KR20160085253A - 히트 싱크 - Google Patents

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KR20160085253A
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adhesive layer
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타케시 후지와라
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제이엔씨 주식회사
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Abstract

발열체에 접하는 베이스부와 베이스부가 발열체로부터 수용한 열을 방열하는 방열부로 이루어지고, 베이스부는 적어도 1층의 금속층을 포함하며, 방열부는 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층을 개재하여 적층한 적층체를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크 또는 발열체로부터 열을 방열하기 위한 히트 싱크에 있어서, 상기 히트 싱크는 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층을 개재하여 적층한 적층체를 포함하고, 상기 발열체를 덮도록 배치되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크.

Description

히트 싱크{HEAT SINK}
본 발명은 발열체로부터 열을 방열하는 히트 싱크에 관한 것이다.
컴퓨터를 비롯한 전자 기기에 탑재되는 발열 소자는 고성능화에 수반하여 발열량이 증대되고 있다. 예를 들면, 전자 기기에 탑재된 CPU(중앙 연산 처리 장치)는 특히 발열량이 크기 때문에, CPU에는 일반적으로 히트 싱크 등의 열전도체가 장착된다. 이러한 열전도체는 CPU의 고속화에 수반하는 발열량의 증대에 대응하기 위한 대형화 등에 의해 중량이 증대되고 있다. 열전도체의 중량이 증대되면 전자 기기의 수송이 곤란하게 되는 동시에, 열전도체를 장착하고 있는 CPU에 과대한 하중이 걸릴 우려가 있다. 또한, 자동차 등에 탑재되는 열전도체의 중량 증가는 연비 악화를 초래한다.
이에 따라, 방열 성능을 저하시키지 않고 경량의 열전도체를 제공하는 것이 필요하게 되고, 그 한 가지 수단으로서 열전도체에 사용되는 재료에 구리(銅) 등과 같은 정도 또는 그보다 높은 열전도율을 가지며, 또한 구리보다 밀도가 작은 그라파이트 등을 사용하는 것이 검토되고 있다.
이와 같은 종류의 그라파이트를 이용하는 방열기에 관한 종래 기술로서는, 예를 들면, 특허 문헌 1을 들 수 있다.
전술한 바와 같이 최근의 전자 기기는 고성능화, 고기능화에 수반하여 발열량이 증대되고 있기 때문에, 상기 기기에는 방열 특성에 더욱 우수한 열전도체를 사용하는 것이 요구되고 있다. 이러한 열전도체로서 그라파이트 시트와 금속판을 접착제로 접착한 적층체를 이용하는 취지가 개시되어 있다(특허 문헌 2-특허 문헌 5).
상기 특허 문헌 3에는 접착제로서 고무상 탄성 접착제나 실리콘계 열전도성 접착제를 이용하는 취지가 기재되어 있고, 상기 특허 문헌 4에는 은, 금, 구리 등의 도전성 필러가 함유된 접착제를 이용하는 취지가 기재되어 있으며, 상기 특허 문헌 5에는 아크릴계 접착제를 이용하는 취지가 기재되어 있다.
또한, 특허 문헌 6에는 그라파이트 시트와 금속 박판을 맞붙인 것을 콜게이트 형상으로 형성하고, 히트 싱크 베이스 상에 금속 박판 부분에 접합함으로써 구성된 히트 싱크에 의해 방열 성능의 고성능화와 경량화를 실현할 수 있었던 점이 기재되어 있다.
[특허문헌]
특허 문헌 1：일본 공개 특허 공보 특개평11-21117호
특허 문헌 2：일본 공개 특허 공보 특개2001-144237호
특허 문헌 3：일본 공개 특허 공보 특개평10-247708호
특허 문헌 4：일본 공개 특허 공보 특개2004-23066호
특허 문헌 5：일본 공개 특허 공보 특개2009-280433호
특허 문헌 6：일본 공개 특허 공보 특개2009-99878호
상기 특허 문헌 2-특허 문헌 5에 기재된 종래의 열전도체(적층체)에서는 그라파이트 시트와 금속판의 접착 강도가 뒤떨어지는 경우가 있었다.
또한, 접착제로 이루어지는 층(접착층)은 통상적으로 열전도율이 작고, 상기 층의 두께가 두꺼워짐에 따라 상기 적층체의 적층 방향의 열저항이 커진다. 이와 같이 접착층의 열저항이 큰 것은 가령 도전성의 접착층을 사용해도 동일하며, 이러한 도전성의 접착층은 접착력이 약했다. 이 때문에 접착 강도가 우수하고, 가능한 한 두께가 얇은 접착층을 이용하는 것이 요구되고 있다.
그러나 상기 특허 문헌 2-특허 문헌 5에 기재된 접착층은 그라파이트 시트와 금속판의 접착 강도가 낮기 때문에 접착층의 두께를 두껍게 하지 않으면 전자 기기 등에 사용 가능한 열전도체를 얻을 수 없는 경우가 있었다. 이와 같이 접착층이 두꺼운 적층체는 중량이 증가하고, 특히 적층체의 적층방향의 열저항이 크고, 방열 특성이 뒤떨어지는 경우가 있었다. 또한, 이용하는 접착층(예를 들면, 상기 특허 문헌 5에 기재된 접착층)에 따라서는 그라파이트 시트나 금속층과 접착층의 열팽창율의 차이에 의해 적층체의 온도가 상승하면 적층체가 휘어버리고, 이러한 적층체를 전자 회로 등에 사용하면 상기 적층체와 전자 회로가 단락될 가능성이나, 열수축이나 물리적 충격에 의해 표면에 노출된 그라파이트가 서서히 벗겨져 도전성 분말이 됨으로써 전자 회로를 단락시킬 가능성이 있었다.
또한, 상기 특허 문헌 6에 기재된 히트 싱크는 그라파이트 시트와 금속 박판으로 이루어지는 적층체의 접착 강도가 낮기 때문에 기계적 강도와 방열성이 뒤떨어지며, 또한 이러한 적층체를 콜게이트 형상으로 가공하는 것은 쉽지 않았다.
본 발명은 상술한 문제점들을 감안하여 이루어진 것으로, 경량이며 방열성이 우수한 히트 싱크를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 상술한 과제를 해결하기 위해 예의 검토한 결과, 특정의 적층체를 포함하고, 특정 구조의 히트 싱크에 의하면 상술한 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
[1] 발열체에 접하는 베이스부와 상기 베이스부가 상기 발열체로부터 수용한 열을 방열하는 방열부로 이루어지고,
상기 베이스부는 적어도 1층의 금속층을 포함하며,
상기 방열부는 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층을 개재하여 적층한 적층체를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
[2] 상기 방열부가 주름 형상인 사항 [1]에 기재된 히트 싱크.
[3] 발열부에서 열을 방열하기 위한 히트 싱크에 있어서,
상기 히트 싱크는 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층을 개재하여 적층한 적층체를 포함하고, 상기 발열체를 덮도록 배치되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
[4] 상기 폴리비닐아세탈 수지가 하기 구성 단위 A, B 및 C를 포함하는 사항 [1]- 사항 [3] 중에서 어느 하나의 사항에 기재된 히트 싱크.
[화학식 1]
Figure pct00001
구성 단위 A
(상기 구성 단위 A 중에서 R은 독립적으로 수소 또는 알킬이다.)
[화학식 2]
Figure pct00002
구성 단위 B
[화학식 3]
Figure pct00003
구성 단위 C
[5] 상기 폴리비닐아세탈 수지가 추가적으로 하기 구성 단위 D를 포함하는 사항 [4]에 기재된 히트 싱크.
[화학식 4]
Figure pct00004
구성 단위 D
(상기 구성 단위 D 중에서 R1은 독립적으로 수소 또는 탄소수 1∼5의 알킬이다.)
[6] 상기 접착층의 두께가 30㎛ 이하인 사항 [1]-사항 [5] 중에서 어느 하나의 사항에 기재된 히트 싱크.
본 발명에 의하면 경량이며, 접착층의 두께가 얇고, 금속층과 그라파이트층의 접착강도가 높고, 방열성 및 기계적 강도가 우수한 히트 싱크를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 방열성이 우수하고, 경량화 가능한 배터리나 전자 기기 등을 제공할 수 있다.
도 1은 히트 싱크 1의 방열부 또는 히트 싱크 2의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 2는 구멍을 형성한 그라파이트층의 일 얘를 나타내는 개략도이다.
도 3은 슬릿을 형성한 그라파이트층의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 4는 히트 싱크 1의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 5는 히트 싱크 1의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 6은 히트 싱크 1의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 7은 히트 싱크 1의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 8은 히트 싱크 1의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 9는 히트 싱크 1의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 10은 히트 싱크 1의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 11은 히트 싱크 1의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 12는 히트 싱크 1의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 13은 히트 싱크 2의 일 예를 나타내는 단면 개략도이다.
도 14는 실시예 6의 방열 특성을 평가할 때의 상태(각 부재의 배치)를 나타내는 단면 개략도이다.
도 15는 참고예 6의 방열 특성을 평가할 때의 상태(각 부재의 배치)를 나타내는 단면 개략도이다.
도 16은 실시예 7의 방열 특성을 평가할 때의 상태(각 부재의 배치)를 나타내는 단면 개략도이다.
히트 싱크
본 발명은,
(1) 발열체에 접하는 베이스부와 상기 베이스부가 상기 발열체로부터 수용한 열을 방열하는 방열부로 이루어지고, 상기 베이스부는 적어도 1층의 금속층을 포함하며, 상기 방열부는 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층(A)을 개재하여 적층한 적층체를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크(이하, "히트 싱크 1"이라고도 한다.), 또는
(2) 발열체로부터 열을 방열하기 위한 히트 싱크에 있어서, 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층(A)를 개재하여 적층한 적층체를 포함하고, 상기 발열체를 덮도록 배치되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크(이하, "히트 싱크 2"라고도 한다.)에 관한 것이다.
이들 중에서 어느 히트 싱크에서나 특정의 적층체를 포함하기 때문에 경량이면서 방열성이 우수한 히트 싱크가 얻어진다. 또한, 이와 같은 적층체는 특정의 접착층(A)를 개재하여 금속층과 그라파이트층이 적층되기 때문에, 금속층과 그라파이트층의 접착 강도가 높고, 이러한 적층체를 포함하는 본 발명의 히트 싱크는 가공성 및 절곡성이 우수하다.
히트 싱크 1
상기 히트 싱크 1은 적어도 발열체에 접하는 베이스부와 상기 베이스부가 상기 발열체로부터 수용한 열을 방열하는 방열부를 가진다.
이러한 히트 싱크 1은 상기 발열체로부터의 열을 상기 베이스부가 방열부로 전달하고, 상기 방열부에서 상기 열을 방열할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, "발열체에 접한다"라는 표현은 베이스부가 직접 발열체에 접하는 경우 외에 접착제층 등의 종래 공지의 층(a)를 개재하여 발열체에 접하는 경우도 포함한다.
마찬가지로, 베이스부는 발열체로부터의 열을 방열부로 전달할 수 있으면 되기 때문에 베이스부와 방열부는 직접 접하고 있어도 되고, 점착층 등의 종래 공지의 층(b)를 개재하여 접하고 있어도 된다.
즉, 상기 히트 싱크 1은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 베이스부(14)와 방열부(12)만으로 이루어져 있어도 되며, 이 경우에 도 11에 나타낸 바와 같이 베이스부(74)와 방열부(72)가 일체로 되어 있어도 된다. 또한, 도 5-도 10에 나타내는 바와 같이 베이스부와 방열부가 접착층 등의 종래 공지의 층(b)를 개재하여 접합되어 있어도 되며, 이 경우에 도 12에 나타낸 바와 같이 베이스부(84)와 방열부(82)가 일체로 되어 있어도 된다.
