KR20240100430A

KR20240100430A - 열 팽창 계수 매칭을 특징으로 하는 히트 스프레더 및 이를 이용한 열 소산

Info

Publication number: KR20240100430A
Application number: KR1020247019679A
Authority: KR
Inventors: 알프레드 에이. 진
Original assignee: 쿠프리온 인크.
Priority date: 2021-11-18
Filing date: 2022-11-17
Publication date: 2024-07-01
Also published as: WO2023091980A1; CN118370009A

Abstract

히트 스프레더는 전자 컴포넌트 또는 그와 열 연통하는 다른 열 발생 컴포넌트와 매치하는 열 팽창 계수(CTE)에 맞게 재단될 수도 있다. 몇몇 경우에, 열 발생 컴포넌트는, CTE 매칭을 실현하면서, 히트 스프레더에 접합될 수도 있다. 구리 나노입자는 CTE 수정제를 사용하여 온화한 조건 하에서 고화되어 열원 및 히트 싱크와 접촉하도록 구성되는 히트 스프레더를 정의할 수도 있는데, 여기서 히트 스프레더의 적어도 일부는 CTE 수정제를 포함하는 구리 복합재를 포함한다. 구리 복합재는, 히트 스프레더를 정의하는 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅에서 존재할 수도 있다. 구리 복합재는, 예컨대 인쇄 회로 보드(PCB) 내에서 구리 복합재와 열 발생 컴포넌트 사이의 효과적인 열 전달 및 견고한 접합을 촉진하기 위해, 열 발생 컴포넌트와 접촉할 수도 있는데, 히트 싱크 또는 다른 열 수용 구조물로의 열의 소산이 후속된다.

Description

열 팽창 계수 매칭을 특징으로 하는 히트 스프레더 및 이를 이용한 열 소산

열원과 히트 싱크 사이의 비효율적인 열 연통(thermal communication)은 시스템으로부터의, 특히 전자 디바이스 내의, 과도한 열의 소산(dissipation)을 방해할 수 있다. 열을 발생 전자 컴포넌트, 예컨대 고전력 LED 및 고전력 회로부(circuitry)는, 예를 들면, 사이즈가 지속적으로 감소하고 있고 더욱더 강력해지고 있으며, 그에 의해 점점 더 작은 공간에서 더욱더 집중되는 많은 양의 과도한 열을 발생시키고 있다. 시스템 인 패키지(system in package; SIP) 시스템 및 복잡한 전자기기 패킹에서의 점점 증가하는 통합의 레벨은 열 소산을 또한 어렵게 만들 수도 있다. 과도한 열 발생의 증가 및 그 집중은 효과적인 열 제거를 중요하게 만들 수 있지만 특히 문제가 될 수 있다. 전자 시스템으로부터의 과도한 열 제거의 실패는, 예를 들면, 과열, 전도 감소, 평소보다 더 높은 전력 요구, 및/또는 핫스팟의 존재에 기인하는 디바이스 고장 및 보드 번아웃을 방지하기 위한 클록 다운 동작에 대한 필요성과 같은 심각한 결과를 초래할 수 있다. 고장 모드는 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion; CTE) 불일치로부터 유래하는 횡방향 변위력(lateral displacement force)을 포함할 수도 있는데, 이것은 접합 라인(bond line)의 강도를 초과하여 회로의 파단 및/또는 단락으로 이어질 수도 있다.

비효율적인 열 전도는 다양한 타입의 회로 보드, 특히 인쇄 회로 보드(printed circuit board; PCB), 복잡한 패키징, 적층식 보드, 및 시스템 인 패키지(SIP) 컴포넌트에서 특히 만연할 수 있다. PCB 및 유사한 회로 보드는 바로 그들의 구성의 본질에 의해 단열체이다. 구체적으로, PCB는 단열 기판(예를 들면, 단지 0.25 W/m·K의 열 전도도 값을 갖는 일반적인 예인 FR4와 같은 유리섬유 에폭시 복합재)을 활용할 수도 있는데, 그 상에는 적절한 전자 회로부 및 다양한 보드 컴포넌트가 배치된다. PCB 기판의 낮은 열 전도도 값은 전자 시스템으로부터 과도한 열의 제거를 다소 어렵게 만들 수 있다. 리드 또는 임베딩된 금속 트레이스를 통해서는 그들의 통상적으로 작은 사이즈에 기인하여 매우 적은 과도한 열이 제거될 수 있다. 게다가, 종래의 납 솔더는 특히 열 전도성이 없다(예를 들면, 구리와 같은 열 전도성이 더 높은 금속의 것의 약 1/10 이하). 예를 들면, GaN 및 SiC 디바이스, 모놀리식 마이크로파 집적 회로(monolithic microwave integrated circuit; MMIC), 위상 어레이, 및 등등, 예컨대 5G 기지국 및 전력 컨버터에서 발견될 수도 있는 것들에 대한 히트 슬러그(heat slug)를 갖는 패키지 기판도 유사한 문제를 경험할 수도 있다. EMI 차폐가 관련 문제를 경험할 수도 있지만 그러나 단락은 발생하지 않는다.

