KR20210050492A - 열 계면을 위한 내마모성 코팅 - Google Patents

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KR20210050492A
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프라듐나 골리
저스틴 콜베
리드 제이. 체스터필드
파울 에이. 페더센
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헨켈 아이피 앤드 홀딩 게엠베하
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Abstract

제거 가능한 전자 부품을 갖는 시스템은 제거 가능한 전자 부품과 열 싱크 사이의 열 계면으로서 내마모성 열 전도성 필름을 이용한다. 내마모성 필름은 제거 가능한 전자 부품이 호스트 장치 내의 챔버로부터 반복적으로 설치되고 제거될 때 제거 가능한 전자 부품과 열 싱크 사이의 열 임피던스를 감소시킨다. 내마모성 필름은 실리콘-함유 수지 및 무기 미립자 충전제로부터 형성된 중합체를 포함하며, 필름은 또한 열 싱크에서 부식 보호층과 맞물릴 수 있다. 열 임피던스의 증가를 최소화하는 열 싱크를 형성하는 방법이 제공된다.

Description

열 계면을 위한 내마모성 코팅
본 발명은 열-발생 장치와 열 싱크 사이의 열 계면으로서의 열 전도성 필름에 관한 것이다. 본 발명은 보다 특히 열-발생 장치와 열 싱크 사이의 열 임피던스를 감소시켜, 열-발생 장치의 반복된 설치 및 제거를 허용하는 내마모성 열 전도성 필름에 관한 것이다.
전자 시스템은 점점 더 보다 작은 패키지에서 보다 빠른 속도 및 보다 큰 능력에 의존하고 있다. 더욱이, 전자 시스템은 다양하고 교체 가능한 부품과 함께 작동 가능한 모듈형 어레이를 포함하는, 전자 장치의 점점 더 복잡한 어레이를 계속해서 이용한다. 교체 가능한 부품의 예는, 광학 송수신기, 예컨대 모듈형 시스템 내에 설치 및/또는 그로부터 제거될 수 있는 C-형태-인자 플러깅 가능 (CFP) 광학 송수신기, 및 소형 형태-인자 플러깅 가능 (SFP) 광학 송수신기를 포함한다. 그러한 광학 송수신기들은 호스트 장치 또는 시스템으로부터 전력을 제거하지 않고 호스트 장치 또는 시스템으로부터 삽입 및 제거될 수 있다는 점에서 "플러깅 가능"하다. 플러깅 가능 송수신기는 전형적으로 호스트 시스템의 각각의 프레임에 의해 규정된 챔버 또는 포트에서 수용된다.
플러깅 가능 전자 부품에서의 열 축적을 방지하기 위해, 열 방산 장치가 수용 챔버에서 및/또는 그 주변에서 사용되어, 생성된 열을 플러깅 가능 전자 부품으로부터 방산시키는 것을 보조할 수 있다. 전형적인 실시양태에서, 열 방산 장치는 챔버에 설치된 경우 열이 플러깅 가능 전자 부품으로부터 전도 방산될 수 있도록 플러깅 가능 전자 부품과 접촉한다. 전도성 열 전달이 플러깅 가능 전자 부품으로부터 열 방산 장치로 전달되는 효율은 대부분 플러깅 가능 전자 부품과 열 방산 장치 사이의 계면 열 임피던스에 의해 제한된다. 통상적으로, 계면 일부에서의 비-접촉은 열 전달을 방해하여, 전도에 의한 열 전달이 플러깅 가능 전자 장치 및 열 방산 장치의 각각의 표면이 접촉하는 접촉 영역의 부분으로만 제한된다. 종종, 접촉 금속 표면은 고르지 않다. 표면 강성과 조합된 고르지 않은 표면은 표면 사이의 광범위한 물리적 접촉을 방지한다.
금속 표면들 사이의 계면에서 열 임피던스를 감소시키는 하나의 방식은 금속 표면들 중 적어도 하나를, 페이스트, 겔, 필름 등과 같은, 순응적이거나 순응성인 열 계면 물질로 코팅하는 것이다. 이러한 순응성 열 계면 물질은, 플러깅 가능 전자 부품 및 관련 열 방산 장치의 정적 적용에서 효과적이지만, 동적 설정에서 발생하는 마모력, 예컨대 플러깅 가능 전자 부품이 열 방산 장치와 연마 접촉하는 챔버 내로 및 그로부터 반복적으로 슬라이딩되는 경우의 플러깅 가능 전자 부품을 견딜 수 없다. 그 결과, 이러한 순응성 열 계면 물질은 플러깅 가능 전자 부품의 반복된 설치 및 제거로 인해 일정 기간에 걸쳐 붕해되는 경향이 있다. 열 계면 물질의 분해는 플러깅 가능 전자 부품으로부터 열 방산 장치로의 열의 전달에 열 임피던스의 증가를 유발한다.
따라서, 플러깅 가능 전자 부품과 열 방산 장치 사이의 계면에 적용하기 위한 열 계면 물질이 요구되고, 상기 계면 물질은 계면의 열 임피던스를 감소시키도록 충분히 순응성이고, 열 방산 장치와 접촉하는 호스트 장치로부터의 플러깅 가능 전자 부품의 반복된 설치 및 탈-설치를 견디도록 내마모성이다. 이러한 내마모성은 열 계면 물질의 응집, 및 열 계면 물질의 열 방산 장치의 표면과 같은 각각의 표면에의 부착을 모두 포함하는 것이 바람직하다.
