KR20100126308A - 열 전도성 인터페이스 구조물을 위한 배향형 구성물 - Google Patents

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존 프랜시스 티머맨
샌제이 미스라
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더 벅퀴스트 컴퍼니
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Abstract

열 발생 전자장치와 함께 사용하기 위한 열 전도성 인터페이스 구조물은 폴리머 매트릭스 물질과 하나 이상의 압축형 구성물을 포함하며, 압축형 구성물은 인터페이스 구조물의 두께 방향을 따라 상대적으로 경량의 로드(load)하에 압축될 수 있다. 압축형 구성물은 열 전도성이며, 복수의 그물형 개구부를 정의한다. 압축형 구성물은 열 전도성 인터페이스 구조물의 두께 치수 방향으로 상대적으로 낮은 압축률을 나타낼 수 있다.

Description

열 전도성 인터페이스 구조물을 위한 배향형 구성물{ORIENTED MEMBERS OF THERMALLY CONDUCTIVE INTERFACE STRUCTURES}
본 발명은 넓게는 열 전도성 인터페이스 구조물에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 인터페이스 구조물의 두께 방향을 따라 압축가능한 하나 이상의 방향성 열 전도성 압축 구성요소를 포함하는 열 전도성 인터페이스에 관한 것이다.
현대의 전자 장치는 서로 매우 인접하게 장착되며, 매우 다양한 동작 전자 컴포넌트를 포함한다. 이러한 전자 컴포넌트 관한 향상된 성능 및 소형화된 사이즈에 대한 요구가 열 발생 레벨을 증가시키는 결과를 낳는다. 많은 전자 컴포넌트에 있어 동작 효율은 온도 상승시 감소하며, 이에 따라 전자 컴포넌트로부터 열을 방출시키는 메커니즘이 요구된다. 따라서, 장치를 통과하도록 공기를 이동시키기 위한 냉각 팬, 냉각 유체 전달 파이프, 및 개별적인 전자 컴포넌트 내 및 그 주위의 열에너지를 제거하기 위한 넓은 표면 영역 열 싱크(sink)와 같은 열 전달 보조기구를 사용하는 것이 종래기술로 알려져 있다.
열 발생 전자 컴포넌트로부터 과잉 열 에너지를 제거하기 위한 공통 기술은 상대적으로 넓은 표면 영역의 열 싱크에 전자 컴포넌트를 열적으로 연결하는 것을 포함하며, 이는 금속과 같은 고성능 열 전도 물질로 만들어지는 것이 전형적이다. 열 싱크로부터의 열 방출은 열 싱크와 공기와 같은 냉각 매체 사이의 인터페이스에서 일어나는 것이 일반적이다. 일부의 경우에, 열 방출 효율은 열 싱크의 열 교환 표면 상부에서의 공기가 연속적으로 흐르도록 하는 팬을 사용함으로써 증가된다.
일부의 경우에, 열 전도 페이스트(paste) 또는 젤(gel)과 같은 인터페이스 물질이 열-발생 전자 컴포넌트 및 열 싱크 사이에 게재되어, 전자 컴포넌트로부터 열 싱크로의 열 전달 효율을 증가시킬 수 있다. 전자 컴포넌트 구조물과 열 싱크 사이의 인터페이스에서의 불균일한 표면에 의해 유발된 인터페이스 공극(void)은 이를 통과하는 열 에너지의 통로를 방해하는 열 장벽(barriers)을 삽입한다. 인터페이스 물질은 이러한 공백을 최소화하여 열 장벽을 제거하고 열 전달 효율을 감소시킨다.
이러한 응용예에서 공통적으로 사용되는 열 전도성 페이스트 또는 젤이 상대적으로 낮은 벌크율(bulk modulus)을 나타내고, 인터페이스 물질이 부분적으로 액상이며 열-발생 전자 컴포넌트의 동작과 일치하게 상승된 온도에서 유동적이 된다 점에서, "위상이 변경"될 수 있다. 이러한 인터페이스 물질의 사용이 많은 응용예에 적합한 것으로 밝혀졌으나, 그럼에도 소정의 문제점이 존재한다. 예를 들면, 이러한 인터페이스 물질들 중 일부는 저 탄성률/유동성 특성에 따라 취급 및 설치가 어렵고 까다로울 수 있다. 또한, 이러한 열 인터페이스 물질을 이용하여 획득할 수 있는 열 전도성에 대한 한계점이 관찰된다. 전자 컴포넌트로부터의 열 에너지 제거에 대한 요구가 점차 증가하므로, 알려진 열 인터페이스 페이스트 및 젤이 특정한 열 전달 응용예에 적합하지 않을 수 있다.
위에 설명된 열 전도성 인터페이스 물질에 더하여, 다른 유형의 열 인터페이스 구조물이 종래 기술로 알려져 있다. 예를 들면, 고체 및 반-고체 인터페이스 구조물이 전자 컴포넌트와 열 싱크 사이에서 열 전도성 접착제 등을 통해 고정된다. 이러한 인터페이스 구조물은 전형적으로 높은 열 전도성 값을 나타내나, 인접한 표면에 대한 균일성(conformability)의 부재는 전체 열 경로 효율을 감소시킨다.
따라서, 인터페이스 구조물의 두께 방향으로의 압축성을 통해 반대편 표면들에 대해 높은 열 전도성 및 균일성을 가지는 열 전도성 인터페이스 구조물을 제공하는 것이 본 발명의 일차적인 목적이다.
