KR20150079859A - 열 도체 디바이스와 열 도체 디바이스의 형성 방법 - Google Patents

열 도체 디바이스와 열 도체 디바이스의 형성 방법 Download PDF

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KR20150079859A
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그벤도린 아니타 루이텐
루크 헨리 요제프 페테르스
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티피 비전 홀딩 비.브이.
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Abstract

본 발명은 주파수 범위에서 작동하는 전기 부품(12)으로부터 열을 제거하기 위한 열 도체 디바이스(10)로서, 제 1 열 전도성을 갖는 몸체(13)를 포함하는, 상기 열 도체 디바이스에 관한 것으로서, 상기 열 도체 디바이스는 상기 몸체(13)가 갭들(21)에 의해서 분리된 열 전도성 타일들(20,50,51,52,61)의 패턴을 포함하는 열 확산기(14)를 구비하고, 상기 타일들은 제 1 열 전도성보다 높은 제 2 열 전도성을 가지며, 각각의 타일은 거의 최대 영역값을 가지며 상기 갭들은 적어도 최소 갭 폭을 가지며, 상기 최대 영역과 상기 최소 갭 폭은 상기 주파수 범위에서 작동하는 상기 전기 부품과 조합될 때 상기 열 도체 디바이스의 소정 전자기 간섭 특징에 순응하도록 치수설정되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 열 전도 디바이스를 형성하는 방법을 제공한다.

Description

열 도체 디바이스와 열 도체 디바이스의 형성 방법{HEAT CONDUCTOR DEVICE AND METHOD OF FORMING A HEAT CONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 전기 부품, 특히 고주파, 예를 들어 기가헤르츠(GHz) 구역에서 작용하는 전기 부품에서 열을 제거하기 위한 열 도체 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 또한 열 도체 디바이스의 형성 방법에 관한 것이다.
냉각을 필요로 하는 전기 부품은 또한 소위 열 도체 디바이스 또는 열 싱크로 칭하는 열 전도성 재료와 열적 접촉하게 배치된다. 그러나, 양호한 열 전도성을 갖는 재료(예를 들어, 금속)는 양호한 전기 전도성을 갖는 경향이 있다.
양호한 전기 전도성을 갖는 인접 층은 메가헤르츠(MHz) 또는 기가헤르츠(GHz) 구역에서 작동하는 프로세서 집적 회로(ICs) 또는 메모리 집적회로(IC)s와 같은 고주파 디바이스와 연계하여 사용될 때 문제가 된다. 이러한 적용에서, 주변 층의 전도성 표면은 집적회로(IC)에 내부적으로 제공되는 전원 전류(source current)에 대한 방열기로서 작용한다. 표면은 또한 전자기(EM) 파들의 반사기(reflector)로서 작용할 수 있다. 이러한 거동은 다른 전기 부품의 기능을 간섭할 수 있고 그러한 이유로 인하여 종종 법규에 의해서 금지된다.
세라믹과 같은 다른 비전도성 또는 불량한 전기 전도성 재료를 사용하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 세라믹은 비교적 고가이고 전기 도체와 비교할 때 일반적으로 불량한 열 전도성을 가진다.
사용된 다른 재료는 폴리머 또는 플라스틱이다. 플라스틱은 세라믹보다 저렴하지만 불량한 열 전도 특성을 가진다.
US 2006 / 047 053호는 역시 열적 전도성을 갖는 전기 전도성 폴리머 조성을 개시하고 있다는 것이 주목된다. 복수의 별개 전기 전도성 요소들은 폴리머 조성으로 통합된다. 이들 요소들은 전자기 간섭(EMI) 및/또는 무선 주파수(RF) 복사로부터 폴리머로 코팅된 집적회로(IC)를 차폐하도록 의도된 폴리머 조성물에게 전기 전도도를 제공한다. 집적회로(IC)는 폐쇄된 패러데이 케이지가 형성되도록 전기 전도성 폴리머 조성물에 의해서 또는 전기 전도성 폴리머 조성물과 다른 전기 도체의 조합물에 의해서 둘러싸여야 한다. 본 발명이 관련되는 열 도체 디바이스 또는 열 싱크는 통상적으로 열 전달의 면적을 확대하도록 의도되고 따라서 집적회로(IC)의 일부만을 덮고 집적회로(IC)를 둘러싸지 않는다. 고주파 부품들을 위한 열 싱크들은 그 재료가 일반적으로 열 싱크에 사용하기에 부적합한 US 2006 / 047 053호의 차폐 적용의 관심사항이 아닌 안테나로서 작용하는 것을 방지하도록 주의 깊게 설계되어야 한다.