열 비아(thermal via)는 인쇄 회로 보드 또는 유사한 구조물과 관련되는 전자 컴포넌트에 의해 발생되는 과도한 열을 제거하기 위한 한 가지 접근법이다. 그러나, 비아 안으로의 고융점 금속의 직접적인 액체 주조(liquid casting)는 현재 사용 중인 보드 재료와 호환되지 않는다(PCB 기판으로서 통상적으로 사용되는 재료에 대한 훨씬 더 낮은 폴리머 융점(melting point)과 비교하여 1000℃를 초과하는 금속 프로세싱 온도). 그러한 만큼, 비아는 종종 로진 또는 유사한 충전재로 채워지고, 그 다음, PCB 기판을 통한 전기적 통신을 촉진하기 위해 단지 두꺼운 금속 도금(예를 들면, 구리)을 비아 벽(즉, 비아 배럴) 상에 형성한 상태에서, 단부를 갈바닉 캡으로 피복하거나 또는 열린 상태로 둔다. 이 접근법은 느린 전착에 의해 발생되며 PCB를 통해 연장되는 금속 플러그에 갭을 남기는 것에 의해 차선의 열 연통을 제공할 수도 있다. 금속 나노입자를 사용하여 비아를 충전하기 위한 대안적인 접근법은 참조에 의해 본원에 통합되는 미국 특허 10,616,994에서 설명되는데, 이것은 비아 홀의 더욱 완전한 충전을 촉진할 수도 있고 더 높은 열 전도도를 제공할 수도 있다. 큰 직경의 비아는 그러한 프로세스와 호환되어 과도한 열의 더욱 효과적인 제거를 제공할 수도 있다. 다량의 과도한 열을 제거하기 위해서는, 심지어 열 비아도 충분하지 않을 수도 있다.

열 코인(thermal coin)은 열 비아에 의해 제공될 수 있는 것보다 더 많은 열 전도가 필요로 되는 경우 사용될 수도 있는 열 소산을 위한 다른 접근법이다. 열 코인은 PCB 또는 유사한 기판의 평면에 압착되는 직경이 3-4 mm인 금속 본체이다. 열 비아에 비해 증가된 열 전도가 초래될 수도 있지만, 사이즈 불일치가 흔하며, 생산 동안의 PCB의 두께 및 사전 제조된 열 코인은 변할 수도 있는데, 이것은 다수의 PCB 층을 함께 적층할 때 조립 문제를 야기할 수도 있다. 열 코인은 또한, 일반적으로, 특정한 PCB 아키텍쳐에는 적용 불가능할 수도 있는 제한된 범위의 형상으로 제조된다.

히트 파이프는 매우 많은 양의 과도한 열의 전달을 촉진할 수도 있는 대안적인 열 전달 매체이다. 구리와 같이 고도로 열전성인 금속은 단지 수백 W/m·K 범위의 열 전도도 값만을 가질 수도 있는 반면, 히트 파이프는 약 10,000 W/m·K 내지 약 100,000 W/m·K와 같은, 수천 W/m·K 범위에 들어가는 훨씬 더 높은 유효 열 전도도 값을 제공할 수도 있다. 히트 파이프는 밀봉된 용기 내에 수용되는 작동 유체로의 직접적인 열 전달을 통해 기능하는데, 여기서 전도는 액체-증기 상전이 및 후속하는 작동 유체의 응축에 의해 추가로 보완된다. 히트 파이프는, 전통적으로는, 혹독한 작동 환경에서 열의 수동적인 소산이 바람직한 애플리케이션에서 활용되어 왔다. 예는 위성 및 우주선 애플리케이션을 포함한다. 인쇄 회로 보드 및 유사한 소형 열 발생 전자 컴포넌트로부터 과도한 열을 소산시키기 위해, 진동 열 파이프와 같은 소형화된 열 파이프가 최근 사용되고 있다.

히트 파이프와 마찬가지로, 히트 스프레더도 또한 자신과 접촉하는 열원으로부터의 과도한 열의 소산을 촉진할 수도 있다. 히트 스프레더는 히트 파이프의 작동 유체가 없으며, 대신, 모놀리식의 열 전도성 본체를 통한 열의 측면 확산을 촉진하여 열 저장소로의 과도한 열의 더욱 효과적인 제거를 촉진할 수도 있다. 히트 스프레더는, 점상 소스를 비롯하여, 제한된 사이즈를 갖는 열원으로부터, 일반적으로 히트 싱크에서 또는 그것에 인접하게 더 넓은 영역에 걸쳐 분산되는 소산 표면으로의 과도한 열의 소산을 촉진하기 위해 테이퍼 형상으로 될 수도 있다.

히트 파이프 및 히트 스프레더 둘 모두와 관련되는 어려움은, 열 팽창 계수(CTE) 불일치에 기인하여, 열 발생 컴포넌트와 히트 파이프 또는 히트 스프레더의 외부 표면 사이에서 비효율적인 열 연통이 있을 수도 있다는 것이다. 예를 들면, 구리는 히트 파이프의 외부 쉘을 형성하는 데 또는 히트 스프레더의 모놀리식 금속 본체를 형성하는 데 자주 활용되는 고도로 열 전도성이 있는 금속이지만, 그러나 이 금속은 인쇄 회로 보드의 열 발생 컴포넌트 또는 과도한 열을 발생시키는 유사한 컴포넌트에서 일반적으로 존재하는 세라믹 재료와는 CTE가 상당히 상이하다. CTE 미스매치는 가열이 발생함에 따라 히트 파이프 또는 히트 스프레더로부터 열 발생 컴포넌트의 분리로 이어질 수도 있고, 그에 의해, 열 발생 컴포넌트로부터 과도한 열을 소산시키는 히트 파이프 또는 히트 스프레더의 능력은 상당히 무효화된다. 히트 싱크 또는 다른 열 수용 구조물로부터의 히트 스프레더의 분리도 유사하게 문제가 될 수도 있다. 더욱이, 히트 파이프 또는 히트 스프레더를 열 발생 컴포넌트에 접합하기 위해 사용되는 재료도 역시 CTE 미스매치에 추가로 기여할 수도 있다.