본 발명의 추가적인 목적은, 두께 방향을 따라 압축가능한 높은 전도성을 가지며, 취급 및 설치가 쉬운 열 전도성 인터페이스 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명을 이용함으로써, 소형화된 정밀 장치를 통해 열 발생 전자 컴포넌트로부터 효과적으로 열 에너지가 방출될 수 있다. 위에 설명한 열 전달 동작을 수행하기 위해, 열 전도성 인터페이스 구조물이 제공되며, 이는 바람직한 열 전달 방향에 평행인 두께 방향을 따라 압축될 수 있다. 본 발명의 인터페이스는 이러한 두께 방향을 따라 상대적으로 낮은 압축률을 가지며, 여기서, 압축률은 약 200psi 이하이다. 또한, 인터페이스 구조물은 높은 열 전도성을 가지며 약 5 내지 50W/mㆍK의 열 전도 값을 가질 수 있다.
특정한 실시예에서, 열 전도성 인터페이스 구조물은 일정한 길이, 폭 및 두께를 가지며, 매트릭스 물질과, 인터페이스 구조물의 두께 및 폭을 통과해 확장하는 개별적인 평면을 정의하는 열 전도성 압축 구성물(member)을 포함한다. 열 전도성 압축 구성물은 이 구성물을 통과해 수직으로 확장하며 실질적으로 길이 방향을 향하는 개별적인 축들을 가지는 그물 모양의 개구부를 가진다. 압축형 구성물은 두께 방향을 따라 압축될 수 있다.
일부 실시예에서, 압축형 구성물의 그물 모양 개구부들이 실질적으로 다이아몬드 모양이고, 제 1 대향 꼭짓점 쌍 사이의 장 치수를 정의하고, 제 2 대향 꼭짓점 쌍 사이의 단 치수를 정의한다. 장 치수와 단 치수 사이의 길이 비율은, 압축 구성물이 비-압축형 조건일 때, 약 2 이다. 개구부는 압축형 구성물의 약 40 면적 퍼센트를 구성할 수 있다.
일부 실시예에서, 열 전도성 인터페이스 구조물은 길이를 따라 실질적으로 평행한 관계로 배치된 복수의 압축 구성물을 포함한다. 압축 구성물은 인터페이스 구조물의 약 10 내지 50 부피 퍼센트를 구성할 수 있다.
다른 실시예에서, 열 전도성 인터페이스 구조물은 폴리머 매트릭스와 인터페이스 구조물의 길이를 따라 배치된 복수의 압축형 구조물은 포함한다. 여기서, 압축형 구조물들 중 적어도 일부는 각각이 인터페이스 구조물의 폭 및 두께 전체로 확장한다. 압축형 구성물은 그물형 개구부를 정의하는 메시(mesh)로 형성된 스트랜드(strand)를 포함한다. 또한, 메시는 압축형 멤버가 두께 방향으로 따라 압축가능하도록 배치된다.
다른 측면에서, 본 발명의 전자 컴포넌트 어셈블리는 열-발생 전자 컴포넌트 및 길이, 폭 및 두께를 가지는 열 전도성 인터페이스 구조물을 포함한다. 여기서, 두께가 인터페이스 구조물의 제 1 및 제 2 표면 사이로 정의된다. 제 1 표면의 적어도 일부가 전자 컴포넌트와 열적으로 연결된다. 열 전도성 인터페이스는 폴리머 매트릭스와 하나 이상의 열 전도성 압축형 구성물을 포함하며, 압축형 구성물 각각은 수직방향으로 전체적으로 확장하여 실질적으로 길이 방향을 따라 배향되는 개별적인 축들을 가지는 그물형 개구부를 포함한다. 압축형 구성물은 각각 약 200psi 이하의 두께 방향의 압축형 벌크율(bulk modulus)을 가진다.
인터페이스 구조물에 대한 추가 실시예는 폴리머 매트릭스와, 두께방향에 평행인 제 1 축에 실질적인 나선형으로 감긴 열 전도성 압축형 구성물을 포함한다. 압축셩 구성물은 대향되며 두께 방향에 실질적으로 평행하게 배열된, 제 1 및 제 2 주 표면들을 포함하며, 그 내부에 배치된 복수의 그물형 개구부를 포함하고, 압축형 구성물은 두께 방향으로 따라 압축가능하다.
본 발명이 온전히 이해되고 실질적인 효과를 내기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예(이에 제한되는 것은 아님)를 첨부된 도면을 참조하여, 이하에서 설명한다.
도 1은 본 발명의 전자 컴포넌트 어셈블리를 나타내는 측면도이다.
도 2A는 본 발명의 인터페이스 구조물을 나타내는 사시도이다.
도 2B는 본 발명의 인터페이스 구조물을 나타내는 측면도이다.
도 2C는 본 발명의 인터페이스 구조물을 나타내는 측면도이다.
도 3A는 본 발명의 인터페이스 구조물을 나타내는 단면도이다.
도 3B는 도 3A에 도시된 인터페이스 구조물의 일부를 나타내는 확대 사시도이다.
도 3C는 본 발명의 인터페이스 구조물의 일부를 나타내는 측면도이다.
도 3D는 본 발명의 인터페이스 구조물의 일부를 나타내는 확대도이다.
도 3E는 압축된 조건에서 본 발명의 인터페이스 구조물을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 인터페이스 구조물의 일부를 나타내는 확대도이다.
도 5는 본 발명의 인터페이스 구조물의 일부를 나타내는 확대도이다.
도 6은 본 발명의 인터페이스 구조물의 사시도이다.
도 7A-7D는 본 발명의 인터페이스 구조물의 제조 프로세스 단계를 나타내는 도면이다.
도 8A-8E는 본 발명의 인터페이스 구조물의 제조 프로세스 단계를 나타내는 도면이다.