챔버, 열 싱크, 및 열 싱크의 열 전달 영역과의 열 접촉을 위해 챔버 내로 제거 가능하게 삽입 가능한 제거 가능한 전자 부품을 규정하는 프레임을 포함하는 시스템이 본원에 개시된다. 열 싱크는 그 사이에 두께를 규정하는 제1 표면과 제2 표면을 갖고 기판 열 임피던스를 가지는 금속 기판; 열 전달 영역을 규정하는 제1 표면 또는 제2 표면 중 적어도 하나의 적어도 일부 상에 배치되고, (1) 규소-함유 수지로부터 형성된 중합체 및 (2) 무기 미립자 충전제를 포함하는 열 전도성 필름 상의 열 전도성 필름을 포함한다. 두께에 걸친 열 전달 영역을 통한 초기 열 임피던스를 통한 초기 열 임피던스는 테이버 (Taber) 마모 시험 전에 규정되고, 금속 기판의 두께에 걸친 열 전달 영역을 통한 마모된 열 임피던스는 테이버 마모 시험의 완료 시에 규정되고, 여기서 마모된 열 임피던스는 초기 열 임피던스보다 약 50 % 초과로 더 크다.
다른 실시양태는 챔버를 규정하는 프레임을 포함하는 호스트 장치, 모듈의 제1 표면으로 전달되는 열을 생성하는 챔버를 통해 호스트 장치에 제거 가능하게 설치 가능한 제거 가능한 모듈, 및 제1 표면으로부터 열을 방산시키기 위해 프레임과 결합된 열 싱크를 포함하는 시스템을 개시한다. 열 싱크는 열 전도성 필름이 적용되어 열 싱크의 열 전달 영역을 규정하는 제2 표면을 포함하고, 여기서 열 전도성 필름은 제1 표면 또는 제2 표면의 적어도 일부 상에 열 싱크의 열 전달 영역을 규정하도록 적용되고, 여기서 열 전도성 필름은 모듈이 장치에 설치된 경우에 제1 표면 또는 제2 표면과 직접 접촉하여 열이 제1 표면으로부터 수용될 수 있게 한다. 시스템은 테이버 마모 시험 전에 열 전달 영역을 통한 초기 열 임피던스, 및 테이버 마모 시험의 완료 시에 열 전달 영역을 통한 마모된 열 임피던스를 나타내며, 마모된 열 임피던스는 초기 열 임피던스보다 약 50 % 이하로 더 크다.
또 다른 실시양태에서, 챔버를 규정하는 프레임을 포함하는 호스트 장치, 챔버를 통해 호스트 장치에 제거 가능하게 설치 가능한, 모듈의 제1 표면으로 전달되는 열을 생성하는 제거 가능한 모듈, 제1 표면으로부터 열을 방산시키기 위해 프레임과 결합된 열 싱크를 포함하는 시스템이 개시된다. 열 싱크는 제2 표면, 및 제1 표면 또는 제2 표면에 적용된 열 전도성 필름을 포함하는 열 싱크를 포함한다. 열 전도성 필름은, 제1 표면으로부터 열이 수용될 수 있도록 모듈이 장치에 설치될 때 제1 표면과 직접 접촉하며, 제2 표면은 부식 보호층을 포함하고, 열 전도성 필름은 부식 보호층과 맞물리는 규소-함유 중합체를 포함한다.
또 다른 실시양태에서 제1 표면을 갖는 금속 기판을 제공하는 단계, 제1 표면을 전환제로 처리하여 부식 보호층을 형성하는 단계, 규소-함유 수지 및 무기 미립자 충전제를 갖는 전구체를 제조하는 단계, 전구체를 부식 보호층 상에 코팅하는 단계 및 계내에서 경화시켜 전구체를 중합시키는 단계를 포함하는 열 싱크를 형성하는 방법이 제공된다. 수지로부터 형성된 규소-함유 중합체는 부식 보호층과 맞물린다.
도 1은 제거 가능한 모듈이 호스트 장치에 설치된 본 발명의 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 2는 제거 가능한 모듈이 호스트 장치에 설치된 본 발명의 시스템의 개략적인 단면도이다.
도 3은 금속 기판을 열 전도성 필름으로 코팅하는 단계의 흐름도를 도시한다.
도 4는 테이버 마모 시험 후 각각의 금속 기판으로부터 필름의 절대 질량 손실을 설명하는 차트이다.
도 5는 테이버 마모 시험 후 각각의 금속 기판으로부터 필름의 상대적 질량 손실을 예시하는 차트이다.
도 6은 테이버 마모 시험 후의 각각의 금속 기판으로부터 필름의 절대 질량 손실을 예시하는 차트이다.
도 7은 테이버 마모 시험 후 각각의 금속 기판으로부터 필름의 상대적 질량 손실을 예시하는 차트이다.
