KR101323877B1 - 열전달 구조체 - Google Patents

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로저 스코트 켐퍼스
샨카르 크리쉬난
알랜 마이클 라이온즈
토드 리차드 살라몬
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알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드
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Abstract

본 발명에 따른 장치(100)는,
제 1 표면(125)을 갖는 제 1 기판(130)과,
제 1 표면(125)에 대향하는 제 2 표면(127)을 갖는 제 2 기판(132)과,
제 1 표면(125) 위에 배치되는 금속성 융기부(110)의 어레이(170)로서, 각각의 융기부(110)는 제 2 표면을 향해 제 1 표면과 접촉되어 있으며, 융기부의 일부분이 압축력(305)을 통해 변형되는, 상기 금속성 융기부의 어레이를 포함한다.

Description

열전달 구조체{A HEAT-TRANSFER STRUCTURE}
본 발명은 일반적으로 열 계면 물질을 포함하는 장치와, 이 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 열 계면 물질(TIM: Thermal Interface Materials)들은 단열 유기 기질에 산포된 열전도 물질의 복합 재료(예를 들어, 접착제나 그리스)인 경우가 자주 있다. 이러한 복합 재료의 열전도도는 적정 점도를 보장하는 데 필요한 비교적 저농도의 입자들과, 입자간 접촉부의 열저항에 의해 제한된다. 추가적으로, 열전도도가 떨어지는 공기 충전 공간이 유기 기질에 누적되어, 열 계면 물질의 전체 열전도도를 저하시킬 수 있다. 인듐과 같은 연성의 금속이나, 그래파이트같은 그외 다른 연성 물질들이 열 계면 물질로 가끔 사용되기도 한다. 이러한 물질들의 열전도도가 복합 재료보다 높지만, 이러한 물질들은 비평면형 표면이나 불규칙한 표면과 밀착하는 데 있어 제한된 기능을 갖는다. 이러한 연성 물질들 중 일부는 부식을 일으키기 쉽고, 낮은 융점을 가질 수 있다. 이러한 제한사항들 모두가 신뢰도, 응용성, 및 조립 옵션을 제한할 수 있다.
일 실시예는 제 1 표면을 갖는 제 1 기판과, 상기 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면을 갖는 제 2 기판과, 제 1 표면 위에 배치되는 금속성 융기부의 어레이를 포함하며, 각각의 융기부는 제 2 표면을 향해 제 1 표면과 접촉되어 있으며, 융기부의 일부는 압축력을 통해 변형되는 장치이다.
다른 실시예는 전면과, 전면의 반대편에 후면을 갖는 편평한 금속성 기판을 포함하는 장치다. 이 장치는 전면 및 후면 각각 위에 직접 배치된 금속성 융기부의 어레이를 더 포함한다.
또 다른 실시예는 방법이다. 이 방법은 전기 소자의 제 1 구성요소의 표면 위에 열전달 구조체를 제공하는 단계를 포함하며, 이때, 열전달 구조체는 변형 가능한 금속성 융기부들을 포함한다. 이 방법은 상기 표면을 향해 전기 소자의 제 2 구성요소를 가압하는 단계로서, 상기 가압에 의해, 제 1 구성요소와 제 2 구성요소 사이에 열전달 구조체가 배치되고, 변형 가능한 금속성 융기부의 적어도 일부분이 가압 이전의 융기부의 높이에 비해 적어도 약 1%만큼 높이가 줄어들도록 변형되는, 상기 가압 단계를 포함한다.
다른 실시예는 방법이다. 이 방법은 실질적으로 편평한 기판 표면 위에 압력 변형 가능한 금속성 융기부의 2차원 어레이를 형성하는 단계를 포함하는 열전달 구조체를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 어레이는, A) 융기부가 중공형인 특성과, B) 융기부가 전기 도금된 구조체인 특성과, C) 제 1 그룹의 융기부는 제 1 높이를 가지며, 제 2 그룹의 융기부는 제 1 높이와 상이한 제 2 높이를 갖는 특성 중에서 선택되는 하나의 특성을 갖는다.
본 발명의 실시예들은 첨부 도면을 참고하여 다음의 상세한 설명을 통해 쉽게 이해될 것이다. 대응하거나 유사한 도면 부호들은 대응하거나 유사한 구조체들을 나타낸다. 여러 특징부들이 축적대로 그려지지 않았으며, 설명의 명료성을 위해 임의적으로 그 크기가 증가하거나 감소하였다. 아래의 첨부 도면과 연계하여 다음의 상세한 설명을 참조할 수 있다.
도 1a 내지 도 1b는 압축 이전 본 발명의 일례의 장치들의 단면도,
도 2는 압축 이전 본 발명의 일례의 장치의 단면도,
도 3은 압축 이후 도 1a에 도시된 일례의 장치의 단면도,
도 4 내지 도 11은 본 발명의 장치의 일례의 융기부들의 사시도 또는 단면도,
도 12는 예를 들어 도 1a 내지 도 3에서와 같이, 본 발명의 장치를 이용하는 일례의 방법에서 선택되는 단계들의 순서도,
도 13은 예를 들어 도 1a 내지 도 12에서와 같이, 본 발명의 장치를 제작하는 일례의 방법에서 선택되는 단계들의 순서도,
도 14a 내지 도 14i는 예를 들어 도 13에서와 같이, 본 발명의 장치를 제작하는 일례의 실시예에서 선택되는 스테이지들에 대한 평면도,
도 15a 내지 15d는 예를 들어 도 13에서와 같이, 본 발명의 장치를 제작하는 일례의 실시예에서 선택되는 스테이지들에 대한 단면도.
도 1a와 1b는 일례의 장치(100)의 단면도를 도시하고 있다. 장치(100)는 변형 가능한 금속성 융기부(110)를 설계하여 구비한 열전달 구조체(105)를 포함한다. 변형 가능한 금속성 융기부(110)들은 예를 들어, 도 1a에 도시된 융기부(110)의 기-변형 형태와 같은 기-변형된 형태에 비해 적어도 하나의 차원(dimension)(115)으로 압축되도록 구성된다.
일반적으로, 압축 정도가 클수록 열전달이 개선된다. 그러나, 압축 정도가 크려면 압축력이 그만큼 커야 하고, 이에 따라 장치(100)의 구성요소를 의도하지 않게 손상시킬 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 차원(115)으로의 압축 정도는 열전달 개선의 장점과 장치 손상 사이에서 조심스럽게 균형을 이룬다. 일부 선호 실시예에서, 변형 가능한 금속성 융기부(110)들은 기-변형 형태에 비해 적어도 약 1% 만큼 적어도 하나의 선택된 차원(예를 들어, 높이)으로 압축되도록 구성된다. 다른 선호 실시예에서, 변형 가능한 금속성 융기부(110)들은 적어도 약 5%만큼, 일부 경우에는 적어도 약 25%만큼 적어도 하나의 선택된 차원(115)으로 압축되도록 구성된다.
일부 선호 실시예에서, 개별적인 융기부(110)들은 밀리미터-크기 또는 이보다 더 작은 크기의 구조체들이다. 즉, 각각의 변형 가능한 금속성 융기부(110)들이 약 1밀리미터 또는 그 미만의, 적어도 하나의 제 2 차원(120)(예를 들어, 폭, 높이, 또는 두께)을 갖는다. 밀리미터-크기의 융기부들은 일부 구성요소들의 불규칙한 표면이나 거친 표면과 밀착할 수 있고, 따라서, 구성요소들 사이의 열전달을 개선시킬 수 있다. 밀리미터-크기의 융기부들은 또한 더 큰 융기부들을 변형시킬 때에 비해 더 작은 크기의 압축력을 필요로 하며, 따라서, 융기부(110)들이 압축될 때 장치(100)의 구성요소들을 손상시킬 위험성이 감소하게 된다.
