KR101617601B1 - 흡열 및/또는 단열 조성물로 조립된 전자 장치 - Google Patents

흡열 및/또는 단열 조성물로 조립된 전자 장치 Download PDF

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헨켈 아이피 앤드 홀딩 게엠베하
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Abstract

흡열 및/또는 단열 조성물이 제공된다. 흡열 및/또는 단열 조성물은 기판 상으로 또는 두 장의 기판 사이에 분배될 수 있다. 기판(들)은 지지체로 작용하거나 히트 스프레더로 작용할 수 있으며, 이 경우에 지지체는 금속 또는 금속-코팅된 중합체성 기판인 전도성 재료 또는 흑연으로 구성될 수 있다.

Description

흡열 및/또는 단열 조성물로 조립된 전자 장치 {ELECTRONIC DEVICES ASSEMBLED WITH HEAT ABSORBING AND/OR THERMALLY INSULATING COMPOSITION}
흡열 및/또는 단열 조성물로 조립된 전자 장치가 제공된다.
마이크로 전자회로가 크기에 있어서는 계속적으로 감소하고, 회로 용량은 기능적인 측면에서 계속적으로 증가하고 있으므로, 사용시 회로에 의해 발생되는 열은 제조자 및 최종 사용자에게 점차적으로 문제거리가 되고 있다. 한편으로, 발생되는 열의 수준은 반도체 패키지의 성능과 관련이 있으며, 보다 고성능의 장치는 더 많은 양의 열을 발생시킨다. 소비자 전자 장치의 회로판 상에 조립된 반도체 패키지, 예를 들어, 중앙 및 그래픽 처리 장치, 칩셋, 배터리 및 볼티지 조절기에서 발견되는 것들은 모두 작동의 통상적인 부산물로 열을 발생시킨다. 반도체 패키지에 의해 발생되는 열은 패키지의 수명을 연장시키고, 디자인 한계를 최소화하며, 패키지의 성능을 증가시킴으로써 궁극적으로 소비자 전자 장치의 수명 및 성능을 향상시키기 위하여 관리되어야 할 필요가 있다.
열관리 재료는 회로에 의해 발생되는 열을 소산시키는 것으로 잘 알려져 있으며, 전자 장치내 전략적인 위치에 배치된 팬도 또한 회로 또는 열전도 모듈로부터 열을 끌어낸다. 과량의 열은 종종 반도체 패키지 및 히트 싱크 (heat sink) 또는 열전도 모듈 사이에 배치된 열 계면 물질(thermal interface material, "TIM")을 통해 반도체 패키지로부터 히트 싱크 또는 열전도 모듈로 방향 전환된다.
그러나, 발생되는 열을 관리하려는 이러한 전략은 뜨거운 공기가 반도체 패키지의 인접한 환경으로부터 장치의 하우징 내부로 향하게 되는 새로운 문제점을 발생시켰다.
보다 구체적으로, 통상의 랩탑 또는 노트북 컴퓨터에서 (도 2 참조), 하우징 밑에는 키보드 아래의 부품들이 존재하게 된다 (도 3 참조). 부품들은 히트 싱크, 히트 파이프 (CPU 칩 위에 배치), 팬, PCMIA 카드용 슬롯, 하드 드라이브, 배터리, 및 DVD 드라이브용 베이를 포함한다. 하드 드라이브는 왼손이 놓이는 위치 아래에, 배터리는 오른손이 놓이는 위치 아래에 있다. 종종 하드 드라이브는 고온에서 작동함으로써 열을 소산시키기 위한 냉각 부품을 사용함에도 불구하고 손바닥이 놓이는 위치에 불유쾌한 터치 온도를 초래한다. 이는 최종 사용 소비자가 장치를 사용할 때 장치 외측 특정 부분에서 느껴지는 고온으로 인한 불편함을 야기할 수 있다.
손바닥이 놓이는 위치에서 최종 사용자에 의해 느껴지는 높은 사용시 온도를 잠재우는 한 가지 해결책은, 예를 들어, 전략적인 위치에 천연 흑연 히트 스프레더 (heat spreader)를 배치시키는 것이다. 이들 히트 스프레더는 재료의 두께를 통한 단열을 제공하면서 열을 고르게 분포시키는 것으로 보고되었다. 그러한 흑연 재료는 그래프텍 인크.(GrafTech Inc., Cleveland, Ohio 소재)로부터 이그래프 스프레더쉴드(eGraf®SpreaderShield)™로 시판되고 있다. 문헌 [M. Smalc et al., "Thermal Performance Of Natural Graphite Heat Spreaders", Proc. IPACK2005, Interpack 2005-73073 (July, 2005)] 및 미국 특허 제6,482,520호를 참조할 수 있다.
최종 소비자가 전자 장치 사용시 그로부터 발생되는 열로 인해 불편함을 느끼지 않도록, 전자 장치에 사용되는 반도체 패키지로부터 발생되는 열을 관리하는 방법에 대한 필요가 시장에서 점진적으로 증가하고 있으므로, 또 다른 해결책은 바람직하고 또한 유익할 것이다. 이에 걸림돌이 되는 것은, 반도체 칩의 설계자가 반도체 칩 및 반도체 패키지의 크기와 모양을 점점 감소시키는 한편 소비자의 욕구를 충족시키기 위하여 용량은 증가시키려 한다는 것으로, 이와 같이 하면 반도체 칩 및 반도체 패키지는 더 높은 온도 조건에서 작동하게 된다. 따라서, 작동시 만져도 뜨겁지 않은, 보다 강력한 소비자 전자 장치의 설계 및 개발을 가능하게 하는 대체 기술로 이와 같이 점증적이지만 충족되지 않은 요구를 만족시킨다면 유익할 것이다.
