KR20240040372A - 상변화 금속을 적용한 열전도성 복합시트 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
액체 금속을 적용하여 열 전달이 신속하고 효율적으로 수행될 수 있도록 한 열전도성 복합시트가 개시된다. 두께방향으로 관통구멍이 형성된 열전도성 시트; 상기 관통구멍 부분을 메우는 금속 플러그; 및 상기 열전도성 시트의 어느 한 면에 형성되고 상기 플러그와 연결된 금속층으로 구성되고, 상기 금속 플러그와 상기 금속층은 같은 재질이고 상온에서 고상을 유지하고 일정 온도 이상에서 액상으로 상변화하는 상변화 물질로 구성된다.
Description
본 발명은 상변화 금속을 적용한 열전도성 복합시트에 관한 것으로, 특히 일정온도에서 액상 금속으로 상변화되는 고상의 금속시트와 열전도율이 좋은 열전도성 시트를 적용하여 재료비가 적게 들면서 발열소자에서 발생한 열을 냉각부재에 신속하고 효율적으로 전달할 수 있도록 한 기술에 관련한다.
중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU) 또는 그래픽 처리장치(Graphics Processing Unit, GPU) 등으로서 기능하는 반도체 장치를 구성하는 반도체 칩은 히트 싱크, 베이퍼 챔버나 히트 파이프 등의 냉각부재에 열적으로 접속되어 냉각된다.
기존에는 반도체와 냉각부재 사이에 설치된 열전도성 재료로서 실리콘고무에 열전도성 파우더를 혼합한 전기절연인 액상의 열전도성 그리스(Thermal Grease)나 열전도성 페이스트(Thermal Paste)가 주로 적용된다.
이러한 열전도성 그리스(Thermal Grease)나 열전도성 페이스트는 발열체인 반도체 위에 디스펜싱 되거나 인쇄된 후 그 위를 냉각부재가 눌러서 반도체와 냉각부재 사이에 개재된다.
그러나 반도체의 발열량이 증가하면, 이러한 그리스나 페이스트가 갖는 열 저항 및 열전도율에 기인하여 반도체를 충분하고 효율적으로 냉각하는 것이 어려워진다. 예를 들어, 유동성을 갖으며 열전도율이 낮은 실리콘 고무에 의해 열저항을 낮추고 열전도율을 높이는데 한계가 있고, 액상을 사용하므로 넓은 면적에 균일한 두께로 신뢰성 있고 경제성 있게 제공하기 불편하다는 단점이 있다.
종래의 기술로 일본 특허공개 2007-335742에서는, 상기와 같은 열전도성 그리스 대신에, 반도체 동작시의 열에 의해 액화하는 금속이 반도체 칩과 방열기 사이의 열전도 재료로 이용되고 있다. 이러한 금속을 이용하면, 반도체 칩과 방열기 사이의 열 저항이 낮아져 반도체의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 일본 특허공개 WO2020/162417에서는, 냉각부재와 반도체 사이에 금속의 열전도 재료가 개재되는데, 열전도 재료는 적어도 반도체의 동작 중에 유동성을 갖는 액체 또는 페이스트 형상을 갖는다.
그러나 이러한 기술에 의하면, 반도체 칩의 주변의 전자부품, 가령 MLCC 등을 전기적으로 절연하기 위해 절연 수지로 구성된 절연부가 형성되고 열전도 재료가 외부로 흐르지 않도록 반도체 칩의 외곽에 일정한 두께로 씰(seal)부재를 형성하므로 부피가 커지는 단점이 있다.
또한, 액상 금속은 표면장력이 커서 대향하는 대상물과 접촉면적이 작고 충분한 기계적 강도를 갖지 못한다는 단점이 있다.
또한, 스마트폰과 같은 모바일의 AP(Application processor)에 적용되는 경우, 모바일을 사용 또는 취급하는 과정에서 모바일에 가해지는 외부 충격이나 흔들림에 의해 냉각부재와 반도체 칩 사이에 개재된 유동성 있는 금속이 반도체 칩의 외곽에 씰 부재가 제공하는 빈 공간으로 이동되는 경우에 냉각효율이 나빠지고 냉각효율에 신뢰성이 적다는 단점이 있다.
