KR20230008015A - 열 인터페이스 재료 - Google Patents

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KR20230008015A
KR20230008015A KR1020227006789A KR20227006789A KR20230008015A KR 20230008015 A KR20230008015 A KR 20230008015A KR 1020227006789 A KR1020227006789 A KR 1020227006789A KR 20227006789 A KR20227006789 A KR 20227006789A KR 20230008015 A KR20230008015 A KR 20230008015A
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sheet
thermal interface
major surface
thermally conductive
interface material
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KR1020227006789A
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용 준 리
조셉 시메카
니콜로 브람빌라
다니엘 톰슨 리치
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헨켈 아게 운트 코. 카게아아
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Publication date
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Abstract

열 인터페이스 재료가 개시된다. 재료는 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에서 연장되는 시트를 포함하고, 시트는 베이스 재료; 및 이방성으로 배향된 열 전도성 요소들을 포함할 수 있는 베이스 재료에 매립된 충전제 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 열 전도성 요소들은 열 전도를 촉진하기 위해 제1 주 표면으로부터 제2 주 표면을 향하여 기본 방향을 따라 우선적으로 배향되어 기본 방향을 따라 시트를 통한 전도를 촉진한다. 일부 실시예에서, 베이스 재료에는 실리콘이 실질적으로 없다. 일부 실시예에서, 기본 방향을 따른 시트의 열 전도율은 적어도 20 W/mK, 30 W/mK 40 W/mK, 50 W/mK, 60 W/mK, 70 W/mK, 80 W/mK, 90 W/mK, 100 W/mK 또는 그 이상이다.

Description

열 인터페이스 재료
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 "열 인터페이스 재료"라는 명칭의, 2019년 7월 30일자 미국 가출원 번호 제62/880,370호의 이익 및 우선권을 주장하며, 이의 각각의 내용은 그 전체가 본원에 포함된다.
기술 분야
본원에 개시된 발명은 열 인터페이스 재료(thermal interface material)에 관한 것으로, 특히 전자 컴포넌트(electronic component)으로부터 열을 효율적으로 전달하기 위한 복합 재료(composite material)에 관한 것이다.
전자 장치가 계속해서 크기가 줄어들고 기능이 증가함에 따라, 매우 현실적이고 제한적인 관심사는 열 생성이다. 즉, 효과적인 방열(heat dissipation) 없이 고밀도 회로의 성능이 크게 저하될 수 있다. 방열의 중요한 도구 세트 중 하나는 다양한 열 인터페이스 재료를 포함한다.
"열 인터페이스 재료"(여기에서 "TIM"이라고도 함)라는 용어는 두 컴포넌트들 사이의 열 결합을 향상시키기 위해 일반적으로 두 부품들 사이에 삽입되는 임의의 재료를 설명한다. 많은 설계는 열 생성 디바이스(예를 들어, 프로세서와 같은 열원)와 방열 디바이스(예를 들어, 히트 싱크) 사이에 삽입된 열 인터페이스 재료의 사용을 포함한다.
일반적으로 사용되는 열 인터페이스 재료에는 여러 종류가 있다. 여기에는 열 그리스, 열 접착제, 열전도성 패드, 열 테이프 및 상 변화 재료가 포함된다.
열 그리스는 얇은 본드 라인을 생성하여 작은 열 저항을 달성한다. 열 그리스는 효과적인 기계적 강도가 없으므로 외부 기계적 고정 메커니즘이 필요하다. 열 그리스는 경화되지 않기 때문에 재료가 포함될 수 있는 곳이나 그리스의 점도로 인해 사용 중에 제자리에 머물 수 있는 얇은 어플리케이션으로 사용이 제한된다.
열 접착제 또는 열 글루는 경화 후 본드에 기계적 강도를 제공한다. 열 접착제는 경화될 때 열 그리스보다 더 두꺼운 본드 라인을 허용한다.
열전도성 패드는 일반적으로 대부분 실리콘 또는 실리콘과 같은 재료로 만들어진다. 열전도성 패드는 적용하기 쉽고 두꺼운 본드 라인을 허용하는 장점이 있다. 일반적으로 열전도성 패드는 열 패드가 특정 디바이스의 표면과 일치하도록 열원의 히트 싱크를 가압하는 데 더 높은 힘이 필요로 한다. 이는 변형으로 인해 신호 간섭이 발생하는 민감한 디바이스에 문제가 되거나 허용되지 않을 수 있다.
열 테이프가 사용될 수 있다. 일반적으로 열 테이프는 표면에 접착되며 경화시간이 필요 없고 적용이 간편하다. 열 테이프는 접착 특성이 있는 열 패드와 유사하다.
상 변화 재료(PCM)가 사용될 수 있다. 일반적으로 상 변화 재료는 자연적으로 끈적끈적한 재료로 열 그리스를 대체할 수 있다. 어플리케이션은 솔리드 패드와 유사하다. 일반적으로 섭씨 55 내지 60도 정도의 융점(melting point)에 도달한 후, 상 변화 재료는 적어도 부분적으로 액체 상태로 변하고 열원과 히트 싱크 사이의 모든 갭을 채운다.
열 인터페이스 재료의 이들 및 다른 실시예는 다양한 조성물을 사용한다. 조성물의 일부 실시예는 차원 재료(dimensional material)의 분산(dispersion)을 포함한다. 예를 들어, 일부 조성물은 열전도성 섬유를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 나노튜브가 포함될 수 있다. 그러한 실시예가 어느 정도 가능성을 보여주긴 했지만, 성능에 대한 요구는 추가 개선이 필요하다.
즉, 불행히도, 회로 설계의 발전이 방열 기술의 발전을 앞질렀다. 앞서 언급한 유형의 열 인터페이스 재료가 오늘날의 전자 장치에 사용되고 있지만 시스템 설계의 발전은 열 생성으로 인해 점점 더 제약을 받고 있다.
전자 시스템의 방열을 위한 개선된 기술이 요구된다.
일 양태에서, 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에서 연장되는 시트를 포함하는 열 인터페이스 재료가 개시되고, 시트는 베이스 재료 및 베이스 재료에 매립된 충전제 재료를 포함한다. 충전제 재료는 이방성으로 배향된 열 전도성 요소들을 포함한다. 일부 실시예에서, 열 전도성 요소들은 기본 방향을 따라 시트를 통한 열 전도를 선택적으로 촉진하기 위해 제1 주 표면으로부터 제2 주 표면을 향해 기본 방향을 따라 우선적으로 배향된다. 일부 실시예에서, 베이스 재료에는 실리콘이 실질적으로 없다. 일부 실시예에서, 기본 방향을 따른 시트의 열전도율은 적어도 15 W/mK, 20 W/mK, 30 W/mK, 40 W/mK, 50 W/mK, 60 W/mK, 70 W/mK, 80 W/mK, 90 W/mK, 100 W/mK 또는 그 이상이다.
다른 양태에서, 열 인터페이스 재료의 제조 방법이 개시되며, 이 방법은 다음 단계를 포함한다. 단계에서, 복수의 층을 포함하는 스택을 형성하는 단계. 일부 실시예에서, 각 층은 베이스 재료, 및 이방성으로 배향된 열 전도성 요소들을 포함하는 충전제 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 각 층은 수직 방향을 따라 하부 표면으로부터 상부 표면으로 연장되고, 층은 상기 수직 방향으로 적층된다. 일부 실시예에서, 각 층의 열 전도성 요소는 수직 방향을 가로지르는 방향으로 열 흐름을 우선적으로 촉진하도록 이방성으로 배향된다.
추가 단계에서 스택에 힘을 가하여 수직 방향을 따라 스택을 압축한다. 일부 실시예에서, 이러한 압축은 스택의 층이 결합되고 모놀리식 요소를 형성하게 한다.
추가 단계에서 수직 방향으로 연장되고 층의 상부 및 하부 표면을 가로지르는 평면을 따라 스택을 슬라이스하여 시트를 형성한다. 일부 실시예에서, 시트는 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에서 연장되고 스택으로부터 절단된 베이스 재료 및 충전재의 일부를 포함한다. 충전제 재료는 기본 방향을 따라 시트를 통한 열 전도를 촉진하기 위해 제1 주 표면으로부터 제2 주 표면을 향해 기본 방향을 따라 우선적으로 배향되는 이방성으로 배향된 열 전도성 요소들을 포함한다.