본 발명에서 "설계된"이라는 용어는 융기부(110)가, 본 발명에서 설명되는 원리 및 과정에 따라 의도적으로 생성되는 적어도 하나의 고체 형태를 갖는다는 것을 의미한다. 융기부(110)들은 기계적으로 변형되어 장치(100)의 기판 또는 구성요소(130, 132)의 불규칙한 계면(125, 127)과 밀착하도록 설계되며, 동시에, 열 전달 방향(140)으로 연속적인 열 경로를 유지한다. 예를 들어, 융기부(110)들은, 표면(125, 127)이 도 1a에서와 같이 동 평면형이거나 표면(125, 127) 중 적어도 하나가 곡선형이거나 아예 비평면형인 지에 관계없이, 두 표면(125, 127)과 물리적으로 접촉하도록 설계된다. 설계된 융기부(110)들은 일부 금속 구조체 상에서 자연적으로 발생할 수 있는, 또는, 석출, 절삭, 단금, 또는 그외 다른 제작 프로세스를 통해 금속 구조체를 형성한 결과로, 우발적으로 발생할 수 있는 표면 마감부와 뚜렷한 차이를 나타낸다.
설명을 명확히 하기 위해, 일부 설계 형태들이, 예시된 융기부에서 단일 요소로 제시되고 있다. 그러나, 융기부(110)의 일부 선호 실시예들은 단일 구조체에 복수의 설계 형태들을 조합할 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 전기 소자(145)를 더 포함한다. 예를 들어, 장치(100)가 원격 라디오 헤드, 기지국, 컴퓨터, 또는, 통신 시스템의 그외 다른 부분일 경우, 전기 소자(145)는 회로 보드일 수 있다. 전기 소자는 계면(125, 127)에서 서로 접촉하는 적어도 두개의 구성요소(130, 132)들을 구비할 수 있고, 열전달 구조체는 계면(125, 127) 사이에 위치한다. 구성요소(130, 132)들의 일부 실시예들은 히트 싱크(heat sink) 또는 히트 소스(heat source)(예를 들어, 집적 회로)를 포함한다.
본 발명의 융기부(110)들은 융기부를 압축시키기에 충분한 변형 압력에 의해 (예를 들어 적어도 약 1%만큼) 기계적으로 압축되도록 설계된다. 그러나, 변형 압력은, 변형 압력에 또한 노출될 수 있는 장치(100)의 구성요소(130, 132)들을 압축시키거나 변형시키거나 또는 손상시키지 못하도록 조심스럽게 조정된다. 예를 들어, 변형 압력이 과도할 경우, 열전달 구조체(105) 아래 또는 위에 위치한 구성요소(130, 132)들이 손상될 수 있다.
본 발명에서 "융기"라는 표현은 융기부(110)들을 형성하는 금속성 물질이 융기부(110)들이 위치한 표면(125)과 비평면 형태를 이룸을 의미한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 변형 가능한 금속성 융기부(110)들이 장치(100)의 일 구성요소(130)의 표면(125) 위에, 심지어는 표면(125)의 바로 위에, 위치할 수 있다.
도 2에 단면도로 제시된 것과 같은 다른 실시예에서, 융기부(110)들은 장치(100)의 별도의 구성요소가 아닌 열전달 구조체(105)의 일부분에 해당하는 기판(220)의 적어도 하나의 표면(210, 215) 위에, 또는 적어도 하나의 표면(210, 215) 바로 위에 위치할 수 있다. 이러한 실시예에서, 장치(100)는 융기부(110)와 기판(220)을 포함하는 열전달 구조체(105)로만 구성될 수도 있고, 또는, 도 1a에서와 같이 다른 구성요소들을 더 포함할 수도 있다. 일부 실시예에서, 융기부(110)들은 편평한 기판(220)의 제 1 측부(225)와 그 맞은편 제 2 측부(230)의 표면(210, 215)들 중 적어도 하나에 위치할 수 있다. 일부 경우에, 기판(220)은 융기부(110)와 동일한 물질, 또는 다른 물질로 만들어진 변형 가능한 금속성 기판이다. 예를 들어, 일례의 기판(220)은 약 10 내지 1000 마이크로미터 범위의 두께를 갖는 편평한 금속 포일일 수 있다. 그러나 다른 실시예에서는, 일 구성요소의 표면에 대한 밀착을 더욱 개선시키기 위해, 기판(220)이 곡면을 이루거나 다른 비평면 형태를 가질 수 있다.
일부 경우에, 제 2 차원(120)이 제 1 차원(115)과 동일할 수 있다. 예를 들어, 제 1 차원(115)과 제 2 차원(120) 모두가 약 1 밀리미터 또는 그 미만인 융기부의 높이(150)에 대응할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 다른 경우에, 제 2 차원(120)이 융기부(110)의 폭(152)에 대응할 수 있다. 일부 경우에, 융기부(110)의 폭(152)이 균일하지 않을 경우(예를 들어, 융기부의 폭이 가늘어질 경우), 폭의 적어도 일부분[예를 들어, 융기부(110)의 상단(156)에서의 폭(154)]이 약 1 밀리미터 또는 그 미만의 크기를 갖는다. 또다른 경우에, 제 2 차원(120)이 융기부(110)의 두께에 대응할 수 있다. 예를 들어, 도 9와 관련하여 아래 설명되는 바와 같이, 융기부(110)가 중공형인 경우, 제 2 차원(120)이 융기부(110)의 외벽 두께에 대응할 수 있다.
도 3은 변형 가능한 금속성 융기부(110)가 적어도 하나의 차원(115)으로 압축된 후 도 1a에서 제시된 일례의 장치(100)의 단면도다. 예를 들어, 제 2 구성요소(132)의 표면을 융기부(110)의 상단(156)(도 1a 참조)과 접촉시킴으로써, 그리고, 융기부(110)가 위치한 제 1 구성요소(130)를 향해 장치(110)의 제 2 구성요소(132)를 가압함으로써, 융기부(110)에 변형 압력(305)이 인가될 수 있다.
융기부(110)의 형태를 구부리거나 뒤틀어버림으로써, 또는, 융기부(110)의 형태를 다른 모드로 변형시킴으로써, 적어도 하나의 차원(115)으로의 압축이 이루어질 수 있다. 아래 추가적으로 설명되는 바와 같이, 융기부(110)들은 최소한의 변형 압력(305) 인가만으로 융기부(110)의 효율적 압축을 촉진시키는 형태 및 크기를 갖도록 특별하게 설계될 수 있다. 특히, 융기부(110)의 형태 및 크기와, 융기부(110)들 사이의 간격과, 융기부(110) 형성에 사용되는 재료의 종류를 선택하는 것은, 열전달 촉진을 위해 주어진 인가 압력(305)에 대해 융기부(110)가 압축되는 크기와 방식을 제어하는 데 있어 완전히 새롭게 발견된 결과-지향적인 변수들이다.
일부 선호 실시예에서, 압축되는 차원(115)은 열 전달 방향(140)에 평행하다. 이는 융기부(110)들의 압축을 촉진시켜서, 제 1 구성요소(130)의 제 1 표면(125)을 열전달 방향(140)을 따라 제 2 구성요소(132)의 제 2 표면(127)에 열적으로 그리고 물리적으로 직접 연결하는 금속의 연속 상(continuous phase)을 형성할 수 있다. 압축 융기부(110)의 금속을 열전달 방향(140)으로 지배적인 연속 상으로 형성함으로써, 구성요소(130, 132)들 간에 열 전달이 촉진된다. 이는, 상대적으로 열전도율이 떨어지는 유기 기질이 열전달 방향으로 지배적인 연속 상이 되는 종래의 열 계면 물질(TIM)과 뚜렷한 차이를 나타낸다.
