KR200334328Y1

KR200334328Y1 - Ceramic heat sink with micro-pores structure

Info

Publication number: KR200334328Y1
Application number: KR20-2003-0028655U
Authority: KR
Inventors: 수채비
Original assignee: 에이비씨 타이완 일렉트로닉스 코포레이션
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2003-11-21

Abstract

본 고안의 세라믹 히트 싱크는 열원의 표면 상에 장착되는 열전도층(1), 열전도층(1)과 결합되며 상대적으로 큰 표면적을 제공하도록 중공형 결정을 구비한 미세공 구조를 갖는 열방산층(2), 및 강제 대류 효과를 제공하도록 열방산층(2) 상에 장착되는 냉각 팬(4)을 포함한다.The ceramic heat sink of the present invention has a heat dissipation layer (1) mounted on the surface of a heat source, a heat dissipation layer (2) having a microporous structure with hollow crystals in combination with the heat conductive layer (1) and providing a relatively large surface area. ), And a cooling fan 4 mounted on the heat dissipation layer 2 to provide a forced convection effect.

Description

Ceramic Heat Sink with Microporous Structure {CERAMIC HEAT SINK WITH MICRO-PORES STRUCTURE}

본 고안은 열방산 효과를 높일 수 있는 미세공 구조를 갖는 세라믹 히트 싱크에 관한 것이다.The present invention relates to a ceramic heat sink having a microporous structure that can enhance the heat dissipation effect.

미시적 화학의 액체-액체 상 전환(liquid-liquid phase transformation)에 관하여 하기와 같이 설명한다. 본 고안은 유기 슬러리 중에 들어 있는 2종의 유기 용제(톨루엔 및 알코올)을 이용하여 친수성 고분자 바인더와 혼합함으로써 하나의 혼합물을 형성한다. 알코올은 물과 충분량 혼합되고(친수성), 톨루엔 작용성 라디칼은 물과 반발한다(소수성). 따라서, 톨루엔과 친수성 작용 라디칼은 용해되지 않으므로 상기 혼합물을 교반하여 겔 형상의 슬러리를 형성할 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 세라믹은 겔을 통해 접합된다. 도 2(A) 및 2(B)에 나타낸 바와 같이, 상대적으로 직경이 큰 입자는 반 데어 발스 힘(Van der Waal's force)에 의해 즉시 응집되며, 상대적으로 직경이 작은 입자는 직경이 큰 입자군의 주변에 채워진다. 고분자 바인더 및 무리 재료는 정상상태(steady-state) 공유 결합을 형성한다.Micro-liquid liquid-liquid phase transformation is described as follows. The present invention forms a mixture by mixing with a hydrophilic polymeric binder using two organic solvents (toluene and alcohol) contained in an organic slurry. Alcohol is sufficiently mixed with water (hydrophilic) and toluene functional radicals repel water (hydrophobic). Thus, toluene and hydrophilic functional radicals are not dissolved and the mixture can be agitated to form a gel slurry. As shown in FIG. 1, the ceramic is bonded through a gel. As shown in Figs. 2 (A) and 2 (B), relatively large diameter particles are immediately aggregated by Van der Waal's force, and relatively small diameter particles are larger in diameter. Is filled around. The polymeric binder and flock material form steady-state covalent bonds.

물리적 원리를 이하에 설명한다. 나노미터 분말 재료는 통상의 재료와 상이한 특징을 갖는다. 따라서, 직경이 상이한 세라믹 분말은 나노미터 재료의 특징을 성취하도록 혼합될 수 있다. 본 고안은 직경이 상대적으로 작은 분말(서브미크론급, 예를 들면 0.13 ㎛)을 채용하고, 최적의 열방산 효과를 얻기 위해 미세공 구조를 갖는 세라믹을 형성하도록 상기 분말을 소결한다. 또한, 최적의 공극률(porosity) 및 기계적 강도를 얻기 위해 소결 과정중에 온도 상승 조건을 제어할 필요가 있다.The physical principle is described below. Nanometer powder materials have different characteristics from conventional materials. Thus, ceramic powders of different diameters can be mixed to achieve the characteristics of the nanometer material. The present invention employs a relatively small diameter powder (submicron grade, for example 0.13 탆), and sinters the powder to form a ceramic having a microporous structure in order to obtain an optimal heat dissipation effect. In addition, it is necessary to control the temperature rise conditions during the sintering process in order to obtain optimum porosity and mechanical strength.

