄(straight chain) 또는 분지쇄(branched chain), 포화 및 불포화 모노카르복시산, 디카르복시산 및 폴리카르복시산으로부터 선택될 수 있고, 상기 카르복시산은 하나 이상의 박리 태양의 측정가능한 개선을 제공하는데 효과적인 양으로 인터칼레 이션 용액에 용해가능하다. 적절한 유기 용매가 인터칼레이션 용액 내 유기 팽창 보조제의 용해도를 개선시키기 위하여 채택될 수 있다.
포화된 지방족 카르복시산의 대표적인 예는 화학식 H(CH2)nCOOH과 같은 산이고, 여기서, n은 0 내지 약 5까지의 수이고, 포름산(formic), 아세트산(acetic), 프로피온산(propionic), 부티르산(butyric), 펜탄산(pentanoic), 헥산산(hexanoic) 및 이와 유사한 것을 포함한다. 카르복시산 대신에, 무수물(anhydride) 또는 알킬 아스테르와 같은 반응성 카르복시산 유도체가 또한 사용될 수 있다. 알킬 에스테르의 대표물은 포름산 메틸 및 포름산 에틸이다. 황산, 질산 및 다른 공지된 수용성 유기화제는 포름산을 궁극적으로 물과 카본 다이옥사이드로 분해할 수 있는 능력을 갖는다. 이것 때문에, 포름산 및 다른 민감한 팽창 보조제가 수용성 유기화제에 박편을 침수시키기에 압서 유리하게 흑연 박편과 접촉된다. 디카르복시산의 대표물은 2-12개의 탄소 원자를 갖는 지방족 디카르복시산, 특히, 옥살산, 푸마르산, 말론산, 말레산, 숙신산, 글루타르산, 아디프산, 1,5-펜탄디카르복시산, 1,6-헥산디카르복시산, 1,10-데칸디카르복시산, 사이클로헥산-1,4-디카르복시산 및 프탈산 또는 테레프탈산과 같은 방향족 디카르복시산이다. 알킬 에스테르의 대표물은 디메틸 옥실레이트 및 디에틸 옥실레이트이다. 환형 지방족 산의 대표물은 사이클로헥산 카르복시산이고, 방향족 카르복시산의 대표물은 벤조산, 나프토산(naphthoic acid), 안트라닐산, p-아미노벤조산, 살리실산, o-, m- 및 p-토릴산, 메톡시 및 에톡시벤조산(methoxy and ethoxybenzoic acid), 아세토아세타미도벤조 산(acetoacetamidobenzoic acid) 및 아세타미도벤조산, 페닐아세트산과 나프토산이다. 하이드록시 방향족 산의 대표물은 하이드록시벤조산, 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 중 두드러진 것은 시트르산이다.
인터칼레이션 용액은 수용성일 것이고, 바람직하게 약 1 내지 10%의 팽창 보조제 양을 함유할 것이며, 상기 양은 박리를 향상시키는데 효과적이다. 팽창 보조제가 수용성 인터칼레이션 용액에 침수되기 이전에 또는 그 이후에 흑연 박편과 접촉되는 실시예에서, 팽창 보조제는 V-블렌더와 같은 적절한 수단에 의해 전형적으로 흑연 박편 중량 단위로 약 0.2% 내지 약 10%의 양으로 흑연과 혼합될 수 있다.
흑연 박편을 인터칼레이팅한 이후에, 유기화제 코팅된 인터칼레이팅된 흑연 박편과 유기 환원제를 블렌딩한 다음, 블렌드는 환원제와 유기화제 코팅의 반응을 촉진시키기 위하여 25℃ 내지 125℃ 범위의 온도에 노출된다. 가열 주기는 약 20시간까지이고, 전술된 범위의 더 높은 온도에 대하여 예를 들어, 적어도 약 10분의 더 짧은 가열 주기를 갖는다. 예를 들어, 10 내지 25분 정도의 30분 이하의 시간이 더 높은 온도에서 채택될 수 있다.
이와 같이 처리된 흑연 입자들은 종종 "인터칼레이팅된 흑연 입자"로서 언급된다. 고온, 예를 들어, 적어도 약 160℃의 온도, 특히 약 700℃ 내지 1000℃ 및 그 이상의 온도에 노출될 때, 인터칼레이팅된 흑연 입자들은 c 방향으로, 즉, 구성요소인 흑연 입자들의 결정 평면들에 수직인 방향으로, 아코디언형 방식으로 원래 부피의 약 80 내지 1000배 또는 그 이상만큼 팽창된다. 팽창된, 즉, 박리된 흑연 입자들은 외형이 벌레 모양이고, 따라서 보통 웜으로 언급된다. 웜은 가요성 시트로 함께 압축될 수 있고, 상기 가요성 시트는 원래 흑연 박편과는 달리 여러 형태로 형성 및 절단될 수 있다.