다음의 도면은 본 개시의 소정의 양태를 예시하기 위해 포함되며, 배타적인 실시형태로서 간주되어서는 안된다. 개시되는 주제는, 기술 분야의 통상의 기술 및 본 개시의 이익을 가진 자가 떠올릴, 형태 및 기능에서의 상당한 수정예, 변경예, 조합예, 및 등가예에 대응한다.
도 1 및 도 2는 그 상에 계면활성제가 코팅된 금속 나노입자의 추정된 구조물의 다이어그램을 도시한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 개시의 히트 스프레더의 다양한 구성의 단면도를 도시한다.
도 4는 복수의 전도성 섬유가 열 전도성 본체의 한쪽 단부의 코팅으로부터 연장되는 예시적인 히트 스프레더의 다이어그램을 도시한다.
도 5는 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트의 상단 표면(top surface)에 접합되는 다이어그램을 도시한다.
도 6은 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트의 저부 표면(bottom surface)에 접합되는 다이어그램을 도시한다.
도 7은 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트의 상단 표면과 저부 표면에 접합되는 다이어그램을 도시한다.
도 8은 다수의 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트의 측면 표면(side surface)에 접합되는 다이어그램을 도시한다.

본 개시는 일반적으로 열 관리에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 구리 클래드 보드(copper cladded board; CCB) 및 AlN 및 SiN과 같은 신흥 세라믹을 활용하는 보드를 비롯하여, 인쇄 회로 보드(PCB) 및 관련된 전자 시스템에서 활용되는 열 발생 컴포넌트에 매치하는 향상된 열 팽창 계수(CTE)를 갖는 외부 표면을 적어도 구비하는 히트 스프레더에 관한 것이다. 열 발생 컴포넌트는 FR4과 같은 전기적으로 및 열적으로 절연성인 기판 또는 다른 고분자 기판을 활용할 수도 있거나, 또는 AlN과 같은, 전기적으로 절연성이지만 열적으로 전도성이 있는 기판이 몇몇 경우에 활용될 수도 있다. 유리하게는, 본 개시는 주어진 열 발생 컴포넌트의 CTE와 매치하도록 적어도 히트 스프레더의 외부 표면의 CTE를 재단하는 것을 용이하게 할 수도 있다. 히트 싱크 또는 유사한 열 수용 구조물의 것에 매치하는 CTE가 또한 실현될 수도 있다. 히트 스프레더는 모놀리식 열 접지 평면으로서 또는 핀형 히트 싱크(finned heat sink)로서 PCB 후면에 직접적으로 부착될 수도 있다. 히트 스프레더와 열 발생 컴포넌트 사이에서 접합 층을 활용하는 일부 시스템 아키텍쳐에서 직접적인 금속 접합이 실현될 수도 있으며, 그에 의해 기계적 견고성을 초래할 수도 있다. 또한, 본 개시의 히트 스프레더 및 관련된 개념은, 비록 더 적은 유효 열 전도도를 대가로, 다르게는 CTE 미스매치를 완화하는 데 필요할 수도 있는 열 그리스 및 젤 패드의 사용을 방지할 수도 있거나 또는 최소화할 수도 있다. CTE의 재단은 이하에서 설명되는 다양한 방식으로 달성될 수도 있다.

상기에서 논의되는 바와 같이, 회로 보드 및 관련된 전자기기 어셈블리의 열 발생 컴포넌트로부터의 과도한 열의 제거는 그 안에 널리 사용되는 단열재에 기인하여 문제가 될 수 있다. 히트 스프레더는 그러한 시스템으로부터 많은 양의 과도한 열을 소산시키는 데 효과적일 수도 있지만, 그러나 히트 스프레더의 금속 성분과 전자 컴포넌트의 다양한 부분 또는 다른 열 발생 구조물, 특히 비금속 성분, 예컨대 다양한 세라믹을 함유하는 것들 사이의 CTE 미스매치는 중요할 수도 있다. CTE 미스매치는 AlN 및 SiN과 같은, 열적으로 절연성인 그리고 열적으로 전도성인 기판 둘 모두를 특징으로 하는 열 발생 컴포넌트에서 만연할 수도 있다. 어떤 타입의 시스템에서든 과도한 CTE 미스매치가 존재하는 경우, 히트 스프레더는 가열시 열 발생 컴포넌트로부터 분리될 수도 있고, 그에 의해, 과도한 열을 소산시키는 히트 스프레더의 능력을 무효화하거나 또는 심각하게 제한하고 열 발생 컴포넌트의 과열 및 번아웃(burn-out)을 초래할 수도 있다.

본 개시는 히트 스프레더의 적어도 외부 표면과 열 발생 컴포넌트 사이에서 더욱 효과적인 CTE 매칭을 제공할 수도 있는 히트 스프레더를 제공한다. 더 구체적으로, 본 개시는 적어도 히트 스프레더의 외부 표면, 및 옵션 사항으로 히트 스프레더의 더 큰 부분 또는 심지어 전체를 정의할 수도 있는 구리 복합재와 같은 CTE 수정제(modifier)를 포함하는 금속 복합재를 제공한다. 금속 복합재는 서로 고화(consolidation)되어 낮은 정도의 나노다공성(nanoporosity)을 갖는 벌크 금속을 형성하는 구리 나노입자와 같은 금속 나노입자를 사용하여 형성될 수도 있다. 심지어 CTE 수정 이전에도, 융합된 구리 나노입자는 단지 약 7-11 ppm(존재하는 나노다공성의 정도에 기초하여 변함)의 상대적으로 낮은 CTE를 가지는데, 이것은 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이 적어도 하나의 CTE 수정제를 사용하여 구리 복합재에서 추가로 조정될 수도 있다. 금속 복합재의 CTE는 SiC, GaN, AlN 및 SiC, GaN, AlN, 및 등등을 함유하는 것들과 같은, 열 발생 컴포넌트의 세라믹 재료와 매치하는 더욱 효과적인 CTE 매칭을 촉진하기 위해 연속적인 금속 매트릭스에서 CTE 수정제의 로딩을 조정하는 것에 의해 쉽게 수정될 수도 있다. 금속 복합재는 구리 나노입자와 같은 금속 나노입자를 포함하는 조성물로부터 쉽게 형성될 수도 있는데, 이것은 금속 복합재 및 히트 스프레더가, 용융 금속의 융점보다 훨씬 낮은 고체 상태 소결을 통해 낮은 온도에서 형성되는 것을 허용할 수도 있다. 히트 싱크 또는 유사한 열 수용 구조물은 히트 스프레더에, 역시 그 위치에서 금속 나노입자 및 CTE 수정제를 활용하는 것에 의해, 유사하게 CTE 매칭될 수도 있다. 구리 나노입자와 같은 금속 나노입자, 및 그것의 저온 프로세싱을 용이하게 할 수도 있는 속성에 관한 추가적인 세부 사항은 하기에서 설명된다.