이하에서 물리적 열전달 원리를 설명한다. 열전달 효과에는 열전도, 열대류 및 열복사가 포함된다. 복사가 전달할 수 있는 에너지는 너무 작아서 복사 효과는 고려되지 않는다. 따라서 열전도 및 열대류에 의한 열전달 효과만을 고려한다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 컴퓨터에서 열 에너지는 열전도 효과에 의해 물체의 표면에 전달된다. 이어서, 열 에너지는 매체에 의해 휩쓸려 가게 되어 물체의 온도가 떨어진다. 이와 같이 열대류 효과에 의해 컴퓨터의 CPU에 있는 칩에 의해 발생된 열은 공기에 의해 휩쓸려 제거될 수 있다.The physical heat transfer principle will be described below. Heat transfer effects include heat conduction, tropical convection and heat radiation. The energy that radiation can transfer is so small that the radiation effect is not taken into account. Therefore, only the heat transfer effect by heat conduction and tropical flow is considered. As shown in FIG. 3, in a computer, thermal energy is transferred to the surface of an object by a thermal conduction effect. The thermal energy is then swept away by the medium and the temperature of the object drops. In this way, the heat generated by the chips in the computer's CPU can be swept away by air.

열전도 효과의 수학식은 다음에 기재하는 바와 같다.The equation of the heat conduction effect is as described below.

Q = K×A×ΔT/ΔX,Q = K × A × ΔT / ΔX,

상기 식에서 Q는 에너지, K는 열전도 계수, A는 기판의 면적, ΔT는 온도차, 그리고 ΔX는 기판의 두께이다.Where Q is energy, K is the thermal conductivity coefficient, A is the area of the substrate, ΔT is the temperature difference, and ΔX is the thickness of the substrate.

본 고안의 목적은 종래의 히트 싱크에 비해 열방산 효과가 높고 제조 비용이 저렴한 히트 싱크를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a heat sink having a higher heat dissipation effect and a lower manufacturing cost than a conventional heat sink.

도 1은 액체-액체 상 전환에 관한 그래프이다.1 is a graph of liquid-liquid phase conversion.

도 2(A)는 입자 분산제 시뮬레이션의 개략도이다.2 (A) is a schematic diagram of a particle dispersant simulation.

도 2(B)는 입자 에멀젼 중합을 나타내는 개략도이다.2 (B) is a schematic diagram showing particle emulsion polymerization.

도 3은 열전도의 원리를 나타내는 개략도이다.3 is a schematic diagram showing the principle of thermal conduction.

도 4(A)는 상승 온도의 설정을 나타내는 표이다.4A is a table showing the setting of the rise temperature.

도 4(B)는 상승 온도 곡선을 나타내는 그래프이다(THERMOTRACKER 온도 모니터를 이용하여 작성됨).4 (B) is a graph showing an elevated temperature curve (created using a THERMOTRACKER temperature monitor).

도 5(A)는 슬러리 미분화 시간과 분말 직경 사이의 관계를 나타내는 표이다.5 (A) is a table showing the relationship between slurry micronization time and powder diameter.

도 5(B)는 슬러리 미분화 시간과 분말 직경 사이의 관계를 나타내는 그래프이다(HORIBA LA-920 직경 분석기의 데이터를 이용하여 작성됨).FIG. 5B is a graph showing the relationship between slurry micronization time and powder diameter (created using data from a HORIBA LA-920 diameter analyzer).