또한, 장착 조건에서 액상 금속 페이스트를 사용하기 때문에 작업이 불편하고 전체적으로 넓은 면적에 균일한 두께로 제공하기 어렵다는 단점이 있다.
종래의 다른 기술로 본 발명자의 한국 등록특허 10-1979926에 의하면, 두께 방향으로 상면과 하면을 관통하는 관통구멍이 형성된 탄성 코어를 구비한 몸체; 및 상기 몸체의 관통구멍에 끼워져 결합하는 열전소자로 구성된 열 전도 부재가 개시된다.
그러나 이러한 탄성 코어는 열 전도성 실리콘고무로 구성되어 발열소자에 의해 온도가 높아져도 유동성이 크게 향상되지 않고 기본적으로 통상의 금속보다 열저항이 크고 열전도율이 낮아 냉각 성능이 한계가 있다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상온의 상변화 온도 이하에서 금속층이 고상을 유지하도록 하고 상온 이상의 상변화 온도 이상에서 액체 금속으로 상변화하여 상하 방향의 냉각 성능이 좋은 열전도성 복합시트를 효율적으로 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고가의 상변화 금속의 사용을 최소화하면서 기구적인 강도가 좋고 열전달을 잘하는 열전도성 복합시트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조가 용이하고 사용이 편리한 균일한 두께를 갖는 열전도성 복합시트를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 대향하는 대상물 사이에 개재되어 열을 전달하는 열전도성 복합시트로서, 상기 열전도성 복합시트는, 두께방향으로 다수의 관통구멍이 형성된 고상의 열전도성 시트; 상기 관통구멍 부분을 메우는 고상의 금속 플러그; 및 상기 열전도성 시트의 상하면의 적어도 한 면에 형성되고 상기 플러그와 연결된 고상의 금속층으로 구성되며, 상기 금속 플러그와 상기 금속층은 같은 재질이고 상온에서 고상을 유지하고 일정 온도 이상에서 액상으로 상변화하는 상변화 금속물질로 구성되고, 상기 상온에서 상기 금속 플러그는 상기 금속층과 일체로 형성되어 상기 금속층이 상기 열전도성 시트의 한 면에 고정된 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트가 제공된다.
바람직하게, 상기 열전도성 시트는 구리, 알루미늄, 철 또는 니켈을 포함하는 금속박이거나 금속 와이어의 직조물 또는 부직물일 수 있고, 상기 직조물이나 상기 부직물인 경우 상기 관통구멍은 상기 금속 와이어 사이의 틈에 의해 형성된다.
바람직하게, 상기 금속박, 상기 직조물 또는 상기 부직물의 표면에 니켈, 주석, 은, 금 또는 그라파이트의 증착층 또는 도금층이 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 금속박, 직조물 또는 부직물에서 상기 금속층이 형성된 면은 표면 처리가 되어 친수성을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 금속박, 직조물 또는 부직물에서 상기 금속층이 형성된 면은 에칭에 의해 표면 거칠기가 증가할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 대향하는 대상물 사이에 개재되어 열을 전달하는 열전도성 복합시트로서, 상기 열전도성 복합시트는, 고상의 열전도성 시트; 및 상기 열전도성 시트의 상하면의 적어도 한 면에 적층 형성되는 고상의 금속층으로 구성되며, 상기 금속층은 상온에서 고상을 유지하고 일정 온도 이상에서 액상으로 상변화하는 상변화 금속물질로 구성되고, 상기 열전도성 시트의 두께는 상기 금속층의 두께보다 두껍고 상기 열전도성 시트의 열전도율은 상기 금속층의 열전도율보다 크고, 상기 열전도성 시트의 상기 금속층이 형성된 면은 표면 처리나 에칭을 하여 친수성을 부여하거나 표면적을 크게 한 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트가 제공된다.