따라서, 부품의 주파수 구역에서 방열기 또는 반사기로서 동시에 작용하지 않는 전기 부품으로부터 열을 제거하기 위해 양호한 열 전도성을 갖는 열 도체 디바이스에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 주파수 범위에서 작동하는 전기 부품으로부터 열을 제거하기 위한 열 도체 디바이스로서, 제 1 열 전도성을 갖는 몸체를 포함하는, 상기 열 도체 디바이스를 제공하고, 상기 몸체는 제 1 열 전도성보다 높은 제 2 열 전도성을 갖는 열 전도성 타일들의 패턴을 포함하는 열 확산기를 구비하고, 상기 타일들은 각각 영역을 구비하고 갭들에 의해서 분리된다.
타일 영역과 갭들은 열 도체 디바이스의 소정 전자기 간섭(EMI) 특징에 순응하도록 전기 부품의 주파수 범위에 따라서 결정된다. 제 1 몸체의 재료는 통상적으로 전자기 간섭(EMI) 특징에 순응하기 위하여 매우 낮은 전기 전도성을 가진다.
각각의 타일은 개별 타일이 전기 부품 내부에서 고주파 전류로부터 발생되는 전자기 에너지를 흡수하는 것을 방지할 만큼 작은 영역을 가진다. 동시에, 각각의 타일은 열 확산기 층 및 그에 따른 열 도체 디바이스의 열 전도 특성들을 개선하기 위하여 가능한 큰 영역을 가진다. 각각의 갭은 전기 부품의 주파수 범위에서 전류에 대한 차단벽으로서 작용할 만큼 큰 인접 타일들 사이의 거리를 형성한다. 동시에, 각각의 갭은 열 확산기 층 및 그에 따른 열 도체 디바이스의 열 전도 특성들을 개선하기 위하여 가능한 작다. 결과적으로, 패턴형 열 확산기는 열 도체 디바이스의 유효 전기 전도성을 최소로 증가시키면서, 열 도체 디바이스의 유효 열 전도성을 최대로 증가시킨다.
다시 말해서, 본 발명은 전체 층 대신에 높은(전기 및 열) 전도성 열 확산기 재료의 "아일랜드(islands)"를 포함하는 패턴형 열 확산층을 제공한다. 전도성 아일랜드들 사이의 갭들은 전류에 대한 차단벽이지만, 이들이 충분히 좁게 만들어지면, 타일들 사이에 열을 통과시킬 수 있다. 또한, 아일랜드 크기가 EM 파장 미만이 양호하다면, 전도성 아일랜드는 안테나로서 작용하지 않고, 작은 크기는 가능한 전류 루프의 크기를 제한하고, 그에 의해서 역시 방열을 제한한다.
본 발명에 따른 해결방안을 기술하는 다른 방안은 다음과 같다. 본 발명은 주파수 범위에서 작동하는 전기 부품으로부터 열을 제거하기 위한 열 도체 디바이스를 제공하고, 상기 디바이스는 제 1 열전도성을 갖는 몸체를 포함한다. 열 도체 디바이스와 전기 부품의 조합은 최대 전자기 간섭을 위한 소정 조건에 순응한다. 본 발명은 몸체가 제 1 열전도성보다 큰 제 2 열 전도성을 갖는 열 전도성 타일들의 패턴을 포함하는 열 확산기를 제공하는 것을 특징으로 한다. 열 도체 디바이스와 전기 부품의 조합이 최대 전자기 간섭에 대한 소정 조건에 순응하는 동안 패턴형 몸체의 유효 열 전도성이 제 1 열 전도성보다 높은, 양호하게는 적어도 50% 또는 100% 높은 방식으로 설계된 패턴과 갭들에 의해서 타일들이 분리된다.
패턴형 열 확산기에 의해서 유발된 확실히 개선된 열 전도성은 유리하게는 큰 냉각 표면을 사용하는 것, 예를 들어 큰 열 싱크 기부를 사용하는 것을 허용하고, 결과적으로 높은 디바이스 전력 분산을 허용한다.
추가로 비전기 전도성 (서멀) 플라스틱의 열 전도성을 개선하는 것은 단지 세라믹에서만 가능한 크기에서 플라스틱 열 싱크의 사용을 가능하게 한다. 플라스틱에 의해서 세라믹을 교체하면 비용 및 중량에서의 큰 절감을 동반하고 큰 설계 가요성, 예를 들어 설치 디바이스의 통합을 허용한다.
일반적으로, 본 발명은 고전도성(그래파이트 또는 기타) 패턴을, 예를 들어 열 싱크의 기부에 부가함으로써 비전도성 재료(예를 들어, 플라스틱)의 개선된 열 싱크 특성을 허용한다. 본 발명은 임의의 주파수 범위 내에서 (다른 법적 테두리가 적용되는 제품 집단에 따라서) 큰 전기 전도성 영역을 회피함으로써 열 싱크의 수용가능한 전자기 호환성(EMC) 특징을 허용한다. 전도성 패턴 요소의 크기 및 간격을 조정함으로써, 당업자는 필요한 실용적 또는 법적 EMC 거동을 충족시킬 수 있다.