도 1a에 도시되는 바와 같이, 압축 이전에, 융기부(110)들은 서로 직접 접촉하지 않는 개별적인 구조체들일 수 있다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 일 차원(115)으로의 압축은 압축되는 차원(115)과 인가된 변형 압력(305)에 실질적으로 수직인 융기부(110)의 또다른 차원(310)을 동시에 증가시킬 수 있다. 도 3에 도시된 것과 같은 일부 실시예의 경우 압축 후, 융기부(110)들이 측방으로 인접하여 위치한 융기부(110)들과 물리적으로 접촉하도록 다른 차원(310)으로 충분하게 확대되거나 증가될 수 있다. 인접하여 위치한 융기부(110)들 사이의 측방 접촉이 열 전달을 또한 촉진시킬 수 있다. 예를 들어, 융기부(110)들 중 인접하여 위치한 융기부들 사이의 측방 접촉으로 인해, 구성요소(130, 132) 내의 국부적인 고열 발생 영역(예를 들어, 열점)으로부터 열을 소산시킬 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시되는 바와 같이, 구성요소(130, 132)들의 표면(125, 127)들이 불규칙적일 수 있다. 구성요소 표면(125, 127)의 불규칙성은 보이드(voids), 피트(pits), 기계가공 표시(machining marks), 또는, 더욱 광범위한 불규칙성(예를 들어, 오목하거나 볼록한 영역이나 표면, 또는 그외 다른 비평면형 영역이나 표면)과 같은 국부적인 불규칙성들을 포함할 수 있다. 일부 선호 실시예에서, 융기부(110)의 압축 부분들은 장치(100)의 일 구성요소(132)의 불규칙한 비평면형 표면에 밀착되는 윤곽을 갖는다. 예를 들어, 융기부(110)들은 압축 이후 구성요소(130, 132)의 표면(125, 127)들을 물리적으로 그리고 열적으로 연결하는 금속의 연속 상을 제공하기에 충분한 높이를 갖도록 설계될 수 있다. 서로 다른 크기로 압축될 수 있기 때문에, 융기부(110)들의 어레이(170)는 불규칙한 표면(125, 127)들에 대한 밀착형 연결을 촉진시킨다. 이는, 일부 구성요소들의 불규칙한 비평면형 표면과 밀착하는 기능이 떨어지는 종래의 연성 금속이나 그외 다른 물질(예를 들어, 인듐이나 그래파이트)과 뚜렷한 차이를 나타낸다.
구성요소(130, 132)의 계면(125, 127) 모두가 불규칙하거나 그 중 일 표면(132)이 상당히 불규칙한 것과 같은 일부 경우에, 도 2에 도시된 바와 같은 열전달 구조체(105)를 이용하는 것이 특히 장점이 될 수 있다. 양측-융기형 융기부(110)[예를 들어, 기판(220)의 양 측부(225, 230) 모두에서 융기한 융기부(110)]들을 갖는 열전달 구조체(105)는 단측-융기형 융기부(110)[예를 들어, 기판(220)의 측부(225, 230)들 중 일 측부에서만 융기한, 또는 일 구성요소(130)에서만 융기한 융기부(110)들)]들에 비해 불규칙한 표면(125, 127)들 모두에 대해 더욱 정밀하게 밀착되는 기능을 가질 수 있다. 그러나 다른 실시예에서는, 도 1a에 도시된 것과 같이 불규칙한 표면(130) 바로 위에 형성된 융기부(110)들이 표면(130)에 요망 수준의 밀착도를 제공할 수 있다.
또 다른 경우에, 융기부(110)들이 구성요소(130, 132)의 계면(125, 127) 모두 위에 형성될 수 있다. 예를 들어, 일 표면(127)이 히트 싱크(132)의 표면일 수 있고, 다른 일 표면(125)이 패키징된 집적 회로의 리드일 수 있다. 도 1b에 도시되는 것과 같은 이러한 일부 실시예에서, 각 계면(125, 127) 상의 융기부(110)들이 서로 엇갈리게 형성되어, 변형 압력 인가시 일 표면(125)의 융기부(110)[예를 들어, 융기부(110)의 어레이(170)]들이 다른 하나의 표면(127)의 융기부(110)[예를 들어, 융기부(110)의 어레이(171)]들과 서로 맞물릴 수 있다. 융기부(110)는 두 표면(125, 127) 중 적어도 한 표면에서 동일한 구조체를 갖거나 서로 다른 구조체를 가질 수도 있는데, 예를 들어, 융기부(110)의 높이나 형태가 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다.
도 1a 및 도 3에 추가적으로 도시되는 바와 같이, 일부 실시예에서, 접착제나 써멀 그리스(thermal grease)(160)가 변형 가능한 금속성 융기부(110)들 중 인접하여 위치한 융기부들 사이에 위치할 수 있다. 일부 경우에, 접착제(160)는 구성요소(130, 132)(예컨대, 열적으로 연결된 구성요소)를 함께 고정시키는 것을 도울 수 있다. 일부 경우에, 요변성 그리스(thixotropic grease)와 같은 써멀 그리스(160)가 계면(125, 127)들[예를 들어, 서로 마주보는 표면(125, 127)] 사이의 공기 주머니들을 감소시키거나 제거함으로써 열 전달 성능을 개선시킬 수 있다. 일부 선호 실시예에서, 융기부(110) 압축시 접착제나 써멀 그리스(160)가 융기부(110)들 사이에서 자유롭게 이동할 수 있도록 융기부(110)들이 설계되거나 융기부(110)들이 이격된다. 예를 들어, 압축되는 차원(115)에 수직인 방향(315)으로 접착제나 써멀 그리스(160)의 연속 상이 존재할 수 있다. 다른 경우에, 융기부(110)들 사이에 접착제나 써멀 그리스(160)의 개별적 영역들이 존재할 수 있다.
융기부(110) 및 부가적인 기판(220)을 형성하는 금속은 열전달 구조체(105)의 적용에 적합한 기준에 부합하도록 조심스럽게 선택될 수 있다. 가끔은, 구성요소(130, 132)들의 계면(125, 127)에서 열저항을 최소화시키기 위해, 금속의 열전도도를 최대화시키고 이 금속의 탄성율을 최소화시키는 것이 바람직하다. 다른 관련 고려사항으로는, 부식, 산화, 크리프(creep)에 대한 금속의 내성과, 금속의 비용, 등이 있다. 추가적으로, 금속의 융점이 장치(100)의 작동 온도보다 훨씬 높아서, 열전달 구조체(105)가 녹거나 크리프를 일으키지 않음을 보장할 수 있어야 한다. 산화 및 부식에 대해 내성을 가지면서 탄성율(예를 들어, 체적 탄성율)이 낮고 열전도도가 높은 금속의 예로는 은, 구리, 알루미늄, 주석, 납, 니켈, 인듐, 또는 이들의 합금이 있다.
일부 선호 실시예에서, 융기부(110)들은 테이퍼 형상(tapered shape)을 취할 수 있다. 예를 들어, 도 1a에 도시되는 바와 같이, 일부 실시예에서 융기부들이 원추형일 수 있다. 테이퍼 형상의 융기부들은 비슷한 크기의 테이퍼 형상이 아닌 융기부들에 비해 압축시 필요한 변형 압력이 작다는 장점이 있다. 테이퍼 형상의 융기부를 압축시키는 데 필요한 압력이 감소하는 것은, 테이퍼 형상이 아닌 경우에 비해 압축에 필요한 물질의 양이 더 적기 때문이다(예컨대, 동일한 최대 폭을 갖는 테이퍼 형상이 아닌 융기부들에 비해 소성 변형 중 이동하는 물질의 양이 작기 때문이다). 1㎜의 하부 직경(152)과 2㎜의 높이(150)를 갖는 원추형 융기부(110)를 일례로서 고려해보자. 원추형 융기부(110)의 일부 실시예들은 높이(150)를 50% 감소시키기 위해 약 0.7㎫의 변형 압력(305)을 필요로 할 수 있다. 그에 비해, 동일한 높이(150) 및 동일한 직경(152)을 갖는, 원기둥 형태의 기둥(post)과 같은, 테이퍼 형상이 아닌 융기부(110)는 [예를 들어, 높이(150)를 50% 감소시키기 위해] 약 6배 또는 그보다 큰 변형 압력을 필요로 할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 가늘어지지 않는 형태(예를 들어, 기둥)를 갖는 융기부(110)가 선호되는 경우가 여전히 존재할 수 있는데, 이는 원추를 통한 열저항이 원기둥의 경우보다 높을 수 있기 때문이다.
추가적인 설계 형태들을 설명하기 위해, 도 4 내지 도 11은 변형 가능한 금속성 융기부(110)의 일부 실시예들의 사시도 또는 단면도를 제시한다. 설명을 명확하게 하기 위해, 도 1 내지 도 3에 사용된 것과 동일한 도면 부호들이 도 4 내지 도 11에 도시된 구조체들의 유사한 형태를 나타내는 데 사용된다.
