KR20050084845A - 탄소질 열 확산기 및 관련 방법 - Google Patents

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Abstract

열 확산기는, 각각 실질적으로 적어도 하나의 다른 탄소질 입자와 접촉하고 있는 복수의 탄소질 입자들을 포함한다. 비-탄소질 물질은 상기 복수의 탄소질 입자를 복합 매스(mass)로 실질적으로 결합시킨다. 상기 탄소질 입자는 다이아몬드 입자이다. 상기 탄소질 입자는 적어도 열 확산기의 50 부피%의 양으로 존재할 수 있다. 상기 비-탄소질 물질은 적어도 열 확산기의 5 부피%의 양으로 존재할 수 있다. 상기 비-탄소질 무질은 Cu, Al, 및 Ag로 구성된 그룹에서 선택된 원소를 포함할 수 있다. 또다른 양태에서, 열 확산기는 다이아몬드 입자 매스를 포함하는데, 여기서 각각의 다이아몬드 입자는 적어도 하나의 다른 다이아몬드 입자에 실질적으로 소결된다.

Description

탄소질 열 확산기 및 관련 방법{Carbonaceous Heat Spreader and Associated Methods}
우선권 정보
본 출원은 여기에 각각 참고문헌으로 첨부되어 있는 미국 특허출원 10/270,018호(2002년 10월 11일 출원) 및 10/453,469호(2003년 6월 2일 출원)에 대하여 우선권을 주장한다.
기술분야
본원 발명은 열원으로부터 열을 빼앗아 흡수하거나 열을 전도하는데 사용될 수 있는 탄소질 장치 및 시스템에 관련된다. 따라서, 본원 발명은 화학, 물리학, 및 물질 과학 분야에 관련된다.
반도체 산업에서의 진보는 인텔(Intel)의 공동 창설자 고든 무어(Gordon Moore)에 의하여 1965년에 제안된 무어의 법칙(Moore's Law)의 추세에 따라왔다. 이러한 추세는 집적회로 또는 일반적으로, 반도체 칩(chip)의 용량이 18개월 마다 2배로 될 것을 요한다. 그러므로 2002년에 중앙처리장치(CPU)에 있는 트랜지스터(transistor)의 숫자는 약 1억개에 달했다. 이러한 회로의 고밀도화의 결과로, 2002년에는 선폭이 0.18 ㎛로 좁아졌으며, 더욱 개선된 칩들은 0.13㎛만큼 얇은 전선(wire)을 사용하고 있다. 이러한 추세가 계속되면서, 0.1㎛의 외관상 불침투성의 "포인트 원(Point One)" 배리어(barrier)를 앞으로 수년 후에 얻어 능가할 수 있을 것으로 보인다.
이러한 진보와 함께 다양한 디자인 도전을 하게 되었다. 종종 간과되는 도전의 하나는 열 손실(heat dissipation)에의 도전이다. 수차례 이러한 디자인의 측면(phase)을 무시하거나, 상기 구성요소를 제조하기 전 가장 마지막 순간의 디자인으로 첨가하였다. 열역학 제 2법칙에 따라, 폐쇄 시스템에서 더 많은 작업이 수행될수록, 얻게 되는 엔트로피는 더 높아진다. CPU 전력이 증가하면서, 전자의 더 큰 흐름(flow)은 더 많은 열량을 제조한다. 그러므로, 상기 회로의 숏팅 아웃(shorting out) 또는 버닝 아웃(burning out)을 방지하기 위하여, 엔트로피의 증가로 인한 열을 제거하여야 한다. 일부 선행기술의 CPU는 약 60W의 전력을 가진다. 예를 들어, 0.13㎛ 기술로 만들어진 CPU는 100W를 능가한다. 금속(예컨대, Al 또는 Cu) 핀 라이에이터(fin radiator) 및 수증기 열파이프를 사용하는 방법과 같은 현재의 열 손실 방법은 미래 세대의 CPU를 충분히 냉각시키기에는 부적합하게 될 것이다.
최근에, 세라믹 열 확산기(heat spreader)(예컨대, AIN) 및 금속 매트릭스 혼합 열 확산기(예컨대, SiC/Al)는 열 발생량 증가에 대항하는데 사용되어져 왔다. 그러나 이러한 물질들은 기껏해야 Cu의 열전도성을 가지므로, 반도체 칩으로부터 열을 손실시키는 이들의 성능은 제한된다.
전형적인 반도체 칩은 밀접하게 패킹된 금속 도체들(예컨대, Al, Cu) 및 세라믹 절연체들(예컨대, 산화물, 질화물)을 함유한다. 상기 금속의 열팽창(thermal expansion)은 전형적으로 세라믹의 열팽창의 5 - 10배이다. 상기 칩을 60℃ 미만으로 가열하였을 때, 금속과 세라믹스 사이의 열팽창의 불일치(mismatch)는 미세균열을 생성할 수 있다. 반복되는 온도 순환은 칩에 대하여 손상을 악화시키는 경향이 있다. 결과적으로, 상기 반도체의 작업 성능은 나빠진다. 더욱이, 온도가 90℃ 이상에 도달하였을 때, 상기 칩의 반도체 부분은 도체로 되어, 칩의 기능을 잃을 수도 있다. 또한, 상기 회로는 손상을 입게 되며, 반도체는 더 이상 사용할 수 없게 된다[즉, "소진"된다]. 그러므로 상기 반도체의 작업성능을 유지하기 위하여는, 이들의 온도를 한계 수준(threshold level, 예컨대, 90℃) 미만으로 유지하여야 한다.
전통적인 열 손실 방법은 반도체를 금속 히트 싱크(metal heat sink)와 접촉시키는 것이다. 전형적인 히트 싱크는 라디에이팅핀을 함유하는 알루미늄으로 만든다. 이러한 핀은 팬에 부착된다. 상기 칩으로부터의 열은 알루미늄 기반으로 흘러가서 라디에이팅핀에 전달되고, 대류를 통하여 순환되는 공기가 가져갈 것이다. 그러므로 히트 싱크는 종종 열원으로부터 열을 제거하기 위한 저장소로서 작용하기 위하여 높은 열용량을 가지도록 디자인된다.
다른 방법으로, 열파이프는 분리된 위치에 위치하는 라디에이터와 히트 싱크 사이에 연결할 수 있다. 상기 열파이프는 진공관 안에 밀폐된 수증기를 함유한다. 수분은 히트 싱크에서 증발되고, 라디에이터에서 응축될 것이다. 상기 응축된 물은 다공성 매개제(예컨대, 구리분말)의 윅(wick) 작용에 의하여 히트 싱크로 다시 흐르게 될 것이다. 그러므로 반도체 칩의 열은 물을 증발시킴으로써 가져가게 되고, 물을 응축시킴으로써 라디에이터에서 제거된다.
비록 열파이프 및 열판이 열을 매우 효율적으로 제거한다 하더라도, 상기 복잡한 진공 챔버 및 정교한 모세관 시스템으로 인하여 반도체 구성요소를 직접적으로 열을 손실하기에 충분히 작게 디자인할 수 없다. 결과적으로, 이러한 방법은 예컨대, 히트 싱크와 같이 보다 큰 열원으로부터 열을 전달하는 것에 일반적으로 제한된다. 그러므로 전자적 구성요소로부터 전도를 통하여 열을 제거하는 것은 당해 산업에서 계속되는 연구 분야이다.
열 확산기에서의 사용을 위하여 조사되어져 왔던 가능성 있는 하나의 다른 방법은 다이아몬드-함유 물질이다. 다이아몬드는 어떤 다른 물질보다 훨씬 빠르게 열을 가져갈 수 있다. 실온에서(약 2000 W/mK) 다이아몬드의 열 전도성은 통상적으로 사용되는 가장 빠른 두가지 금속 열 도체인 구리(약 400 W/mK) 또는 알루미늄(250 W/mK)의 열 전도성보다 훨씬 높다. 더욱이, 다이아몬드의 열용량(1.5 J/㎤)은 구리(17 J/㎤) 또는 알루미늄(24 J/㎤)의 열용량보다 훨씬 낮다. 다이아몬드가 열을 저장하지 않고 열을 가져가는 성능으로 인해 다이아몬드는 이상적인 열 확산기가 된다. 히트 싱크와 대조적으로, 열 확산기는 열을 저장하지 않고, 열원으로부터 열을 빠르게 전도시키는 작용을 한다. 표 1은 다이아몬드에 대한 비교로써 몇가지 물질들의 다양한 열적 성질을 보여준다(300K 에서 제공되는 수치).
물질 열전도성(W/mK) 열용량(J/㎤K) 열팽창(1/K)
구리 401 3.44 1.64E-5
알루미늄 237 2.44 2.4E-5
몰리브덴 138 2.57 4.75E-5
금 317 2.49 1.43E-5
은 429 2.47 1.87E-5
텅스텐 카바이드 95 2.95 0.57E-5
실리콘 148 1.66 0.258E-5
다이아몬드(IIa) 2,300 1.78 0.14E-5
또한, 다이아몬드의 열팽창계수는 모든 물질중에서 가장 낮다. 다이아몬드의 낮은 열팽창으로 인해 다이아몬드는 열적으로 낮게 팽창하는 실리콘 반도체와 훨씬 쉽게 결합한다. 그러므로 결합하는 경계면에서의 압력(stress)은 최소화 될 수 있다. 생성물은 반복되는 열 순환하에서 갈라지지 않는 다이아몬드 및 실리콘 간의 안정한 결합이다.
최근 다이아몬드 열 확산기는 광학 섬유에서 빛 에너지를 증폭시키기 위하여 레이저 다이오드(laser diode)를 사용하는 것과 같은, 고전력 레이저 다이오드로부터 열을 손실시키는데 사용되어 왔다. 그러나 대부분 다이아몬드는 매우 비싸다; 그러므로, 다이아몬드는 CPU에 의하여 발생되는 열을 확산하는 데에는 상업적으로 사용되지 않았다. 다이아몬드가 열 확산기로서 사용되기 위하여는, 다이아몬드의 표면을 연마하여 반도체 칩과 밀접하게 접촉하도록 만들 수 있어야 한다. 더욱이, 다이아몬드의 표면은 브레이징에 의하여 전통적인 금속 히트 싱크에 부착할 수 있도록 금속화 시킬 수 있다(예컨대, Ti/Pt/Au에 의하여).
현재의 많은 다이아몬드 열 확산기는 화학적 증착(CVD)에 의하여 형성된 다이아몬드 필름으로 만든다. 천연 CVD 다이아몬드 필름의 한가지 예는 현재 ㎠당 10$ 이상의 가격으로 판매되며, 이러한 가격은 다이아몬드 필름을 연마하고 금속화하였을 때에는 두배가 될 수 있다. 다이아몬드 열 확산기가 좁은 범위에서만 필요 하거나, 효율적인 다른 열 확산기를 이용할 수 없는 용도를 제외하고, 다이아몬드 열 확산기는 이러한 고가로 인하여 폭넓게 사용될 수 없다. 고가의 가격 이외에도, CVD 다이아몬드 필름은 매우 느린 속도로만 성장할 수 있다(예컨대, 시간당 몇 마이크로미터); 그러므로, 이러한 필름은 좀처럼 1mm의 두께를 초과하지 못한다(전형적으로 0.3 - 0.5mm). 그러나 칩의 가열 부분이 넓다면(예컨대, CPU), 더 두꺼운(예컨대, 3mm) 열 확산기를 가지는 것이 바람직하다.
CVD법을 사용하여 제조된 다이아몬드 제품 이외에도, 미립자 다이아몬드 또는 "다결정 다이아몬드(PCD)"의 집결을 사용하는 열 확산기를 형성하기 위하여 많은 시도들을 하여왔다. 이러한 장치의 특정한 예는 미국 특허 6,390,181호 및 미국 특허출원 공개 2002/0023733호에 있는데, 이들 각각은 여기에 참고문헌으로 첨부되어 있다. 전형적으로, PCD 제품[또는 "컴팩트(compact)"]은, 다이아몬드 입자들을 소결시키거나 입자들 서로간 또는 입자사이의 물질과 결합하도록 하기 위한 고압, 고온(HPHT) 조건하에서 다이아몬드 입자들을 처리함으로써 형성된다. 결과적으로, 대부분의 PCD 컴팩트들은 HPHT 공정에 의해 요구되는 극도의 압력으로 인하여 상대적으로 얇은 두께를 가지고 있다. 극도의 고압이 사용되기 때문에, PCD 컴팩트를 제조하는데 사용되는 주형 또는 공동(cavity)은 극도의 고압을 생성하는 기계적 장비가 필요로하는 압력 및 온도를 유지할 수 있게 하기 위하여 얇은 두께에 제한되어 왔다. 이러한 PCD 컴팩트는 열을 전달하거나 전도하는 이들의 제한된 물리적 용량때문에 열 확산기의 분야에서 제한적으로 사용된다.
