KR20220035046A - 고열 플럭스 다부품 조립체의 열 관리 - Google Patents

고열 플럭스 다부품 조립체의 열 관리 Download PDF

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라데시 주람
위안 자오
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헨켈 아이피 앤드 홀딩 게엠베하
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Abstract

전자 패키지는 기판에 고정된 복수의 전자 부품을 포함하는 전자 부품 어레이로부터 열을 소산시키기 위한 열 인터페이스를 포함한다. 열 인터페이스는 전자 부품으로부터 투입된 열을 열 플럭스를 가로지르는 방향을 따라 전달하기 위해 얇은 열 확산 층을 포함한다. 열 확산 층은 투입 평면에 걸쳐 열 에너지를 확산시킴으로써 효율적으로 활용되는 라미네이트 구조의 일부분이다.

Description

고열 플럭스 다부품 조립체의 열 관리
본 발명은 일반적으로 전자 장치의 열 관리, 더욱 특히 전자 부품 어레이로부터 열 소산기(heat dissipater)로의 열 에너지의 효율적인 전달을 위한 열 인터페이스 구조에 관한 것이다.
열 인터페이스는 과잉 열 에너지가 한 위치에서 또 다른 위치로 전달되기를 원하는 열 소산 적용에 널리 사용된다. 열 인터페이스는 일반적으로 효율적이고 기계적으로 유용한 방식으로 원하는 열 전달을 수용하는 방식으로 이러한 위치 사이에 배치된다. 이러한 열 인터페이스의 예시 적용은 전자기술 산업을 포함하며, 여기서 전자 부품은 최소 임계값 성능 특성을 유지하기 위해 냉각되어야 한다. 일반적으로, 열은 비교적 높은 열 소산 용량을 일반적으로 갖는 열 소산기, 예컨대 열 싱크에 전자 장치를 열적으로 결합함으로써 열-발생 전자 장치로부터 멀리 전달된다. 열 소산 특성은 적절한 재료, 구성, 및 냉각 매체에 대한 노출을 포함한다.
열-발생 요소, 예컨대 전자 부품의 열 소산기에의 열적 결합은 열 인터페이스 재료 및 구조에 의해 용이하게 될 수 있다. 예를 들어, 열-발생 전자 부품과 열 싱크 사이의 직접 물리적 결합은 상대적 외부 기하구조, 재료, 및 열-발생 부품의 주변에서의 특별한 제한으로 인해 어려울 수 있다. 따라서 열 인터페이스는 열 전달에 대한 상당한 임피던스 없이 열-발생 요소와 열 싱크 사이의 물리적 연결 메커니즘의 역할을 할 수 있다. 열 전달은 열 에너지가 비교적 낮은 열 전도율의 매체를 통과해야 하는 열 장벽에서 크게 방해될 수 있기 때문에, 열 인터페이스는 열 장벽의 존재를 최소화함으로써 열 싱크로의 열 전달의 효율을 높일 수 있다. 열 인터페이스는 표면 불규칙성에 "순응"하도록 가요성으로 만들어져 열 전달을 방해하는 역할을 달리 할 수 있는 공극을 최소화할 수 있다.
마이크로일렉트로닉스의 소형화 및 전력 증가로, 열 소산은 다양한 전자 장치의 성능, 신뢰성 및 추가의 소형화에 중요하게 되었다. 집적 회로 ("IC")는 신뢰성 있게 수행하기 위해 열 소산이 필요할 수 있는 열-발생 전자 부품 예를 나타낸다. IC는 일반적으로 이들을 회로 기판, 또는 더욱 특히 인쇄 회로 기판 ("PCB")과 같은 기판에 물리적으로 그리고 전기적으로 결합함으로써 패키지로 조립된다. 기판에 고정된 IC 및/또는 다른 전자 부품의 어레이는 전자 조립체를 형성한다. 감소된 부피의 전자 조립체의 높아진 성능에 대한 열망은 단위 면적당 증가된 열 발생량으로 이어진다. 결과적으로, 증가된 열 전달 요구를 해결하기 위해 개선된 열 관리 해결책이 필요하다.