도 4는 장치(100)의 일례의 실시예의 사시도로서, 열전달 구조체가 융기부(110)들의 2차원 어레이(170)를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에서와 마찬가지로, 변형 가능한 금속성 융기부(110)들이 변형 가능한 편평한 금속성 기판(220)의 일 측부(225)(예를 들어, 제 1 측부)와, 그 반대편의 일 측부(230)(예를 들어, 제 2 측부) 상에 위치한다. 일 구성요소의 불규칙한 표면에 대한 밀착형 윤곽을 촉진시키기 위해, 반대편 측부(230)의 융기부(110)들의 위치가 일 측부(225) 상의 융기부(110)의 위치에 대해 엇갈리게 배치된다. 두 측부(225, 230) 상의 융기부(110)들의 위치를 서로 엇갈리게 함으로써, 융기부(110)의 2차원 어레이(170)가 양 측부(225, 230) 상에 형성된다. 융기부(110)를 이와 같이 엇갈리게 배치함으로써, 최소 인가 압력(305)(도 3)만으로 휨 모드를 통한 압축을 증진시킬 수 있고, 따라서, 요망하는 압축을 실현할 수 있다.
도 4에 추가적으로 도시되는 바와 같이, 열전달 구조체(105)들의 일부 실시예들은 기판(220) 내에 개구부(410)들을 포함할 수 있고, 이 개구부(410)들은 기판(220) 위 융기부(110)들의 위치들 사이에 배치될 수 있다. 개구부(410)들은 기판(220)의 일 측부(225)로부터 다른 측부(230)로 연장될 수 있다. 개구부(410)를 통해 구성요소(130, 132)들의 윗면(125)과 아랫면(127) 사이에서 접착제나 그리스(160)(도 1a 또는 도 3 참조)가 유동할 수 있어서, 횡방향(315) 뿐 아니라 열전달 방향(140)으로도 접착제 또는 그리스의 유동을 개선시킬 수 있다.
도 5는 융기부(110)들의 2차원 어레이(170)로 구성된 열전달 구조체(105)를 구비한 장치(100)의 다른 일례의 실시예의 사시도다. 기판(220)은 기판(220)의 일 측부에 위치한 융기부(110)들 사이에 산포된 개구부(510)들의 어레이(505)를 더 포함한다. 기판(220) 내 개구부(510)들의 어레이(505)는 융기부(110) 압축시 접착제나 써멀 그리스(160)(도 1a 및 도 3 참조)의 균일한 산포를 촉진시킬 수 있다. 예를 들어, 개구부(510)들의 어레이(505)에 의해, 접착제(160)가 구성요소(130, 132)들의 계면(125, 127)(도 3 참조)들을 따라 용이하게 유동할 수 있고 더욱 효과적으로 보이드를 충전할 수 있다.
도 5에 추가적으로 도시되는 바와 같이, 융기부(110)의 일부 실시예들은 균일하게 분포된 2차원 어레이(170)로 구성될 수 있다. 그러나 다른 경우에는, 융기부(110)들의 어레이(170)가 임의적으로 무질서하게 분포될 수 있다. 도 5에 도시되는 융기부(110)들은 실질적으로 피라미드 형태를 갖는다. 그러나, 기둥, 원추, 또는 루프와 같은 다른 다양한 형태들도 2차원 어레이(170)로 마찬가지로 배열될 수 있다.
융기부(110)들의 형태는 제작의 용이성과, 압축시 효율적 열전달 제공 간의 균형을 기반으로 하여 선택될 수 있다.
예를 들어, 도 6의 사시도에 제시되는 바와 같이, 융기부(110)들은 예를 들어, 와이어 본딩 머신을 이용하는 스터드 범프(stud bumps)와 같이 형성되는 기둥들의 어레이(170)일 수 있다. 이러한 융기부(110)들은 기존 제작 프로세스들을 이용하여 형성되기 때문에 용이하고 저렴한 장점을 갖는다. 열전도도가 뛰어난 금속인 알루미늄과 금이 와이어 본딩 장비에 통상적으로 사용되지만, 구리나 그외 다른 금속이 사용될 수도 있다. 더욱이, 이러한 융기부(110)들은 표면 위에 다양하고 폭넓게 형성될 수 있는데, 필요에 따라, 구성요소(130)의 표면(125) 바로 위에 형성될 수도 있다.
다른 예로서, 도 7에 단면도로 도시되는 바와 같이, 융기부(11)들은 전기 도금 기둥의 어레이(170)일 수 있다. 이러한 융기부(110)들은 저렴하게 형성될 수 있고, 제작 규모가 확대되어 대량의 열전달 구조체(105)를 제조할 수 있다. 더욱이, 이러한 융기부(110)들은 다양하고 폭넓게 표면 위에 형성될 수 있는데, 필요에 따라, 구성요소(130)의 표면(125) 바로 위에 형성될 수 있다. 더욱이, 전기 도금 기둥으로 구성되는 융기부(110)들은 높은 종횡비(aspect ratio)(예를 들어, 높이(150):직경(152) 비가 5:1 이상, 또는, 5:1 내지 10:1 범위)를 갖도록 제작될 수 있다. 은 및 구리와 같은 금속들이 기존의 제작 프로세스들을 이용하여 전기 도금될 수 있다. 추가적으로, 여러가지 금속들로 구성된 복수의 층들을 포함하는 전기 도금된 기둥들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시되는 융기부(110)들이 구리층(710)과 얇은 주석층(720)을 포함하는 기둥으로 구성될 수 있다. 다층 기둥(예를 들어, 다층형 전기 도금 금속들로 구성된 기둥들)으로 구성되는 융기부들은, 예컨대 구리의 높은 열전도도와 주석의 연성과 같은 상이한 금속들의 재료 성질을 이용할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 7에 도시되는 바와 같이, 각각의 융기부(110)가 실질적으로 동일한 높이(150)(예를 들어, 10% 범위 내에서 동일한 높이)를 가질 수 있다. 그러나 다른 실시예에서는 서로 다른 높이를 갖는 융기부들의 그룹이 적어도 두개 존재할 수 있다. 이러한 실시예가 도 8의 사시도로 제시되고 있으며, 이때, 제 1 그룹(810) 내의 융기부(110)들은 동일한 높이(815)를 가지지만, 제 2 그룹(820) 내의 융기부(110)들은 제 1 높이(815)보다 적어도 약 10% 큰 제 2 높이(825)를 갖는다.
서로 다른 높이(815, 825)를 갖는 그룹(810, 820)들을 구비한 융기부(110)들의 어레이(170)는 불규칙한 구성요소 표면에 요망 수준의 밀착도를 실현하는 데 필요한 총 인가 압력을 최소화시키는 데 도움이 될 수 있다. 압축 중, 융기부(110) 중 가장 높이가 높은 그룹(830)이 먼저 압축될 것이다. 이러한 그룹(830)에 융기부(110)들의 수가 상대적으로 적은 경우에, 압축에 필요한 인가 변형 압력이 매우 작을 것이다. 따라서, 주어인 크기의 인가 압력에 대해, 균일한 높이의 융기부(110)들의 어레이(170)에 비해 실현가능한 압축이 훨씬 클 것이다. 소정 수준의 압력이 실현되면, 융기부(110)들 중 높이가 다음으로 높은 그룹(820)이 압축되기 시작한다. 이는 일 구성요소의 불규칙한 표면에 대한 밀착도를 점진적으로 개선시키는 데 필요한 압력을 증가시키지만, 표면과 접촉하는 열점들의 총 숫자를 바람직하게 증가시킬 것이다. 이러한 기법은 일 구성요소 내 열점들로부터 열을 소산시켜야할 때, 또는, 구성요소 표면이 높은 수준의 불규칙성을 나타낼 때, 특히 유용하게 사용될 것이다.
일부 실시예에서, 도 9a-9c의 사시도에 도시된 바와 같이, 융기부(110) 중 적어도 하나가 중공형일 수 있다. 중공형 원추들이 도 9a 내지 도 9c에 도시되고 있으나, 여기서 논의되는 다른 형태의 융기부(110)들 중 어느 것도 중공형 구조체로 구성될 수 있다. 융기부(110)가 중공형인 일부 예에서, 제 2 차원(120)(도 1a)이 융기부(110)의 외벽(915)의 두께(910)(도 9a)에 대응할 수 있다.