이와 같이, 열원으로부터 효율적으로 열을 전도해 낼 수 있는 비용 효율적 시스템 및 장치들은 진행중인 연구 및 개선 노력을 통하여 계속 추구되어야 한다.
도 1a는 본원 발명의 실시예에 따라 열원 및 히트 싱크와 열교환하는 열 확산기의 도식도이다.
도 1b는 본원 발명의 또다른 실시예에 따라 열원 및 히트 싱크와 열교환하는 열 확산기의 도식도이다; 그리고
도 1c는 본원 발명의 또다른 실시예에 따라 열원 및 히트 싱크와 열교환하는 열 확산기의 도식도이다.
<발명의 요약>
따라서, 본원 발명은 열원으로부터 열을 끌어내거나 전도하는데 사용될 수 있는 열 확산기를 제공한다. 한 양태에서, 복합 열 확산기는 각각의 입자가 적어도 하나의 다른 탄소질 입자와 실질적으로 접촉하고 있는 복수의 탄소질 입자를 포함할 수 있다. 복수의 탄소질 입자들을 복합 매스(mass)로 실질적으로 결합시킬 수 있는 비-탄소질 물질도 제공될 수 있다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 상기 탄소질 입자들은 다이아몬드 입자일 수 있다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 열 확산기는 다이아몬드 입자들의 매스를 포함할 수 있도록 제공되는데, 여기에서 각각의 다이아몬드 입자는 적어도 하나의 다른 다이아몬드 입자에 실질적으로 소결된다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 상기 다이아몬드 입자들은 실질적으로 다이아몬드 입자들 각각에 연속적인 다이아몬드-대-다이아몬드 경로를 제공하기 위하여 서로 충분하게 접촉할 수 있다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 상기 다이아몬드 입자들은 열 확산기의 약 50 부피% 내지 80 부피%의 양으로 존재할 수 있다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 상기 다이아몬드 입자들은 열 확산기의 약 70 부피% 내지 98 부피%의 양으로 존재할 수 있다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 상기 비-탄소질 물질은 Fe, Ni, Co, 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된 물질이다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 상기 탄소질 입자는 적어도 열 확산기의 약 50 부피%의 양으로 존재할 수 있으며, 상기 비-탄소질 물질은 적어도 열 확산기 부피의 약 5%의 양으로 존재할 수 있다. 상기 비-탄소질 물질은 Cu, Al 및 Ag로 구성된 그룹에서 선택된 원소를 포함할 수 있다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 상기 다이아몬드 입자들은 코팅되지 않은 다이아몬드 입자들이다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 열원으로부터 열을 전달해 나가기 위한 냉각 유닛(unit)이 제공되고, 상기 발명의 양태에 따라 설명된 바와 같이, 히트 싱크 및 열 확산기를 포함할 수 있다. 상기 열 확산기는 히트 싱크 및 열원 모두와 열교환(thermal communication) 하도록 배치될 수 있다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 상기 열 확산기는 열원 및/또는 히트 싱크안에 적어도 부분적으로 임베드(embed)될 수 있다. 상기 열 확산기는 열적으로 유도된 콤프레션 피트(compression fit)로 상기 히트 싱크안에 고정할 수 있다.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 열 확산기 제조 방법을 제공하며, 다음의 단계들을 포함한다: 복수의 탄소질 입자들을 제공하는 단계; 그리고 상기 발명의 양태에서 설명된 것과 같은 열 전도 매스를 형성하기 위하여 상기 복수의 탄소질 입자들을 비-탄소질 물질들로 함침하는(infiltrating) 단계.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 열원을 냉각하는 방법이 제공되며, 다음의 단계들을 포함한다: 상기 발명의 양태에서 설명된 바와 같이, 열 확산기를 제공하는 단계; 상기 열원 및 히트 싱크 모두와 열교환 하도록 상기 열 확산기를 위치시키는 단계.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 복합 열 확산기 제조 방법을 제공하며, 다음의 단계들을 포함한다: 제 1의 평균 메쉬 크기를 가지는 제 1의 복수의 다이아몬드 입자들을 제공하는 단계; 각각의 다이아몬드 입자들이 적어도 하나의 다른 다이아몬드 입자와 실질적으로 접촉하도록 상기 다이아몬드 입자들을 패킹(packing)하는 단계; 비-탄소질 물질을 제공하는 단계; 그리고 상기 패킹된 다이아몬드 입자들 사이의 공극(void)들을 적어도 부분적으로 채우기 위하여 상기 패킹된 다이아몬드 입자들을 비-탄소질 물질과 결합시키는 단계.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 열원으로부터 열을 제거하는 방법을 제공하며, 다음의 단계들을 포함한다; 상기 발명의 양태에서 설명한 바와 같이, 열 확산기를 제공하는 단계; 상기 열원과 연결되어 작동하도록 상기 열 확산기를 위치시키는 단계.
본원 발명의 또다른 양태에 따르면, 다이아몬드 열 확산기 제조 방법을 제공하며, 다음의 단계들을 포함한다: 제 1의 평균 메쉬 크기를 가지는 제 1의 복수의 다이아몬드 입자들을 제공하는 단계; 상기 다이아몬드 입자들을 서로 밀접하게 접촉하도록 상기 다이아몬드 입자들을 패킹하는 단계; 비-탄소질 물질을 제공하는 단계; 그리고 상기 다이아몬드 입자들을 서로 부분적으로 소결시켜 다이아몬드의 약 70 부피% 내지 98 부피%의 조성을 가지는 실질적으로 소결된 다이아몬드 입자들의 매스를 제공하기 위하여, 약 4GPa 내지 약 8 GPa의 압력에서 상기 비-탄소질 물질의 존재하에서 상기 복수의 다이아몬드 입자들을 소결시키는 단계.
지금까지 다음의 상세한 설명을 더 잘 이해하고, 선행 기술에 대한 본원 발명의 기여를 더욱 잘 알기 위하여, 본원 발명의 다양한 특징들을 다소 광범위하게 개요를 잡아보았다. 본원 발명의 다른 특징들은 다음의 발명의 상세한 설명, 수반되는 청구항으로부터 더 명확해 지거나, 본원 발명의 실시예에 의하여 명확히 알 수 있을 것이다.
상세한 설명
본원 발명을 개시하기에 앞서, 본원 발명은 특정 구조, 공정 단계, 또는 여기에 개시된 물질들에 제한되지 않는 것으로 이해하면 되지만, 관련 기술 분야의 당업자에게 인식될 수 있는 그 균등물에까지 확장된다. 또한 여기에서 사용된 전문용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여만 사용되며, 발명을 제한하고자 함이 아니다.
특정 실시에와 해당 청구항에서 사용되는 단수형 "a", "an", "the"등은 문맥에서 명확하게 다른 언급을 하지 않는 한 복수를 포함한다는 것을 알아 두어야 한다. 그러므로, 예를 들어, "다이아몬드 입자"라는 말은 하나 혹은 그 이상의 입자를 포함하고, "비-탄소질 물질" 또는 "틈새 물질"이라는 말은 하나 혹은 그 이상의 그러한 물질을 포함하며, "입자"라는 말은 하나 혹은 그 이상의 입자들을 포함한다.
정의
본원 발명을 설명하고 청구항을 청구하는데 있어서, 다음의 용어가 아래 설명되는 정의에 따라 사용될 것이다.
여기서 사용되는 " 입자" 및 "그릿"은 호환적으로 사용될 수 있으며, 탄소질 물질과 관련하여 사용될 때, 이러한 입자들의 미립자 형태를 말한다. 이러한 입자 또는 그릿은 수많은 특정 메쉬 크기 뿐 아니라, 원형, 타원형, 사각형, 자형, 등을 포함하는 다양한 모양을 취할 수 있다. 선행 기술에 공지된 바와 같이, "메쉬(mesh)"는 미국 메쉬의 경우와 같이 단위 구역당 구멍의 개수를 말한다. 여기에 언급된 모든 메쉬 크기들은 다른 지시가 없으면 미국 메쉬이다. 또한, 메쉬 크기는 특정의 "메쉬 크기" 내의 각각의 입자는 실제적으로 작은 크기의 분포 이상으로 다양하기 때문에 주어진 모임(collection) 입자의 평균 메쉬 크기를 지칭하는 것으로 일반적으로 이해된다.
여기서 사용되는 "실질적인" 또는 "실질적으로"는 마치 원하는 목적 또는 배열이 실제적으로 얻어진 것과 같은, 원하는 목적, 작동, 또는 배열의 기능적 달성을 말한다. 그러므로 서로 실질적으로 접촉되어 있는 탄소질 또는 다이아몬드 입자들은 마치 서로 실제적으로 접촉하고 있는 것과 같이 또는 그와 가깝게 기능한다. 동일한 견지에서, 실질적으로 동일한 크기의 탄소질 입자들은 비록 그들이 크기가 약간 다를지라도, 마치 각각이 정확하게 동일한 크기인 것 같은 배열을 수득하거나, 동일한 크기인 것처럼 작동한다.
여기서 사용되는 "열 확산기"는 열을 분포시키거나 전도하고, 열원으로부터 열을 전달시키는 물질을 말한다. 열 확산기는 상당량의 열을 보유하지는 않지만, 열원으로부터 단순히 열을 전달해 가는 반면, 또다른 방법에 의하여 히트 싱크로부터 열이 전달되어 나갈 수 있을 때까지 열을 그 안에 고정시키는 저장소(reservoir)로 사용되는 히트 싱크와는 구별된다.
여기서 사용되는 "열원"은 원하는 것보다 더 많은 열 또는 열적 에너지량을 가지는 장치 또는 물체(object)를 말한다. 열원은 또다른 열원으로부터 물체에 열을 전달함으로써 원하는 것보다 더 높은 온도로 가열되는 물체 뿐 아니라, 작동의 부산물로서 열을 제조하는 장치를 포함할 수 있다.
여기서 사용되는 "탄소질"은 주로 탄소 원자로 만들어진 물질을 말한다. 탄소 원자에 대하여 평면, 비틀린 사면체, 및 사면체 결합 배열들을 포함한 다양한 결합 배열 또는 "동소체"가 알려져 있다. 당해 기술 분야의 당업자에게 공지된 바와 같이, 이러한 결합 배열들은 흑연, 다이아몬드-유사 카본(diamond-like-carbon), 또는 무정형의 다이아몬드, 및 순수한 다이아몬드와 같은 특정한 생성 물질을 결정한다. 한 양태에서, 상기 탄소질의 물질은 다이아몬드 일 수 있다.
여기서 사용되는 "반응성 원소" 및 "반응성 금속"은 호환적으로 사용될 수 있으며, 원소, 특히 카바이드 결합을 형성함으로써 탄소와 화학적으로 반응하고 결합할 수 있는 금속 원소를 말한다. 반응성 원소의 예에는 알루미늄(Al)과 같은 비-전이 원소 및 다른 물질들 뿐 아니라, 지르코늄(Zr) 및 텅스텐(W)과 같은 내화성 원소를 포함하여, 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)과 같은 전이 금속을 제한없이 포함할 수 있다. 또한 실리콘(Si)과 같은 특정 비-금속 원소도 브레이징 합금에서 반응성 원소로서 포함될 수 있다.
여기서 사용되는 "습윤"은 탄소질 입자의 표면의 적어도 한 부분에서 용융된 금속이 가로질러 흘러가는 공정을 말한다. 습윤은 종종, 적어도 일부는 상기 용융된 금속의 표면 장력에 기인하며, 상기 용융된 금속에 특정 금속들을 사용 또는 첨가함으로써 촉진될 수 있다. 몇몇 양태에서는, 습윤은 카바이드 형성 금속이 이용될 때 탄소질 입자 및 용융된 금속의 경계면에서 이들사이에 화학결합을 형성하는데 도움을 줄 수 있다.