가요성 흑연 시트 및 호일은 양호한 핸들링 강도로 응집성(coherent)이 있고, 예를 들어, 롤 프레싱에 의해 약 0.075 mm 내지 3.75 mm의 두께 및 입방 센티미터당 약 0.1 내지 1.5 그램의 밀도(g/cm3)로 적절히 압축된다. 최종적인 가요성 흑연 제품 내 향상된 수지 주입을 제공하기 위하여, 미국 특허 제 5,902,762호(본 명세서에 참조로서 편입됨)에 기재된 바와 같이, 세라믹 첨가제가 세라믹 첨가제 중량 단위로 약 1.5-30%로 인터칼레이팅된 흑연 박편과 블렌딩될 수 있다. 첨가제는 약 0.15 내지 1.5 밀리미터의 길이를 갖는 세라믹 파이버 입자들을 포함한다. 입자들의 폭은 적절하게 약 0.04 내지 0.004 mm이다. 세라믹 파이버 입자들은 흑연에 비반응성이고 비접착적이며, 약 1100℃까지, 바람직하게는 약 1400℃ 또는 그 이상까지의 온도에서 안정적이다. 적절한 세라믹 파이버 입자들은 연해진(macerated) 석영 유리 파이버, 탄소 및 흑연 파이버, 지르코니아, 보론 나이트라이드, 실리콘 카바이드 및 마그네시아 파이버, 칼슘 메타실리케이트 파이버와 같은 자연 발생 미네랄 파이버, 칼슘 알루미늄 실리케이트 파이버, 알루미늄 옥사이드 파이버 및 이와 유사한 것으로 형성된다.
가요성 흑연 시트는 또한 종종 유리하게 수지로 처리될 수 있고, 경화(curing) 이후에 흡수된 수지는 가요성 흑연 시트의 내습성 및 핸들링 강도, 즉, 강성도(stiffness)를 향상시키고, 시트의 형태(morphology)를 "고정"한다. 적절한 수지 함량은 바람직하게 중량 단위로 약 60% 이하이고, 보다 바람직하게는 중량 단위로 약 35% 이하이며, 가장 바람직하게는 중량 단위로 약 4% 내지 약 15%이다. 본 발명의 실시에 특히 유용한 것으로 발견된 수지는 아크릴(acrylic)-, 에폭시- 및 페놀-계 수지 시스템, 또는 그 혼합물을 포함한다. 적절한 에폭시 수지 시스템들은 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(DGEBA)에 기초한 것 및 다른 다기능 수지 시스템들을 포함하고; 채택될 수 있는 페놀 수지는 레졸(resole) 및 노볼락(novolak) 페놀을 포함한다.
적층된 흑연 재료들의 준비
이하에서 기술되는 히트 싱크의 흑연 핀들은 바람직하게, 본 발명의 양수인에게 양도되고 Norley 등에 의해 2001년 8월 31일자로 출원된 미국 특허 출원 제 09/943,131호, "주입된 가요성 흑연 시트들로부터 준비된 적층물(LAMINATES PREPARED FROM IMPREGNATED FLEXIBLE GRAPHITE SHEETS)"에 기재된 방식에 따라 적층된 수지 주입 흑연 재료로부터 구성되고, 상기 미국 특허 출원은 본 명세서에 참조로서 편입된다.
Norley 등의 프로세스에 따르면, 앞서 기술된 것처럼 준비되고 약 4 mm 내지 7 mm의 두께를 갖는 가요성 흑연 시트들에는 에폭시, 아크릴 또는 페놀 수지 시스템과 같은 열경화 수지가 주입된다. 적절한 에폭시 수지는 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(DGEBA) 수지 시스템을 포함하고, 다른 다기능 에폭시 수지 시스템 또한 본 발명에 사용하기에 적합하다. 적절한 페놀 수지 시스템은 레졸 및 노볼락 수지를 함유한 것을 포함한다. 그 다음에 시트들은 약 0.35 mm 내지 0.5 mm의 두께로 캘린더(calender)되고, 그 시점에서 캘린더된 에폭시 주입 가요성 매트는 약 1.4 g/cm3 내지 약 1.9 g/cm3의 밀도를 갖는다.