중공형 융기부(110)들을 이용하는 경우의 한가지 장점은, 동일 크기를 가진, 중실형 융기부들에 비해 압축시 필요한 압력(305)이 훨씬 더 작다는 것이다. 중공형 융기부(110)들의 벽체(915)의 두께(910)가 융기부의 모든 두께(152)에 비해 얇게 만들어질 수 있기 때문에, 압축을 위해 필요한 압력이 작은 것이다. 추가적으로, 중공형 융기부(110)들이 더 작은 측방 면적 내로 밀집될 수 있는데, 이는 변형 압력 인가시 벽체(915)들이 중공형 융기부(110)의 외부를 향해 이동할 수도 있고, 내부를 향해 이동할 수도 있기 때문이다. 그러나, 일부 경우에, 중실형 융기부(110)들이 중공형 융기부(110)들에 비해 더 많은 금속을 함유할 수 있고 따라서 좀더 효율적인 열전달 경로를 제공할 수 있기 때문에, 중실형 융기부(110)들이 선호될 수 있다.
일부 실시예에서, 융기부(110)들이 내측으로 압축되도록 구성되는 적어도 하나의 차원(115)을 따라 융기부(110)들 중 적어도 하나가 곡면(925)(도 9b, 도 9c, 도 9e)을 갖는다. 이러한 곡면형 융기부(110)들의 한가지 장점은, 이러한 구조체가 이와 실질적으로 대등한 비-곡면 융기부(110)에 비해 압축시 필요한 압력이 훨씬 작다는 것이다. 예를 들어, 곡면형 융기부(110)에 압력이 인가될 때, 곡면형 융기부가 이와 대등한 비-곡면 융기부에 비해 훨씬 쉽게 구부러진다.
상술한 실시예들 중 일부를 추가적으로 설명하기 위해, 도 9a에 도시되는 바와 같이, 중공형 구리 원추로 구성되는 융기부(110)들의 일례의 어레이(170)를 고려해보자. 각각의 원추는 약 1㎜의 하부 직경(152)과, 약 2㎜의 높이(150)와, 약 50 마이크로미터의 벽체(915) 두께(910)를 갖는다. 높이(150)를 75% 만큼 압축시키는 데 필요한 변형 압력은, 동일 크기이면서 중실형 구리 원추의 유사 어레이(170)를 압축시키는 데 필요한 압력의 약 17%에 불과하다. 도 9b에 도시되는 바와 같이, 중공형의 볼록한 구리 원추로 구성되는 융기부(110)들의 유사 어레이(170)를 마찬가지로 압축시키는데 필요한 압력(305)은, 앞서의 중실형 원추의 경우에 필요한 압력의 약 15%에 불과하다. 도 9c에 도시되는 바와 같이, 중공형 오목한 구리 원추로 구성되는 융기부(110)의 유사 어레이(170)를 마찬가지로 압축시키는데 필요한 압력(305)은, 앞서의 중싱형 원추의 경우에 필요한 압력의 약 7%에 불과하다. 중공형의 오목한 원추로 융기부(110)를 구성할 때의 추가적인 장점은, 변형 압력 인가시 이 형태로 인해, 과량의 접착제나 써멀 그리스(160)(도 1a, 도 3)가 구성요소들 사이의 가장 가까운 접촉 영역으로부터, 추가적인 접착제나 그리스(160)로부터 이득을 취할 수 있는 영역으로 유동하는 과정이 촉진될 수 있다는 것이다.
일부 경우에, 도 9b 및 도 9c에 도시되는 바와 같이, 곡면형 융기부(110)들은 대칭형 곡면을 갖는다. 다른 경우에, 곡면형 융기부(110)들이 비대칭 곡면을 갖는다. 비대칭 곡면의 경우, 융기부(110)의 압축 실현에 필요한 변형 압력이 추가적으로 감소할 수 있다. 예를 들어, 곡면형 융기부(110)는 도 9d에서와 같이 직각형 원추일 수도 있고, 도 9e에서와 같이 비대칭의 오목한 원추일 수도 있다. 추가적인 예로서, 도 5는 비대칭 곡면을 갖는 피드미드-형 융기부(110)들을 도시하고 있다.
도 10a 및 도 10b는 특이점(singularity)을 갖는 일례의 융기부(110)들의 사시도 및 단면도를 도시한다. 본 발명에서 사용되는 "특이점"이라는 용어는, 적어도 하나의 차원(115)을 따라 압축될 융기부(110)들의 매끄러움이나 표면 형태에서 나타나는 임의의 날카로운 불연속성을 의미한다. 일부 실시예에서, 융기부(110)들 중 적어도 하나는 적어도 하나의 차원(115)을 따라 특이점(1010)을 갖는다. 특징점(1010)의 존재로 인해, 융기부(110)들이 압축 실현에 필요한 변형 압력(305)이 감소될 수 있다. 예를 들어, 변형 압력(305) 인가시 융기부(110)의 제 1 휨(first bend)이 특이점(110) 근처에서 발생할 수 있다. 도 10a에 도시된 일례의 융기부(110)에서, 특이점(1010)이 칼데라(caldera)로 구성된다. 도 10b에 도시된 일례의 융기부(110)에서, 특이점(1010)은 융기부(110)들의 원추(1020) 및 역상 원추(1030)가 연결되는 지점에 위치한다. 또다른 실시예에서, 특이점은 융기부의 매끄러운 표면에서 생성되는, 날카로운 내향(가령, 크림프) 또는 외향(가령, 범프)의 톱니부나 범프일 수 있다.
장치(100)의 또다른 실시예에서, 융기부(110)들이 핀(fin) 형태로 구성될 수 있고, 핀의 1차원 어레이(170)로 배열될 수 있다. 이러한 실시예는 도 11의 사시도에서, 각각의 융기부(110)가 핀 형태인 것으로 도시되고 있다. 2차원 어레이(170)에 대해 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 핀의 두께, 핀 사이의 간격, 그리고 핀의 곡률은 열전달 구조체(105)의 특성을 변화시키도록 모두 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시되는 바와 같이, 압축을 위해 인가되어야할 압력을 최소화시키기 위해, 핀이 곡면형을 취할 수 있다. 곡면형 핀의 경우 뒤틀림 압축 모드에 비해 휨 압축 모드가 유도되기 때문에 직선형 핀에 비해 압축에 필요한 압력이 작다. 핀 형태로 구성되는 융기부(110)들은 압력 인가시 인접하여 위치한 핀 위로 쓰러지도록 배열될 수 있고, 따라서, 도 3과 관련하여 설명한 바와 유사한 열전달을 위한 추가 경로를 생성할 수 있다. 일부 경우에, 특이점에 해당하는 횡방향 절단부(cross-cuts)들이 핀의 길이에 수직으로 구성될 수 있어서, 일 구성요소의 불규칙한 표면에 대한 국부적인 밀착을 촉진시킬 수 있다.
도 1a 및 도 3과 관련하여, 장치(100)의 다른 실시예는 제 1 표면(125)을 갖는 제 1 기판(130)과, 상기 제 1 표면(125) 맞은 편의 제 2 표면(127)을 갖는 제 2 기판(132)을 포함한다. 장치(100)는 제 1 표면(125) 위에 위치한 금속성 융기부(110)들의 어레이(170)를 더 포함하며, 각각의 융기부(110)는 제 2 표면(127)을 향해서 제 1 표면(125)과 접촉되어 있으며, 융기부(110) 중 일부분(156)은 압축력(305)을 이용하여 변형된다.
일부 실시예에서, 각각의 표면(125, 127)(도 1b)에 두개의 어레이(170, 171)가 존재할 수 있다. 일부 실시예에서, 변형 가능한 금속성 융기부(110)는 제 1 표면(125)과 제 2 표면(127)의 영역(172)(도 1a)들 중 일부분들 사이에 물리적인 연결을 제공하며, 이때, 제 1 표면(125)의 영역(172)은 비평면형이다. 일부 실시예에서, 각각의 금속성 융기부(110)는 제 1 표면(125)과 제 2 표면(127)을 직접 연결하는 금속의 연속 상을 형성한다. 일부 실시예에서, 어레이(170)는 원추, 또는, 기둥들로 구성된 2차원 어레이[예컨대, 기둥이나 원추 형태로 구성된 융기부(110)]이다. 일부 실시예에서, 금속성 융기부(110)는 핀 형태이다(예를 들어, 도 11). 일부 실시예에서, 각각의 금속성 융기부(110)는 두개의 금속층(710, 720)(예를 들어, 도 7)을 포함하며, 각각의 금속층(710, 720)은 서로 다른 금속을 포함한다. 일부 실시예에서, 각각의 금속성 융기부(110)는 실질적으로 동일한 높이(115)를 갖는다. 일부 실시예에서, 변형 가능한 금속성 융기부(110)는 중공형이다(예를 들어, 도 9a 내지 도 9c). 일부 실시예에서, 서로 다른 두개의 높이(815, 825)를 갖는 변형 가능한 금속성 융기부(110)들로 구성되는 적어도 두개의 그룹(810, 820)이 존재한다(예를 들어, 도 8). 일부 실시예에서, 금속성 융기부(110)들 중 적어도 하나가 곡면(925)(도 9)이나 특이점(1010)(도 10)을 갖는다. 일부 실시예에서, 각각의 기판(130, 132)이 집적 회로이다.