여기서 사용되는 "화학 결합" 및 "화학적 결합"은 호환적으로 사용될 수 있으며, 원자들 사이의 경계면에서 이원(binary) 고체 화합물을 생성하기에 충분히 강한, 원자들 사이에서 인력을 발휘하는 분자 결합을 말한다. 본원 발명에 관련된 화학 결합은 다이아몬드 초정밀연마 입자들의 경우에는 전형적으로 카바이드이고, 또는 입방정 붕화 질소의 경우에는 질화물 또는 붕소화물이다.
여기서 사용되는 "브레이즈 합금" 및 "브레이징 합금"은 호환적으로 사용될 수 있으며, 상기 합금과 초정밀연마 입자 사이에 화학 결합을 형성하게 하도록 반응성 원소를 충분한 양으로 함유하는 합금을 말한다. 상기 합금은 그 안에 반응성 원소 용질을 가지는 금속 캐리어(carrier) 용제의 고체 또는 액체 용액 중 하나 일 수 있다. 더욱이, "브레이즈된" 이란 용어는 초정밀연마 입자와 브레이즈 합금 사이의 화학 결합의 형성을 말하는데 사용될 수 있다.
여기서 사용되는 "소결"은 연속적인 고체 매스를 형성하기 위하여 둘 또는 그 이상의 개별적인 입자들을 결합하는 것을 말한다. 상기 소결 공정은 입자들 사이에 적어도 부분적으로 공극을 제거하기 위한 입자의 경화에 관계된다. 소결은 다이아몬드와 같은 탄소질 입자 또는 금속에서 일어날 수 있다. 금속 입자들의 소결은 물질의 조성에 다라 다양한 온도에서 일어난다. 다이아몬드 입자들의 소결은 다이아몬드 소결 보조제(sintering aids)로서 탄소 용제의 존재 및 초고압을 필요로 하며, 이하에서 더욱 자세히 논의한다. 소결 보조제는 종종 소결 공정에서 보조하기 위하여 존재하며, 일부는 최종 제품안에 남아 있을 수 있다.
농도, 양, 입자 크기, 부피, 및 다른 수치적 데이타는 여기서 범위 형식으로 표현되거나 주어질 수 있다.이러한 범위 형식은 단순히 편의 및 간결함을 위해 사용되는 것이며, 범위의 한계로 명백하게 언급된 수치 뿐 아니라, 마치 각각의 수치 및 종속 범위가 명확하게 언급된 것처럼 그 범위내에서 포괄되는 개별적인 수치 또는 종속-범위 모두를 포함하는 것으로 유연하게 해석하여야 한다.
설명하자면, "약 1㎛ 내지 약 5㎛"의 수치 범위는 명확히 연급된 약 1㎛ 내지 5㎛의 수치 뿐 아니라, 지시된 범위내의 개별적 수치 및 종속-범위를 포함하는 것으로 해석하여야 한다. 그러므로, 이러한 수치 범위에는 2, 3, 및 4와 같은 개별적인 수치 및 1-3, 2-4, 및 3-5 등과 같은 종속-범위가 포함된다. 이와 동일한 원리가 한개의 수치만을 언급하는 범위에 적용된다. 더욱이, 이러한 해석은 설명되는 특정 또는 범위의 폭에 관계없이 적용하여야 한다.
본원 발명
본원 발명은 열원으로부터 열을 전달해 가져가는 장치, 시스템, 및 방법을 포함한다. 본원 방법 발명에 따라 만들어진 열 확산기는 탄소질 입자들이 서로 실질적으로 각각 접촉하는 실시예를 포함하는 복수의 탄소질 입자들을 일반적으로 함유한다. 상기 복수의 탄소질 입자들은 비-탄소질 물질을 사용하여 서로 결합하거나 또는 상기 탄소질 입자들 자체가 매스로 직접 소결하거나 융합함으로써 서로 결합할 수 있다.
한 양태에서, 높은 탄소질 입자 부피를 가지는 일반적인 열 확산기 제조 공정은 적절한 주형안에서 제 1의 복수의 탄소질 입자들을 패킹하는 단계로 시작한다. 선택적으로, 상기 제 1의 복수의 입자들은 각각 대략적으로 동일한 메쉬 크기일 수 있다. 이러한 입자들의 특정한 크기는 전형적으로 약 30 메쉬(0.5mm) 내지 약 400 메쉬(37㎛)에서 최고 약 18 메쉬(1mm) 일 수 있다. 상기 입자들의 크기는 다양할 수 있지만, 일반적인 원리는 탄소질 입자가 클수록 순수한 다이아몬드와 같은 고체 탄소질 물질의 경로에 접근하는 개선된 열 전달 특성들을 가지는 더 큰 경로를 제공하는 것으로 알려져 있다.
상기 입자들은 입자들 사이에 실질적인 접촉이 존재하도록 패킹된다. 각각의 입자는 패킹된 그룹내에서 적어도 하나의 다른 입자들과 접촉되어야만 한다. 그러므로 나머지 입자들과 분리되어 서로 접촉하고 있는 입자들의 그룹일 수 있다. 본원 발명의 또다른 양태에서 입자들 사이의 접촉은 실질적으로 열 확산기 내의 탄소질 입자들 모두에 연속적인 경로를 제공하기에 충분할 수 있다. 열원으로부터의 열 전달은 실질적인 입자간 접촉에 의하여 촉진된다. 상기 입자들은 입자들 사이의 비어있는 공극량을 최소화하고 부피의 대부분을 차지하도록 하기 위하여 패킹될 수 있다.
한 양태에서, 상기-언급된 목표를 수득하는 입자 패킹은 연속적인 단계에서 상이한 크기의 탄소질 입자들을 패킹함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 더 큰 탄소질 입자들을 적절한 주형안으로 패킹할 수 있다. 상기 탄소질 입자들의 패킹은 가라앉히거나, 진동기(vibrator)에 의하여 주형안으로 교반되는 등 그밖의 다른 채워짐(compacting)에 의하여 개선될 수 있다. 이후 더 큰 탄소질 입자들을 둘러싸고 있는 공극들을 채우기 위하여 더 작은 복수의 탄소질의 입자들을 첨가할 수 있다. 더 작은 입자들의 크기에 따라, 더 작은 입자들은 가능한 공극의 대부분을 채우기 위하여 상기 패킹된 탄소 물질을 여러가지 측면에서 도입할 필요가 있을 수 있다. 상기 더 작은 탄소질 입자들의 크기는 다양할 수 있다. 전형적으로 더 큰 다이아몬드 직경의 약 1/3 내지 1/20의 범위내에 있는 입자들은 패킹 효율성을 증가시킬 것이다. 더 큰 입자 직경의 1/7인 입자들이 좋은 결과를 가져오면서 사용되어 왔지만, 약 1/5 내지 1/10 사이에 있는 입자들 또한 사용될 수 있다. 이러한 연속적인 패킹 단계들을 사용하여, 상기 부피 패킹 효율성은 2/3 이상에 도달할 수 있다. 필요하다면, 더 작은 탄소질 입자들 조차도 패킹 효율성을 더욱 증가시키기 위하여 첨가될 수 있다. 그러나 패킹 효율성의 증가가 점점 적어지게 되는 반면, 채우기는 점점 어려워지기 때문에, 이러한 연속적인 패킹 방법은 곧 패킹 효율성을 다시 감소시키는 지점에 도달하게 될 것이다. 상기 원리에 따라서 만들어진 패킹된 입자들은 약 50% 내지 약 80%의 탄소 부피 함량을 제공할 것이다.
다른 실시예에서, 상기 상이한 크기의 탄소질 입자들을 먼저 혼합하고, 이후 틈새 물질을 도입하기 이전에 함께 패킹한다. 이러한 접근은 패킹 효율성을 증가시키지만, 더 큰 입자들을 다른 더 큰 입자들과 밀접하게 접촉하지 못하게 되는 결과로 인하여 몇몇 열적 이점들을 제거할 수 있다. 그러므로 열은 최종 열 확산기의 열 저항성을 증가시키면서 수많은 입자-입자간 경계면 경계를 횡단하여야만 한다.
또한 또다른 실시예에서, 다이아몬드의 부피는 균일하게 모양지어진 탄소질 입자들을 사용함으로써 증가시킬 수 있다. 특히, 비록 다른 모양들이 사용될 수 있지만, 실질적으로 입방정 다이아몬드 입자들은 상업적으로 이용가능하다. 최고 약 90% 내지 98%의 다이아몬드 부피 함량을 가지는 패킹된 다이아몬드 입자들의 하나의 층 또는 층들을 제조하기 위하여 입방정 다이아몬드를 가장자리끼리 패킹할 수 있다. 특정한 배열은 중요하지 않으며, 상기 입자들은 열 및 기둥 또는 엇갈린 열 및 기둥으로 순서있게 패킹될 수 있다. 이러한 실시예에서, 상기 다이아몬드 입자들의 배열은 상기 다이아몬드 입자들을 서로 소결시키지 않고, 입자들 사이의 공극 부피를 실질적으로 더 작게 한다. 또한 만약 상기 입자들을 모두 임의의 방향에 대해 반대의 동일한 방향으로 향하게 한다면 최종 복합물의 열적 성질을 개선할 수 있다. 다음의 틈새 또는 비-탄소질 물질 및 공정에 대한 논의는 상기 설명한 패킹된 다이아몬드 입자들에 관한 패킹된 다이아몬드 입자들의 이러한 배열에 적용한다.
본원 발명의 한 양태에서, 틈새 물질을 탄소질 입자들을 서로 복합 매스로 결합시키기 위하여 탄소질 입자들을 연결하는데에 사용할 수 있다. 그러나 상기 언급한 바와 같이 틈새 물질을 도입하기에 앞서 입자들을 패킹함으로써, 최초의 입자-대-입자 접촉을 유지시킬 수 있어, 패킹 효율성은 먼저 틈새 물질로 탄소질 입자들을 혼합한 후 고온 가압 소결법으로 경화시킴으로써 수득된 효율성을 훨씬 능가한다. 틈새 물질로 먼저 탄소질 입자들을 혼합한 후 고온 가압 소결법으로 경화시키는 경우, 상기 탄소질 물질은 다이아몬드 입자 주위 및 입자들 사이를 채우는 경향이 있으므로, 많은 입자들은 서로 완전히 분리된다. 이러한 경우, 열은 비-탄소질 물질의 상당 구역을 횡단하여야 한다.
그러므로 본원 발명의 한 양태에 따라, 상기 탄소질 입자들은 상기 논의한 바와 같이 비-탄소질 물질을 도입하기 전에 패킹된다. 본원 발명의 복합 탄소질 열 확산기를 디자인하는데 있어서 고려하는 하나의 요소는 탄소질 입자들 사이의 경계면 및 비-탄소질 물질과 탄소질 틈새 경계면에서의 복합물의 열적 성질이다. 경계면 사이의 빈 공극들 및 단순한 기계적 접촉은 열적 장애물로 작용한다. 비록 입자들의 표면의 상당 부분을 따르는 탄소질 입자들의 밀접한 접촉이 경계면에서의 열적 성질을 개선한다 하더라도, 상기 결과는 순수한 연속적 탄소질 물질의 열적 성질보다 어느 정도 열등하다. 그러므로 상기 경계면의 실질적인 부분은 단순한 기계적 접촉 이상인 것이 바람직하다.
따라서, 틈새 물질은 특정한 최종 공구를 달성하기에 적합한 특정한 특성을 가지면서 이용될 수 있다. 한 양태에서, 상기 틈새 물질은 상기 탄소질 입자들을 서로 소결하거나 실제적으로 융합하기 위한 초고압하에서 탄소 소결 보조제로서 작용하기에 적합할 수 있다. 본원 발명의 또다른 양태에서, 상기 패킹된 다이아몬드 입자들과 서로 화학적으로 결합하도록 틈새 물질을 선택할 수 있다.
틈새 물질의 선택은 틈새 물질 자체의 열 전도성 및 열용량의 원인이 된다. 낮은 열 전도성을 가지는 물질을 함유하는 다이아몬드 컴팩트 열 확산기는 상기 구조 내에서 제한 원소로 작용하여, 다이아몬드의 몇몇 열 전달 이점들을 제거할 것이다. 그러므로 높은 열 전도성, 낮은 열용량을 가지며, 화학 결합을 위하여 다이아몬드를 제공하는 틈새 물질은 경계면 경계를 가로지르는 열 전달을 현저하게 촉진시킨다. 물론, 또한 다이아몬드-다이아몬드간의 더 큰 접촉 정도는 상기 열 확산기의 열 전달 성질을 개선할 수도 있을 것이다.