이러한 요구는 아직 충족되지 않았다.
<요약>
본 발명에 따라 흡열 및/또는 단열 조성물이 제공된다. 흡열 및/또는 단열 조성물은 기판상으로 또는 두 장의 기판 사이에 분배될 수 있다. 기판(들)은 지지체로 작용하거나 히트 스프레더로 작용할 수 있으며, 이 경우에 지지체는 금속 또는 금속-코팅된 중합체성 기판인 전도성 재료 또는 흑연으로 구조될 수 있다.
흡열 및/또는 단열 조성물은, 소비자 전자 제품으로서,
내측 표면과 외측 표면을 갖는 적어도 하나의 기판을 포함하는 하우징;
기판 상에 배치된 매트릭스 내에 분산되어 있는 흡열 및/또는 단열 요소를 포함하는 조성물로서, 상기한 바와 같이 지지체로 작용하거나 발생된 열의 확산을 촉진하는 열 전도도를 제공할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 기판의 내측 표면의 적어도 일부 상에 배치된 층; 및
반도체 패키지로서,
I. 반도체 칩; 히트 스프레더; 및 그들 사이의 열 계면 물질 (TIM1 타입으로 알려짐), 및
II. 히트 스프레더; 히트 싱크; 및 그들 사이의 열 계면 물질 (TIM2 타입으로 알려짐)
중 적어도 하나를 포함하는 어셈블리를 포함하는 적어도 하나의 반도체 패키지
를 포함하는 소비자 전자 제품에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 그러한 소비자 전자 장치를 제조하는 방법이 제공된다.
도 1은 복수의 반도체 패키지 및 회로와 함께, 패키지 자체의 조립 및 패키지의 회로판 상으로의 조립에 통상적으로 사용되는 전자 재료가 배치되어 있는 회로판의 개략도이다. 도면 부호 (1) 내지 (18)은 반도체 및 인쇄 회로판을 패키징하고 조립하는데 사용되는 일부 전자 재료를 나타낸다.
도 2는 열려진 상태의 랩탑 개인용 컴퓨터를 도시하고 있다.
도 3은 랩탑 개인용 컴퓨터의 키보드 및 손바닥이 놓이는 위치 아래의 내용물의 상면도이다.
도 4는 전자 장치의 일반적인 개략도이다.
도 5는 노트북 개인용 컴퓨터 내 16개의 스킨 온도 측정 위치의 평면도이다.
도 6은 노트북 개인용 컴퓨터 내 표시된 재료에 대한 16개 위치에서의 스킨 온도 측정치의 막대 차트이다.
도 7은 노트북 개인용 컴퓨터 내 표시된 재료에 대한 16개 위치에서의 스킨 온도 측정치의 막대 차트이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 흡열 및/또는 단열 조성물이 제공된다. 흡열 및/또는 단열 조성물은 기판상으로 또는 두 장의 기판 사이에 분배될 수 있다. 기판(들)은 지지체로 작용하거나 히트 스프레더로 작용할 수 있으며, 이 경우에 지지체는 금속 또는 금속-코팅된 중합체성 기판인 전도성 재료 또는 흑연으로 구조될 수 있다.
조성물은 소비자 전자 제품의 조립에 사용될 수 있다. 이 제품 (또는 "장치")은 노트북 개인용 컴퓨터, 태블릿 개인용 컴퓨터 또는 휴대용 장치, 예를 들어, 뮤직 플레이어, 비디오 플레이어, 정적 이미지 플레이어, 게임 플레이어, 기타 미디어 플레이어, 뮤직 레코더, 비디오 레코더, 카메라, 기타 미디어 레코더, 라디오, 의료 장치, 가전 제품, 운송 차량 기기, 음향 기기, 계산기, 핸드폰, 기타 무선 통신 장치, 개인용 디지털 보조기, 리모콘, 페이저, 모니터, 텔레비젼, 스테레오 장치, 셋-업 박스, 셋-탑 박스, 붐 박스, 모뎀, 루터 (routers), 키보드, 마우스, 스피커, 프린터, 및 그들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
장치는
내측 표면과 외측 표면을 갖는 적어도 하나의 기판을 포함하는 하우징;
기판 상에 배치된 매트릭스 내에 분산되어 있는 흡열 및/또는 단열 요소를 포함하는 조성물로서, 상기한 바와 같이 지지체로 작용하거나 발생된 열의 확산을 촉진하는 열 전도도를 제공할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 기판의 내측 표면의 적어도 일부 상에 배치된 층; 및
반도체 패키지로서,
I. 반도체 칩; 히트 스프레더; 및 그들 사이의 열 계면 물질, 및
II. 히트 스프레더; 히트 싱크; 및 그들 사이의 열 계면 물질
중 적어도 하나를 포함하는 어셈블리를 포함하는 적어도 하나의 반도체 패키지
를 포함한다.
열의 전달을 방해하는 조성물이 제공된다. 이러한 조성물은
a) 매트릭스를, 예컨대, 10 부피% 내지 80 부피%로;
b) 흡열 및/또는 단열 요소를, 예컨대, 20 부피% 내지 90 부피%로 포함한다. 매트릭스는 열가소성 물질 또는 아크릴 에멀젼을 포함할 수 있다.