위에 열거한 목적 및 효과 그리고 본 발명에 의해 제시된 이와 다른 목적, 특성 및 효과가 본 발명의 여러 가능한 구성을 대표하는 것으로 의도된 첨부된 도면을 참조하여 설명된 구체적인 실시예의 측면에서 이하에 설명될 것이다. 본 발명의 다른 실시예 및 측면이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술의 가지는 자가 이해할 수 있는 것으로 인정된다.
지금부터 도면을 참조하며, 먼저 도 1을 참조하면, 전자 컴포넌트 어셈블리(10)는 열-생성 전자 컴포넌트(12) 및, 전자 컴포넌트(12)에 열적으로 연결된 열 전도성 인터페이스 구조물(14)을 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 열 싱크(16, heat sink)는 전자 컴포넌트 어셈블리에 포함되고, 열 싱크(16)의 제 1 표면(18)에서 열 전도성 인터페이스 구조물(14)과 열 접촉상태이다. 일반적으로, 도 1에 전체적인 장치(arrangement)가 도시되었다. 여기서, 열 전도성 물질 또는 객체가 열-발생 전자 컴포넌트와 열 싱크 사이에 게재되고, 열 싱크는 종래기술에 알려져 있다. 그러나, 출원인은 고유한 열 전도성 인터페이스 구조물(14)이 통상적인 열 전도성 인터페이스 장치에 대해 별개의 효과를 제공하는 것으로 하였다.
열-발생 전자 장치(12)는 일반적인 장치로, 도 1에 개략적으로 도시된다. 이러한 컴포넌트(12)는 그러나 마이크로프로세서, 집적 회로, 메모리 칩, 하드 드라이브, 발광 다이오드 등과 같은, 폭넓은 다양한 전자 장치를 실질적으로 대표한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 인터페이스 구조물(14)의 제 1 표면이 전자 컴포넌트(12)와 열적으로 연결되고, 전자 컴포넌트(12)의 열-방출 표면과 열적으로 연결되는 것이 바람직하다. "전자 컴포넌트"라는 용어는, 인터페이스 구조물(14)이 전자 컴포넌트(12)를 구성하는 어셈블리와 관련된 하나 이상의 소자와 열 접촉 상태로 배치될 수 있다는 점에서, 개별적인 전자 장치와 관련된 모든 부분을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1에 도시된 장치(arrangement)에서, 인터페이스 구조물(14)은 전자 컴포넌트(12)와 열 싱크(16) 사이에 게재된다. 전자 컴포넌트 어셈블리(10)의 구성에서, 인터페이스 구조물(14)이 전자 컴포넌트(12)와 열 싱크(16) 사이에 샌드위치되고, "z" 축을 따라 압축 압력을 견딜 수 있다. 또한, z 축은 인터페이스 구조물(14)의 두께를 따라 정렬되기 때문에, 이 명세서에서 "두께 방향"이라고도 한다. 위에 표시한 바와 같이, 전자 컴포넌트(12)와 열 싱크(16)의 개별적인 표면들에 대해 가장 적합하게 하기 위해, 인터페이스 구조물(14)은 축 "z"를 따라 압축할 수 있는 것이 바람직하다.
열 전도성 인터페이스 구조물(14)의 확대 사시도가 도 2에 도시되고, 여기서 인터페이스 구조물(14)은 길이 치수 "L", 폭 치수 "W" 및 두께 치수 "T"를 포함한다. 인터페이스 구조물(14)은 특정한 애플리케이션에 대한 요구조건을 만족하는 다양한 모양 및 사이즈로 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 인터페이스 구조물(14)은 실질적으로 사각형일 수 있으며, 길이 치수 "L"은 제 1 및 제 2 단면(24, 25) 사이에서 정의되고, 폭 치수"W"는 제 1 및 제 2 측면(26, 27) 사이에서 정의되며, 두께 치수 "T"는 상부 및 하부 표면(22, 23) 사이에서 정의된다.
도 2A에 추가로 도시된 것과 같이, 인터페이스 표면(14)은 길이 치수 "L"를 따라 서로 실질적으로 평행하게 배치된 복수의 압축형 구조물을 포함한다. 도 2A에도시된 실시예에서, 압축형 구조물(32)은 폭 치수 "W" 및 두께 치수 "T"까지 확장하는 개별적인 평면을 정의한다. 일부 실시예에서, 적어도 일부 압축형 구성물(32)은 두께 치수 "T" 및 폭 치수 "W"를 전체로 확장한다. 이러한 장치에 대한 다양한 변역예가 본 발명의 범위 및 목적 내에서 이루어질 수 있다. 예를 들면, 압축형 구성물(32)은 두께 "T" 전체로 확장하는 부분만을 포함하고, 이에 선택적으로 또는 부가적으로 폭 치수 "W" 전체로 확장하는 부분만을 포함할 수 있다. 역으로, 압축형 구성물(32)은 폭 치수 "W"와 동일한 폭, 그리고 두께 치수 "T"와 실질적으로 동일한 높이를 정의할 수 있다. 압축형 구성물(32)은 다양한 모양 및 크기를 가지는 것으로 이해될 수 있다.
도 3A에 도시된 인터페이스 구조물의 단면이 초기, 비-압축형 구성 내의 압축형 구성물(32)을 도시한다. 압축형 구성물(32)은 이들 사이의 그물형 개구부(36)를 정의하기 위한 짜임 또는 비-짜임 형식으로 패턴화될 수 있는 스트랜드(strand, 34)를 포함한다. 도 3B는 실질적으로 다이아몬드-형의 그물형 개구부(36)를 정의하는 비-짜임형 스트랜드 패턴을 나타낸다. 그러나, 다양한 스트랜드 패턴이 압축형 구성물(32)에 사용되어 그물형 개구부(36)에 대해 다양한 모양을 정의하도록 할 수 있다. 본 발명의 장치에서 유용한 예시적인 압축형 구성물(32)은 Dexmet 사(코네티컷, 노가턱)의 상표명 MicroGrid® Precision-Expanded Foils을 이용할 수 있다.