탄소질 입자들의 결합 또는 소결을 위한 틈새 물질은 함침(infiltration), 소결(sintering) 및 전착(electro-deposition)을 포함하여 수많은 방법으로 제공될 수 있다. 함침은 물질이 녹는점으로 가열되어 이후 틈새 공극을 통하여 액체로 흐를 때 일어난다. 소결은 근본적으로 고체-상태의 공정에서 물질의 주변 입자들이 주변 입자들의 가장자리 근처에서 용융되기에 충분하며, 서로 인접한 입자들을 소결하게 하는데 충분한 정도로 틈새 물질이 가열될 때 일어난다. 그러므로 실질적으로 상기 틈새 물질의 액체 흐름은 일어나지 않을 것이다. 전착은 전기적 전류하에서 상기 탄소질의 입자들의 표면위에 있는 용액에 녹는점 이상으로 가열된 금속을 증착시키는 것과 관련된다.
틈새 물질의 두개의 기본적인 범주는 액체 금속 및 용융된 세라믹스를 포함한다. 탄소질 입자들이 복합 탄소질 열 확산기를 제조하기 위하여 결합할 때, 틈새 물질은 카바이드를 형성하기 위하여 탄소와 반응하는 적어도 하나의 활성 원소를 함유하여야 한다. 카바이드 형성자의 존재는 상기 다이아몬드 입자들의 습윤을 보조하고, 틈새 물질이 모세관 힘에 의하여 틈새의 공극안으로 밀려 들어가도록 한다. 상기 탄소질 입자들을 탄소질 열 확산기를 제조하기 위하여 소결할 때, 틈새 물질은 탄소의 소결정도를 증가시키기 위한 소결 보조제로서 작용하여야 하며, 카바이드 형성자를 반드시 함유할 필요는 없지만, 그보다는 탄소 용제를 함유하여야 한다.
본원 발명의 한 양태에서, 틈새의 함침 합금은 상기 탄소질 입자들을 실질적으로 고체 열 확산 매스로 결합시키기 위한 함침제로서 사용될 수 있다. 상기 언급한 바와 같이, 많은 틈새 물질은 상기 열 확산기를 통한 열의 전달을 실제적으로 방해한다. 예를 들어, 탄소와 화학적으로 결합하지 않지만, 탄소를 단순히 기계적으로 고정시키는 틈새 물질들은 열의 전달 속도를 늦출 수 있다. 또한, 훌륭한 카바이드 형성자인 많은 내화성 물질들은 불량한 열 도체이다.
상기 탄소질 물질이 다이아몬드일 때, 추가적인 고려사항은 다이아몬드를 손상시키기에 충분한 고온 소결 또는 함침을 피하기 위하여 틈새 물질을 선택하는데 있어서 주의를 기울여야만 한다는 것이다. 그러므로 본원 발명의 한 양태에서, 상기 틈새 물질은 약 1,100 ℃ 미만에서 용융하거나 소결하는 합금일 수 있다. 이 온도 미만에서 가열할 때, 가열 시간은 상기 다이아몬드 입자에 과다한 손상이 가는 것을 피하기 위하여 최소화되어야 한다. 다이아몬드 입자들에 대한 손상은 또한 금속 개재물(inclusion)의 부위로부터 다이아몬드 크래킹(cracking)으로 인하여 유도될 수도 있다. 합성 다이아몬드는 항상 개재물로서 금속 촉매(예컨대, Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금)를 함유한다. 이러한 금속 개재물들은 높은 열 팽창계수를 가지며, 다이아몬드를 흑연 탄소로 역-전환시킬 수 있다. 그러므로 고온에서, 다이아몬드는 금속 개재물의 상이한 열팽창계수 또는 다이아몬드의 탄소로의 역-전환으로 인하여 부서지게 될 것이다.
본원 발명에 따르면, 틈새 물질들은 금속 함침제로서 다이아몬드 또는 탄소 브레이즈를 함유하거나, 세라믹 함침제로서 실리콘 합금을 함유할 수 있다. 더욱이, 상기 함침제는 탄소를 "습윤"시켜 모세관 힘에 의하여 탄소질 입자들의 입자 사이에서 윅(wick)될 수 있다. 상기 틈새 물질은 패킹된 탄소질 입자들 사이에 있는 잔여 공극을 실질적으로 채운다. 통상의 탄소 습윤제는 Co, Ni, Fe, Si, Mn, 및 Cr을 포함한다. 상기 탄소질 입자들이 서로 화학적으로 결합할 때, 틈새 물질은 입자들 사이의 경계에서 개선된 열적 성질을 제공하는 카바이드 형성자를 함유할 수 있다. 이러한 카바이드 형성자들은 Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, Mn, Ta, W, Tc, Si, B, Al, 및 이들의 합금을 포함한다.
본원 발명의 틈새 물질 또는 함침 물질은 Ag, Cu, Al, Si, Fe, Ni, Co, Mn, W, 또는 이들의 합금 또는 혼합물과 같은 구성요소를 포함할 수 있다. 다이아몬드 또는 탄소 브레이즈는 탄소질 입자들의 습윤을 나타내는 Fe, Co, 또는 Ni 합금을 포함한다. 이러한 브레이즈의 합금은 또한 Ti, Zr, 또는 Cr과 같은 카바이드 형성자를 함유할 수 있다. 세라믹 실리콘 합금은 Ni, Ti, 또는 Cr을 함유할 수 있다. 예를 들어, BNi2(Ni-Cr-B) 또는 BNi7(Ni-Cr-P)와 같은 Ni-Cr 합금은 훌륭한 함침제이다. 효율적인 함침제의 또다른 예에는 Al-Si, Cu-Sn-Ti, Ag-Cu-Ti, 및 Cu-Ni-Zr-Ti를 포함한다. 대부분의 탄소질 틈새 물질은 카바이드를 형성함으로써 탄소와 결합할 뿐 아니라, 쉽게 산화되는 활성 원소들(예컨대, Cr, Ti)을 함유한다. 그러므로 틈새 물질의 도입은 진공 용광로에서 또는 비활성 기체의 보호하에서 수행되어야 한다.
상기 복합 탄소질 열 확산기는 열을 상대적으로 빨리 전도할 수 있는 틈새 물질을 탄소질 입자들 사이에 있는 공극 또는 틈에 적어도 부분적으로 채움으로써 제조할 수 있다. 상기 틈새 물질을 다양한 방법으로 패킹된 입자들안으로 도입할 수 있다. 틈새 물질을 제공하는 한 방법은 수용액에서의 전착(electro-deposition)(예컨대, Ag, Cu, Ni)에 의한 것이다. 상기 금속은 종종 대부분 산 용액으로 제공되고, 당해 기술 분야의 당업자에 의하여 수행될 수 있다. 또한 용액의 표면 장력을 줄이거나 공극안으로의 함침을 개선시키기 위하여, 추가적인 다양한 원소들을 추가할 수 있다.
본원 발명의 또다른 양태에서, 적어도 열 확산기의 약 50 부피%의 양으로 존재하는 복수의 탄소질 입자들을 포함하는 탄소질 열 확산기가 제공된다. 비-탄소질 함침제는 적어도 열 확산기의 약 5 부피%의 양으로 존재한다. 상기 비-탄소질 함침제는 Cu, Al 및 Ag로 구성되는 그룹에서 선택된 원소를 포함할 수 있다. 이러한 실시예의 다른 양태에서, 상기 탄소질 입자들은 적어도 열 확산기의 약 80 부피% 또는 적어도 약 90 부피%의 양으로 존재할 수 있다.
본원 발명의 다른 양태에서와 같이, 상기 탄소질 입자들은 다이아몬드 입자들을 포함할 수 있다. 상기 다이아몬드 입자들은 열 확산기의 약 50 부피% 이상의 양으로 존재할 수 있다. 카바이드 형성자를 적어도 약 2% w/w 함유할 수 있는 함침제는 열 확산기의 약 5 부피% 이상의 양으로 존재할 수 있다.
본원 발명의 또다른 양태에서, 탄소질 입자들과 화학적으로 결합하거나 결합하지 않을 수 있는 비-탄소질 함침제 및 탄소질 입자들을 포함하는 열 확산기가 제공된다. 이러한 실시예에서, 예를 들어, 상기 비-탄소질 함침제는 Cu, Al 또는 Ag일 수 있다. 상대적으로 고압하에서 열 확산기를 가공함으로써, 상기 비-탄소질 함침제는 탄소질 입자들의 패킹 밀도를 증가시키는 반면, 열 확산기의 생성되는열 확산 용량을 증가시킨다. 예를 들면, 상기 탄소질 입자들이 다이아몬드인 경우, 열 확산기를 초고압에서 가공할 때, 상기 다이아몬드 입자들은 적어도 부분적으로 다이아몬드끼리의 접촉 지점에서 충돌 할 수 있다. 상기 다이아몬드 입자들이 충돌 할 때, 용융된 Cu, Al, 또는 Ag는 상기 다이아몬드 입자로 부분적으로 주입되어 다이아몬드 입자 밀도를 증가하게 할 수 있다.
생성되는 열 확산기가 고농도의 다이아몬드 입자를 포함하기 때문에, 실질적으로 다이아몬드 입자들 사이의 모든 공극들을 Cu, Al, 또는 Ag로 채운 상기 열 확산기는 고도의 열 전도성을 나타낼 수 있다. 이러한 실시예에 따라 만들어진 열 확산기는 순수한 구리의 1.5 내지 2배의 열 전도성을 나타내는 것으로 밝혀져 있다. 또한, Cu, Al 및 Ag는 상대적으로 비싸지 않은 물질이기 때문에, 상업적으로 경쟁력있는 가격으로 이러한 실시예에 따른 열 확산기를 만들 수 있다. 또한, 특히 Cu는 상대적으로 녹는점이 낮기 때문에(약 1,100℃ 미만), 전통적인 다이아몬드 PCD 형성 공정에서 필요로하는 다른 저온 및 저압에서 상기 공정을 수행할 수 있다.
몇몇 선행 기술의 다이아몬드 복합 열 확산기는 카바이드 또는 카바이드 형성 물질로 코팅된 다이아몬드 입자들을 사용하여 형성되어 왔다. 본원 발명의 한 양태에서, 대조적으로 다이아몬드 및 Cu, Al 또는 Ag를 각각 이들의 기본적인, 처리되지 않은 형태로 사용할 수 있다. 이는 함침제로 상기 입자들의 매스를 함침하기에 앞서 다이아몬드 입자들을 코팅하는 값비싼 공정을 제거할 수 있다. 또한 본원 발명에 따른 열 확산기에 사용되는 다이아몬드 입자들은 상대적으로 굵은 입자(예를 들어, 50 마이크론 및 그보다 더 큰)을 가지는 다이아몬드 입자들을 이용할 수 있다. 이는 열 흐름의 속도를 늦추기 위하여 존재하는 입자의 경계를 더 줄이는 결과를 가져올 수 있다.
틈새 물질을 제공하기 위한 또다른 방법은 탄소질 입자들 사이의 공극안에서 고체 분말을 소결시키는 것이다. 소결은 고온 가압(hot pressing) 소결, 무가압(pressureless) 소결, 진공 소결, 및 마이크로웨이브 소결에 제한되지 않고, 당해 기술 분야의 당업자에게 공지된 이와 같은 다양한 방법으로 달성할 수 있다. 고온 가압 소결이 통상의 방법이지만, 마이크로웨이브 소결은 소결 시간을 더 빠르게 하고 다공성을 감소시키기 때문에 점점 유용한 방법이 되고 있다. 이 방법은 마이크로웨이브가 탄소 보다는 소결될 수 있는 금속 물질을 주로 가열시키는데 작용하기 때문에, 본원 발명에 특히 유리하다. 다이아몬드를 사용할 때, 이 방법은 공정 동안 다이아몬드의 분해를 감소시키도록 돕는다.
패킹 공정동안, 소결가능한 틈새 물질을 제공할 수 있으며, 이 경우 상기 소결된 물질은 탄소질 틈새의 많은 공간들을 차지하며, 입자-입자간의 실질적인 접촉을 막는다. 그러나 상기 소결가능한 틈새 물질을 더 작은 다이아몬드 입자들의 연속적인 패킹에 사용되는 틈새 물질과 유사한 방식으로 도입할 수 있고, 여기서 탄소질 입자들을 패킹한 후에 탄소질 입자들 사이의 공극들을 틈새 물질이 부분적으로 채울 수 있도록 상기 틈새 물질의 크기를 선택한다. 상기 공극들이 충분히 채워졌을 때, 상기 틈새 물질을 소결한다. 이러한 방식으로 입자-입자간 접촉을 개선할 수 있다.
