KR20220013367A - 온보드 메모리 마이크로컨트롤러를 위한 분리된 전도/대류 이중 히트 싱크 - Google Patents

온보드 메모리 마이크로컨트롤러를 위한 분리된 전도/대류 이중 히트 싱크 Download PDF

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KR20220013367A
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브랜든 게리
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마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨
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Abstract

히트 싱크는 회로 기판 상에 위치된 시스템 온 칩(SoC)과 접촉하도록 구성된 제 1 평면의 제 1 표면을 갖는 베이스를 포함할 수도 있다. 히트 싱크는 베이스에 연결되며 베이스로부터 연장되는 복수의 열전달 부재를 포함할 수도 있다. 복수의 열전달 부재는 제 1 평면으로부터 제 1 간격을 갖는 제 2 평면에서 종방향 길이를 따라 연장되도록 구성된다. 복수의 열전달 부재는 복수의 열전달 부재들 사이에 제 2 간격을 한정하는 대향하는 내벽을 각각 포함한다. 히트 싱크는 복수의 열전달 부재를 둘러싸는 인클로저를 포함할 수도 있다. 인클로저는 냉각판을 형성하기 위해 히트 싱크의 베이스와 접촉하는 베이스 플레이트를 포함할 수도 있다. 인클로저는 열전달 부재의 길이를 부분적으로 둘러싸서, 인클로저를 통한 교차 방향으로의 기류를 허용한다.

Description

온보드 메모리 마이크로컨트롤러를 위한 분리된 전도/대류 이중 히트 싱크
본 개시는 냉각 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전자 장치용 냉각 시스템에 관한 것이다.
컴퓨터와 같은 전자 장치를 위한 냉각 시스템에는 종종 다양한 구성요소 위로 공기를 이동시켜 그 구성요소에 의해 생성된 열을 제거하는 팬이 포함된다. 팬에 의해 따뜻한 공기를 이동시키는 것의 일환으로서, 한 구성요소에 의해 데워진 공기가 다른 구성요소 위로 통과할 가능성이 있는데, 다른 구성요소 위를 지나는 공기는 "예열될(pre-heated)" 것이다. "예열된" 또는 구성요소 유입 공기 온도를 증가시키는 것은, 상류측 구성요소와 비교할 때 열전달 내부 유동 방정식으로 나타내는 바와 같이 하류측 구성요소의 냉각 능력을 감소시킨다. 따라서, 이러한 문제 중 일부를 해결하기 위해, 컴퓨팅 장치에 의해 생성된 열을 제어하기 위한 개선된 메커니즘이 필요하다.
다음은 하나 이상의 구현예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해 그 구현예에 대한 간략한 요약을 제시한다. 이 요약은 고려된 모든 구현예에 대한 광범위한 개요가 아니며, 모든 구현예의 핵심적인 또는 중요한 요소들을 식별하려는 것도 일부 또는 모든 구현예의 범위를 설명하려는 것도 아니다. 그 목적은 하나 이상의 구현예에 대한 일부 개념을 나중에 제시되는 보다 상세한 설명의 서두로서 단순화된 형태로 제시하는 것이다.
일 태양에서, 본 개시는 히트 싱크를 제공한다. 히트 싱크는 회로 기판 상에 위치된 시스템 온 칩(system on chip; SoC)과 접촉하도록 구성된 제 1 평면의 제 1 표면을 갖는 베이스를 포함할 수도 있다. 히트 싱크는 베이스에 연결되며 베이스로부터 연장되는 복수의 열전달 부재를 포함할 수도 있는데, 복수의 열전달 부재는 제 1 평면으로부터 제 1 간격을 갖는 제 2 평면에서 종방향 길이를 따라 연장되도록 구성되고, 복수의 열전달 부재는 복수의 열전달 부재들 사이에 제 2 간격을 한정하는 대향하는 내벽을 각각 포함한다.
일 태양에서, 히트 싱크는 베이스의 양 측면으로부터 각각 연장되는 복수의 암을 추가로 포함할 수도 있고, 각각의 암은 회로 기판과 부착되도록 구성된 클립을 한정하는 형상을 갖는다.
일 태양에서, 복수의 열전달 부재는 베이스에 근접한 커넥터 부분을 포함하는데, 커넥터 부분은 복수의 열전달 부재의 제 2 평면과 베이스의 제 1 표면의 제 1 평면 사이의 제 1 간격을 한정하는 크기로 형성된다. 커넥터 부분은 변곡점에서 구부러질 수도 있다.
일 태양에서, 베이스의 제 1 표면은 SoC의 대응하는 표면의 제 2 표면적보다 큰 제 1 표면적을 갖는다.
일 태양에서, 히트 싱크는 베이스를 SoC에 부착하도록 구성된 열접착제(thermal adhesive)를 추가로 포함한다.