다양한 실시예는 단독으로 또는 임의의 적절한 조합으로 본원에서 설명된 특징 및 요소 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 취해진 다음 설명으로부터 명백하고, 여기서:
도 1은 열 생성 컴포넌트, 히트 싱크 및 열 인터페이스 재료의 사용의 양태를 도시하는 개략도이다;
도 2는 열 인터페이스 재료 패드의 개략도이다;
도 3은 도 2의 열 인터페이스 재료 패드에 대한 표면 처리의 예시이다;
도 4는 열 인터페이스 재료 패드의 6개 샘플들에 대한 열 임피던스 대 압력의 그래프이다. 위쪽 3개의 트레이스들은 표면 처리를 하지 않은 샘플들에 대한 결과를 보여준다. 아래 3개의 트레이스는 도 3에 예시된 유형의 표면 처리된 샘플들에 대한 결과를 보여준다;
도 5는 대안적인 실시예의 열 인터페이스 재료 패드의 개략도이다;
도 6a는 도 2에 도시된 유형의 열 인터페이스 패드의 제조 방법의 초기 단계를 도시한 도면이다;
도 6b는 도 2에 도시된 유형의 열 인터페이스 패드의 제조 방법의 최종 단계를 도시한 도면이다;
도 7a는 도 5에 도시된 유형의 열 인터페이스 패드의 제조 방법의 초기 단계를 도시한 도면이다;
도 7b는 도 5에 도시된 유형의 열 인터페이스 패드의 제조 방법의 최종 단계를 도시한 도면이다;
도 8은 차원 재료의 분산을 포함하는 열 인터페이스 재료의 다른 예의 양태를 도시하는 개략도이다;
도 9는 차원 배향 재료의 분산을 포함하는 열 인터페이스 재료의 다른 예의 양태를 도시하는 개략도이다;
도 10은 각각이 도 9에 도시된 것과 같은 차원 배향 재료의 분산으로 구성되는, 적층된 열 인터페이스 재료 층들의 블록을 도시한 도면이다;
도 11은 도 10에 도시된 것과 같은 블록으로부터 절단될 수 있는 차원 배향 재료를 포함하는 열 인터페이스 재료 패드를 도시한 도면이다;
도 12는 경쟁 제품과 비교하여 본원에 개시된 배향 패드에 대한 열 성능을 도시하는 그래프이다; 그리고,
도 13은 열 인터페이스 재료의 실시예의 비교 성능을 보여주는 그래프이다.
열 인터페이스 재료를 제조하고 사용하기 위한 방법과 함께 열 인터페이스 재료의 실시예가 본원에 개시된다. 일반적으로 열 인터페이스 재료는 높은 수준의 열전도율을 나타내며 추가로 이방성(anisotropic) 방열을 제공한다.
열 인터페이스 재료(TIM)를 도입하기 전에, 본원의 교시에 대한 콘텍스트를 확립하기 위해 일부 용어가 제공된다.
일반적으로 "자가 치유(self-healing)"라는 용어는 문제에 대한 외부 진단이나 사람의 개입 없이 스스로 손상을 자동으로 복구하는 기능이 내장된 재료를 의미한다. 일반적으로 기존 재료는 피로, 환경 조건 또는 작동 중 발생하는 손상으로 인해 시간이 지남에 따라 성능이 저하된다. 미세한 수준의 균열 및 기타 유형의 손상은 기존 재료의 열적, 전기 및 음향 특성을 변화시키는 것으로 나타났으며, 균열의 전파는 기존 재료의 궁극적인 파손으로 이어질 수 있다. 일반적으로 균열은 초기에 발견하기 어렵고 주기적인 점검과 수리를 위해 수작업이 필요하다. 대조적으로, 자가 치유 재료는 미세 손상에 반응하는 수리 메커니즘의 개시를 통해 성능 저하에 대응한다.
일반적으로 "열전도율(thermal conductivity)"(종종
Figure pct00001
,
Figure pct00002
또는
Figure pct00003
로 표시됨)은 열을 전도하는 재료의 능력을 나타낸다. 열전도율은 주로 열전도에 대한 푸리에 법칙(Fourier's Law)으로 평가된다. 일반적으로 열전도율은 텐서(tensor) 속성으로, 속성의 이방성을 표현한다.
열 전달은 열전도율이 높은 재료보다 열전도율이 낮은 재료에서 더 낮은 레이트로 발생한다. 이에 따라 열전도율이 높은 재료는 히트 싱크 어플리케이션에 사용되며 열전도율이 낮은 재료는 단열재로 사용된다. 재료의 열전도율은 온도에 따라 달라질 수 있다. 열전도율의 역수를 "열저항율(thermal resistivity)"이라고 한다.
열전도율은 수학식 (1)과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00004
수학식 (1)
여기서,
Figure pct00005
는 열 플럭스(heat flux),
Figure pct00006
는 열전도율,
Figure pct00007
는 온도 구배(temperature gradient)를 나타낸다.
일반적으로, 본원에서 논의된 바와 같이, 용어 "열 임피던스"는 재료에 대한 열 저항 및 모든 접촉 저항의 합을 지칭한다. 재료의 열 임피던스가 낮을 때, 재료는 해당 어플리케이션에서 더 나은 열전도체이다. 따라서 표면 거칠기, 표면 평탄도, 클램핑 압력, 접착제의 유무, 비균질성 및 재료 두께와 같은 요인은 재료의 열 임피던스에 영향을 미치는 요인이다. 일반적으로 열 임피던스는 어플리케이션에 특정한 더 많은 변수를 설명하기 때문에 열 성능을 평가하는 데 유용한 메트릭(metric)이다.
본원에 사용된 바와 같이, "등방성으로 배향된(isotropically oriented)" 요소 세트는 요소들이 우선적으로 정렬되지 않거나 공간의 특정 방향을 따라 실질적으로 우선적으로 정렬되지 않도록 무작위로 또는 실질적으로 무작위로 배열되는 것으로 이해되어야 한다.
본원에 사용된 바와 같이, "이방성으로 배향된(anisotropically oriented)" 요소 세트는 요소들이 공간의 특정 방향을 따라 실질적으로 우선적으로 정렬되도록 배열되는 것으로 이해되어야 한다.
이제 도 1을 참조하면, 전자 디바이스에 대한 열 관리 시스템의 양태가 도시되어 있다. 도시된 열 관리 시스템(1)에서, 열원(5)은 열을 생성한다. 열원(5)의 비제한적인 예는 프로세서, 메모리, 전원 공급 장치, 전력 변환기, 발광 다이오드 및 레이저 다이오드 중 적어도 하나를 포함한다. 일반적으로, 열원(5)은 지지체(4)에 장착된다. 지지체(4)의 비제한적인 예는 인쇄 회로 기판(PCB)이다. 이 예시에서, 열원(5)은 지지체(4) 상에 표면 장착된다. 열 인터페이스 재료(TIM)(10)의 제1 증착물은 열원(5)의 바로 위에 있고 열원(5)과 열 연통(thermal communication)한다. 열 확산기(heat spreader)(7)는 제1 증착물 위에 배치되고 그와 열 연통한다. 열 인터페이스 재료(TIM)(10)의 제2 증착물이 열 확산기(7)의 상부에서 그와 열 연통되어 있다. 히트 싱크(2)는 제2 증착물 위에 배치되고 그와 열 연통한다.
에너지가 공급되면, 열원(5)은 열을 생성한다. 열은 열 확산기(7) 및 히트 싱크(2)과 함께 열 인터페이스 재료(TIM)(10)의 증착물들에 의해 열원(5)으로부터 멀리 전도된다. 일반적으로, 열 인터페이스 재료(TIM)(10)의 증착물들은 컴포넌트들 사이의 갭 및 공기 공간을 제거함으로써 열원(5)과 히트 싱크(2) 사이의 열전도를 향상시킨다.
일반적으로, 히트 싱크(2)는 표면 영역(핀(fin) 또는 핀(pin) 사용)과 공기 흐름(팬 사용)를 최대화하여 열원(5)에서 주변 공기로 열을 분산시키는 전통적인 냉각 솔루션이다. 히트 싱크(2)는 간단하고 가벼우며 완전히 독립된 냉각 솔루션으로 냉각 팬과 함께 구축될 수 있다. 사용 가능한 공기 흐름에 따라, 히트 싱크(2)는 종종 비슷한 크기의 열 확산기(7)보다 성능이 뛰어날 수 있다.