본 발명은 호스트 장치에 설치될 때 호스트 장치와 상호작용하도록 구성된 제거 가능한 전자 부품에 관한 것이다. 제거 가능한 전자 부품은 열 싱크와의 슬라이딩 가능한 맞물림 및 분리를 통해 호스트 장치에 설치되고 그로부터 탈-설치된다. 열 싱크는 전형적으로, 제거 가능한 전자 부품의 설치가 제거 가능한 전자 부품을 열 싱크와 열 접촉하도록 위치시키도록, 호스트 장치의 챔버/저장기에 위치한다. 열 접촉은 제거 가능한 전자 부품과 열 싱크 사이의 열 계면에 의해 확립된다. 열 계면은 본 발명의 열 계면 부재에 의해 적어도 부분적으로 충전된다. 열 계면 부재는 바람직하게는 필름 또는 코팅 형태의 내마모성 및 응집된 본체일 수 있다. 열 계면 부재는 열 싱크의 일부일 수 있거나 또는 열 싱크에 열 커플링될 수 있는 열 전달 표면에 부착될 수 있다. 호스트 장치의 챔버/저장기 내로의 제거 가능한 전자 부품의 설치는 제거 가능한 전자 부품의 열 전달 표면을 그 자체가 열 싱크에 연결되는 열 계면 본체와 열 접촉하도록 위치시킨다.
본원에 사용된 용어 "호스트 장치"는 컴퓨터 또는 컴퓨팅 장치, 네트워크 장치, 신호 송신기, 신호 수신기, 스위치, 데이터 저장 장치, 서브시스템, 인쇄 회로 기판, 집적 회로, 마이크로프로세서 등을 의미하는 것으로 의도된다.
도 1 및 2는 본 발명의 예시적 시스템 (10)의 개략적인 단면도를 도시한다. 호스트 장치 (16)의 챔버 (14) 내에 화살표 (13)를 따라 설치된 것으로 도시된 제거 가능한 모듈 (12)은 도 1에 도시되어 있다. 도 2는 제거 가능한 모듈 (12)이 호스트 장치 (16)에 설치된 시스템 (10)을 도시하고 있다. 제거 가능한 모듈 (12)은 제거 가능한 모듈 (12)에 의해 발생된 열이 전달되는 제1 표면 (12a)을 가질 수 있다. 제거 가능한 모듈 (12)에 의해 생성된 열은 제1 표면 (12a)에 추가하여 제거 가능한 모듈 (12)의 부분으로 전달될 수도 있지만, 이 설명의 목적에서는 열 방산은 제1 표면 (12a)을 통해 호스트 장치 (16)로 유도된다. 제거 가능한 모듈 (12)은 예를 들어 플러깅 가능 광학 송수신기일 수도 있다.
시스템 (10)은 제거 가능한 모듈 (12)로부터 제1 표면 (12a)을 통해 열을 방산시키기 위한 열 싱크 (20)를 포함한다. 열 싱크 (20)는 호스트 장치 (16)의 프레임 (15)과 결합될 수 있다. 열 싱크 (20)는 전형적으로 금속, 금속 합금 등과 같은 고도로 열 전도성인 물질로 구성되고, 제거 가능한 모듈 (12)에 의해 발생된 열을 방산시키기에 효과적인 하나 이상의 열 방산 장치를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 실시양태에서, 열 싱크 (20)는 플레이트 부분 (22), 및 플레이트 부분 (22)으로부터 연장되고 그에 열 커플링된 열 방산 핀 (24)을 포함할 수 있다. 열 방산 핀 (24)은 열 방산 핀 (24)과 접촉하는 냉각 매질 (도시되지 않음), 예컨대 주위 공기로의 열 전달을 증진시키기 위해 증가된 표면적을 제공한다. 열 싱크 (20)는 다양한 열 전도성 물질로 제조될 수 있고, 그의 예는 알루미늄 및 구리를 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 열 싱크 (20)의 플레이트 부분 (22)은 제거 가능한 모듈 (12)로부터 열을 수용하기 위한 열 수용 표면 (26)을 포함한다.
열 전도성 필름 (30)은 바람직하게는 열 전달 영역 "A"를 규정하도록 열 수용 표면 (26)에 적용되고, 여기서 제거 가능한 모듈 (12)로부터의 열은 열 전도성 필름 (30)을 통해 열 싱크 (20)로 가장 효율적으로 전달된다. 이러한 열 전달 영역 "A"는 열 싱크 (20)로의 열 임피던스를 감소시킨다. 열 전달 영역 "A"는 임의의 크기, 바람직하게는 약 0.5 내지 1.5 ㎠, 보다 바람직하게는 약 1.0 ㎠ 일 수 있다.
두께 "T"는 열 수용 표면 (26)과 열 방산 표면 (28) 사이로 규정된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 제거 가능한 모듈 (12)이 도 2에 도시된 바와 같이 설치될 때, 열 싱크 (20) 및 열 전도성 필름 (30)은 모듈(12)의 제1 표면 (12a)과의 접촉을 일으키는 방식으로 프레임 (15)에 장착될 수 있다. 이 접촉은 열 싱크 (20)가 제거 가능한 모듈 (12)에 의해 생성되는 열을 수용하고 열을 적합한 방식으로 방산시키는 것을 허용한다.