열 인터페이스에 열적으로 결합된 열-발생 부품은 최저 열 임피던스의 경로를 통해 열 에너지를 방출하는 열원을 구성한다. 예를 들어, 열-발생기 부품이 균일한 열 인터페이스에 열적으로 결합된 것인 적용에서, 열 에너지는 일반적으로 원추형 또는 원주형 패턴을 따라 열 싱크로 소산된다. 열 싱크가 열 인터페이스보다 실질적으로 더 열 전도성인 경우, 열원으로부터의 열 소산은 열 싱크로의 최저 열 임피던스의 경로를 따른다. 이러한 경로는, 균일한 열 인터페이스의 경우에, 열 인터페이스를 통한 열원과 열 싱크 사이의 최단 거리의 경로이다. 이 현상은 이방성 열 전도율을 갖는 열 인터페이스의 개발로 이어졌고, 여기서 열원과 열 싱크 사이의 최단 경로인, 두께 ("z") 방향을 통한 열 전도율은 이러한 "z" 방향을 따라 열 전달을 용이하게 하도록 맞추어진 특별히-설계된 구조이다. 이러한 열 인터페이스의 예는 열 인터페이스의 두께를 통해 "z" 축에 평행하게 배향된 흑연 섬유를 갖는 배향 흑연 패드를 포함한다. 이러한 배열을 통해, 열 인터페이스는 "z" 축을 따라 우선적인 열 전달을 나타낸다. 이방성 열 인터페이스는 z-축 방향을 따라 높은 열 전도율 값으로 열 에너지를 전도하는데 유용한 것으로 입증되었지만, 몇몇 단점이 이들의 보편적인 수용을 못하게 한다. 예를 들어, 배향된 섬유 열 인터페이스는 비싼 경향이 있다. 또한, 특정 적용에서는 전자 패키지를 제조 동안 z-축을 따라 압축해야 하는 것이 필요하고, 이 압축은 배향된 섬유를 손상시키고 전체 열 전도율을 저하시킬 수 있다.
이방성 열 인터페이스의 많은 변형을 포함하여, 특정 기존의 높은 열 전도율 인터페이스는 부도체로 간주되기에 불충분한 전기 저항률을 나타낸다. 많은 적용에서 연결된 전자 부품의 전기 절연을 필요로 하고, 여기서 이러한 높은 열 전도율 인터페이스는 적합하지 않다.
따라서 두께를 통해 부도체인 열 인터페이스를 제공하는 것이 목적이다.
두께 압축 이후에 효율적인 열 전도율을 유지하는 열 인터페이스를 제공하는 것이 추가의 목적이다.
열-발생 전자 부품의 어레이로부터 열 에너지를 동시에 소산시킬 수 있는 비용-효율적인 열 인터페이스를 제공하는 것이 또 다른 목적이다.
복수의 이격된 전자 부품의 어레이로부터 열 에너지를 효율적으로 소산시키기 위해 열 인터페이스를 활용하는 전자 패키지를 제공하는 것이 또 다른 추가의 목적이다.
요약
본 발명에 의해, 복수의 전자 부품의 어레이에 의해 발생된 과잉 열 에너지가 열 소산기로 효율적으로 소산될 수 있다. 특히, 본 발명은 x 및 y 축을 따라 열원으로부터 열 에너지를 확산시킴으로써 두께 축에 평행한 방향을 따라 전체 열 전도율을 향상시키는 열 인터페이스를 제공한다. 열 인터페이스는 열 소산기로의 z 축을 따른 열 전달을 위해 열 인터페이스의 부피 활용을 증가시키기 위해 x 및 y 축을 따라 열을 효율적으로 전도하도록 구성된 열 확산 층을 활용한다.
예시 실시양태에서, 본 발명의 전자 패키지는 기판 및 기판에 고정된 복수의 개별, 이격된 전자 부품을 포함하는 전자 부품 어레이를 포함한다. 전자 패키지는 열 소산기 및 전자 부품 어레이와 열 소산기 사이의 열 경로에 배치된 열 인터페이스를 추가로 포함한다. 열 인터페이스는 열 확산 층 및 유연 층, 및 열 확산 층과 유연 층을 통해 두께 축을 따라 한정된 두께를 포함한다. 열 확산 층은 두께의 20% 미만이고 제1 열 전도율을 나타낸다. 유연 층은 제1 열 전도율보다 실질적으로 낮은 제2 열 전도율 및 104 Pa - 106 Pa의 압축 모듈러스를 나타낸다.
또 다른 실시양태에서, 본 발명의 전자 패키지는 기판 및 기판에 고정된 복수의 개별, 이격된 전자 부품을 포함하는 전자 부품 어레이를 포함한다. 전자 패키지는 열 확산 층 및 유연 층, 및 열 확산 층과 유연 층을 통해 두께 축을 따라 한정된 두께를 포함하는 열 인터페이스를 추가로 포함한다. 열 확산 층은 두께의 20% 미만이고 제1 열 전도율을 나타낸다. 유연 층은 제1 열 전도율보다 실질적으로 낮은 제2 열 전도율 및 104 Pa - 106 Pa의 압축 모듈러스를 나타낸다. 열 확산 층은 전자 부품 어레이에 열적으로 연결되고, 열 소산기는 열 인터페이스의 유연 층에 열적으로 연결된다.