일반적으로, 열 확산기(7)는 상부에 크고 플랫한 표면을 갖는다. 일부 실시예에서, 열 확산기(7)는 팬 및 핀을 갖지 않는다. 열 확산기(7)는 또 다른 큰 플랫한 표면(예: 차량의 프레임 또는 밀폐된 용기의 내벽)에 대해 직접 위로 가압될 수 있고 열은 열 확산기(7)에서 더 큰 금속(열전도성) 표면으로 전달되도록 허용된다. 전형적인 설계에서, 열 확산기(7)는 단독으로 열원(5)(예를 들어, CPU)을 냉각시키지 않는다. 오히려, 열 확산기(7)는 열원(5)으로부터 안전하게 소산될 수 있는 다른 물체로 열을 전달하도록 설계된다. 일반적으로 열 확산기(7)는 극도의 충격 및 진동 하에서 작동할 것으로 예상되는 전자 시스템 또는 환경으로부터 보호하기 위해 용기 내부에 완전히 밀봉되어야 하는 시스템에 이상적이다. 당연하게도, 히트 싱크(2) 및 열 확산기(7)의 성능, 따라서 열원(2)(프로세서와 같은)의 성능은 열 인터페이스 재료(TIM)(10)의 성능에 의해 실질적으로 영향을 받을 수 있다.
도 1의 열 관리 시스템(1)에서 패드(pad)로서 이용 가능한 열 인터페이스 재료(TIM)(10)를 갖는 것은 조립 속도를 높이고 일관된 품질을 제공할 수 있다는 것이 쉽게 명백할 수 있다. 즉, 예를 들어, 그리스(grease) 또는 페이스트(paste) 형태로 열 인터페이스 재료(TIM)(10)를 분배하는 것은 일관된 퍼짐뿐만 아니라 부피 제어를 필요로 할 것이다. 이에 반해, 구현을 위한 열 인터페이스 재료(TIM)(10)를 적절한 물리적 특성을 갖는 패드로 설계함으로써 우수한 품질 관리를 달성할 수 있다.
도 2를 참조하면, 예시적인 열 인터페이스 재료(TIM)(101)가 도시되어 있다. TIM(101)은 제1 주 표면(103)(하부 표면으로 도시됨)과 제2 주 표면(104)(상부 표면으로 도시됨) 사이에서 연장되는 패드 또는 시트(102)로서 형성된다. 플랫한 시트가 도시되어 있지만, 만곡된(curved) 시트와 같은 다른 형상이 사용될 수 있거나, 주어진 어플리케이션에 바람직한 맞춤형 형상 및 치수로 절단된 시트가 사용될 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.
시트(102)는 베이스 재료(105)로 형성되며, 열전도성 충전제 재료(filler material)(106)가 베이스 재료에 매립되어 있다.
베이스 재료(105)는 원하는 기계적 및 열적 특성을 갖도록 선택된 재료일 수 있다. 다수의 예시적인 적합한 재료가 하기에 제시되어 있다. 도시된 예시적인 실시예의 목적을 위해, 베이스 재료는 아크릴 고무 또는 아크릴 수지 재료인 것으로 간주될 것이다. 일부 실시예에서, 베이스 재료(105)는 가소성 재료(plasticizer material)와 결합된 수지와 같은 성분들의 혼합물일 수 있다.
유리하게는, 일부 실시예에서, 베이스 재료는 실리콘 또는 고온에서 열화, 가스 방출 및 기타 바람직하지 않은 특성을 나타내는 것으로 알려진 기타 실록산계(siloxane-based) 중합체가 없거나 실질적으로 없을 수 있다.
도시된 바와 같이, 충전제 재료(106)는 이방성으로 배향된 열전도성 요소들(107)을 포함할 수 있다. 열전도성 요소들(107)는 기본 방향(primary direction)을 따라 시트를 통한 열전도를 촉진하기 위해 제1 주 표면(103)으로부터 제2 주 표면(104)을 향해 기본 방향(도시된 바와 같이 수직 방향)을 따라 우선적으로 배향될 수 있다.
일부 실시예에서, 충전제의 포함은 기본 방향을 따라 시트(102)를 통한 우수한 열전도율을 제공한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기본 방향을 따른 시트의 열전도율은 적어도 10 W/mK, 15 W/mK, 20 W/mK, 30 W/mK, 40 W/mK, 50 W/mK, 60 W/mK, 70 W/mK, 80 W/mK, 90 W/mK, 100 W/mK 또는 그 이상이다. 일부 실시예에서, 열전도율은 당업계에 공지된 ASTM 표준 D5470을 사용하여 측정될 수 있다.
일부 실시예에서, TIM(101)은 적용된 압력의 함수로서 우수한 열 임피던스를 나타낸다. 예를 들어, 일부 실시예에서 이 속성은 당업계에 공지된 ASTM 표준 D5470에 설명된 기술을 사용하여 측정될 수 있고, 10psi 압력에서 0.1°C-inch2/W, 0.09°C-inch2/W, 0.08°C-inch2/W, 0.07°C-inch2/W, 0.05°C-inch2/W 미만의 열 임피던스가 초래된다(예를 들어, 두께가 0.5 mm 내지 5.0 mm 범위인 시트의 경우). 예를 들어, 일부 실시예에서 이 속성은 당업계에 공지된 ASTM 표준 D5470에 설명된 기술을 사용하여 측정될 수 있고, 30psi 압력에서 0.06°C-inch2/W, 0.05°C-inch2/W, 0.04°C-inch2/W, 0.03°C-inch2/W, 0.02°C-inch2/W, 0.01°C-inch2/W 미만의 열 임피던스를 초래한다(예를 들어, 두께가 0.5 mm 내지 5.0 mm 범위인 시트의 경우).
일부 실시예에서, 시트(102)는 예를 들어 플랙서블 중합체 수지 베이스 재료(105)로부터 형성되는 자가 지지형일 수 있다. 일부 실시예에서, 시트는 0.1 mm 내지 10 mm 범위, 또는 그의 임의의 하위 범위, 예를 들어 0.5 mm 내지 5.0 mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, TIM(101)은 ASTM D2240(쇼어 00)에 기재된 기술에 의해 결정된 바와 같이 40 내지 90 범위 또는 50 내지 80 또는 60 내지 70과 같은 그의 임의의 하위 범위의 쇼어 경도(Shore hardness)를 나타낼 수 있다.
일부 실시예에서 TIM(101)은 0.5 g/mL 내지 5.0 g/mL 또는 그의 임의의 하위 범위, 예를 들어 1.0 g/mL 내지 2.0 g/mL 범위의 밀도를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, TIM(101)은 약 1.7 g/mL의 밀도를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, TIM(101)은 적용된 압력의 함수로서 바람직하게는 높은 변위(deflection)를 나타낸다. 이러한 일부 실시예에서, 이러한 속성은 압력이 가해지는 어플리케이션에서 TIM(101)과 다른 열원 및 싱크 사이의 우수한 열 접촉을 허용한다. 일부에서 압축의 함수로서의 변위는 당업계에 공지된 ASTM D5470 및 ASTM C165 표준의 기술을 사용하여 측정될 수 있다. 일부 실시예에서, TIM(102)은 30psi의 압축 압력에서 적어도 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60% 또는 그 이상의 변위를 나타내고, 50psi의 압력에서 적어도 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% 또는 그 이상의 변위를 나타낸다.
일부 실시예에서, TIM(101)은 상당한 열화 없이 -40
Figure pct00008
내지 150
Figure pct00009
범위의 온도에서 동작할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 TIM(101)은 당업계에 공지된 ASTM E595 표준에 명시된 기술을 사용하여 열중량 분석(thermogravimetric analysis)에 따라 150°C, 160°C, 170°C, 180°C 또는 그 이상의 온도에서 0.2% 미만의 전체 질량 손실을 나타낸다.
일부 실시예에서, 충전제 재료는 질화붕소 플레이크(flake)와 같은 세라믹 플레이크를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 충전제 재료는 질화붕소 나노플레이크(nanoflake) 또는 나노스크롤(nanoscroll)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 충전제 재료는 흑연 플레이크 또는 그래핀 플레이크와 같은 탄소를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 충전제 재료는 탄소 나노튜브, 탄소 나노튜브의 번들, 및 정렬된 탄소 나노튜브의 덩어리를 포함할 수 있다. 충전제 재료의 다른 적절한 예가 아래 예에 나와 있다.
일부 실시예에서, 이방성으로 배향된 열전도성 요소들은 주 표면을 갖는 플레이크 형상 요소들을 포함하고, 플레이크 형상의 요소들의 적어도 65%, 75%, 85%, 95%, 99% 또는 그 이상이 주 표면이 시트의 제1 및 제2 표면을 가로지르는 기본 방향을 따라 연장되는 평면에 실질적으로 놓이도록 정렬된다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 대부분의 전도성 요소들은 플레이크의 주요 표면이 상부 및 하부 표면을 가로질러 배향되도록 배향된다.