모듈 (12)이 호스트 장치 (16)의 챔버 (14) 내에 설치될 때, 열 전도성 필름 (30)은 바람직하게는 모듈 (12)의 제1 표면 (12a)과 직접 접촉하여 열 커플링된다. 따라서 열 전도성 필름 (30)은 모듈 (12)과 열 싱크 (20) 사이의 열 계면에 위치한다. 이러한 방식으로, 모듈 (12)은 열 전도성 필름 (30)을 통해 열 싱크 (20)에 열 커플링된다.
열 전도성 필름 (30)은 제거 가능한 모듈 (12)의 제1 표면 (12a)과 열 수용 표면 (26) 사이의 갭을 채우도록 순응성, 변형 가능 및/또는 가요성이다. 따라서, 열 전도성 필름 (30)은 그렇지 않으면 제거 가능한 모듈 (12)의 제1 표면 (12a)과 열 싱크 (20)의 열 수용 표면 (26) 사이의 열 전달에 상당한 임피던스를 제시할 공극 공간을 채우도록 작용한다. 그 결과로서, 열 전도성 필름 (30)은 제거 가능한 모듈 (12)과 열 방산 표면 (28)/열 방산 핀 (24) 사이의 열 전달 경로의 일부를 형성한다. 열 전달 경로는 제1 표면 (12a)으로부터 열 전도를 통해, 열 전도성 필름 (30)을 통해, 및 열 수용 표면 (26)으로 열을 전달하게 전해진다.
제거 가능한 모듈 (12)과 열 싱크 (20) 사이의 계면에서 공극 공간을 효과적으로 충전하기 위해, 열 전도성 필름 (30)은 바람직하게는 상대적으로 낮은 탄성 모듈러스/영 모듈러스 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 굴곡 모듈러스를 나타낸다. 일부 실시양태에서, 열 전도성 필름 (30)은 ASWTM-D395에 따라 압축 후 약 95 % 초과의 반동을 갖고 약 10 MPa 미만, 보다 바람직하게는 약 1 MPa 미만의 탄성 모듈러스/영 모듈러스를 갖는다. 열 전도성 필름 (30)의 가요성/변형성은 그의 형상 또는 두께에 대한 변화에 의해 조정될 수 있다. 특히 유용한 일부 실시양태에서, 열 전도성 필름 (30)은 약 75 ㎛ 미만, 예를 들어 약 10 내지 50 ㎛의 일반적으로 균일한 두께 ("Tf")로 적용된다.
열 전도성 필름 (30)은 열 전도성이고, 순응성이고, 내마모성이어서, 열 전도성 필름 (30)은, 제거 가능한 모듈 (12)이 호스트 장치 (16)의 챔버 (14)로부터 반복적으로 설치되고 탈-설치되는 상기 기재된 바와 같은 적용에서 내구성이 있다. 제거 가능한 모듈 (12)은 전형적으로 열 전도성 필름 (30)과의 슬라이딩 물리적 접촉으로 설치되고 재설치된다. 따라서, 이러한 반복 설치 및 탈-설치의 결과로서의 열 전도성 필름 (30)의 파괴는 모듈 (12)의 제1 표면 (12a)과 열 싱크 (20)의 열 수용 표면 (26) 사이의 계면에서의 열 임피던스를 상당히 증가시킬 수 있다. 따라서, 열 전도성 필름 (30)은 또한 모듈 (12)과 열 전도성 필름 (30) 사이의 슬라이딩 접촉의 결과로서 마모에 대해 저항성인 것이 중요하다. 일부 실시양태에서, 열 전도성 필름 (30)은 열 전도성 필름 (30)의 두께 Tf를 통해 측정된 열 전도율에 있어서, 적어도 약 0.1 W/m·K, 보다 바람직하게는 적어도 약 0.5 W/m·K의 열 전도율을 나타낼 수 있다.
열 전도성 필름 (30)은 바람직하게는 하나 이상의 중합체-형성 수지 및 하나 이상의 무기 미립자 충전제로부터 형성된다. 일부 실시양태에서, 중합체-형성 수지는 규소-함유 열경화성 수지이다. 열 전도성 필름 (30)에 사용하기 위해 고려되는 예시적인 열경화성 수지 조성물은 에폭시, 아크릴레이트 및 폴리우레탄을 포함한다. 본 발명의 열-결합 필름 (30)에 유용한 중합체-형성 수지의 추가의 예는 그 전문이 본원에 참고로 포함된 미국 특허 5,028,984 및 3,908,040에 기재되어 있다.
예시적 실시양태에서, 가교된 중합체 네트워크는, 메틸히드로실록산-디메틸실록산, 트리메틸실록시 말단 공중합체와 반응된 비닐-말단 폴리디메틸실록산을 사용하는, 2-파트 백금-촉매된, 부가-경화 실리콘 중합체로부터 형성된다.