장치는 또한 반도체 어셈블리로부터 발생된 열을 장치로부터 벗어나 분산시키는 배기(venting) 요소를 포함할 수 있다.
물론, 소비자 전자 장치에는 반도체 패키지(들)에 에너지를 공급하기 위한 전원이 제공된다.
반도체 패키지는 반도체 칩과 회로판 사이에 배치되어 칩을 회로판에 고정 접착시키는 다이 부착 재료로 형성될 수 있다. 와이어 결합은 칩과 회로판 사이에 전기적 상호연결을 형성한다. 이와 같은 다이 부착 재료는 종종 열경화성 수지 매트릭스로 고도로 충전된 재료이다. 매트릭스는 에폭시, 말레이미드, 이타콘이미드, 나드이미드 및/또는 (메트)아크릴레이트로 이루어질 수 있다. 충전제는 전도성 또는 비-전도성일 수 있다. 일부 실시양태에서, 다이 부착 재료는 열 전도성이며, 이 경우 이 또한 열을 반도체 패키지로부터 제거 분산시키는 것을 돕는다. 시판되는 다이 부착 재료의 대표적인 예는 헨켈 코포레이션(Henkel Corporation)의 QMI519HT을 포함한다.
또 다른 방법으로, 반도체 패키지는 개재된 공간의 솔더 상호연결에 의해 회로판에 전기적으로 접속된 반도체 칩으로 형성될 수 있다. 그러한 공간에는 언더필(underfill) 실란트가 배치될 수 있다. 언더필 실란트도 또한 열경화성 매트릭스 수지를 함유할 수 있으며, 이는 다이 부착 재료와 마찬가지로 에폭시, 말레이미드, 이타콘이미드, 나드이미드 및/또는 (메트)아크릴레이트로 이루어질 수 있다. 언더필 실란트도 통상적으로 충전된다. 그러나, 충전제는 일반적으로 비-전도성이며, 반도체 다이와 회로판의 열팽창 계수의 차이를 수용할 목적으로 사용된다. 시판되는 언더필 실란트의 대표적인 예는 헨켈 코포레이션의 하이졸(HYSOL) FP4549HT를 포함한다.
일단 반도체 패키지가 회로판 상으로 배치되어 그에 표면 마운트 접착제, 칩 결합제 또는 칩 스케일 패키지 언더필 실란트에 의해 부착된 후, 패키지는 무엇보다도 환경 오염물로부터 보호되기 위하여 몰드 컴파운드로 오버몰딩(overmolding)될 수 있다. 몰드 컴파운드는 종종 에폭시 또는 벤즈옥사진을 기재로 한다. GR750은 헨켈 코포레이션으로부터 시판되는 에폭시 몰드 컴파운드의 예로서, 반도체 장치에서 열 관리를 개선시키기 위한 것이다.
솔더 페이스트는 반도체 패키지 및 어셈블리를 전기적으로 상호연결되는 방식으로 부착시키기 위해 회로판의 여러 위치에 사용된다. 그러한 솔더 페이스트의 일종은 헨켈 코포레이션으로부터 멀티코어(MULTICORE) Bi58LM100으로 시판된다. 이와 같은 납을 함유하지 않는 솔더 페이스트는 열 관리가 필요한 용도를 위한 것이다.
반도체 칩 및 반도체 패키지에 의해 발생되는 열을 효율적으로 관리하기 위하여, 열분산이 요구되는 어떠한 열-발생 부품에나 열 계면 물질이 사용될 수 있으며, 특히 반도체 장치 중의 열-발생 부품에 사용될 수 있다. 그러한 장치에서, 열 계면 물질은 열-발생 부품과 히트 싱크 사이에 층을 형성하여, 열을 전달하여 히트 싱크로 분산시킨다. 열 계면 물질은 또한 히트 스프레더를 함유하는 장치에 사용될 수 있다. 그러한 장치에서, 열 계면 물질의 층은 열-발생 부품과 히트 스프레더 사이에 배치되며, 제2의 열 계면 물질의 층이 히트 스프레더와 히트 싱크 사이에 배치된다.
열 계면 물질은 상변화 물질일 수 있으며, 그 한 예는 헨켈 코포레이션으로부터 상표명 파워스트레이트 익스트림(POWERSTRATE EXTREME, PowerstrateXtreme) 또는 PSX로 시판되는 것이다. 두 장의 박리 라이너 사이에 자유-기립 필름으로 포장되어 여러 가지 다양한 용도에 맞추기 위하여 다이 컷 퍼폼(die cut perform)으로 공급되며, 이러한 열 계면 물질은, 예컨대, 히트 싱크와 다양한 열 분산 부품들 사이에 사용하기에 적절한 재생성 상변화 물질이다. 물질은 상변화 온도에서 유동성이므로, 부품의 표면 구조에 들어 맞는다. 상변화 물질 형태의 열 계면 물질의 융점은 약 51℃ 또는 60℃이다.
유동 시, 공기가 계면으로부터 제거되어 열 임피던스(thermal impedance)를 감소시키므로 고도로 효율적인 열 계면 물질로 기능한다.
열 계면 물질은 (a) 60 중량% 내지 90 중량%의 파라핀; (b) 0 중량% 내지 5 중량%의 수지; 및 (c) 10 중량% 내지 40 중량%의 금속 입자, 예컨대, 전기-전도성 충전제로 구성될 수 있다. 전기-전도성 충전제는 통상적으로는 흑연, 다이아몬드, 은 및 구리로부터 선택된 것이다. 또한, 전기-전도성 충전제는 알루미늄, 예컨대, 구형 알루미나일 수 있다.