베이스부
상기 베이스부는 발열체에 접하며, 적어도 1종의 금속층을 포함하면 특별히 제한되지는 않는다.
이러한 베이스부는 발열체로부터의 열을 방열부로 전달하는 역할을 담당하고, 또한 방열부에 사용하는 그라파이트층 등으로부터의 분진 등이 발생되었다고 해도 그 분진 등에 의한 발열체의 오염을 방지하는 효과도 담당한다.
상기 히트 싱크 1은 이러한 베이스부를 갖기 때문에 방열부가 주름 형상의 형상 등이어도 발열체로부터의 열을 효율적으로 방열부로 전달하여 방열할 수 있다.
상기 베이스부에 포함되는 금속층으로는, 특별히 제한되지는 않으며, 방열부에 이용되는 금속층과 동일한 금속층이어도 된다. 상기 베이스부는 열전도성이 우수한 부재인 것이 바람직하고, 이러한 금속층으로는 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 마그네슘 및 이들 중에서 적어도 어느 하나의 금속을 함유하는 합금을 포함하는 층을 들 수 있고, 보다 바람직하게는 은, 구리, 알루미늄, 니켈, 마그네슘 및 이들 중에서 적어도 어느 하나의 금속을 함유하는 합금을 포함하는 층을 들 수 있으며, 특히 바람직하게는 구리, 알루미늄, 마그네슘 및 이들 중에서 적어도 어느 하나의 금속을 함유하는 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 1종의 금속을 포함하는 층을 들 수 있다.
또한, 히트 싱크의 경량성과 방열성의 밸런스를 고려하면, 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층(A)를 개재하여 적층한 적층체가 바람직하며, 상기 방열부에 이용되는 적층체와 동일한 층 구성으로 이루어지는 적층체이어도 된다.
상기 베이스부가 상기 방열부와 동일한 층 구성의 적층체일 경우, 상기 방열부와 상기 베이스부는 도 11 또는 도 12에 나타내는 바와 같이 일체로 되어 있어도 되고, 이러한 구성이면 상기 방열부와 상기 베이스부 사이에 점착층(b) 등을 개재하지 않아도 상기 방열부와 상기 베이스부가 일체로 된 히트 싱크가 얻어지기 때문에, 방열성 등이 우수한 히트 싱크가 얻어지는 경우가 있다.
또한, 상기 베이스부로서 이러한 적층체를 이용한 경우, 발열체에 접하는 쪽은 금속층인 것이 방열성이 우수한 히트 싱크가 얻어지는 점 등에서 바람직하다.
상기 베이스부는 발열체에 접하면 그 형상은 특별히 제한되지는 않지만, 히트 싱크의 방열성 등의 면에서, 가능한 한 발열체 표면과의 접촉 면적이 넓은 쪽이 바람직하며, 히트 싱크가 이용되는 발열체의 표면 형상에 대응하는 형상의 베이스부를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 베이스부의 발열체에 접하는 쪽과는 반대측의 형상도 특별히 제한되지는 않지만, 상기 베이스부와 상기 방열부가 직접 또는 점착층(b) 등을 개재하여 접하기 때문에 통상 대략적으로 평탄한 형상이다.
상기 베이스부의 크기도 특별히 제한되지는 않지만, 히트 싱크의 방열성을 고려하면 상기 베이스부의 발열체와 접촉하는 측표면의 면적이 상기 발열체의 표면적과 동일한 면적 또는 발열체의 표면적보다 큰 면적을 갖는 것이 바람직하다. 특히 표면적이 작은 발열체에 대하여 본 발명의 히트 싱크를 이용하는 경우에는, 이러한 작은 발열체는 방열하기 어렵기 때문에, 상기 발열체의 표면적보다 큰 표면적을 갖는 베이스부를 이용하여 열을 발열체의 표면적보다 광범위하게 넓힘으로써, 히트 싱크의 방열성을 향상시킬 수 있다.
상기 베이스부의 두께도 특별히 제한되지는 않으며, 상기 베이스부의 방열성 및 히트 싱크가 이용되는 용도, 예를 들어 전자 기기에 요구되는 크기 및 중량 등을 고려하여 적절히 선택하면 되는데, 통상적으로 0.01∼30mm, 바람직하게는 0.03∼10mm 정도이다.
상기 베이스부는 적집 발열체에 접해도 되고, 접착체층 등의 종래 공지의 층(a)를 개재하여 발열체에 접해도 된다.
이러한 접착제층 등의 종래 공지의 층(a)으로는 발열체와 베이스부가 일체가 되도록 상기 발열체와 상기 베이스부를 접착할 수 있는 층인 것이 바람직하고, 또한 상기 발열체로부터의 열을 효율적으로 상기 베이스부로 전달할 수 있는 층인 것이 보다 바람직하다.
이러한 층(a)으로는, 특별히 제한되지는 않지만, 점착제, 접착제, 양면 테이프, TIM(방열 시트), 글리스, 퍼티, 땜납, 은 페이스트 등으로 이루어지는 층이나 저온 소결 은 나노입자 또는 저융점 금속을 포함하는 층을 들 수 있고, 이들 중에서도 전자 기기 등의 제작의 편의성 및 얻어지는 전자 기기 등의 경량성 등의 측면에서 점착제, 접착제, 양면 테이프, TIM 등으로 이루어지는 층이나 저온 소결 은 나노입자 또는 저융점 금속을 포함하는 층이 바람직하다.
또한, 상기 베이스부가 그라파이트층을 포함하고, 상기 그라파이트층이 발열체에 접하는 경우에는, 상기 종래 공지의 층(a) 대신에 다음과 동일한 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 층을 이용하는 것이 접착성, 방열성 등의 면에서 바람직하다.
또한, 나사 조임, 클립 조임 등의 방법으로 상기 베이스부를 상기 발열체에 접하도록 배치해도 된다.
방열부
상기 방열부는 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층(A)를 개재하여 적층한 적층체를 포함하면 특별히 제한되지는 않는다.
이러한 적층체를 구성하는 각 층에 대해서는 본 명세서의 후단에서 구체적으로 설명한다.
상기 적층체는 상기 그라파이트층 위에 추가적으로 금속층 및 그라파이트층이 번갈아 적층되거나, 금속층 및/또는 그라파이트층을 임의의 순서로 상기 접착층(A)를 개재하여 복수로 적층한 적층체이어도 된다.
복수의 금속층, 그라파이트층 또는 접착층(A)를 이용하는 경우, 이들 층들은 각각 동일한 층이어도 되고, 다른 층이어도 되지만, 동일한 층을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 이들 층들의 두께는 동일해도 되고, 달라도 된다.
적층 순서는 원하는 용도에 따라 적절히 선택하면 되며, 구체적으로는 원하는 방열 특성이나 내부식성 등을 고려하여 선택하면 되고, 적층수도 원하는 용도에 따라 적절히 선택하면 되며, 구체적으로는 히트 싱크의 크기나 방열 특성 등을 고려하여 선택하면 된다.
또한, 상기 적층체는 원하는 용도에 따라 이들 금속층, 접착층(A), 그라파이트층 이외의 다른 층 등을 포함하고 있어도 된다. 예를 들면, 상기 적층체의 베이스부에 접하는 쪽과는 반대측의 최외면으로부터의 복사에 의한 방열을 재촉할 목적으로 하기 수지층을 설치해도 된다. 이 경우에 수지층의 두께는 열저항치가 커지지 않을 정도로 충분하게 복사되는 두께인 것이 히트 싱크의 방열성이 양호하게 되는 점에서 바람직하다. 또한, 상기 최외면으로부터의 복사에 의한 방열을 재촉할 목적으로 최외면에 종래 공지의 필름을 붙이는 것도 바람직하고, 열전도율을 고려한 필름이면 보다 바람직하다. 이러한 필름으로서는 히트 싱크가 고온 조건 하에서 사용되는 경우, 예를 들면 폴리이미드 등의 내열성 필름인 것이 바람직하다. 상기 필름 두께는 복사율을 높게 하는 효과가 있으면 되므로, 통상적으로는 취급이 용이한 5∼200㎛의 범위에서 선택되며, 복사 성능이 양호하며, 취급이 용이하기 때문에 10㎛ 이상인 것이 바람직하고, 열저항치가 작기 때문에 50㎛ 이하인 것이 바람직하다.
상기 금속층, 접착층(A), 그라파이트층 이외의 다른 층으로서는, 예를 들어 종래 공지의 접착층을 갖는 층을 들 수 있다. 이러한 층을 갖는 적층체로서는, 구체적으로는 상기 적층체의 최외층인 금속층이나 그라파이트층 중에서 어느 한쪽 또는 양쪽에 미리 형성된 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리이미드, 폴리아미드, 염화비닐 등으로 이루어지는 수지제 필름을 아크릴계 또는 실리콘계의 점착제로 이루어지는 시판되는 점착시트(접착성을 갖는 층)를 개재하여 적층한 적층체를 들 수 있다.
상기 방열부는 상기 베이스부와 접하는 쪽이 금속층인 것이 방열성이 우수한 히트 싱크가 얻어지는 점 등에서 바람직하고, 상기 베이스부와 접하는 쪽과는 반대측의 최외층도 금속층인 것이 기계적 강도 및 가공성에 우수한 히트 싱크가 얻어지는 점 등에서 바람직하다.
결국, 상기 방열부는 방열 특성, 기계적 강도, 경량성 및 제조 용이성 등에 우수한 점에서, 도 1에 나타내는 바와 같은 금속층(2), 접착층(A)(3), 그라파이트층(4), 접착층(A)(5) 및 금속층(6)이 이러한 순서로 적층된 적층체(1)인 것이 바람직하다.
또한, 도 1에 나타내는 적층체(1)를 포함하는 히트 싱크를 제조하는 경우에서, 원하는 용도에 따라, 특히 그라파이트층(4)을 개재하여 금속층끼리(2 및 6)의 접착 강도가 높은 적층체를 제조하고 싶은 경우에는 접착층(A)(3 및 5)가 직접 접하도록 해도 된다. 이러한 예로서는, 도 2에 나타내는 바와 같은 구멍(8)을 형성한 그라파이트층(4')이나, 도 3에 나타내는 바와 같은 슬릿(9)을 형성한 그라파이트층(4'')을 이용하는 방법을 들 수 있다.
상기 구멍이나 슬릿의 형상, 수 또는 크기는 히트 싱크의 기계적 강도 및 방열특성 등의 면에서 적절히 선택하면 된다.
상기 구멍이나 슬릿을 형성한 그라파이트층을 이용하는 경우에는, 예를 들어 상기 구멍이나 슬릿이 없는 경우에 비하여 접착층(A)가 되는 층을 두껍게 금속층이나 그라파이트층 위에 형성하고, 맞붙임시의 온도를 높게 설정함으로써 가열 압착시 등에 접착층 형성 성분이 구멍이나 슬릿으로 흘러 들어가 구멍이나 슬릿부에 상기 접착층 형성 성분을 충진시킬 수 있다. 또한, 금속층 상의 그라파이트층의 슬릿이나 구멍에 해당하는 부분의 접착층(A)가 되는 층을 미리 디스펜서 등으로 두껍게 형성해두어도 된다.