무기 미립자 충전제가 열 전도성 필름 (30)에 또한 포함된다. 일부 실시양태에서, 무기 미립자 충전제는 산화알루미늄, 다이아몬드, 점토, 알루미노실리케이트, 질화알루미늄, 질화붕소, 산화알루미늄, 질화알루미늄, 산화마그네슘, 산화아연, 탄화규소, 이산화규소, 산화베릴륨, 산화안티모니, 및 그의 조합의 군으로부터 선택된다. 특히 유용한 실시양태에서, 무기 미립자 충전제는 질화알루미늄이다. 또 다른 실시양태에서, 충전제는 탄소 나노튜브, 그래핀, 풀러렌 및 흑연으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
무기 미립자 충전제는 수지 100 부당 약 300 부 (phr) 미만, 보다 바람직하게는 약 150 phr 미만의 농도로 중합체-형성 수지에 첨가될 수 있다. 놀랍게도, 50 phr 이하의 무기 미립자 충전제 농도가 열 전도성 필름 (30)의 내마모성을 향상시키는 이점을 제공한다는 것이 밝혀졌다. 하기에 보다 상세히 기재되는 바와 같이, 열 전도성 필름 (30)에 대한 무기 미립자 충전제 담지량의 감소는 마모 시험 후에 열 전도성 필름의 분해를 감소시키고, 따라서 마모 시험 후에 열 전달 면적 "A"에서 열 임피던스의 증가를 최소화한다. 보다 낮은 미립자 충전제 농도는 금속 기판에 대한 중합체 매트릭스 접착에서의 간섭을 감소시키는 것으로 생각된다. 그 결과, 보다 낮은 미립자 충전제 농도는 향상된 내마모성을 나타내는 "보다 강성인" 가교된 중합체를 허용할 수 있다. 이러한 향상된 내마모성은 열 전도성 필름 (30)에 보다 적은 무기 충전제가 존재함에도 불구하고 마모 시험 후에 보다 낮은 열 임피던스를 유지한다. 중합체 매트릭스 연속성의 내마모성 및 유지는 놀랍게도, 그 자체로 보다 높은 무기 미립자 충전제 농도 수준으로 인해 보다 열 전도성일 수 있는 필름보다, 낮은 열 임피던스를 유지하는데 있어서 보다 잘 수행한다.
일부 실시양태에서, 무기 미립자 충전제는 약 50 ㎛ 미만, 보다 바람직하게는 약 25 ㎛ 미만의 최대 입자 크기를 가질 수 있다. 예시적인 실시양태에서, 무기 미립자 충전제는 약 1 내지 5 ㎛ 사이, 보다 바람직하게는 약 3 ㎛의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
열 전도성 필름 (30)을 포함하는 열 싱크는 플레이트 부분 (22)의 열 수용 표면 (26)에 전구체를 적용하고, 열 수용 표면 (26)에서 전구체를 계내 경화시킴으로써 형성될 수 있다. 유용한 실시양태에서, 플레이트 부분 (22)은 알루미늄 또는 구리 플레이트 부분 (22)의 제1 표면, 예컨대 열 수용 표면 (26)을 갖는 금속 기판을 포함한다. 열 수용 표면 (26)에 금속 코팅을 포함하는 다른 금속 또는 금속 합금이 본 발명에 의해 고려된다. 일부 실시양태에서, 금속 기판의 제1 표면을 전환제로 처리하여 부식 보호층을 형성할 수 있다. 전환제는 6가 크로뮴, 3가 크로뮴, 주석, 산화티타늄, 산화마그네슘, 비-크로뮴 함유 알로딘 및 아연 중 적어도 하나일 수 있다.
금속 기판의 변환 처리된 제1 표면에 적용하기 위한 전구체는 규소-함유 수지 및 무기 미립자 충전제를 포함할 수 있으며, 여기서 규소-함유 수지는 중합체-형성 수지일 수 있다. 이러한 전구체는 75 ㎛ 미만, 바람직하게는 10 내지 50 ㎛ 사이의 두께로 부식 보호층 상에 코팅될 수 있다. 전구체는 스크린 인쇄, 슬롯 코팅, 딥 코팅, 선택적 인쇄, 커튼 코팅, 슬롯 다이 분배 또는 다른 적합한 코팅 기술을 통해 부식 보호층 상에 코팅될 수 있다. 전구체 물질은 액상, 페이스트형, 겔형, 그리스형, 또는 경화 전 상태의 공지된 다른 형태일 수 있다. 한 실시양태에서, 전구체는 1 종 이상의 용매 중의 용액일 수 있다. 코팅된 전구체는 계내에서 적절한 경화 메커니즘에 의해 경화되어 전구체를 중합시킬 수 있고, 여기서 수지로부터 형성된 규소-함유 중합체는 부식 보호층과 맞물린다. 본원에서 사용하기 위해 고려되는 경화 메커니즘은 자외선 조사, 열 방사선, 초음파 처리, 화학적 경화 등을 포함하나, 이에 제한되지는 않는다.
용어 "맞물린다"는 본원에서 문헌["Chemical Adhesion of Silicone Elastomers on Primed Metal Surfaces: A Comprehensive Survey of Open and Patent Literatures", Progress in Organic Coatings, Loic Picard et al., Volume 80 (2015) pages 120-141]에 기술된 바와 같이 적어도 부분적 기계적 맞물림을 포함하는, 규소-함유 중합체와 부식 보호층 사이의 결합을 의미하는 것으로 의도되고, 그의 내용은 본원에 참고로 포함된다. 이러한 결합의 예는 실리콘 엘라스토머를 프라이밍된 금속 표면에 커플링시킨다.