일 태양에서, 히트 싱크는 복수의 열전달 부재를 적어도 부분적으로 둘러싸는 인클로저(enclosure)를 추가로 포함한다. 인클로저는 베이스의 제 1 표면의 반대편의 제 2 표면에서 베이스와 접촉하는 베이스 플레이트를 포함할 수도 있다. 베이스 플레이트와 베이스는 히트 싱크의 냉각판(cold plate)을 형성할 수도 있다. 인클로저는 복수의 열전달 부재의 제 1 면 상에 위치되며 회로 기판과 대면하도록 구성된 근위 패널(proximal panel), 및 복수의 열전달 부재의 제 2 면 상의 원위 패널(distal panel)을 포함할 수도 있는데, 제 2 면은 제 1 면의 반대편에 있고, 근위 패널 및 원위 패널 둘 모두는 베이스에 인접한 각자의 근단부(near end)로부터 베이스로부터 멀리 있는 각자의 원단부(far end)까지 종방향으로 연장되며, 각자의 원단부는 열전달 부재의 단부에서 개구를 한정한다. 인클로저는 근위 패널과 원위 패널 사이에 하나 이상의 측면 통기구(side vent)를 한정하는 하나 이상의 내부 측벽을 포함할 수도 있다. 열전달 부재는 인클로저보다 더 큰 열전도율을 가질 수도 있다.
일 태양에서, 본 개시는 컴퓨터 시스템을 제공한다. 컴퓨터 시스템은 SoC 및 적어도 하나의 추가 구성요소를 포함하는 인쇄 회로 기판을 포함할 수도 있다. 컴퓨터 시스템은 제 1 평면에서 SoC의 표면에 부착된 베이스를 포함하는 히트 싱크를 포함할 수도 있는데, 히트 싱크는 베이스에 연결되며 베이스로부터 연장되는 복수의 열전달 부재를 추가로 포함하고, 복수의 열전달 부재는 제 1 평면으로부터 제 1 간격을 갖는 제 2 평면에서 종방향 길이를 따라 연장되도록 구성되고, 복수의 열전달 부재는 복수의 열전달 부재들 사이에 제 2 간격을 한정하는 대향하는 내벽을 각각 포함한다.
일 태양에서, 컴퓨터 시스템은 복수의 열전달 부재의 단부로부터 SoC 쪽으로 공기를 이동시키도록 구성된 공기 공급원을 추가로 포함할 수도 있다.
일 태양에서, 인쇄 회로 기판은 메모리 마이크로컨트롤러 카드(memory microcontroller card) 이다.
본 개시의 구현예와 관련된 다른 장점 및 신규 특징은 하기의 설명에서 부분적으로 설명될 것이며, 부분적으로는 하기의 설명을 검토하거나 이를 실행하여 학습하면 해당 기술 분야의 숙련자에게 더 분명해질 것이다.
본 개시의 구체적인 특징, 구현예 및 장점은 하기의 설명, 첨부된 특허청구범위 및 첨부 도면과 관련하여 더 잘 이해될 것이다.
도 l은 시스템 온 칩(SoC)과 같은 발열 구성요소와 접촉하고 회로 기판 상에 장착되는 예시적인 히트 싱크의 우측 상단 사시도이다.
도 2는 도 1의 히트 싱크를 구현예의 우측 하단 사시도이다.
도 3은 도 1의 히트 싱크의 구현예의 평면도이다.
도 4는 도 1의 히트 싱크의 구현예의 저면도이다.
도 5는 도 1의 히트 싱크의 구현예의 정면도이다.
도 6은 도 1의 히트 싱크의 구현예의 좌측면도이다.
도 7은 도 1의 히트 싱크의 구현예의 우측면도이다.
도 8은 도 2의 히트 싱크의 구현예의 좌측의 부분 절개 정면도이다.
도 9는 히트 싱크가 인클로저를 추가로 포함하고 있는 도 1의 히트 싱크의 다른 구현예의 우측 상단 사시도로서, 히트 싱크 주위의 기류를 나타내는 화살표를 포함한다.
도 10은 도 2의 히트 싱크의 우측 부분의 부분 확대 정면도로서, 인클로저 내의 통기구에서 보이며 인클로저의 단부로부터 연장되는 열전달 부재를 포함한다.
도 11은 도 9의 히트 싱크의 구현예의 우측 상단 사시도이다.
도 12는 도 9의 히트 싱크의 구현예의 좌측 상단 사시도이다.
도 13은 도 9의 히트 싱크의 구현예의 우측 하단 사시도이다.
도 14는 도 9의 히트 싱크의 구현예의 평면도이다.
도 15는 도 9의 히트 싱크의 구현예의 저면도이다.
도 16은 도 9의 히트 싱크의 구현예의 정면도이다.
도 17은 도 9의 히트 싱크의 구현예의 좌측면도이다.
도 18은 도 9의 히트 싱크의 구현예의 우측면도이다.
도 19는 도 9의 히트 싱크의 구현예의 좌측의 부분 절개 정면도이다.
도 20은 도 2의 히트 싱크의 구현예의 절개 평면도로서, 열전달 부재를 통한 열전도의 묘사를 포함한다.
도 21은 도 2의 히트 싱크의 구현예의 평면도로서, 인클로저에서의 열전도의 묘사를 포함한다.
첨부 도면과 관련하여 아래에 기술된 상세한 설명은 다양한 구성들에 대한 설명으로서 의도되며, 본 명세서에 설명된 개념이 실시될 수 있는 유일한 구성을 나타낼 의도는 아니다. 상세한 설명에는 다양한 개념에 대한 철저한 이해를 제공하기 위한 목적으로 특정 세부사항들이 포함되어 있다. 그러나, 이들 개념은 이러한 특정 세부사항 없이 실시될 수도 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 어떤 경우에는 그러한 개념을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 공지의 구성요소들이 블록도 형태로 도시된다. 일부 구현예에서, 예들은 본 명세서에 설명된 동작 또는 작업을 수행할 수 있는 하나 이상의 구성요소 및 하나 이상의 방법을 참조하여 도시될 수도 있으며, 여기에서 점선으로 된 구성요소 및/또는 동작/작업은 임의 선택적(optional)일 수도 있다.