일부 실시예에서, 이방성으로 배향된 열전도성 요소들은 주 치수 및 하나 이상의 보조 치수를 갖는 신장된 요소(예를 들어, 탄소 나노튜브)들을 포함하고, 여기서 신장된 요소들의 적어도 65%, 75%, 85%, 95%, 99% 또는 그 이상이 주 치수가 시트의 제1 및 제2 표면을 가로지르는 기본 방향을 따라 연장되도록 정렬됩니다.
다양한 실시예에서, 사용되는 충전제 재료의 양은 원하는 속성을 생성하도록 선택될 수 있다. 일반적으로 충전제 재료의 양이 많을수록 더 높은 열전도율을 제공하는 경향이 있다(아래에 설명된 대로 충전제 재료로 인해 원치 않는 표면 거칠기가 발생하지 않도록 충분히 주의해야 함). 일부 실시예에서, 충전제는 시트의 중량을 기준으로 적어도 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% 또는 그 이상이다.
도 3을 참조하면, 일부 실시예에서, 베이스 재료(105)에 매립된 충전 재료 요소(107)의 존재는 주 표면들(103, 104)(104가 도시됨) 중 하나 또는 둘 모두의 원치 않는 거칠기를 초래할 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, 표면(104)은 열원 및 싱크와 같은 물체와의 양호한 열 접촉에 더 적합한 더 매끄로운 표면을 제공하도록 처리되어, 열 임피던스를 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 베이스 재료를 부분적으로 용해시키기 위해 용매(110)가 표면(104) 상에 적용(예를 들어, 노즐을 통해 분무됨)될 수 있다. 베이스 재료(105)가 아크릴 수지인 실시예에서, 이소프로필 알코올(IPA)이 적합한 용매 선택이다. 그 다음, 압력이 표면에 적용되어(예: 기계적 롤러 또는 유사한 기술 사용), 베이스 재료(105)를 평활화하고 표면(104) 근처에서 충전제 재료 요소들(107)을 재배향하여 보다 매끄러운 인터페이스를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 이러한 표면 처리 후에, 시트(102)는 충전제 재료 요소들(107)이 재배향된 시트의 제1 주 표면(103)(미도시) 및/또는 제2 주 표면(104)(도시됨)에 근접한 영역(112)을 포함할 수 있다. 그러면 이 영역(112)은 시트의 내부 부분에서 표면에 대해 더 원위에 위치된 열전도성 요소들보다 덜 이방성으로 배향된 충전제(106)의 열전도성 요소들(107)의 서브세트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 베이스 재료(105)가 적어도 부분적으로 용해된 상태에서, 영역(112)의 충전제(106)는 더 등방성 배향으로 복귀하도록 해제될 수 있다.
대안적으로, 영역(112)은 이어서 시트(102)의 내부 부분에서 표면에 더 원위에 위치된 열전도성 요소들(107)과 상이한 방향을 따라 이방성으로 배향된 충전제(106)의 열전도성 요소들(107)의 서브세트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압연 요소에 의해 가해지는 압력은 표면(104) 근처의 요소들(107)가 표면을 가로질러 연장되기보다는 표면을 따라 평평하게 배향되게 할 수 있다.
일부 실시예에서, 영역(112)에서 베이스 재료를 연화시키거나 용융시키기 위해 용매(110) 대신에 또는 이에 추가하여 표면(103, 104)에 열이 가해질 수 있다.
일부 실시예에서, 위에서 설명된 표면 처리에 추가로 또는 대안적으로, 접착 재료의 얇은 층(미도시)이 표면(103, 04)에 적용될 수 있다(예를 들어, 스프레이 노즐을 사용하여). 접착층은 표면 거칠기를 채우고 열원 또는 싱크에 대한 TIM(101)의 접착을 촉진할 수 있다. 일부 실시예에서, 접착 재료는 공간 충전 재료(예를 들어, 아크릴 고무와 같은 베이스 재료로서 사용하기에 기타 적합한 재료)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 공간 충전 재료는 용매에 용해되고 표면(104)에 갭, 균열, 만입부 등을 채우기 위해 표면(104)에 분무될 수 있다. 일부 예에서, 용매는 그 후 건조되어 공간 충전 재료를 뒤에 남겨두고, 이에 의해 시트(102) 상에 더 매끄러운 표면(103, 104)이 생성될 수 있다.
도 4는 전술한 용매 기반 표면 처리의 이점을 예시한다. TIM(101)의 6개의 샘플들이 각각 1.0mm의 두께를 갖도록 만들어졌다. 샘플은 당업계에 공지된 ASTM 표준 D5470에 설명된 기술을 사용하여 다양한 압력에서 열 임피던스에 대해 테스트되었다. 샘플들 중 3개는 표면 처리를 개선하기 위해 표면 처리를 받았지만 3개는 그렇지 않았다. 도 4에 도시된 바와 같이, 처리된 샘플들(하부 트레이스)에 대한 열 임피던스는 특히 저압에서 처리되지 않은 샘플(상부 트레이스)의 열 임피던스보다 작았다. 이것은 표면 처리가 평가에 사용된 TIM(101)과 열원 및 싱크 사이의 더 나은 열 접촉을 촉진한다는 것을 분명히 나타낸다.
도 5를 참조하면, 일부 실시예에서, TIM(101)은 기본 방향(수직 방향으로 도시된 바와 같이)을 따라 제1 주 표면(103)으로부터 제2 주 표면(104)으로 시트(102)를 통해 연장되는 열전도성 요소들(120)을 포함한다. 이러한 열전도성 요소들은 표면들(103, 104) 사이의 열 흐름을 촉진할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 요소들(120)은 탄소로 제조될 수 있다. 예를 들어, 시트, 스트립, 필라 또는 기타 적절한 형상으로 형성된 흑연 또는 그래핀이 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 열전도성 요소의 일부는 시트(102)의 제1 및 제2 주 표면들(103, 104)에서 노출될 수 있다. 이러한 일부 경우에, 예를 들어 위에서 설명된 용매 기반 표면 처리를 사용하거나 표면들(103, 104)에 얇은 보호 접착제 층을 적용함으로써 이러한 영역을 보호하기 위해 표면을 처리하는 것이 바람직할 수 있다.
도 6a 및 6b를 참조하면, TIM(101)을 제조하기 위한 예시적인 방법이 도시되어 있다.
도 6a를 참조하면, 스택(500)은 복수의 층들(501)을 포함하여 형성된다.
각각의 층(501)은 도시된 바와 같이, 각각의 층(501)이 방향(도시된 바와 같이, 수직 방향)을 따라 하부 표면(502)으로부터 상부 표면(503)으로 연장되고, 층들은 그 방향으로 다른 층 위에 적층된다.
각각의 층(501)은 베이스 재료(105), 및 도 2를 참조하여 전술한 유형의 충전제 재료(106)를 포함한다. 각각의 층의 충전제 재료(106)는 이방성으로 배향된 열전도성 요소들(107)로 구성된다. 그러나, 최종 TIM(101)에 사용된 시트(102)에서와 달리, 요소들(107)은 하부 표면(502)으로부터 상부 표면(503)까지 수직 방향을 따라가기 보다는 수직 방향을 가로지르는 열 흐름 방향을 촉진하도록 배향된다. 따라서, 스택의 이러한 층들(501)은 추가 처리 없이 TIM(101)으로 사용하기에 적합하지 않다.
따라서, 도 6b를 참조하면, 일부 실시예에서, 층들(501)이 함께 결합되어 모놀리식 요소(monolithic element)를 형성하도록 하기 위해 스택(500)을 압축하기 위해 수직 방향으로 힘이 가해질 수 있다(선택적으로 열과 함께). 스택(501)은 원하는 두께의 시트(102)를 형성하기 위해 예를 들어 수직 방향(도 6b에 굵은 어두운 화살표로 표시됨)으로 연장되는 평면을 따라 가는 칼날을 사용하거나 초음파 또는 레이저 절단을 사용하여 슬라이싱될 수 있다. 이 시트(102)는 스택에서 제거되어 TIM(101)을 형성한다. 특히, TIM(101)은 이제 적절한 방향으로 배향된 이방성 배향된 열전도성 요소(107)로 구성된 충전제 재료(106)를 갖는 시트(102)를 포함한다. 즉, 시트(102)는 제1 주 표면(103)과 제2 주 표면(104) 사이에서 연장되고, 충전제 재료(106)는 기본 방향을 따라 시트(102)를 통한 열전도를 촉진하기 위해 제1 주 표면(103)에서 제2 주 표면(104)을 향하는 기본 방향을 따라 우선적으로 배향되는 이방성 배향된 열전도성 요소(107)를 포함한다.