또한, 금속층(2 및 6)의 크기(층의 세로 및 가로의 길이)보다 작은 그라파이트층(4)을 이용하여 접착층(A)(3 및 5)이 직접 접하도록 함으로써, 기계적 강도가 높은 히트 싱크를 제조할 수 있다.
상기 방열부를 구성하는 적층체의 두께는 특별히 제한되지는 않고, 방열부의 방열성 및 히트 싱크가 이용되는 용도, 예를 들어 전자 기기에 요구되는 크기 및 중량 등을 고려하여 적절히 선택하면 되는데, 통상적으로 0.01∼0.5mm, 바람직하게는 0.02∼0.2mm이다.
상기 방열부에서는 상기 발열체로부터의 열을 방열하기 때문에 상기 방열부의 형상이 표면적이 커지는 형상, 예를 들어 침봉 형상이나 주름 형상으로 함으로써 상기 방열부가 외기 등에 접촉하는 면적을 증대시키는 형상인 것이 바람직하다. 이러한 형상을 갖는 히트 싱크로서는, 예를 들어, 도 4-도 12에 나타내는 바와 같은 형상의 히트 싱크를 들 수 있다. 이들 중에서도 주름 형상의 히트 싱크, 바람직하게는 발열체 및 베이스부의 적층 방향과 방열부의 주름을 구성하는 산 및 골의 방향이 대략 평행인 히트 싱크, 구체적으로는 도 4-도 8, 도 11 및 도 12에 나타내는 바와 같은 주름 형상의 방열부를 갖는 히트 싱크가 특히 좁은 설치 면적에서 효율적으로 방열되는 것, 기계적 강도 및 가공성 등의 면에서 바람직하고, 또한 이들 히트 싱크들은 공냉에 의해 방열할 때에 방열부를 통과하는 공기의 통풍 저항을 감소시키며, 기류를 방해하지 않는 형상이기 때문에 바람직하다.
또한, 도 4-도 12에 나타낸 형상들은 일 예이며, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 적절하게 방열부의 형상을 변경할 수 있다. 또한, 각 도면에 따른 히트 싱크에는 도시되지 않은 종래 공지의 층이 포함되어 있어도 되고, 도시하고 있는 종래 공지의 층이 존재하지 않아도 된다.
도 9에 따른 히트 싱크는 방열부의 최하부가 그대로 베이스부로서의 역할도 담당하기 때문에, 도 9와 같은 형상의 히트 싱크의 경우에는 종래 공지의 층(53)이나 베이스부(54)는 존재하지 않아도 된다.
상기 방열부는 주름 형상이며, 상기 방열부의 베이스부에 접하는 쪽의 표면적의 바람직하게는 1∼70%, 보다 바람직하게는 2∼50%, 더욱 바람직하게는 5∼30%정도가 상기 베이스부와 접하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 상기 면적의 비율은 상기 방열부와 상기 베이스부 사이에 점착층 등의 종래 공지의 층(b) 등이 존재하는 경우에는 방열부와 점착층 등의 종래 공지의 층(b) 등이 접촉하고 있는 면적의 비율을 말한다.
이러한 형상의 히트 싱크는 상기 베이스부에서 방열부로의 열의 전달이 자연스럽게 행해지고, 또한 방열부에서의 방열이 효율적으로 행해지는 경향이 있기 때문에 바람직하다.
이러한 주름 형상의 방열부의 제조 방법으로서는, 하기 방법 등으로 얻어진 적층체에 열 및/또는 압력을 걸어 3차원 가공하는 공정을 포함하는 방법을 들 수 있고, 구체적으로는 프레스식 가공기나 기어식 가공기를 이용하여 콜게이트 가공을 수행하는 방법을 들 수 있다. 또한, 이 경우에는 적층체를 구성하는 각 층의 파단 등을 방지하기 위해 콜게이트를 1산씩 가공하는 가공 방법이 바람직하다. 이러한 가공 방법에서는 적층체를 보내면서 요홈을 구비한 고정형에 대하여 펀치 등의 가이드를 차례로, 고정형으로 향하여 하강시키고, 프레스 가공을 실시하는 방법이 바람직하다.
또한, 적층체를 구성하는 금속층이나 그라파이트층을 먼저 콜게이트 가공하고, 그 가공 후의 층을 하기 방법과 동일한 방법 등으로 접착층(A)을 개재하여 적층함으로써 주름 형상의 방열부를 얻을 수도 있다.
보다 구체적으로는 일본 공개 특허 공보 특개2010-264495호나 일본 공개 특허 공보 특개평9-155461호에 개시된 방법을 들 수 있다.
그라파이트층 자체는 구조가 약해서 절곡하는 경우에는 도중에서 파단되는 경향이 있었다. 이러한 그라파이트층이라도 금속층과 적층함으로써 어느 정도의 절곡 가공이 가능하게 되는데, 역시 적층체 중에서 그라파이트층이 파단되어 버리며, 그 결과 얻어지는 히트 싱크의 열전도성의 저하나 기계적 강도의 저하가 발생되기 쉬웠다. 또한, 상기 그라파이트층의 파단에 의해 그라파이트의 분말이 생기기 쉬우며, 이러한 분말에 의해 발열체 등이 오염되기 쉬운 경향이 있었다.
전술한 바와 같이, 그라파이트층을 포함하는 적층체를 그 성질 등을 열화시키지 않고 형상을 3차원 가공하는 것은 용이하지는 않았다.
한편, 그라파이트층을 포함하는 적층체를 상기 펀치 등의 가이드를 누르면서 콜게이트 가공함으로써, 상기 적층체의 성질의 열화를 억제하면서 원하는 형상으로 3차원 가공할 수 있으며, 이는 상기 특정 적층체를 이용함으로써 가능하게 된다.
상기 방열부는 직접 베이스부에 접해도 되고, 점착층 등의 종래 공지의 층(b)를 개재하여 발열체에 접해도 된다.
이러한 점착층 등의 종래 공지의 층(b)로서는 베이스부와 방열부가 일체가 되도록 베이스부와 방열부를 접착할 수 있는 층인 것이 바람직하고, 또한 베이스부로부터의 열을 효율적으로 방열부로 전달할 수 있는 층인 것이 보다 바람직하다.
이러한 층(b)으로는 상기 접착제층 등의 종래 공지의 층(a)와 동일한 층 등을 들 수 있다.
또한, 상기 방열부를 구성하는 그라파이트층이 베이스부에 접하는 경우에는, 상기 종래 공지의 층 대신에 하기와 동일한 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 층을 이용하는 것이 접착성, 방열성 등의 면에서 바람직하다.
또한, 나사 조임, 클립 조임 등의 방법으로 상기 방열부를 베이스부에 접하도록 배치해도 된다.
발열체
상기 히트 싱크 1이 접하는 발열체로서는 특별히 제한되지는 않지만, 전자 디바이스(구체적으로는 IC(집적 회로), 저항기, 콘덴서 등), 배터리, 액정 디스플레이, 발광 소자(LED 소자, 레이저 발광 소자 등), 모터, 센서 등을 들 수 있다.
히트 싱크 2
상기 히트 싱크 2는 발열체로부터 열을 방열하기 위해 이용되고, 바람직하게는 전자 회로 기판 상에 배치된 발열체로부터 열을 방열하기 위해 이용되며, 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층(A)을 개재하여 적층한 적층체를 포함하고, 상기 발열체를 덮도록 배치되는 것을 특징으로 한다. 이러한 히트 싱크 2는 발열체로부터의 열을 효율적으로 방열할 수 있고, 또한 발열체로서 전자파를 발생하는 발열체를 이용하는 경우에는 상기 전자파를 차폐할 수도 있다.
상기 히트 싱크 2에서 이용되는 적층체로서는, 상기 히트 싱크 1의 방열부에서 예시한 적층체와 동일한 적층체를 들 수 있다. 또한, 상기 히트 싱크 1의 방열부에서 예시한 적층체와 마찬가지로, 금속층, 접착층(A), 그라파이트층 이외의 다른 층 등을 포함하고 있어도 된다.
상기 히트 싱크 2를 구성하는 적층체의 두께는 방열성 및 히트 싱크가 이용되는 용도를 고려하여 적절히 선택하면 되는데, 통상적으로는 0.01∼0.5mm, 바람직하게는 0.02∼0.2mm이다.
상기 히트 싱크 2의 형상은 발열체를 덮는 형상이면 특별히 제한되지 않지만, 전자 회로 기판 및 발열체에 접하고, 또한 발열체를 덮는 형상인 것이 방열성 및 전자파 차폐성 등의 측면에서 보다 바람직하며, 이러한 히트 싱크로서 도 13에 나타낸 히트 싱크를 들 수 있다.
또한, 상기 히트 싱크 2의 발열체와 접하지 않는 쪽의 면의 형상을 표면적이 커지는 형상, 예를 들어 침봉 형상이나 주름 형상으로 함으로써 방열성을 향상시킬 수 있으나, 이용되는 용도 등을 고려하면 히트 싱크 2의 발열체와 접하지 않는 쪽의 면의 형상은 통상적으로 대략 평탄한 형상이다.
상기 히트 싱크 2는 전자 회로 기판 및 발열체에 접하여 이용되는 것이 바람직하지만, 이 경우에는 히트 싱크 2는 직접 전자 회로 기판이나 발열체에 접해도 되고, 접착제층 등의 종래 공지의 층(a)를 개재하여 발열체에 접해도 된다.
이와 같은 종래 공지의 층으로서는 히트 싱크 2와 전자 회로 기판이나 발열체가 일체가 되도록 접착할 수 있는 층인 것이 바람직하며, 또한 전자 회로 기판이나 발열체로부터의 열을 효율적으로 방열부에 전달할 수 있는 층인 것이 보다 바람직하다.
이러한 층으로는, 상기 히트 싱크 1에서 설명한 접착제층 등의 종래 공지의 층(a)와 동일한 층 등을 들 수 있다.
또한, 상기 히트 싱크 2를 구성하는 그라파이트층이 전자 회로 기판이나 발열체에 접하는 경우에는, 상기 종래 공지의 층 대신에 하기와 동일한 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 층을 이용하는 것이 접착성, 방열성 등의 면에서 바람직하다.
또한, 나사 조임, 클립 조임 등의 방법으로 상기 히트 싱크 2를 전자 회로 기판이나 발열체에 접하도록 배치해도 된다. 필요에 따라 도전성의 접착제나 저융점 땜납, 나사 등으로 히트 싱크 2와 전자 회로 기판의 전기의 도통을 확보할 수 있다.
발열체
상기 히트 싱크 2가 접하는 발열체로서는, 특별히 제한되지는 않지만, 구체적으로는 IC(집적 회로), 저항기, 콘덴서 등을 들 수 있다.
전자 회로 기판
상기 전자 회로 기판으로서는, 특별히 제한되지는 않고, 종래 공지의 프린트 기판 등이면 되는데, 동박 성분이 많은 고열전도 기판이면 더욱 높은 방열 효과를 기대할 수 있다.
적층체
이하, 상기 적층체를 구성하는 각 층 등에 대하여 설명한다.
1. 접착층(A)
상기 접착층(A)은 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되면 특별히 제한은 없다. 상기 조성물(이하, "접착층 형성용 조성물"이라고도 한다.)은 실질적으로 폴리비닐아세탈 수지만으로 이루어지는 조성물이어도 되고, 상기 수지 외에 금속층의 종류 등에 따라 본 발명의 효과를 해치지 않는 범위에서 추가로 열전도성 필러, 첨가제 및 용제를 포함하는 조성물이어도 된다.
