KR102529067B1 - 계면 열저항 감소를 위한 방열구조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발열체의 계면 열저항 감소를 위한 방열구조에 있어서: 상기 발열체의 일면에 시트형의 그라파이트 부재(20)와 베이퍼 챔버(30)를 적층 상태로 부착하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 휴대용 전자제품의 발열체에서 발생한 열을 온도 구배가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달함에 경박단소한 구조를 기반으로 신속한 방열을 유도하므로 작동 신뢰성과 수명을 보장하는 효과가 있다.
이에 따라, 휴대용 전자제품의 발열체에서 발생한 열을 온도 구배가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달함에 경박단소한 구조를 기반으로 신속한 방열을 유도하므로 작동 신뢰성과 수명을 보장하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 계면 열저항 감소 구조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 발열체에서 발생한 열을 온도 구배가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달하는 계면 열저항 감소를 위한 방열구조에 관한 것이다.
생활필수품으로 자리 잡은 스마트폰, 태블릿PC 등과 같은 휴대용 전자제품의 경우 내부에 탑재된 AP칩(CPU, GPU, 통신칩 등)의 발열이 제품의 작동 신뢰성과 수명에 큰 영향을 끼친다. 보편적으로 AP칩 기판은 히트싱크 그리고/또는 베이퍼 챔버 상에 열전달 특성이 양호한 TIM(Thermal Interface Material)을 사용하여 부착된다. TIM은 알루미늄 옥사이드, 아연옥사이드 또는 보론 나이트라이드 등으로 채워진 실리콘 오일로 구성될 수 있다.
기판의 방열과 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제2202435호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2019-0060074호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.
선행문헌 1은 상판과 하판 사이에 쿨런트 유로가 형성된 방열판; 쿨런트 유로에 배치된 다공부재를 포함하고, 상판과 하판 중 어느 하나는 냉각대상과 열적으로 접촉되고, 상판과 하판 중 어느 하나는 작동유체가 이동되는 작동유체 유로가 형성된 베이퍼 챔버이다. 이에, 온도 불균일을 최소화하고, 전체적으로 냉각온도를 고르게 관리하는 효과를 기대한다.
그러나, 이는 TIM을 사용하지 않아 열의 확산성이 미흡하고 다공성 부재를 쿨링하는 액체의 순환으로 구조적 복잡성을 지닌다.
선행문헌 2는 발열 소자로부터 방출된 열을 전도 받아 확산시키는 제 1 베이퍼 챔버, 회로 기판 및 제 2 플레이트사이의 일부 공간에서 발열 소자로부터 방출된 열을 전도 받아 흡수하는 히트 싱크, 히트 싱크의 열을 강제 대류시키는 팬 등을 포함한다. 이에, 전자 장치 내에서 발생된 열을 방열 시트를 이용하여 확산시켜 발열하는 효과를 기대한다.
그러나 이는 베이퍼 챔버의 열을 방열 시트로 전달하는 경로에 브래킷이 존재하여 경로상의 열저항이 높은 한계성을 보인다.
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 휴대용 전자제품의 발열체에서 발생한 열을 온도 구배가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달함에 경박단소한 구조를 기반으로 신속한 방열을 유도하는 계면 열저항 감소를 위한 방열구조를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 발열체의 계면 열저항 감소를 위한 방열구조에 있어서: 상기 발열체의 일면에 시트형의 그라파이트 부재와 베이퍼 챔버를 적층 상태로 부착하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 발열체는 고상TIM을 개재하여 그라파이트 부재와 밀착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 그라파이트 부재와 베이퍼 챔버는 10-2~10-4Torr 진공압에서 25~75℃의 온도와 5~10㎏/㎠의 압력을 작용하여 접합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 그라파이트 부재는 천연 그리고/또는 합성 소재를 사용하고, 후자는 입도가 다른 2~3종류의 팽창흑연을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 그라파이트 부재는 베이퍼 챔버의 일부를 노출시키도록 개구부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 베이퍼 챔버는 일면과 타면의 표면조도를 차등화하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 그라파이트 부재는 적어도 일면에 보호필름을 더 구비하고, 파단부를 통하여 점착제를 부여하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 휴대용 전자제품의 발열체에서 발생한 열을 온도 구배가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전달함에 경박단소한 구조를 기반으로 신속한 방열을 유도하므로 작동 신뢰성과 수명을 보장하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 AP칩 방열 구조를 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 주요부의 일예를 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 주요부의 다른 예를 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 주요부의 샘플을 나타내는 사진
도 5는 본 발명에 따른 방열 성능을 나타내는 비교 도표
도 2는 본 발명에 따른 주요부의 일예를 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 주요부의 다른 예를 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 주요부의 샘플을 나타내는 사진
도 5는 본 발명에 따른 방열 성능을 나타내는 비교 도표
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 전자제품 발열체의 계면 열저항 감소를 위한 방열구조에 관하여 제안한다. 스마트폰, 태블릿PC 등과 같은 휴대용 전자제품의 내부에 탑재된 AP칩(13)의 방열을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 전자제품을 구성하는 발열체(10), 디스플레이(11), 후면커버(12) 등이 나타난다. 발열체(10)인 AP칩(13)의 전면 디스플레이(11)보다 후면커버(12) 측으로 많은 열을 전달시키지 않으면 전후면의 온도 언밸런스로 전면의 온도가 후면의 온도보다 구조적으로 높게 유지된다. 디스플레이(11)와 코어 PCB 사이에 형성된 에어갭도 수평방향으로 열을 확산하는데 불리하다.