추가 TIM(101) 패드들을 생성하기 위해 추가 슬라이스를 사용할 수 있다. 즉, 전술한 적층 및 슬라이싱 프로세스는 충전제 재료가 TIM(101)으로 사용하기에 부적합한 방향으로 이방성 배향을 갖는 복수의 층들을 취하며, 원하는 배향의 충전제를 갖는 다수의 TIM(101) 패드들을 생성한다.
아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 층들(501)은 대량 생산 기술에 적합한 간단한 프로세스를 사용하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 각각의 스택 층(501)은 열전도성 요소를 포함하는 충전제 재료와 베이스 재료의 혼합물을 제공함으로써 형성될 수 있다. 일반적으로, 이 혼합물은 충전제 재료를 배향시키는 단계를 거치지 않고 만들어질 수 있으며, 결과적으로 베이스 재료에서 열전도성 요소의 등방성 분포가 생성된다. 생성된 혼합물은 열전도성 요소들이 층 내에서 이방성으로 배향되도록 물리적으로 조작될 수 있다. 예를 들어, 아래 추가 예에서 자세히 설명하는 것처럼, 혼합물은 압출되어 층(501)을 형성하거나, 압축되어 층(501)을 형성하거나, 반복적으로 폴딩되어 층(501)을 형성하거나, 이들의 임의의 조합이 가능하다.
전술한 바와 같이, 이러한 물리적 조작은 TIM(101)에서 사용하기에 바람직하지 않은 방향으로 배향된 이방성 배향된 열전도성 요소(107)를 갖는 층이 될 것이다. 그러나 이는 도 6a 및 6b를 참조하여 위에서 설명한 적층, 압축 및 슬라이싱 단계를 수행하여 수정될 수 있다.
일부 실시예에서, 베이스 재료(105)는 자가 치유 재료이고, 이에 의해 위에 제공된 압축 단계 동안 모놀리식 요소로 층들(501)의 혼합을 촉진한다. 자가 치유 재료는 또한 도 6b를 참조하여 전술한 슬라이싱 단계에서 발생할 수 있는 손상(예를 들어, 균열)에 저항한다는 점에서 유리하다.
다양한 실시예에서, 방법은 도 3을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이 TIM(101)의 주 표면들(103, 104) 중 하나 이상에 표면 처리를 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 위의 프로세스는 도 5에 도시된 TIM(101)의 대안 버전을 생성하도록 쉽게 수정될 수 있다. 일부 실시예에서, 전도성 요소, 예를 들어 탄소 요소(510)는 스택을 압축하고 슬라이싱하는 단계 전에 스택(500)의 층들(501) 중 적어도 일부 사이에 삽입된다.
탄소 요소는 흑연 또는 그래핀을 포함할 수 있고 시트들(예를 들어, 층들(501)의 표면을 가로질러 연속적으로 연장됨) 또는 스트립들(예를 들어, 층들(501)의 일부만을 덮음) 또는 임의의 다른 적합한 형상으로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 탄소 요소(501)는 흑연 또는 그래핀으로 형성될 수 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이, 스택(500)이 TIM(101)의 시트(102)를 형성하기 위해 슬라이스되면, 탄소 요소들(520)의 일부는 도 5를 참조하여 위에서 설명한 바와 같이 제1 주 표면(103)에서 제2 주 표면(104)으로 시트(102)를 통해 연장되는 열전도성 요소들(120)을 형성한다.
당업자에게 명백한 바와 같이, 상기 프로세스는 본원에 설명된 임의의 유형의 TIM(101)을 제공하도록 용이하게 적응될 수 있다.
도 6a 내지 도 7a가 특정 수의 층들(501) 및 전도성 요소들(510)을 나타내지만 적절한 수가 사용될 수 있음을 주목한다. 예를 들어, 일부 실시예는 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20개 이상의 층들(501), 예를 들어 2 내지 100개 층들의 범위 또는 이의 하위 범위를 사용한다.
추가 예시들
예시적인 TIM 패드의 제조 프로세스가 도 8 내지 도 11과 관련하여 설명된다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 본원에 기술된 예시적인 재료 및 기술은 이전 실시예에서 사용하기 위해 용이하게 조정될 수 있다.
열 인터페이스 재료(TIM)(10)의 패드를 제조하는 프로세스는 도 8에 도시된 것으로 시작한다.
도 8에는 적절한 열전도성 조성물(21)의 체적이 도시되어 있다. 열전도성 조성물(21)은 충전제, 예를 들어 금속 분말 및 이들의 혼합물(예를 들어, 알루미늄 분말, 은 분말, 구리 분말); 흑연 플레이크, 세라믹 분말(예를 들어, 알루미나, 질화붕소 등). 조성물(21)은 또한 고무(예를 들어, 아크릴 고무), 오일, 중합체, 열가소성 수지 및 열경화성 수지와 같은 재료를 포함하는 자가 지지 베이스 재료를 포함할 수 있다. 일반적으로, 열전도성 조성물(21)은 적절한 속성을 나타내는 재료로 제조될 수 있다. 속성은 예를 들어 유연성 및 우수한 열전도성을 포함할 수 있다. 다른 다양한 재료가 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 실온에서 실질적으로 고체인 열가소성 수지가 사용된다. 적합한 열가소성 수지의 일부 예는 아크릴 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지, 불소 수지 등을 포함한다. 이것들은 단독으로 또는 다른 재료와 조합하여 사용될 수 있다(가능한 한).
열가소성 수지는 고체와 조합하여 사용될 수 있다. 사용될 수 있는 열가소성 중합체/수지는 예를 들어 폴리(2-에틸헥실 아크릴레이트), 2 - 에틸헥실 아크릴레이트-아크릴산 공중합체, 폴리메타크릴산 또는 그 에스테르, 폴리아크릴산 또는 그 에스테르와 같은 아크릴 수지; 실리콘 수지; 불소 수지; 폴리에틸렌; 폴리프로필렌; 에틸렌-프로필렌 공중합체; 폴리메틸펜텐; 폴리염화비닐; 폴리비닐 아세테이트; 에틸렌 - 비닐 아세테이트 공중합체; 폴리비닐알코올; 폴리아세탈; 폴리에틸렌 테레프탈레이트; 폴리에틸렌; 폴리스티렌; 폴리아크릴로니트릴; - 스티렌 아크릴로니트릴 공중합체; 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS 수지) - - 공중합체; 스티렌 부타디엔 블록 공중합체 또는 그 수소 첨가물; 스티렌-이소프렌 블록 공중합체 공중합체 또는 그 수소 첨가물; 폴리페닐렌 에테르; 변형된 폴리페닐렌 에테르, 지방족 폴리아미드; 및 방향족 폴리아미드; 폴리아미드; 폴리카보네이트; 폴리페닐렌 설파이드; 폴리설폰; 폴리에테르술폰; 폴리에테미트릴; 폴리에테르케톤; 폴리케톤; 폴리우레탄; 액정 중합체; 이오노머; 등등을 포함한다. 이것들은 단독으로 또는 다른 재료와 조합하여 사용될 수 있다(가능한 한).
일부 실시예에서, 열가소성 플루오로카본 수지가 사용된다. 이것은 향상된 내열성, 내유성 및 내화학성과 같은 특정 다른 이점을 초래할 수 있다.
유용할 수 있는 고체 열가소성 플루오로수지는 예를 들어 비닐리덴 플루오라이드, 테트라플루오로에틸렌 - 프로필렌, 테트라플루오로에틸렌-[파푸루오로비니루에테-루[파푸루오로비니루에테루]계 등, 생성된 엘라스토머의 불소 함유 중합성 단량체 등을 포함한다. 더 구체적으로, 폴리-테트라플루오로에틸렌, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐 에테르 공중합체, 테트라플루오로에틸렌 헥사플루오로프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌 - 에틸렌 공중합체, 폴리불화비닐리덴, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 에틸렌 - [쿠로로후루오로에치렌[쿠로로후루오로에치렌] 공중합체, 테트라플루오로에틸렌 - [파후루오로지오키소루[파후루오로지오키소루] 공중합체, 폴리불화비닐, 테트라플루오로에틸렌 - 프로필렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌 - 헥사-아플루오로프로필렌 공중합체[비니리덴후루오라이도[비니리덴후로라이도]-, 아크릴 변성 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 변성 에스테르, 에폭시 변성 실란 변성 폴리테트라플루오로에틸렌 및 폴리테트라플루오로에틸렌 등.