본 발명의 전자 패키지를 제조하는 방법은 열 확산 층 및 유연 층, 및 열 확산 층과 유연 층을 통해 두께 축을 따라 한정된 두께를 갖는 열 인터페이스를 제공하는 것을 포함한다. 열 인터페이스는 초기 열 전도율을 나타낸다. 열 인터페이스의 열 확산 층은 두께의 20% 미만이고 적어도 100 W/m*K의 열 전도율을 나타낸다. 유연 층은 104 Pa - 106 Pa의 압축 모듈러스를 나타낸다. 열 인터페이스는 열 소산기와 기판에 고정된 복수의 전자 부품의 전자 부품 어레이 사이의 열 경로에 부착된다. 열 인터페이스는 두께 축을 따라 압축되어 두께를 감소시켜, 최대 50%의 두께 감소를 갖는 열 인터페이스가 초기 열 전도율의 적어도 80%인 압축 열 전도율을 나타내도록 한다. 열 인터페이스의 압축은 기판 및 열 소산기 중 적어도 하나를 기판 및 열 소산기 중 다른 하나를 향해 이동시키는 것을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전자 패키지의 단면도이고;
도 2는 본 발명의 전자 패키지의 열 인터페이스 부분의 단면도이고;
도 3은 본 발명의 전자 패키지의 열 인터페이스 부분의 사시도이고;
도 4는 본 발명의 전자 패키지의 일부분의 단면도이고;
도 5는 본 발명의 전자 패키지의 열 인터페이스 부분의 제조 공정을 설명하는 흐름도이고;
도 6은 비교 열 전도율 차트이고;
도 7a는 압축력 하의 본 발명의 전자 패키지의 단면도이고;
도 7b는 압축 이후의 본 발명의 전자 패키지의 단면도이다.
바람직한 실시양태의 상세한 설명
본 발명에 의해 제시된 다른 목적, 특징, 및 진보와 함께 상기 열거된 목적 및 이점은 이제 첨부된 도면 그림에 관하여 설명된 상세한 실시양태 측면에서 제시될 것이다. 본 발명의 다른 실시양태 및 측면은 관련 기술분야의 통상의 기술자의 이해 범위 내에 있는 것으로 인식된다.
본 발명의 장치를 설명하는 목적으로, 용어 "위쪽", "아래쪽", "수평", "수직", "위에", "아래에", "근위", "원위", 또는 유사한 관련 용어가 장치의 구성 부품 및 이들의 상대적 위치를 설명하기 위해 본원에서 사용될 수 있다. 이러한 용어는 첨부된 도면 그림에 관하여 편의상 사용되지만, 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
이제 도면 그림, 및 먼저 도 1에 관하여, 전자 패키지(10)는 기판(12) 및 기판(12)에 고정된 복수의 전자 부품(16)을 포함하는 전자 부품 어레이(14)를 포함한다. 전자 패키지(10)는 열 소산기(18) 및 전자 부품 어레이(14)와 열 소산기(18) 사이의 열 경로 (대시 기호의 화살표(22)에 의해 표시됨)에 배치된 열 인터페이스(20)를 추가로 포함한다. 전자 패키지(10)는 전자 부품 어레이(14)로부터 열 소산기(18)와 접촉하는 열-흡수 유체 매체(24)까지 열 전도성 경로를 제공함으로써 전자 부품(16)에 의해 발생된 열 에너지를 소산시키도록 배열된다. 일반적인 적용에서, 유체 매체(24)는 열 소산기(18)로부터 열 에너지를 흡수하도록 공기 이동기에 의해 유발되는, 공기와 같은 기체일 수 있다. 전자 패키지(10)는 데이터 프로세서, 데이터 메모리, 의사 소통판, 안테나 등과 같은 다양한 전자 애플리케이션을 수용하도록 적절하게 변경될 수 있는 예시 배열체이다. 이러한 장치는 컴퓨팅 장치, 통신 장치, 및 이를 위한 주변기기에 활용될 수 있다. 특정 예시 실시양태에서, 전자 패키지(10)는 셀룰러 통신 장치에서 다양한 기능을 지원하기 위해 사용될 수 있다.
기판(12)은 전자 부품 어레이(14)를 위한 지지체인 것에 더하여 다양한 기능 중 하나 이상의 역할을 할 수 있다. 본 발명의 전자 패키지(10)를 설명하는데 있어서 간략화를 위한 목적으로, 기판(12)은 조립체에서 필요에 따라 전자 부품(16)을 전기적으로 연결하기 위해 장착 표면(13)에 전기 전도성 트레이스를 갖는 인쇄 회로 기판과 같은 회로 기판일 수 있다. 부품(16)은 납땜 또는 다른 공지된 기술을 통해 배선 트레이스에 전기적으로 연결될 수 있다. 작동시, 전자 부품(16)은 최적의 성능을 유지하기 위해 소산되어야 하는 상당한 과잉 열 에너지를 발생시킨다. 전자 부품(16)은 전자 프로세스에 유용한 다양한 요소 중 임의의 것일 수 있고, 예를 들어, 집적 회로, 레지스터, 트랜지스터, 커패시터, 인덕터, 및 다이오드를 포함할 수 있다.