예시적인 열 확산기 재료(즉, 패턴의 아일랜드의 재료)는 그래프테크 SS500 그래파이트 열 확산기 재료이다. 다른 예시적인 재료는 알루미늄이다. 다른 금속들은 또한 타일들에 대한 재료로서 사용될 수 있다.
열 전도성 몸체의 상단에 제공된 균일 층들에 대한 패턴의 다른 장점은 패턴이 몸체 및 층의 열 팽창 계수에서의 차이로 인하여 응력에 영향을 받지 않는다는 것이다.
본 발명에 따른 실시예에서, 각각의 타일은 전기 부품의 작동 주파수 범위의 특징 파장의 최대 10%, 양호하게는 최대 5%, 더욱 양호하게는 최대 1%인 주요 치수를 갖는 영역을 구비한다. 이는 타일의 영역이 상당한 전류 루프가 발생할 수 있는 영역 밑에 있다는 것을 보장한다.
본 발명의 일 실시예에서, 각각의 갭의 크기는 전기 부품의 작동 주파수 범위의 특징 파장의 적어도 0.1%, 양호하게는 적어도 0.5%, 더욱 양호하게는 적어도 1%이다. 이는 유리하게는 패턴의 유효 전기 전도성은 타일들이 자체적으로 전기 전도성이 될 수 있어도 낮게 유지되는 것을 보장한다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 상기 패턴은 정규 격자이다. 정규 격자는 제조시에 장점을 가지며 성능 계산이 이루어질 수 있도록 더욱 용이하게 모형화할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 타일의 주요 치수는 0.5 mm 내지 5 mm, 양호하게는1 mm 내지 4 mm, 더욱 양호하게는 1.5 mm 내지 2.5 mm이고 갭은 0.1 내지 1.2 mm, 양호하게는 0.15 mm 내지 0.5 mm, 더욱 양호하게는 0.15 mm 내지 0.25 mm이다. 이들 치수들은 양호한 결과를 제공하는 것으로 나타났다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 제 1 열 전도성은 적어도 1 W/mK이다. 일 실시예에서, 제 1 열 전도성은 최대 50 W/mK, 양호하게는 최대 25 W/mK이다. 일 실시예에서, 제 2 열 전도성은 적어도 50 W/mK 또는 적어도 100 W/mK 또는 적어도 250 W/mK 또는 적어도 500 W/mK이다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 타일들 또는 아일랜드들은 그래파이트로 제조된다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 상기 몸체는 폴리머 또는 세라믹을 포함한다.
본 발명은 열 도체 디바이스의 몸체에 접착하기 위한 필름을 추가로 제공하고, 상기 필름은 이전 청구항들 중 어느 한 항에 따른 열 전도성 타일들의 패턴을 포함한다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 열 도체 디바이스와 전기 부품의 조립체를 제공한다. 전기 부품은 비디오 프로세서 집적회로(IC), SDRAM 모듈 또는 임의의 다른 부품일 수 있다. 본 발명은 전기 부품이 작동 주파수, 예를 들어 500Hz 초과, 1GHz 초과 또는 1.5GHz 초과의 주파수에서 작동하는 경우에 유리하게 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 집적회로(IC)는 1600MHz에서 작동한다.
아직 추가로, 본 발명은 제 1 열 전도성을 갖는 몸체를 구비한 열 도체 디바이스를 제공하는 단계를 포함하는, 패턴형 열 도체 디바이스의 형성 방법을 제공하고, 상기 형성 방법은 상기 제 1 열 전도성보다 큰 제 2 열 전도성을 갖는 열적 전도성 타일들의 패턴을 상기 몸체에 제공하는 것을 특징으로 하고, 상기 타일들은 영역을 각각 구비하고 갭에 의해서 분리되고, 상기 타일 영역과 갭들은 상기 열 도체의 소정 전자기 간섭 특징에 순응하도록 전기 부품의 주파수 범위에 따라서 결정된다.
본 발명에 따른 일 실시예에 따라서, 상기 패턴은 몸체의 표면의 레이저 에칭을 통해서 제공된다. 이러한 방식에서, 열 확산기 패턴은 열 확산기 디바이스 몸체의 외면 상에 효과적으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에서, 상기 패턴은 상기 패턴이 형성되는 기판 주위에 상기 몸체를 사출성형하는 것을 통해서 제공된다. 이러한 방식에서, 상기 패턴은 열 확산기 디바이스 몸체 내부에 효율적으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예들의 예들은 이제 첨부된 도면을 참조하여 기술될 것이다.