이러한 접착층(A)을 이용함으로써 금속층과 그라파이트층의 접착 강도가 우수하고, 절곡 가능하며, 인성, 유연성, 내열성 및 내충격성이 우수한 방열부나 히트 싱크를 얻을 수 있다.
1-1. 폴리비닐아세탈 수지
상기 폴리비닐아세탈 수지는 특별히 제한되지 않지만, 인성, 내열성 및 내충격성이 우수하고, 두께가 얇아도 금속층이나 그라파이트층과의 밀착성이 우수한 접착층(A)이 얻어지는 등의 측면에서 하기의 구성 단위 A, B 및 C를 포함하는 수지인 것이 바람직하다.
[화학식 5]
Figure pct00005
구성 단위 A
상기 구성 단위 A는 아세탈 부위를 갖는 구성단위로서, 예를 들면 연속하는 폴리비닐알콜 사슬 단위와 알데히드(R-CHO)와의 반응에 의해 형성될 수 있다.
상기 구성 단위 A에서의 R은 독립적으로 수소 또는 알킬이다. 상기 R이 부피가 큰 기(예를 들면, 탄소수가 많은 탄화수소기)이면, 폴리비닐아세탈 수지의 연화점이 저하되는 경향이 있다. 또한, 상기 R이 부피가 큰 기인 폴리비닐아세탈 수지는 용매로의 용해성은 높지만, 한편으로 내약품성이 뒤떨어지는 경우가 있다. 그 때문에 상기 R은 수소 또는 탄소수 1∼5의 알킬인 것이 바람직하고, 얻어지는 접착층(A)의 인성 등의 면에서 수소 또는 탄소수 1∼3의 알킬인 것이 보다 바람직하고, 수소 또는 프로필인 것이 더욱 바람직하며, 내열성 등의 면에서 수소인 것이 특히 바람직하다.
[화학식 6]
Figure pct00006
구성 단위 B
[화학식 7]
Figure pct00007
구성 단위 C
상기 폴리비닐아세탈 수지는 상기 구성 단위 A 내지 C에 덧붙여서, 하기의 구성 단위 D를 포함하는 것이 금속층이나 그라파이트층과의 접착강도가 우수한 접착층(A)을 얻을 수 있는 점 등에서 바람직하다.
[화학식 8]
Figure pct00008
구성 단위 D
상기 구성 단위 D 중에서 R1은 독립적으로 수소 또는 탄소수 1∼5의 알킬이고, 바람직하게는 수소 또는 탄소수 1∼3의 알킬이며, 보다 바람직하게는 수소이다.
상기 폴리비닐아세탈 수지에서의 구성 단위 A, B, C 및 D의 총 함유율은 상기 수지의 전체 구성 단위에 대하여 80∼100몰(mol)%인 것이 바람직하다. 폴리비닐아세탈 수지에 포함될 수 있는 그 밖의 구성 단위로서는 상기 구성 단위 A 이외의 비닐아세탈 사슬 단위(상기 구성 단위 A에서의 R이 수소 또는 알킬 이외인 구성 단위), 하기의 분자간 아세탈 단위 및 하기의 헤미아세탈 단위 등을 들 수 있다. 상기 구성 단위 A 이외의 비닐아세탈 사슬 단위의 함유율은 폴리비닐아세탈 수지의 전체 구성 단위에 대하여 5몰% 미만인 것이 바람직하다.
[화학식 9]
Figure pct00009
.......분자간 아세탈 단위
(상기 분자간 아세탈 단위 중의 R은 상기 구성 단위 A 중의 R과 같은 의미이다.)
[화학식 10]
Figure pct00010
......헤미아세탈 단위
(상기 헤미아세탈 단위 중의 R은 상기 구성 단위 A 중의 R과 같은 의미이다.)
상기 폴리비닐아세탈 수지에 있어서, 구성 단위 A 내지 D는 규칙성을 갖고 배열(블록 공중합체, 교호 공중합체 등)되어 있어도 되고, 랜덤하게 배열(랜덤 공중합체)되어 있어도 되지만, 랜덤하게 배열되어 있는 것이 바람직하다.
상기 폴리비닐아세탈 수지에서의 각 구성 단위는 상기 수지의 전체 구성 단위에 대하여 구성 단위 A의 함유율이 49.9∼80몰%이고, 구성 단위 B의 함유율이 0.1∼49.9몰%이며, 구성 단위 C의 함유율이 0.1∼49.9몰%이고, 구성 단위 D의 함유율이 0∼49.9몰%인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 폴리비닐아세탈 수지의 전체 구성 단위에 대하여 상기 구성 단위 A의 함유율이 49.9∼80몰%이고, 상기 구성 단위 B의 함유율이 1∼30몰%이며, 상기 구성 단위 C의 함유율이 1∼30몰%이고, 상기 구성 단위 D의 함유율이 0∼30몰%이다.
내약품성, 가요성, 내마모성 및 기계적 강도가 우수한 폴리비닐아세탈 수지를 얻는 점 등에서 상기 구성 단위 A의 함유율은 49.9몰% 이상인 것이 바람직하다.
상기 구성 단위 B의 함유율이 0.1몰% 이상이면, 폴리비닐아세탈 수지의 용매에 대한 용해성이 좋아지기 때문에 바람직하다. 또한, 상기 구성 단위 B의 함유율이 49.9몰% 이하이면, 폴리비닐아세탈 수지의 내약품성, 가요성, 내마모성 및 기계적 강도가 쉽게 저하되지 않기 때문에 바람직하다.
상기 구성 단위 C는 폴리비닐아세탈 수지의 용매에 대한 용해성이나 얻어지는 접착층(A)의 금속층이나 그라파이트층과의 접착성 등의 측면에서 함유율이 49.9몰% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 폴리비닐아세탈 수지의 제조에 있어서, 폴리비닐알콜 사슬을 아세탈화할 때, 상기 구성 단위 B와 상기 구성 단위 C가 평형 관계가 되기 때문에 상기 구성 단위 C의 함유율은 0.1몰% 이상인 것이 바람직하다.
금속층이나 그라파이트층과의 접착 강도가 우수한 접착층(A)을 얻을 수 있는 점 등에서 상기 구성 단위 D의 함유율은 상술한 범위에 있는 것이 바람직하다.
상기 폴리비닐아세탈 수지에서의 상기 구성 단위 A 내지 C의 각각의 함유율은 JIS K 6728 또는 JIS K 6729에 준하여 측정할 수 있다.
상기 폴리비닐아세탈 수지에서의 상기 구성 단위 D의 함유율은 이하에 설명하는 방법으로 측정할 수 있다.
1mol/l 수산화나트륨 수용액 중에서 폴리비닐아세탈 수지를 2시간 동안 80℃에서 가온한다. 이러한 조작에 의해 카복실기에 나트륨이 부가하여 -COONa를 갖는 폴리머가 얻어진다. 상기 폴리머로부터 과잉의 수산화나트륨을 추출한 후, 탈수 건조한다. 그 후, 탄화시켜서 원자 흡광 분석을 수행하고, 나트륨의 부가량을 구하여 정량한다.
또한, 구성 단위 B(비닐아세테이트 사슬)의 함유율을 분석할 때에, 구성 단위 D는 비닐아세테이트 사슬로서 정량되기 때문에 상기 JIS K 6728 또는 JIS K 6729에 준하여 측정된 상기 구성 단위 B의 함유율로부터 정량한 상기 구성 단위 D의 함유율을 빼고, 상기 구성 단위 B의 함유율을 보정한다.
상기 폴리비닐 아세탈 수지의 중량 평균 분자량은 5000∼300000인 것이 바람직하고, 10000∼150000인 것이 보다 바람직하다. 중량 평균 분자량이 상술한 범위에 있는 폴리비닐아세탈 수지를 이용하면, 방열부나 히트 싱크를 용이하게 제조할 수 있고, 성형 가공성이나 구부림 강도가 우수한 방열부나 히트 싱크가 얻어지기 때문에 바람직하다.
상기 폴리비닐아세탈 수지의 중량 평균 분자량은 원하는 목적에 따라 적절히 선택하면 되는데, 방열부나 히트 싱크를 제조할 때의 온도를 낮게 억제할 수 있고, 높은 열전도율을 갖는 히트 싱크를 얻을 수 있는 점 등에서 10000∼40000인 것이 보다 바람직하며, 내열 온도가 높은 것이나 히트 싱크를 얻을 수 있는 점 등에서 50000∼150000인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서, 폴리비닐아세탈 수지의 중량 평균 분자량은 게르파미에이션 크로마토그래피(GPC)에 의해 측정할 수 있다. 구체적인 측정 조건은 이하와 같다.
검출기: 830-RI(닛폰분코우(주) 제품)
오븐: 니시오샤 제품 NFL-700M
분리 칼럼: Shodex KF-805L×2개
펌프: PU-980(닛폰분코우(주) 제품)
온도: 30℃
캐리어: 테트라히드로푸란
표준 시료: 폴리스틸렌
상기 폴리비닐아세탈 수지의 오스트발드 점도는 1∼100mPaㆍs인 것이 바람직하다. 오스트발드 점도가 상술한 범위에 있는 폴리비닐아세탈 수지를 이용하면, 방열부나 히트 싱크를 용이하게 제조할 수 있고, 인성이 우수한 방열부나 히트 싱크가 얻어지기 때문에 바람직하다.
오스트발드 점도는 폴리비닐아세탈 수지 5g을 디클로로에탄 100ml에 용해한 용액을 이용하고, 20℃에서, 오스트발트-캐논 펜스케 비스코미터(Ostwald-Cannon Fenske Viscometer)를 이용하여 측정할 수 있다.
상기 폴리비닐아세탈 수지로는, 구체적으로는 폴리비닐부티랄, 폴리비닐포르말, 폴리비닐아세트아세탈 및 이들의 유도체 등을 들 수 있고, 그라파이트층과의 접착성 및 접착층(A)의 내열성 등의 면에서 폴리비닐포르말이 바람직하다.
상기 폴리비닐아세탈 수지로는, 상기 수지를 단독으로 이용해도 되고, 구성단위의 종류, 결합의 순서나 결합의 수 등이 다른 수지를 2종 이상 병용해도 된다.
상기 폴리비닐아세탈 수지는 합성하여 얻어도 되고, 시판품이어도 된다.
상기 구성 단위 A, B 및 C를 포함하는 수지의 합성 방법은 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어, 일본 공개 특허 공보 특개2009-298833호에 기재된 방법을 들 수 있다. 또한, 상기 구성 단위 A, B, C 및 D를 포함하는 수지의 합성 방법은 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어 일본 공개 특허 공보 특개2010-202862호에 기재된 방법을 들 수 있다.
상기 폴리비닐아세탈 수지의 시판품으로서는, 폴리비닐포르말로서 비니렉 C, 비니렉 K(JNC(주) 제품) 등을 들 수 있고, 폴리비닐부티랄로서 덴카부티랄 3000-K(덴키가가쿠고교(주) 제품) 등을 들 수 있다.
1-2. 열전도성 필러
상기 접착층(A)이 열전도성 필러를 포함함으로써 접착층(A)의 열전도성이 향상되며, 특히 상기 적층체의 적층 방향으로의 열전도성이 향상된다.