바람직하게, 상기 열전도성 시트는 금속박이고, 상기 금속층이 형성된 상기 금속박의 면에 에칭에 의해 차단턱이나 돌기가 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 다수의 관통구멍이 형성된 열전도성 시트를 준비하는 제1단계; 상온에서 고상인 상변화 금속에 열을 가해 액상으로 상변화된 액상 금속으로 상기 관통구멍 부분을 채우면서 상기 열전도성 시트의 상하면의 적어도 한 면에 상기 액상 금속을 일정 두께로 적층하는 제2단계; 및 상기 액상 금속을 상온 이하로 냉각하는 제3단계를 포함하며, 상기 제3단계에서, 상기 관통구멍 부분에 채워진 액상 금속과 상기 적층된 액상 금속이 서로 연결된 상태에서 상기 액상 금속이 냉각되어 상기 관통구멍 부분에 채워진 상변화 금속과 상기 적층된 상변화 금속이 고상이 되면서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트의 제조방법이 제공된다.
바람직하게, 상기 냉각 후 압연 롤이나 프레스에 의해 상기 상변화 금속층의 두께를 일정하게 하면서 표면을 매끄럽게 하는 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 열전도성 시트 위에 표면 처리나 에칭을 하여 친수성을 부여하거나 표면적을 크게 하여 상기 액상 금속이 상기 열전도성 시트에 잘 부착되도록 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 표면 처리나 에칭을 하여 친수성을 부여하거나 표면적을 크게 한 열전도성 시트를 준비하는 제1단계; 및 상온에서 고상을 유지하고 일정 온도 이상에서 액상으로 상변화하는 상변화 금속물질로 구성된 상변화 금속을 고상인 상태에서 열전도성 시트 위에 상온으로 증착하는 제2단계를 포함하며, 상기 증착에 의해, 상기 열전도성 시트의 상하면의 적어도 한 면에 일정 두께의 고상인 상변화 금속층이 일정한 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 대향하는 대상물과 접촉하는 금속층이 상온에서는 고상을 유지함으로써 사용성 및 균일성이 좋고 일정온도 이상에서는 액상 금속으로 변하여 열전달 효과가 좋다.
또한, 금속 플러그로 금속층을 신뢰성 있게 고정하여 금속층이 열전도성 시트에 신뢰성 있고 균일하게 형성하기 용이하다.
또한, 열전달을 잘하는 열전도성 시트를 적용하여 고가의 상변화 물질을 최소한으로 사용할 수 있고 일정온도 이하 또는 이상에서도 넓은 면적에 균일한 두께를 갖는 열전도성 복합시트를 제공하기 용이하다.
또한, 열전도성 시트의 표면에 표면 처리나 에칭을 하여 친수성을 향상하거나 접촉면적을 넓게하여 금속층을 형성하기 용이하다.
또한, 금속박의 표면에 차단턱이나 돌기를 에칭으로 형성하여 효율적인 열전달을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 열전도성 복합시트를 적용한 반도체 장치의 일 예를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 열전도성 복합시트를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 열전도성 복합시트에 적용되는 열전도성 시트의 일 예를 보여준다.
도 2는 본 발명의 열전도성 복합시트를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 열전도성 복합시트에 적용되는 열전도성 시트의 일 예를 보여준다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 열전도성 복합시트를 적용한 반도체 장치의 일 예를 나타낸다.
반도체 장치는 동작 시 발열하는 반도체 칩(110)과 반도체 칩(110)의 하측에 위치하는 기판(패키지 기판)(130)과 반도체 칩(110)과 기판(130)을 기구적 또는 전기적으로 결합하는 부속물로 이루어진다.
예를 들어, 반도체 칩(110)은 CPU 또는 GPU일 수 있고, 기판(130)의 상면에, 예를 들면, 플립 칩 실장되고 반도체 칩(110)의 하면에 형성된 복수의 솔더 범프(112)와 기판(130)에 형성된 범프(도시하지 않음)가 솔더볼에 의해 납땜된다.
반도체 칩(110)과 기판(130) 사이의 간극에는 언더필(under fill)(114)이 충전될 수 있다.
기판(130)의 상면에는 반도체 칩(110) 이외에 MLCC 등의 다수의 전기 부품이 실장될 수 있는데, 설명의 편의를 위하여 이 실시 예에서는 도시되지 않았고, 기판(130)은 전자 기기가 실장된 회로 기판(140)에 실장된다.