마이크로컨트롤러는 더 많은 양의 열을 생성하고 더욱 냉각하기 어려워지고 있다. 또한, 마이크로컨트롤러는 PCI-e(Peripheral Component Interconnect Express) 사양 요건을 충족해야 할 수도 있다. 이러한 컨트롤러는 워크로드 수요가 증가하고 있는 NAND 및 DDR(double data rate) 작업을 담당한다. 기존의 베이스 및 핀(fin) 히트 싱크는 이러한 유형의 아키텍처에 대한 솔루션으로 채용하기에는 너무 크다. 절첩식 히트 싱크는 기존의 히트 싱크의 핀-대-베이스 높이 효율성이 없으며, 예열된 난류로 인해 국부적인 주변 온도가 증가하고, 패키지로부터 전달될 수 있는 에너지의 양이 감소할 수 있다.
본 개시는 베이스 또는 냉각판으로부터 연장되는 나란히 위치된 2개와 같은 복수의 열전달 부재를 포함하는 히트 싱크를 제공하며, 이는 시스템 온 칩(SoC)과 접촉하고 있거나 접촉하도록 구성될 수도 있다. 복수의 열전달 부재는 인쇄 회로 기판 및 그 위의 구성요소들을 포함할 수 있는 패키지의 전부 또는 일부에 걸쳐서 연장될 수도 있다. 복수의 열전달 부재가 인쇄 회로 기판 또는 그 위의 구성요소들과 접촉하지 않도록 복수의 열전달 부재와 패키지 사이에 간격이 있을 수도 있다. 일 구현예에서, 히트 싱크는 복수의 열전달 부재를 둘러싸는 인클로저를 추가로 포함할 수도 있다. 인클로저는 베이스 또는 냉각판, 또는 그의 일부를 형성할 수도 있다. 인클로저는 열전달 부재의 길이의 전부 또는 일부를 둘러쌀 수도 있으며, 인클로저를 통한 기류를 허용하는 개방 단부를 포함할 수도 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 예시적인 히트 싱크(100)는 패키지(132)로부터 열 에너지 또는 열을 제거하기 위해 패키지(132)에 장착될 수 있는 복수의 열전달 부재(110)를 포함한다. 예컨대, 일 구현예에서, 히트 싱크(100)는 패키지(132)와 히트 싱크(100)의 장착을 가능하게 하기 위해 맞물림 암(mating arm)(120) 및/또는 열접착제(122)를 포함할 수도 있다. 패키지(132)는 인쇄 회로 기판(PCB)(134) 및 그 위의 구성요소(136)를 포함할 수도 있다. 시스템 온 칩(SoC)(130)은 열을 생성하고 냉각을 필요로 하는 패키지(132)의 특정 구성요소(136)일 수도 있다. 예컨대, 패키지(132)는 메모리 카드 컨트롤러 SoC를 포함하는 메모리 카드일 수도 있다. SoC(130)는 히트 싱크(100)가 접촉하는 표면(138)을 포함할 수도 있다.
히트 싱크(100)는 패키지(132)의 구성요소(136)(예컨대, SoC(130)) 중 발열체와 접촉하도록 구성된 베이스(112)를 포함할 수도 있다. 베이스(112)는 SoC(130)의 대응하는 접촉면(138)의 표면적보다 더 큰 표면적을 갖는 베이스 표면(118)을 가질 수도 있다. 베이스 표면(118)은 열이 베이스(112)를 통해 히트 싱크(100) 내로 전도될 수 있도록 SoC(130)와 접촉하는 크기로 형성된다. 베이스(112)는 복수의 열전달 부재(110)와 동일한 또는 상이한 재료로 형성될 수도 있다. 베이스(112)를 형성하기에 적합한 재료는 구리 합금 및 알루미늄 합금을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
일부 구현예에서, 열접착제(122)는 SoC(130)와 베이스(112) 사이의 열접촉을 개선하거나 유지하여 전도를 허용하기 위해 SoC(130)와 베이스(112) 사이에 위치될 수도 있다. 열접착제(122)는 에폭시 수지, 페이스트 또는 양면 테이프에 유지된, 금속, 금속 산화물, 실리카 또는 세라믹 미소 구체(ceramic microsphere)와 같은 열전도성 물질을 포함할 수도 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
일 태양에서, 맞물림 암(120)은 베이스(112)의 양 측면으로부터 연장될 수 있으며, 히트 싱크(100)를 인쇄 회로 기판(134)에 고정 또는 연결하는 것을 가능하게 하는 형상을 가질 수도 있다. 예컨대, 일 구현예에서, 각각의 맞물림 암(120)은 인쇄 회로 기판(134)의 에지까지 연장되고, 패키지(132) 상에 히트 싱크(100)를 유지하기 위해 인쇄 회로 기판(134) 주위로 구부러질 수도 있다. 예컨대, 각각의 맞물림 암(120)은 2개의 대략 직각을 포함할 수도 있으며, 각각의 맞물림 암(120)의 대향하는 내부 표면(예컨대, 내부 상단 표면 및 대향하는 내부 바닥 표면) 사이의 높이는 적어도 인쇄 회로 기판(134) 및 SoC(130)의 높이일 수도 있다. 맞물림 암(120)의 형상은 특정 패키지의 치수에 맞춰질 수도 있음을 이해해야 한다.