틈새 물질을 제공하는 세번째 방법은 다이아몬드 입자들을 용융된 물질로(예컨대, Al, Si, BNi2) 함침시키는 것이다. 상기 전착된 금속은 탄소와 화학적으로 결합할 수 없어 탄소질 입자들을 그 안에 잡아 둘 수 없다. 또한, 상기 소결된 물질은 소결단계 동안의 탄소질 입자들에 대한 결합이 주로 기계적이기 때문에 입자들을 단단하게 고정할 수 없다. 함침제는 활성 원소를 함유하여 카바이드의 형태로 화학 결합을 형성하기 위해 탄소와 반응할 수 있어야 한다. 카바이드 형성자의 존재는 또한 함침제가 입자 표면을 습윤시키도록 하며, 모세관 힘에 의하여 틈새 공극 안으로 함침제를 더욱 끌어당기도록 한다.
다이아몬드 입자들이 사용될 때, 다이아몬드 분해를 최소화하기 위하여 상기 함침은 바람직하게는 1,100℃ 미만의 온도에서 수행된다. 상기 언급한 많은 Fe, Ni, 및 Co 합금은 이 범위에서 녹는점을 가진다. 틈새 물질의 함침 또는 소결단계 동안, 고온의 금속은 어느 정도 약간의 다이아몬드 분해가 부득이하게 일어난다. 그러나 이러한 효과는 공정 시간을 감소시키고, 틈새 물질을 신중하게 선택함으로써 최소화 할 수 있다. 실리콘은 반응에 의하여 SiC를 형성하려는 경향때문에 다이아몬드 입자들 사이의 틈새 공극을 특히 잘 채울 수 있다. 다이아몬드 및 용융된 Si사이 경계면에서의 SiC의 형성은 다이아몬드를 추가적인 분해로부터 보호할 수 있다. 순수한 Si의 녹는점은 대략 1,400℃ 이다. 고압하에서(예컨대, 10-5torr와 같이 약 10-3torr 미만), 용융된 Si 또는 그 합금은 다이아몬드를 과다하게 손상시키지 않고 효율적으로 다이아몬드안으로 함침할 수 있어, 휼륭한 열 확산기를 제조할 수 있다.
그러므로 상기 틈새 물질을 함침, 소결 또는 전착에 의하여 패킹된 탄소질 입자들 안으로 도입할 수 있다. 저압에서 도입을 수행할 때, 이러한 틈새 물질들은 단순히 입자들 사이의 공극을 채우고, 상기 입자들을 함께 결합시킨다. 상당한 고압에서는 두가지 기본적인 가능성이 있다. 첫째, 틈새 물질은 탄소와 화학적으로 결합할 수 있고, 및/또는 틈새 물질 경계면에 대하여 탄소질 물질을 횡단하는 유익한 열적 성질을 제공하며, 상기 탄소질 물질은 공극 부분을 제거하기 위하여 부분적으로 충돌한다. 둘째, 만약 틈새 물질이 철, 코발트, 니켈 또는 이러한 물질의 합금에 제한되지 않는 이와 같은 탄소 용제라면, 상기 탄소질 입자들은 연속적인 탄소질 매스를 형성하기 위하여 서로 소결할 것이다. 상기 탄소질 입자들이 서로 소결한다면, 열 전달을 위한 경로는 본질적으로 횡단할 기계적 또는 비-탄소 경계면이 실질적으로 없는 연속적인 탄소이다.
본원 발명의 한 실시예에서, 구리가 틈새 물질로 사용된다. 구리는 다이아몬드 열 확산기를 만드는데 있어서 이상적인 열적 도체이다. 그러나 구리는 초고압에서 소결 보조제로서 작용하지 않을 뿐 아니라, 탄소 용제가 아니며, 흑연을 다이아몬드로 전환하기 위한 촉매가 아니다. 그러므로 만약 구리를 틈새 물질로 사용한다면, 전착 또는 소결에 의해서도 틈새 물질을 도입할 수 있다. 그러나 전착은 빈틈없이 패킹된 다이아몬드 틈새 공극들을 채우는데 극히 비효율적이며 느리다. 한편, 소결은 구리를 부득이하게 다이아몬드 입자 사이에 고정시킨채 남겨두게 된다. 두 방법에서, 최종 열 확산기의 탄소질 입자 패킹 효율성은 상대적으로 낮다(예컨대, 60 부피%).
비록 구리가 탄소질 입자 경계면을 따라서 탄소질 입자들을 함께 소결시키기 위한 소결 보조제는 아니지만, 탄소-구리 혼합물의 초고압 경화는 탄소질 입자들을 서로 더 가깝도록 힘을 가하여, 70 부피%와 같은 높은 탄소 함량에 도달할 수 있게 한다. 압력은 약 4 GPa 내지 약 6 GPa의 범위일 수 있다. 이러한 고압에서 탄소질 입자들의 일부는 입자들 사이의 공극 부분을 제거하기 위하여 부분적으로 충돌한다. 탄소간 브릿지(bridge)를 형성하지 않고 탄소의 70 부피% 이상을 얻기 위하여 과잉의 구리를 싱크재(sink material)에 의하여 추출하여야 한다. 이러한 싱크재는 초고압 조건하에서 공극을 함유하며, 구리의 녹는점에서 물러지지 않을 것이다. 이러한 싱크재는 SiC, Si3N4, 및 Al2O3와 같은 세라믹 분말로 만들 수 있지만, 과잉의 구리를 흡수하는데 충분한 매개제를 제공하는 다공성 물질이 형성될 수도 있다. 다른 유용한 다공성 물질은 WC 및 ZrO2를 포함한다. 이러한 기술은 이하의 실시예 1을 참조하여 추가로 설명한다.
본원 발명의 또다른 양태에서, 상기 틈새 물질은 탄소 습윤제의 낮은 부피 백분율 함량을 가지는 탄소 습윤 함침 합금이 될 수 있다. 이러한 방식으로, 상대적으로 높은 열 전도성을 가지는 함침제를 제공하는 반면, 탄소와 함침제 사이의 기계적인 경계면을 상당히 감소시킬 수 있다. 예를 들어, Ag, Cu, 또는 Al과 같은 훌륭한 열 전도 금속은 Ti과 같은 카바이드 형성자로 합금 시킬 수 있다.
훌륭한 전도성 및 다이아몬드 습윤 성질을 가지는 함침 합금을 포함함으로써 제공되는 상기 이점들 이외에도, 상대적으로 낮은 공융 녹는점(eutectic melting point)을 가지도록 하기 위하여 함침 합금을 선택할 수 있다. 이러한 방식으로 극히 고온 및 고압에서 다이아몬드 입자들을 가공하는 것에 관련된 상기 언급한 불리한 점들을 피할 수 있다. 한 양태에서, 사용되는 합금의 공융 녹는점은 약 1,100℃ 미만일 수 있다. 또다른 양태에서, 상기 녹는점은 약 900℃ 미만일 수 있다.
훌륭한 카바이드 형성 원소의 예에는 상기 언급된 원소들을 제한없이 포함한다. 또한, 높은 열 전도성을 가지는 물질들의 예는 Ag, Cu, 및 Al을 제한없이 포함한다. 원하는 열 전달 및 화학적 결합 성질을 얻기 위하여 폭넓은 범위의 특정 합금을 사용할 수 있으며, 또한 상기 특정된 온도 이내에서 공융 녹는점을 가지도록 하는데 사용한다. 그러나 본원 발명의 한 양태에서, 상기 함침 합금은 카바이드 형성 원소 및 Ag, Cu, 또는 Al 중 하나를 적어도 약 1 wt% 내지 10 wt% 포함할 수 있다. 또다른 양태에서, 상기 카바이드 형성 원소는 적어도 열 확산기의 약 1% w/w의 양으로 존재한다.
또다른 양태에서, 함침 합금은 Cu-Mn 합금을 포함할 수 있다. Cu-Mn 합금은 Cu-Mn(30%)-Ni(5%)일 수 있으며, 과거에 사용되던 소결 온도보다 훨씬 낮은 약 850℃의 녹는점을 가진다. 예를 들어, 약 1500℃의 녹는점을 가지는 Co는 종종 PCD 컴팩트를 형성하는데 사용되는 HPHT 공정에서 소결 보조제로 사용한다. 이미 지적한 바와 같이, 이러한 온도는 탄소질 물질의 보전을 위험하게 하며, 탄소질 물질의 분해를 일으키게 할 수 있다. 이는 특히 다이아몬드 입자들에 대하여는 사실이다. 대조적으로, 상대적으로 약 850℃의 저온에서 다이아몬드 입자들을 가공하는 것이 보전 관점, 공정 제어 및 가격 관점에서 훨씬 더 바람직하다. 상기 언급된 물질들 이외에도, 본원 발명에 사용되는 함침 합금은 수많은 다른 물질들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 발명의 한 양태에서, CuAlZr(9%) 및 CuZr(1%)가 사용될 수 있다. Zr은 특별하게 훌륭한 열 도체는 아니지만, 함침 합금에서의 Zr의 존재는 상대적으로 적은 부피이며, 그러므로 열 확산기를 통한 열 전도를 현저하게 방해하지는 않는다.
상대적으로 낮은 녹는점 및 훌륭한 습윤 및 전도성 성질 또한 가지는 함침 합금을 이용함으로써, 우수한 탄소질 열 확산기를 제공할 수 있다. 더 낮은 작업 온도는 더 낮은 작업 압력의 결과를 가져온다. 과거에는 사용되는 주형의 크기가 제된 PCD를 형성하기 위하여 극히 고압을 필요로 하였던 것과 같이, 본원 발명은 더 낮은 작업 압력을 요함으로써, 선행 기술의 방법보다 상당히 더 두꺼운 탄소질 열 확산기를 형성하는데 이용할 수 있다. 예를 들어, 한 양태에서 본원 발명은 약 1mm 이상의 두께를 가지는 열 확산기를 형성하는데 이용할 수 있다. 또다른 양태에서, 본원 발명에 따라 만들어진 열 확산기는 약 2mm 만큼의 두께 및 이를 초과하는 두께를 가질 수 있다. 더 두꺼운 두께의 열 확산기를 형성함으로써, 생성물 열 확산기는 단위 시간당 더 큰 부피의 열을 전달하거나 확산시키기 위한 용량을 가진다.
본원 발명에 따라 만들어진 열 확산기는 의도하는 용도에 기초한 다양한 배열을 취할 수 있다. 상기 설명한 바와 같이 만들어진 탄소질 물질은 적용되는 열원의 특정한 요구사항에 기초하여 연마하고 모양지을 수 있다. CVD와 대조적으로, 여기의 탄소질 복합물은 거의 대부분의 임의의 크기로 상대적으로 빠르게 형성될 수 있다. 대부분의 전자적 용도에 대하여, 상기 열 확산기는 약 0.1mm 내지 1mm 두께가 될 수 있으며, 또는 5mm 두께의 범위일 수 있다. 상기 열 확산기는 원형 또는 타원형 디스크 또는 사각형, 직사각형과 같은 사변형 또는 다른 모양의 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열원은 열을 생성하는 전기적 구성요소 또는 다른 구성요소가 될 수 있다.
열 확산기가 형성되었을 때, 적절한 위치는 디자인 및 열 전달 원리에 기초한다. 상기 열 확산기는 상기 구성요소와 직접 밀접하게 접촉할 수 있으며, 심지어 넓은 표면적에 걸친 열원과의 직접적인 접촉을 포함하도록 형성되거나, 넓은 표면적에 걸친 열원과의 직접적인 접촉을 제공하도록 그밖의 다른 방법으로 윤곽지을 수 있다. 다른 방법으로, 열 도관(conduit) 또는 다른 열 전달 장치에 의하여 상기 열 확산기를 열원으로부터 제거할 수 있다.