일 실시예에서, 도 2-3에 도시된 것과 같이, 압축형 구성물(32)에 의해 정의된 그물형 개구부는 길이 방향 "y"에 평행인 방향을 따라 배치되며, 그리고 이에 대해 수직으로 확장하는 개개의 축들(39)을 포함한다. 또한, 그물형 개구부(36)는 실질적으로 다이아몬드 형일 수 있으며, 각각이 제 1 대향 꼭짓점 쌍(38-38) 및 제 2 대향 꼭짓점 쌍(40-40)을 가진다. 압축형 구성물(32)의 일 실시예에서, 압축형 개구부(36)는 제 1 대향 꼭짓점 쌍(38-38) 사이의 장 치수 "a"를 정의하고, 제 2 대향 꼭짓점 쌍(40-40) 사이의 단 치수 "b"를 정의한다. 이러한 실시예에서, 장 치수 "a"와 단 치수 "b" 사이의 길이 비율은 약 1.5 내지 4 이고, 바람직하게는 약 2 이다. 장 치수 "a"는 도 3B에 제 1 대향 꼭짓점 쌍(38-38) 사이에 연장되는 것으로 되시며, 이에 따라 장 치수 "a"를 따라 이어지는 제 1 축 "a1"이 실질적으로 두께 방향 "z"에 평행이나, 단 치수 "b"는 두께 방향 "z"에 실질적으로 수직이다. 다른 실시예에서, 도 3D에 도시된 것과 같이, 장 치수 "a"는 실질적으로 두께 방향 "z"에 수직이나, 단 치수 "b"는 두께 방향 "z"에 실질적으로 평행이다.
본 발명의 주요 측면은 두께 방향 "z"를 따른 압축형 구성물(32)의 압축성에 관련된다. 그러기 위해서는, 압축형 구성물(32)의 스트랜드(34)는 상대적으로 작은 로드하에서 변형을 할 수 있는 물질 및 크기로 제조되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 약 10 내지 200 psi의 두께 방향 "z"을 따라 압축형 벌크율을 가지는 인터페이스 구조물(14)을 제공하는 것이 바람직하다. 압축형 구성물(32)이 인터페이스 구조물(14) 내의 가장 단단한 소자를 대표하기 때문에, 인터페이스 구조물(14) 내의 이러한 비율 값의 범위는 압축형 구성물(32)에 관련된다. 결과적으로, 동작 가능하게 배열된 압축형 구성물(32)은 약 200 psi 정도의, 두께 방향 "z"으로의 압축률을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 압축형 구성물(32)은 연성 금속이나 그 외의 변형가능한 물질로 제조될 수 있다. 압축형 구성물(32)은 열 전도성이어서 압축형 구성물(32)의 제조에 사용되도록 선택된 물질이 약 5W/mㆍK 이상의 열 전도성을 가질 수 있다. 이와 같이, 금속, 금속-도금 섬유, 탄소 섬유 등과 같은 물질은 압축성 구성물(32)의 구성에 유용한 예시적인 물질이다. 압축형 구성물(32)에 대한 특정한 예시적인 물질은 구리, 알루미늄, 니켈 및 티타늄을 포함한다.
압축형 구성물(32)은 예를 들면, 정사각, 직사각, 원형, 타원형 등을 포함하여, 스트랜드(34)에 대한 다양한 단면 구성을 이용할 수 있다. 스트랜드(34)에 대한 치수가 스트랜드 폭 "Sw"와 스트랜드 두께 "St"로 분리될 수 있다. 일부 실시예에서, 스트랜드 폭은 약 1 내지 10 mils이나, 스트랜드 두께는 약 2 내지 약 15 mils일 수 있다. 이러한 사이즈 범위는 압출 구성물(32)의 단위 inch 당 약 1,500 내지 약 11,000개의 개구부(36)를 나타낸다. 위에 설명된 개구부 치수와 함께 이러한 치수는 압축 구성물(32) 내의 전체 개방 영역의 약 40 퍼센트 면적을 차지하고, 두께 방향 "z"로의 바람직한 압축률을 제공을 제공한다. 그러나, 두께 방향 "z"로의 압축력에 대한 바람직한 레벨을 유지하면서, 스트랜드 폭 "Sw" 및 스트랜드 두께 "St"에 대한 그 외의 다른 치수 및 개구부(36)가 압축성 구성물(32)에서 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
압축형 구성물(32)의 스트랜드(34)는 (i) 전체로서의 압축형 구성물(32)의 메시 구조, (ii) 도 3A-3D에 도시된 것과 같은 집적형 메시 구조의 일부, (iii) 도 4에 도시된 것과 비-짜임형 "라미네이트" 메시 구조의 일부, (iv) 도 5에 도시된 것과 같은 짜임형 메시 구조의 일부 및 (v) 도 5에 도시된 것과 같은 짜임형 구조물을 엮는데 사용된 섬유 및 섬유 번들을 일컬을 수 있다. 일반적으로, 스트랜드(34)는 구조물 사이의 그물형 개구부(36)를 정의하는 구조물이나 복수의 구조물을 나타낸다.