열 전도성 필름 (30)을 포함하는 열 싱크 (20)를 형성하기 위한 예시적 공정은 이제 도 3의 흐름도를 참조하여 기재된다. 목적하는 내마모성을 제공하기 위해, 열 전도성 필름은 금속 열 수용 표면 (26)에 대한 높은 수준의 접착뿐만 아니라 높은 수준의 응집을 나타낸다. 이러한 접착을 돕기 위해, 열 수용 표면 (26)은 중합체 필름과의 향상된 결합을 위해 처리될 수 있다. 금속 표면은 부동태화되어 열 전도성 필름의 중합체와 맞물리도록 또한 작용하는 부식 보호층을 형성할 수 있다. 애노다이징, 크로메이트 전환, 주석 도금, 및 아연 도금을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 금속 표면 처리를 이용하여 금속 표면을 부동태화할 수 있다. 유용한 금속 표면 처리의 예는 미국 미시간주 매디슨 하이츠 소재의 헨켈 코포레이션 (Henkel Corporation)으로부터 상표명 본데라이트 (Bonderite) 또는 알로딘 (Alodine)으로 시판되는 3가 (유형 1) 또는 6가 (유형 2) 크로뮴을 사용하는 크로메이트 전환 코팅이다.
다른 유용한 금속 표면 처리는 헨켈 코포레이션으로부터 상표명 EC2하에 입수 가능하고 미국 특허 출원 공개 번호 2017/0121841에 기재된 바와 같은 전자세라믹 코팅, 뿐만 아니라 미국 특허 번호 6,946,401; 6,361,833; 4,162,947; 및 3,434,943, 및 미국 특허 출원 공개 번호 2010/0038254에 기재된 금속 표면 처리를 포함하고, 이들 각각의 내용 그 전문이 본원에 포함된다.
이어서, 처리된 금속 열 싱크를 2 내지 10 분 동안 초음파처리를 위해 이소프로필 알콜, 아세톤, 알칸, 또는 물과 같은 용매 중에 침지시킨다. 금속 열 싱크를 초음파 조로부터 제거하고, 이온화 에어 건, 예컨대 심코-이온 (Simco-Ion)으로부터 입수 가능한 "탑 건 정전기 제거 건"을 사용하여 건조시켜, 금속 표면으로부터 정전하 및 미립자를 감소시키거나 제거한다.
이온화 공기 건조 단계 후, 금속 열 싱크를 자외선 조사 및 오존화로 처리하여 용매 잔류물, 실리콘 오일, 또는 플럭스를 세정한다.
규소-함유 수지 및 무기 미립자 충전제를 갖는 전구체를 제조하고 상기 기재된 바와 같이 제조된 부식 보호층 상에 분배한다. 전구체는 스크린 인쇄, 또는 다른 저-부피 분배 절차, 예컨대 슬롯 코팅, 침지 코팅 또는 선택적 인쇄에 의해 부동태화된 금속 표면의 부식 보호층에 분배될 수 있다. 이어서, 코팅된 열 싱크를 오븐에서 25-200 ℃에서 1-240분 동안 베이킹하여 전구체를 계내 경화/중합시켰다.
본 발명에 따른 열 전도성 필름 조성물은 임의로 1 종 이상의 유동 첨가제, 접착 촉진제, 레올로지 개질제, 강인화제, 플럭싱제, 반응 속도 제어제 등, 뿐만 아니라 그의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 반응 속도 조절제의 예는 테트라비닐테트라메틸시클로테트라실록산이다. 금속 열 싱크에 대한 필름의 접착을 개선시키기 위한 표면 커플링제/접착 촉진제의 예는 에폭시 관능성 트리메톡시실란, 비닐 관능성 트리메톡시실란, 및 메타크릴레이트 관능성 트리메톡시실란을 포함한다. 티타늄 (iv) 부톡시드를 사용하여 표적 기판에 대한 실란 커플링제의 축합을 촉매화할 수 있다. 강인화제의 예는 헥사메틸디실라잔 처리된 흄드 실리카를 포함할 수 있다.
필름 조성물
하기 조성물은 단지 예시적인 것으로 의도되며, 본 발명의 필름 조성물에 포함될 수 있는 특정 성분을 나타낸다.
실시예 물질 1 (알루미늄 금속 기판의 경우)
Figure pct00001
실시예 물질 2 (구리 금속 기판의 경우)
Figure pct00002
내마모성 시험
본 발명의 열 전도성 필름으로 코팅된 열 싱크를 내마모성 및 열 성능에 대해 시험하였다. 본원에 사용된 "테이버 마모 시험"이라 명명된 시험 방법은 마모에 대한 코팅의 내성을 평가하기 위해 G133, F732, F2025, F2496, 및 D4060의 ASTM 표준으로부터의 개념을 포함한다. 본 발명의 필름의 성공은 호스트 장치를 사용한 반복 설치 및 탈-설치의 과정에 걸친 그의 내마모성에 의존하기 때문에, 테이버 마모 시험은 필름의 성능을 정량적으로 평가하고자 하였다. ASTM F732 및 F2496에 요약된 것과 유사하게, 내마모성의 정량적 척도는 마모 시험 과정에 걸쳐 코팅된 필름 부피의 퍼센트 손실이다. 부피 손실은 ASTM G133 및 D4060과 유사하게, 연마 후 질량 손실을 계산함으로써 중량 측정에 의해 결정될 수 있다. 코팅된 필름의 원래 질량 및 손실 질량은 상이한 밀도를 갖는 코팅의 비교를 허용한다.