에폭시 주입 흑연 시트들 내의 수지 양은 최종적으로 어셈블리되고 경화된 층상 구조가 조밀하고 밀착됨을, 그리고 여전히 고밀도화된 흑연 구조와 연관된 이방성 열 전도도가 악영향을 받지 않음을 보장하기에 충분한 양이어야 한다. 적절한 수지 함량은 바람직하게 중량 단위로 적어도 약 3%이고, 보다 바람직하게는 최종 제품에서 요구되는 특성에 의존하여 중량 단위로 약 5% 내지 약 35%이다.
전형적인 수지 주입 단계에서, 가요성 흑연 시트는 베셀(vessel)을 통과하고, 예를 들어, 스프레이 노즐로부터 수지 시스템이 주입되며, 수지 시스템은 유리하게 진공 챔버를 사용하여 "매트를 통해 당겨진다". 반드시 필수적인 것은 아니지만 전형적으로 수지 시스템은 가요성 흑연 시트 안으로의 적용을 촉진시키기 위해 용매화된다. 바람직하게 수지는 그 이후에 수지 및 수지 주입 시트의 접착성(tack)을 감소시키면서 건조된다.
연속적으로 수지 주입되고 캘린더된 가요성 흑연 시트를 형성하는 장치 중 한 가지 유형은 국제 공개 제 WO 00/64808호에 개시되고, 상기 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 편입된다.
캘린더 단계 이후에, 주입 시트는 적절한 크기의 피스들로 절단되고, 상기 피스들은 함께 적층되어 프레스에 배치되며, 상기 프레스에서 피스들은 상승된 온도에서 경화된다. 온도는 구조의 이방성을 개선하여 열 방산 장치로서의 열적 속성을 개선하면서 판상(lamellar) 구조가 경화 압력에서 고밀도화됨을 보장하기에 충분하여야 한다. 일반적으로, 이것은 약 150℃ 내지 200℃의 온도를 요구할 것이다. 경화를 위해 사용되는 압력은 어느 정도 사용되는 온도의 함수일 것이나, 구조의 열적 속성에 악영향을 미치지 않으면서 판상 구조가 고밀도화됨을 보장하기에 충분할 것이다. 일반적으로, 제조의 편의를 위하여, 상기 구조를 요구되는 정도로 고밀도화시키기 위해 요구되는 최소 압력이 활용될 것이다. 그러한 압력은 제곱 인치 당 1000 내지 3000 파운드(psi)일 것이다. 경화 시간은 수지 시스템 및 사용되는 온도와 압력에 따라 변화할 것이나, 일반적으로 0.5 시간 내지 2 시간에 이를 것이다. 경화가 완료된 이후에, 합성물은 약 1.8 g/cm3 내지 2.0 g/cm3의 밀도를 갖는 것으로 관찰된다.
유리하게, 주입 시트에 존재하는 수지는 합성 재료에 대해 접착제로서 작용할 수 있다. 대안적으로, 캘린더되고 주입된 가요성 흑연 시트들은 가요성 시트들이 적층되어 경화되기 이전에 접착제로 코팅된다. 적절한 접착제는 에폭시-, 아크릴-, 및 페놀-계 수지를 포함한다. 본 발명의 실시에 특히 유용한 것으로 발견된 페놀 수지는 레졸 및 노볼락 페놀을 포함하는 페놀계 수지 시스템을 포함한다.
선택적으로, 비흑연 층들은 사전 프레싱된 스택에 포함될 수 있다. 그러한 비흑연 층들은 금속, 플라스틱 또는 파이버글래스나 세라믹과 같은 다른 비금속물을 포함할 수 있다. 주입 흑연 시트의 에폭시 폴리머는 경화 시에 비흑연 및 구조의 주입된 흑연 층들을 제자리에(into place) 접착식으로 결합하기에 충분하다.
이하의 예는 적절한 적층 구조들의 구성을 더 예시하고 설명하기 위해 제공되나, 본 발명을 제한하려고 의도된 것은 아니다. 달리 지시되지 않는다면, 모든 파트와 퍼센트는 중량 단위이다.