열 계면 물질에 사용하기에 적절한 금속 입자는 용융가능한 금속 입자, 전형적으로는 솔더로서 사용되는 저융점 금속 또는 금속 합금일 수 있다. 그러한 금속의 예는 비스무트, 주석 및 인듐을 포함하며, 또한 은, 아연, 구리, 안티몬, 및 은-코팅된 질화붕소를 포함할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 금속 입자는 주석, 비스무트 또는 이들 모두로부터 선택된다. 또 다른 실시양태에서, 인듐이 또한 존재한다. 상기 금속의 함금이 또한 사용될 수 있다.
주석 및 비스무트 분말의, 주석 대 비스무트 중량비 Sn48:Bi52의 공융(eutectic) 합금 (융점 138℃)이 또한 사용될 수 있고, 특히 인듐 분말과 조합되어 (융점 158℃) 사용될 수 있으며, 이 경우 인듐은 Sn:Bi 합금과 1:1의 중량비로 존재한다.
금속 입자 또는 합금은 조성물 중에 열 계면 물질의 50 내지 95 중량%로 존재하여야 한다.
열 계면 물질은 또한 방열 그리스(thermal grease)일 수 있으며, 예컨대, 헨켈 코포레이션으로부터 상표명 TG100, COT20232-36I1 또는 COT20232-36E1으로 구입할 수 있다. TG100은 고온 열전달을 위한 방열 그리스이다. 사용시, TG 100을 열 발생 장치와 그것이 마운팅되는 표면 또는 다른 열 분산 표면 사이에 배치시킨다. 이 제품은 우수한 열 저항을 전달하고, 높은 열 전도도를 제공하며, 넓은 작동 온도 범위에서 실질적으로 증발이 일어나지 않는다. 또한, COT20232-36E1 및 COT20232-36I1은 TIM1 타입 물질로서, 이 경우에 고전력 플립 칩 용도를 위한 것이다. 이들 제품은 연질 겔 중합체 또는 경화성 매트릭스를 함유하며, 경화 후 그 안에 저융점 합금을 함유한 상태로 상호침투 네트워크를 형성한다. 저융점 금속 합금은 용융성 금속 솔더 입자일 수 있으며, 특히 실질적으로 납이 첨가되지 않고, 원소성 솔더 분말과 임의로는 솔더 합금을 포함하는 것일 수 있다.
사용되는 열 계면 물질의 열 임피던스는 0.2 (℃cm2/Watt) 미만이어야 한다.
하우징은 적어도 2개, 종종 복수의 기판을 포함한다. 기판들은 서로 맞물리도록 치수와 배치가 정해진다.
흡열 및/또는 단열 조성물은 그 안에 공기와 같은 기체가 들어 있는 중공 구형의 베셀(vessel)과 함께 쉘로 캡슐화된 상변화 물질 ("PCM")로부터 선택될 수 있는 매트릭스를 갖는다.
PCM은 유기 또는 무기 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, PCM에 유용한 유기 물질은 파라핀, 지방산, 에스테르, 알콜, 글리콜 또는 유기 공융성 물질을 포함한다. 또한, 페트롤라툼, 비(bee)왁스, 팜 왁스, 미네랄 왁스, 글리세린 및/또는 일부 식물성 오일이 사용될 수 있다. PCM에 유용한 무기 물질은 염, 수화물 및 저융점 금속 공융물을 포함한다. 특정 용도를 위한 PCM을 선택하기 위하여, 발열 또는 냉각 장치의 작동 온도를 PCM의 전이 온도와 맞추어 보아야 한다.
파라핀은 표준 상용 등급일 수 있으며, 융점이 약 40℃ 미만인 파라핀 왁스를 포함하여야 한다. 그러한 파라핀 왁스를 사용하면 매트릭스가 약 37℃ 미만의 온도에서 고체에서 액체 상태로 전이하게 된다. 파라핀 이외에, 상기한 바와 같이, 페트롤라툼, 비왁스, 팜 왁스, 미네랄 왁스, 글리세린 및/또는 일부 식물성 오일이 사용되어 PCM을 형성할 수 있다. 예를 들어, 파라핀과 페트롤라툼 성분을 그의 중량% 성분비 (즉, 파라핀 대 페트롤라툼)가 약 1.0:0 내지 3.0:1이 되도록 하여 함께 블렌딩할 수 있다. 이 경우에, 파라핀 성분에 대하여 상대적으로 페트롤라툼 성분이 증가할수록, PCM은 연질도가 증가한다.
임의로는, 수지가 PCM에 사용될 수 있다. 그러한 경우에, 최대 약 5 중량%의 수지가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 약 2 중량% 내지 약 4 중량%의 수지가 사용된다. 수지는 열가소성일 수 있으며, 예를 들어, 이. 아이. 듀폰 드 네모아즈 앤드 컴퍼니(E.I. DUPONT DE NEMORES & COMPANY; Wilmington, DE 소재)로부터 시판되는 엘박스(ELVAX)-브랜드의 합성 수지상 플라스틱 물질, 또는 JSR 코포레이션으로부터의 에틸렌-부틸렌 공중합체이다. 선택된 수지는 적절한 융점을 가져야 하며, 추가로 파라핀과 블렌딩되어 주어진 용도에 유리할 수 있는 바람직한 경질도 또는 연질도를 갖는 매트릭스를 형성할 수 있다.