왕복 연마기는 테이버 인더스트리즈 (Taber Industries)로부터의 모델 5900 하에 입수 가능하다. 테이버 왕복 연마기에 3M 컴퍼니 (3M Company)로부터의 스카치-브라이트 (Scotch-Brite)® 범용 세정 패드를 연마 표면으로서 장착하였다. 가장 가까운 0.1 mg까지 측정할 수 있는 분석용 저울을 사용하여 로딩된 필름의 질량, 뿐만 아니라 마모 시험 후의 질량 손실을 결정하였다.
절차
필름 질량은 코팅된 기판의 질량과 코팅된 금속 기판의 무부하 중량 사이의 차이를 찾음으로써 결정하였다. 마모될 샘플을 왕복 연마기 상의 고정구에 넣고 제자리에 단단히 유지하였다. 이어서 1 in2의 면적을 갖는 연마 패드를 필름과 접촉하도록 위치시키고, 5 N의 힘을 가하였다. 왕복 연마기를 맞물리게 하고, 목적하는 횟수의 사이클 동안 분당 60 사이클의 속도로 선형으로 왕복시켰다. 본원에서 사용되는 왕복 "사이클"은 필름 표면을 가로지르는 2 번의 통과를 포함하고, 여기서 각 통과는 80 ㎜ 스트로크 길이를 커버한다. 각각의 샘플은 실시예 물질 1 또는 실시예 물질 2의 필름을 도 3을 참조로 하여 기재된 절차 하에 알루미늄 랩에서 1 in x 4 in로 적용하였다.
왕복 사이클의 완료 후, 샘플을 고정구로부터 제거하고, 임의의 느슨한 물질/파편을 35 psi의 압축 공기로 제거하고, 이소프로필 알콜 중에 적신 린트-무함유 와이프로 깨끗하게 닦았다. 이어서, 연마된 샘플을 건조시키고, 칭량하여 필름의 질량 손실을 결정하였다. 왕복 연마기의 400 사이클에 노출될 때 20 % 초과로 손실된 임의의 필름 질량은 필름 내구성의 실패로 간주된다. 각각의 50, 100, 200 및 400 회 통과 후에 샘플을 칭량하였다.
결과
다양한 미립자 충전제 농도에 대해, 실시예 물질 1로 코팅된 알루미늄 기판 샘플에 대해 테이버 마모 시험 기법을 사용하여 실험을 수행하였다. 도 5 내지 8은 25, 50, 150, 또는 250 phr 질화알루미늄 충전제를 혼입한 샘플에 대한 테이버 마모 시험의 결과를 예시한다. 도 5 내지 8은 50 phr 이하의 무기 충전제를 함유하는 필름의 내마모성에 대한 놀라운 이점을 예시한다. 결과는 필름 코팅의 초기 질량에 의해 실시될 수 있는 오로지 절대 질량 손실만이 아니라, 테이버 마모 시험 시의 상대 질량 손실을 설명하는 "상대 질량 손실" 차트를 특히 예시한다.
열 성능 시험
내마모성 및 내구성은 또한 테이버 마모 시험 전 및 후의 열 임피던스를 비교하는 열 성능을 통해 시험하였다. 열 임피던스를 약 1.0 cm2의 면적에 대해 시험 방법 MET BASA# MET-5.4-01-1900-Test 2.1에 따라 시험하였다. 테이버 마모 시험 후 50 % 만큼의 열 임피던스 증가는 실패로 간주되었다.
실시예
하기 샘플을 테이버 마모 시험 후 내마모성 및 열 성능 둘 다에 대해 시험하였다:
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005

Claims (25)

  1. a. 챔버를 규정하는 프레임; 및
    b. 열 싱크를 포함하며,
    열 싱크는
    제1 표면 및 제2 표면 사이의 두께를 규정하며 기판 열 임피던스를 갖는 금속 기판;
    제1 표면 또는 제2 표면 중 적어도 하나의 적어도 일부 상에 배치되어 열 전달 영역을 형성하며, (1) 규소-함유 수지로부터 형성된 중합체 및 (2) 무기 미립자 충전제를 포함하는 열 전도성 필름; 및
    열 싱크의 열 전달 영역과 열 접촉하기 위해 챔버 내로 제거 가능하게 삽입 가능한 전자 부품
    을 포함하고,
    여기서 두께를 가로지르는 열 전달 영역을 통한 초기 열 임피던스는 테이버 마모 시험 전에 정의되고, 금속 기판의 두께를 가로지르는 열 전달 영역을 통한 마모된 열 임피던스는 테이버 마모 시험의 완료 시에 정의되고, 여기서 마모된 열 임피던스는 초기 열 임피던스보다 약 50 % 초과로 더 큰 것인 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 초기 열 임피던스 및 마모된 열 임피던스가 각각 기판 열 임피던스보다 작은 것인 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 마모된 열 임피던스가 약 1.8 ℃/W 미만인 것인 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 무기 미립자 충전제가 필름 중에 약 50 phr 이하의 농도로 존재하는 것인 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 무기 미립자 충전제가 약 50 ㎛ 미만의 최대 입자 크기를 갖는 것인 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 무기 미립자 충전제가 약 3 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 것인 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 무기 미립자 충전제가 산화알루미늄, 산화아연, 산화마그네슘, 질화알루미늄, 질화붕소, 이산화규소, 다이아몬드, 점토, 알루미노실리케이트 및 그의 조합의 군으로부터 선택된 것인 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 기판의 두께가 약 10-100 ㎛인 것인 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 열 전도성 필름이 약 25 ㎛ 미만의 두께를 갖는 것인 시스템.