반도체 칩(110)의 상면에는 열전도성 복합시트(200)가 접촉하게 위치하고, 열전도성 복합시트(200) 위에 냉각부재(120)가 접촉하게 위치하여 열전도성 복합시트(200)는 반도체 칩(110)에서 발생한 열을 냉각부재(120)로 전달하는 구조를 갖는다.
냉각부재(120)는 다양한 구조를 구비할 수 있는데, 가령 금속덮개, 금속히트싱크 또는 금속 베이퍼 챔퍼일 수 있고, 바람직하게 반도체 칩(110)의 상면에 대응하는 면은 평면을 이룬다.
도 2는 본 발명의 열전도성 복합시트(200)를 나타낸다.
열전도성 복합시트(200)는, 두께방향으로 관통구멍(240)이 형성된 열전도성 시트(210), 관통구멍(240) 부분을 메우는 금속 플러그(250), 열전도성 시트(210)의 상하면 중 적어도 한 면에 형성되고 플러그(250)와 연결된 금속층(220, 230)으로 구성된다.
이 실시 예에서, 금속 플러그(250)와 금속층(220, 230)은 같은 재질이고 상온에서 고상을 유지하고 서로 연결되며 일정 온도 이상에서 액상으로 상변화하는 상변화 금속으로 구성된다.
이러한 구조에 의하면, 금속 플러그(250)와 금속층(220, 230)이 같은 재질로 서로 연결되기 때문에, 결과적으로 상온에서 고상의 금속층(220, 230)은 고상의 금속 플러그(250)에 의해 고정되고 지지되어 고상의 금속층(220, 230)은 열전도성 시트(210)의 상하면 중 적어도 한 면에 신뢰성 있게 적층되어 형성될 수 있고 열전달을 잘 할 수 있다.
바람직하게, 고상의 금속층(220, 230)이 열전도성 시트(210)의 상하면 모두에 형성되어 상온 이상의 온도에서 액상으로 변한 금속층(220, 230)이 대향하는 상하방향의 대상물 모두와 열전달을 잘 하도록 할 수 있다.
이러한 복합시트(200)은 열전도성 시트(210)가 기구적으로 필요한 강도 및 두께를 제공할 수 있어 금속층(220, 230)의 두께를 얇게 해서 고가의 상변화 금속을 적게 사용할 수 있다는 이점이 있고 일정 온도 이상일 때 금속층(220, 230)이 액상으로 변하여 대상물 사이에서 넓은 면적에 고르게 형성되어 효율적인 열전달을 할 수 있다.
예들 들어, 동일한 두께인 경우 상변화 금속만으로 이루어진 경우에 비해 얇은 두께의 금속층(220, 230)을 형성하여 제조원가를 줄일 수 있고, 열전도성이 우수한 열전도성 시트(210)를 통한 열전달과 함께 금속 플러그(250)를 통한 열전달을 하도록 함으로써 열을 보다 잘 전달할 수 있다.
바람직하게, 고가의 금속층(220, 230)이 적게 사용되도록 금속층(220, 230)의 두께는 열전도성 시트(210)의 두께보다 얇다.
바람직하게, 열전도성 복합시트(200)는 금속박이고 두께는 대략 3㎛ 내지 100㎛ 정도일 수 있다.
열전도성 시트(210)는 금속층(220, 230)의 열전도율 보다 높은 열전도율을 갖는 구리, 알루미늄, 철 또는 니켈을 포함하는 금속박이 사용될 수 있다.
이와 같이, 열전도성 시트(210)인 금속박의 열전도율이 금속층(220, 230)의 열전도율보다 높아 열 전달을 잘 되고 기계적 강도를 제공할 수 있다는 이점이 있다.
열전도성 시트(210)의 금속박의 표면에 니켈, 주석, 은, 금 또는 그라파이트의 증착층 또는 도금층이 형성되어 금속층(220, 230) 등에 의한 부식을 방지할 수 있다.