열 인터페이스(20)는 일반적으로 열 경로(22)를 따라 전자 부품 어레이(14)와 열 소산기(18) 사이에 열 전도성 브리지를 제공한다. 열 소산기(18)는 열 에너지를 열 소산기(18)에 가장 효율적으로 전달하는 방식으로 열 인터페이스(20)에 열적으로 결합될 수 있다. 개략적으로 도시된 바와 같이, 열 소산기(18)는, 예컨대 핀(28)을 통해, 비교적 높은 표면적을 포함하는 구성을 가질 수 있다. 열 소산기의 사용은 잘 이해되고, 기존의 맞춤형 디자인이 본 발명의 배열체에 활용될 수 있는 것으로 고려된다.
열 인터페이스에 대한 기존의 접근법은 페이스트 또는 겔과 같은 균일하고 유연한 열 전도성 덩어리를 포함한다. 또 다른 예시 인터페이스는 열 경로(22)에 실질적으로 평행하게 배향된 열 전도성 섬유를 갖는 배향된 섬유 장치를 포함한다. 상기 설명된 바와 같이, 이러한 해결책은 특정 적용에 부적절할 수 있다. 열 인터페이스(20)는 열 용량을 최대화하기 위해 인터페이스의 유연한 열 전도성 부피를 가장 효율적으로 활용하도록 개발되었다. 그렇게 하기 위해, 열 인터페이스(20)는 유연 층(32)으로 전달하기 전에 전자 부품(16)으로부터 수신된 열 에너지를 더 넓은 영역에 걸쳐 확산시키기 위해 열 확산 층(30)을 포함한다. 본 배열체에 의해 용이하게 되는 열 전달은 열 인터페이스(20)의 총 전도성 용량을 보다 충분히 활용하며, 이것은 전자 부품(16)과 같은 복수의 이격된 열원과 함께 사용될 경우 열 인터페이스(20)의 전체 열 전도율 성능을 상응하여 증가시킨다.
열 인터페이스(20)는 열 확산 층(30) 및 유연 층(32)을 포함하는 다층 복합체일 수 있다. 열 인터페이스(20)는 열 확산 층(30)과 유연 층(32)을 통해 두께 축(34)을 따라 한정된 두께 "T"를 갖는다. 열 확산 층(30)은 두께 T의 20% 미만, 바람직하게는 T의 15% 미만, 보다 바람직하게는 두께 T의 10% 미만인 두께 "T1"을 갖는다. 일부 실시양태에서, 확산 층(30)은 열 인터페이스(20)의 두께 T의 5-10%인 두께 T1을 가질 수 있다.
열 확산 층(30)은 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 실질적으로 "x" 및 "y" 축을 따라 열 에너지의 분포를 촉진하기 위해 열 인터페이스(20)의 총 두께 T에 비해 상대적으로 얇다. 열 확산 층(30)은 바람직하게는 유연 층(32)의 제2 열 전도율 "C2"보다 실질적으로 큰 제1 열 전도율 "C1"을 나타낸다. 열 에너지가 최소 저항의 경로를 따라 전달되기 때문에, 열 확산 층(30)에서 열 인터페이스(20)에 의해 수신된 열 에너지는 유연 층(32)을 통해 전달되기 전에 열 확산 층(30) 전반에 주로 전달될 것이다. 이러한 "최소 저항의 경로" 효과는 전자 부품 어레이(14)의 개별 전자 부품(16)으로부터 투입된 열을 z 축을 통해 전달되기 전에 x 및 y 축 둘 다를 따라 열 확산 층(30) 전반에 주로 확산되게 한다. 이러한 방식으로, 열 에너지는 실질적으로 유연 층(32)의 제1 표면(33)에 나타난 인터페이스 영역 전반에 걸쳐, 그리고 그 후에 실질적으로 유연 층(32)의 전체 부피 전반에 걸쳐 유연 층(32)으로 전달된다. 이 접근법은 유연 층(32)의 열 전도도 용량을 최대화한다. 열 인터페이스(20)에 존재하는 열 확산 층(30) 없이, 기존의 페이스트 및 겔에서와 같이, 개별 열원 지점으로부터 투입된 열은 일반적으로 열 인터페이스 부피 전반에 걸쳐 전달되지 않고, 대신 두께 축을 따라 보다 직접적인 경로로 열 소산기에 전달된다.
열 확산 특성을 달성하기 위해, 열 확산 층(30)은 바람직하게는 적어도 100 W/m*K, 보다 바람직하게는 적어도 400 W/m*K의 제1 열 전도율 C1을 나타낸다. 일부 실시양태에서, 제1 열 전도율 C1은 100-1500 W/m*K, 보다 바람직하게는 400-1000 W/m*K일 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 층 또는 구조의 열 전도율은 ASTM D5470에 의해 결정된다. 열 확산 층(30)의 열 전도율은 3차원에서 실질적으로 동일할 수 있거나, 또는 실질적으로 x 및 y 축을 따라 우선적인 열 전달을 갖는 이방성일 수 있다. 다시 말해서, 열 확산 층(30)을 통한 열 전달은 바람직하게는 모든 3개의 축 (x, y, z)을 따라 실질적으로 동일하거나, 또는 도 2 및 3에 도시된 배향에서, z 축을 따른 열 전달에 비해 z 및 y 축을 따라 우선적인 열 전달을 나타낸다. x 및 y 축을 따른 열 확산의 목적을 달성하기 위해, x 및 y 축을 따른 열 전달에 비해 z 축을 따라 열을 우선적으로 전달하는 이방성 열 확산 층(30)을 사용하는 것은 바람직하지 않을 것이다. 열 확산 층(30)에 유용한 예시 재료는 구리, 알루미늄, 흑연, 및 질화붕소를 포함한다. 그러나, 다른 높은 열 전도성 재료도 본 발명의 열 확산 층(30)으로서 유용한 것으로 고려된다.