도 4 및 5는 압축형 구성물(32)에 대한 택일적인 메시 구성(mesh constructions)을 나타낸다. 구체적으로, "접목된(grafted)" 또는 "라미네이트된(laminated)" 비-짜임형 디자인이 도 4에 도시된다. 이러한 디자인에서, 하나의 세트의 스트랜드(34a)가 용접과 같은 접착 기술을 통해 제 2 세트의 스트랜드(34b)에 고정된다. 제 1 세트 스트랜드(34a)는 제 2 세트의 스트랜드(34b)의 제 1 측면에 각각 배치되는 것으로 도시되나, 비-짜임형 라미네트 접근법은 제 2 세트 스트랜드(34b)의 반대 측면에 선택적으로 배치되는 또는 그 역으로 배치되는택일적인 스트랜드(34a)와 같은 다른 배치를 포함한다. 압축형 구성물(32)의 스트랜드(34)에 대한 다른 배치가 도 5에 도시되며, 여기서 스트랜드(34)는 메시 장치로 짜여진다. 모든 짜임 및 비-짜임형 디자인에서, 압축형 구성물(32)은 적어도 "z"의 두께 방향을 따라, 열 전도성이다. 일부 실시예에서, 압축형 구성물(32)이 높은 열 전도성을 나타내며, 두께 방향 "z"를 따라 넓게 전자 장치(12)로부터 열 싱크(16)로 과잉 열 에너지의 대부분을 전달하는 역할을 하는 것이 바람직하다.
도 3E는 전자 컴포넌트 어셈블리(10)의 구성에서 발생할 수 있는 것과 같은, 상부 및 하부 표면(22, 23) 상에 작용하는 압축력 "F" 에 뒤이은 인터페이스 구조물(14)의 단면을 나타낸다. 압축력 "F"는 하부 표면(23)에 대한 열 싱크(16)의, 그리고 상부 표면(22)으로의 전자 컴포넌트(12)의 설치에 관련된 힘의 예를 나타낸다. 압축형 구성물(32)에 대한 이러한 압축력 "F"의 효과가 도 3A 및 3ㄸ 사이의 비교로 표현된다. 이러한 비교를 통해 입증된 것과 같이, 압축형 구성물(32)은 두께 방향 "z"를 따라 압축되어 그물형 개구부(35)의 장 치수 "a"가 감소된다. 일부 경우에, 압축력 "F"를 통한 장 치수 "a"의 감소가 그물형 개구부(36)의 단 치수 "b"를 대응하게 증가시킨다. 이러한 경우에, 인터페이스 구조물(14)의 폭 치수 "W"는, 도 3E에 도시된 것과 같은, 인터페이스 구조물(14) 상에 위치한 압축력 "F"의 결과로 감소될 수 있다.
압축형 구성물(32)에 더하여, 인터페이스 구조물(14)은 인터페이스 구조물(14)에 실질적으로 위치한 압축형 구성물(32)을 서로에 부착하거나 고정하는 물질을 추가로 포함할 수 있다. 택일적으로, 이러한 물질은 인터페이스 구조물(14) 내의 갭을 채우기 위한 매체로서 인터페이스 구조물로 간단히 삽입될 수 있다. 일부의 경우에, 이러한 물질은 적어도 두께 방향 "z"를 따라 인터페이스 구조물(14)을 통해 열 에너지를 전달하는 것을 돕기 위해 열 전도성을 가질 수 있다. 물질은 또한 적어도 두께 방향 "z"를 따라, 인터페이스 구조물(14)에 대한 상대적으로 낮은 압축률을 유지하기 위해, 약 20-30 psi 이하의 상대적으로 낮은 압축률을 나타낼 수 있다. 이러한 물질은, 하나 이상의 압축형 구성물이 부가되거나 인터페이스 구조물의 압축형 구성물들 사이에서 이에 의해 정의된 공극(void)으로 주입될 수 있는 한, 임의의 물질, 복합물, 혼합물, 유제(emulsion) 등과 같이 폭넓게 구성될 수 있다. 이 명세서에서 "매트릭스"란 용어에 대해 특정한 의미를 의도한 것은 아니다.
일부 실시예에서, 매트릭스 물질은 20-30 psi 이하와 같은 상대적으로 낮은 압축 벌크율을 가지는 폴리머일 수 있다. 본 발명의 매트릭스에 사용될 수 있는 예시적인 폴리머 물질은, 이에 한정되는 것은 아니나, 실리콘, 폴리우레탄, 폴리이소부틸렌과 함께, 에폭시, 아크릴 또는 폴리우레탄과 실리콘의 공중합체(copolymer)를 포함한다. 매트릭스 물질은, 전자 컴포넌트 어셈블리(10)의 동작 온도(약 섭씨 150-200도 까지의 온도를 포함함)에서 상대적으로 안정적이다. 이러한 응용을 목적을, "안정(stable)"이라는 용어는 실질적으로 형태-안정을 의미하며, 여기서 매트릭스 물질의 점도가 실온과 전자 컴포넌트 어셈블리(10)의 동작 온도 사이에서 약 10% 이하로 변경된다. 그러나 더 중요한 것은, 매트릭스 물질은 두께 방향 "z"를 따라 적어도 인터페이스 구조물의 전체 압축 벌크율이 약 350psi와 같은 사전 지정된 최대값을 초과하지 않도록 한다.
일부 실시예에서, 매트릭스 물질은 열 전도성 및/또는 점도-변경 미립자 필터로 채워질 수 있다. 이러한 미립자 필터는 알루미나, 알루미늄 나이트라이드, 알루미늄 하드록사이드, 보론 나이트라이드, 실리카 등과 같은 세라믹 물질과 더불어 이외의 비유기 물질 및 금속일 수 있다. 대부분, 미립자 필터는 약 50 내지 90 중량 %의 로딩 농도로 존재하며, 약 30-50 마이크론의 평균 입자 사이즈를 가지는 미립자 사이즈 분포를 가진다. 대부분, 이러한 미립자 필터 물질은 열 전도성을 강화하기 위해 매트릭스 물질에 포함된다. 열 전도성 필터형 폴리머 물질은 열 전달 애플리케이션에서 인터페이스 매체로서 종래 기술에 잘 알려져 있다.