바람직하게, 금속층(220, 230)이 적층되는 열전도성 시트(210)의 면은 플라즈마 등의 표면처리나 에칭처리 등이 되어 표면을 거칠게 하거나 친수성을 갖도록 하여 금속층(220, 230)과의 접촉이 향상되거나 많아지게 할 수 있다.
통상의 상변화 액상 금속은 표면장력이 커서 대향하는 대상물과 접촉면적이 작고 기계적 강도도 부족하다는 단점이 있는데 열전도성 시트(210)에 친수성을 부여하여 액상 금속의 표면장력을 줄임으로써 또는 열전도성 시트(210)의 표면을 에칭처리하여 액상 금속이 열전도성 시트(210)에 잘 접촉하거나 접촉하는 면적을 크게 할 수 있다.
이러한 열전도성 시트(210)는 상온 이상에서도 충분한 기계적 강도를 갖아 복합시트(200)의 기계적 강도는 충분할 수 있다.
열전도성 시트(210)를 두께방향으로 관통하여 형성되는 관통구멍(240)은 열전도성 시트(210)가 구리나 알루미늄 등의 금속박인 경우 관통구멍(240)을 다양하게 제공할 수 있게 에칭에 의해 형성되나 에칭이 어려운 경우에 금형 타발에 의해 형성될 수 있다.
관통구멍(240)의 개수나 위치는 한정하지 않지만 바람직하게 좌우 상하에 하나 이상이고 열이 집중적으로 발생하는 반도체 베어칩에 대응하는 부위에 집중적으로 형성될 수 있다.
금속층(220, 230)은 바람직하게, 반도체 칩이 아이들(idle) 상태로 작동하여 일정 온도 이하이거나 컴퓨터 조립실 또는 룸(Room) 등의 온도인 상온인 경우 고상으로 유지되고, 반도체 칩의 작동에 따라 온도가 높아지면 액상으로 변하는 상변화 금속으로 구성되는데, 상변화 금속은 여러 종류의 합금이 시중에 판매되고 있으며, 가령 적어도 갈륨(Gallium)이나 인듐(indium)을 포함하는 합금일 수 있으나 이에 한정하지는 않는다.
여기서, 상변화 금속의 열 전달율은 통상 25W/mK 내지 70W/mK 정도로 구리나 알루미늄 등의 금속박보다 낮다.
금속층(220, 230)이 갈륨 합금인 경우 상변화 온도가 낮으며 다양하나 알루미늄과 같은 금속과 잘 반응하여 알루미늄을 산화시킨다는 단점이 있다.
여기서, 일정 온도는 상변화 금속이 상변화하는 온도를 대략적으로 의미하는데, 대략 고상의 상변화 금속이 액상의 상변화 금속으로 변하는 온도를 의미하며 예를 들면 상변화 온도는 실질적으로 반도체 칩의 동작에 영향을 줄 수 있는 온도, 가령 50℃ 이상일 수 있다.
설명의 편의상, 본 발명의 상변화 금속은 50℃ 미만까지는 고상을 유지하고 50℃ 이상에서는 액상을 유지한다고 가정하여 설명하였으나 이 온도는 달라질 수 있고 이 온도에의 상변화 금속의 상태는 고상과 액상의 사이에 있는 연화된 상태일 수 있다.
이 실시 예에서, 설명의 편의를 위하여 금속층(220, 230)과 금속 플러그(250)가 별도의 구성으로 설명하고 있으나, 후술하는 것처럼, 금속층(220, 230)과 금속 플러그(250)는 같은 재질로 구성되고 같은 공정을 통하여 서로 일체로 형성되기 때문에 같은 구성일 수 있다.
열전도성 복합시트(200)는, 바람직하게 금속층(230)의 하면에 이형필름이 부착된 상태에서 제공되어 열전도성 복합시트(200)를 냉각부재(120)와 반도체 칩(110) 사이에 개재할 때 이형필름을 제거할 수 있다. 이형필름은 PET 필름 위에 실리콘이나 불소 이형제가 형성된 제품일 수 있다.