본 발명에 따르면 상기 발열체의 일면에 시트형의 그라파이트 부재(20)와 베이퍼 챔버(30)를 적층 상태로 부착하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 1에서, 시트형 그라파이트 부재(20)와 베이퍼 챔버(30)를 적층한 방열체가 AP칩(13)과 후면커버(12) 사이에 개재된 상태를 나타낸다. 그라파이트 부재(20)는 하측으로 베이퍼 챔버(30)는 상측으로 배치된다. 이러한 구조는 베이퍼 챔버(30)와 그라파이트 부재(20) 사이에서 발생하는 열저항을 크게 줄인다. AP칩(13)으로부터 베이퍼 챔버(30)로 전달된 열이 보다 빠른 시간내에 그라파이트 부재(20)를 통하여 확산되고 후면커버(12)로 신속하게 방출된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 발열체는 고상TIM(15)을 개재하여 그라파이트 부재(20)와 밀착되는 것을 특징으로 한다.
도 1에서, AP칩(13)의 하측으로 고상TIM(15)이 밀착된 상태를 나타낸다. 보편적으로 휴대용 전자제품 발열체(10)에는 써멀그리스와 같은 액상의 TIM이 적용된다. 고상TIM(15)은 계면 접착성, 열전도성, 내구성을 갖춘 복합 고분자 소재(카본 파이버 등)를 사용하여 구성할 수 있다. AP칩(13)과 고상TIM(15)은 실드캔(Shield Can)의 내부에 수용할 수 있다.
한편, 본 발명은 AP칩(13)과 후면커버(12) 사이에 에어갭을 두지 않으며, 후면커버(12)는 메탈 소재를 사용하는 것이 선호된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 그라파이트 부재(20)와 베이퍼 챔버(30)는 10-2~10-4Torr 진공압에서 25~75℃의 온도와 5~10㎏/㎠의 압력을 작용하여 접합하는 것을 특징으로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 그라파이트 부재(20)와 베이퍼 챔버(30)가 적층 방열체를 구성하는 상태를 나타낸다. 그라파이트 부재(20)와 베이퍼 챔버(30)의 접합시 진공압을 작용하면 계면에서 기공(void)을 제거하여 열확산 성능의 저하를 방지한다. 다만 적정 진공압 범위 10-2~10-4Torr보다 저진공이면 기공 제거가 미흡하고 고진공으로 하는 것은 성능 대비 비용을 증대한다. 적층 방열체의 공정 온도와 압력은 진공도를 감안하여 적정 범위 내에서 변동이 가능하다.
한편, 그라파이트 부재(20)의 외형은 전자제품의 종류에 따라 다양화되며, 대칭 형태에 한정되지 않고 비대칭 형태로 적용될 수도 있다. 어느 경우에나 베이퍼 챔버(30)는 그라파이트 부재(20)의 중간 영역에 배치된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 그라파이트 부재(20)는 천연 그리고/또는 합성 소재를 사용하고, 후자는 입도가 다른 2~3종류의 팽창흑연을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그라파이트 부재(20)는 천연 소재와 인조(합성) 소재를 구분하지 않고 적용할 수 있다. 다만 합성 소재의 그라파이트 부재(20)는 발열체(10)의 크기, 발열량 등의 조건에 따라 물성을 조절하기 유리하다. 이 경우 입도가 다른 2~3종류의 팽창흑연을 포함하면 열을 수평으로 확산하는 기능의 변동이 가능하다. 팽장흑연의 입자경은 40~60㎛, 100~150㎛, 250~300㎛ 중에서 복수로 선택할 수 있다. 이는 그라파이트 부재(20)의 두께 0.1㎜를 기준으로 하며, 두께의 증감에 따라 입자경도 비례적으로 증감시킨다. 어느 경우에나 합성 그라파이트 부재(20)는 입도가 다른 팽창흑연을 고르게 배합되도록 한다.