도 2를 다시 참조할 때, 장치(100)의 다른 실시예는 전면(225)과 전면(225) 반대편의 후면(230)을 갖는 금속성 평면형 기판(220)을 포함한다. 장치(100)는 각각의 표면(225, 230) 바로 위에 위치한 금속성 융기부(110)들의 적어도 하나의 어레이(170)(일부 경우에 두개의 어레이)를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 장치(100)(도 2)는 제 1 표면(125)을 갖는 제 1 기판(130)(예를 들어, 제 1 집적 회로)과, 제 2 표면(127)을 갖는 제 2 기판(132)(예를 들어, 제 2 집적 회로)을 포함하며, 제 1 표면(125) 및 제 2 표면(127) 각각은 어레이(170, 250)들 중 일 어레이의 융기부(110)와 물리적으로 직접 접촉한다.
본 발명의 다른 실시예는 장치를 이용하는 방법이다. 도 12는 도 1a 내지 도 3의 장치(100)와 같은, 장치를 이용하는 일례의 방법(1200)에서 선택된 단계의 순서도를 제시한다. 도 1a 내지 도 3을 계속 참고할 때, 방법(1200)은 전기 소자(145)의 제 1 구성요소(130)의 표면(125) 위에 열전달 구조체(105)를 제공하는 단계(1210)를 포함한다. 열전달 구조체(105)는 변형 가능한 금속성 융기부(110)들을 포함한다.
융기부(110)들의 실시예들 중 임의의 실시예가 단계(1210)에 제공될 수 있다. 융기부(110)들은 기-변형 형태(도 1a, 1b, 또는 도 2에 제시된 것과 같은 형태)에 비해 적어도 하나의 차원으로 압축되도록 구성된다. 일부 선호 실시예에서, 각각의 융기부(110)는 약 1㎜ 또는 그 미만의 제 2 차원(120)을 적어도 하나 포함한다.
일부 경우에, 단계(1210)에서의 융기부(110) 제공은 구성요소(130, 132)들의 계면(125, 127)들 중 적어도 하나에 융기부들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 경우에, 단계(1210)에서의 융기부(110) 제공은 계면(125, 127)들 중 하나에 도 2에 도시되는 바와 같이 기형성된 열전달 구조체를 배치하는 단계를 포함할 수 있다.
방법(1200)은 전기 소자(145)의 제 2 구성요소(132)를 제 1 구성요소(130)를 향해 가압하는 단계(1220)를 더 포함하여, 열전달 구조체(105)가 제 1 구성요소(130)와 제 2 구성요소(132) 사이에 위치하게 되고, 제 1 구성요소(130)와 제 2 구성요소(132)가 서로 접촉하기 전에 비해, 융기부(110)들이 적어도 약 1% 만큼 적어도 하나의 차원으로 압축되게 된다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 가압 단계(1220)는 적어도 약 0.7㎫의 변형 압력을 인가하는 단계를 포함한다.
도 1b에 도시되는 것과 같은 경우에, 제 2 구성요소(132)가 표면(127) 위에 위치한 제 2 열전달 구조체(105)를 또한 구비할 경우, 단계(1220)는 두 표면(125, 127) 모두에 위치한 융기부(110)들을 압축할 수 있다. 열전달 구조체(105)가 기판(220)의 측부(225, 230)들 중 적어도 하나 위에 융기부(110)들을 포함하는 도 2에 도시된 것과 같은 경우에, 단계(1220)는 양 측부(225, 230) 위에 위치한 융기부(110)들을 압축할 수 있다.
본 방법의 일부 실시예들은 두 구성요소(130, 132) 사이에 놓인 열전달 구조체를 이용하여 두 구성요소(130, 132)를 조이는 단계(1230)를 더 포함한다. 일부 경우에, 조이는 단계(1230)는 기계적 클램프들을 이용하여 구성요소(130, 132)들을 함께 고정함으로써 실현될 수 있다. 다른 경우에, 조이는 단계(1230)는 단계(1220) 이전에 융기부(110)들 간에 접착제(160)를 배치함으로써 실현될 수 있다.
도 1a 및 도 12를 계속 참고할 때, 본 방법(1200)의 다른 실시예는 전기 소자(145)의 제 1 구성요소(130)의 표면(125) 위에 열전달 구조체(105)를 제공하는 단계(1210)를 포함하며, 이때, 열전달 구조체(105)는 변형 가능한 금속성 융기부(110)들을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 방법(1200)은 표면(125)을 향해 전기 소자(145)의 제 2 구성요소(132)를 가압하는 단계(1220)를 또한 포함하고, 따라서, 열전달 구조체(105)가 제 1 구성요소(130) 및 제 2 구성요소(132) 사이에 위치하게 되고, 변형 가능한 금속성 융기부(110)의 적어도 일부분(154)(도 1a)이 가압 단계 이전의 융기부(110)의 높이(115)(도 1a)에 비해 적어도 1%만큼 높이(115)(도 3)가 감소하도록 변형된다.
또다른 실시예는 장치를 제작하는 방법이다. 도 13은 도 1a 내지 도 11에서 도시된 것과 같은, 장치 및 장치의 구성부들을 제작하는 일례의 방법(1300)에서 선택된 단계들의 순서도를 제시한다.
도 1a 내지 도 11을 계속 참고할 때, 방법(1300)은 변형 가능한 금속성 융기부(110)들을 형성하는 단계(1310)를 포함하는 열전달 구조체(105)를 형성하는 단계(1305)를 포함한다.
일부 경우에, 융기부(110)들을 형성하는 단계(1310)는 장치(100)의 구성요소(130, 132)들의 적어도 하나의 표면(125, 127) 위에 융기부(110)들을 형성하는 단계(1315)를 포함한다. 일부 경우에, 융기부(110)를 형성하는 단계(1310)는 열전달 구조체(105)의 일부분인 기판(220)의 적어도 하나의 표면(210, 215) 위에 융기부(110)들을 형성하는 단계(1320)를 포함한다.
본 발명에서 설명되는 장치의 실시예들 중 어느 것도 이러한 방법에 의해 제작될 수 있다. 상술한 바와 같이, 일부 선호 실시예에서, 융기부(110)들은 적어도 1% 만큼 적어도 하나의 차원(115)으로 압축되도록 구성되며, 약 1㎜ 또는 그 미만의 제 2 차원(120)을 적어도 갖도록 구성된다.
일부 경우에, 단계(1315)에서 표면 위 융기부(110) 형성은 구성요소 표면(125) 바로 위에 융기부(110)를 형성하기 위한 와이어 본딩 단계(1322)를 포함한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 것과 같은 기둥으로 구성되는 융기부(110)들이 단계(1322)에 따라 스터드 범핑(stud bumping)에 의해 형성될 수 있다. 당업자라면 이러한 와이어 본딩 프로세스와, 와이어 본딩에 의해 제조될 수 있는 그외 다른 종류의 융기부(110) 형태에 친숙할 것이다. 예를 들어, 루프를 구비한 융기부들이 단계(1322)에서 형성될 수 있다.
일부 경우에, 단계(1315)에서 표면 위 융기부(110) 형성은, 구성요소 표면(125) 바로 위에 융기부(110)를 형성하기 위한 전기 도금 단계(1324)를 포함한다. 당업자라면, 융기부 형성에 사용될 수 있는 전기 도금 프로세스와 친숙할 것이다. 예를 들어, 적어도 하나의 금속이 구성요소 표면(125) 위에 위치한 포토레지스트층 내 개구부를 통해 전기 도금되어, 도 7에 도시되는 바와 같이, 단층 또는 다층 기둥으로 구성되는 융기부(110)들을 형성할 수 있다.