수지를 함유하거나 함유하지 않는 PCM은 고체 또는 비-유동성 상태로부터 액체 또는 유동성 상태로의 상변화가 주어진 온도 범위 내에서 일어나도록 하는 것이어야 한다.
유리하게도, PCM에 사용된 구성 성분의 융점은 대부분의 소비자 전자 장치가 작동하는 온도 미만이 되도록 선택된다. 이와 관련하여, 파라핀 성분이 사용된 PCM은 소비자 전자 장치의 작동 중에는 액체 상태를 띠지만, 장치가 그러한 높은 상승된 온도에서 작동되는 중에만 그러하다. 결과적으로, 열의 흡수와 방출은 본 발명과 관련된 소비자 전자 장치의 작동 온도 범위를 가로질러, 각각 액체 상태 및 고체 상태 사이에서 조절된다.
PCM 매트릭스가 고체 상태에서 액체 상태로 상 전이를 겪음에 따라, 매트릭스는 그가 액체 상태로 전환될 때까지 열을 흡수하며, 액체 상태는 이 경우에 소비자 전자 장치의 작동 온도에서 일반적으로 겔-유사 상태이다.
PCM 매트릭스가 액체 상태에서 고체 상태로 변화하면서, 액체 상태의 매트릭스는 고체 상태로 전환될 때까지 흡수된 열을 방출한다.
PCM 매트릭스의 융점은 소비자 전자 장치의 바람직한 작동 온도 범위 내이어야 한다.
PCM 매트릭스는 또한 높은 확산 잠열을 가져야 한다.
PCM 매트릭스는 다수회의 냉동-용융 사이클 후에 분해되지 않아야 한다.
흡열 및/또는 단열 조성물은 하우징을 구성하는 적어도 하나의 기판의 내측 표면 적어도 일부 상에 배치되어야 하며, 그의 반대쪽(complementary) 외측 표면은 사용시 최종 사용자와 접촉하게 된다. 따라서, 도 2를 참조하면, 손바닥이 놓이는 위치는 랩탑 또는 노트북 개인용 컴퓨터 상의 이러한 위치의 좋은 예이다.
그와 같은 중공 구형 베셀의 대표적인 시판 제품의 예는 헨켈 코포레이션으로부터 상표명 듀얼라이트(DUALITE), 예컨대, 듀얼라이트 E, 또는 악조 노벨(Akzo Nobel)로부터 익스팬셀(EXPANCEL)로 시판되는 것을 포함한다. 듀얼라이트 E는 비용 절감 또는 중량 감소 성분으로서 그것이 사용되는 최종 제품의 열 전도도를 낮추기 위한 것이다. 듀얼라이트 E를 사용하면 최종 제품 내로 안정한, 중공 폐쇄 공극을 도입할 수 있는 것으로 보고되었다.
또한, 기공 또는 기체가 들어 있는 간극이 있는 고체 물질이 중공 구형 베셀을 대신해서 또는 그와 함께 사용될 수 있다. 이와 관련된 단열 요소는 실질적으로 고체 구형 입자의 간극 내에 있는 기체를 포함할 수 있다. 그러한 단열 요소의 시판되고 있는 대표적인 예는 데구사 코포레이션(Degussa Corporation)의 에어로겔(AEROGEL) 및 나노겔(NANOGEL)을 포함한다. 이들 제품은 제조업자에 의하면 매우 작은 기공을 갖는 유리 스트랜드의 격자 네트워크로 이루어지며, 5% 이하의 고체와 95%의 공기로 이루어진 경량의 실리카 단열 재료이다. 이 구조는 월등한 단열, 광투과 및 발수 특성을 갖는 것으로 보고되었다. 실리카 재료는 평균 기공 크기가 20 nm인 나노다공성 실리카이다. 작은 기공 크기 및 구조는 공기의 흐름을 포획하여 열 손실 및 태양열 흡수를 방지한다.
원하는 표면에 도포하기 전에, 흡열 및/또는 단열 요소(들)은 매트릭스 내에 매트릭스의 25 부피% 내지 99 부피%의 농도로 분산되어 흡열 및/또는 단열 조성물을 형성한다.
흡열 및/또는 단열 조성물은 기판 표면의 적어도 일부에 층 또는 코팅으로서 배치된다. 이와 같이 형성된 코팅은 사용시 반도체 패키지로부터 발생된 열의 기판을 통한 열 전달에 대한 배리어를 생성하는데 도움이 될 정도로 충분히 두껍지만, 소비자 전자 장치의 조립 및/또는 작동에 간섭할 정도로 두껍지는 않다.
또한, 본 발명에 따라서 흡열 및/또는 단열 요소가 분산되어 있는 매트릭스 (예를 들어, 열가소성 물질 또는 아크릴 에멀젼)를 포함하는 조성물이 제공된다. 하나의 실시양태에서, 금속성 기판 또는 흑연 기판이 조성물이 배치되는 지지체로서 사용될 수 있다.