매트릭스 물질은 도 2A-2C에서 참조 번호(52)로 표시된다. 도 2B 및 2C의 측면도에 나타낸 바와 같이, 압축형 구성물(32)로 이루어진 장치에 관한 다양한 실시예가 본 발명에서 고려된다. 구체적으로, 인터페이스 구조물(14B)은 서로 실질적으로 인접한 평행 관계로 배치된 복수의 압축형 구성물(32)을 포함한다. 대조적으로, 인터페이스 구조물(14C)의 압축형 구성물(32)이 길이 치수 "L" 방향을 따라 인접하게 이격되나, 서로 평행한 관계로 배치된다. 도 2C에 도시된 실시예에서, 폴리머 매트릭스(52)와 같은 매트릭스 물질은 개별적인 압축형 구성물(32)들 사이의 공극(void)을 채운다. 개별적인 압축형 구성물(32) 사이의 공극이 인터페이스 구조물(14C)의 공극보다 현저히 작을지라도, 폴리머 매트릭스(52)는 또한 인터페이스 구조물(14B) 내의 압축형 구성물(32) 사이에 배치될 수 있다. 개별적인 압축형 구성물(32) 사이의 공간 배치가 단일한 인터페이스 구조물 내에서 동일하지 않을 수 있으며, 응용예 마다 필요로 하는 다양한 공간 배치를 대신 가질 수 있다는 것도 본 발명에 의해 고려된다. 일부 실시예에서, 압축형 구성물(32)은 인터페이스 구조물(14)의 약 10 및 약 50 부피 퍼센트를 차지한다. 이러한 실시예에서, 매트릭스 물질(52)은 그물형 개구부(36) 내 및/또는 인접하거나 이격된 압축형 구성물(32) 사이에 존재함으로써, 인터페이스 구조물(14)의 부피가 실질적으로 균형을 이루는 것으로 가정한다.
본 발명의 인터페이스 구조물에 대한 추가 예가 도 6에 도시되며, 여기서 인터페이스 구조물(114)은, 지름의 폭 치수 "W" 와 두께 치수 "T"를 가지는 실질적인 실린더 모양을 가질 수 있다. 도 6에 도시된 실시예에서, 압축형 구성물(132)은 중앙 축(133) 주위로 나선형으로 감긴 연속적인 구성물이다. 압축형 구성물(132)은 한편 위에 설명한 것과 같은 압축형 구성물(32)과 유사할 수 있다. 여기서, 압축형 구성물(132)은 복수의 그물형 개구부(136)를 포함하여 압축형 구성물(132)이 두께 방향 "z"를 따라 압축가능하다. 압축형 구성물(132)은 물질, 스트랜드 디자인 및 치수, 그물형 개구부 형상 및 치수, 그리고 이외에 압축형 구성물(32)을 참조하여 설명된 측면에서 유사할 수 있다.
인터페이스 구조물(114)은 또한, 폴리머 매트릭스(152)가 주입될 수 있다는 면에서, 인터페이스 구조물(14)과 유사할 수 있으며, 이에 따라 폴리머 매트릭스(152)는 그물형 개구부(136) 내에 배치되고, 압축형 구조물(132)의 개별적인 부분들 사이에 배치되는 것이 가능하다.
도 6에 도시된 것 이외에, 인터페이스 구조물(114)에 대한 비-다각형 구조도 본 발명에서 이용될 수 있는 것으로 간주된다. 나아가, 임의의 다각형 또는 비-다각형 인터페이스 구조물이, 압축형 구성물(32)과 같은 복수의 압축형 구성물을 이용하거나, 압축형 구성물(132)과 같은 단일한 압축형 구성물을 대신 이용할 수 있다. 예를 들면 복수의 밀집형 구성물과 같은 인터페이스 구조물(114)의 실린더형 장치에서, 복수의 밀집형 구성물이 연속적인 나선형의 압축형 구조물(132) 대신에 또는 이에 부가적으로 사용될 수 있다. 나아가, 연속적인 압축형 구성물은 다각형 인터페이스 구조물 구성에 사용될 수 있다. 예를 들면, 연속적인 압축형 구성물은 다각형 구조물 구성을 형성하도록, 증가하는 경계 바운더리 주위로 감길 수 있다. 따라서, 인터페이스 구조물 모양에 대한 폭넓은 다양성이 하나 이상의 압축형 구성물을 사용함으로써 생성될 수 있다. 이러한 하나 이상의 압축형 구성물이 평행, 비-평행, 나선형 또는 본 발명의 인터페이스 구조물의 구조(또는 형태) 면에서의 이외의 상대적인 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 인터페이스 구조물을 제조하기 위한 다양한 기술이 고려되었으나, 이하에서 인터페이스 구조물을 제조하기 위한 예시적인 방법을 설명한다. 인터페이스 구조물(14)의 구성 기술은 도 7A-7D에 도시되며, 여기서 복수의 압축형 구성물(32)은 적층된 압축형 구성물(32)의 블록(58)을 형성하도록 함께 배열된다. 각각의 압축형 구성물(32)은 두께 방향 "z"에 평행인 평면에 실질적으로 정렬된다. 블록(58)의 개방형 공극들의 적어도 일부가 매트릭스 물질(52)로 채워지거나 주입되어, 약 10 및 약 50 부피 퍼센트 압축형 구성물(32) 사이의, 균형 매트릭스 물질인(52), 채움형 블록(60)을 형성한다.
