KR20120026980A - 열 저항을 감소시키기 위한 열 인터페이스 물질 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20120026980A
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Abstract

본 발명은 제 1 표면(204) 및 대향하는 제 2 표면(206)을 갖는 열 전도성 금속(202); 상기 열 전도성 금속의 제 1 표면에 연결된 제 1 확산 차단 판(208); 상기 열 전도성 금속의 제 2 표면에 연결된 제 2 확산 차단 판(210); 상기 제 1 확산 차단 판에 연결된 제 1 열 저항 감소 층(212); 및 제 2 확산 차단 판에 연결된 제 2 열 저항 감소 층(214)을 포함하되, 상기 열 전도성 금속, 제 1 확산 차단 판 및 제 2 확산 차단 판이 제 1 열 저항 감소 층과 제 2 열 저항 감소 층 사이에 배치된 열 인터페이스 물질(120)에 관한 것이다.

Description

열 저항을 감소시키기 위한 열 인터페이스 물질 및 이의 제조 방법{THERMAL INTERFACE MATERIAL FOR REDUCING THERMAL RESISTANCE AND METHOD OF MAKING THE SAME}
본원에 기재된 발명은 일반적으로 열 인터페이스 물질, 더욱 구체적으로는 회로 카드 어셈블리(CCA)와 샤시(chassis) 사이의 열 저항을 감소시키기 위한 열 인터페이스 물질에 관한 것이다.
높은 동력 장치를 함유하는 어셈블리 같은 CCA로부터 열 전도에 의해 열을 제거하도록 디자인된 외피(enclosure)에 대해 더 높은 수준의 열을 제거하도록 요구하는 목소리가 높아지고 있다. 이는 새로 개발된 프로세싱 장치가 전형적으로 더 많은 회로를 함유하고, 따라서 더 높은 열 부하를 발생시키기 때문이거나, 또는 구성요소가 더 작아서 CCA가 더 많은 구성요소를 함유할 수 있음으로써 CCA당 발생되는 열의 양이 증가하기 때문이다.
보드 리테이너(board retainer)를 통해, CCA의 열 인터페이스의 대향하는 가장자리를, 열 인터페이스의 대향하는 면 상에서 CCA 구성요소에 의해 발생된 열을 멀리 운송하는 방열판으로서 작용하는 샤시로 가압하기 위하여, 다양한 시스템이 고안되었다. 그러나, 현재, CCA와 샤시 사이의 열 인터페이스는 두 금속 사이에 열 중간 물질 없이 금속 대 금속이다. 금속 대 금속 인터페이스는 열의 면에서 불량한데, CCA의 열 인터페이스로부터 샤시의 차가운 벽까지 10℃ 정도의 전형적인 온도 차이(ΔT)를 갖는다. 금속 대 금속 인터페이스는 CCA 와트수가 낮은 경우에는 충분할 수 있지만, 새로운 CCA 디자인은 전자 장치가 더 작아지고/작아지거나 더욱 고속으로 작동함에 따라 점진적으로 더 많은 열을 발산시켜, 금속 대 금속 인터페이스를 부적절하게 만든다. 이로써, 열 전달능이 약화되거나 불충분해지고, 이들이 사용되는 전자 장치의 성능에 악영향을 준다.
하나의 양태에서는 열 인터페이스가 제공된다. 열 인터페이스 물질은 제 1 표면 및 대향하는 제 2 표면을 갖는 열 전도성 금속, 열 전도성 금속의 제 1 표면 및 열 전도성 금속의 제 2 표면에 연결된 확산 차단 판, 및 확산 차단 판에 연결된 열 저항 감소 층을 포함한다.
다른 양태에서는 시스템이 제공된다. 이 시스템은 회로 카드 어셈블리, 및 상부 표면 및 하부 표면을 갖는 슬롯을 포함하는 하우징을 포함한다. 슬롯은 상부 표면과 하부 표면 사이에 회로 카드 어셈블리를 수용하도록 구성된다. 심(shim)은 열 저항을 감소시키도록 구성된다. 심은 회로 카드 어셈블리와 슬롯의 상부 표면 사이에 연결된다. 보드 리테이너는 회로 카드 어셈블리와 슬롯의 상부 표면 사이에 심을 고정시킨다.