열전도성 필러를 포함하는 접착층(A)을 이용함으로써 접착층(A)의 두께가 얇고, 방열 특성 및 가공성이 우수하며, 금속층과 그라파이트층과의 접착 강도가 높고, (절곡)가공성이 우수한 방열부나 히트 싱크를 제공할 수 있다. 또한, 발열체로부터 발열되는 열이 충분히 제거되고, 경량화, 소형화 가능한 전자 디바이스나 고에너지 밀도라도 발열에 의한 트러블 등이 억제된 배터리 등을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 "적층체의 적층 방향"이란, 예를 들어, 도 1에서 종 방향, 즉 적층체(1)의 금속층(2), 접착층(A)(3), 그라파이트층(4)이 적층된 방향을 말한다. 구체적으로는, 금속층(2)에서 접착층(A)(3), 그라파이트층(4)으로 향하는 방향, 또는 그라파이트층(4)에서 접착층(A)(3), 금속층(2)으로 향하는 방향을 말한다.
상기 열전도성 필러로서는 특별히 제한되지는 않지만, 금속 분말, 금속 산화물 분말, 금속 질화물 분말, 금속 수산화물 분말, 금속 산질화물 분말 및 금속 탄화물 분말 등의 금속 또는 금속 화합물 함유 필러 및 탄소 재료를 포함하는 필러 등을 들 수 있다.
상기 금속 분말로는 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈 등의 금속 및 이들 금속을 함유하는 합금으로 이루어지는 분말 등을 들 수 있다. 상기 금속 산화물 분말로는 산화알루미늄 분말, 산화아연 분말, 산화마그네슘 분말, 산화규소 분말, 규산염 분말 등을 들 수 있다. 상기 금속 질화물 분말로는 질화알루미늄 분말, 질화붕소 분말, 질화규소 분말 등을 들 수 있다. 상기 금속 수산화물 분말로는 수산화알루미늄 분말, 수산화마그네슘 분말 등을 들 수 있다. 상기 금속 산질화물로는 산화질화알루미늄 분말 등을 들 수 있고, 상기 금속 탄화물 분말로는 탄화규소 분말, 탄화텅스텐 분말 등을 들 수 있다.
이들 중에서도 열전도성 및 입수 용이성 등의 측면에서 질화알루미늄 분말, 산화알루미늄 분말, 산화아연 분말, 산화마그네슘 분말, 탄화규소 분말 및 탄화텅스텐 분말이 바람직하다.
또한, 상기 열전도성 필러로서 금속 또는 금속 화합물 함유 필러를 이용하는 경우에는 상기 금속층을 구성하는 금속과 동종의 금속을 함유하는 필러를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 열전도성 필러로서 상기 금속층을 구성하는 금속과 다른 금속 또는 금속 화합물 함유 필러를 이용하면 금속층과 필러 사이에 국부 전지가 구성되고, 금속층 또는 필러가 부식되는 경우가 있다.
상기 금속 또는 금속 화합물 함유 필러의 형상으로서는, 특별히 제한되지는 않지만, 입자 형상(구 형상, 타원구 형상을 포함한다), 편평한 형상, 기둥 형상, 바늘 형상(테트라포트 형상, 나뭇가지 형상을 포함한다) 및 부정 형상 등을 들 수 있다. 이들 형상은 레이저 회절/산란식 입자 직경 분포 측정 장치나 SEM(주사형 전자 현미경)을 이용하여 확인할 수 있다.
상기 금속 또는 금속 화합물 함유 필러로서는, 질화알루미늄 분말, 산화알루미늄 분말 및 바늘 형상(특히 테트라포트 형상)의 산화아연 분말을 이용하는 것이 바람직하다.
산화아연은 질화알루미늄에 비해 열전도율은 낮지만, 테트라포트 형상의 산화아연 분말을 이용하면 입자 형상의 산화아연 분말을 이용하는 경우보다 방열 특성이 우수한 방열부나 히트 싱크가 얻어진다. 또한, 테트라포트 형상의 산화아연 분말을 이용함으로써 앵커 효과에 의해 상기 금속층과 그라파이트층과의 층간 박리의 발생을 저감할 수 있다.
또한, 산화알루미늄은 질화알루미늄이나 산화아연에 비해 열전도율은 낮지만, 화학적으로 안정하고, 물이나 산에 의해 반응하거나 물이나 산에 용해되지 않으므로 높은 내후성을 갖는 방열부나 히트 싱크를 얻을 수 있다.
상기 금속 또는 금속 화합물 함유 필러로서 질화알루미늄 분말을 이용하면 방열 특성이 보다 우수한 방열부나 히트 싱크를 얻을 수 있다.
상기 금속 또는 금속 화합물 함유 필러의 1차 입자의 평균 직경은 형성하고 싶은 방열부나 히트 싱크의 크기, 접착층(A)의 두께 등에 따라 적절히 선택하면 되지만, 상기 접착층(A)의 상기 적층체의 적층 방향으로의 열전도성 등의 면에서 바람직하게는 0.001∼30㎛이고, 보다 바람직하게는 0.01∼20㎛이다. 금속 또는 금속 화합물 함유 필러의 평균 직경은 레이저 회절/산란식 입자 직경 분포 측정 장치나 SEM(주사형 전자 현미경) 등을 이용하여 확인할 수 있다.
또한, 금속 또는 금속 화합물 함유 필러의 평균 직경이란 상기 필러가 입자 형상인 경우에는 입자의 직경(타원구 형상인 경우는 장축의 길이)을 말하며, 상기 필러가 편평한 형상인 경우에는 가장 긴 변을 말하고, 상기 필러가 기둥 형상인 경우에는 원의 직경(타원의 장축) 또는 기둥의 길이 중 긴 쪽을 말하며, 상기 필러가 바늘 형상인 경우는 바늘의 길이를 말한다.
상기 탄소 재료를 포함하는 필러로서는 그라파이트 분말(천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 케첸블랙), 카본 나노튜브, 다이아몬드 분말, 탄소 섬유 및 플러렌 등을 들 수 있고, 이들 중에서도 열전도성이 우수한 점 등에서 그라파이트 분말, 카본 나노튜브 및 다이아몬드 분말이 바람직하다.
상기 탄소 재료를 포함하는 필러의 1차 입자의 평균 직경은 형성하고 싶은 방열부나 히트 싱크의 크기, 접착층(A)의 두께 등에 따라 적절히 선택하면 되는데, 상기 접착층(A)의 상기 적층체의 적층 방향으로의 열전도성 등의 면에서 바람직하게는 0.001∼20㎛이고, 보다 바람직하게는 0.002∼10㎛이다. 탄소 재료로 이루어지는 필러의 평균 직경은 레이저 회절/산란식 입자 직경 분포 측정 장치나 SEM(주사형 전자 현미경) 등을 이용하여 확인할 수 있다.
또한, 카본 나노튜브나 탄소 섬유의 평균 직경이란 튜브나 섬유의 길이를 말한다.
상기 열전도성 필러는 평균 직경이나 형상이 원하는 범위에 있는 시판품을 그대로 이용해도 되고, 평균 직경이나 형상이 원하는 범위가 되도록 시판품을 분쇄, 분급, 가열한 것 등을 이용해도 된다.
또한, 상기 열전도성 필러의 평균 직경이나 형상은 방열부나 히트 싱크의 제조 과정에서 변화되는 경우가 있으나, 상기 접착층 형성용 조성물에 상기 평균 직경이나 형상을 갖는 필러를 배합하면 된다.
상기 열전도성 필러로는, 분산 처리, 방수 처리 등의 표면 처리된 시판품을 그대로 이용해도 되고, 상기 시판품으로부터 표면 처리제를 제거한 것을 이용해도 된다. 또한, 표면 처리되지 않은 시판품을 표면 처리하여 이용해도 된다.
특히 질화알루미늄 및 산화마그네슘은 공기 중의 수분에 의해 열화되기 쉬우므로 방수 처리된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 열전도성 필러로서는 상술한 필러를 단독으로 이용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
상기 열전도성 필러의 배합량은 접착층(A) 100체적%에 대하여, 바람직하게는 1∼80체적%, 보다 바람직하게는 2∼40체적%, 더욱 바람직하게는 2∼30체적%이다.
상기 열전도성 필러가 접착층(A) 중에 상기 양으로 포함되어 있으면 접착성을 유지하면서 접착층(A)의 열전도성이 향상되기 때문에 바람직하다.
상기 열전도성 필러의 배합량이 전술한 범위의 상한 이하이면 금속층이나 그라파이트층에 대한 접착 강도가 높은 접착층(A)가 얻어지고, 상기 열전도성 필러의 배합량이 전술한 범위의 하한 이상이면 열전도성이 높은 접착층(A)가 얻어지기 때문에 바람직하다.
1-3. 첨가제
상기 첨가제로는, 본 발명의 효과를 해치지 않는 한 특별히 제한되지는 않지만, 산화 방지제, 실란 커플링제, 에폭시 수지 등의 열결화성 수지, 경화제, 동해 방지제(銅害 防止劑), 금속 불활성화제, 방청제, 점착성 부여제, 노화 방지제, 소포제, 대전 방지제, 내후제 등을 들 수 있다.
예를 들면, 접착층(A)을 형성하는 수지가 금속과의 접촉에 의해 열화되는 경우에는 일본 공개 특허 공보 특개평5-48265호에 나타난 바와 같은 동해 방지제 또는 금속 불활성화제의 첨가가 바람직하고, 열전도성 필러와 폴리비닐아세탈 수지와의 밀착성을 향상시키려면 실란 커플링제의 첨가가 바람직하며, 접착층(A)의 내열성(유리 전이온도)을 향상시키려면 에폭시 수지의 첨가가 바람직하다.
상기 실란 커플링제로는 JNC(주) 제품의 실란 커플링제(상품명 S330, S510, S520, S530)가 바람직하다.
상기 실란 커플링제의 첨가량은 접착층(A)의 금속층과의 밀착성을 향상시킬 수 있는 등의 측면에서 접착층(A)에 포함되는 수지의 총량 100중량부에 대하여 바람직하게는 1∼10중량부이다.
상기 에폭시 수지로서는 미츠비시카가쿠(주) 제품, jER828, jER827, jER806, jER807, jER4004P, jER152, jER154; (주)다이셀 제품, 세로키사이드2021P, 세로키사이드3000; 신닛테츠스미킨카가쿠(주) 제품, YH-434; 닛폰카야쿠(주) 제품, EPPN-201, EOCN-102S, EOCN-103S, EOCN-104S, EOCN-1020, EOCN-1025, EOCN-1027, DPPN-503, DPPN-502H, DPPN-501H, NC6000 및 EPPN-202; (주)아데카(ADEKA) 제품, DD-503; 신닛폰리카(주) 제품, 리카레진W-100 등이 바람직하다.
상기 에폭시 수지의 첨가량은 접착층(A)의 유리 전이온도를 높게 하는 등의 측면에서 접착층(A)에 포함되는 수지의 총량 100중량%에 대하여 바람직하게는 1∼49중량%이다.
상기 에폭시 수지를 첨가할 때에는 추가로 경화제를 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 경화제로서는 아미노계 경화제, 페놀계 경화제, 페놀노볼락계 경화제, 이마다졸계 경화제 등이 바람직하다.
상기 접착층(A)을 구성하는 폴리비닐아세탈 수지는 이전부터 에나멜선 등에 사용되고 있고, 금속과 접촉함으로써 열화되거나 금속을 열화시키기 어려운 수지이기는 하지만, 히트 싱크를 고온 다습 환경에서 사용하는 경우 등에서는 동해 방지제나 금속 불활성화제를 첨가해도 된다. 상기 동해 방지제로서는 (주)아데카 제품, 마르크(Mark) ZS-27, 마르크 CDA-16; 산코카가쿠고교(주) 제품, 산코-에포클린(SANKO-EPOCLEAN); 바스프(BASF)사 제품, 이르가녹스(Irganox) MD1024 등이 바람직하다.