  10. 챔버를 규정하는 프레임을 포함하는 호스트 장치;
    챔버를 통해 호스트 장치 내에 제거 가능하게 설치 가능하고 모듈의 제1 표면으로 전달되는 열을 생성하는 제거 가능한 모듈;
    제1 표면으로부터 열을 방산시키기 위해 프레임과 결합되고 제2 표면을 포함하는 열 싱크;
    제1 표면 또는 제2 표면의 적어도 일부 상에 열 싱크의 열 전달 영역을 규정하도록 적용되며, 여기서 열 전도성 필름은 모듈이 장치에 설치되는 경우에 제1 표면 또는 제2 표면과 직접 접촉하여 열이 제1 표면으로부터 수용될 수 있게 하는 열 전도성 필름
    을 포함하며,
    테이버 마모 시험 전에 열 전달 영역을 통한 초기 열 임피던스, 및 테이버 마모 시험의 완료 시에 열 전달 영역을 통한 마모된 열 임피던스를 나타내고, 여기서 마모된 열 임피던스는 초기 열 임피던스보다 약 50 % 이하로 더 큰 것인 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 열 전도성 필름이 열 싱크와 제1 표면 사이의 접촉 영역의 열 임피던스를 감소시키는 것인 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 열 전도성 필름이 규소-함유 수지 및 무기 미립자 충전제로부터 형성된 중합체를 포함하는 것인 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 무기 미립자 충전제가 열 전도성 필름 중에 약 50 phr 이하의 농도로 존재하는 것인 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 무기 미립자 충전제가 약 50 ㎛ 미만의 최대 입자 크기를 갖는 것인 시스템.
  15. 제10항에 있어서, 열 전도성 필름의 두께가 약 25 ㎛ 미만인 것인 시스템.
  16. 챔버를 규정하는 프레임을 포함하는 호스트 장치;
    챔버를 통해 호스트 장치 내에 제거 가능하게 설치 가능하고 모듈의 제1 표면으로 전달되는 열을 생성하는 제거 가능한 모듈;
    제1 표면으로부터 열을 방산시키기 위해 프레임과 결합된 열 싱크로서, 여기서 열 싱크는 제2 표면을 포함하고, 열 전도성 필름이 제1 표면 또는 제2 표면에 적용되고, 열 전도성 필름은 모듈이 장치에 설치될 때 열이 제1 표면으로부터 수용될 수 있도록 제1 표면과 직접 접촉하고, 제2 표면은 부식 보호층을 포함하고, 열 전도성 필름은 부식 보호층과 맞물리는 규소-함유 중합체를 포함하는 것인 열 싱크
    를 포함하는 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 부식 보호층이 다공성 산화물 층, 실란 및 메타크릴레이트 중 적어도 하나를 포함하는 것인 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 열 전도성 필름이 무기 미립자 충전제를 포함하고, 규소-함유 중합체가 규소-함유 수지로부터 형성된 것인 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 무기 미립자 충전제가 필름 중에 약 50 phr 이하의 농도로 존재하는 것인 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 열 전도성 필름이 열 싱크와 제1 표면 사이의 접촉 영역의 열 임피던스를 감소시키는 것인 시스템.
  21. 제1 표면을 갖는 금속 기판을 제공하는 단계;
    제1 표면을 전환제로 처리하여 부식 보호층을 형성하는 단계;
    규소-함유 수지 및 무기 미립자 충전제를 갖는 전구체를 제조하는 단계;
    부식 보호층 상에 전구체를 코팅하고 계내에서 경화시켜 전구체를 중합시키는 단계
    를 포함하고,
    여기서 수지로부터 형성된 규소-함유 중합체가 부식 보호층과 서로 맞물리는 것인
    열 싱크를 형성하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 전환제가 6가 크로뮴, 3가 크로뮴, 주석, 산화티타늄, 산화마그네슘, 비-크로뮴 함유 알로딘 및 아연 중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
  23. 제21항에 있어서, 스크린 인쇄, 슬롯 코팅, 딥 코팅, 선택적 인쇄 또는 이들의 조합에 의해 부식 보호층 상에 전구체를 코팅하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 규소-함유 중합체가 약 25 ㎛ 미만의 두께를 갖는 것인 방법.
  25. 제21항에 있어서, 무기 미립자 충전제가 50 phr 이하의 농도로 존재하는 것인 방법.
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