열전달 부재(110)는 패키지(132)의 길이의 전부 또는 일부를 따라 베이스(112)로부터 종방향으로 연장되는 평면체를 포함할 수도 있다. 예컨대, 열전달 부재(110)는 마지막 구성요소(136)(예컨대, 베이스(112)의 반대편에 있는 인쇄 회로 기판(134)의 단부에 가장 근접함)의 단부까지 또는 베이스(112)의 반대편에 있는 인쇄 회로 기판(134)의 단부까지 연장될 수도 있다.
열전달 부재(110)는 베이스(112)에 근접한 커넥터 부분(124)을 포함하고, 커넥터 부분(124)은 열전달 부재(110)를 베이스(112)에 연결한다. 일 구현예에서, 커넥터 부분(124)은 열전달 부재(110)가 연장되는 평면(142)과 베이스(112)의 표면(144)의 평면 사이의 간격(140)을 한정하는 크기로 형성된다. 간격(140)은 열전달 부재(110)가 상대적으로 낮은 프로파일(low profile)을 유지하면서 구성요소(136)와 간섭하지 않고 연장될 수 있게 하며, 냉각 기류를 허용할 수 있는 간극을 제공한다. 예컨대, 열전달 부재(110)는 약 1mm, 또는 보다 바람직하게는 약 0.5mm의 두께(예컨대, 도 1에서의 수직 두께)를 가질 수 있으며, 이는 낮은 프로파일을 초래한다. 도 1에 도시된 커넥터 부분(124)은 변곡점이 있는 만곡 부재를 형성하지만, 용도에 따라 다른 형상(예컨대, 베이스(112) 및 열전달 부재(110)에 수직인 부재, 각진 부재 등)이 활용될 수도 있다.
열전달 부재(110)는 열전달 부재(110)의 열전달 능력을 증가시키는 간격(114)을 한정하는 대향하는 내벽(126)을 포함할 수도 있다. 예컨대, 내벽(126)은 열전달 표면적을 증가시키고, 간격(114)은 열전달 부재(110) 사이에 기류를 허용할 수도 있다. 예컨대, 일 구현예에서, 간격(114)은 0.2mm 내지 2mm, 바람직하게는 약 0.5mm일 수도 있다. 전도(고체를 통한 열전달)는 하기의 방정식에 의해 주어질 수도 있다.
Q = kA(dT/dX)
여기에서, Q(와트(W))는 전력 또는 열 방산(heat dissipation)을 나타내고; k(W/m-K)는 재료(예컨대, 구리, 히트 파이프 등)의 전도 계수를 나타내고; A(m2)는 면적(두께×폭)을 나타내고; dT(℃)는 전도성 물질의 가장 차가운 부분과 가장 따뜻한 부분 사이의 온도 변화를 나타내고; dX(m)는 이동된 열의 길이를 나타낸다. 따라서, 전도성 물질(금속, 히트 파이프 등)의 폭을 증가시키면 해당 물질을 통한 전도성이 증가할 수 있다. 그러나, 증가하는 표면적은 패키지(132)와 히트 싱크(100) 사이에 포획되는 공기를 증가시킬 것이다.
한편, 대류(공기, 물 또는 기타 매체를 통한 열전달)는 하기의 방정식에 의해 정의된다.
Q = hA(dT)
여기에서, Q(와트(W))는 전력 또는 열 방산을 나타내고; h(W/m2-K)는 공기의 대류 계수(50~200으로 가정함)를 나타내고; dT는 직사각형으로 측정된 패키지의 상단으로의, 열전달 부재(110)의 상단일 수도 있는, 분석되고 있는 표면 및 공기의 온도 변화를 나타낸다. 또한, 넛셀 수(Nusselt number)는 전도 또는 대류를 통해 전달되는 열의 균형을 hL/k로 정의할 수도 있다. 따라서, 간격(114)의 폭은 특정 설계에 대해 전도 및 대류에 의한 냉각을 최적화하도록 조정될 수도 있다.
열전달 부재(110)는 베이스(112)와 동일한 또는 상이한 재료로 형성될 수도 있다. 열전달 부재(110)를 형성하기 위한 적절한 재료는 구리 합금, 알루미늄 합금, 스테인리스강, 구리, 증기 챔버, 히트 파이프 장치, 또는 임의의 열전도성 재료 또는 메커니즘을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 전도성 물질의 열전도율은 금속의 분자 구조의 밀도 및/또는 금속 인클로저에 포함된 내부 유체상에 의해 결정될 수 있다. "분자 구조의 밀도(density of the molecular structure)"는 (예컨대, 열전달 부재(110)가 고체인 경우) 고체 금속 막대 자체를 통해 에너지가 전달되는 고체를 나타낼 수도 있다. "내부 유체상(internal fluid phase)"은 히트 파이프 및 증기 챔버 둘 모두에서 발생하는 2상 증기 프로세스를 나타낸다. 예컨대, 히트 파이프 장치인 경우, 열전달 부재(110)는 액체를 포함하는 밀봉된 튜브일 수도 있다. 베이스(112)로부터의 열은 액체를 증발시키고 단부(116)로 이동하게 할 수 있으며, 여기에서 액체는 응축되어 베이스(112)로 다시 이동한다. 또한, 예컨대, 평면 금속의 형태로, 열전달 부재(110)는 베이스(112)로부터 단부(116)를 향해 열을 전도할 수도 있다. 따라서, 어떤 형태로든 열전달 부재(110)는 베이스(112)로부터 단부(116)로의 열의 전도를 효과적으로 증가시킬 수 있다.