도 6은 본 고안의 어셈블리의 일 실시예를 예시하는 평면 단면도이다.6 is a planar cross-sectional view illustrating one embodiment of an assembly of the present invention.

도 7은 본 고안의 어셈블리의 또 다른 실시예를 예시하는 평면 단면도이다.7 is a plan sectional view illustrating another embodiment of the assembly of the present invention.

도 8은 본 고안의 어셈블리의 또 다른 실시예를 예시하는 평면 단면도이다.8 is a planar cross-sectional view illustrating yet another embodiment of the assembly of the present invention.

도 9는 본 고안의 어셈블리의 또 다른 실시예를 예시하는 평면 단면도이다.9 is a planar cross-sectional view illustrating yet another embodiment of the assembly of the present invention.

도 10은 테스트 모듈의 어셈블리에 대한 평면 단면도이다.10 is a plan sectional view of an assembly of a test module.

도 11은 1.8 GHz CPU 상에 장착된 히트 싱크(구리 3 mm 및 세라믹 1.8 mm)의 온도 곡선을 나타내는 그래프이다(THERMOTRACKER 온도 모니터를 이용하여 작성됨).11 is a graph showing a temperature curve of a heat sink (copper 3 mm and ceramic 1.8 mm) mounted on a 1.8 GHz CPU (created using a THERMOTRACKER temperature monitor).

도 12는 다른 히트 싱크(구리 2.0 mm 및 세라믹 1.8 mm)의 온도 곡선을 나타내는 그래프이다.12 is a graph showing the temperature curves of different heat sinks (copper 2.0 mm and ceramic 1.8 mm).

도 13은 또 다른 히트 싱크(구리 3.0 mm 및 세라믹 1.8 mm)의 온도 곡선을 나타내는 그래프이다.13 is a graph showing the temperature curve of another heat sink (3.0 mm copper and 1.8 mm ceramic).

도 14는 또 다른 히트 싱크(알루미늄 3.0 mm 및 세라믹 1.8 mm)의 온도 곡선을 나타내는 그래프이다.14 is a graph showing the temperature curve of another heat sink (3.0 mm aluminum and 1.8 mm ceramic).

도 15는 또 다른 히트 싱크(알루미늄 4.0 mm 및 세라믹 1.8 mm)의 온도 곡선을 나타내는 그래프이다.15 is a graph showing the temperature curve of another heat sink (4.0 mm aluminum and 1.8 mm ceramic).

도 16은 히트 싱크의 치수와 비용을 계산한 표이다.16 is a table that calculates the dimensions and the cost of the heat sink.