열경화성 수지로 사용될 수 있는 추가 재료는 예를 들어 천연 고무; 아크릴레이트 고무; 부타디엔 고무; 이소프렌 고무; 니트릴 고무; 수소화 니트릴 고무; 클로로프렌 고무; 에틸렌-프로필렌 고무; 염소화 폴리에틸렌; 클로로설폰화 폴리에틸렌; 부틸 고무; 할로겐화 부틸 고무; 폴리이소부틸렌 고무; 폴리아크릴 고무; 에폭시 수지; 폴리이미드 수지; 비스말레이미드 수지; 벤조시클로부텐 수지; 페놀 수지; 불포화 폴리에스테르; 디알릴 프탈레이트 수지; 폴리이미드 수지; 폴리우레탄; 열경화성 폴리페닐렌 에테르; 열경화성 폴리페닐렌 에테르; 등을 포함한다.
일부 실시예에서, 열전도성 조성물(21)은 폴리(비닐 아세테이트)(PVA) 또는 폴리(에테닐 에타노에이트)(PVAc)를 포함한다. 일반적으로 PVA는 화학식 (C4H602)n을 갖는 지방족 고무질 합성 중합체이다. PVA는 일반식 -[RCOOCHCH2]-를 갖는 폴리비닐 에스테르 계열에 속하며 열가소성 수지의 한 유형이다. 일부 실시예에서, 열전도성 조성물(21)은 비실리콘 기재 재료이다. 한 가지 추가 예는 대두유 베이스 재료를 포함한다.
전술한 자료는 단독으로, 또는 이들 또는 다른 자료와 조합하여 사용될 수 있다(가능한 한).
열전도성 조성물(21) 내에 열 충전제의 분산물이 배치된다. 열 충전제는 나노재료 및/또는 마이크로재료로서 제공될 수 있다.
일반적으로 열 충전제는 일부 형상 또는 형태를 나타내므로 적어도 하나의 차원적 양태를 갖는다(예를 들어, 주 표면과 부 차원을 갖는 얇은 플레이크 또는 하나의 주 차원과 두 개의 횡단하는 부 차원들을 갖는 신장된 요소). 열 충전제는 분산을 위해 선택될 수 있고 우수한 열전도성을 나타낼 수 있다. 나노재료의 일부 예는 탄소 나노튜브의 형태(단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 및 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT) 포함)와 같은 형태뿐만 아니라 나노홈(nanohom), 나노-어니언(nano-onion), 카본 블랙, 풀러렌(fullerene), 그래핀, 산화 그래핀, 및 상기의 다양한 처리된 형태를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, 나노재료는 금속 나노-입자, 금속 산화물 나노-입자, 및/또는 적어도 하나의 형태의 열전도성 중합체를 추가로 포함한다. 열 충전제는 마이크로재료로 제공될 수 있으며, 이에 제한되지는 않지만 흑연, 질화붕소, 질화붕소 플레이크, 질화붕소 나노스크롤, 질화알루미늄, 질화알루미늄 위스커, 탄소 나노튜브, 금속 입자, 금속 산화물 입자 및/또는 열전도성 중합체의 적어도 하나의 형태를 포함한다.
본원에 사용된 바와 같이, 용어 "마이크로재료"는 약 0.1 마이크론 내지 약 200 마이크론 범위의 하나 이상의 치수를 나타내는 차원 열 충전제 재료를 지칭한다(예를 들어, 마이크로스케일 입자 또는 플레이크). 일반적으로, 용어 "나노재료"는 약 수 나노미터 내지 약 100 나노미터 범위의 하나 이상의 치수를 나타내는 차원 열 충전제 재료를 지칭한다(0.1 마이크론)(예를 들어, 나노튜브, 나노로드, 나노입자, 나노쉘, 나노홈 및 그래핀 플레이크와 같은 나노크기 플레이크).
열 충전제의 작은(diminutive) 성질을 감안할 때, 일부 실시예에서, 이를 열전도성 조성물(21)에 혼합할 때 배향을 제어하는 것이 불가능하다. 따라서, 열 충전제의 분산은 열전도성 조성물(21)의 체적 내에 배치된 무작위로 배향된 차원 재료(22)를 초래한다.
열 충전제가 열전도성 조성물(21) 내에서 무작위로 배향되기 때문에, 방향성 열전도성의 유리한 특성이 없다. 보다 구체적으로, 그리고 방향 화살표로 도 8에 도시된 바와 같이, 방향성 배열 없이, 열 충전제의 등방성 열전도율 선호도는 열이 임의의 방향으로 전도되게 한다. 그러나 도 9에 도시된 바와 같이 배향된 재료(100)를 형성하기 위해 이방성 배향으로 차원 열 충전제를 재배열할 때 열 충전제의 잠재력이 이용될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 열전도성 조성물(21)에 분산된 열 충전제는 배향 재료 층(100)에서 방향성으로 배향된 차원 재료(32)로서 배열될 수 있고, 예를 들어, 도 6a 내지 도 7b를 참조하여 위에서 설명된 스택 및 슬라이스 프로세스에서 층들(501)으로서 사용하기에 적합하다.
배향된 차원 재료(32)를 제공하기 위한 예시적인 기술은 수압 프레싱(hydraulic pressing) 또는 압출을 포함한다. 일부 실시예에서, 수압 프레싱은 무작위로 배향된 차원 재료(22)의 분산을 갖는 열전도성 조성물(21)의 체적으로 시작한다. 재료의 체적은 실질적으로 평면 형태로 압축되거나 압출된다. 일부 실시예에서, 실질적으로 평면인 형태는 그 다음 그 자체로 폴딩되어, 예를 들어 볼 또는 입방체 체적으로 효과적으로 재성형된다. 그런 다음 재료의 체적이 다시 실질적으로 평면 형태로 압축된다. 일반적으로, 반복적인 프레싱과 폴딩을 통해 예를 들어, 도 6a 또는 도 6b를 참조하여 층(501)에서 위에 도시된 바와 같이 임의의 방향으로 배치된 충전제 재료를 평면 배향으로 유도한다.
충전제 재료가 원하는 배향으로 이동하도록 하기 위해, 예를 들어, 전술한 바와 같은 프레싱 또는 압출 공정 동안 열전도성 조성물(21)과 무작위 배향된 차원 재료(22)의 분산물의 혼합물이 가열될 수 있다. 일반적으로, 열전도성 조성물(21)과 무작위로 배향된 차원 재료(22)의 혼합물을 가열하면 열전도성 조성물(21)의 점도가 감소하여, 따라서 무작위로 배향된 차원 재료(22)의 원하는 배향으로의 이동을 촉진한다.
도 9에서 방향 화살표로 나타낸 바와 같이, 차원 재료(32)가 방향성 배열로 제공될 때, 나노재료의 이방성 열전도율 선호도는 일반적으로 X-Y 평면에서 열이 전도되도록 한다. 이 속성은 본원에 개시된 열 패드를 제공하기 위해 이용된다. 일부 실시예에서
도 10에 도시된 바와 같이, 배향된 재료(100)는 분할되어 스택(40)으로 배치될 수 있다. 일단 스택(40)에서, 배향된 열 인터페이스 재료(TIM)(100)가 더 분할될 수 있다. 예를 들어, 스택(40)은 X-Z 평면에 있는 A-평면으로 표시된 가상 평면을 따라 절단될 수 있다. 결과는 도 11에 나와 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 배향 패드(50)는 도 4에 도시된 스택(40)의 일부를 포함한다. 일반적으로, 배향 패드(50)는 도 1에 도시된 열 관리 시스템(1)에 사용하기에 적합한 치수로 제조된다. 결과적인 벡터는 X-Y 평면을 통해 열원(5)으로부터 열을 실질적으로 전달한다. 일부 열 충전재는 실질적으로 열을 방향으로 전달할 것이지만, 나노재료의 실질적으로 동등한 부분은 실질적으로 Y 방향으로 열을 전달할 것으로 예상된다. 달리 말하면, 열 충전제 재료의 이방성 열전도율은 열의 상당 부분을 X-Y 평면을 통해 전달하지만 Z 방향의 열 전달은 제한된다(같은 이유로). 따라서, 배향된 패드(50) 내에서 열의 제한된 재순환이 존재한다.