히트 싱크(100)는 베이스(112), 열전달 부재(110) 및/또는 맞물림 암(120)을 포함하는 단일 구성을 가질 수도 있다. 예컨대, 열전도성 재료 블랭크는 베이스(112), 열전달 부재(110) 및 맞물림 암(120)의 에지를 형성하도록 스탬핑될 수도 있다. 특정 히트 파이프 장치 또는 증기 챔버가 열전달 부재(110)로 사용되는 태양에서, 열전달 부재(110)는 베이스(112)에 용접될 수도 있다. 일 구현예에서, 맞물림 암(120)은 전술한 바와 같이 패키지(132) 주위로 만곡되도록 구부러질 수도 있다. 예컨대, 이 경우, 맞물림 암(120)은 패키지(132)에 수직인 방향으로 제 1 변곡점에서 구부러진 후, 패키지(132)를 향하며 패키지(132)와 평행한 방향으로 제 2 변곡점에서 구부러질 수도 있다.
열전달 부재(110)는 국부적인 주변 공기로의 에너지 소산을 증가시키고 냉각 용량을 향상시키도록 베이스(112)와 함께 작용한다. 히트 싱크(100)는 히트 싱크(100)의 낮은 프로파일이 패키지(132)의 형상과 일치하기 때문에 메모리 카드가 다양한 배향(orientation)으로 위치될 수 있게 하며, 높이의 증가는 PCI-e 표준의 범위 내일 수도 있다. 일 태양에서, 히트 싱크(100)는 시뮬레이션에 따라, 기류 임피던스(airflow impedance)에 대한 영향을 최소화하면서 냉각 솔루션에서의 최대 50%의 개선을 제공할 수도 있다. 히트 싱크(100)는 기존의 히트 싱크 및 맞물림 솔루션에서 발생하는 상류측 구성요소로의 잠열 전달을 감소시킬 수도 있다. 예컨대, SoC(130)를 향한 다른 구성요소(136) 위로의 기류를 제한함으로써, 열전달 부재(110)는 구성요소(136)가 베이스(112)와 접촉하는 공기를 예열하는 것을 방지할 수도 있다.
일 구현예에서, 마이크로컨트롤러에 사용되는 히트 싱크(100)는 메모리 카드에 대한 냉각 용량을 증가시킬 수도 있다. 히트 싱크(100)는 기판에 추가된 맞물림 특징부를 필요로 하지 않고 인쇄 회로 기판(PCB)(134)에 맞물릴 수도 있으며, 다양한 히트 파이프 및 증기 챔버 아키텍처로 구성될 수 있다. 히트 싱크(100)는 시스템의 공간적으로 제한된 영역에서 수직 또는 수평 배치로 배향된 메모리 구성요소들을 냉각시킬 수도 있다. 공간적 제약으로 인해, 고전력 메모리 구성요소에는 다른 구성요소(예컨대, CPU)와 동일한 기류 경계층 전개가 제공되지 않는다. 따라서, 메모리 구성요소는 대류 냉각의 감소를 겪는다. 이 설계는 시스템 기류에 영향을 미칠 수 있는 높은 기류 임피던스를 생성하지 않고 패키지(132)에 증가된 전도성 냉각을 제공함으로써 공기의 감소된 냉각 용량을 고려한다. 또한, 이 설계는 메모리 카드 아키텍처 및 PCI-e 요건에 보편적으로 적용할 수 있는 맞물림 기술을 구현한다.
기존의 히트 싱크에 비해 히트 싱크(100)의 몇몇 장점은 히트 싱크(100)가 부피가 크지 않아서 많은 컴퓨터 플랫폼 내의 좁은 공간에 끼워질 수 있다는 점이다. 히트 싱크(100)는 기류 방향에 관계 없이 다수의 구성요소 배향을 허용한다. 다른 장점으로는 콤팩트성(compactness), 더 시원한 주변 공기로 에너지를 보내는 능력, 및 만능 맞물림 아키텍처가 있다.
마지막으로, 다른 히트 싱크 설계는 주변 구성요소에 대한 잠열을 증가시키고 냉각 용량을 감소시키는 하나의 "블록" 유형의 히트 싱크를 장착함으로써 주변 구성요소(136)로부터 열을 결합시킨다. 대조적으로, 히트 싱크(100) 내의, 냉각 기류를 허용하는 간격(114, 150)과 함께 열전달 부재(110)의 상대적으로 얇고 상대적으로 기다란 아키텍처는 더 높은 열유속 구성요소들을 더 낮은 열유속 구성요소들로부터 분리하여, 더 높은 온도의 온보드 패키지에 대한 증가된 전도 및 저전력 온보드 패키지에 대한 최적의 기류를 허용한다.