도 6을 참조하면, 세라믹 히트 싱크는 컴퓨터의 CPU(중앙 연산부)(5)의 표면 상에 접합된 열전도층(1), 열전도층(1)과 결합되는 열방산층(heat dissipation layer)(2), CPU(5)에 의해 발생된 열을 운반하기 위한 열방산층(2) 상에 장착되는 냉각 팬(cooling fan)(4), 및 냉각 팬(4)과 열방산층(2) 사이에 장착되는 복수의 스페이서(3)를 포함한다. 열방산층(2)은 세라믹 마이크로셀(micro-cell) 구조를 형성하기 위해 미시적 화학의 액체-액체 상 전환 원리를 이용한다. 세라믹 마이크로셀 구조는 서브미크론 분말과 혼합되고, 이어서 소결됨으로써 중공형 결정(hollow crystal)과 함께 미세공 구조를 갖는 열방산층(2)을 형성한다. 열방산층은 약 0.09 ㎛ 내지 0.30 ㎛의 분말 직경 및 약 5% 내지 40%의 공극률을 갖는다. 열전도층(1)은 열원으로부터 열을 흡수하도록 CPU(5)와 접촉되어 있다. 따라서, 열전도층(1)은 열원으로부터 열을 흡수하고, 열방산층(2)은 중공형 결정을 구비한 미세공 구조를 가지며, 공기는 열방산의 매체로서의 기능을 하며, 냉각 팬(4)은 강제 대류 효과(forced convection effect)를 제공함으로써, 세라믹 히트 싱크의 열방산 용량이 크게 높아진다. 열전도층(1)은 열전도 계수 K가 380 W/mK인 동판(銅板)으로 만들어진다.Referring to FIG. 6, a ceramic heat sink is a heat dissipation layer 2 bonded to a heat conduction layer 1 and a heat conduction layer 1 bonded on a surface of a CPU (central computing unit) 5 of a computer. , A cooling fan 4 mounted on the heat dissipation layer 2 for carrying heat generated by the CPU 5, and a plurality mounted between the cooling fan 4 and the heat dissipation layer 2. It includes a spacer (3) of. The heat dissipation layer 2 utilizes the liquid-liquid phase conversion principle of microchemistry to form a ceramic micro-cell structure. The ceramic microcell structure is mixed with the submicron powder and then sintered to form a heat dissipation layer 2 having a microporous structure together with a hollow crystal. The heat dissipation layer has a powder diameter of about 0.09 μm to 0.30 μm and a porosity of about 5% to 40%. The thermal conductive layer 1 is in contact with the CPU 5 to absorb heat from the heat source. Therefore, the heat conductive layer 1 absorbs heat from the heat source, the heat dissipating layer 2 has a microporous structure with hollow crystals, the air functions as a medium for heat dissipation, and the cooling fan 4 is By providing a forced convection effect, the heat dissipation capacity of the ceramic heat sink is greatly increased. The heat conductive layer 1 is made of copper plate whose thermal conductivity coefficient K is 380 W / mK.

도 7을 참조하면, 세라믹 히트 싱크는 열전도층(1)과 열방산층(2) 사이에 삽입되는 에폭시층(6)을 포함한다.Referring to FIG. 7, the ceramic heat sink includes an epoxy layer 6 inserted between the heat conducting layer 1 and the heat dissipating layer 2.

도 8을 참조하면, 세라믹 히트 싱크는 열전도층(1)과 열방산층(2)을 결합하기 위한 스냅핑 툴(snapping tool)(7)을 포함한다.Referring to FIG. 8, the ceramic heat sink includes a snapping tool 7 for coupling the heat conducting layer 1 and the heat dissipating layer 2.

도 9를 참조하면, 세라믹 히트 싱크는 냉각 팬(4)을 스냅핑하며 열전도층(1)과 열방산층(2)을 결합하기 위한 스냅핑 툴(8)을 포함한다.Referring to FIG. 9, the ceramic heat sink includes a snapping tool 8 for snapping the cooling fan 4 and for coupling the heat conducting layer 1 and the heat dissipating layer 2.