열 인터페이스(20)의 x 및 y 축을 따른 열 전달을 촉진하기 위해, 열 확산 층(30)은 바람직하게는 열 인터페이스(20)의 총 두께 T에 비해 두께 축(34)을 따라 상대적으로 얇다. 유연 층(32)과 비교하여 열 확산 층(30)의 실질적으로 더 큰 열 전도율로 인해, 상대적으로 얇은 열 확산 층(30)은 x 및 y 축을 따라 열 전달을 보다 효율적으로 유도한다. 그러나, 출원인은 x 및 y 축을 따라 열 전달을 유도하는 것과 전자 부품 어레이(14)로부터 투입된 열 에너지를 수용하기 위해 유연 층(32)으로 열을 조기에 전달하지 않고 열 확산 층(30)에 충분한 열 용량을 제공하는 것 사이의 균형에 바람직하게 이르게 되는 것을 발견하였다. 따라서, 적어도 일부 실시양태에서, 열 확산 층(30)에 대한 최소 두께 임계값은 두께 축(34)을 통해 개별 열원으로부터 보다 직접적인 열 전달을 초래할 수 있는 열 확산 층(30)의 총 열 용량을 "과부하"하지 않는 방식으로 열 에너지 투입을 수용하도록 바람직하게 유지된다. 따라서, 열 확산 이후의 두께 T1이 열 인터페이스(20)의 총 두께 T의 적어도 5%, 보다 바람직하게는 두께 T의 5-20%를 나타낼 수 있는 것이 바람직하다. 일부 실시양태에서, 열 확산 층 두께 T1은 25-125 마이크로미터일 수 있다.
유연 층(32)은 바람직하게는 적어도 z 축을 따라 열 전도성이고, 바람직하게는 열 소산기(18)와의 열 접촉을 최대화하기 위해 순응성 재료이다. 유연 층(32)은 순응성 및 열 전도성 덩어리를 생성하기 위해 단독으로 또는 조합으로 사용될 수 있는 다양한 재료로부터 형성될 수 있다. 바람직하게, 유연 층(32)은 적어도 실온에서 자가-지지형이며, 여기서 유연 층(32)에 대한 한정된 3차원 형상은 적어도 실온에서 및 가해지는 외력 없이 자가-유지된다. 유연 층(32)을 위한 예시 재료는 미정질 왁스를 포함하거나 또는 실리콘-계 중합체는 실리콘 왁스, 실리콘 그리스, 및 실리콘 겔을 포함한다. 유연 층(32)에 유용한 제제의 예는 미국 특허 제5,950,066호 및 제6,197,859호에 기재된 것들을 포함하고, 이들의 내용은 본원에 참고로 포함된다. 일부 실시양태에서, 유연 층(32)은 약 40-80℃ 범위의 융점을 갖는 상-변화 재료를 포함할 수 있다.
유연 층(32)은 열 전도율을 향상시키기 위해 내부에 분산된 열 전도성 미립자 물질을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 알루미나, 질화알루미늄, 질화붕소, 흑연, 탄화규소, 다이아몬드, 금속 분말, 세라믹 입자, 탄소 섬유 및 나노튜브, 금속 합금, 및 이들의 조합을 포함하여, 다양한 열 전도성 미립자 물질을 유연 층(32)의 열 전도율을 돕기 위해 활용할 수 있다. 최대 약 200 마이크로미터의 입자 크기가 일반적이다. 미립자 충전제 물질을 유연 층(32)에 약 10 내지 95 중량%의 농도로 제공할 수 있다. 미립자 충전제의 로딩 수준은 유연 층(32)의 전체 압축 모듈러스에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 실온에서 약 106 Pa 이하, 바람직하게는 104-106 Pa의 압축 모듈러스를 유지하는 것이 바람직하다. 이것의 목적을 위해, 용어 "압축 모듈러스"는 시험 절차 ASTM D575에 의해 정의된다.