상기 동해 방지제의 첨가량은 접착층(A)의 금속과 접촉하는 부분의 수지의 열화를 방지할 수 있는 점 등에서 접착층(A)에 포함되는 수지의 총량 100중량부에 대하여 바람직하게는 0.1∼3중량부이다.
1-4. 용제
상기 용제로는 상기 폴리비닐아세탈 수지를 용해할 수 있는 것이면 특별히 제한되지는 않지만, 열전도성 필러를 분산시킬 수 있는 것이 바람직하고, 메탄올, 에탄올, n-프로판올, 이소(iso)-프로판올, n-부탄올, 이차(sec)-부탄올, n-옥탄올, 디아세톤 알콜, 벤질 알콜 등의 알콜계 용매; 메틸셀로솔브, 에틸셀로솔브, 부틸셀로솔브 등의 셀로솔브계 용매; 아세톤, 메틸에틸케톤, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 이소포론 등의 케톤계 용매; N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디메틸포름아미드, 1-메틸-2-피롤리돈 등의 아미드계 용매; 초산메틸, 초산에틸 등의 에스테르계 용매; 디옥산, 테트라히드로푸란 등의 에테르계 용매; 디클로로메탄, 메틸렌클로라이드, 클로로포름 등의 염소화 탄화수소계 용매; 톨루엔, 피리딘 등의 방향족계 용매; 디메틸술폭시드; 초산; 테르피네올; 부틸카르비톨; 부틸카르비톨아세테이트 등을 들 수 있다.
이들 용제들은 단독으로 이용해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다.
상기 용제는 접착층 형성용 조성물 중의 수지 농도가 바람직하게는 3∼30질량%, 보다 바람직하게는 5∼20질량%가 되는 양으로 이용하는 것이 방열부나 히트 싱크의 제조 용이성 및 방열 특성 등의 측면에서 바람직하다.
1-5. 접착층(A)
상기 접착층(A)의 두께는 특별히 제한되지는 않고, 상기 금속층과 그라파이트층을 접착할 수 있을 만큼의 두께를 가지면, 열저항을 저감할 수 있는 점 등에서 가능한 한 얇은 쪽이 바람직하고, 보다 바람직하게는 30㎛ 이하이며, 더욱 바람직하게는 10㎛ 이하이고, 특히 바람직하게는 4㎛ 이하이다.
상기 방열부나 히트 싱크는 접착층(A)이 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되기 때문에 상기 접착층(A)의 두께가 1㎛ 이하의 두께라도 금속층과 그라파이트층을 접착할 수 있다.
또한, 상기 접착층(A)의 두께란 1층의 접착층(A)의 한쪽 면에 접하는 금속층 또는 그라파이트층과, 상기 접착층(A)의 금속층 또는 그라파이트층이 접한 면과 반대의 면에 접하는, 금속층 또는 그라파이트층과의 사이의 두께를 말한다. 다만, 도 2나 도 3에 나타내는 바와 같은 그라파이트층을 이용하는 경우라도 금속층 및/또는 그라파이트층 간의 두께를 말하고, 상기 그라파이트층의 구멍이나 슬릿부에 충진될 수 있는 접착층(A)의 두께는 포함되지 않는다.
또한, 상기 접착층(A)에 포함될 수 있는 열전도성 필러는 그라파이트층에 꽂혀 있는 경우 등이 있으나, 이 경우라도 접착층(A)의 두께는 그라파이트층에 꽂힌 필러 부분을 고려하지 않고, 금속층 및/또는 그라파이트층 간의 두께를 말한다.
2. 금속층
상기 금속층은 히트 싱크의 열용량, 기계적 강도 및 가공성의 향상 등을 위해 적층된다.
상기 금속층으로는 열전도성이 우수한 금속을 포함하는 층인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 금, 은, 구리, 알루미늄, 니켈 및 이들의 적어도 어느 하나의 금속을 함유하는 합금을 포함하는 층을 들 수 있고, 더욱 바람직하게는 은, 구리, 알루미늄, 니켈 및 이들의 적어도 어느 하나의 금속을 함유하는 합금을 포함하는 층을 들 수 있으며, 특히 바람직하게는 구리, 알루미늄 및 이들의 적어도 어느 하나의 금속을 함유하는 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1종의 금속을 포함하는 층을 들 수 있다.
상기 합금은 고용체, 공정 또는 금속간 화합물 중에서 어떤 상태여도 된다.
상기 합금으로는 구체적으로는 인청동, 구리니켈, 듀랄민 등을 들 수 있다.
상기 금속층의 두께는 특별히 제한되지는 않고, 얻어지는 히트 싱크의 용도, 중량, 열전도성 등을 고려하여 적절히 선택하면 되는데, 바람직하게는 그라파이트층의 0.01∼100배의 두께, 더욱 바람직하게는 0.1∼10배의 두께이다. 금속층의 두께가 전술한 범위에 있으면 방열 특성, 기계적 강도가 우수한 방열부나 히트 싱크를 얻을 수 있다.
3. 그라파이트층
상기 그라파이트층은 큰 열전도율을 가지며, 가볍고 유연성이 풍부하다. 이러한 그라파이트층을 이용함으로써 방열 특성이 우수하고, 경량인 방열부나 히트 싱크를 얻을 수 있다.
상기 그라파이트층은 그라파이트로 이루어지는 층이면 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어 일본 공개 특허 공보 특개소61-275117호 및 일본 공개 특허 공보 특개평11-21117호에 기재된 방법으로 제조한 것을 이용해도 되고, 시판품을 이용해도 된다.
시판품으로는 합성수지 시트로 제조된 인공 그라파이트 시트로서, 이그라프 스프레더실드(eGRAF SPREADERSHIELD) SS-1500(그라프테크 인터내셔널(GrafTECH International) 제품), 그라피니티((주)카네카 제품), PGS 그라파이트 시트(파나소닉(주) 제품) 등을 들 수 있고, 천연 그라파이트로 제조된 천연 그라파이트 시트로는 이그라프 스프레더실드 SS-500(그라프테크 인터내셔널 제품) 등을 들 수 있다.
상기 그라파이트층에서 상기 적층체의 적층 방향에 대하여 대략 수직인 방향의 열전도율이 바람직하게는 250∼2000W/mㆍK이며, 보다 바람직하게는 500∼2000W/mㆍK이다. 그라파이트층의 열전도율이 전술한 범위에 있음으로써 방열성, 균열성이 우수한 방열부나 히트 싱크를 얻을 수 있다.
상기 그라파이트층의 적층체의 적층 방향에 대하여 대략 수직인 방향의 열전도율은 레이저 플래쉬 또는 크세논 플래쉬 열확산율 측정 장치, 시차 주사 열량 측정(DSC) 및 아르키메데스법으로 각각 열확산율, 비열, 밀도를 측정하고, 이들을 곱하여 측정할 수 있다.
상기 그라파이트층의 두께는 특별히 제한되지는 않고, 방열 특성이 우수한 방열부나 히트 싱크를 얻기 위해서는 두꺼운 층인 것이 바람직하지만, 보다 바람직하게는 15∼600㎛이고, 더욱 바람직하게는 15∼500㎛이며, 특히 바람직하게는 20∼300㎛이다.
4. 수지층
상기 방열부나 히트 싱크는 방열성, 산화 방지나 의장성 향상을 위해 상기 적층체의 최외층의 어느 한쪽 또는 양쪽에 수지층을 가지고 있어도 된다.
상기 수지층은 수지를 포함하는 층이면 특별히 제한되지는 않지만, 상기 수지로는, 예를 들어 도료로서 널리 사용되고 있는 아크릴 수지, 에폭시 수지, 알키드 수지, 우레탄 수지, 폴리이미드, 니트로셀룰로우즈를 들 수 있고, 이들 중에서도 내열성이 있는 수지가 바람직하다.
상기 수지를 포함하는 도료의 시판품으로는 내열 도료(오키츠모(주) 제품: 내열 도료 원터치) 등을 들 수 있다.
상기 수지층은 상기 적층체 표면으로부터의 원적외선의 방사에 의한 방열 능력을 부여하기 위해 상기 열전도성 필러나 원적외선 방사율이 높은 필러를 포함하고 있어도 된다.
상기 원적외선 방사율이 높은 필러로는 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어 코디에라이트, 뮬라이트 등의 광물; 질화붕소, 질화알루미늄 등의 질화물; 실리카, 알루미나, 산화아연, 산화마그네슘 등의 산화물; 탄화규소; 및 흑연으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 필러인 것이 바람직하다.
상기 수지층에 이용되는 수지의 종류는 히트 싱트가 사용되는 온도, 수지층을 형성할 때의 방법이나 온도에 따라 적절히 선택하면 된다.
또한, 상기 수지층에 이용되는 필러의 종류는 히트 싱크가 사용되는 용도에 따라 열전도율이 높은 필러 및/또는 원적외선 방사율이 높은 필러를 적절히 선택하면 된다.
상기 수지층은 금속층이나 그라파이트층 상에 직접 형성되어도 되고, 상기 접착층(A)을 개재하여 금속층이나 그라파이트층 상에 형성되어도 된다.
또한, 상기 방열부를 종래 공지의 층을 개재하여 베이스부에 접촉시키거나 상기 히트 싱크 2를 종래 공지의 층을 개재하여 전자 회로 기판이나 발열체에 접촉시키는 경우에는, 상기 접촉부에 열전도 글리스나 열전도성 양면 테이프를 부착시킬 필요가 있기 때문에 상기 접촉부에는 상기 수지층은 없는 편이 바람직하다.
5. 적층체의 제조 방법
상기 적층체는 상기 접착층 형성용 조성물을 상기 금속층을 형성하는 금속판 또는 그라파이트층을 형성하는 그라파이트판에 도포하고, 필요에 따라 예비 건조한 후, 금속판과 그라파이트판을 상기 조성물을 끼우도록 배치하여 압력을 걸면서 가열함으로써 제조할 수 있다. 또한, 상기 적층체를 제조할 때에는 금속판과 그라파이트판의 양쪽에 상기 접착층 형성용 조성물을 도포하는 것이 금속층 및 그라파이트층의 접착 강도가 높은 방열부나 히트 싱트가 얻어지는 점 등에서 바람직하다.
상기 접착층 형성용 조성물을 도포하기 전에는 금속층 및 그라파이트층의 접착 강도가 높은 방열부나 히트 싱크를 얻는 점 등에서, 금속층은 표면의 산화층을 제거하거나 표면을 탈지 세정해 두는 것이 바람직하고, 그라파이트층은 산소 플라즈마 장치나 강산 처리 등에 의해 표면을 이접착 처리해 두는 것이 바람직하다.
상기 접착층 형성용 조성물을 금속판 또는 그라파이트판에 도포하는 방법으로서는 특별히 제한되지는 않지만, 조성물을 균일하게 코팅할 수 있는 습식 코팅법을 이용하는 것이 바람직하다. 습식 코팅법들 중에서 막 두께가 얇은 접착층(A)을 형성하는 경우에는 간편하고 균질한 막을 성막할 수 있는 스핀 코트법이 바람직하다. 생산성을 중시하는 경우에는 그라비아 코트법, 다이 코트법, 바 코트법, 리버스 코트법, 롤 코트법, 슬릿 코트법, 스프레이 코트법, 키스 코트법, 리버스키스 코트법, 에어나이프 코트법, 카텐 코트법, 로드 코트법 등이 바람직하다.