일부 경우에, 단계(1320)에서 기판 표면 위 융기부 형성은 와이어 본딩 단계(1322) 또는 전기 도금 단계(1324)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기둥들로 구성된 융기부(110)들이 와이어 본딩 단계(1322)나 전기 도금 단계(1324)를 통해 금속 기판(220)의 표면(210) 위에 형성될 수 있다.
일부 경우에, 융기부를 형성하는 단계(1310)는 공동 주조 단계(cavity casting process)(1330)를 포함한다. 공동 주조 단계는 저렴한 공정 및 모든 종류의 금속을 이용할 수 있다는 장점을 갖는다. 공동 주조 단계(1330)는 몰드를 형성하는 단계(1332)를 포함한다. 몰드는 융기부들의 형태를 복제하는 공동을 갖는다. 몰드 형성은 융기부들의 모델을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 몰드가 융기부를 상호연결하는 기판을 또한 복제한다. 공동 주조 단계(1330)는 금속을 공동 내로 배치하는 단계(1334)를 포함하고, 따라서, 융기부들을 형성할 수 있다. 일부 경우에, 단계(1334)에서 액체 금속이 몰드 내로 배치되어 그 후 냉각된다. 다른 경우에, 금속 입자들이 몰드 내로 배치된 후 가열하여 금속을 액화시킨 다음, 냉각을 행한다. 공동 주조 단계(단계 1330)는 몰드로부터 융기부를 분리시키는 단계(1336)를 더 포함한다. 일부 경우에는 분리 단계(1336)에서 몰드를 파괴할 수 있고, 다른 경우에는 몰드가 재사용된다. 예를 들어, 분리 단계(1336)는 왁스나 폴리머(가령, 열가소성 또는 열경화성 폴리머) 몰드가 녹거나 타버리도록 오븐에서 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 분리 단계(1336)는 화학적 또는 플라즈마 세척과 같은 세척 단계들을 포함하고, 이에 따라 모든 몰드 물질을 제거할 수 있다.
도 13을 계속 참고할 때, 도 14a 내지 도 14i는 단계(1330)에 따른 일례의 공동 주조 프로세스에서 선택된 스테이지들의 평면도를 제시한다. 도 14a 내지 도 14e는 몰드 형성 단계(1332)의 여러가지 스테이지들을 도시한다. 도 14a는 융기부들의 목표 형태에 부합하도록 제작된 모델(1405)을 도시한다. 예를 들어, 모델(1405)은 폴리머 또는 왁스 물질의 3차원 인쇄 또는 기계가공과 같은 다양한 기술들을 이용하여 제작될 수 있다. 이러한 기술들은 매우 높은 종횡비(예를 들어, 약 10 이상의 높이비를 갖는 융기부)를 갖는 형태를 포함한, 다양한 형태 및 크기들을 제작하는 데 특히 효과적이다. 도 14b는 융기부들의 형태를 복제하는 공동(1415)을 형성하는 스테이지를 포함하는 제 1 몰드(1410)를 형성하는 스테이지를 도시한다. 예를 들어, 모델(1405)은 실리콘 고무의 상온 가황(room-temperature vulcanization)을 이용하여 제 1 몰드(1410)들을 제작하는 데 사용될 수 있다. 도 14c는 제 1 몰드로부터 모델(1405)을 제거한 이후의 몰드(1410)를 도시한다.
도 14d는 제 2 모델(1420)[예를 들어, 제 1 모델(1405)의 왁스 복제본같은 희생용 제 2 모델] 제작에 사용되고 있는 제 1 몰드(1410)를 도시하는데, 제 2 모델(1420)은 그 후 제 1 몰드(1410)로부터 제거된다(도 14e). 제 2 모델(1420)은 융기부들의 형태를 복제하는 공동(1430)을 갖는 제 2 투자 몰드(1425)(도 14f)의 형성에 사용된다. 그후, 제 2 모델(1420)을 파괴시킴으로써 제 2 모델(1420)이 제 2 몰드(1425)로부터 제거된다. 예를 들어, 제 2 모델(1420)은 공동(1430)으로부터 태워지거나 녹아버려서 빈 공동(1430)을 제공할 수 있다(도 14g). 그후, 제 2 몰드(1425)는 도 14h 내지 도 14i에 도시된 것과 같은 투자-주조 프로세스를 이용하여 융기부(1435)를 제작하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 단계(1334)에 따라 공동(1430) 내에 금속(1440)이 배치될 수 있다(도 14h). 그 후 단계(1336)에 따라 제 2 몰드(1425)로부터 융기부(1445)들이 제거될 수 있다(도 14i).
복잡한 형태를 갖는 일부 융기부들이나, 융기부들의 일부 2차원 어레이의 경우, 모델(1405)이나 몰드(1410) 중 적어도 하나를 파괴시키지 않으면서 몰드(1410)로부터 모델(1405)을 제거하는 것이 어려울 수 있다. 이러한 경우에, 제 2 모델(1420)을 이용하는 대신에 제 1 모델(1405)을 이용하여 직접 제 2 투자 몰드(1425)를 형성할 수 있다.
도 13에 도시되는 바와 같이, 일부 경우에, 단계 1310의 융기부 형성은 전기 도금 주조 프로세스[단계(1340)]를 포함한다. 전기 도금 주조 프로세스[단계(1340)]는 융기부의 형태를 모델링하는 성형된 측부를 갖도록 기저 구조체(base structure)를 성형하는 단계(1342)를 포함한다. 전기 도금 주조 프로세스[단계(1340)]는 성형된 측부에 적어도 하나의 금속을 전기 도금하는 단계(1344)를 더 포함하며, 이에 따라, 융기부들이 형성된다. 일부 경우에 전기 도금 단계(1344)를 촉진시키기 위하여, 전기 도금 이전에 성형된 측부에 시드층(seed layer)을 증착하는 단계(1346)가 존재할 수 있다. 단계(1346)에서 시드층 증착은, 브러싱을 통해 전도성 페인트를 도포하는 기술, 스프레이 기술이나 그외 다른 잘 알려진 응용 기술, 또는, 물리적 기상 증착 프로세스를 통한 전도층 증착 기술을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기 전도성 페인트가 성형된 측부에 도포될 수 있다. 전기 도금 주조 프로세스[단계(1340)]는 단계(1336)에 대해 설명한 바와 유사하게, 기저 구조체로부터 융기부들을 분리시키는 단계(1348)를 더 포함한다.
도 15a 내지 도 15d는 단계(1340)에 따른 일례의 전기 도금 주조 프로세스에서 선택된 단계들의 단면도를 제시한다. 전기 도금 주조 프로세스[단계(1340)]는 중공형 원추나 그외 다른 형태의 2차원 어레이로 구성되는 융기부들의 제작에 특히 유용하지만, 이 프로세스[단계(1340)]에 의해 다른 중실형 융기부들도 제작될 수 있다. 도 13을 계속 참고할 때, 도 15a는 융기부들의 형태를 모델링하는 성형된 측부를 가지도록, 단계(1342)에 따라 성형된 측부(1510)를 형성한 이후 기저 구조체(1505)를 도시한다. 예를 들어, 모델(1405)(도 14) 형성에 사용된 것과 동일한 플라스틱 또는 왁스 물질의 3차원 인쇄를 이용하여, 성형된 측부(1510)를 형성할 수 있다. 도 15b는 단계(1346)에 따라 성형된 측부(1510)에 시드층을 증착한 이후 기저 구조체(1505)를 도시한다. 도 15c는 금속 융기부(1540)를 형성하도록 성형된 측부(1510)에, 그리고 본 예에서는 시드층(1515)에, 적어도 하나의 금속(예를 들어, 구리 또는 은)을 전기 도금한 이후 기저 구조체(1505)를 도시한다. 도 15d는 단계(1348)에 따라 기저 구조체(1505)로부터 분리된 이후 융기부(1520)들을 도시한다. 예를 들어, 왁스 기저 구조체(1505)가 녹아서 단계(1348)의 분리를 실현할 수 있다. 도 15d에 도시되는 바와 같이, 일부 예에서, 시드층(1515)은 융기부(1520)의 일부로서 유지될 수 있다. 다른 예에서, 시드층(1515)은 종래의 화학적 또는 열적 프로세스들을 이용하여 융기부(1520)로부터 제거된다.