적절한 CTE 수정제는, 통상적으로 구리 벌크에서 발견되는 17 ppm 값과 비교하여, 구리 나노입자(7-11 ppm)로부터 형성되는 벌크 금속의 이미 낮은 CTE를 몇몇 경우 실온에서 3 ppm에 이르기까지 감소시킬 수도 있다. 이들 피쳐는 PCB 어셈블리 및 다른 열 전달 아키텍쳐를 크게 단순화할 수도 있고 전반적인 제품 비용 절감을 제공할 수도 있고, 동시에 심각한 열 충격 및 상당한 열 순환이 발생하는 위치에서 성능 및 신뢰성을 크게 향상시킬 수도 있다. 동일한 이유로, 최대 17 ppm에 근접하는 CTE 값을 비롯하여, CTE는 구리 나노입자 고화 동안 벌크 구리 분말을 포함하는 것에 의해 상향 조정할 수도 있다. 필요로 되는 경우, 알루미늄 입자, 플레이크 또는 와이어와 같은 다른 금속의 미크론 사이즈 입자를 포함하는 것에 의해, 훨씬 더 높은 CTE 값이 실현될 수도 있는데, 이 경우 23 ppm에 근접하는 CTE 값이 실현될 수도 있다. 따라서, 본 개시의 금속 복합재는, 옵션 사항으로 벌크 구리 분말과의 추가적인 조합하여, 구리 나노입자 및 적어도 하나의 CTE 수정제로부터 형성되어, 일정 범위의 접근 가능한 CTE 값을 제공할 수도 있다.

히트 스프레더와 전자 컴포넌트 또는 유사한 열 발생 컴포넌트의 기판 사이의 개선된 CTE 매칭을 촉진하는 것에 더하여, 금속 나노입자 조성물은, 납땜에 의해 또는 금속 페이스트의 사용에 의해 생성되는 것과 유사하게, 접합 층을 통해 전자 컴포넌트와 히트 스프레더 사이의 직접적인 접합을 또한 촉진할 수도 있다. 예를 들면, 금속 나노입자 조성물은 접합 층으로서 전자 컴포넌트의 표면 상에 도포될 수도 있는데, 접합 층 내의 금속 나노입자의 후속하는 고화는 고화된 금속 나노입자로부터 또한 형성되는 히트 스프레더의 외부 표면의 적어도 일부에 대한 직접적인 야금학적 접합(metallurgical bonding)을 촉진할 수도 있다. 직접적인 야금학적 접합은 열 발생 컴포넌트와 히트 스프레더가 서로 분리될 가능성을 상당히 감소시킨다. 또한, 히트 스프레더(또는 그 외부 코팅) 및 접합 층이 유사한 재료로부터 형성될 수도 있기 때문에, CTE 미스매치가 발생할 가능성이 더 적고, 그에 의해 열기계적 응력(thermomechanical stress)을 제한하거나 또는 심지어 제거한다. 즉, 접합 층은 전자 컴포넌트와 히트 스프레더의 외부 표면 사이에서 CTE 중간물(intermediate)을 구비하는 전이 층을 정의할 수도 있다. 큰 전자 컴포넌트 사이즈 및 높은 동작 온도(예를 들면, 최대 약 350℃)에서, 심지어 작은 CTE 차이도, 그렇지 않으면, 잠재적인 박리 및 디바이스 고장으로 이어지는 높은 열기계적 응력 값을 초래할 수도 있다. 히트 싱크 또는 유사한 열 수용 구조물에 대한 히트 스프레더의 외부 표면의 CTE 매칭은 금속 나노입자 및 CTE 수정제를 사용하여 히트 싱크 또는 유사한 열 수용 구조물의 적어도 일부를 형성하는 것에 의해 유사하게 실현될 수도 있는데, 몇몇 경우에는 야금학적 접합이 발생한다.

본 개시의 히트 스프레더는 열 발생 전자 컴포넌트가 문제가 되는 인쇄 회로 보드 및 유사한 아키텍쳐와 연계하여 활용될 수도 있다. 히트 스프레더는 다양한 방식으로 인쇄 회로 보드 및 유사한 아키텍쳐에 연결될 수도 있다. 인쇄 회로 보드의 면 상에 위치되는 또는 그 내에 함몰되는 열 발생 컴포넌트는 PCB의 비전도성 기판으로부터 멀어지게 향하는 전면 상에서, 열 발생 전자 컴포넌트의 측면 상에서, 및/또는 열 발생 전자 컴포넌트의 하면(underside) 상에서 본 개시의 히트 스프레더에 연결될 수도 있다. 후자의 구성에서, 히트 스프레더는 PCB의 전기 절연성 기판을 통해 연장되어 열 발생 컴포넌트와 접촉할 수도 있다. 전술한 히트 스프레더 구성의 조합은 다수의 열 전달 통로를 제공하기 위해 사용될 수도 있다. 히트 스프레더를 열 발생 컴포넌트에 연결하기 위한 전술한 히트 스프레더 구성은 예컨대 프로세서의 상단의 SIP 및 메모리 디바이스와 같은, 디바이스 및 시스템의 3D 통합을 제공하기 위해 다수의 인쇄 회로 보드 층을 서로의 위에 적층하는 것을 용이하게 하기 위해 활용될 수도 있다. 히트 스프레더는 액체 저장소, 라디에이터, 또는 히트 싱크로서 기능하는 유사한 구조물과 같은, 자신을 통해 전달되는 과도한 열을 제거하기 위한 구조물과 열 연통할 수도 있다. 히트 스프레더는 몇몇 경우에 열 파이프와 추가로 열 연통하거나 또는 물리적으로 접촉할 수도 있는데, 열 파이프는 열 발생 전자 컴포넌트로부터 훨씬 더 멀리 과도한 열을 전달할 수도 있다. 즉, 몇몇 경우에, 히트 스프레더와 히트 싱크 사이에 히트 파이프가 개재될 수도 있다.