또 다른 양태에서는 열 인터페이스 물질을 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 구리 층을 제공하고, 구리 층 위에 니켈 층을 제공하며, 니켈 층 위에 인듐 층을 제공함을 포함한다.
본 개시내용은 첨부된 도면을 참조하여 하기에 상세하게 기재된다.
도 1은 샤시의 차가운 벽에 위치한 CCA의 종단면도이다.
도 2는 도 4에 도시된 절단선(2-2)을 따라 취한 예시적인 열 인터페이스 물질의 단면도이다.
도 3은 다른 열 인터페이스 물질의 단면도이다.
도 4 및 도 5는 열 인터페이스 물질의 표면으로의 예시적인 접착제 도포를 도시한다.
도 6은 열 인터페이스 물질을 제조하는 예시적인 공정의 공정 흐름도이다.
도 7은 구리 호일 프레임으로부터 에칭된 복수개의 심(shim)을 도시한다.
본 개시내용은 회로 카드 어셈블리(CCA)와 샤시 사이의 열 인터페이스 물질(TIM)을 기재하지만, 본 개시내용의 양태는 본원에 도시 및 기재되는 기능을 수행하는 임의의 장치 또는 그의 등가물과도 사용가능하다. 예를 들어(한정하지는 않음), 본원에 기재된 TIM을 동력 공급 단위장치와 기판, 샤시와 냉각 핀, 또한 샤시와 기판 등의 사이에 위치시킬 수 있다.
CCA와 샤시 사이의 현행 열 인터페이스는 금속 대 금속이고, 두 금속 사이에 TIM을 포함하지 않는다. 그러나, 상기 언급된 바와 같이, 금속 대 금속 인터페이스는 전체적인 CCA 와트수가 낮은 경우에는 충분할 수 있다. 더 작아지고/작아지거나 더욱 고속으로 작동되는 전자 장치를 사용하는 새로운 CCA 디자인은 더 많은 양의 에너지와 열을 방출하여 금속 대 금속 인터페이스를 부적절하게 만든다. 예를 들어, 고성능 전도 냉각되는 CCA는 85℃의 차가운 벽 인터페이스 온도에서 연속적으로 작동할 것으로 예상된다(전형적으로, 프로세서 제조업체에서는 105℃의 접합 온도 상한을 명시한다). 이는 프로세서와 차가운 벽 열 인터페이스 사이에 20℃의 온도 차이(ΔT)를 남긴다. 2개의 CCA 금속 대 금속 인터페이스중 하나 상에 40와트 부하를 갖는 종래의 CCA를 실행하면 금속 대 금속 인터페이스를 가로질러 7.9℃의 ΔT가 야기되었다. 이는 인터페이스를 가로질러 0.2℃/W의 대략적인 열 저항을 부여한다. 따라서, 최대 160와트(인터페이스 하나당 80와트)의 최대 부하를 갖는 CCA는 ΔT를 약 16℃까지 증가시키게 되는데, 이는 문제가 될 수 있다. 그러나, 예를 들어 CCA와 샤시 사이에 금속 대 금속 인터페이스를 포함하고 CCA 와트수가 한정되는 경우에만 충분한 종래의 시스템과는 달리, 본원에 기재된 TIM은 10배 이상만큼 인터페이스에서의 열 저항을 감소시켜, 20와트 미만의 부하를 갖는 CCA 및 160와트보다 큰 부하를 갖는 CCA에 적용될 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, CCA의 하우징(예컨대, 샤시(102))의 단면도가 도시되어 있다. 샤시(102)는 차가운 벽(104, 106)의 길이를 따라 연장되는 슬롯(108)을 형성하는 차가운 벽(104, 106)을 포함한다. 슬롯(108)은 상부 표면(110)(예를 들어, 차가운 벽(104)의 바닥 표면) 및 하부 표면(112)(예컨대, 차가운 벽(106)의 상부 표면)을 갖는다. 보드 리테이너 또는 웨지로크(wedgelock)(114) 같은 임의의 다른 적합한 고정 기계장치가 차가운 벽(104, 106) 사이에 연결되고 하부 표면(112)에 인접한다. CCA(116), 더욱 구체적으로는 CCA(116)의 열 인터페이스 표면(117)이 웨지로크(114)의 상부 표면(118)과 슬롯(108)의 상부 표면(110) 사이에 위치한다. 열 저항을 감소시키도록 구성된 TIM(120)(예를 들어, 심)은 열 인터페이스 표면(117)과 슬롯(108)의 상부 표면(110) 사이에 연결된다. 열 인터페이스 표면(117)과 TIM(120)은 슬롯(108)의 상부 표면(110)과 웨지로크(114)의 상부 표면(118) 사이에 압축된다. 아래에 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, TIM(120)은 복수개의 층을 포함한다. 몇몇 실시양태에서, 복수개의 층의 각 층은 둘 이상의 층을 포함할 수 있다.