도 9 내지 도 19를 참조하면, 도 1의 히트 싱크(100)와 유사할 수도 있는 다른 예시적인 히트 싱크(200)는 예시적인 히트 싱크(100)의 열전달 부재(110)와 유사한 복수의 열전달 부재(210) 주위에 인클로저(220)를 추가로 포함한다. 예컨대, 열전달 부재(210)는 열전달 부재(110)와 동일한 방식으로 제조되거나, 동일한 재료 또는 메커니즘으로 형성될 수도 있다. 도 9에서의, 히트 싱크(200) 주위의 우측에서 좌측으로의 기류(226)의 예를 참조하면, 인클로저(220)는 열전달 부재(110)를 격리함으로써 공기가 SoC(130)에 도달하기 전에 공기를 데우는 것을 줄일 수도 있다. 도 1의 히트 싱크(100)와 마찬가지로, PCB(134)와 열전달 부재(210) 사이의 간격(270)은 단면 기류를 허용하고, 히트 싱크(200)가 다양한 배향으로 사용될 수 있게 한다. 열전달 부재(210)는 SoC 맞물림 지점(예컨대, 열전달 부재(210)가 연결되는 베이스(212)가 인클로저(220) 내에 위치되는 냉각판(222))에서 인클로저(220)와 접촉할 수 있지만, 열전달 부재(210)는 기류 영역(224)에 걸쳐서 인클로저(220)로부터 분리될 수도 있다. 즉, 도 10을 추가로 참조하면, 열전달 부재(210)는 기류 영역(224)에 의해 한정된 길이를 따라 간격(242)만큼 인클로저(220)로부터 이격된다. 간격(242)은 인클로저(220)의 원위 패널(232)의 내부 표면(234)과 열전달 부재(210)의 상면(218) 사이뿐만 아니라, 인클로저(220)의 근위 패널(230)의 내부 표면(231)과 열전달 부재(210)의 바닥면(219) 사이에서 한정된다. 열전달 부재(210)의 상하의 간격(242)은 동일할 수도 있고, 또는 상이할 수도 있다.
도 11을 참조하면, 패키지(132)에 대한 근위 방향(250) 및 원위 방향(252)이 도시되어 있다. 예시적인 히트 싱크(200)는 다양한 배향으로 위치될 수 있으므로, 예시적인 히트 싱크(200)가 부착될 패키지와 관련하여 방향이 정의될 수도 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 절대적인 방향(예컨대, 상단, 하단)은 수평으로 배향된 패키지(132) 위에 히트 싱크(100, 200)가 있는 상태의 도 1 및 도 9에 도시된 배향을 나타낸다.
기류 경계 영역(224)의 보다 상세한 도면을 제공하는 도 10을 참조하면, 인클로저(220)는 패키지(132)에 가까운 근위 패널(230) 및 패키지(132)의 반대편에 있는 원위 패널(232)을 포함할 수도 있다. 인클로저(220)는 전면 및 후면 모두에서 근위 패널(230)과 원위 패널(232) 사이에 통기구(238)를 추가로 포함할 수도 있는데, 이 통기구(238)는, 도 2에 도시된 우측에서 좌측으로의 기류(226)와 비교할 때, 공기의 직교류(예컨대, 전면에서 후면으로)가 열전달 부재(210)로 흘러가게 한다. 또한, 통기구(238)는 대류를 개선하기 위해 인클로저(220)의 증가된 표면적을 제공할 수도 있다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 예컨대 좌측에서는 냉각판(222)의 대향하는 내부 표면들에 의해 그리고 근위 패널(230)과 원위 패널(232)의 대향하는 내부 표면들에 의해, 인클로저(220)를 관통하는 개구(236)가 한정된다. 개구(236)는 공기가 인클로저(220)를 통해 그리고 냉각판(222) 위로 흐르게 할 수도 있다.
도 13을 참조하면, 베이스(212)의 접촉면(223)을 볼 수 있다. 도시된 바와 같이, 인클로저(220)의 냉각판(222)은 베이스(212)가 SoC(130)와 접촉하는 직사각형 개구(227)를 한정하는 내벽(225)을 포함하는, 베이스(212) 주위의 상자를 형성할 수도 있다. 따라서, 냉각판(222) 및 베이스(212) 둘 모두가 SoC(130)와 접촉할 수도 있다.
도 19를 참조하면, 냉각판(222)은 베이스(212) 및 베이스(212)로부터 연장되는 열전달 부재(210)에의 연결부를 포함한다. 일 구현예에서, 예컨대, 열전달 부재(210)는 베이스(212)에 근접한 단부에서 커넥터 부분(240), 예컨대 플랜지 또는 굽힘부를 포함하여, 열전달 부재(210)의 제 1 종축(262)을 베이스(212)의 제 2 종축(264)으로부터, 그리고 그에 따라 SoC(130) 표면의 평면으로부터 이격되게 할 수 있으며, 이는 열전달을 향상시킬 수도 있다. 특히, 하나의 예시적인 구현예에서, 커넥터 부분(240)은 아치형 또는 S자형(도시된 바와 같음) 구성, 각진 구성, 법선 방향 구성, 또는 열전달 부재(210)로 하여금 베이스(212)(및 그에 따라 SoC(130))로부터 회로 기판 열전달 부재에 수직인 방향으로 이격되게 하는 한편, 회로 기판의 길이를 따라 회로 기판에 평행하게 베이스(212)로부터 이격되어 연장되게 하는 임의의 다른 구성 또는 형상을 가질 수도 있다.