배향 패드(50)의 열전도율의 성능은 표준화된 테스트 벤치를 사용하여 일련의 테스트에서 평가되었다. 테스트에는 경쟁 제품과의 비교가 포함되었다. 테스트 벤치에 놓았을 때, 각 제품은 약간의 압축을 경험했다. 제시된 압축은 하기 표 1에 제시되어 있다. 아래 데이터 표에서 "NaL 패드"는 배향 패드(50)를 나타낸다. 열전도율 평가를 위한 테스트 데이터는 도 12에 나와 있다.
경쟁 제품의 압축
TIM 두께(mm) 변화
서술 전 후 (%)
t-글로벌, 2w/mK 1.94 1.87 -3.61
t-글로벌, 6w/Mk 2.03 2.025 -0.25
파나소닉, 13w/mK 2.02 2 -0.99
후지폴리, 17w/mK 1.5 1.475 -1.67
NaL 패드, 거친 1.755 1.69 -3.70
NaL 패드, 플랫한 1.36 1.35 -0.74
도 12에 도시된 바와 같이, 생성된 배향 패드(50)는 테스트된 모든 경쟁 패드 제품보다 성능이 우수하다. 데이터는 배향 패드(50)의 열전도율 성능이 포팅 재료(potting material)(즉, 포팅 재료로 열원(5)의 재키팅(jacketing))의 열 성능과 실질적으로 동등함을 보여준다.도 13에서, 치수 열 재료의 배향으로부터 실현된 효과를 보여주는 비교가 나와 있다. 도시된 데이터를 생성하는 데 사용된 열 관리 시스템(1)에서 열 확산기(7)는 생략되었다. 열 인터페이스 재료(10)의 3개의 샘플들이 테스트되었다. 첫 번째 샘플에는 실질적으로 수직으로 배향된 열 충전제 재료가 포함된 표준(STD)이 포함되었다. 열원(5)과 히트 싱크(2) 사이의 온도 차이는 빠르게 평형에 도달하여 약 5°C에서 유지되었다. 열 인터페이스 재료(10)의 두 번째 샘플(45도)은 약 45도 각도에서 발생하는 슬라이싱으로 본원에 설명된 슬라이싱 기술을 사용하여 제작되었다. 열 인터페이스 재료(10)의 세 번째 샘플은 원하는 열 플럭스 방향에 실질적으로 직교(90도)로 배향된 열 충전제 재료를 포함하였다.
열원(5)과 히트 싱크(2) 사이의 더 작은 온도 차이를 나타내는 것은 더 낮은 열 저항을 나타낸다. 따라서 첫 번째 샘플의 온도 차이가 가장 작기 때문에, 열이 X-Y 평면(도 11에 정의됨)을 통해 전달되도록 입자를 배향하면 열 인터페이스 재료(10)의 열전도율이 향상된다는 것이 분명하다.
열 인터페이스 재료의 양태를 소개한 후 몇 가지 추가 양태 및 예시가 제공된다.
열 인터페이스 재료는 연질 재료(soft material)로 형성될 수 있다. 일반적으로 열 인터페이스 재료는 제작(슬라이스 및 스택 절차) 중 자가 치유된다.
일반적으로, 열 인터페이스 재료는 갭 충전이 필요한 어플리케이션에 유용하다. 즉, 열 인터페이스 재료는 불규칙한 표면에 대한 우수한 적합성을 제공한다.
일부 실시예에서, 열 인터페이스 재료는 약 0.25 mm 내지 약 5 mm의 두께 옵션, 및 최대 약 60 W/mK 이상의 열전도율을 갖는 플랙서블 중합체 시트 재료를 포함한다. 현재 고성능 TIM 시트는 약 5 W/mK인 경향이 있다. 그 결과 성능이 4배 향상되어 고전력을 사용하는 어플리케이션을 위한 기술이 가능해졌다. 거의 모든 전원 시스템에서 고성능 TIM을 활용할 수 있다.
열 인터페이스 재료의 어플리케이션은 이에 제한되는 것은 아니지만 다음을 포함한다: 전원 공급 장치, 자동차 전자 제품, 모터 제어 장치, 전력 반도체, 히트 싱크 인터페이스, 처리 시스템 및 컴퓨터, 증폭기, 비디오 처리 장비, 제어 시스템 등과 같은 기타 전자 장치.
일부 실시예에서, 생성된 제품은 60 W/mK 이상의 열전도율을 나타낸다. 제품은 시트로 제공될 수 있으며, 일부 실시예에서 표준 프린터 용지의 대략적인 크기의 시트로 제공될 수 있다. 제품은 약 0.25 mm 내지 5 mm의 두께를 가질 수 있고 두께가 더 작거나 클 수 있다. 제품은 -60°C 내지 250°C 범위(또는 그의 임의의 하위 범위, 예를 들어, -40°C 내지 150°C)의 온도에서 유용할 수 있고 더 낮거나 더 높은 온도 범위에서 유용할 수 있다. 일반적으로 제품은 가스가 발생하지 않으며 열 순환 시 크리프(creep)를 나타내지 않는다. 일반적으로 제품은 유연하고 주변 컴포넌트를 따른다. 일반적으로 제품은 재작업이 가능하며 기존/공통 제조 공정에서 사용될 수 있다.
본원의 교시의 양태를 제공하기 위해 다양한 다른 컴포넌트들이 포함될 수 있고 요구될 수 있다. 예를 들어, 추가적인 재료, 재료의 조합 및/또는 재료의 생략은 본원의 교시의 범위 내에 있는 추가된 실시예를 제공하기 위해 사용될 수 있다.
본원의 교시의 다양한 수정이 실현될 수 있다. 일반적으로 수정은 사용자, 설계자, 제조업체 또는 기타 유사한 이해 관계자의 요구에 따라 설계될 수 있다. 수정은 해당 당사자가 중요하게 생각하는 특정 성능 표준을 충족하기 위한 것일 수 있다.
첨부된 청구항 또는 청구항 요소는 "을 위한 수단" 또는 "을 위한 단계"라는 단어가 특정 청구범위에서 명시적으로 사용되지 않는 한 35 U.S.C. § 112(f)를 적용하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명의 요소 또는 그 실시예(들)를 도입할 때, 단수 관사 ("a", "an" 및 "the")는 요소들 중 하나 이상이 있음을 의미한다. 유사하게, 요소를 도입하기 위해 사용될 때 형용사 "또 다른"은 하나 이상의 요소들을 의미하도록 의도된다. "포함하는" 및 "갖는"이라는 용어는 나열된 요소 외에 추가적인 요소가 있을 수 있도록 포괄적으로 의도된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "예시적인"이라는 용어는 최상의 예를 의미하는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, "예시적인"은 많은 가능한 실시예 중 하나인 실시예를 지칭한다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물이 그 요소를 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 교시에 특정 도구, 상황 또는 재료를 적용하기 위한 많은 수정이 당업자에 의해 인식될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고려되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예에 제한되지 않고, 본 발명이 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 모든 실시예를 포함할 것으로 의도된다.