여기에 개시된 열 확산기 이외에도, 본원 발명은 열원으로부터 열을 전달해 가져가기 위한 냉각 유닛을 포함한다. 도 1에서 도시하는 바와 같이, 여기서 논의된 원리에 따라 형성된 열 확산기(12)를 CPU(14)와 같은 열원 및 히트 싱크(16) 모두와 열교환 하도록 배치할 수 있다. 상기 열 확산기는 CPU에 의하여 발생된 열을 히트 싱크에 전달한다. 상기 히트 싱크는 상기 물질들 및 이들의 배열을 포함하는 당해 기술분야의 당업자에게 공지된 수많은 히트 싱크가 될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 및 구리는 히트 싱크로서의 용도로 잘 알려져 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각 핀(18)을 포함하는 배열을 가질 수 있다. 열이 열 확산기를 통하여 CPU에서 빠르고 효율적으로 전달될 때, 상기 히트 싱크는 열을 흡수하며, 상기 냉각 핀은 주변의 환경으로 열을 손실시키는데 도움을 준다. 히트 싱크, 열원, 및 열 확산기 사이의 수많은 접촉 배열들은 달성되는 특정 생성물에 따라 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기 구성요소들은 서로 인접하게 배치될 수 있으며, 또한 서로 결합되거나 다른 방법으로 커플(couple) 될 수 있다. 발명의 한 양태에서, 상기 열 확산기는 히트 싱크에 브레이즈 될 수 있다.
히트 싱크(18)는 냉각 핀을 포함하는 싱크(sink)로서 도면에 도시되어 있지만, 본원 발명은 당해 기술분야의 당업자에게 알려져 있는 히트 싱크를 이용할 수 있음을 이해하여야 한다. 알려져 있는 히트 싱크의 예는 여기 참고문헌으로 첨부되어 있는 미국 특허 6,538,892호에서 논의된다. 본원 발명의 한 양태에서, 히트 싱크는 내부 작업 유체(fluid)를 가지는 열 파이프를 포함한다. 열 파이프 히트 싱크의 예는 여기에 참고문헌으로 첨부된 미국 특허 6,517,221호에서 논의된다.
도 1b에서 도시하는 바와 같이, 발명의 한 양태에서, 상기 열 확산기(12)는 히트 싱크 및/또는 열원안에 적어도 부분적으로 임베드(embed)될 수 있다. 이러한 방식으로, 열이 열 확산기의 바닥으로부터 히트 싱크로 전달될 뿐 아니라, 열은 또한 적어도 부분적으로 열 확산기의 측면으로부터 히트 싱크 안으로 전달된다. 히트 싱크 안에 임베드시킨 후, 상기 열 확산기를 히트 싱크에 결합하거나 브레이즈 할 수 있다. 한 양태에서, 상기 열 확산기를 콤프레션 피트에 의하여 히트 싱크 안에 고정할 수 있다. 이러한 방식으로, 열 확산기 및 히트 싱크 사이에는 확산기로부터 싱크(sink)로의 효율적인 열 전달에 대한 장애물로서 작용하는 결합 물질 또는 브레이징 물질이 존재하지 않는다.
당해 기술 분야의 당업자에게 알려진 다양한 방법으로 열 확산기를 히트 싱크 안에 고정할 수 있지만, 한 양태에서, 열 확산기를 열적으로 유도된 콤프레션 피트에 의하여 히트 싱크 안에 고정한다. 이러한 실시예에서, 히트 싱크 안에 형성된 구멍을 확장시키기 위하여 히트 싱크를 상승된 온도로 가열할 수 있다. 이후 열 확산기를 확장된 구멍안으로 끼워 맞출 수 있고, 상기 히트 싱크를 냉각 할 수 있다. 냉각함에 따라, 상대적으로 높은 열팽창계수를 가지는 히트 싱크는 열 확산기 주위에 수축하고, 어떠한 중개(intervene) 결합 물질의 필요 없이, 히트 싱크 안에 임베드된 열 확산기를 고정하는 열적으로 유도된 콤프레션 피트를 생성할 것이다. 기계적인 마찰 설비 또한 히트 싱크 안에 열 확산기를 고정시키는데 이용할 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 본원 발명의 한 양태에서, 히트 싱크는 내부 작업 유체(도시되지 않음)를 가질 수 있는 열 파이프(22)를 포함할 수 있다. 내부 작업 유체는 당업자에게 알려진 유체가 될 수 있으며, 한 양태에서는 물 또는 수증기이다. 상기 열 파이프는 열 파이프 안에 작업 유체를 유지하기 위하여 실질적으로 차단될 수 있다. 열 확산기는 열 파이프에 인접하게 배치될 수 있으며, 한 양태에서는 열 파이프에 브레이즈 된다. 도 1c에 도시된 실시예에서, 상기 열 확산기는 열 확산기의 바닥이 작업 유체와 직접적으로 접촉하도록 열 파이프의 벽을 통과하여 돌출한다. 26에 도시된 바와 같이, 실질적으로 차단된 열 파이프의 조건을 유지하는 것을 보조하기 위하여, 상기 열 확산기는 열 파이프 안에 브레이즈 될 수 있다.
상기 열 확산기가 작업 유체와 직접적으로 접촉하기 때문에, 작업 유체는 열 확산기로부터 열을 더욱 효율적으로 전달 할 수 있다. 도 1c에 도시된 실시예에서, 이 경우에는 물인 작업 유체는(도시되지 않음) 열 확산기를 접촉하며, 열 확산기로부터 열을 흡수할 때 증발된다. 이후 상기 수증기가 열 파이프 바닥에서 액체 형태로 응축할 수 있으며, 그 후, 모세관 힘으로 인하여 액체는 열 확산기 쪽으로 열 파이프의 벽을 보충하는 이전(24)이 일어날 것이며, 여기에서 다시 증발이 일어나고 상기 순환이 반복될 것이다. 상기 열 파이프의 벽을 높은 열 전도계수를 가지는 물질로 만들 수 있기 때문에, 열 파이프 벽으로부터 주변의 대기로 열을 손실한다.
상기 언급한 바와 같이, 패킹된 탄소질 입자들(특히 다이아몬드)은 또한 대부분 탄소만을 가지는 실질적으로 소결된 입자 매스를 형성하기 위하여 서로 소결될 수 있다. 상기 탄소질 입자들이 서로 소결될 때, 인접하는 탄소 입자들을 연결하는 탄소 브릿지(bridge)가 존재한다. 상기-설명한 패킹 방법은 최초의 탄소 패킹 효율성을 증가시킬 수 있다. 연속적인 단계에서 상이한 크기의 탄소질 입자들을 패킹함으로써, 패킹 효율성은 최고 약 80 부피%까지 증가할 수 있다. 그러나 탄소-대-탄소 결합이 없기 때문에, 상기 패킹 효율성은 한계에 도달한다. 그러므로 패킹 효율성 및 열 전도성을 더욱 증가시키기 위해서는, 탄소질 입자들은 서로 소결되어야 한다. 또한 인접하는 탄소질 입자들을 연결하는 탄소 브릿지를 존재하도록 하기 위하여 상기 탄소질 입자들이 서로 소결될 때, 열 흐름을 위한 연속된 경로가 제공된다. 이러한 방법으로, 열은 단순히 최초로 접촉하고 있는 개별적인 입자들 사이의 경계면에서 속도가 늦춰짐이 없이, 빠르게 탄소질 열 확산기를 통하여 통과할 수 있다.
다이아몬드 입자들이 서로 소결하기 위하여, 이들은 다이아몬드의 안정 구역에서 가열되어야 하며, 그렇지 않으면, 다이아몬드는 더욱 안정한 흑연의 형태로 전환될 것이다. 미국 특허 3,574,580; 3,913,280; 4,231,195 및 4,948,388호는 이러한 공정을 더욱 상세히 논의하고 있으며, 여기에 참고 문헌으로 첨부되어 있다. 다이아몬드 소결은 일반적으로 매우 고압에서 수행된다. 비록 이러한 압력 요구사항을 낮추는 몇가지 공정들을 찾아내긴 하였지만(예컨대, 미국 특허 4,231,195), 전형적으로 약 4GPa 내지 최고 약 8GPa 이상의 압력이 필요하다. 더욱 전형적인 소결 공정 압력은 약 5에서 약 6 GPa이다. 이러한 압력에서, 다이아몬드 입자들은 액체상 소결로 알려져 있는 방법에 의하여 서로 소결한다.
다이아몬드, 또는 탄소질 입자, 소결 보조제로서 작용하는 틈새 물질이 제공될 수 있다. 이러한 공정 동안, 틈새 물질(예컨대, Fe, Co, Ni, Si, Mn, Cr)은 다이아몬드 입자를 습윤시킬 수 있다. 상기 다이아몬드는 고압에서 증가하는 용해도로 인하여 이러한 틈새 물질로 용해될 것이다. 국소 압력은 다이아몬드 입자들의 접촉 지점에서 더 높아서, 다이아몬드 입자들은 이러한 지점에서 먼저 용해될 것이다. 대조적으로, 다이아몬드 입자들 사이의 원래의 공극에서의 압력은 낮아서, 용융된 액체에서 탄소 원자의 형태인 상기 용해된 다이아몬드는 공극안에서 다이아몬드로 침전된다. 그러므로 다이아몬드의 접촉지점은 점진적으로 용해할 것이며, 다이아몬드 입자들 사이의 공극은 점진적으로 침전된 다이아몬드로 채워질 것이다. 결과는 최초의 접촉지점을 넘어 다이아몬드를 더 밀접하게 하는 것과 다이아몬드 의 약 70 부피% 내지 98 부피%의 조성을 가지는 다이아몬드 구조를 제조하기 위하여 최초의 공극들을 실질적으로 제거하는 것을 가져올 것이다. 또한 상기 설명한 저압 공정과는 달리, 온도 및 압력 조건이 다이아몬드의 안정 구역안에 있기 때문에, 다이아몬드 입자들에는 어떠한 분해도 일어나지 않을 것이다.
다이아몬드의 초고압 소결의 최종 산물은 서로 소결된 잔여 다이아몬드 입자들을 가지는 다결정 다이아몬드(PCD)이다. 이러한 구조에서, 최초 다이아몬드 입자들의 윤곽은 거의 사라지고, 대신에 현저한 다이아몬드-대-다이아몬드 브릿지가 형성된다. 만약 다이아몬드 소결이 완성에 가깝게 수행될 수 있다면, 전체 매스는 PCD 내부의 최초 공극안에 트랩되는 비-다이아몬드 물질의 작은 주머니를 가진 다이아몬드로 만들어 질 것이다. 이러한 구조는 연속적인 다이아몬드 구조의 95 부피% 이상을 함유할 수 있어, 열을 전도하는데 매우 효율적이게 되어, 순수한 다이아몬드의 열적 성질에 접근한다.
이러한 초고압 공정은 상기 언급한 고온 고압 소결의 경우에서와 같이 저압(< 2GPa)에서 금속이 서로 소결함으로써 만들어진 탄소질 복합 열 확산기에도 또한 적용될 수 있다. 상기 초고압 공정은 고온 고압 소결만에 의하여 달성될 수 있는 것 이상으로 탄소 함량을 증가시키기 위하여 탄소질 복합 열 확산기를 경화시키는 데에도 또한 사용될 수 있다.
본원 방법 발명에 따른 열 확산기의 초고압 제조에 적합한 틈새 물질은 Si, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Mn, W, La, Ce, 및 이러한 물질들의 혼합물 또는 합금을 포함한다. 이러한 물질들 모두가 소결 보조제로 작용하는 것은 아니다.
본원 발명의 또다른 양태에서, 세라믹과 같은 싱크재가 소결 보조재의 제거를 촉진시키기 위하여 제공된다. 상기 설명한 바와 같이, 이러한 싱크재는 다공성이며, 다이아몬드 입자의 소결에 사용되는 초고압하에서 물러지지 않는다. 이러한 싱크재는 대부분 종종 SiC, Si3N4, 및 Al2O3와 같은 세라믹 분말이지만, 과잉의 소결 보조제 물질을 흡수하는 작용을 할 수 있는 어떠한 다공성 매개제라도 될 수 있다. 다른 유용한 다공성 물질은 WC 및 ZrO2를 포함한다.
상기-언급한 시스템 및 장치들 이외에도, 본원 발명은 또한 열 확산기를 만드는 방법을 제공하며, 열 전도 매스를 형성하기 위하여, 복수의 탄소질 입자들을 제공하는 단계, 및 상기 설명한 다양한 양태에서 언급한 것과 같은 비-탄소질 함침제로 복수의 탄소질 입자들을 함침하는 단계를 포함한다. 또다른 양태에서, 열원을 냉각하는 방법이 제공되며, 상기 설명한 다양한 양태에서 언급한 것과 같은 열 확산기를 제공하는 단계, 및 열원과 히트 싱크 모두와 열교환 하도록 상기 열 확산기를 위치시키는 단계를 포함한다.