도 13에서는 융기부 형성[단계(1310)] 및 열전달 구조체 형성을 완료하기 위해 다수의 부가적 단계들이 도시되고 있다. 예를 들어, 융기부로부터 과량의 금속 구조체(예를 들어, 기판이나 핸들 구조체)를 제거하기 위해 트리밍 단계(1350), 또는, 융기부들을 추가적으로 성형(shaping)하기 위해 기계가공 단계(1352)들이 존재할 수 있다. 융기부들은 융기부들을 구성하는 금속의 산화를 막기 위해 단계(1355)에서 보호 코팅(예를 들어, 벤지미다졸)으로 덮힐 수 있다. 코팅은 융기부의 열저항을 증가시키지 않도록 충분히 얇다(예를 들어, 약 일 분자층 내지 열 분자층의 두께). 융기부의 탄성율을 바람직하게 감소시키도록 어닐링(annealing) 단계(1360)가 실행될 수 있다. 예를 들어, 전기 도금된 구리 기둥의 탄성율이 400℃ 또는 그 이상에서의 어닐링 처리에 의해 감소될 수 있다. 열전달 구조체 형성[단계(1315)]은 융기부(110)들 사이에 접착제나 써멀 그리스(160)를 배치하는 단계(1370)를 더 포함할 수 있다.
당업자라면 이러한 장치의 특정 구조(예를 들어, 원격 라디오 헤드, 기지국, 컴퓨터, 또는 통신 시스템의 그외 다른 구성부)에 따라, 장치 제작의 다른 단계들과 친숙할 것이다. 예를 들어, 방법(1300)은 장치의 전기 소자(예를 들어, 회로 보드)를 형성하는 단계(1375)를 포함할 수 있다. 소자 형성[단계(1375)]은 단계(1380)에서 소자의 구성요소들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 당업자라면 전기 소자 구성요소들(예를 들어, 히트 싱크 또는 집적 회로)의 제작을 위한 단계(1380)와 친숙할 것이다. 열전달 구조체가 적어도 하나의 구성요소 바로 위에 형성되는 경우에, 융기부 형성[단계(1310)]은 구성요소 형성 단계(1380)의 일부분일 수 있다.
방법(1300)의 일부 실시예들은 단계(1385)에서 소자 구성요소들을, 소자 구성요소들 사이에 위치하는 열전달 구조체와 함께 연결하는 단계를 더 포함할 수 있다. 연결 단계(1385)는 도 12의 내용 및 관련 설명을 통해 앞서 설명한 바와 같이 이용 방법(1200)에 대한 임의의 실시예들을 포함할 수 있다.
도 13을 계속 참조할 때, 이러한 방법의 다른 실시예에서, 열전달 구조체(105) 형성[단계(1305)]은 압력-변형 가능한 금속성 융기부(110)들의 2차원 어레이(170)를 실질적으로 편평한 기판 표면(125) 위에 형성하는 단계[단계(1310)]를 포함한다. 어레이(170)는, (A) 융기부가 중공형인 특성(예를 들어, 도 9), (B) 융기부가 전기 도금되는 특성(예를 들어, 도 7), (C) 융기부(110)들의 제 1 그룹(810)이 제 1 높이(815)를 가지며, 융기부(110)들의 제 2 그룹(820)이 제 1 그룹의 제 1 높이(815)와는 다른 제 2 높이(825)를 갖는 특성(예를 들어, 도 8) 들 중에서 선택되는 특성을 포함할 수 있다.
이러한 방법의 일부 실시예에서, 융기부(110)들이 금속 도금된다. 일부 실시예에서, 방법(1200)은 변형 가능한 금속성 융기부(110) 사이에 접착제나 써멀 그리스(160)를 배치하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 방법(1200)은 변형 가능한 금속성 융기부(110)의 탄성율을 감소시키도록 변형 가능한 금속성 융기부(110)를 어닐링 처리하는 단계를 더 포함한다.
실시예들이 세부적으로 설명되었으나, 당업자라면 본 공개 내용의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 수정, 치환, 변경이 실현될 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (10)

  1. 제 1 표면을 갖는 제 1 기판과,
    상기 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면을 갖는 제 2 기판과,
    상기 제 1 표면 상에 배치되는 금속성 융기부의 어레이로서, 각각의 융기부는 상기 제 2 표면을 향해 상기 제 1 표면과 접촉되어 있으며, 상기 융기부의 일부분이 압축력을 통해 기계적으로 변형되는, 상기 금속성 융기부의 어레이를 포함하는
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    변형 가능한 상기 금속성 융기부는 제 1 표면의 영역의 일부와 제 2 표면의 영역의 일부 사이에 물리적 연결을 제공하고, 상기 제 1 표면의 영역은 비평면형인
    장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 금속성 융기부는 상기 제 1 표면과 상기 제 2 표면을 직접 연결하는 금속의 연속 상(continuous phase)을 형성하는
    장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 어레이는 원추 또는 기둥의 2차원 어레이인
    장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속성 융기부는 핀(fin) 형태인
    장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각각의 금속성 융기부는 두 개의 금속층을 포함하며, 각 금속층은 상이한 금속을 포함하는
    장치.
  7. 전면과, 상기 전면의 반대편에 후면을 갖는 편평한 금속성 기판과,
    상기 전면 및 상기 후면의 각각에 직접 배치된 금속성 융기부의 어레이를 포함하며,
    상기 금속성 융기부 중 기계적으로 변형된 융기부는 제 1 기판의 제 1 표면과 제 2 기판의 제 2 표면 사이에 물리적 연결을 제공하도록 구성된
    장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 기판은 상기 제 1 표면을 갖는 제 1 집적 회로를 포함하고,
    상기 제 2 기판은 상기 제 2 표면을 갖는 제 2 집적 회로를 포함하며,
    상기 제 1 표면 및 상기 제 2 표면의 각각은 상기 어레이의 상기 금속성 융기부 중 상기 기계적으로 변형된 융기부와 물리적으로 직접 접촉하는
    장치.
  9. 전기 소자의 제 1 구성요소의 표면 상에 열전달 구조체를 제공하는 단계로서, 상기 열전달 구조체는 기계적으로 변형 가능한 금속성 융기부를 포함하는, 상기 열전달 구조체 제공 단계와,
    상기 열전달 구조체가 상기 제 1 구성요소와 전기 소자의 제 2 구성요소 사이에 배치되도록 전기 소자의 제 2 구성요소를 상기 표면을 향해 가압하는 단계로서, 가압에 의해, 상기 기계적으로 변형 가능한 금속성 융기부의 적어도 일부분이 가압 이전의 상기 기계적으로 변형 가능한 금속성 융기부의 높이에 비해 적어도 1%만큼 높이가 줄어들도록 기계적으로 변형되며, 상기 금속성 융기부 중 기계적으로 변형된 융기부가 제 1 기판의 제 1 표면과 제 2 기판의 제 2 표면 사이에 물리적 연결을 제공하게 되는, 상기 가압 단계를 포함하는
    방법.
  10. 열전달 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법에 있어서,
    상기 열전달 구조체를 형성하는 단계는 편평한 기판 표면 상에 기계적으로 변형 가능한 금속성 융기부의 2차원 어레이를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 어레이는,
    A) 상기 기계적으로 변형 가능한 금속성 융기부가 중공형인 특성,
    B) 상기 기계적으로 변형 가능한 금속성 융기부가 전기 도금된 구조체인 특성, 및
    C) 상기 기계적으로 변형 가능한 금속성 융기부 중 제 1 그룹은 제 1 높이를 가지며, 상기 기계적으로 변형 가능한 금속성 융기부 중 제 2 그룹은 제 1 높이와 상이한 제 2 높이를 갖는 특성 중에서 선택되는 하나의 특성을 가지며,
    상기 금속성 융기부 중 기계적으로 변형된 융기부는 제 1 기판의 제 1 표면과 제 2 기판의 제 2 표면 사이에 물리적 연결을 제공하도록 구성된
    제조 방법.
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