Claims (41)

  1. 열 인터페이스 재료(thermal interface material)에 있어서,
    제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에서 연장되는 시트(sheet)를 포함하고, 상기 시트는:
    베이스 재료; 및
    이방성으로(anisotropically) 배향된 열전도성 요소들을 포함하는 상기 베이스 재료에 매립된 충전제 재료(filler material)를 포함하고;
    상기 열전도성 요소들은 기본 방향을 따라 상기 시트를 통한 열전도를 촉진하기 위해 상기 제1 주 표면으로부터 상기 제2 주 표면을 향해 상기 기본 방향을 따라 우선적으로 배향되고;
    상기 베이스 재료에는 실리콘이 실질적으로 없고; 그리고
    상기 기본 방향을 따른 상기 시트의 열전도율은 적어도 20 W/mK인, 열 인터페이스 재료
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시트는 함께 압축된 베이스 재료의 복수의 층들의 스택으로부터 분리된 슬라이스(slice)를 포함하고;
    상기 층들의 각각은 충전제 재료로 매립되고, 각 층의 상기 충전제 재료는 이방성으로 배향된 열전도성 요소들을 포함하고; 그리고
    상기 스택으로부터 분리되는 동안 상기 슬라이스의 배향은 상기 열전도성 요소들이 상기 기본 방향을 따라 상기 시트를 통한 열전도를 촉진하기 위해 상기 제1 주 표면으로부터 상기 제2 주 표면을 향해 상기 기본 방향을 따라 우선적으로 배향되도록 하는 것인, 열 인터페이스 재료.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스 재료는 자가 지지(self-supporting) 플랙서블 층을 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스 재료는 열가소성 재료(thermoplastic material)를 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기본 방향을 따른 상기 시트의 상기 열전도율이 적어도 30 W/mK인, 열 인터페이스 재료.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기본 방향을 따른 상기 시트의 상기 열전도율이 적어도 50 W/mK인, 열 인터페이스 재료.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기본 방향을 따른 상기 시트의 상기 열전도율이 적어도 60 W/mK인, 열 인터페이스 재료.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트는 40 내지 90 범위의 쇼어 경도(Shore hardness)를 특징으로 하는, 열 인터페이스 재료.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트는 50 내지 80 범위의 쇼어 경도를 특징으로 하는, 열 인터페이스 재료.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트는 60 내지 70 범위의 쇼어 경도를 특징으로 하는, 열 인터페이스 재료.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제 재료는 세라믹 플레이크(ceramic flake)들을 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제 재료가 질화붕소 플레이크들을 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제 재료가 흑연 플레이크들을 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제 재료가 그래핀(graphene) 플레이크들을 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제 재료는 탄소 나노튜브, 탄소 나노튜브의 번들, 및 정렬된 탄소 나노튜브의 덩어리로 이루어진 리스트로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트는 상기 시트의 상기 제1 주 표면 또는 상기 제2 주 표면 근위의 영역을 포함하고, 상기 충전제의 상기 열전도성 요소들의 서브세트를 포함하는 상기 영역은 상기 표면에서 더 멀리 위치된 상기 열전도성 요소들보다 덜 이방성으로 배향된 영역인, 열 인터페이스 재료.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트는 상기 시트의 상기 제1 주 표면에 근접한 제1 영역 및 상기 시트의 제2 주 표면에 근접한 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 및 제2 영역들의 각각은 상기 표면에서 더 멀리 위치된 상기 열전도성 요소들보다 덜 이방성으로 배향된 상기 충전제의 상기 열전도성 요소들의 각각의 서브세트를 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트의 상기 제1 주 표면 및 상기 제2 주 표면 중 적어도 하나는 표면 평활(surface smoothness)을 촉진하기 위해 용매로 처리된 표면 영역을 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기본 방향을 따라 상기 제1 주 표면으로부터 상기 제2 주 표면으로 상기 시트를 통해 연장되고 상기 제1 표면으로부터 상기 제2 표면으로의 열 흐름을 촉진하도록 구성된 탄소 요소들을 더 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  20. 제19항에 있어서, 상기 탄소 요소들은 흑연 시트들을 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  21. 제19항에 있어서, 상기 탄소 요소들은 흑연 스트립들을 포함하는, 열 인터페이스 재료.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이방성으로 배향된 열전도성 요소들은 주 표면을 갖는 플레이크 형상 요소들을 포함하고, 상기 플레이크 형상 요소들의 적어도 65%는 상기 주 표면이 상기 시트의 상기 제1 및 제2 표면들을 가로지르는 상기 기본 방향을 따라 연장되는 평면에 실질적으로 놓이도록 정렬되는, 열 인터페이스 재료.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이방성으로 배향된 열전도성 요소들은 주 표면을 갖는 플레이크 형상 요소들을 포함하고, 상기 플레이크 형상 요소들의 적어도 75%는 상기 플레이크 형상 요소들의 상기 주 표면이 상기 시트의 상기 제1 및 제2 표면들을 가로지르는 상기 기본 방향을 따라 연장되는 평면에 실질적으로 놓이도록 정렬되는, 열 인터페이스 재료.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이방성으로 배향된 열전도성 요소들은 주 표면을 갖는 플레이크 형상 요소들을 포함하고, 상기 플레이크 형상 요소들의 적어도 85%는 상기 플레이크 형상 요소들의 상기 주 표면이 상기 시트의 상기 제1 및 제2 주 표면들을 가로지르는 상기 기본 방향을 따라 연장되는 평면에 실질적으로 놓이도록 정렬되는, 열 인터페이스 재료.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이방성으로 배향된 열전도성 요소들은 주 표면을 갖는 플레이크 형상 요소들을 포함하고, 상기 플레이크 형상 요소들의 적어도 95%는 상기 주 표면이 상기 시트의 상기 제1 및 제2 주 표면들을 가로지르는 상기 기본 방향을 따라 연장되는 평면에 실질적으로 놓이도록 정렬되는, 열 인터페이스 재료.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제 재료가 상기 시트의 50 중량% 이상인, 열 인터페이스 재료.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제 재료가 상기 시트의 70 중량% 이상인, 열 인터페이스 재료.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제 재료가 상기 시트의 80 중량% 이상인, 열 인터페이스 재료.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제 재료가 상기 시트의 90 중량% 이상인, 열 인터페이스 재료.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 충전제 재료가 상기 시트의 95 중량% 이상인, 열 인터페이스 재료.
  31. 열 인터페이스 재료의 제조 방법으로서, 상기 방법은:
    복수의 층들을 포함하는 스택을 형성하는 단계로, 여기서:
    각각의 층은 베이스 재료, 및 이방성으로 배향된 열전도성 요소들을 포함하는 충전제 재료를 포함하고;
    각각의 층은 수직 방향을 따라 하부 표면에서 상부 표면으로 연장되고, 상기 층들은 상기 수직 방향으로 적층되는, 상기 스택을 형성하는 단계;
    상기 수직 방향을 따라 상기 스택을 압축하기 위해 상기 스택에 힘을 적용하는 단계; 및
    시트를 형성하기 위해 상기 수직 방향으로 연장되고 상기 층들의 상기 상부 및 하부 표면들을 가로지르는 평면을 따라 상기 스택을 슬라이싱하는 단계를 포함하고;
    상기 열전도성 요소들은 상기 수직 방향을 가로지르는 방향으로 우선적으로 촉진된 열 흐름으로 배향되고; 그리고
    상기 시트는 제1 주 표면과 제2 주 표면 사이에서 연장되며 기본 방향을 따라 상기 시트를 통한 열전도를 촉진하기 위해 상기 제1 주 표면으로부터 상기 제2 주 표면을 향해 상기 기본 방향을 따라 우선적으로 배향되는 이방성 배향된 열전도성 요소들을 포함하는 상기 충전제 재료 및 상기 베이스 재료의 일부를 포함하는, 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 스택을 형성하는 단계의 완료 전에, 각각의 층을:
    상기 열전도성 요소들을 포함하는 충전제 재료와 베이스 재료의 혼합물을 제공하는 단계; 및
    상기 열전도성 요소들이 상기 층 내에서 이방성으로 배향되도록 상기 혼합물을 물리적으로 조작하는 단계를 포함하는 방법으로 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 열 전도성 요소들이 상기 층 내에서 이방성으로 배향되도록 하기 위해 상기 혼합물을 물리적으로 조작하는 단계는 상기 층을 형성하기 위해 상기 혼합물을 압출하는 단계, 상기 층을 형성하기 위해 상기 혼합물을 압축하는 단계, 상기 층을 형성하기 위해 상기 혼합물을 반복적으로 폴딩(folding)하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  34. 제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스 재료가 자가 치유 재료인, 방법.
  35. 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스택을 상기 슬라이싱하는 단계 이전에 상기 스택의 상기 층들 중 적어도 일부 사이에 탄소 요소들을 삽입하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  36. 제32항에 있어서, 상기 탄소 요소들은 흑연 시트, 흑연 스트립, 그래핀 시트, 및 그래핀 스트립으로 이루어진 리스트로부터 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  37. 제31항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면의 평활도를 향상시키기 위해 상기 시트의 상기 제1 주 표면 및 상기 제2 주 표면 중 적어도 하나에 용매를 적용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 표면의 적어도 일부에 압력을 적용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  39. 제31항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트의 상기 제1 주 표면 또는 상기 제2 주 표면에 근접한 상기 시트의 영역을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 충전제의 상기 열 전도성 요소들의 서브세트를 포함하는 상기 영역은 상기 표면에 더 멀리 위치된 상기 열 전도성 요소들보다 덜 이방성으로 배향된 영역인, 방법.
  40. 제31항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시트의 상기 제1 주 표면 및 상기 제2 주 표면 중 적어도 하나에 대한 접착층을 더 포함하는, 방법.
  41. 제31항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 인터페이스 재료가 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항의 열 인터페이스 재료를 포함하는, 방법.
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