● 도 1a와 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 도체 디바이스를 개략적으로 도시한다.
● 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 확산기를 갖는 열 도체 디바이스를 개략적으로 도시한다.
● 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 확산기의 상세사항을 개략적으로 도시한다.
● 도 3a 내지 도 3c는 모형 계산의 결과를 개략적으로 도시한다.
● 도 4a와 도 4b는 추가 모형 계산을 개략적으로 도시한다.
● 도 5a 내지 도 5c는 열 확산기 패턴들을 개략적으로 도시한다.
● 도 6은 접착 필름 상의 열 확산기를 개략적으로 도시한다.
● 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 도체 디바이스를 형성하기 위한 방법을 개략적으로 도시한다.
● 도 8a와 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 도체 디바이스와 종래 열 도체 디바이스를 갖는 실험 결과를 도시한다.
도 1은 전기 부품(12), 본 예에서는 집적 회로(IC)(12)와 열 접촉하게 제공된 열 도체 디바이스(10)를 개략적으로 도시한다. 열 도체 디바이스(10)는 플라스틱으로 제조된 몸체(13)를 포함한다. 플라스틱은 유리하게는 본질적으로 0 전기 전도성을 가지며 따라서 플라스틱이 고주파 집적회로(IC)의 상단에 제공되면 전자기 방열의 문제점을 발생시키지 않는다. 플라스틱 대신에, 충분히 낮은 전기 전도성을 갖는 임의의 다른 재료가 사용될 수 있다. 몸체의 통상적인 두께는 0.5 내지 5mm, 예를 들어 1.5mm이다. 몸체(13)는 이하 도 2a와 도 2b를 참조하여 더욱 상세하게 기술되는 열 확산기(14)를 가진다. 도 1a의 예에서, 열 확산기는 집적 회로(IC)(12)와 몸체(13) 사이에 위치한다. 대안 구성에서, 열 확산기는 집적 회로(IC)(12)를 대면하지 않는 몸체(13)의 상단에 제공될 수 있다.
도 1b는 몸체(13)가 냉각 핀들(15)을 구비한 추가 대안 배열을 도시한다. 핀들은 집적 회로(IC)를 대면하지 않는 몸체(13)의 측부에 부착되고 열 확산기(14)는 몸체(13)와 집적 회로(IC)(12) 사이에 위치한다. 집적 회로(IC)를 대면하는 패턴형 열 확산기(14)는 열 도체의 몸체(13)를 통해서 집적 회로(IC)로부터 열을 확산시키는 것을 효율적으로 보조한다. 몸체(13)에 의해서 흡수된 열은 몸체(13)에 제공된 열 핀들(15)을 통해서 주변 환경에 제공될 수 있다.
도 1a와 도 1b의 예들에서, 집적 회로(IC)에 대면하는 열 확산기(14)와 몸체(13)의 표면들은 집적 회로(IC)의 상단면보다 상당히 큰 영역을 가진다. 결과적으로, 열 확산기와 몸체의 에지들은 집적 회로(IC)의 에지들을 지나서 연장된다. 이는 열 싱크를 위한 가장 일반적인 구성이다. 그러나, 본 발명은 또한 비록 작은 영역 또는 집적 회로(IC)의 상단과 동일한 영역을 갖는 본 발명에 따른 열 도체 디바이스(10)를 사용하여 실시될 수 있다.
도 2a는 타일들(20)의 정규 패턴 형태의 열 확산기(14)를 갖는 도 1의 집적 회로(IC)(12)의 상단에 설치된 열 도체 디바이스(10)의 저면도를 개략적으로 도시한다. 타일들은 열적 및 그에 따른 전기적 전도성 재료로 제조되고 치수(a,b)(도 2b 참조)를 가지며 갭(g)에 의해서 서로로부터 분리된 정규 격자로 배열된다. 본 예에서, 각각의 타일은 전기 전도성 그래파이트의 2 mm × 2 mm, 0.25mm 두께의 사각형이다. 특정 방향으로의 최대 치수[즉, 크기(a 또는 b)]는 또한 타일의 주요 또는 특징 치수로 칭해진다. 본 예에서, 갭들은 0.2mm 폭이다. 적당한 열 확산기 재료는 그래프테크 SS500 그래파이트 열 확산기 재료이지만, 당업자는 다른 적당한 재료 및 비 그래파이트 재료도 사용가능하다는 것을 이해할 수 있다.