도시되지는 않았지만, 본 발명의 열전도성 시트(210)는 구리나 알루미늄의 금속 와이어가 직조된 메시(Mesh)와 같은 구조의 직조물(Woven) 또는 부직물(Non-Woven)을 포함할 수 있다.
여기서, 직조물 또는 부직물에 의해 형성되는 간극이 관통구멍(240)의 역할을 할 수 있으며, 금속층(220, 230)은 직조물 또는 부직물의 표면과 간극에 형성될 수 있다.
직조물 또는 부직물에 간극이 형성되지 않은 경우, 직조물 또는 부직물을 금형으로 타발을 하여 관통구멍(240)을 형성할 수도 있다.
바람직하게, 직조물 또는 부직물의 표면에 형성된 금속층(220, 230)이 평면을 이루어 대향하는 대상물과의 열 전달을 잘 할 수 있다.
열전도성 시트(210)로 구리나 알루미늄 와이어로 된 직조물 또는 부직물을 적용하는 경우 구겨짐이 적고 금속층(220, 230)을 신뢰성 있게 형성하고 유지하기 용이하다는 이점이 있다.
한편, 열전도성 시트(210)가 금속박인 경우 금속층(220, 230)이 형성되는 금속박의 면에 금속층(220, 230)의 두께에 대응하는 높이를 갖는 돌기(212)나 차단턱(211)을 형성하여 고상의 금속층(220, 230)이 금속박에 보다 잘 결합하게 할 수 있고 기구적 강도를 다양하게 할 수 있다.
구체적으로, 도 3을 참조하면, 열전도성 시트(210)의 금속층(220, 230)이 형성되는 면의 양쪽에 차단턱(211)을 형성하여 이들 사이의 바닥 부분(213)이 차단턱(211)의 높이만큼 낮아지도록 하여 금속층(220, 230)이 액상 금속으로 상변화하여도 차단턱(211)에 의해 양쪽 외부로 빠져나가지 않도록 하거나 액상 금속을 모아주는 역할을 하도록 할 수 있다.
또한, 바닥 부분(213)에 적어도 하나 이상의 고정용 돌기(212)를 형성하여 액상 금속이 고상의 금속층(220, 230)으로 되었을 때 고정용 돌기(212)가 고상의 금속층(220, 230)과 결합하도록 하여 궁극적으로 금속층(220, 230)이 열전도성 시트(210)의 표면과 안정적으로 결합되도록 할 수 있다.
여기서, 금속박의 차단턱(211)과 돌기(212)는 에칭에 의해 형성되며 이들의 형상과 갯수는 필요에 의해 선택될 수 있다.
대상물, 즉 냉각부재(120)와 반도체 칩(110) 사이에 열전도성 복합시트(200)가 눌려서 개재된 상태에서, 금속층(220, 230)은 상온, 가령 50℃ 미만에서 고상을 유지하여 금속층(220, 230)이 각각 냉각부재(120)의 하면과 반도체 칩(110)의 상면에 접촉한다.
반도체 칩(110)이 작동하여 반도체 칩(110)의 동작 온도가, 금속층(220, 230)의 상변화 온도, 가령 50℃ 이상으로 상승하면, 고상의 금속층(220, 230)은 액상 금속으로 상변화하는데, 상변화에 따라 일부 부피가 증가하거나 변할 수 있다.
이때, 액상 금속과 접촉하는 냉각부재(120)와 반도체 칩(110)의 표면에 형성된 작은 요철에 액상 금속이 채워져 결과적으로 넓은 면적에 접촉할 수 있으므로 반도체 칩(110)의 열이 냉각부재(120)에 보다 잘 전달될 수 있다.
더욱이, 액상 금속은 적은 힘의 누름에 의해서도 대향하는 대상물의 표면에 균일하게 넓고 균일하게 퍼질 수 있어 열전달을 보다 잘 할 수 있다.
그 결과, 냉각부재(120)의 하면과 반도체 칩(110)의 상면에 접촉을 잘 유지하면서 접촉 면적의 증가로 열전달이 더 효율적으로 이루어진다.
또한, 액상 금속은 표면장력에 의해 중앙부분으로 결집하려는 성질이 있어 반도체 칩 중앙에서 발생한 열을 보다 잘 전달할 수도 있다.