상기 예비 건조는 특별히 제한되지는 않고, 실온에서 1∼7일간 정도 정치함으로써 행해도 되지만, 핫 플레이트나 건조로 등으로 80∼120℃ 정도의 온도에서 1분∼10분간 정도 가열하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 예비 건조는 대기 중에서 수행하면 되지만, 소망에 따라 질소나 희가스 등의 비활성 가스 분위기 하에서 수행해도 되고, 감압하에서 수행해도 된다. 특히, 높은 온도에서 단시간에 건조하는 경우에는 비활성 가스 분위기 하에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 압력을 걸면서 가열하는 방법은 특별히 제한되지는 않지만, 압력은 바람직하게는 0.1∼30MPa이고, 가열 온도는 바람직하게는 200∼250℃이며, 가열 가압시간은 바람직하게는 1분∼1시간이다. 또한, 가열은 대기 중에서 수행하면 되지만, 소망에 따라 질소나 희가스 등의 비활성 가스 분위기 하에서 수행해도 되고, 감압 하에서 수행해도 된다. 특히, 높은 온도에서 단시간에 가열하는 경우에는 비활성 가스 분위기 하에서 또는 감압 하에서 수행하는 것이 바람직하다.
최외층의 어느 한쪽 또는 양쪽에 수지층을 갖는 적층체는, 상기 적층체의 최외층인 금속층이나 그라파이트층의 어느 한쪽 또는 양쪽에 수지를 포함하는 도료를 도포하고, 필요에 의해 건조시키며, 그 후 상기 도료를 경화시킴으로써 제조해도 된다. 또한, 미리 수지제 필름을 형성하고, 상기 적층체의 최외층인 금속층이나 그라파이트층의 어느 한쪽 또는 양쪽에 상기 접착층 형성용 조성물이나 종래 공지의 접착제를 도포하고, 필요에 의해 예비 건조한 후, 상기 도포면에 수지제 필름을 접촉시키고, 필요에 의해 압력을 걸거나 가열하는 등의 방법으로 제조할 수도 있다.
실시예
이하에서 본 발명을 실시예들을 이용하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예들에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들에 이용된 재료는 다음과 같다.
그라파이트 시트
ㆍ그라파이트 시트(인공 그라파이트): 그라프테크 인터내셔널(GrafTECH International) 제품, SS-1500(상품명), 두께 25㎛(시트의 면방향의 열전도율: 1500W/mㆍK)
ㆍ그라파이트 시트(천연 그라파이트): 그라프테크 인터내셔널 제품, SS-500(상품명), 두께 76㎛(시트의 면방향의 열전도율: 500W/mㆍK)
금속판
ㆍ동판: (주)니라코 제품, 두께 0.05mm
ㆍ전해 동박: 후루가와덴키고교(주), 0.012mm
ㆍ알루미늄판: (주)니라코 제품, 두께 0.125mm
ㆍ알루미늄판: (주)니라코 제품, 두께 0.10mm
ㆍ경질 알루미늄박: 스미케이아루미하쿠(주) 제품, 두께 0.020mm
ㆍ마그네슘 합금(AZ31)판: 오사카후지고교(주) 제품, 두께 1.2mm
폴리비닐아세탈 수지
ㆍ"PVF-K":폴리비닐포르말 수지, JNC(주) 제품, 비니렉 K(상품명)
상기 "PVF-K"의 구조 등을 하기 표 1에 기재한다.
분자량
(Mw)
[-]		 구성 단위
A
[mol%]		 구성 단위
B
[mol%]		 구성 단위
C
[mol%]		 구성 단위
D
[mol%]
PVF-K 45,000 75.7 11.5 12.9 -
양면 점착테이프
ㆍ닛토덴코(주) 제품, TR-5310F, 두께 0.100mm
ㆍ니치에이카코우(주) 제품, NeoFix10, 두께 0.010mm
실시예 1
히트 싱크의 제작
200ml의 3구 플라스크에 시클로펜타논을 80g 넣고, 불소수지제의 교반 날개를 상부로부터 세트하고, 모터로 교반 날개를 회전시켰다. 회전수는 용액의 점도에 따라 적절히 조절하였다. 이러한 플라스크에 유리제의 깔때기를 이용하여 폴리비닐포르말 수지(PVF-K)를 10g 투입하였다. 깔때기에 부착된 PVF-K를 20g의 시클로펜타논으로 씻어낸 후, 깔때기를 분리하고, 유리 마개를 하였다. 얻어진 용액을 80℃로 설정한 워터 바스에서 4시간 교반하면서 가열하고, PVF-K를 시클로펜타논에 완전히 용해시켰다. 교반 후의 플라스크를 워터 바스로부터 분리하고, 접착층 형성용 조성물을 얻었다.
이러한 접착층 형성용 조성물을 크기 300mm×50mm, 두께 0.012mm 전해 동박에 얻어진 접착 도막의 두께가 2㎛가 되도록 스핀 코터(미카사(주) 제품: 1H-D3형)를 이용하여 1500회전/분으로 도포 후, 80℃로 설정한 핫 플레이트 상에서 80℃에서 3분간 예비 건조하고, 접착 도막이 있는 동박을 얻었다.
이러한 접착 도막이 있는 동박 2매에서, 접착 도막을 내측으로 하여 크기 300mm×50mm이고, 두께 0.025mm인 인공 그라파이트 시크를 끼워넣고, 소형 가열 프레스(이모토세이사쿠쇼 제품: IMC-19EC형 소형 가열 수동 프레스)의 열판 위에 정치하였다. 2매의 그라파이트 시트가 어긋나지 않도록 주의하면서 가압과 감압을 수회 반복함으로써, 접착 도막을 탈기한 후, 6MPa가 될 때까지 가압하였다. 그 후, 가열 히터에 의해 240℃까지 열판을 가열하고, 5분간 온도와 압력을 유지하였다. 5분 경과 후, 압력은 유지한 채 가열 히터의 전원을 끄고, 약 50℃가 될 때까지 자연 냉각하였다. 냉각 후, 압력을 풀고, 적층체를 얻었다. 또한, 적층체 전체의 두께로부터 2매의 금속박의 두께와 그라파이트 시트의 두께를 뺀 값의 1/2을 접착층의 두께로 하였다. 적층체의 두께는 (주)니콘 제품, 디지마이크로MF-501 + 카운터TC-101로 측정하였다.
얻어진 적층체로부터 시아 커터를 사용하여 250mm×50mm 및 50mm×50mm 크기의 2개의 적층체로 잘라내었다. 크기 250mm×50mm의 적층체를 길이가 약 50mm가 되도록 절곡하고 싶은 부위를 직경 5mm의 동파이프에 감아 붙이도록 하여 구부림 가공하고, 주름 형상의 방열부를 제작하였다. 이어서, 크기 50mm×50mm의 적층체(베이스부)의 한쪽 면에 양면 테이프(NeoFix10)를 부착하고, 여기에 도 5에 나타내는 바와 같이 상기 방열부를 부착함으로써 히트 싱크를 얻었다. 얻어진 히트 싱크의 중량을 표 2에 나타낸다.
방열 특성의 평가
실시예 1에서 얻어진 히트 싱크에서의 베이스부의 방열부를 장착하지 않은 쪽의 면의 중심에 크기 10mm×10mm의 열전도성 양면 테이프(TR-5310F)를 부착하고, 그 테이프를 부착한 부분에 TO220 패키지의 트랜지스터((주)도시바 제품: 2SD2013)를 맞붙였다. 트랜지스터의 히트 싱크를 맞붙인 면의 이면에는 K 열전쌍(리카고교(주) 제품 ST-50)이 장착되어 있고, 온도 데이터로거(그래프테크(주) 제품 GL220)를 이용하여 퍼스널컴퓨터로 트랜지스터의 히트 싱크가 맞붙여진 면과 반대측의 면의 온도를 기록할 수 있다. 이러한 열전쌍을 장착한 트랜지스터를 40℃로 설정한 항온조 중앙에 정치하고, 트랜지스터의 온도가 40℃에서 일정하게 된 것을 확인한 후, 트랜지스터에 직류 안정화 전원을 이용하여 1.5V를 인가하고, 표면의 온도 변화를 측정하였다. 이때, 트랜지스터에 흐르는 전류는 약 1.5A를 나타내고 있었다. 트랜지스터는 동일한 와트수가 인가되어 있으면 일정한 열량을 발생하고 있으므로 장착하고 있는 히트 싱크의 방열 효과가 높을수록 온도는 저하된다. 즉, 트랜지스터의 온도가 낮아지는 히트 싱크일수록 방열 효과가 높다고 말할 수 있다.
전원 인가 후 1800초 후의 트랜지스터의 온도를 측정하였다.
실시예 2
직경 5mm의 동파이프를 5mm각의 동의 각재로 변경하고, 도 4에 나타내는 바와 같이 절곡 부분을 コ 형상으로 한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 히트 싱크를 제작하고, 방열 특성을 평가하였다.
비교예 1 및 비교예 2
상기 적층체 대신에 두께 0.05mm의 동판을 사용한 점 이외에는 실시예 1 및 실시예 2와 동일한 방법으로 각각 히트 싱크를 제작하고, 각각 비교예 1 및 비교예 2라고 하였다. 이러한 비교예들에 대하여 실시예 1과 동일한 방법으로 방열 특성을 평가하였다.
실시예 1과 2 및 비교예 1과 2의 중량과 전압 인가 후 1800초 후의 트랜지스터의 온도를 표 2에 나타낸다.
1800초 후의 트랜지스터의 온도(℃) 중량(g)
실시예 1 71.8 5.3
실시예 2 67.7 4.1
비교예 1 76.1 7.8
비교예 2 78.8 6.6
실시예 1과 비교예 1을 비교하면, 실시예 1의 히트 싱크는 비교예 1의 히트 싱크보다 2.5g 경량임에도 불구하고, 트랜지스터의 온도가 4.3℃ 저하되어 있었다. 또한, 실시예 2와 비교예 2를 비교하면 실시예 2의 히트 싱크는 비교예 2의 히트 싱크보다 2.5g 경량임에도 불구하고, 트랜지스터의 온도가 11.1℃ 저하되어 있었다.
실시예 1과 실시예 2를 비교하면, 실시예 1의 히트 싱크는 방열부와 베이스부가 선으로밖에 접촉하고 있지 않지만, 실시예 2의 히트 싱크는 방열부의 베이스부에 접하는 쪽의 표면적의 약 10%가 베이스부와 접하고 있기 때문에 베이스부의 열이 효율적으로 방열부로 전해져서 실시예 2의 히트 싱크를 이용한 경우가 방열 효과가 높다고 생각된다. 실제로, 측정 후에 실시예 1의 히트 싱크의 방열부와 베이스부를 벗겨서 양면 테이프를 관찰한 바, 방열부의 면적의 2% 정도밖에 접촉하고 있지 않았다. 또한, 비교예 1과 2를 비교하면, 방열부와 베이스부의 접촉 면적이 넓은 비교예 2가 온도가 높아졌다. 이는 구리의 점성 때문에 10㎛ 두께의 점착 테이프에서는 방열부와 베이스부가 충분히 밀착되지 않았기 때문이라고 생각된다. 그에 비해서 실시예 2에 나타낸 본 발명의 히트 싱크에서는 베이스부에 대한 방열부의 추종성이 높고, 즉 얇은 양면 테이프로도 밀착성이 좋게 조립 가능한 것을 나타내고 있다. 또한, 0.050mm 두께의 동일한 인공 그라파이트 시트만으로 방열부를 작성하고자 시도했으나, 형상을 유지할 수 없어 히트 싱크를 제작할 수는 없었다.