한편, 그라파이트 부재(20)는 천연 소재와 합성 소재를 복합적으로 적용할 수도 있다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 그라파이트 부재(20)는 베이퍼 챔버(30)의 일부를 노출시키도록 개구부(22)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 그라파이트 부재(20)의 일부 영역에 개구부(22)가 형성된 상태를 나타낸다. 개구부(22)는 베이퍼 챔버(30)가 노출되는 부분으로서 AP칩(13)과 대응되는 영역으로 설정할 수 있다. 개구부(22)는 AP칩(13)과 동일하거나 다소 작은 영역으로 한정하는 것이 좋다. 개구부(22)은 원형이나 각형으로 형성하며, 베이퍼 챔버(30)와 접합하기 전에 절개한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 베이퍼 챔버(30)는 일면과 타면의 표면조도를 차등화하도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
도시에는 생략하나, 베이퍼 챔버(30)는 박판의 금속 또는 금속계 복합재료 챔버 내부에 작동유체와 심지를 수용한 구조를 적용할 수 있다. 베이퍼 챔버(30)에서 AP칩(13)과 대향하는 상면이 그라파이트 부재(20)와 접촉되는 하면보다 표면조도가 작아 매끄러운 상태로 유지할 수 있다. 표면조도의 차등화는 열전도성, 접합성 등을 고려하여 결정한다. 베이퍼 챔버(30)의 외형도 그라파이트 부재(20)처럼 다양화된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 그라파이트 부재(20)는 적어도 일면에 보호필름(40)을 더 구비하고, 파단부(25)를 통하여 점착제를 부여하는 것을 특징으로 한다.
도 2 및 도 3에서, 보호필름(40)은 그라파이트 부재(20)와 베이퍼 챔버(30)를 접합한 방열체의 단면 또는 양면에 설치된다. 단면의 보호필름(40)은 AP칩(13)과 대향하지 않는 반대측에 부착하고, 양면의 보호필름(40)은 AP칩(13)과 대향하는 국부 영역을 절개한다. 보호필름(40)은 포켓 용도로서 그라파이트 부재(20)와 베이퍼 챔버(30)의 박리를 방지한다. 파단부(25)는 원형 또는 막대형으로 다수의 지점에 형성되며 파단된 부분으로 점착제를 침투시켜 양호한 접합력을 유지한다. 파단부(25)는 베이퍼 챔버(30)의 외측 영역으로 고르게 배치한다.
도 5를 참조하면, 기존의 방열 구조와 본 발명의 방열 구조를 대비하는 성능 그래프가 나타난다. CF TIM은 고상TIM(15)을 의미한다. 도 5(a)에서 본 발명의 청색 그래프가 3D 벤치마킹 점수가 높게 나타난다. 도 5(b)에서 디스플레이(11)가 배치된 전면의 온도가 3℃ 정도 개선된 것으로 나타난다. 도 5(c)에서 후면의 온도는 이 보다 개선폭이 작으나 전후면 온도 언밸런스는 개선된다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 발열체 11: 디스플레이
12: 후면커버 13: AP칩
15: 고상TIM 17: 차폐필름
20: 그라파이트 부재 22: 개구부
25: 파단부 30: 베이퍼 챔버
40: 보호필름
12: 후면커버 13: AP칩
15: 고상TIM 17: 차폐필름
20: 그라파이트 부재 22: 개구부
25: 파단부 30: 베이퍼 챔버
40: 보호필름
Claims (7)
- 발열체의 계면 열저항 감소를 위한 방열구조에 있어서:
상기 발열체의 일면에 시트형의 그라파이트 부재(20)와 베이퍼 챔버(30)를 적층 상태로 부착하여 구성되되,
상기 발열체의 하측으로 고상TIM(15)이 밀착되고, 고상TIM(15)의 하측으로 그라파이트 부재(20)가 배치되며,
상기 그라파이트 부재(20)는 천연 그리고/또는 합성 소재를 사용하고, 상기 합성 소재는 입도가 다른 2~3종류의 팽창흑연을 포함하며,
상기 그라파이트 부재(20)는 베이퍼 챔버(30)의 일부를 노출시키도록 개구부(22)를 더 구비하고,
상기 그라파이트 부재(20)는 적어도 일면에 보호필름(40)을 더 구비하고, 파단부(25)를 통하여 점착제를 부여하는 것을 특징으로 하는 계면 열저항 감소를 위한 방열구조. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 그라파이트 부재(20)와 베이퍼 챔버(30)는 10-2~10-4Torr 진공압에서 25~75℃의 온도와 5~10㎏/㎠의 압력을 작용하여 접합하는 것을 특징으로 하는 계면 열저항 감소를 위한 방열구조. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 베이퍼 챔버(30)는 일면과 타면의 표면조도를 차등화하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 계면 열저항 감소를 위한 방열구조. - 삭제
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| KR1020220101897A KR102529067B1 (ko) | 2022-08-16 | 2022-08-16 | 계면 열저항 감소를 위한 방열구조 |
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| KR20090012611U (ko) * | 2008-06-05 | 2009-12-09 | 위덕대학교 산학협력단 | 전원 공급 장치를 내장한 ｌｅｄ 조명 기구 |
| KR20170030711A (ko) * | 2015-09-09 | 2017-03-20 | 주식회사 노마드인터내셔널 | 열적 특성이 우수한 박형 그라파이트 방열 시트의 제조 방법 |
| KR20190060074A (ko) | 2017-11-24 | 2019-06-03 | 삼성전자주식회사 | 방열 구조를 포함하는 전자 장치 |
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2022
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