반대로, 반도체 칩(110)에서 발생한 열에 의한 온도 또는 주변 온도가 상변화 온도 이하로 떨어지면 액상 금속이 원래대로 균일한 두께의 고상의 금속층(220, 230)으로 변하여 열 전달을 하게 된다.
이와 같은 열전도성 복합시트(200)는 상온에서 모두 고상이기 때문에 취급이 용이하고 일정 온도 이상에서 금속층(220, 230)과 금속 플러그(250)가 액상으로 변하여 열전달을 보다 잘할 수 있다.
이하, 열전도성 복합시트를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
열전도성 시트(210)를 준비하여 열전도성 시트(210)에 다수의 관통구멍(240)을 형성한다.
바람직하게, 열전도성 시트(210)는 길이가 길게 롤로 공급될 수 있다.
다음, 상온에서 고상인 상변화 금속에 열을 가해 상변화된 액상 금속을 열전도성 시트(210)에 붓거나, 열전도성 시트(210)를 액상 금속에 담그거나, 액상 금속을 열전도성 시트(210) 위에 분사 또는 인쇄하거나, 또는 상온에서 고상인 상변화 금속의 타깃을 사용하여 열전도성 시트(210)에 증착 코팅하여 형성할 수 있다.
바람직하게, 증착은 진공증착이나 스퍼터링일 수 있고 증착 시 주변 온도를 낮게 하기 위해 증착설비의 냉각 시스템을 적용할 수 있다.
이 과정에서, 열전도성 시트(210)의 관통구멍(240)이 액상의 상변화 금속으로 채워지고 이와 동시에 열전도성 시트(210) 표면에 액상의 상변화 금속이 적층되어 형성되는데, 관통구멍(240)은 다 채워지거나 일부에 채워질 수 있다.
진공증착을 이용하는 경우 고상의 상변화 금속이 적용되며 다른 제조공정보다 상변화 금속의 두께를 얇게 할 수 있고, 전체적으로 균일한 두께로 금속층을 형성할 수 있다.
열전도성 시트(210)의 표면에 적층된 액상의 상변화 금속과 관통구멍(240)에 채워진 액상의 상변화 금속이 연결된 상태에서 열전도성 시트(210)를 상온 이하로 냉각하면, 액상의 상변화 금속은 고상으로 상변화되면서 서로 연결되면서 열전도성 시트(210)의 표면에 금속층(220, 230)을 형성하고 관통구멍(240)에 금속 플러그(250)를 형성한다.
또한, 진공증착을 한 경우 열전도성 시트(210)의 표면에 금속층(220, 230)을 형성하고 관통 구멍(240)에 금속 플러그(250)를 동시에 형성한다.
특히, 진공 증착을 하는 경우, 열전도성 시트(210)에 관통구멍(240)이 형성되지 않을 수 있으며, 고상을 유지하는 상온에서 증착이 수행될 수 있다.
이후, 열전도성 복합시트(200)를 정해진 크기로 칼날 금형이나 프레스 금형에 의해 절단한다.
이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 청구범위에 의해 해석되어야 한다.