열 확산 아일랜드(패턴 타일들)의 크기는 열적 관점에서 가능하면 크게 선택되지만, 픽업 EMI를 제거하고 궁극적인 전류 루프의 크기를 제한하기 위하여 집적 회로(IC)의 파형 전류의 적당한 파장 미만에서 양호하다. 아일랜드들 사이의 갭들의 크기는 확실히 열 전도성을 개선하기 위하여 가능한 작을 수 있지만, 전기 절연부를 보유하기 위하여 충분히 크다.
집적 회로(IC)(12)(예를 들어, SDRAM memory)가 1.6GHz에서 작용하면, 집적 회로(IC)로부터 발생하는 방열의 대응 파장은 대략 188mm이다. 2 mm × 2 mm 사각형의 패턴은 파장의 약 1%의 특징 크기를 가지며, 각각의 개별 사각형은 그에 따라서 EMI에 대한 매우 제한된 할당을 가진다. 결국, 사각형은 파장에 비교할 때 매우 작아서 단일 사각형 내부에는 집적 회로(IC) 내의 고주파 전류에 의해서 사실상 전류 루프가 유도될 수 없다.
도 2b는 열 확산기의 상세사항을 개략적으로 도시한다. 본 예에서, 타일들은 정규 패턴 또는 격자로 배열된다. 각 타일은 제 1 치수(a)와 제 2 치수(b)를 가진다. 제 3 치수(높이 또는 두께)는 본 평면도에서 도시되지 않는다. 위에 표시된 바와 같이, 예시적인 적당한 두께는 예를 들어 그래파이트에 대해서 0.25mm이다. 본 예에서, a=b이고 타일들은 그에 따라서 사각형 형태를 가진다. 도 5a 내지 도 5c를 참조할 때, 일부 다른 예시적인 패턴들이 기술될 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 모형 계산 결과들을 개략적으로 도시한다. 각각의 도면에서, 저부 우측 모서리는 제거될 열원과 열적으로 접촉한다. 측부는 단열되고, 온도는 0℃에서 주위에 대해서 계산된다. 이와 같이, 결과들은 열 도체 디바이스(10)의 지역을 모형화한 것으로 사료되고, 저부 우측 모서리는 집적 회로(IC)와 접촉하는 비교적 작은 중심 영역을 나타낸다. 도 3a는 모형 계산을 나타내고 열 확산기 디바이스(10) 몸체(13)는 8 W/mK와 동일한 열 전도성(k)을 갖는 플라스틱이고 열 확산기 패턴이 제공되지 않는다. 저부 우측 모서리에서, 온도는 20℃를 초과한다. 디바이스의 사선을 따라서, 온도는 대략 9℃이다. 이는 비교적 불량한 열 전도성의 예이다.
도 3b는 도 2a의 플라스틱 몸체(13)가 전체 (즉, 비패턴형) 열 확산기 층을 갖는 계산과 일치한다. 이러한 열 확산기 층은 수용가능하지 않은 EMI 특징을 가지며 따라서 단지 비교를 위해서만 사용된다. 모형에 따라서, 저부 우측 모서리는 이제 9.3℃이고 주요 사선을 따라서 온도는 대략 6℃이다.
도 3c는 패턴형 열 확산기에 의한 계산 결과를 개략적으로 도시한다. 모형화된 지역의 열 확산기는 0.2mm의 갭을 갖는 2mm × 2mm로 측정되는 10 × 10 타일을 가진다. 실제 계산에서, 등온선은 전도성 타일들이 단일 온도를 갖는 경향이 있기 때문에, 대략 타일들의 에지들을 추종하는 잔파동(ripple)을 나타낸다. 도 3c의 대략 등온선에서, 이러한 잔파동 효과는 매끄러워 진다. 도 3b의 계산과 비교할 때, 저부 우측 모서리의 온도는 12.5℃로 약간 상승하지만, 도 3a의 비패턴형 서멀 플라스틱 몸체의 20.6℃ 미만에서 양호하다. 도 3b에 있어서 사선에서의 온도는 대략 6℃이다. 모형 계산에 따라서, 도 3c의 패턴형 열 확산기(14)를 갖는 몸체(13)는 단지 서멀 플라스틱 몸체(13)의 8 W/mK와 비교되는 25 W/mK의 유효 열 전도성을 가진다. 그러므로, 패턴형 열 확산기는 수용가능한 열 도체 디바이스의 EMI 특징을 유지하면서 3배보다 많이 유효 열 전도성을 증가시킨다.