유사하게, AlN 또는 SiN과 같은, 전기적으로 절연성인 그러나 열적으로 전도성인 기판을 특징으로 하는 열 발생 컴포넌트의 경우, 본 개시의 히트 스프레더는 기판의 어느 한 면 상에 위치될 수도 있거나, 또는 기판 내에서 내부적으로 적어도 부분적으로 위치될 수도 있다. 전기 절연성인 그러나 열적으로 전도성인 기판이 사용되는 경우, 히트 스프레더는, 열 발생 컴포넌트와 직접적으로 접촉하는 대신, 열적으로 전도성인 기판을 통해 열 발생 컴포넌트와 열 연통할 수도 있다. 몇몇 경우에, AlN 또는 SiN은 열 전도도를 기판으로 전달하기 위해 전기 절연성 기판의 표면 상에 박막(예를 들면, 두께가 약 300 미크론 내지 약 500 미크론)으로서 퇴적될 수도 있다. 본 개시의 히트 스프레더는 또한 이들 구성에서도 역시 사용될 수도 있다.

금속 나노입자는 히트 스프레더, 또는 옵션 사항으로 히트 스프레더 전체 상에 적어도 표면 코팅을 형성하도록 고유하게 자격을 갖추고 있다. 아무리 못해도, 히트 스프레더는 낮은 CTE를 갖는 열 발생 컴포넌트와 더 잘 CTE 매칭될 수도 있으며, 접합 층이 추가로 활용되는 경우, 접합 층은 히트 스프레더와 열 발생 컴포넌트 사이에서 견고한 접합 상호 작용을 제공할 수도 있거나 또는 접합 층은 히트 스프레더와 열 발생 컴포넌트의 것 사이의 중간 CTE를 가질 수도 있다. 낮은 나노다공성을 갖는 금속 복합재(예를 들면, CTE 수정제를 포함하는 구리 복합재)에서 벌크 금속(예를 들면, 벌크 구리)을 형성하기 위해 금속 나노입자를 고화하기(consolidating) 위한 적당한 프로세싱 조건은 접합 층 및 히트 스프레더의 다른 옵션 사항의 컴포넌트의 형성을 촉진할 수도 있다. 하기에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 금속 나노입자는 금속 그 자체의 융점보다 상당히 낮은 일정 범위의 중간 프로세싱 조건 하에서 대응하는 벌크 금속으로 함께 고화될(융합될(fused)) 수 있다. 구리의 높은 열 전도도 및 상대적으로 저렴한 가격에 기인하여, 구리 나노입자는 본 개시의 다양한 실시형태에서의 사용을 위한 특히 바람직한 타입의 금속 나노입자일 수 있다. CTE 수정제와 결합되는 금속 나노입자로부터 형성되는 벌크 구리는 금속 나노입자 고화에 후속하여 잘 분산된 복합재를 효과적으로 형성할 수도 있다. 적절한 CTE 수정제는, 예를 들면, 탄소 섬유, 다이아몬드 입자, 붕소 질화물 입자 또는 섬유, 탄소 나노튜브, 그래핀, W 및/또는 Mo 입자, 실리콘 입자, 흑연 분말, 실리콘 질화물 입자 또는 섬유, 알루미늄 질화물 입자 또는 섬유, 구리 산화물 나노입자, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. W 및/또는 Mo 입자는 또한 구리에 내산화성을 전달할 수도 있다. 히트 스프레더의 표면과 열 발생 컴포넌트 사이의 CTE 매칭을 촉진하는 것에 더하여, CTE 수정제 및 옵션 사항의 미크론 사이즈의 금속 입자는 금속 나노입자의 고화 동안 수축을 또한 제한할 수도 있는데, 그 수축은, 제한되지 않으면, 다른 금속 나노입자 시스템에서 20%를 초과할 수도 있다. 제한된 수축은 히트 스프레더의 사용 동안 조우되는 동작 중인 핫-콜드 사이클링(hot-cold cycling) 동안 열기계적 응력을 완화하는 데 도움이 될 수도 있다. 또한, 금속 나노입자 고화에 후속하여 나타나는 나노다공성은 열기계적 응력에 대한 추가적인 내성을 제공할 수도 있는 추가적인 유연성을 전달할 수도 있다.