200: 열전도성 복합시트
210: 열전도성 시트
220, 230: 금속층
240: 관통구멍
250: 금속 플러그
210: 열전도성 시트
220, 230: 금속층
240: 관통구멍
250: 금속 플러그
Claims (15)
- 대향하는 대상물 사이에 개재되어 열을 전달하는 열전도성 복합시트로서,
상기 열전도성 복합시트는,
두께방향으로 다수의 관통구멍이 형성된 고상의 열전도성 시트;
상기 관통구멍 부분을 메우는 고상의 금속 플러그; 및
상기 열전도성 시트의 상하면의 적어도 한 면에 형성되고 상기 플러그와 연결된 고상의 금속층으로 구성되며,
상기 금속 플러그와 상기 금속층은 같은 재질이고 상온에서 고상을 유지하고 일정 온도 이상에서 액상으로 상변화하는 상변화 금속물질로 구성되고,
상기 상온에서 상기 금속 플러그는 상기 금속층과 일체로 형성되어 상기 금속층이 상기 열전도성 시트의 한 면에 고정된 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 청구항 1에서,
상기 열전도성 시트는 구리, 알루미늄, 철 또는 니켈을 포함하는 금속박이거나 금속 와이어의 직조물 또는 부직물인 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 청구항 2에서,
상기 직조물이나 상기 부직물인 경우 상기 관통구멍은 상기 금속 와이어 사이의 틈에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 청구항 2에서,
상기 금속박, 상기 직조물 또는 상기 부직물의 표면에 니켈, 주석, 은, 금 또는 그라파이트의 증착층 또는 도금층이 형성된 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 청구항 2에서,
상기 금속박, 직조물 또는 부직물에서 상기 금속층이 형성된 면은 표면 처리가 되어 친수성을 갖는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 청구항 2에서,
상기 금속박, 직조물 또는 부직물에서 상기 금속층이 형성된 면은 에칭에 의해 표면 거칠기가 증가한 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 청구항 1에서,
상기 열전도성 시트의 두께는 상기 금속층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 청구항 1에서,
상기 열전도성 시트의 열전도율은 상기 금속층의 열전도율보다 높은 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 청구항 1에서,
상기 일정 온도는 50℃ 이상인 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 대향하는 대상물 사이에 개재되어 열을 전달하는 열전도성 복합시트로서,
상기 열전도성 복합시트는,
고상의 열전도성 시트; 및
상기 열전도성 시트의 상하면의 적어도 한 면에 적층 형성되는 고상의 금속층으로 구성되며,
상기 금속층은 상온에서 고상을 유지하고 일정 온도 이상에서 액상으로 상변화하는 상변화 금속물질로 구성되고,
상기 열전도성 시트의 두께는 상기 금속층의 두께보다 두껍고 상기 열전도성 시트의 열전도율은 상기 금속층의 열전도율보다 크고,
상기 열전도성 시트의 상기 금속층이 형성된 면은 표면 처리나 에칭을 하여 친수성을 부여하거나 표면적을 크게 한 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 청구항 10에서,
상기 열전도성 시트는 금속박이고,
상기 금속층이 형성된 상기 금속박의 면에 에칭에 의해 차단턱이나 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트. - 다수의 관통구멍이 형성된 열전도성 시트를 준비하는 제1단계;
상온에서 고상인 상변화 금속에 열을 가해 액상으로 상변화된 액상 금속으로 상기 관통구멍 부분을 채우면서 상기 열전도성 시트의 상하면의 적어도 한 면에 상기 액상 금속을 일정 두께로 적층하는 제2단계; 및
상기 액상 금속을 상온 이하로 냉각하는 제3단계를 포함하며,
상기 제3단계에서, 상기 관통구멍 부분에 채워진 액상 금속과 상기 적층된 액상 금속이 서로 연결된 상태에서 상기 액상 금속이 냉각되어 상기 관통구멍 부분에 채워진 상변화 금속과 상기 적층된 상변화 금속이 고상이 되면서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트의 제조방법. - 청구항 12에서,
상기 냉각 후 압연 롤이나 프레스에 의해 상기 상변화 금속층의 두께를 일정하게 하면서 표면을 매끄럽게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트의 제조방법. - 청구항 13에서,
상기 열전도성 시트 위에 표면 처리나 에칭을 하여 친수성을 부여하거나 표면적을 크게 하여 상기 액상 금속이 상기 열전도성 시트에 잘 부착되도록 하는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트의 제조방법. - 표면 처리나 에칭을 하여 친수성을 부여하거나 표면적을 크게 한 열전도성 시트를 준비하는 제1단계; 및
상온에서 고상을 유지하고 일정 온도 이상에서 액상으로 상변화하는 상변화 금속물질로 구성된 상변화 금속을 고상인 상태에서 열전도성 시트 위에 상온으로 증착하는 제2단계를 포함하며,
상기 증착에 의해, 상기 열전도성 시트의 상하면의 적어도 한 면에 일정 두께의 고상인 상변화 금속층이 일정한 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 열전도성 복합시트의 제조방법.
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