실시예 3과 실시예 4 및 비교예 3과 비교예 4
실시예 1과 2 및 비교예 1과 2에서 얻어진 히트 싱크의 방열부의 베이스부와 접하는 쪽과는 반대측 최외층에 각각 내열 도료(오키츠모(주) 제품: 내열 도료 원터치)를 도막의 두께가 20㎛가 되도록 스프레이 도장하고, 건조시켰다. 각각 실시예 3과 4 및 비교예 3과 4로 하였다. 얻어진 히트 싱크를 이용하여 실시예 1과 동일한 조건에서 방열 특성을 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.
1800초 후의 트랜지스터 온도(℃)
실시예 3 66.7
실시예 4 61.6
비교예 3 72.5
비교예 4 72.8
표 2와 표 3의 결과를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 금속 표면을 도장하고, 금속 표면의 적외선 반사율을 낮춤으로써, 도장에 의해 약 6℃의 온도 저하가 인정되어, 보다 방열 효율이 좋은 히트 싱크가 얻어지는 것을 알 수 있다.
실시예 5
실시예 2에 있어서, 동박 및 인공 그라파이트 시트 대신에 크기 100mm×30mm이고, 0.02mm 두께의 알루미늄박과 크기 100mm×30mm이고, 0.076mm 두께의 천연 그라파이트 시트를 이용한 점 이외에는 실시예 2와 마찬가지로 하여 적층체를 작성하고, 이러한 적층체를 길이가 약 30mm가 되도록 실시예 2와 마찬가지로 주름 형상으로 절곡함으로써 방열부를 제작하였다. 이와 같은 방열부를 30mm×30mm×1.2mm의 마그네슘판에 점착 테이프(NeoFix10)를 사용해서 부착하여 히트 싱크를 제작하고, 실시예 2와 마찬가지로 하여 방열 특성을 평가하였다.
비교예 5
실시예 5에 있어서, 적층체 대신에 두께 0.125mm의 알루미늄판을 이용한 점 이외에는 실시예 5와 마찬가지로 하여 히트 싱크를 제작하고 방열 특성을 평가하였다. 실시예 5와 비교예 5의 평가 결과를 표 4에 나타낸다.
1800초 후의 트랜지스터 온도(℃)
실시예 5 69.5
비교예 5 73.7
실시예 5와 비교예 5를 비교하면, 베이스부가 적층체가 아닌 경우도 상기 적층체에서 방열부를 작성함으로써 그라파이트층을 갖지 않는 경우에 비해 방열 특성이 좋은 히트 싱크가 얻어지는 것을 알 수 있다.
실시예 6
실시예 4에서 얻어진 히트 싱크에 도 14에 나타내는 바와 같이 열전쌍을 장착한 트랜지스터(크기: 10mm×17mm)를 10mm×10mm로 커트한 열전도성 양면 테이프(TR-5310F)를 이용하여 장착하였다. 이러한 샘플을 방열부가 위를 향하도록(도 14와 같이), 40℃로 설정한 자연 대류식의 항온조 내에 정치하고, 트랜지스터에 1.3V의 전압을 인가하고, 전압 인가 후 1800초 후의 트랜지스터의 온도를 기록하였다. 또한, 이때에 트랜지스터에 흐르는 전류는 약 1.45V였다.
참고예 6
실시예 2에서 얻어진 방열부만을 이용하고, 그 한쪽 면을 실시예 3과 마찬가지로 내열 도료로 도장한 것을 제작하였다. 이러한 내열 도료 도장면과 반대측에 도 15에 나타내는 바와 같이 열전쌍을 장착한 트랜지스터(크기: 10mm×17mm)를 10mm×10mm로 커트한 열전도성 양면 테이프(TR-5310F)를 이용하여 장착하였다. 이 샘플을 도 15와 같이 40℃로 설정한 자연 대류식의 항온조 내에 정치하고, 트랜지스터에 1.3V의 전압을 인가하고, 전압 인가 후 1800초 후의 트랜지스터의 온도를 기록하였다.
실시예 6에서는 트랜지스터의 온도가 68.7℃였던 것에 대하여, 참고예 6에서는 95.3℃까지 온도가 상승하였다. 따라서, 발열체가 히트 싱크보다 작은 경우에는 베이스부에 의해 한 번 열을 횡 방향(방열부의 주름을 구성하는 산 및 골의 방향과는 대략 수직 방향)으로 확산한 후에 방열부에 상기 열을 전함으로써, 보다 효과적인 방열을 수행할 수 있다고 생각된다.
실시예 7
실시예 1과 마찬가지로 하여 적층체를 형성한 후, 35mm×70mm의 크기로 잘라내었다. 얻어진 적층체를 도 16(도 16의 히트 싱크(110))과 같이 절곡한 후, 유니버설 기판(산하야트(주) 제품 ICB-288GU)의 중앙에 장착한 트랜지스터에 열전도성 양면 테이프(TR-5310F)와 도전성 양면 테이프(오우켄쇼우지(주) 제품)를 이용하여, 도 16에 나타내는 바와 같이 고정함으로써 샘플을 얻었다. 얻어진 샘플을 40℃로 설정한 자연 대류식의 항온조 내에 정치하고, 내부의 온도가 40℃에서 일정하게 된 후, 트랜지스터에 1.2V의 전압을 인가하고, 전압 인가 후 1800초 후의 트랜지스터의 온도를 기록하였다.
비교예 7
실시예 7에 있어서, 적층체 대신에 0.1mm 두께의 알루미늄판을 이용한 점 이외에는 실시예 7과 마찬가지로 하여 샘플을 얻었다. 얻어진 샘플을 이용하여 실시예 7과 마찬가지로 방열 특성을 평가하였다.
실시예 7에 있어서, 1800초 후의 트랜지스터의 온도는 66.9℃였던 것에 대하여, 비교예 7에서는 72.1℃까지 온도가 상승하였다. 따라서, 본 발명의 히트 싱크 2를 이용함으로써 전자 회로 기판 상의 트랜지스터나 반도체 부품 등의 발열체의 온도를 효과적으로 낮추는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 7에서는 전자 회로 기판의 기재로서 1층의 동박이 적층된 유리ㆍ에폭시제의 유니버설 기판을 사용하였으나, 구리의 비율이 보다 높은 다층의 프린트 기판을 이용한 경우, 본 발명의 히트 싱크를 이용하는 효과는 보다 현저하게 되었다. 즉, 실시예 7 및 비교예 7에 있어서, 유니버설 기판 대신에 구리의 함유 비율이 많은 다층 프린트 기판을 이용하는 경우, 실시예의 트랜지스터의 온도는 비교예에 비해 현저하게 저하되었다. 또한, 실시예 7에 있어서, 실시예 3과 같이 히트 싱크의 발열체에 접하는 쪽과는 반대측의 면에 내열 도료 등을 도장함으로써, 보다 트랜지스터의 온도를 낮출 수 있는 것으로 생각된다.
참고예 8
실시예 1과 마찬가지로 하여 적층체(두께 49㎛)를 형성한 후, 50mm×50mm로 잘라내고, 상면에 내열 도료(오키츠모(주) 제품: 내열 도료 원터치)를 30㎛의 두께가 되도록 도포하여 평면 히트 싱크를 얻었다. 얻어진 히트 싱크를 이용하여 상기 히트 싱크에서의 내열 도료 도포면과는 반대측 면의 중심에 트랜지스터를 맞붙이고, 트랜지스터에 인가하는 전압을 1.0V로 변경한 점 이외에는 실시예 1의 "방열 특성의 평가"와 마찬가지로 하여 방열 특성을 평가하였다.
비교예 8
40mm×40mm로 잘라낸 두께 0.012mm 전해 동박 2매에 NeoFix10을 붙임으로써 접착 테이프가 있는 동박을 얻었다. 이어서, 얻어진 점착 테이프가 딸린 동박 2매에서, 점착 테이프를 내측으로 하여 크기 40mm×40mm로 잘라낸 두께 0.025mm의 인공 그라파이트 시트를 공기가 들어가지 않도록 주의하면서 끼워넣고, 비교용 적층체를 제작하였다(두께 69㎛). 이러한 비교용 적층체를 이용한 점 이외에는 참고예 8과 마찬가지로 하여 히트 싱크를 작성하고, 참고예 8과 마찬가지로 하여 방열 특성을 평가하였다.
참고예 8의 트랜지스터의 온도는 67.6℃이며, 비교예 8의 트랜지스터의 온도는 68.2℃였다. 온도차는 0.6℃이며, 그 차는 크다고는 할 수 없지만, 각 히트 싱크에서의 접착층의 두께의 합계는 참고예 8이 20㎛ 얇으므로 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층을 이용함으로써, 적층체의 두께가 29% 얇아도 방열성능이 높은 히트 싱크가 얻어지는 것을 알 수 있다.
1: 적층체
2: 금속층
3: 접착층(A)
4, 4', 4'': 그라파이트층
5: 접착층(A)
6: 금속층
8: 구멍
9: 슬릿
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80: 히트 싱크 1
12, 22, 32, 42, 52, 62, 72, 82: 방열부
23, 33, 43, 53, 63, 83: 접착층 등의 종래 공지의 층(b)
14, 24, 34, 44, 54, 64, 74, 84: 베이스부
25, 35, 55, 65, 75, 85: 접착제층 등의 종래 공지의 층(a)
16, 26, 36, 46, 56, 66, 76, 86: 발열체
90: 히트 싱크 2
95: 접착제층 등의 종래 공지의 층(a)
96: 발열체
97: 전자 회로 기판
100: 실시예 4에서 얻어진 히트 싱크
102: 실시예 2에서 작성한 방열부의 최외부에 내열 도료를 도장한 것
103: 양면 테이프
104: 실시예 1에서 작성한 베이스부
105: 열전도성 양면 테이프
106: 발열체(트랜지스터)
108: 열전쌍
110: 실시예 7에서 얻어진 히트 싱크
115: 열전도성 양면 테이프
116: 발열체(트랜지스터)
117: 전자 회로 기판(유니버설 기판)
119: 도전성 양면 테이프

Claims (6)

  1. 발열체에 접하는 베이스부와 상기 베이스부가 상기 발열체로부터 수용한 열을 방열하는 방열부로 이루어지며,
    상기 베이스부는 적어도 1층의 금속층을 포함하고,
    상기 방열부는 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층을 개재하여 적층한 적층체를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방열부가 주름 형상인 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
  3. 발열체로부터 열을 방열하기 위한 히트 싱크에 있어서,
    상기 히트 싱크는 금속층과 그라파이트층을 폴리비닐아세탈 수지를 포함하는 조성물을 이용하여 형성되는 접착층을 개재하여 적층한 적층체를 포함하고, 상기 발열체를 덮도록 배치되는 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리비닐아세탈 수지가 하기 구성 단위 A, B 및 C를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
    [화학식 1]
    Figure pct00011
    구성 단위 A
    (상기 구성 단위 A 중에서 R은 독립적으로 수소 또는 알킬이다.)
    [화학식 2]
    Figure pct00012
    구성 단위 B
    [화학식 3]
    Figure pct00013
    구성 단위 C
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 폴리비닐아세탈 수지가 하기 구성 단위 D를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
    [화학식 4]
    Figure pct00014
    구성 단위 D
    (상기 구성 단위 D 중에서 R1은 독립적으로 수소 또는 탄소수 1∼5의 알킬이다.)
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접착층의 두께가 30㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
KR1020167011599A 2013-11-12 2014-11-10 히트 싱크 KR20160085253A (ko)

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