특정 실시양태에서, 웨지로크(114)는 복수개의 개별적인 웨지(도시되지 않음)를 통해 팽창하여 CCA(116)와 차가운 벽(106)의 상부 표면(110) 사이에 접촉 압력을 가함으로써 슬롯(108)에 CCA(116)와 TIM(120)을 고정시키도록 디자인된 기계적 패스너(fastener)이다. 예를 들어, 웨지로크(114)는 팽창 스크류(도시되지 않음)를 사용하여 복수개의 웨지를 팽창시키고 CCA(116)와 슬롯(108)의 상부 표면(110) 사이에 압력을 가함으로써, CCA(116)와 TIM(120)을 슬롯(180)에 기계적으로 고정시킨다.
TIM(120)은 짝을 이루는 두 표면, 즉 열 인터페이스 표면(117)과 슬롯(108)의 상부 표면(110) 사이에 일치되고, 낮은 벌크 열 저항 및 낮은 접촉 저항을 갖는다. 이후에 더욱 상세하게 기재하게 되는 바와 같이, 열 성능을 최적화하기 위하여, TIM(120)은 인터페이스 물질 및/또는 인터페이스 층(예컨대, 인듐)을 포함하고, 평면이 아닌 표면에 일치함으로써 접촉 저항을 낮출 수 있다. TIM(120)은 또한 높은 열 전도율 및 높은 기계적 순응성을 가져서 TIM(120)에 힘이 가해질 때 탄력적으로 구부러진다.
이제, 도 2를 인용하면, 예시적인 TIM(예를 들어 TIM(120))의 단면도가 도시되어 있다. TIM(120)은 제 1 표면(204) 및 대향하는 제 2 표면(206)을 갖는 열 전도성 금속(202), 열 전도성 금속(202)을 에워싸는(예를 들어, 둘러싸는) 확산 방지 판(208), 및 확산 방지 판(208)을 에워싸는 열 저항 감소 층(212)을 포함한다.
상기 언급한 바와 같이, 적합한 TIM은 짝을 이루는 두 표면에 일치해야 할 뿐만 아니라 낮은 벌크 열 저항 및 낮은 접촉 저항을 가져야 한다. 따라서, 열 저항 감소 층(212)은 인듐 같은 동형(conforming) 금속을 포함한다. 그러나, 인듐의 부드러운 특성 때문에, TIM(120)은 전도율을 유지하면서 더욱 단단한 TIM을 제공하기 위하여 다른 금속 층을 갖는다. 예를 들어, 구리 같은 열 전도성 금속(202)을, TIM(120)이 더욱 단단한 형태를 유지하도록 할 수 있는 경화재로서 제공한다. 그러나, 구리 및 인듐의 확산 특성 때문에, 확산 차단벽으로서 작용하는 니켈 도금(예를 들어, 확산 방지 판(208))을 열 전도성 금속(202)(예컨대, 구리 층)과 열 저항 감소 층(212)(예를 들어, 인듐 층) 사이에 제공한다.
일부 실시양태에서, 열 저항 감소 층(212)은 약 25마이크론(㎛)의 두께를 갖고, 열 전도성 금속은 약 25㎛ 내지 약 75㎛의 두께를 가지며, 확산 방지 판(208)은 약 1㎛ 내지 약 3㎛의 두께를 갖는다.