세라믹 히트 싱크의 제조 방법의 예를 이하에 예시한다. 세라믹 재료 137.87 g, 알코올(EtOH) 25.06 g, 톨루엔 37.06 g 및 분산제(예를 들면 byk-111) 2.76 g(세라믹 재료의 중량의 2.0%)을 준비하는데, 여기서 균일한 분산을 보장할 수 있도록 점도는 약 5 cp 내지 10 cp이다. 이어서, 상기 혼합물을 미분화(mortar)하고 밀 볼(mill ball)(예를 들면, 직경에 따른 비가 3mm:10mm:30mm = 5:3:2인 Zr₂O 밀 볼)로 교반함으로써 서브미크론 분말의 슬러리를 형성한다. 혼합물을 미분화하고 밀 볼로 교반할 때, Zr₂O 밀 볼은 세 가지 상이한 직경을 채택할 수 있고(분말의 직경은 약 0.09 ㎛ 내지 0.30 ㎛임), 혼합물은 12시간 동안 더 낮은 회전 속도로 미분화된다. 도 5(A) 및 5(B)는 슬러리의 미분화 시간과 분말 직경 사이의 관계를 나타낸다. 계속해서, 폴리비닐알코올(PVA) 0.4 g 및 물 9.6 g을 균일하게 교반하여 바인더(PVA = 4%)를 형성한다. 계속해서, 서브미크론 분말 슬러리 5 g을 상기 바인더 5 g(PVA = 4%)과 혼합하고, 그 혼합물을 강하게 교반하여 미세공 구조를 형성한다. 계속해서, 벌크 형상(bulk-shaped)의 고체 미세공 구조를 곱게 미분화하여 미세 분말로 만들고, 이것을 특수 고정구(fixture) 내에서 펀칭하여 소정 형상을 갖는 열방산층을 형성한다. 계속해서, 균일한 공간이 형성되도록 상기 열방산층을 3단계 온도 상승 방식으로 소결함으로써 중공형 결정을 구비한 미세공 구조를 가진 열방산층을 형성한다. 도 4(A) 및 4(B)는 상승 온도의 설정을 나타낸다. 최종적으로, 실버-프린팅(silver-printing) 방식으로 열전도층을 열방산층 상에 인쇄하고, 150℃의 온도에서 2분간 건조시킨다.An example of the manufacturing method of a ceramic heat sink is illustrated below. 137.87 g of ceramic material, 25.06 g of alcohol (EtOH), 37.06 g of toluene and 2.76 g of a dispersant (for example byk-111) (2.0% of the weight of the ceramic material) are prepared, with a viscosity to ensure uniform dispersion. Is about 5 cp to 10 cp. Subsequently, the mixture was mortared and stirred with a mill ball (e.g., Zr ₂ O mill ball having a ratio of diameter of 3 mm: 10 mm: 30 mm = 5: 3: 2) of the submicron powder. Form a slurry. When the mixture is micronized and stirred with mill balls, the Zr ₂ O mill balls can adopt three different diameters (the diameter of the powder is from about 0.09 μm to 0.30 μm), and the mixture is micronized at a lower rotational speed for 12 hours. do. 5 (A) and 5 (B) show the relationship between the micronization time of the slurry and the powder diameter. Subsequently, 0.4 g of polyvinyl alcohol (PVA) and 9.6 g of water are uniformly stirred to form a binder (PVA = 4%). Subsequently, 5 g of the submicron powder slurry is mixed with 5 g of the binder (PVA = 4%), and the mixture is vigorously stirred to form a microporous structure. Subsequently, the bulk-shaped solid microporous structure is finely divided into fine powder, which is punched in a special fixture to form a heat dissipation layer having a predetermined shape. Subsequently, the heat dissipating layer is sintered in a three-step temperature rising manner so that a uniform space is formed, thereby forming a heat dissipating layer having a microporous structure with hollow crystals. 4 (A) and 4 (B) show the setting of the rise temperature. Finally, the heat conductive layer is printed on the heat dissipating layer by silver-printing method, and dried at a temperature of 150 ° C. for 2 minutes.

시험 과정에서, 하기 방법으로 세라믹 히트 싱크를 시험한다.In the course of the test, the ceramic heat sink is tested in the following manner.

도 10에 나타낸 바와 같이, 테스트 모듈은 4개의 온도 측정 지점(X, Y, T, Z)을 포함하는데, 여기서 T는 주변 온도, Z는 공기 유입 온도, X는 CPU(5)의 온도, 그리고 Y는 열방산층(2)의 온도이다. 열원으로는 인텔 펜티엄(Intel Pentium)-4 CPU를 채택하고, 냉각 팬(4)으로는 인텔 A65061-002, DC 12V, 0.16A, 4600 rpm을 채택하며, 온도 기록계로는 THERMO TRACKER, PRO-1000을 채택한다.As shown in FIG. 10, the test module includes four temperature measurement points (X, Y, T, Z), where T is the ambient temperature, Z is the air inlet temperature, X is the temperature of the CPU 5, and Y is the temperature of the heat dissipation layer 2. Intel Pentium-4 CPU as heat source, Intel A65061-002, DC 12V, 0.16A, 4600 rpm as cooling fan (4), THERMO TRACKER, PRO-1000 as temperature recorder Adopt.