전술한 이점에 더하여, 금속 나노입자는 히트 스프레더로부터 열을 소산시키기 위한 더욱 향상된 구조물을 갖는 히트 스프레더의 생산을 촉진할 할 수도 있다. 예를 들면, 본 개시의 일부 히트 스프레더는 히트 스프레더의 단부 부분(냉각 단부)으로부터 연장되는 복수의 열 전도성 섬유를 포함할 수도 있는데, 이것은 주변 대기, 해양 환경(예를 들면, 바다, 호수 또는 강물), 또는 우주 애플리케이션용 라디에이터와 같은 히트 싱크로의 과도한 열의 용이한 소산을 촉진할 수도 있다. 전도성 섬유는, 위에서 간략하게 설명되고 이하에서 더욱 상세하게 설명하는 바와 같이, CTE 매칭을 촉진하는 데에도 또한 효과적인 금속 나노입자 조성물을 사용하여 히트 스프레더에 접합될 수도 있다. 전도성 섬유의 접합은 금속 나노입자 고화가 발생하기 이전에 전도성 섬유의 단부를 적절한 금속 나노입자 조성물에 통합하는 것에 의해 별개의 접합 단계가 발생하지 않고도 히트 스프레더의 제조 동안 달성될 수도 있다. 금속 나노입자의 고화에 후속하여, 전도성 섬유의 단부의 한 세트는 결과적으로 나타나는 금속 복합재에서 단단히 고정된 상태로 유지되고, 전도성 섬유의 단부의 다른 세트는 히트 스프레더로부터 바깥쪽으로 연장되어 히트 스프레더로부터의 열 소산을 촉진한다.

본원에서 사용될 때, 용어 "금속 나노입자"는, 금속 입자의 형상에 대한 특별한 참조 없이, 사이즈가 약 200 nm 이하인 금속 입자를 가리킨다.

본원에서 사용될 때, 용어 "미크론 규모의 금속 입자"는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 200 nm 이상인 금속 입자를 가리킨다.

용어 "고화한다(consolidate)", "고화(consolidation)" 및 이들의 다른 변형어는 본원에서 용어 "융합한다(fuse)", "융합(fusion)" 및 이들의 다른 변형어와 상호 교환 가능하게 사용된다.

본원에서 사용될 때, 용어 "부분적으로 융합되는", "부분 융합" 및 이들의 다른 파생어 및 문법적 동등어는 금속 나노입자의 서로의 부분적 유착(coalescence)을 가리킨다. 완전히 융합된 금속 나노입자가 원래의 융합되지 않은 금속 나노입자의 최소한의 구조적 형태만을 유지하는 반면(즉, 그들은 조밀한 벌크 금속과 유사하지만, 그러나 낮은 정도의 나노다공성을 가지면서 100-500 nm 범위 내의 내부 결정립 사이즈를 나타냄), 부분적으로 융합된 금속 나노입자는, 더 높은 레벨의 다공성, 더 작은 평균 결정립 사이즈, 및 더 많은 수의 결정립 경계와 같은, 원래의 융합되지 않은 금속 나노입자의 구조적 형태 중 적어도 일부를 유지한다. 부분적으로 융합된 금속 나노입자의 속성은 대응하는 벌크 금속의 속성과 원래의 융합되지 않은 금속 나노입자의 속성 사이의 중간일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 금속 나노입자 고화에 후속하여 완전히 조밀한(비다공성) 벌크 금속이 획득되어 금속 복합재를 제공할 수 있다. 다른 실시형태에서, 금속 복합재는 완전 조밀화를 초과하는 양(즉, > 0% 다공성)에서 약 10% 미만의 다공성, 또는 약 20% 미만의 다공성, 또는 약 30% 미만의 다공성을 가질 수도 있다. 따라서, 특정한 실시형태에서, 금속 나노입자 및 CTE 수정제로부터 형성되는 금속 복합재는 약 2%에서부터 약 30%까지의, 또는 약 2%에서부터 약 5%까지의, 또는 약 5%에서부터 약 10%까지의, 또는 약 10%에서부터 약 15%까지의, 또는 약 15%에서부터 약 20%까지의, 또는 약 20%에서부터 약 25%까지의, 또는 약 25%에서부터 약 30%까지의 범위에 이르는 다공성(나노다공성)을 가질 수도 있다.

본 개시의 더욱 특별한 양태를 더욱 상세하게 논의하기 이전에, 금속 나노입자 및 그들의 프로세싱 조건, 특히 구리 나노입자의 추가적인 간략한 설명이 먼저 제공될 것이다. 금속 나노입자는 대응하는 벌크 금속의 것들과는 크게 다를 수 있는 다수의 속성을 나타낸다. 본원의 개시에 따른 프로세싱에 특히 중요할 수 있는 금속 나노입자의 한 가지 속성은 금속 나노입자의 융합 온도에서 발생하는 나노입자 융합(고화)이다. 본원에서 사용될 때, 용어 "융합 온도"는 금속 나노입자가 액화되고, 그에 의해 융해의 모습을 제공하는 온도를 가리킨다. 본원에서 사용될 때, 용어 "융합" 및 "고화"는, 히트 스프레더의 적어도 외부 표면 상에서 접합 계면 또는 금속 복합재와 같은 더 큰 덩어리를 형성할 금속 나노입자의 서로의 유착 또는 부분적 유착을 동의어적으로 가리킨다. 융합 온도는 대응하는 벌크 금속의 융점보다 최대 80% 낮을 수도 있다. 따라서, 융합 온도보다 높은 가열에 후속하여 금속 나노입자 사이에는 적어도 부분적인 연결성이 존재한다. 금속 나노입자의 고화에 후속하여, 결과적으로 나타나는 나노다공성은 열 및 냉각 사이클 동안 발생하는 열 응력을 수용할 수도 있다. 이론 또는 메커니즘에 구속되기를 바라지는 않지만, 나노다공성은, 열기계적 응력의 급속한 방출로부터 파손을 겪는 대신, 히트 스프레더의 팽창 또는 수축으로부터 유래하는 응력을 흡수할 수도 있다.