유연 층(32)은 열 확산 층 열 전도율 C1보다 실질적으로 낮은 열 전도율 C2를 나타낼 수 있다. 낮은 열 임피던스/높은 열 전도율이 열 인터페이스에서 바람직하지만, 열 인터페이스 본체 자체의 열 전도율을 최대화하는 것은 순응성을 희생시킬 수 있다. 출원인은 순응성이 열 인터페이스 재료의 효율성을 관리함에 있어서 열 인터페이스 재료 내의 열 전도율보다 훨씬 더 중요할 수 있다는 것을 인식한다. 따라서, 열 인터페이스의 열 전도율과 열 인터페이스의 순응성 사이의 균형에 종종 이르게 된다. 본 발명의 장치는 압축 모듈러스에 의해 표현된 바와 같이, 유연 층(32)에서 순응성을 유지함으로써 이러한 균형에 이른다. 순응성 열 인터페이스 재료는 열 전도율이 다양할 수 있지만, 일반적으로는 20 W/m*K 미만이다. 따라서 유연 층(32)은 바람직하게는 적어도 z 축을 따라 1-15 W/m*K의 열 전도율을 나타낸다. 일부 바람직한 실시양태에서, 적어도 z 축을 따른 유연 층(32)의 열 전도율은 5-12 W/m*K이다. 유연 층(32) 및/또는 열 확산 층(30) 내의 다양한 지점에서 국소화된 열 전도율 값은 상기 기재된 값보다 적을 수 있다는 것을 이해해야 한다. 그러나, 적어도 z 축을 따른 순 열 전도율은 바람직하게는 상기 기재된 바와 같다.
유연 층(32)은 열 인터페이스(20)의 두께 T와 열 확산 층(30)의 균형을 형성할 수 있는 두께 치수 T2로 형성될 수 있다. 그러나, 열 확산 층(30) 및 유연 층(32) 이외에 층이 열 인터페이스(20)에 존재할 수 있다는 것이 고려된다. 일부 예시 실시양태에서, 유연 층(32)은 0.25-2.5 mm, 보다 바람직하게는 0.5-1 mm의 두께 T2를 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 접착 재료(40)는 전자 부품 어레이(14)에 열 확산 층(30)을 고정하기 위해 사용될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전자 부품 어레이(14)의 하나 이상의 전자 부품(16)에 열 확산 층(30)을 고정하기 위해 열 확산 층(30)에 접착 재료(40), 예컨대 감압 접착제를 적용할 수 있다. 접착 재료(40)는 어레이(14)의 하나 이상의 전자 부품(16)에 고정하기 위해 층으로 또는 개별 랜드로 제공될 수 있다. 접착 재료(40)는 열 전도성일 수 있고, 적어도 약 0.5 W/m*K의 전도율을 갖는다. 유용한 접착 재료의 예는 캘리포니아주 어바인 소재 헨켈 코포레이션(Henkel Corporation)으로부터 상업적으로 입수가능한 본드 플라이(Bond Ply)™ 및 리퀴본드(LiquiBond)™ 열 전도성 접착제를 포함한다.
열 인터페이스(20)는 바람직하게는 두께 축(34)을 따라 두께 T를 통해 전기 절연될 수 있다. 기존의 높은 열 전도성 인터페이스에 비해 열 인터페이스(20)의 이점은 전기 절연을 필요로 하는 적용에서의 열 인터페이스(20)의 적용성이다. 일부 기존의 높은 열 전도성 인터페이스는 전기 절연 특성을 상실하는 지점까지 전기 임피던스를 감소시키는 구조 및 조성에 의존한다. 높은 열 전도성 인터페이스에 대한 기존의 예시적인 접근법은 z 축을 따라 열 전도율을 촉진하기 위해 인터페이스의 두께를 통해 배항되는 배향 흑연을 사용한다. 그러나, 그렇게 할 때, 배향 흑연은 열 인터페이스를 통한 전기 전도성 경로를 형성한다. 특정 적용은 낮은 전기 저항 열 인터페이스에 적합하지 않다. 유연 층(32)은 바람직하게는 부도체이어서, 열 인터페이스(20)는 두께 축(34)을 따라 두께 T를 통해 적어도 108 Ω*cm의 전기 저항률을 나타낸다. 열 인터페이스(20)는 보다 바람직하게는 두께 축(34)을 따라 두께 T를 통해 적어도 1010 Ω*cm의 전기 저항률을 나타낼 수 있다.
열 확산 층(30)은, 예를 들어, 기상 증착, 플라즈마 중합, 스프레이 코팅, 스퍼터링 등을 포함하는 다양한 공정 중 하나를 통해 유연 층(32)에 조립될 수 있다는 것이 고려된다. 열 인터페이스 제조의 예시 공정 단계를 보여주는 흐름도는 도 5에 제시되어 있다. 특히, 열 확산 층(30)에 사용하기 위한 재료는 미리 결정된 두께로 이형 라이너 상에 증착되어 코팅된 기판을 형성한다. 일부 실시양태에서, 재료는 약 25-125 마이크로미터의 미리 결정된 두께로 기판에 적용될 수 있었다. 이형 라이너는 관련 기술분야에 잘 알려져 있고, 열 확산 층(30)으로부터 비교적 쉽게 제거될 수 있는 기존의 이형 라이너가 열 인터페이스 제조 공정에 활용될 수 있다는 것이 고려된다. 증착된 열 확산 층(30)을 수용하고, 후속적으로 그로부터 제거되는데 유용한 예시 이형 라이너는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)이다.