이제, 도 3을 인용하면, 다른 TIM(320)이 도시되어 있다. TIM(320)은 제 1 확산 차단 판(308)에 연결된 제 1 열 저항 감소 층(312) 및 제 2 확산 차단 판(310)에 연결된 제 2 열 저항 감소 층(314)을 포함한다. 이 실시양태에서, 제 1 열 저항 감소 층(312) 및 제 2 열 저항 감소 층(314)은 열 전도성 금속(202), 제 1 확산 차단 판(308) 및 제 2 확산 차단 판(310)에 의해 분리된다.
몇몇 실시양태에서는, 접착제 층(222)을 TIM(120)의 하나 이상의 외표면(224)에 도포한다. 그러나, 전체 표면에 접착제 층을 도포하면 TIM(120)을 통한 열 흐름이 방해되어 TIM(120)의 열 저항을 증가시킬 수 있다. 그러므로, 접착제 층(222)을 도 4에 도시된 바와 같이 줄무늬 패턴으로, 또는 도 5에 도시된 바와 같이 어레이/격자 패턴으로 TIM(120)에 도포할 수 있다. 또한, 너무 두꺼운 접착제 층은 TIM(120)이 CCA(116)의 열 인터페이스 표면(117) 또는 차가운 벽(106)의 상부 표면(110)에 적절하게 일치하지 못하도록 방해할 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서, 접착제 층(222)은 약 5㎛ 내지 약 25㎛의 두께를 갖는 접착제 층을 포함한다.
몇몇 실시양태에서는, 웨지로크(114)를 통해 TIM(120)을 CCA(116)와 차가운 벽(106)의 상부 표면(110) 사이에 고정시키기 전에, 접착제 층(222)을 사용하여 TIM(120)을 열 인터페이스 표면(117)에 일시적으로 부착한다. 또한, 접착제 층(222)이 희생성이기 때문에, 접착제 층(222)은 TIM(120)을 CCA(116) 및 차가운 벽(106)의 상부 표면(110)으로부터 용이하게 제거하여 대체 TIM을 위해 열 인터페이스 표면(117)을 개끗하게 남길 수 있는 점착력이 낮은 접착제를 포함한다.
이제, 도 6을 참조하면, TIM을 제조하는 예시적인 공정의 공정 흐름도가 도시되며, 일반적으로 공정(500)으로 인용한다. 공정(500)은 구리 층을 제공하고(502), 구리 층 위에 니켈 도금 층을 제공하며(504), 니켈 도금 층 위에 인듐 도금 층을 제공함(506)을 포함한다. 일부 실시양태에서는, 니켈 도금 층이 구리 층을 에워싸도록 니켈 도금 층을 제공한다. 다른 실시양태에서는, 인듐 도금 층이 니켈 도금 층을 에워싸도록 인듐 도금 층을 제공한다. 다른 실시양태에서는, 구리 층의 제 1 표면 위에 제 1 니켈 도금 층을 제공하고, 구리 층의 대향하는 제 2 표면 위에 제 2 니켈 도금 층을 제공한다. 다른 실시양태에서는, 제 1 니켈 도금 층 위에 제 1 인듐 도금 층을 제공하고, 제 2 니켈 도금 층 위에 제 2 인듐 도금 층을 제공하는데, 제 1 인듐 도금 층과 제 2 인듐 도금 층은 제 1 니켈 도금 층, 구리 층 및 제 2 니켈 도금 층에 의해 분리된다.
일부 실시양태에서는, 예컨대 37.5㎛의 구리 호일로부터 복수개의 심(602)을 화학적으로 에칭하고, 탭(606)에 의해 프레임(604)에 유지시킨다(도 7 참조). 이로써, 사진 작업을 간단히 변화시킴으로써 형상, 크기 및 구멍을 용이하게 조정할 수 있다. 심(602)은 또한 레이저 절단될 수도 있어서, 소프트웨어를 통해 형상, 크기 및 구멍을 변화시킬 수 있다. 심(602)을 에칭한 후, 도금을 위해 프레임(604)을 미리 컨디셔닝시킨다. 인듐이 구리 내로 용이하게 확산되어 경질의 부서지기 쉬운 합금을 생성시키기 때문에, 심(602)의 모든 표면 상으로 니켈 층(예를 들어, 약 3㎛ 두께)을 도금하여, 구리와 인듐 사이의 차단벽으로서 작용시킨다. 이어, 니켈 차단벽 위에 인듐 층(예를 들어, 약 25㎛ 내지 약 30㎛ 두께)을 도금한다.