다소 유사한 방식으로, 인터페이스 구조물(114)이 도 8A-8E에 도시된 기술을 통해 구성될 수 있다. 여기서, 압축형 구성물 시트(131)가, 도 8B에 도시된 것과 같이, 나선형으로 감긴 튜브(170) 내로 지시 화살표(130)에 의해 표시된 것과 같이, 감긴다. 튜브(170)의 단면이 도 8C에 도시된다. 튜브(170)는 이어서, 도 8D에 도시된 것과 같이, 채워진 튜브(172)를 형성하도록, 매트릭스 물질(152)로 채워지거나 주입된다.
이어서 채워진 튜브(172)의 일부가 커트-라인(162)을 따라 절단되어, 도 8E에 도시된 것과 같이, 인터페이스 구조물(114)을 형성한다. 도 7A-7D 및 8A-8E를 참조하여 설명된 두 가지 기술에서, 매트릭스 물질은, 예를 들면, 진공 주입, 가압 매트릭스 주입 또는 모세관 작용과 같은 다양한 기술에 의해 인터페이스 구조물로 주입될 수 있다.
예 시( 실시예 )
본 발명에 따른 인터페이스 구조물에 대한 예시적인 장치가 이하에서 설명된다. 다음의 예들은 그러나, 단지 예시를 위한 것일 뿐이며, 본 발명에서 이용될 수 있는 장치 및 물질을 한정하려는 것이 아니다.
예 1
약 100 에서 약 200 mil 사이의 두께 치수를 가지는 열 전도성 인터페이스 구조물이 복수의 알루미늄 압축형 구성물로 준비되었다. 압축형 구성물은 5mil의 스트랜드 폭 및 1.5 mil의 스트랜드 두께를 가지며, 비-짜임형 스트랜드는 약 2의 장 치수 대 단 치수의 비율을 가지는, 직사각형, 그물형, 다이아몬드-모양의 개구부를 정의한다. 그물형 개구부의 장 치수는 두께 방향에 평행하게 정렬되고, 압축형 구성물은 약 38 퍼센트의 개방 면적을 정의한다.
약 100 cP의 섭씨 25도에서의 점도를 가지는, 비닐 종단 폴리디메틸 실록산 폴리머(vinyl terminated polydimethyl siloxane polymer)가, 1000:1 비율의 1% 플라티늄 촉매와 함께, 1약 0:1 비율로 유사한 점도의 수소화물 가교제와 혼합되었다. 큐어(cure)된 후에, 순수한 폴리머가 약 섭씨 200도의 최대 동작 온도에서 약 20 psi의 압축률을 가진다. 큐어되지 않은 조성물은 진공 주입에 의해 메시 배열(mesh arrangment)로 주입되어, 약 섭씨 25도에서 24 시간 동안 큐어된다. 큐어된 후에, 압축형 구성물이 전체 구조물의 약 35 부피 퍼센트에 존재한다.
이러한 인터페이스 구조는 22 W/mㆍK의 열 전도성 및 약 75psi의 두께 방향으로의 압축률을 나타낸다.
예 2
약 100 및 약 200 mil 사이의 두께 치수를 가지는 열 전도성 인터페이스 구조물이 복수의 알루미늄 압축형 구성물로 준비되었다. 압축형 구성물은 5mil의 스트랜드 폭 및 1.5 mil의 스트랜드 두께를 가지며, 비-짜임형 스트랜드는 약 2의 장 치수 대 단 치수의 비율을 가지는, 직사각형, 그물형, 다이아몬드-모양의 개구부를 정의한다. 그물형 개구부의 장 치수는 두께 방향에 평행하게 정렬되고, 압축형 구성물은 약 38 퍼센트의 개방 면적을 정의한다.
예 1에서와 같이, 비닐 실록산 폴리머(vinyl siloxane polymer)가 주입되고 큐어 되어, 압축형 구성물이 전체 구조물의 약 35 부피 퍼센트에 존재한다.
이러한 인터페이스 구조물은 16W/mㆍK의 열 전도성 및 약 50psi의 두께 방향으로의 압축률을 나타낸다.
예 3
약 50에서 약 200 mil 사이의 두께 치수를 가지는 열 전도성 인터페이스 구조물이 복수의 알루미늄 압축형 구성물로 준비되었다. 압축형 구성물은 5 mil의 스트랜드 폭 및 1.5 mil의 스트랜드 두께를 가지며, 비-짜임형 스트랜드는 약 2의 장 치수 대 단 치수의 비율을 가지는, 직사각형, 그물형, 다이아몬드-모양의 개구부를 정의한다. 그물형 개구부의 장 치수는 두께 방향에 평행하게 정렬되고, 압축형 구성물은 약 38 퍼센트의 개방 면적을 정의한다.
예 1에서와 같이, 비닐 실록산 폴리머(vinyl siloxane polymer)가 주입되고 큐어 되어, 압축형 구성물이 전체 구조물의 약 15 부피 퍼센트에 존재한다.
이러한 인터페이스 구조물은 13W/mㆍK의 열 전도성 및 약 150psi의 두께 방향으로의 압축률을 나타낸다.
예 4
약 100에서 약 200 mil 사이의 두께 치수를 가지는 열 전도성 인터페이스 구조물이 복수의 구리 압축형 구성물로 준비되었다. 압축형 구성물은 5 mil의 스트랜드 폭 및 1.5 mil의 스트랜드 두께를 가지며, 비-짜임형 스트랜드는 약 2의 장 치수 대 단 치수의 비율을 가지는, 직사각형, 그물형, 다이아몬드-모양의 개구부를 정의한다. 그물형 개구부의 장 치수는 두께 방향에 평행하게 정렬되고, 압축형 구성물은 약 38 퍼센트의 개방 면적을 정의한다.