이어서 코팅된 기판은 이형 라이너가 캘린더링 롤과 접촉하고, 열 확산 층(30) 재료가 유연 층(32)과의 정합을 위해 노출되는 배향으로 캘린더링 작업에 배치된다. 열 확산 층(30)과 유연 층(32)의 정합은 열 확산 층(30)과 그의 각각의 이형 라이너 기판 사이의 결합보다 큰 강도로 열 확산 층(30)을 유연 층(32)에 부착되게 한다. 결과적으로, 기판은 이어서 열 확산 층(30)으로부터 제거되고 한편 열 확산 층(30)은 유연 층(32)과 접촉한 채 있다. 이어서 개별 열 인터페이스는 원하는 크기로 다이 절단될 수 있다.
본 발명의 측면은 열 인터페이스(20)가 두께 축(34)을 따른 압축 이후에 그의 열 전도율 성능을 거의 잃지 않는 방법이다. 특정 열 인터페이스의 열 전도율 성능은 압축시 상당히 저하된다. 이것은, 예를 들어, 열 전도율 성능을 달성하기 위해 의존하는 배향된 섬유의 파괴로 인한 것일 수 있다. 본 발명의 열 인터페이스(20)의 구조는 그의 열 성능에 대한 상당한 저하 없이 두께 축(34)을 따른 압축을 허용한다.
도 6은 본 발명의 0.08 인치 공칭 10 W/m*K 열 인터페이스와 비교하여 0.07 인치의 초기 두께를 갖는 공칭 20 W/m*K 배향 흑연 열 인터페이스의 각각의 두께 축을 따른 점진적인 압축시 열 성능의 비교를 보여준다. 특히, 도 6의 비교 데이터는 배향 흑연 인터페이스가 압축시 열 전도율에서 급격하게 감소하는 반면, 본 배열체의 열 전도율은 상당한 압축시에도 거의 영향을 받지 않는다는 것을 보여준다. 바람직한 실시양태에서, 최대 50%의 두께 감소를 갖는 열 인터페이스(20)는 그의 초기 열 전도율의 적어도 80%인 압축 열 전도율을 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 공칭 10 W/m*K 열 인터페이스의 열 전도율은 그의 두께 축을 따라 50%만큼 압축한 후 20% 미만만큼 감소된다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 전자 패키지를 제조하는 방법을 도시하며, 여기서 열 인터페이스(20)는 열 소산기(18)와 기판(12)에 고정된 복수의 전자 부품(16)의 전자 부품 어레이(14) 사이의 열 경로(22)에 부착된다. 열 인터페이스(20)는 힘 벡터 F1, F2에 의해 나타낸 바와 같이, 열 소산기(18) 및 기판(12) 중 하나 또는 둘 다에 힘을 가함으로써 두께 축(34)을 따라 압축된다. 전자 패키지(10)를 원하는 정도로 압축하기 위해 기존의 압축 메커니즘을 이용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전자 패키지(10)는 열 인터페이스(20)의 두께 T가 최대 50%만큼 감소되게 하는 정도로 두께 축(34)을 따라 압축될 수 있다. 도 7b는 압축 공정 이후의 전자 패키지(10)를 도시한다. 열 소산기(18), 전자 부품 어레이(14), 및 기판(12) 각각은 열 인터페이스(20)에 비해 상대적으로 비압축성이다. 일부 실시양태에서, 열 인터페이스(20)의 열 확산 층(30)은 유연 층(32)에 비해 상대적으로 비압축성이다. 이러한 실시양태에서, 전자 패키지(10)에 가해진 압축력 F1, F2는 주로 열 인터페이스(20)의 유연 층(32)만 압축할 수 있다. 도 7a 및 7b에 도시된 예에서, 열 인터페이스(20)의 초기 두께 Ti는 최대 약 50%만큼 감소될 수 있고, 여기서 최종 두께 Tf는 다음 관계로 표현될 수 있다:
Tf = 0.5 ≤ Ti ≤ 1.0
상기 설명된 바와 같이, 열 인터페이스(20)는 그렇게 압축될 수 있지만 그의 열 전도율 성능을 실질적으로 유지할 수 있다는 것이 출원인에 의해 발견되었다. 이러한 특성은 조립 동안 압축을 필요로 하거나 또는 활용하는 적용에서 중요하다.