다음의 실시예들은 본원 발명의 열 확산기를 만드는 다양한 방법을 나타낸다. 이러한 실시예들은 단지 설명하기 위한 것이며, 이 실시예에 의하여 본원 발명을 제한함을 의미하는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
혼합물을 형성하기 위하여 다이아몬드 입자들을 분말형 구리와 혼합할 수 있다. 이후 이러한 혼합물을 슬러그(slug)를 형성하기 위하여 냉간 프레스 (cold press)한다. 내화성 금속(예컨대, Ti, Zr, W, Mo, Ta)으로 만들어진 얇은 벽으로 된 주형이 제공된다. 굵은 입자 크기(예컨대, 40/50 메쉬)를 가지는 세라믹 입자들(예컨대, SiC, Si3N4, Al2O3)을 먼저 주형안에 넣고, 이후 세라믹 입자들을 다이아몬드-구리 슬러그로 씌운다. 이후 상기 샘플 조립품(assembly)을 고압 셀에 두고, 5 GPa 이상으로 압력을 가한다. 이후 상기 조립품을 샘플 조립품을 둘러싸는 가열관을 통하여 전기적 전류를 통과시켜 1,200℃ 이상으로 열을 충전시킨다. 이러한 온도 및 압력에서, 구리는 용융하여 다이아몬드 입자들 사이로부터 빠져나오도록 힘을 받는다. 상기 액체 구리는 세라믹 입자들을 함유하는 주형의 바닥으로 흐른다. 상기 세라믹 입자들은 액체 구리를 수용하기에 충분한 빈 공극들을 함유한다. 이러한 방법으로 다이아몬드 입자들은 부분적으로 충돌되며, 구리에 의하여 남겨진 공간에 실질적으로 채워진다. 생성물은 높은 다이아몬드 함량(예컨대, 부피의 85%)의 열 확산기이다. 구리 부분은 복합 물질에 남으며, 입자들을 서로 고정시키기 위하여 다이아몬드에 결합한다.
다이아몬드-대-다이아몬드 브릿지의 결여로 인하여, 상기 설명한 구리로 규결된 다이아몬드 복합물은 PCD에서와 같이 소결된 다이아몬드 부피의 최고 95%의 다이아몬드 함량에는 도달하지 못하지만, 이의 다이아몬드 함량은 전착 또는 고온-고압 소결에 의하여 제조되는 다이아몬드 함량 보다 훨씬 더 높다. 그러므로 열 전도성은 본원 발명의 저압 다이아몬드 복합 열 확산기 보다 훨씬 더 높다. 더욱이, PCD는 구리보다 낮은 열 전도성을 가지는 탄소 용제 금속들(예컨대, Co)을 함유하기 때문에, PCD와 비교할 때, 구리의 높은 열 전도성은 낮은 다이아몬드 함량(부피의 약 80%)을 부분적으로 보상한다.
PCD는 관례적으로 만들어져 왔으나, 절단 공구, 드릴 비트, 및 와이어 드로잉 다이(wire drawing dies)와 같은 기계적인 기능을 위해 전형적으로 디자인되고, 독점적으로 사용된다. 기계적인 마무리를 개선하고 기계적 강도를 증가시키기 위하여(예컨대, 충돌 강도), PCD는 매우 고운 다이아몬드 분말로 만들어진다. 가장 좋은 PCD는 종속-마이크로미터 크기(예컨대, Sumitomo Electric Company of Japan사 제조)와 같은 매우 고운 다이아몬드 입자들을 함유한다. 열 확산기에 PCD를 이용함으로써, 기계적인 성질은 다소 중요하지 않게 된다. 충돌 강도 및 표면 마무리 대신, 다이아몬드 패킹 효율성 및 열적 성질이 주로 고려된다. 그러므로 열 확산기를 위한 PCD의 디자인은 전통적인 연마 적용의 디자인과는 구별된다. 특히, 본원 발명의 다이아몬드 입자들은 상대적으로 큰 입자 크기이며, 함침제 또는 소결 보조제는 전통적인 PCD에서와 같은 기계적인 단단함 보다는 높은 열 전도성을 요한다.
열 확산기의 열 전달 효율성을 개선하기 위하여, 다이아몬드 입자들의 입자 경계가 최소화되는데, 이는 입자 경계가 최대화되는 다이아몬드 복합물의 전통적인 디자인과는 대조적이다. 더 큰 다이아몬드 입자들의 사용은 열 전달을 감소시키는 입자 경계를 감소시킬 뿐 아니라, 다이아몬드 패킹 효율성을 증가시키는 역할을 하며, 또한 열 전도성을 증가시킨다. 그러므로 이러한 디자인 기준은 여리서 설명되는 다이아몬드 복합 열 확산기 및 모든 다이아몬드에 적용할 수 있다.
실시예 2
약 20mm의 직경을 가지는 원형 구멍의 형태인 접촉 공동(cavity)이 팬(fan)에 의하여 냉각된 라디에이팅 핀을 가지는 알루미늄에 기초한 평평한 히트 싱크로 형성된다. 약 20mm의 직경을 가지는 다이아몬드 복합 열 확산기를 접촉 공동안으로 집어 넣은 후, 접촉 공동을 팽창하기 위하여 상기 히트 싱크를 약 200℃의 온도로 가열한다. 냉각 할 때, 알루미늄 히트 싱크의 더 큰 열적 팽창 수축은 접촉 동공안으로 단단하게 압축되는 다이아몬드 복합 열 확산기를 생성할 것이다. 상기 다이아몬드 복합 열 확산기의 상부 표면은 수축 피팅(fitting)에 의하여 형성된 부스러기를 제거하기 위하여 연마된다. 상기 열 확산기를 칩 또는 CPU와 접촉하도록 위치시키고, 열 확산기의 바닥 및 열 확산기의 측면으로부터 히트 싱크로 열을 확산시키면서, 열을 열 확산기를 통하여 히트 싱크 안으로 확산한다.
실시예 3
50/60 미국 메쉬 다이아몬드 입자들을 산(acid)으로 세정하고, 실린더 모양의 타탈륨(tatalum) 컵 안에 넣는다. 산소-없는 구리 디스크를 다이아몬드 입자들 상부에 위치시킨다. 상기 충전을 충전제를 함유하는 엽납석(pyrophillite) 입방체 쪽으로 6모루(anvils) 압력을 이용하는 2000 톤 입방체 압력에서 5.5 GPa로 압축한다. 전기적 전류가 상기 충전제를 둘러싸는 흑연관을 통하여 통과한다. 1150℃의 온도에서, 용융된 구리는 상기 다이아몬드 입자들을 통하여 함침된다. 냉각 및 감압을 할 때, 상기 충전제를 타탈륨 컨테이너 및 또한 다이아몬드-구리 복합물의 상부 및 바닥 표면을 제거하기 위하여 연마한다. 최종 디스크는 직경 37mm, 두께 2mm이다. 다이아몬드 함량은 약 82 V%이다. 생성되는 다이아몬드-구리 열 확산기는 순수한 구리의 열 전달율의 약 1.5 - 2배의 열 전달율을 가진다.
실시예 4
약 1 중량% 농도의 Cu-Zr을 구리 및 다이암노드의 습윤 특성을 개선하는데 사용한 것을 제외하고, 실시예 3에 따라 열 확산기를 만든다.
실시예 5
유연성 흑연 시트(grafoil)를 알루미나 컨테이너 안에 놓고, 30/40 다이아몬드 결정을 씌운다. 상기 결정을 평평한 판을 사용하여 유연성 흑연 시트안으로 압축한다. AgCuSnTi 호일(foil)은 다이아몬드/유연성 흑연 시트 혼합물의 상부에 위치시킨다. 상기 조립체를 950℃의 진공 용광로에서 15분간 가열한다. 생성물은 합금 함침된 다이아몬드-흑연이다.
실시예 6
30/40 메쉬 다이아몬드 입자들(약 500㎛)을 50%의 부피 효율성을 달성하기 위하여 청동 분말(약 20㎛)과 혼합한다. 상기 혼합물을 40MPa(400 대기압)의 압력으로 흑연 주형안에서 고온 고압 소결하고, 750℃로 10분간 가열한다. 생성물은 직경 30mm, 두께 3mm의 다이아몬드 금속 복합 디스크이다.
실시예 7
30/40 메쉬 다이아몬드 입자를 알루미늄 분말과 혼합하고, 알루미나 트레이(tray)안에 넣는다. 충전제를 10-5torr의 진공 용광로에서 700℃로 5분간 가열하여, 알루미늄을 용융되게 한다. 냉각한 후, 생성물은 다이아몬드 알루미늄 복합물이다.
실시예 8
30/40 메쉬 다이아몬드를 흑연 주형 안에 넣고, 약 325 메쉬의 NICROBRAZ LM(Wall Colmonoy) 분말로 씌운다. 상기 부하를 10-5torr의 진공 용광로에서 1010℃로 12분간 가열한다. 상기 용융된 Ni-Cr 합금은 다이아몬드 금속 복합물을 형성하기 위하여 다이아몬드 입자들 안으로 함침한다.
실시예 9
30/40 베쉬 다이아몬드를 흑연 주형안에 넣고, 분쇄된 실리콘 웨이퍼로 씌운다. 상기 부하를 10-5torr의 진공 용광로에서 1470℃로 9분간 가열한다. 복합물을 형성하기 위하여 용융된 Si를 다이아몬드 입자 안으로 함침한다.
실시예 10
30/40 메쉬 다이아몬드를 흑연 주형안에 넣고, 젓는다. 이후 220/230 메쉬 다이아몬드를 주형안에 넣고, 대부분의 공극들이 더 작은 입자들로 채워질 때까지 천천히 저어준다. 이후 패킹된 다이아몬드를 -325 메쉬의 NICROBRAZ LM(Wall Colmonoy)로 씌운다. 상기 부하를 10-5torr의 진공 용광로에서 1010℃로 12분간 가열한다. 다이아몬드 금속 복합물을 형성하기 위하여 상기 용융된 Ni-Cr 합금을 다이아몬드 입자들 안으로 함침한다.
실시예 11
30/40 메쉬 다이아몬드를 캐소드(cathode) 주위에 패킹하고, 구리 이온을 함유하는 산(acid) 수조안에 담근다. 전류를 통하게 한 후, 구리가 점차적으로 이러한 다이아몬드 입자들의 공극안에 증착된다. 생성물은 다이아몬드 구리 복합물이다.
실시예 12
실질적으로 입방체 모양의 20/25 메쉬 다이아몬드 입자들(SDA-100S De Beers제조)을 약 40mm 평방(square)의 다이아몬드 입자 단일층을 형성하기 위하여 알루미나 판위에 가장자리끼리 맞대어 일렬로 정렬하였다. 두께 0.7mm의 실리콘 웨이퍼를 이러한 입자들 층 상부에 올려 놓았다. 이후 상기 조립체를 진공 용광로안에 넣고, 10-5torr로 감압시켰다. 이후 온도를 15분간 1450℃로 올렸다. 실리콘이 용융되어 다이아몬드 입자들 사이에 함침하였다. 냉각 후, 상기 복합물을 과잉의 실리콘을 제거하기 위하여 가공되엇다. 생성물은 약 0.8mm의 다이아몬드 열 확산기이다. 이러한 열 확산기는 약 90 부피%의 다이아몬드를 함유한다. 실질적으로 입방체 입자들의 사용은 앞서 설명한 연속적인 패킹 방법을 사용하여 전통적으로 달성되는 다이아몬드 함량 보다 훨씬 더 높은 다이아몬드 함량을 가지도록 한다.