유효 열 전도성에서의 이러한 증가는 또한 도 4a와 도 4b에서 명확하다. 도 4a는 도 3c에 대해서 기술된 바와 같이, 예를 들어 k = 8 W/mK를 갖는 1.5mm 두께의 몸체 두께 0.25mm와 k = 500 W/mK를 갖는 그래파이트 타일들을 갖는 패턴형 열 확산기를 사용하는 모형화된 열 분포를 도시한다. 다시, 계산된 결과 밑에 제공된 개요에서, 계산된 잔파동 효과는 개요의 동온선 윤곽에서 매끄러워진다. 도 4b는 k = 25 W/mK를 갖는 가상 몸체의 열 분포를 도시한다. 도 4b에서, 패턴형 열 확산기가 사용되지 않기 때문에, 잔파동 효과는 계산에서 나타나지 않는다. 온도 윤곽(잔파동을 무시함)은 효과적으로 동일하다는 사실에서, k = 8 W/mK를 갖는 기부와 k = 500 W/mK를 갖는 타일들을 포함하는, 도 4a의 패턴형 열 확산기는 25 W/mK의 유효 열 전도성을 갖는다는 결론이 도출된다.
표 1은 TV 적용에서 코어 집적 회로(IC)를 위한 예시적인 테이터를 나타낸다. 이 데이터는 또한 랩탑 마더보드를 나타내고; 민감한 주파수 범위는 30MHz 내지 2GHz이다. 장래에는, 기술적 및 법률적 발전으로 인하여 고주파수에 대한 민감한 주파수 범위의 상한값을 예를 들어 6GHz로 이동할 것이다. 당업자는 본원의 개시물에 기초하는 임의의 주파수 범위로 본 발명을 적용할 수 있다.
30MHz 내지 2GHz 범위에 대해서, 계산은 원하지 않는 방열과 반사로 인하여 5mm보다 큰 주요 치수 또는 특징을 갖는 부유하는 전기 전도성 표면들을 회피하는 것이 최선이라는 것을 나타낸다. 동등한 전기 저항은 임계값, 예를 들어 100Ω DC을 초과해야 하고, 이는 결과적으로 적어도 0.8mm의 간격에 필요한 사항이다. 열적으로, 패턴의 동등한 전도성이 계산(또는 모의시험)될 수 있다. 다수의 결과들이 [1.6mm 갭에 대한] 표 1, [0.8mm 갭에 대한] 표 2 및 [0.4mm 갭에 대한] 표 3에 제시된다. 파라미터 't'는 기본 두께이고 "도트크기"는 타일들의 크기(mm)를 나타낸다. 파라미터 'h'는 팬없는 냉각을 위한 통상적인 값인 h= 10 W/m2K를 갖고 팬 냉각된 소비자 전자 제품을 통한 통상적인 값인 h=20 W/m2K 를 갖는 열전달 계수이다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
예의 작용가능한 범위는 간격(갭) 0.9mm를 갖는 3.5mm × 3.5mm 내지 1.1mm 초과의 간격을 갖는 4.5mm × 4.5mm 크기의 그래파이트 격자이다. 개념은 열 싱크 냉각이 필요하고 EMC 경계들이 기존의 금속 열 싱크를 배제하는 임의의 종류의 집적 회로(IC) 또는 전기 디바이스에 특히 적용가능하다.
추가 예에서, 출원인은 (1) 열 싱크로 작용하도록 최소 필요한 열 전도성을 얻기 위하여; (2) 직접적인 접촉(패치 안테나 효과)에 의하지 않고 또는 EM 파들의 반사에 의하지 않고 2GHz까지의 주파수 범위에서 안테나로서 작용하지 않을 만큼 충분히 작은 전기 전도성 영역을 얻기 위하여 1mm 초과의 간격을 갖는 4mm × 4mm 크기의 그래파이트 격자가 충분하다는 것을 실제 시험에 의해서 확인하였다.
일반적으로, 정확한 치수들은 또한 필요한 열 전도성 및 전위 EM 방열의 주파수에 의존한다는 것이 주목된다. 제공된 예들과 본원의 개시물에 기초하여, 당업자는 패턴형 열 도체 디바이스가 임의의 특정 구성의 EMI 요구조건 및 열 전도성을 충족시키도록 본 발명에 따라 패턴을 설계할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 다수의 가능한 열 확산기 패턴을 개략적으로 도시한다. 도 5a는 갭(g)에 의해서 분리된 격자형 방식으로 치수(a,b)를 갖는 사각형 타일(50)을 도시한다. 도 5b에서, 타일들(51)은 직사각형이고, 갭들에 의해서 분리된 벽돌형 방식으로 배열된다. 도 5c는 육각형 타일들(52)을 갖는 육각형 또는 벌집형 패턴을 도시한다.
도 6은 접착 필름 상의 열 확산기를 개략적으로 도시한다. 필름은 본 발명에 따른 열 확산기 실시예들 중 임의의 것에 따른 타일들 형태의 열 확산기 패턴을 포함한다. 필름은 열 확산기 디바이스의 몸체(13)에 부착될 수 있고, 그에 의해서 EMI 특징에 악영향을 미치지 않고 상술한 바와 같이 유효 열 전도성에서의 증가를 제공한다. 이러한 필름은 유리하게는 기존의 열 확산기 디바이스가 갱신될 수 있게 한다. 필름은 플라스틱 몸체 또는 세라믹 몸체 또는 열 확산기에 대해서 사용된 다른 유형의 재료들에 도포될 수 있다.