신규 원리를 적용하고 필요에 따라 본 발명의 실시양태를 구성 및 사용하는데 필요한 정보를 통상의 기술자에게 제공하기 위해 본 발명을 본원에서 상당히 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명 자체의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 변형이 달성될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 기판;
    상기 기판에 고정된 복수의 개별 이격된 전자 부품을 포함하는 전자 부품 어레이;
    열 소산기; 및
    상기 전자 부품 어레이와 상기 열 소산기 사이의 열 경로에 배치된 열 인터페이스로서, 상기 열 인터페이스는 열 확산 층 및 유연 층, 및 상기 열 확산 층과 상기 유연 층을 통해 두께 축을 따라 한정된 두께를 포함하고, 여기서 상기 열 확산 층은 두께의 20% 미만이고 제1 열 전도율을 나타내고, 상기 유연 층은 제1 열 전도율보다 실질적으로 낮은 제2 열 전도율 및 104 Pa - 106 Pa의 압축 모듈러스를 나타내는 것인, 열 인터페이스
    를 포함하는 전자 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 열 전도율이 적어도 100 W/m*K이고, 상기 제2 열 전도율이 1-15 W/m*K인 전자 패키지.
  3. 제2항에 있어서, 상기 열 인터페이스가 두께 축을 따라 두께를 통해 적어도 108 Ω*cm의 전기 저항률을 나타내는 것인 전자 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열 인터페이스가 상기 열 소산기 및 상기 전자 부품 어레이 중 적어도 하나에 고정된 것인 전자 패키지.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전자 부품 어레이의 복수의 전자 부품에 상기 열 확산 층을 고정하기 위한 접착 재료를 포함하는 전자 패키지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 접착 재료가 감압 접착제를 포함하는 것인 전자 패키지.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기판이 회로 기판인 전자 패키지.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전자 부품이 집적 회로, 레지스터, 트랜지스터, 커패시터, 인덕터, 및 다이오드 중 하나 이상을 포함하는 것인 전자 패키지.
  9. 제1항에 있어서, 상기 열 확산 층이 구리, 알루미늄, 흑연, 및 질화붕소로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 전자 패키지.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열 확산 층이 두께 축을 따라 25-125 ㎛인 전자 패키지.
  11. 제1항에 있어서, 상기 유연 층이 실리콘 중합체 매트릭스에 분산된 미립자 충전제를 포함하는 것인 전자 패키지.
  12. 제1항에 있어서, 두께 축이 상기 열 경로에 평행한 것인 전자 패키지.
  13. 전자 패키지를 제조하는 방법이며,
    a. 열 확산 층 및 유연 층, 및 상기 열 확산 층과 상기 유연 층을 통해 두께 축을 따라 한정된 두께를 갖는 열 인터페이스를 제공하는 단계로서, 여기서 상기 열 인터페이스는 초기 열 전도율을 나타내고, 상기 열 확산 층은 두께의 20% 미만이고 적어도 100 W/m*K의 열 전도율을 나타내고, 상기 유연 층은 104 Pa - 106 Pa의 압축 모듈러스를 나타내는 것인 단계;
    b. 열 소산기와 기판에 고정된 복수의 전자 부품의 전자 부품 어레이 사이의 열 경로에 상기 열 인터페이스를 부착하는 단계; 및
    c. 두께 축을 따라 상기 열 인터페이스를 압축하여 상기 두께를 감소시키는 단계로서, 여기서 최대 50%의 두께 감소를 갖는 열 인터페이스는 초기 열 전도율의 적어도 80%인 압축 열 전도율을 나타내는 것인 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 열 인터페이스의 상기 유연 층이 1-15 W/m*K의 열 전도율을 나타내는 것인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 두께 축이 열 경로에 평행한 것인 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 열 인터페이스가 두께 축을 따라 두께를 통해 적어도 108 Ω*cm의 전기 저항률을 나타내는 것인 방법.
  17. 제13항에 있어서, 압축이 상기 기판 및 상기 열 소산기 중 적어도 하나를 상기 기판 및 상기 열 소산기 중 다른 하나를 향해 이동시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  18. 기판;
    상기 기판에 고정된 복수의 개별 이격된 전자 부품을 포함하는 전자 부품 어레이;
    열 확산 층 및 유연 층, 및 상기 열 확산 층과 상기 유연 층을 통해 두께 축을 따라 한정된 두께를 포함하는 열 인터페이스로서, 여기서 상기 열 확산 층은 두께의 20% 미만이고 제1 열 전도율을 나타내고, 상기 유연 층은 제1 열 전도율보다 실질적으로 낮은 제2 열 전도율 및 104 Pa - 106 Pa의 압축 모듈러스를 나타내고, 상기 열 확산 층은 상기 전자 부품 어레이에 열적으로 연결된 것인, 열 인터페이스; 및
    상기 열 인터페이스의 상기 유연 층에 열적으로 연결된 열 소산기
    를 포함하는 전자 패키지.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 열 전도율이 적어도 100 W/m*k이고, 상기 제2 열 전도율이 1-15 W/m*K인 전자 패키지.
  20. 제19항에 있어서, 상기 열 인터페이스가 두께 축을 따라 두께를 통해 적어도 108 Ω*cm의 전기 저항률을 나타내는 것인 전자 패키지.
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