실시예 13
40/50 메쉬 다이아몬드 입자들을 Si 및 Ti 분말 혼합물과 혼합하고, 전체 혼합물을 티타늄 가열관안으로 차례로 맞추어진 흑연 주형 안에 넣는다. 상기 조립품을 엽납석 블럭의 중심에 놓는다. 이러한 블럭을 입방 프레스(cubic press)에 쌓고, 5.5 GPa의 압력에 둔다. 티타늄관을 통하여 전기적 전류를 통과시켜 가열 한다. 실리콘이 용융할 때, 그것은 티타늄을 용해시키고, 두가지 모두가 다이아몬드 입자들 주위를 흐른다. 이후 다이아몬드 입자들은 실리콘 액체의 보조로 소결한다. 상기 다이아몬드 복합물을 식히고, 감압한 후, 엽납석 및 다른 압력 매개제로부터 분리한다. 생성물은 다이아몬드의 약 92 부피%를 함유하는 다이아몬드 복합물이다. 이러한 20개의 다이아몬드 복합물을 각각 직경 20mm, 두께 3mm의 규모를 가지도록 만든다. 이러한 다이아몬드 복합물 디스크들을 다이아몬드 휠(wheel)로 연마하였고, 구리의 약 2배를 가리키는 열 전도성이 측정되었다.
물론, 상기-설명한 장치들은 단지 본원 발명의 원리의 응용을 설명하기 위한 것일 뿐이다. 수많은 변형과 다른 장치들이 본원 발명의 원리 및 범주에서 벗어나지 않고 당업자에 의하여 고안될 수 있으며, 수반되는 청구항은 이러한 변형 및 장치들을 뒷받침하기 위함이다. 그러므로 본원 발명을 본원 발명의 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 현재 간주되는 것과 연관하여 특별히 상세하게 위에서 설명하였지만, 크기, 물질, 모양, 형태, 기능 및 작동 방식, 조립체 및 용도의 변화를 포함하여, 이에 제한되지 않는 수많은 변형들이 여기에 설명된 원리 및 개념에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (53)

  1. 다음을 포함하는 열 확산기:
    각각 실질적으로 적어도 하나의 다른 탄소질 입자와 접촉하고 있는 복수의 탄소질 입자들; 그리고
    상기 복수의 탄소질 입자들을 복합 매스(mass)로 실질적으로 결합시키는 비-탄소질 물질.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 탄소질 입자는 다이아몬드 입자인 열 확산기.
  3. 각각의 다이아몬드 입자는 적어도 하나의 다른 다이아몬드 입자에 실질적으로 소결되는 다이아몬드 입자들의 매스(mass)를 포함하는 열 확산기.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들은 실질적으로 각각의 다이아몬드 입자들에 연속적인 다이아몬드-대-다이아몬드 경로를 제공하기 위하여 서로 충분히 접촉하는 열 확산기.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들은 상기 열 확산기 부피의 50% 내지 80%의 양으로 존재하는 열 확산기.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자들은 상기 열 확산기의 70 부피% 내지 98 부피%의 양으로 존재하는 열 확산기.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 Fe, Ni, Co, 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 그룹에서 선택되는 구성물인 열 확산기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 Ni-Cr-B 및 Ni-Cr-P로 구성되는 그룹에서 선택된 Ni 합금인 열 확산기.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 Ti, Zr, 및 Cr로 구성된 그룹에서 선택된 물질의 Fe, Ni, 또는 Co 합금인 열 확산기.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 Ni, Ti, Al 및 Cr로 구성된 그룹에서 선택된 구성물의 Si 합금인 열 확산기.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 Si, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Mn, W, La, Ce, 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 원소를 적어도 50 중량% 포함하는 열 확산기.
  12. 상기 탄소질 입자는 적어도 열 확산기의 50 부피%의 양으로 존재하며; 그리고
    상기 비-탄소질 물질은 적어도 상기 열 확산기 부피의 5%의 양으로 존재하고, 상기 비-탄소질 물질은 Cu, Al 및 Ag로 구성된 그룹에서 선택된 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 제 1항의 열 확산기.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 탄소질 입자는 적어도 열 확산기의 80 부피%의 양으로 존재하는 열 확산기.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 탄소질 입자는 적어도 열 확산기의 90 부피%의 양으로 존재하는 열 확산기.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 탄소질 입자는 다이아몬드 입자인 열 확산기.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자는 코팅되지 않은 다이아몬드 입자인 열 확산기.
  17. 제 12항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 본질적으로 Cu, Al 또는 Ag 중 어느 하나로 구성되는 열 확산기.
  18. 제 12항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 비-탄소질 물질의 1% w/w 내지 10% w/w의 카바이드 형성 원소를 포함하는 열 확산기.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 카바이드 형성 원소는 적어도 1% w/w의 양으로 존재하는 열 확산기.
  20. 제 18항에 있어서, 상기 카바이드 형성 원소는 Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, Mn, Ta, W, Tc, Si, B, Al, 및 이들의 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 구성물인 열 확산기.
  21. 제 18항에 있어서, 상기 카바이드 형성 원소는 Cu-Mn 합금인 열 확산기.
  22. 제 12항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 1,100℃ 미만의 공융 녹는점을 가지는 합금인 열 확산기.
  23. 제 12항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 상기 탄소질 입자를 습윤시키는 합금인 열 확산기.
  24. 제 15항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 적어도 카바이드 형성자의 2% w/w를 함유하는 열 확산기.
  25. 제 1항, 2항, 3항, 또는 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 확산기는 1mm 이상의 두께를 가지는 열 확산기.
  26. 다음을 포함하는 열원으로부터 열을 전달해 가져가는 냉각 유닛(unit):
    히트 싱크; 그리고
    히트 싱크 및 열원 모두와 열교환 하도록 배치되는 제 1항, 2항, 3항 또는 12항 중 어느 한 항에서 언급한 열 확산기.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 열 확산기는 적어도 부분적으로 열원안에 임베드(embed)된 냉각 유닛.
  28. 제 26항에 있어서, 상기 열 확산기는 적어도 부분적으로 히트 싱크 안에 임베드된 냉각 유닛.
  29. 제 28항에 있어서, 상기 열원은 콤프레션 피트(compression fit)에 의하여 히트 싱크 안에 고정되는 냉각 유닛.
  30. 제 29항에 있어서, 히트 싱크 안에 열 확산기를 고정하는 상기 콤프레션 피트는 열적으로 유도된 콤프레션 피트인 냉각 유닛.
  31. 제 26항에 있어서, 상기 열 확산기는 히트 싱크에 브레이즈된 냉각 유닛.
  32. 제 26항에 있어서, 상기 히트 싱크는 내부 작업 유체를 가지는 열 파이프를 포함하는 냉각 유닛.
  33. 제 32항에 있어서, 상기 열 확산기는 열 파이프 벽을 통과하여 돌출하고, 열 파이프의 작업 유체와 직접적으로 접촉하는 바닥 표면을 가지는 냉각 유닛.
  34. 다음의 단계를 포함하는 열 확산기 제조 방법:
    복수의 탄소질 입자들을 제공하는 단계; 그리고
    열 전도 매스가 형성되도록, 복수의 탄소질 입자들을 제 12항 또는 17 내지 23항 중 어느 한 항에서 언급한 비-탄소질 물질로 함침하는 단계.
  35. 다음의 단계를 포함하는 열원 냉각 방법:
    제 1항, 2항, 3항, 또는 12항 중 어느 한 항에서 언급한 열 확산기를 제공하는 단계; 그리고
    상기 열 확산기를 열원 및 히트 싱크 모두와 열교환 하도록 배치시키는 단계.
  36. 다음의 단계를 포함하는 열 확산기 제조 방법:
    제 1의 평균 메쉬 크기를 가지는 제 1의 복수의 다이아몬드 입자를 제공하는 단계;
    각각의 다이아몬드 입자가 적어도 하나의 다른 다이아몬드 입자와 실질적으로 접촉하도록 상기 다이아몬드 입자를 패킹하는 단계;
    비-탄소질 물질을 제공하는 단계; 그리고
    상기 비-탄소질 물질을 상기 패킹된 다이아몬드 입자들 사이의 공극에 적어도 부분적으로 채우기 위하여, 패킹된 다이아몬드 입자를 상기 비-탄소질 물질과 결합시키는 단계.
  37. 제 36항에 있어서, 상기 결합 단계는 상기 비-탄소질 물질에 의한 함침에 의하여 수행되고, 함침은 1,100℃ 미만의 온도에서 수행되는 열 확산기 제조 방법.
  38. 제 36항에 있어서, 상기 결합 단계는 상기 비-탄소질 물질에 의한 함침에 의하여 수행되고, 함침은 10-3 torr 미만의 압력의 진공 용광로에서 수행되는 열 확산기 제조 방법.
  39. 제 36항에 있어서, 패킹 단계는 비-탄소질 물질을 제공하는 단계에 앞서 상기 열 확산기 부피의 50% 이상으로 다이아몬드를 패킹하는 단계를 더 포함하는 열 확산기 제조 방법.
  40. 제 36항에 있어서, 상기 다이아몬드 입자는 실질적으로 복수의 다이아몬드 입자 각각에 대하여 연속적인 다이아몬드-대-다이아몬드 경로를 제공하기 위하여 서로 충분하게 접촉하는 열 확산기 제조 방법.
  41. 제 35항에 있어서, 다음의 단계를 더 포함하는 열 확산기 제조 방법:
    상기 결합 단계에 앞서, 다공성 세라믹 물질을 제공하는 단계; 그리고
    상기 결합 단계에 앞서, 패킹된 다이아몬드 입자들에 인접하게 상기 세라믹 물질을 위치시키는 단계.
  42. 제 35항에 있어서, 상기 세라믹 물질은 SiC, Si3N4, Al2O3, WC, 및 ZrO2로 구성되는 그룹에서 선택된 구성물 부피의 적어도 50%를 포함하는 열 확산기 제조 방법.
  43. 제 41항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 구리이며, 상기 결합 단계는 4 GPa 내지 6 GPa의 압력에서 수행되는 열 확산기 제조 방법.
  44. 제 35항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 Fe, Ni, Co, 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 그룹에서 선택되는 열 확산기 제조 방법.
  45. 제 43에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 Ni-Cr-B 및 Ni-Cr-P로 구성되는 그룹에서 선택된 Ni 합금인 열 확산기 제조 방법.
  46. 제 43항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 Ti, Zr, 및 Cr로 구성되는 그룹에서 선택된 물질의 Fe, Ni, 또는 Co 합금인 열 확산기 제조 방법.
  47. 제 35항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 Ni, Ti, Al, 및 Cr로 구성되는 그룹에서 선택된 구성물의 Si 합금인 열 확산기 제조 방법.
  48. 다음의 단계들을 포함하는, 열원으로부터 열을 제거하는 방법:
    제 1항, 2항, 3항, 또는 12항 중 어느 한 항에서 언급한 열 확산기를 제공하는 단계; 그리고
    상기 열 확산기를 상기 열원과 연결하여 작동하도록 위치시키는 단계.
  49. 제 48항에 있어서, 상기 열원은 CPU인 열 확산기 제조 방법.
  50. 다음의 단계들을 포함하는 다이아몬드 열 확산기 제조 방법:
    제 1의 평균 메쉬 크기를 가지는 제 1의 복수의 다이아몬드 입자를 제공하는 단계;
    상기 다이아몬드 입자을 서로 밀접하게 접촉하도록 다이아몬드 입자를 패킹하는 단계;
    비-탄소질 물질을 제공하는 단계; 그리고
    상기 다이아몬드 입자를 서로 적어도 부분적으로 소결시켜 다이아몬드의 70 부피% 내지 98 부피%의 조성을 가지는 실질적으로 소결된 다이아몬드 입자 매스를 제공하기 위해, 4 GPa 내지 8 GPa의 압력에서 비-탄소질 물질의 존재하에서 상기 복수의 다이아몬드 입자를 소결하는 단계.
  51. 제 50항에 있어서, 상기 비-탄소질 물질은 Si, Ti, Ni, Fe, Co, Cu, Mn, Cr, Al, La, Ce, 및 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성되는 그룹에서 선택된 조성물을 포함하는 다이아몬드 열 확산기 제조 방법.
  52. 제 50항에 있어서, 상기 다이아몬드 열 확산기는 다이아몬드의 90 부피% 내지 98 부피%의 조성을 가지는 다이아몬드 열 확산기 제조 방법.
  53. 제 35항 또는 제 50항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2의 복수의 다이아몬드 입자를 더 큰 입자들 사이의 공극안에 부분적으로 채워 다이아몬드의 50 부피% 내지 80 부피%의 패킹된 다이아몬드 모임을 제공하기 위해, 제 1의 평균 메쉬 크기보다 더 작은 제 2의 평균 메쉬 크기를 가지는 제 2의 복수의 다이아몬드 입자를 상기 패킹된 다이아몬드 입자에 첨가하는 단계를 더 포함하는 열 확산기 제조 방법.
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