도 1과 관련하여, 회로판이 개략적으로 도시되어 있다. 회로판 위에는 복수의 반도체 패키지 및 회로와 함께, 패키지 자체의 조립 및 패키지의 회로판 상으로의 조립에 통상적으로 사용되는 전자 재료, 및 회로판이 사용될 전자 장치의 하우징의 일부가 배치되어 있다. 도 1에서, (1)은 표면 마운트 접착제 (예를 들어, 록타이트(LOCTITE) 3609 및 3619)이고; (2)는 본 명세서에 상세히 기재된 바와 같은 열 계면 물질이며; (3)은 저압 몰딩재 (예를 들어, MM6208)이고; (4)는 플립 칩 온 보드 언더필 (예를 들어, 하이졸(HYSOL) FP4531)이며; (5)는 액상 캡슐화제 글로브 탑 (예를 들어, 하이졸 E01016 및 E01072)이고; (6)은 실리콘 캡슐화제 (예를 들어, 록타이트 5210)이며; (7)은 가스켓 컴파운드 (예를 들어, 록타이트 5089)이고; (8)은 칩 스케일 패키지/볼 그리드 어레이 언더필 (예를 들어, 하이졸 UF3808 및 E1216)이고; (9)는 플립 칩 에어 패키지 언더필 (예를 들어, 하이졸 FP4549 HT)이며; (10)은 코팅 분말 (예를 들어, 하이졸 DK7-0953M)이고; (11)은 기계적 몰딩 컴파운드 (예를 들어, 하이졸 LL-1000-3NP 및 GR2310)이며; (12)는 포팅 컴파운드 (예를 들어, E&C 2850FT)이고; (13)은 광전자재료 (예를 들어, 에이블스틱(Ablestik) AA50T)이며; (14)는 다이 부착제 (예를 들어, 에이블스틱 0084-1 LM1SR4, 8290 및 하이졸 OMI529HT)이고; (15)는 형태 순응 코팅 (예를 들어, 록타이트 5293 및 PC40-UMF)이며; (16)은 포토닉 성분 및 조립 재료 (예를 들어, 스틸라스트 (STYLAST) 2017M4 및 하이졸 OTO149-3)이고; (17)은 반도체 몰드 컴파운드이며; (18)은 솔더 (예를 들어, 멀티코어(Multicore) BI58LM100AAS90V 및 97SCLF318AGS88.5)이다. 이들 제품은 각각 헨켈 코포레이션(Irvine, California 소재)으로부터 구입할 수 있다.
도 1의 회로판 (A)은 전자 장치 (도시되지 않음)의 하우징 내부에 배치되어 있다. 전자 장치의 하우징을 구성하는 기판의 내부를 향하는 표면의 적어도 일부에 단열 요소의 층 (도시되지 않음)이 코팅되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전자 장치(100)는 하우징(101), 프로세서(102), 메모리(104), 전원(106), 통신 회로(108-1), 버스(109), 입력 부품(110), 출력 부품(112), 및 냉각 부품(118)을 포함할 수 있다. 버스(109)는 데이터 및/또는 전력을 전자 장치(100)의 각종 부품으로, 그로부터 또는 그들 사이에 전송하는 경로를 제공하는 하나 이상의 유선 또는 무선 링크를 포함할 수 있으며, 각종 부품은, 예를 들어, 프로세서(102), 메모리(104), 전원(106), 통신 회로(108-1), 입력 부품(110), 출력 부품(112) 및 냉각 부품(118)을 포함한다.
메모리(104)는 하나 이상의 저장 매체를 포함할 수 있으며, 이는 하드-드라이브, 플래쉬 메모리, 리드-온리 메모리 ("ROM")와 같은 영구 메모리, 랜덤 억세스 메모리 ("RAM")와 같은 반-영구 메모리, 기타 적절한 임의의 형태의 저장 부품, 및 그들의 임의의 조합을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 메모리(104)는 캐쉬 메모리를 포함할 수 있으며, 이는 전자 장치 용도로 데이터를 일시적으로 저장하는데 사용되는 하나 이상의 상이한 유형의 메모리일 수 있다.
전원(106)은 하나 이상의 배터리 또는 태양광 전지를 사용한 태양광 전력과 같은 천연 공급원에 의해 전자 장치(100)의 전자 부품에 전력을 공급할 수 있다.
하나 이상의 입력 부품(110)은 사용자가, 예컨대, 전자 장치 패드, 다이얼, 클릭 휠, 스크롤 휠, 터치 스크린, 하나 이상의 버튼 (예를 들어, 키보드), 마우스, 조이 스틱, 트랙 볼, 마이크로폰, 카메라, 비디오 레코더 및 이들의 임의의 조합을 사용하여 전자 장치(100)와 상호작용 또는 인터페이싱(interfacing) 할 수 있도록 제공될 수 있다.
하나 이상의 출력 부품(112)은 장치(100)의 사용자에게, 예를 들어, 오디오 스피커, 헤드폰, 신호 라인-아웃, 비쥬얼 디스플레이, 안테나, 적외선 포트, 럼블러, 바이브레이터 및 이들의 임의의 조합을 통해 정보 (예를 들어, 텍스트, 그래픽, 청각 및/또는 촉각 정보)를 제공하도록 제공될 수 있다.
하나 이상의 냉각 부품(118)은 전자 장치(100)의 각종 전자 부품에 의해 발생되는 열을 분산시키는 것을 돕도록 제공될 수 있다. 이들 냉각 부품(118)은 다양한 형태일 수 있으며, 예컨대, 팬, 히트 싱크, 히트 스프레더, 히트 파이프, 전자 장치(100)의 하우징(101) 내의 배기구 또는 개구 또는 그들의 임의의 조합일 수 있다.
장치(100)의 프로세서(102)는 장치(100)에 의해 제공되는 여러 기능 및 기타 회로의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(102)는 입력 부품(110)으로부터 입력 신호를 수용하고/거나 출력 부품(112)을 통해 출력 신호를 방출시킬 수 있다.