열전달 부재(210)를 인클로저(220)로부터 분리하는 것은, 인클로저(220)가 패키지(132) 상의 SoC(130)에 대한 열전달 배플(heat transfer baffle) 및 히트 싱크로서 기능하므로, 열전달 부재(210)의 냉각 효율을 개선하고 열 흡수(heat soak)를 감소시키기 위해 인클로저(220)의 상대적인 열 저항을 사용한다. 예컨대, 인클로저(220)는 열전달 부재(210)보다 열전도율이 낮은 구리로 형성될 수도 있다. 인클로저(220)는 열전달 부재(210) 주위에 배치되며 함께 접합(예컨대, 용접)되는 둘 이상의 구성요소(예컨대, 상부 및 하부)로 형성될 수도 있다. 열전달 부재(210)는 오직 베이스(212)에서만 인클로저(220)와 접촉할 수도 있다. 열전달 부재(210)는 비 열전도성 재료 또는 (열전달 부재(210)의 열전도율과 비교할 때) 비교적 낮은 열전도성 재료로 만들어진 스탠드오프(standoff)(260)(도 11)에 의해 인클로저(220) 내에서 구조적으로 지지될 수 있으며, 스탠드오프(260)는 열전달 부재(210)를 인클로저(220)로부터 열적으로 분리시킨다.
전도 공식 Q = keffAeff(Dt/Dx)로부터, 열전달 부재(210)와 인클로저(220)를 포함하는 히트 싱크(200)에서는 유효 전도율(keff)과 유효 면적(Aeff)이 모두 증가한다. 이에 따라, 인클로저(220)는 SoC(130)로부터 일부 열을 전도할 수도 있다. 따라서, 열전달 부재(210)로부터 인클로저(220)를 분리하는 것은 열전달 부재(210)로 하여금 더 차가운 공기 내에 있게 하고 인클로저(220)를 통한 기류를 허용함으로써, 전도로 인한 예열의 문제를 해결한다.
이러한 분리는 열전달 부재(210)를 통한, 그리고 히트 파이프 주변에서의, 기류의 흐름으로의 전도를 허용할 뿐만 아니라, 제 2 히트 싱크(200)의 냉각판(222)을 통한 흐름을 허용한다. 열전달 부재(210)는 열을 SoC(130)로부터 주변 대기로 이동시키기 위해 비교적 높은 열전달률을 갖는 반면에, 인클로저(220)(비교적 낮은 열전달률을 가짐)는 열전달 부재(210)에 의해 발생된 가열 공기의 난류 경계층이 기류 경계 영역(224) 내에 혼합되게 한다.
이 솔루션과 기존의 히트 싱크의 한 가지 차이점은 기존의 핀/베이스 히트 싱크에서는 구성요소를 냉각시키는 예열된 공기가 그 구성요소 자체에 의해 예열되지 않는다는 것이다. 즉, 기존의 핀/베이스 히트 싱크에서는 다른 구성요소들로부터의 예열된 공기가 핀을 통과하여, 그 구성요소를 냉각하는 능력을 감소시킨다. 이와 대조적으로, 예시적인 히트 싱크(100, 200)의 경우, 공기의 임의의 예열은 열전달 부재(110, 210)를 통해 구성요소 자체에 의해 야기되고 그 구성요소의 냉각에 기여한다.
예시적인 히트 싱크(100 및 200)의 한 가지 장점은 이러한 히트 싱크가 히트 싱크의 낮은 프로파일과 공기 흐름에 대한 낮은 임피던스로 인해 제한된 공간에서 다중 열원 기판에 대해 사용될 수 있다는 것이다. 일 태양에서, 핀과 같은 특징부를 추가하여 난류 경계층을 생성하거나, 또는 열전달 부재를 형성하여 그렇게 할 수도 있으며, 이는 이미 열전달 부재를 통한 높은 전도성 열전달률을 가지면서, 히트 싱크를 둘러싸고 있는 유체 기류 흐름으로의 대류성 열전달률을 증가시킨다.
도 20 및 도 21을 참조하면, 예시적인 열전도 프로파일(300 및 400)은 각각의 열전달 부재(210) 및 인클로저(220) 각각에서의 열전달 방식의 예시를 제공한다. 특히, 도 20을 참조하면, 열전도 프로파일(300)은 열전달 부재(210)를 통한 열전도를 나타낸다. 열전달 부재(110)에서도 유사한 전도가 발생할 수 있다. 일반적으로, 열은 베이스(212)로부터 열전달 부재(110)의 길이를 따라 단부(216)로 전도된다. 위에서 논의된 바와 같이, 열은 대류를 통해 열전달 부재(210)로부터 방산된다. 마찬가지로, 도 5를 참조하면, 열전도 프로파일(400)은 인클로저(220)에서의 열전도를 나타낸다. 일반적으로, 열전달 부재(210)는 인클로저(220)보다 더 높은 열전도율을 가질 수도 있다. 따라서, 원위 패널(232)은 냉각판(222)(도 21)이 더 뜨거운 동안 상대적으로 차갑게 유지될 수도 있다. 따라서, 도 9에 도시된 방향으로 흐르는 찬 공기, 예컨대 우측에서 좌측으로의 기류(226)는 인클로저(220)로 인한 감소된 예열로 인해 냉각판(222)을 냉각시킬 수도 있다.