예시 1
약 30 cm 대 30 cm의 치수를 갖고 70 mg/cm2의 단위 면적당 중량을 갖는 흑연 시트들에 에폭시가 주입되었으며, 그 결과 캘린더된 매트들은 12 중량 % 에폭시였다. 사용된 에폭시는 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르(DGEBA)였고, 상승된 온도 경화 구성(formulation) 및 주입 절차들은 아세톤-수지 용액을 포화시키고 그 다음 대략 80℃에서 건조시켰다. 주입 이후에, 시트들은 대략 7 mm의 두께로부터 대략 0.4 mm의 두께 및 1.63 g/cm3의 밀도로 캘린더되었다. 그 다음, 캘린더된 주입 시트들은 대략 50 mm의 직경을 가진 디스크들로 절단되었고, 상기 디스크들은 46 층 높이로 적층되었다. 그 다음, 이러한 디스크들의 스택은 TMP(Technical Machine Products) 프레스에 배치되었고, 1시간 동안 150℃에서 2600 psi에서 경화되었다. 결과적인 적층물은 1.90 g/cm3의 밀도, 8000 psi의 굽힘 강도, 7.5 Msi(제곱 인치 당 100만 파운드)의 영 모듈 및 6 마이크로옴의 평면내 저항을 가졌다. 평면내 및 관통 두께(through-thickness) 열 전도도 값은 각각 396 W/m·0K 및 6.9 W/m·0K였다. 적층물들은 우수한 기계가공성(machinability)을 나타내었고, 매끄러운 마감재를 가진 연속 무공성 표면을 가졌으며 전자 열 관리 장치에 사용하기에 적합하였다. 고도의 이방성 열 전도도는 민감한 전자장치로부터 열을 제거하여 히트 싱크 내로 파이핑하는데 사용하도록 고도로 적응된 구조를 야기한다. 부가하여, 대략 1.94 g/cm3인 재료의 밀도는 현저히 알루미늄(2.7 g/cm3) 이하이고 구리(8.96 g/cm3)보다 훨씬 더 작다. 그리하여, 흑연 적층물의 특정 열 전도도(즉, 밀도에 대한 열 전도도의 비율)는 약 알루미늄의 3배, 그리고 구리의 약 4 내지 6배이다.
본 발명에 사용하기에 적합한 적층된 흑연 재료들은 전술한 특정의 것들에 제한되지 않고, 예를 들어, 일본 오사카 1006 카도마에 위치한 Matsushita Electric Components Co., Ltd. Ceramic Division에 의해 제조된, 상표명 파나소닉 "PGS"®흑연 시트와 같은 열분해 흑연 시트의 층들로 구성된 적층물을 포함할 수 있다.
도 1-도 2의 상세한 실시예
이제 도면, 특히 도 1 및 도 2를 참조하면, 히트 싱크 장치가 도시되며 전체적으로 숫자 10에 의해 지정된다. 히트 싱크 장치(10)는 적어도 200 W/m0K의 열 전도도를 갖는 금속 베이스(12)를 포함한다. 바람직하게, 금속 베이스(12)는 구리나 알루미늄으로 구성된다. 구리 베이스(12)는 대략 391 W/m0K의 열 전도도를 가질 것이다. 알루미늄 금속 베이스(12)는 대략 209 W/m0K의 열 전도도를 가질 것이다.
히트 싱크 장치(10)는 14A-H와 같은 복수 개의 핀들을 더 포함한다.
핀(14)들은 가요성 흑연 시트 재료로 구성되고, 바람직하게는 가요성 흑연 시트들의 수지 주입 적층물로부터 구성된다.
이전에 언급한 바와 같이, 흑연 시트 재료는 이방성이고, 시트의 평면 내에서 대략 400 W/m0K의 상대적으로 높은 열 전도도를 가지며, 시트의 두께를 가로질러 훨씬 더 낮은 열 전도도를 갖는다. 그리하여, 핀들은 시트 재료로 구성될 때 베이스(12)의 방향에 대체로 수직인 핀의 평면 내에서 상대적으로 높은 열 전도도를 갖는다.
핀들이 구성되는 흑연 재료는 동등한 크기의 구리 핀보다 훨씬 더 가볍고, 또한 동등한 크기의 알루미늄 핀보다도 가볍다. 순수한 구리 중량은 8,96 gm/cm3이고, 순수한 알루미늄 중량은 2.70 gm/cm3이다. 반면, 흑연 시트 재료의 밀도는 약 0.04 gm/cm3 내지 2.0 gm/cm3의 범위 내에 있을 수 있다. 전술된 바람직한 적층된 수지 주입 흑연 재료는 대략 1.94 gm/cm3의 밀도를 갖는다.
그리하여, 흑연 핀(14)들을 구비한 구리 베이스(12)가 사용될 때, 히트 싱크 장치(10)는 전부 구리로 이루어진 히트 싱크와 대략 동일한 열 성능을 가지면서 전부 구리로 이루어진 히트 싱크보다 작은 중량을 갖는다.