필름은 그 위에 에칭된 또는 레이저 식각된 즉, 플라스틱 열 싱크 기부 상에 고착될 구리 열 확산기 패턴을 갖는 캡톤 필름(kapton film)일 수 있다.
도 7은 패턴형 열 도체 디바이스의 방법을 개략적으로 도시한다. 본 방법은 제 1 열 전도성을 갖는 몸체를 구비한 열 도체 디바이스를 제공하는 단계(71)를 포함한다. 조치(72)에서, 상기 몸체는 제 1 열 전도성보다 높은 제 2 열 전도성을 갖는 열 전도성 타일들의 패턴을 가진다. 타일들은 각각 영역을 가지며 갭들에 의해서 분리되고 타일 영역 및 갭은 열 도체의 소정 전자기 간섭 특징에 순응하도록 전기 부품의 주파수 범위에 따라서 결정된다.
예시적인 실시예에서, 조치(72)는 몸체의 표면의 레이저 에칭을 통해서 패턴을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방식에서, 열 확산기 패턴은 열 확산기 디바이스 몸체의 외면 상에 효과적으로 형성될 수 있다.
추가 예시적인 실시예에서, 조치(72)는 패턴이 형성되는 기판 주위에 몸체를 사출 성형하는 것을 통해서 패턴을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방식에서, 패턴은 열 확산기 디바이스 몸체 내부에 효율적으로 형성될 수 있다.
추가 예시적인 실시예에서, 조치(72)는 도 6의 접착 필름을 몸체에 제공함으로써 패턴을 제공하는 단계를 포함한다.
도 8a와 도 8b는 종래의 플라스틱 열 도체 디바이스(도 8a)의 작동을 본 발명의 일 실시예에 따른 열 도체 디바이스(도 8b)와 비교하는 실험을 도시한다. 도면은 어두운 영역이 비교적 낮은 온도를 나타내고 밝은 영역이 비교적 높은 온도를 나타내는 열적(적외선) 사진이다. 양자의 이미지들에서, 열 도체 디바이스는 가열된 사각형을 가진다. 종래 열 도체 디바이스의 비교적 불량한 전도성으로 인하여, 열은 효율적으로 확산되지 않는다(도 8a). 도 8b에서, 열은 열 확산기의 열 전도성 타일들로 인하여 더욱 효율적으로 확산된다. 타일들의 정규 패턴은 본질적으로 일정한 온도의 정사각형으로 반사되어서 일정한 밝기의 사각형을 유도한다.
도면의 상술한 설명에서, 본 발명은 특정 실시예를 참조하여 기술되었다. 그러나, 청구범위에 요약되는 바와 같이 본 발명의 범주 내에서 여러 변형 및 변경이 이루어질 수 있음은 자명한 사실이다.
변형 및 변경은 하기 사항을 포함하지만 이들에 국한되지 않는다. 열 전도성이면서 전기 절연성인 다른 기본 재료가 사용될 수 있다. 핀형 열 싱크의 기부를 포함하는, 냉각면의 다른 크기 및 형상이 사용될 수 있다. 잉크젯 프린트 또는 스크린 프린트 전도성 잉크 또는 코팅의 사용을 포함하는, 다른 열 확산기 재료들도 사용될 수 있다. 열 싱크 영역들은 사출 성형 및 그 주위에서의 플라스틱 사출 성형될 수 있다. 열 확산기는 또한 레이저 또는 다른 수단에 의해서 생성된 패턴과 냉각면의 상단에 놓여질 수 있다.
특히, 본 발명의 여러 형태들의 특정 특징들의 조합이 이루어질 수 있다. 본 발명의 형태는 본 발명의 다른 형태에 관련하여 기술되는 특징을 부가함으로써 더욱 유리하게 개선될 수 있다.
본 발명의 통상적으로 고주파에서 작동하는 비디오 프로세서 집적회로(IC)들을 위한 냉각 장치에서 특히 유리하게 적용된다. 다른 유리한 적용은 EMI 민감 적용에서 LED들의 냉각이다.
본 발명은 첨부된 청구범위와 그 기술적 동등물에 의해서만 제한된다는 것을 이해해야 한다. 본 문헌과 청구범위에서, "포함하는" 용어 및 그 구성은 구체적으로 언급되지 않은 항목들을 배제하지 않고, 하기 항목들을 포함하는 것을 의미하도록 비제한적인 의미로 사용된다. 또한, 단수 용어에 의한 요소의 기술은 본문에서 요소의 하나 및 단지 하나임을 명확하게 요구하지 않는다면, 하나 초과의 요소가 제공될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다. 단수 용어는 대체로 "적어도 하나"를 의미한다.