특히 등가적 구형 직경에서의 약 20 nm 미만의 사이즈에서의 감소시, 금속 나노입자가 액화를 겪는 온도는 대응하는 벌크 금속의 것으로부터 급격하게 떨어진다. 예를 들면, 약 20 nm 이하의 사이즈를 갖는 구리 나노입자는, 1083℃의 벌크 구리의 융점과 비교하여, 약 235℃ 이하, 또는 약 220℃ 이하, 또는 약 200℃ 이하의 융합 온도를 가질 수 있다. 따라서, 융합 온도에서 발생하는 금속 나노입자의 고화는 벌크 금속 그 자체를 출발 재료로서 직접적으로 사용하여 작업할 때보다 상당히 더 낮은 프로세싱 온도에서 벌크 금속을 함유하는 구조물이 제조되는 것을 허용할 수 있다. 금속 나노입자를 고화하기 위한 프로세싱 조건은 통상적으로 대략 375°F(190.6℃), 또는 심지어 최대 약 450°F(232.2℃), 및 275-400 psi의 일반적인 PCB 제조 파라미터 내에 있다; 그러나 금속 나노입자 융합이 발생하기 위해서 압력이 반드시 필요한 것은 아니다. 금속 나노입자의 고화를 촉진할 때 압력을 인가하는 것에 의해 더욱 조밀한 벌크 금속이 획득될 수도 있다. 따라서, 몇몇 경우에, 고화를 촉진하기 위해 심지어 최대 약 1500 psi의 압력이 금속 나노입자에 인가될 수도 있다. 구리 나노입자의 경우, 예를 들면, 융합 온도(~220℃ 이하)는, 일반적으로 사용되는 PCB 기판이 융해 또는 뒤틀림을 겪는 온도보다 낮다. 따라서, 구리 나노입자의 융합은 종래의 PCB 제조 프로세스에서 사용되는 온도 조건과 연계하여 발생할 수도 있지만, 더 강력한 고화 조건이 옵션 사항으로 사용될 수도 있다. 융합은 금속 산화를 방지하기 위해 불활성 분위기에서 발생할 수도 있거나, 또는 더 큰 표면 또는 물품의 경우, 심지어 불활성 분위기가 없는 상태에서도 산화를 제한하기에 충분한 가스 방출이 있을 수도 있다. 따라서, 구리 나노입자와 같은 금속 나노입자는, 특히 PCB 제조 프로세스 내에서 히트 스프레더를 통합할 때, 히트 스프레더의 적어도 일부 또는 히트 스프레더 상의 접합 층 내에서 금속 복합재의 벌크 금속을 형성하기 위한 손쉬운 재료를 제공한다.

목표하는 사이즈 범위에서 대량의 금속 나노입자를 생산하기 위한 다수의 확장 가능한 프로세스가 개발되었다. 가장 통상적으로, 금속 나노입자를 생성하기 위한 그러한 프로세스는 하나 이상의 계면활성제의 존재 하에서 금속 프리커서를 환원시키는 것에 의해 발생한다. 그 다음, 금속 나노입자는 일반적인 분리 기술에 의해 반응 혼합물로부터 분리 및 정제되고 분배에 적절한 제제(formulation)로 프로세싱될 수 있다.

본원의 개시에서 사용되는 금속 나노입자를 형성하기 위해 임의의 적절한 기술이 활용될 수 있다. 특히 손쉬운 금속 나노입자 제조 기술은 미국 특허 번호 7,736,414, 8,105,414, 8,192,866, 8,486,305, 8,834,747, 9,005,483, 9,095,898, 및 9,700,940에서 설명되는데, 이들 각각은 참조에 의해 그 전체가 본원에 통합된다. 거기에서 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 상이한 계면활성제를 포함할 수 있는 적절한 계면활성제 시스템의 존재 하에서 용매의 금속 염을 환원시키는 것에 의해 좁은 사이즈 범위에서 금속 나노입자가 제조될 수 있다. 이중 모드 사이즈 분포를 비롯하여, 금속 나노입자의 목표로 하는 사이즈 분포는 상이한 사이즈의 금속 나노입자를 함께 결합하는 것에 의해 획득될 수도 있다. 적절한 계면활성제 시스템의 추가적인 설명은 하기에서 후속된다. 임의의 이론 또는 메커니즘에 구속되기를 바라지는 않지만, 계면활성제 시스템은 금속 나노입자의 핵 형성 및 성장을 중재할 수 있고, 금속 나노입자의 표면 산화를 제한할 수 있고, 및/또는 금속 나노입자가, 함께 적어도 부분적으로 융합되기 이전에, 서로 광범위하게 응집되는 것을 억제할 수 있다고 여겨진다. 금속 염을 용해시키고 금속 나노입자를 형성하기 위한 적절한 유기 용매는, 예를 들면, 포름아미드, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸술폭사이드, 디메틸프로필렌 우레아, 헥사메틸포스포르아미드, 테트라하이드로푸란, 글라임, 디글라임, 트리글라임, 테트라글라임, 프로글라임, 또는 폴리글라임을 포함할 수 있다. 금속 염을 환원시키고 금속 나노입자의 형성을 촉진하는 데 적절한 환원제는, 예를 들면, 붕수소화물 환원제(예를 들면, 나트륨 붕수소화물, 리튬 붕수소화물, 칼륨 붕수소화물, 또는 테트라알킬암모늄 붕수소화물) 또는 적절한 촉매(예를 들면, 리튬 나프탈리드, 나트륨 나프탈리드, 또는 칼륨 나프탈리드)의 존재 하에서의 알칼리 금속을 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2는 그 상에 계면활성제가 코팅된 금속 나노입자의 추정된 구조물의 다이어그램을 도시한다. 도 1에서 도시되는 바와 같이, 금속 나노입자(10)는 금속 코어(12)와 금속 코어(12)를 위에서 덮는 계면활성제 층(14)을 포함한다. 계면활성제 층(14)은, 하기에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 계면활성제의 임의의 조합을 함유할 수 있다. 도 2에서 도시되는 금속 나노입자(20)는, 금속 코어(12)의 것과 동일한 또는 상이한 금속일 수 있는 핵(21) 주위에서 금속 코어(12)가 성장된 점을 제외하면, 도 1에서 묘사되는 것과 유사하다. 핵(21)이 금속 나노입자(20)의 금속 코어(12) 내에서 깊숙이 매립되고 사이즈가 매우 작기 때문에, 전체 나노입자 속성에 유의미하게 영향을 끼치지 않는 것으로 여겨진다. 핵(21)은 염 또는 금속을 포함할 수도 있는데, 여기서 금속은 금속 코어(12)와 동일할 수도 있거나 또는 상이할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 나노입자는 비정질 형태를 가질 수 있다.