첨부 도면과 관련하여 위에 기재된 상기의 상세한 설명은 예를 설명하고, 구현될 수 있거나 특허청구범위의 범위 내에 있는 유일한 예를 나타내지 않는다. 본 설명에서 사용되는 경우, "예"라는 용어는 "예, 예시 또는 실례로 제공되는" 것을 의미하며, "바람직한" 또는 "다른 예보다 유리한" 것을 의미하는 것은 아니다. 상세한 설명에는 설명된 기술의 이해를 제공하기 위한 목적으로 특정 세부사항이 포함된다. 그러나, 이들 기술은 이러한 특정 세부사항 없이 실시될 수도 있다. 어떤 경우에, 공지의 구조 및 장치는 설명된 예의 개념을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 블록도 형태로 도시된다.
다른 예 및 구현예가 본 개시 및 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위 내에 있다. 예컨대, 소프트웨어의 특성으로 인해, 위에서 설명한 기능은 특별히 프로그래밍된 프로세서, 하드웨어, 펌웨어, 하드와이어링, 또는 이들 중 임의의 조합에 의해 실행되는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수 있다. 기능을 구현하는 특징부는 또한, 기능의 일부가 상이한 물리적 위치들에서 구현되도록 분산되는 것을 포함하여 물리적으로 다양한 위치에 배치될 수도 있다. 또한, 특허청구범위를 포함하여 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "~ 중 적어도 하나"로 시작하는 항목들의 목록에 사용된 "또는"은, 예컨대 "A, B 또는 C 중 적어도 하나"의 목록이 A 또는 B 또는 C 또는 AB 또는 AC 또는 BC 또는 ABC(즉, A 및 B 및 C)를 의미하도록 이접적 목록(disjunctive list)을 나타낸다.
예시적인 구현예가 구조적 특징 및/또는 방법론적 행위에 특정한 언어로 설명되었지만, 첨부된 특허청구범위에 규정된 구현예들이 설명된 특정한 특징 또는 행위에 반드시 제한되는 것은 아님을 이해해야 한다. 오히려, 특정한 특징 및 행위는 청구된 특징을 구현하는 예시적인 형태로서 개시된다.

Claims (14)

  1. 히트 싱크(heat sink)에 있어서,
    회로 기판 상에 위치된 시스템 온 칩(system on chip; SoC)과 접촉하도록 구성된 제 1 평면의 제 1 표면을 갖는 베이스; 및
    상기 베이스에 연결되며 상기 베이스로부터 연장되는 복수의 열전달 부재를 포함하고,
    상기 복수의 열전달 부재는 상기 제 1 평면으로부터 제 1 간격을 갖는 제 2 평면에서 종방향 길이를 따라 연장되도록 구성되고, 상기 복수의 열전달 부재는 복수의 열전달 부재들 사이에 제 2 간격을 한정하는 대향하는 내벽을 각각 포함하는
    히트 싱크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스의 양 측면으로부터 각각 연장되는 복수의 암을 추가로 포함하고, 각각의 암은 상기 회로 기판과 부착되도록 구성된 클립을 한정하는 형상을 갖는
    히트 싱크.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 열전달 부재는 상기 베이스에 근접한 커넥터 부분을 포함하고, 상기 커넥터 부분은 상기 복수의 열전달 부재의 제 2 평면과 상기 베이스의 제 1 표면의 제 1 평면 사이의 상기 제 1 간격을 한정하는 크기로 형성되는
    히트 싱크.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 커넥터 부분은 변곡점에서 구부러지는
    히트 싱크.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스의 제 1 표면은 상기 SoC의 대응하는 표면의 제 2 표면적보다 큰 제 1 표면적을 갖는
    히트 싱크.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스를 상기 SoC에 부착하는 열접착제(thermal adhesive)를 추가로 포함하는
    히트 싱크.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 열전달 부재를 적어도 부분적으로 둘러싸는 인클로저(enclosure)를 추가로 포함하는
    히트 싱크.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 인클로저는 상기 베이스의 제 1 표면의 반대편의 제 2 표면에서 상기 베이스와 접촉하는 베이스 플레이트를 포함하는
    히트 싱크.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 인클로저는,
    상기 복수의 열전달 부재의 제 1 면 상에 위치되며 상기 회로 기판과 대면하도록 구성된 근위 패널(proximal panel), 및
    상기 복수의 열전달 부재의 제 2 면 상의 원위 패널(distal panel)을 포함하고,
    상기 제 2 면은 상기 제 1 면의 반대편에 있고,
    상기 근위 패널 및 상기 원위 패널 둘 모두는 상기 베이스에 인접한 각자의 근단부(near end)로부터 상기 베이스로부터 멀리 있는 각자의 원단부(far end)까지 종방향으로 연장되며, 상기 각자의 원단부는 상기 열전달 부재의 단부에서 개구를 한정하는
    히트 싱크.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 인클로저는 상기 근위 패널과 상기 원위 패널 사이에 하나 이상의 측면 통기구(side vent)를 한정하는 하나 이상의 내부 측벽을 포함하는
    히트 싱크.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 열전달 부재는 상기 인클로저보다 열전도율이 더 높은
    히트 싱크.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 히트 싱크를 포함하는 컴퓨터 시스템에 있어서,
    시스템 온 칩(SoC) 및 적어도 하나의 추가 구성요소를 포함하는 인쇄 회로 기판을 추가로 포함하는
    컴퓨터 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 열전달 부재의 단부로부터 상기 SoC 쪽으로 공기를 이동시키도록 구성된 공기 공급원을 추가로 포함하는
    컴퓨터 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 인쇄 회로 기판은 메모리 마이크로컨트롤러 카드(memory microcontroller card)인
    컴퓨터 시스템.
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