도 16에 나타낸 바와 같이, 재료의 길이×폭이 70×70mm인 경우에, 재료의 비용은 다음과 같이 계산된다. 알루미늄의 가격은 87 NT 달러/Kg×사용된 중량이고, 구리의 가격은 98 NT 달러/Kg×사용된 중량이고, MPC(미세공 세라믹)의 가격은 25 NT 달러/Kg×사용된 중량이며, 에폭시의 가격은 100 NT 달러/Kg×사용된 중량이다. 상기 재료의 비용 및 히트 싱크의 중량은 종래의 알루미늄 압출형 히트 싱크에 비해 훨씬 우월하다.As shown in Fig. 16, when the length x width of the material is 70x70 mm, the cost of the material is calculated as follows. The price of aluminum is $ 87 NT / Kg × used weight, the price of copper is $ 98 NT / Kg × used weight, and the price of MPC (microporous ceramic) is $ 25 NT / Kg × used weight, The price of epoxy is 100 NT dollars / Kg × weight used. The cost of the material and the weight of the heat sink are much superior to conventional aluminum extruded heat sinks.

도 12 내지 도 15에 나타낸 바와 같이, 비교에서 알루미늄은 상대적으로 작은 열전도 계수를 가지기 때문에 Z축 열전도 용량은 세라믹 미세공 구조에 의해 장애를 받고, 그로 인해 초기 시험 단계에서 큰 온도차를 발생하기 때문에 알루미늄은 시작 단계용으로 적합하지 않다.As shown in Figures 12 to 15, the Z-axis heat conduction capacity is impeded by the ceramic micropore structure because aluminum in comparison has a relatively small coefficient of thermal conductivity, thereby causing a large temperature difference in the initial testing stage. Is not suitable for the start phase.

도 11에 나타낸 바와 같이, 히트 싱크의 온도 상승 곡선을 예시하는데, 여기서 측정 지점 X에서의 온도가 시작 단계에서 43℃에 불과하며, 작동 후 소정 시간이 경과되는 동안에도 47℃에 불과하므로 열방산 효율이 우수하다.As shown in FIG. 11, the temperature rise curve of the heat sink is illustrated, where the temperature at the measuring point X is only 43 ° C. at the start stage, and only 47 ° C. during a predetermined time after operation, thereby dissipating heat. The efficiency is excellent.

본 고안에 의하면 종래의 히트 싱크에 비해 열방산 효과가 높고 제조 비용이 저렴한 히트 싱크를 얻을 수 있다.According to the present invention, a heat sink having a higher heat dissipation effect and a lower manufacturing cost than a conventional heat sink can be obtained.

Claims

At least one thermal conductive layer 1 mounted on the surface of the heat source;

A heat dissipation layer (2) coupled to the heat conductive layer (1) and having a micro-pore structure having hollow crystals to provide a relatively large surface area; And

Cooling fan 4 mounted on the heat dissipation layer 2 to provide a forced convection effect

Ceramic heat sink comprising a.

The method of claim 1,

Said heat dissipating layer (2) having a powder diameter of about 0.09 μm to 0.30 μm.

The method of claim 1,

Ceramic heat sink having a porosity of about 5% to 40%.

The method of claim 1,

Ceramic heat sink further comprising an epoxy layer (6) inserted between the heat conducting layer (1) and the heat dissipation layer (2).

The method of claim 1,

And a snapping tool (7) for joining said heat conducting layer (1) and said heat dissipating layer (2).

The method of claim 1,

And a snapping tool (8) for snapping said cooling fan (4) and for coupling said heat conducting layer (1) and said heat dissipating layer (2).