Claims (15)

  1. 주파수 범위에서 작동하는 전기 부품(12)으로부터 열을 제거하기 위한 열 도체 디바이스(10)로서, 제 1 열 전도성을 갖는 몸체(13)를 포함하는, 상기 열 도체 디바이스에 있어서,
    상기 몸체(13)는 갭들(21)에 의해서 분리된 열 전도성 타일들(20,50,51,52,61)의 패턴을 포함하는 열 확산기(14)를 구비하고, 상기 타일들은 상기 제 1 열 전도성보다 높은 제 2 열 전도성을 가지며, 각각의 타일은 최대한 최대 영역값을 가지며 상기 갭들은 적어도 최소 갭 폭을 가지며, 상기 최대 영역과 상기 최소 폭은 상기 주파수 범위에서 작동하는 상기 전기 부품과 조합될 때 상기 열 도체 디바이스의 소정 전자기 간섭 특징에 순응하도록 치수설정되는 것을 특징으로 하는 열 도체 디바이스(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 타일(20,50,51,52,61)은 상기 전기 부품의 작동 주파수 범위의 특징 파장의 최대 10%, 양호하게는 최대 5%, 더욱 양호하게는 최대 1%인 주요 치수를 갖는 영역을 구비하는, 열 도체 디바이스(10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각의 갭(21)은 상기 전기 부품의 작동 주파수 범위의 특징 파장의 적어도 0.1%, 양호하게는 적어도 0.5%, 더욱 양호하게는 적어도 1%인, 열 도체 디바이스(10).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 패턴(14)은 정규 격자인, 열 도체 디바이스(10).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    타일(20,50,51,52,61)의 주요 치수는 0.5 mm 내지 5 mm, 양호하게는1 mm 내지 4 mm, 더욱 양호하게는 1.5 mm 내지 2.5 mm이고 갭은 0.1 내지 1.2 mm, 양호하게는 0.15 mm 내지 0.5 mm, 더욱 양호하게는 0.15 mm 내지 0.25 mm인, 열 도체 디바이스(10).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 열 전도성은 최대 50 W/mK, 양호하게는 최대 25 W/mK이고, 상기 제 2 열 전도성은 적어도 50 W/mK, 양호하게는 적어도 100 W/mK인, 열 도체 디바이스(10).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 타일들(20,50,51,52,61)은 그래파이트로 제조되는, 열 도체 디바이스(10).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체(13)는 폴리머 또는 세라믹을 포함하는, 열 도체 디바이스(10).
  9. 열 도체 디바이스(10)의 몸체(13)에 부착하기 위한 필름에 있어서,
    제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 열 전도성 타일들(61)의 패턴을 포함하는 필름.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 열 도체 디바이스(10)와 비디오 프로세스 집적회로(IC)와 같은 전기 부품(12)의 조립체에 있어서,
    열 확산기(14)가 상기 전기 부품(12)에 인접하게 제공되는 조립체.
  11. 패턴형 열 도체 디바이스(10)의 형성 방법으로서, 제 1 열 전도성을 갖는 몸체(13)를 구비한 열 도체 디바이스를 제공하는 단계를 포함하는, 상기 패턴형 열 도체 디바이스(10)의 형성 방법에 있어서,
    상기 제 1 열 전도성보다 큰 제 2 열 전도성을 갖는 열 전도성 타일들(20,50,51,52,61)의 패턴(14)을 상기 몸체에 제공하는 것을 특징으로 하고, 상기 타일들은 영역을 각각 구비하고 갭들(21)에 의해서 분리되고, 상기 타일 영역과 갭들은 상기 열 도체의 소정 전자기 간섭 특징에 순응하도록 전기 부품의 주파수 범위에 따라서 결정되는, 패턴형 열 도체 디바이스(10)의 형성 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 패턴(14)은 상기 몸체(13)의 표면의 레이저 에칭을 통해서 제공되는, 패턴형 열 도체 디바이스(10)의 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 패턴(14)은 상기 패턴이 형성되는 기판 주위에 상기 몸체를 사출성형하는 것을 통해서 제공되는, 패턴형 열 도체 디바이스(10)의 형성 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 패턴(14)은 제 9 항에 따른 필름을 상기 몸체(13)에 접착함으로써 제공되는, 패턴형 열 도체 디바이스(10)의 형성 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 열 도체 디바이스(10)가 형성되는, 패턴형 열 도체 디바이스(10)의 형성 방법.
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