예 1에서와 같이, 비닐 실록산 폴리머(vinyl siloxane polymer)가 주입되고 큐어 되어, 압축형 구성물이 전체 구조물의 약 20 부피 퍼센트에 존재한다.
이러한 인터페이스 구조물은 26W/mㆍK의 열 전도성 및 약 130psi의 두께 방향으로의 압축률을 나타낸다.
상술한 본 발명의 실시예들은 단지 예시와 설명을 위한 것일 뿐이며, 본 발명을 설명된 형태로 한정하려는 것이 아니다. 따라서, 다양한 변화 및 변경을 할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게 자명하다. 또한, 이 명세서의 상세한 설명이 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서 정의된다.

Claims (25)

  1. 길이, 폭 및 두께를 가지는 열 전도성 인터페이스 구조물에 있어서, 상기 열 전도성 인터페이스 구조물은:
    (a) 매트릭스 물질; 그리고
    (b) 두께 및 폭 통과하여 확장하는 개별적인 평면들을 정의하고, 길이를 따라 배치되도록 그물형 개구부들의 수직방향으로 확장하는 개별적인 축들을 가지는 그물형 개구부를 포함하며, 두께 방향으로 압축되는, 열 전도성 압축형 구성물
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전도성 인터페이스 구조물은 5 와 50 W/mㆍK 사이의 열 전도율을 가지는 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축형 구성물은 상기 두께를 통과하여 확장하는 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축형 구성물은 10에서 200 psi 사이의 두께 방향으로의 압축률을 가지는 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축형 구성물은 메시(mesh)로 형성된 스트랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축형 구성물은 다이아몬드 모양인 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 모양의 개구부가 제 1 대향 꼭짓점 쌍 사이의 장 치수와, 제 2 대향 꼭짓점 쌍 사이의 단 치수를 정의하고, 여기서, 압축형 구성물이 비-압축 조건에 있을 때, 상기 장 치수와 상기 단 치수 사이의 길이 비율이 약 2인 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 장 치수를 따라 위치한 제 1 축이 길이 방향에 평행인 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 장치 수를 따라 위치한 제 1 축이 길이 방향에 수직인 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구부는 상기 압축형 구성물의 40 면적 퍼센트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 길이 방향을 따라 평행하게 배치된 복수의 압축형 구성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축형 구성물은 상기 인터페이스 구조물의 10 내지 50 부피 퍼센트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스 물질은 열 전도성 미립자인 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스 물질은 상기 압축형 구성물 사이에 그리고 상기 그물형 개구부 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  15. 길이, 폭, 및 두께를 가지는 열 전도성 인터페이스 구조물에 있어서, 상기 열 전도성 인터페이스 구조물은:
    (a) 폴리머 매트릭스; 그리고
    (b) 길이를 따라 배치되며, 각각이 폭 및 두께 전체로 확장하고, 그물형 개구부를 정의하는 메시로 형성된 스트랜드를 포함하는, 열 전도성 압축형 구성물
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전도성 인터페이스 구조물.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 그물형 개구부가 다이아몬드 모양이고,
  17. 전자 컴포넌트 어셈블리에 있어서,
    (a) 열 발생 전자 컴포넌트: 및
    (b) 길이, 폭, 두께를 가지는 열 전도성 인터페이스 구조물로서, 상기 두께는 상기 인터페이스 구조물의 제 1 및 제 2 표면 사이로 정의되며, 상기 제 1 표면의 일부 또는 전부가 상기 전자 컴포넌트와 열적으로 연결되는 것이 특징인 열 전도성 구조물을 포함하되,
    상기 열 전도성 인터페이스 구조물은:
    (i) 폴리머 매트릭스 물질; 및
    (ii) 상기 길이 방향으로 배치되도록, 그물형 개구부에 수직으로 확장하는 개별적인 축들을 가지는 그물형 개구부를 포함하는 하나 이상의 열 전도성 압축형 구성물을 포함하고,
    상기 하나 이상의 압축형 구성물은 각각 200 psi 이하의 두께 방향으로의 압축 벌크율을 가지는 것을 특징으로 하는 전자 컴포넌트 어셈블리.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전자 컴포넌트 어셈블리는 상기 인터페이스 구조물의 상기 제 2 표면에 열적으로 연결된 열 싱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 컴포넌트 어셈블리.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 압축형 구성물은 메시로 형성된 스트랜드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 컴포넌트 어셈블리.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 그물형 개구부는 다이아몬드 모양일 것을 특징으로 하는 전자 컴포넌트 어셈블리.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 열 전도성 압축 구성물은 5 W/mㆍK의 열 전도율을 가지는 것을 특징으로 하는 전자 컴포넌트 어셈블리.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스 물질은 상기 그물형 개구부 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전자 컴포넌트 어셈블리.
  23. 두께 방향을 따라 정의된 두께를 가지는, 열 전도성 인터페이스 구조물에 있어서, 상기 인터페이스 구조물은:
    (a) 열 발생 전자 컴포넌트: 및
    (b) 상기 두께 방향에 평행인 제 1 축 주위로 나선형으로 감긴 열 전도성 압축형 구성물을 포함하되,
    상기 압축형 구성물은 상기 두께 방향에 평행하게 배치된 제 1 및 제 2 대향 주 표면을 가지고, 상기 압축형 구성물에 배치된 복수의 그물형 개구부를 포함하며, 상기 압축형 구성물은 상기 두께 방향으로 압축되는 것을 특징으로 하는 인터페이스 구조물.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 압축형 구성물은 약 200 psi 이하의 두께 방향으로의 압축률을 가지는 것을 특징으로 하는 인터페이스 구조물.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 폴리머 매트릭스는 상기 그물형 개구부 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 인터페이스 구조물.


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