하우징(101)은 전자 장치(100)를 작동시키는 각종 전자 부품 중 하나 이상에 대한 적어도 부분적인 인클로져(enclosure)를 제공하여야 한다. 하우징(100)은 전자 부품을 장치(100) 외부로부터의 미세한 파편 및 기타 분해력으로부터 보호한다. 하우징(101)은 전자 장치(100)의 각종 전자 부품이 배치될 수 있는 캐비티(103)를 한정하는 하나 이상의 벽(120)을 포함할 수 있다. 하우징 개구(151)는 또한 장치(100)의 내부 온도를 관리하는 것을 돕기 위해 전자 장치(100)의 캐비티(103)로부터 유체 (예를 들어, 공기)가 끌려들어가 배출되도록 할 수 있다. 하우징(101)은 다양한 소재, 예컨대, 금속 (예를 들어, 스틸, 구리, 티타늄, 알루미늄 및 각종 금속 합금), 세라믹, 플라스틱 및 그들의 임의의 조합으로 제조될 수 있다.
하우징(101)은 또한 단일한 인클로져로 제공되기 보다는 두 개 이상의 하우징 부품으로 제공될 수 있다. 프로세서(102), 메모리(104), 전원(106), 통신 회로(108-1), 입력 부품(110) 및 냉각 부품(118)이, 예컨대, 제1 하우징 부품(101a) 내에 적어도 부분적으로 함유될 수 있는 반면, 출력 부품(112)은 제2 하우징 부품(101b) 내에 적어도 부분적으로 함유될 수 있다.
<실시예>
표 1에 기재된 성분들을 용기 중에서 교반하여 혼합물을 형성시켰다.
Figure 112015093747314-pct00001
각 혼합물을 60분 동안 교반하여 에어로겔- 또는 듀얼라이트-브랜드의 입자를 분산시켜 번호를 매긴 샘플을 제조하였다.
각 샘플의 0.03 mm 코팅을 시험 다이 위에 놓고 50℃에 노출시켜 6 내지 8℃의 온도 강하를 얻었다. 유사한 방법으로 제조되었으나, 듀얼라이트-브랜드의 입자를 함유하지 않은 조성물을 마찬가지로 시험 다이 위에 놓아서 약 2 내지 3℃의 온도 강하를 얻었다.
하기 표 2에서, 샘픔 1 내지 7을 도 2B에 나타낸 16개의 위치에 놓고, 최좌측 칼럼에 기재된 특성을 측정하여 기록하였다. 스킨 온도라고 표시된 값은 16회 측정치의 평균이다. 샘플 1 내지 7에 대한 값이 기재되어 있다.
하나의 대조군 배합물은 단열 요소 없이 상변화 매트릭스 (에이코산)를 사용하였다 (대조군 샘플 2). 또 다른 대조군은 단열 처리가 없는 노트북 개인용 컴퓨터 그 자체였다 (대조군 샘플 1). 세번째 대조군은 0.2 mm 두께의 흑연층이었다 (대조군 샘플 3).
Figure 112015093747314-pct00002
1PET 필름으로 라미네이트됨, 총 테이프 두께 = 0.2 mm; 0.1 mm (PET) + 0.1 mm (PCM)
2알루미늄화 PET 필름으로 라미네이트됨, 총 테이프 두께 = 0.2 mm; 0.1 mm (알루미늄화 PET) + 0.1 mm (PCM)
세 개의 대조군 샘플에 대한 값은 다음과 같다.
Figure 112015093747314-pct00003
샘플 1 내지 7에 대하여 스킨 온도의 상당한 저하가 관찰되었다. 열 흡수와 열 분산 특징을 조합함으로써 훨씬 더 상당한 정도의 감소가 관찰되었다. 이러한 온도 저하는 도 6 및 도 7에서 보다 명확하게 알 수 있을 것이다.
도 6 및 7은 노트북 개인용 컴퓨터의 내부를 향하는 하우징 요소의 일부에 도포된 본 발명의 조성물의 성능을, 조성물이 없는 동일한 어셈블리, 단열 요소만 없고 상변화 매트릭스는 있는 동일한 어셈블리, 및 흑연 시트로 구조된 유사한 시판 제품의 성능과 비교하여 보여준다. 일부 사용자에 있어서, 본 발명의 조성물이 흑연 시트와 함께 사용되었다.
예를 들어, 도 6은 본 발명의 조성물이 스킨 온도를 두 개의 대조군의 각각 16회 별도의 계산치 보다 낮은 값으로 저하시키는 것을 보여준다. 도 7도 유사한 결과를 보여준다. 보다 구체적으로는, 도 7은 본 발명에 있어서의 개선된 결과, 즉, 기판으로서 흑연 위에 본 발명의 조성물이 도포되어 결합되었을 때 더욱 개선된다는 것을 보여준다.
실시예 1
다음 성분들을 용기 내에서 교반하였다: 아크릴 에멀젼 (하이카 26138), 30%; 계면활성제 (플루로닉 P84), 3%; 탈포제 (BYK019), 1%; 듀얼라이트 (E135-040D), 10%; 및 물, 56%.
혼합물을 60분 동안 교반하여 듀얼라이트 중합체 입자를 분산시켰다. 이어서, 혼합물을 기판 상으로 분무하고, 85℃에서 10분 동안 건조시켜 비-점착성 필름을 생성시켰다. 비-점착성 필름은 약 0.1 w/mC의 열 전도도를 나타냈다. 비-점착성 필름의 0.1 mm 두께 코팅을 시험 다이 위에 놓고, 50℃의 온도에 노출시켜 8℃의 온도 강하를 얻었다.