유사하게, 흑연 핀(14)들을 갖는 알루미늄 베이스(12)가 사용될 때, 히트 싱크 장치(10)는 유사한 크기의 전부 알루미늄으로 이루어진 히트 싱크보다 큰 열 성능을 가지면서 전부 알루미늄으로 이루어진 히트 싱크 중량 이하의 중량을 갖는다.
바람직하게, 핀(14)들은 베이스(12) 내 16A-H와 같은 복수 개의 그루브들을 기계로 가공함으로써 베이스(12)에 부착되고, 각각의 핀(14)들은 각각의 그루브(16) 내에서 빈틈없이 수용되는 하부 에지들을 갖는다.
핀(14)들은 마찰 피트(friction fit), 열 수축 피트에 의해 또는 접착제 사용에 의해 그루브(16) 내에서 제자리에 유지될 수 있다.
히트 싱크 장치(10)에 의해 냉각되는 전자장치(18)는 도 2에 개략적으로 도시되었으며, 베이스(12)의 하부 표면에 맞물린다. 전자장치(18)는 열전달 그리스(thermal grease) 또는 접착제에 의해 또는 흑연 재료의 얇은 시트로 구성된 열 계면 층에 의해 베이스(12)에 열적으로 연결될 수 있다.
그리하여, 본 발명의 장치는 전술된 목적 및 이점, 그리고 내재된 목적 및 이점을 쉽게 달성한다. 본 발명의 특정한 바람직한 실시예들이 개시의 목적을 위해 예시되고 기재되었으나, 당업자에 의해 장치 및 구성에 다수의 변화가 이루어질 수 있고, 이러한 변화는 첨부된 청구범위에 의해 정해지는 본 발명의 범위 및 사상 내에 포함된다.

Claims (12)

  1. 히트 싱크(heat sink) 장치로서,
    200 W/m°K 이상의 열 전도도를 갖는 금속 베이스; 및
    상기 금속 베이스에 부착된 복수 개의 핀들(fins)
    을 포함하고, 상기 핀들은 고온 및 고압에서 경화되는(cured) 박리 흑연(exfoliated graphite)의 압축 입자들의 시트들의 수지(resin) 주입된 적층물(laminate)로 구성되는,
    히트 싱크 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀들은 상기 금속 베이스에 수직인, 히트 싱크 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 베이스는 구리로 구성되는, 히트 싱크 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 베이스는 알루미늄으로 구성되는, 히트 싱크 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 베이스는 내부에 형성된 복수 개의 평행한 그루브들을 갖고,
    상기 핀들은 평면형 핀들이며, 각각의 상기 핀들은 상기 그루브들 중 하나에 긴밀하게(closely) 수용되는, 히트 싱크 장치.
  6. 히트 싱크 장치로서,
    구리 베이스; 및
    상기 구리 베이스에 부착된 복수 개의 흑연 핀들
    을 포함하고, 각각의 상기 흑연 핀들은 고온 및 고압에서 경화되는 박리 흑연의 압축 입자들의 시트들의 수지 주입된 적층물을 포함하며, 상기 흑연 핀들은 평면형이고 상기 핀의 평면 내에서 상대적으로 높은 열 전도도를 가지며 각각의 핀의 두께를 가로질러 상대적으로 낮은 열 전도도를 가지는,
    히트 싱크 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 구리 베이스는 내부에 형성된 복수 개의 평행한 그루브들을 갖고,
    각각의 상기 흑연 핀들은 상기 그루브들 중 하나에 긴밀하게 수용되는, 히트 싱크 장치.
  8. 히트 싱크 장치로서,
    알루미늄 베이스; 및
    상기 알루미늄 베이스에 부착된 복수 개의 흑연 핀들
    을 포함하고, 상기 흑연 핀들은 고온 및 고압에서 경화되는 박리 흑연의 압축 입자들의 시트들의 수지 주입된 적층물로 형성되며, 상기 흑연 핀들은 상기 시트의 평면 내에서 알루미늄의 열 전도도 보다 더 높은 열 전도도를 나타내고 상기 시트 물질의 두께를 가로질러 상대적으로 낮은 열 전도도를 가지며, 상기 흑연 핀들은 알루미늄의 중량 보다 더 적은 특정 중량을 가지는,
    히트 싱크 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 알루미늄 베이스는 내부에 형성된 복수 개의 평행한 그루브들을 갖고,
    상기 흑연 핀들은 평면형 핀들이며, 각각의 상기 흑연 핀들은 상기 그루브들 중 하나에 긴밀하게 수용되는, 히트 싱크 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적층물은 150℃ 이상의 온도 및 제곱 인치당 1000 파운드 이상의 압력에서 경화되는, 히트 싱크 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
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