이어, 접착제 층(222)을 복수개의 심(602)의 적어도 한 면에 도포할 수 있다. 점착성 접착제는 백킹 시트 상의 릴(reel) 형태로 제공될 수 있으며, 따라서, 접착제를 레이저 절단하여 줄무늬 패턴 또는 어레이/격자 패턴(각각 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같음)을 생성시킬 수 있거나, 또는 점착성 접착제의 릴 상에 놓이는 얇은 마스크를 절단하여 어레이/격자 패턴 또는 줄무늬 패턴을 노출시킬 수 있다. 점착성 접착제를 보호하기 위하여 백킹 시트를 제 자리에 둔 채로, 손으로 접착제 층을 복수개의 심(602) 각각 위에 놓는다. 당업자는 양이 허용된다면 이 공정을 자동화할 수 있음을 알게 될 것이다. 마지막으로, 복수개의 심(602)을 프레임(604) 상에 놔두거나 필요에 따라 절단해낼 수 있다.
기재된 본 상세한 설명은 최상의 방식을 비롯한 본 발명을 개시하고 또한 당업자가 본 발명을 실행(임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고, 임의의 포함된 방법을 수행함을 포함함)할 수 있도록 하기 위해 예를 이용한다. 본 발명의 특허가능한 영역은 특허청구범위에 의해 한정되며, 당업자가 생각해내는 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예가 특허청구범위의 문자상의 언어와 상이하지 않은 구조 요소를 갖는 경우, 또는 특허청구범위의 문자상의 언어와 실질적인 차이를 갖지 않는 등가의 구성 요소를 포함하는 경우, 이들 예를 특허청구범위의 영역 내에 포함시키고자 한다.

Claims (10)

  1. 제 1 표면(204) 및 대향하는 제 2 표면(206)을 갖는 열 전도성 금속(202);
    상기 열 전도성 금속의 제 1 표면에 연결된 제 1 확산 차단 판(208);
    상기 열 전도성 금속의 제 2 표면에 연결된 제 2 확산 차단 판(210);
    상기 제 1 확산 차단 판에 연결된 제 1 열 저항 감소 층(212); 및
    상기 제 2 확산 차단 판에 연결된 제 2 열 저항 감소 층(214)
    을 포함하되, 상기 열 전도성 금속, 제 1 확산 차단 판 및 제 2 확산 차단 판이 제 1 열 저항 감소 층과 제 2 열 저항 감소 층 사이에 배치된, 열 인터페이스 물질(120).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열 저항 감소 층(212) 및 제 2 열 저항 감소 층(214)이 동형(conforming) 금속을 포함하는, 열 인터페이스 물질(120).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 동형 금속이 인듐인, 열 인터페이스 물질(120).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전도성 금속이 구리인, 열 인터페이스 물질(120).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 확산 차단 판(208) 및 제 2 확산 차단 판(210) 각각이 니켈을 포함하는, 열 인터페이스 물질(120).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열 저항 감소 층(212) 및 제 2 열 저항 감소 층(214) 각각이 약 25㎛의 두께를 갖는, 열 인터페이스 물질(120).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전도성 금속(202)이 약 25㎛ 내지 약 75㎛의 두께를 갖는, 열 인터페이스 물질(120).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 확산 차단 판(208) 및 제 2 확산 차단 판(210) 각각이, 약 1㎛ 내지 약 3㎛의 두께를 갖는, 열 인터페이스 물질(120).
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 인터페이스 물질이, 제 1 열 저항 감소 층(212)과 제 2 열 저항 감소 층(214)중 하나에 연결된 접착제 층(222)을 추가로 포함하되, 상기 접착제 층이 열 인터페이스 물질의 외표면(224)에 배치되도록 한, 열 인터페이스 물질(120).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 접착제 층(222)이 어레이 패턴, 격자 패턴 및 줄무늬 패턴중 적어도 하나로 열 인터페이스 물질의 외표면(224)에 배치되는, 열 인터페이스 물질(120).
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