실시예 2
다음 성분들을 용기 내에서 교반하였다: 아크릴 에멀젼 (카르보택(CARBOTAC) 1811), 30%; 계면활성제 (플루로닉 P84), 3%; 탈포제 (BYK019), 1%; 팽창되지 않은 듀얼라이트 (U020-125W), 10%; 및 물, 56%.
혼합물을 60분 동안 교반하여 듀얼라이트 중합체 입자를 분산시켰다. 이어서, 혼합물을 기판 상으로 분무하고, 100℃에서 30분 동안 건조시켜 점착성 감압성 접착제 ("PSA") 필름을 생성시켰다.
PSA 필름의 0.03 mm 두께 코팅을 시험 다이 위에 놓고, 50℃의 온도에 노출시켜 5.5℃의 온도 강하를 얻었다. 유사한 방법으로 제조되었으나, 듀얼라이트 입자를 함유하지 필름을 마찬가지로 시험 다이 위에 놓아서 2℃의 온도 강하를 얻었다.
PSA-A 필름의 0.1 mm 두께 코팅을 시험 다이 위에 놓고, 50℃의 온도에 노출시켜 6.8℃의 온도 강하를 얻었다.
실시예 3
다음 성분들을 용기 내에서 교반하였다: 아크릴 에멀젼 (하이카 26138), 30%; 계면활성제 (플루로닉 P84), 3%; 탈포제 (BYK019), 1%; 듀얼라이트 (E135-040D), 10%; 및 물, 56%.
혼합물을 60분 동안 교반하여 듀얼라이트 중합체 입자를 분산시켰다. 이어서, 혼합물을 기판 상으로 분무하고, 85℃에서 10분 동안 건조시켜 비-점착성 필름을 생성시켰다. 비-점착성 필름은 약 0.1 w/mC의 열 전도도를 나타냈다. 비-점착성 필름의 0.1 mm 두께 코팅을 시험 다이 위에 놓고, 50℃의 온도에 노출시켜 8℃의 온도 강하를 얻었다.

Claims (21)

  1. (A) 내측 표면과 외측 표면을 갖는 적어도 하나의 기판을 포함하는 하우징;
    (B) 적어도 하나의 기판의 내측 표면의 적어도 일부 상에 배치된 금속성 기판 또는 흑연 기판 상에 배치되며,
    열가소성 물질 또는 아크릴 에멀젼으로 구성된 매트릭스; 및
    매트릭스 내에 분산된 흡열 및/또는 단열 요소
    를 포함하는 흡열 및/또는 단열 조성물; 및
    (C) 반도체 패키지로서,
    I. 반도체 칩; 히트 스프레더; 및 그들 사이의 열 계면 물질, 또는
    II. 히트 스프레더; 히트 싱크; 및 그들 사이의 열 계면 물질
    중 적어도 하나를 포함하는 어셈블리를 포함하는 적어도 하나의 반도체 패키지
    를 포함하는 소비자 전자 제품.
  2. 제1항에 있어서, 반도체 어셈블리로부터 발생된 열을 제품으로부터 분산시키기 위한 배기 요소를 추가로 포함하는 제품.
  3. 제1항에 있어서, 하우징이 적어도 2개의 기판을 포함하는 것인 제품.
  4. 제1항에 있어서, 하우징이 복수의 기판을 포함하는 것인 제품.
  5. 제1항에 있어서, 기판들이 서로 맞물리도록 치수화 및 배치된 것인 제품.
  6. 제1항에 있어서, (B)의 흡열 및/또는 단열 조성물이 적어도 하나의 기판의 내측 표면의 적어도 일부 상에 배치되고, 그의 반대쪽(complementary) 외측 표면이 사용시 최종 사용자와 접촉되는 것인 제품.
  7. 제1항에 있어서, (B)의 흡열 및/또는 단열 조성물 중의 흡열 및/또는 단열 요소가 기체를 포함하는 것인 제품.
  8. 제1항에 있어서, (B)의 흡열 및/또는 단열 조성물 중의 흡열 및/또는 단열 요소가 공기를 포함하는 것인 제품.
  9. 제1항에 있어서, (B)의 흡열 및/또는 단열 조성물 중의 흡열 및/또는 단열 요소가 중공 구형 베셀 내의 기체를 포함하는 것인 제품.
  10. 제1항에 있어서, 흡열 및/또는 단열 요소가 흡열 및/또는 단열 조성물 중에 25 부피% 내지 99 부피%의 농도로 사용되는 것인 제품.
  11. 제1항에 있어서, 흡열 및/또는 단열 조성물이 전자 부품으로부터 히트 싱크로의 열 전달을 촉진하는 것인 제품.
  12. 제1항에 있어서, 열 계면 물질의 융점이 약 37℃인 제품.
  13. 제1항에 있어서, 열 계면 물질의 융점이 약 30℃인 제품.
  14. 제1항에 있어서, 열 계면 물질의 융점이 약 51℃인 제품.
  15. 제1항에 있어서, 열 계면 물질의 융점이 약 60℃인 제품.
  16. 제1항에 있어서, 열 계면 물질의 열 임피던스 (℃cm2/Watt)가 0.2 미만인 제품.
  17. 제1항에 있어서, 노트북 개인용 컴퓨터, 태블릿 개인용 컴퓨터 또는 휴대용 장치인 제품.
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