상기에서 논의되는 바와 같이, 금속 나노입자는 그들의 표면 상에 하나 이상의 계면활성제를 함유하는 계면활성제 코팅을 갖는다. 계면활성제 코팅은 그들의 합성 동안 금속 나노입자 상에서 형성될 수 있다. 계면활성제 코팅은 일반적으로 금속 나노입자의 고화 동안 융합 온도를 초과하는 가열시 손실되는데, 이것은 어쩌면 내부에 존재하는 균일한 나노다공성을 갖는 벌크 금속의 형성을 초래한다. 금속 나노입자의 합성 동안 그들 상에서의 계면활성제 코팅의 형성은, 바람직하게는, 서로 융합하는 금속 나노입자의 능력을 조기에 제한할 수 있고, 금속 나노입자의 응집을 제한할 수 있고, 좁은 사이즈 분포를 갖는 금속 나노입자의 집단(population)의 형성을 촉진할 수 있다. 다공성 값은 고화에 후속하여 약 2-30% 또는 약 2-15%의 범위에 이를 수도 있는데, 이것은, 존재하는 계면활성제(들)의 타입 및 미크론 규모의 금속 입자가 고화 동안 금속 나노입자와 접촉하는지의 여부를 비롯하여, 다수의 요인에 기초하여 재단될 수도 있다. 약 2% 내지 약 15% 나노다공성에서, 구리 복합재는 약 50 nm에서부터 약 500 nm까지, 또는 약 100 nm에서부터 약 300 nm까지, 또는 약 150 nm에서부터 약 250 nm까지의 범위에 이르는 기공 사이즈(pore size)를 갖는 폐쇄 기공 나노다공성을 갖는 약 85%-98%의 조밀한 융합된 구리 나노입자를 포함할 수도 있다.

본 개시의 다양한 실시형태와 연계한 사용에 적절한 금속 나노입자의 타입은 특별히 제한되는 것으로 생각되지는 않는다. 적절한 금속 나노입자는 주석 나노입자, 구리 나노입자, 알루미늄 나노입자, 팔라듐 나노입자, 은 나노입자, 금 나노입자, 철 나노입자, 코발트 나노입자, 니켈 나노입자, 티타늄 나노입자, 지르코늄 나노입자, 하프늄 나노입자, 탄탈룸 나노입자, 몰리브덴 나노입자, 텅스텐 나노입자, 및 등등을 포함할 수 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 이들 금속 나노입자의 조합도 역시 사용될 수도 있다. 이들 금속의 미크론 규모의 입자는 금속 나노입자를 함유하는 금속 나노입자 페이스트 조성물에서도 역시 존재할 수 있다. 구리는, 그것의 저렴한 비용, 강도, 및 탁월한 전기적 및 열적 전도도 값에 기인하여, 본 개시의 실시형태에의 사용에 특히 바람직한 금속일 수 있다.

다양한 실시형태에서, 금속 나노입자 내에서 존재하는 계면활성제 시스템은 하나 이상의 계면활성제를 포함할 수 있다. 다양한 계면활성제의 상이한 속성은 금속 나노입자의 속성을 재단하기 위해 사용될 수 있다. 금속 나노입자 상에 포함시키기 위한 계면활성제 또는 계면활성제의 조합을 선택할 때 고려될 수 있는 요인은, 예를 들면, 나노입자 융합 동안 금속 나노입자로부터의 계면활성제 소실의 용이성, 금속 나노입자의 핵 형성 및 성장 레이트, 금속 나노입자의 금속 성분, 및 등등을 포함할 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 아민 계면활성제 또는 아민 계면활성제의 조합, 특히 지방족 아민이 금속 나노입자 상에서 존재할 수 있다. 아민 계면활성제는 구리 나노입자와 연계한 사용에 특히 바람직할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 두 개의 아민 계면활성제가 서로 조합하여 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서는, 3 종의 아민 계면활성제가 서로 조합하여 사용될 수 있다. 더욱 구체적인 실시형태에서, 1차 아민, 2차 아민, 및 디아민 킬레이트제(chelating agent)는 서로 조합하여 사용될 수 있다. 여전히 더욱 구체적인 실시형태에서, 3 종의 아민 계면활성제는 장쇄 1차 아민, 2차 아민, 및 적어도 하나의 3차 알킬기 질소 치환기를 갖는 디아민을 포함할 수 있다. 적절한 아민 계면활성제에 관한 추가적인 개시는 이하에서 후속된다.

몇몇 실시형태에서, 계면활성제 시스템은 1차 알킬아민을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 1차 알킬아민은 C₂-C₁₈ 알킬아민일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 1차 알킬아민은 C₇-C₁₀ 알킬아민일 수 있다. 다른 실시형태에서는 C₅-C₆ 1차 알킬아민이 또한 사용될 수 있다. 임의의 이론 또는 메커니즘에 구속되기를 바라지는 않지만, 1차 알킬아민의 정확한 사이즈는 합성 동안 효과적인 역 미셀 구조물(inverse micelle structure)을 제공할 만큼 충분히 긴 것과 나노입자 고화 동안 즉각적인 휘발성 및/또는 핸들링 용이성을 갖는 것 사이에서 밸런스가 맞춰질 수 있다. 예를 들면, 18 개보다 더 많은 탄소를 갖는 1차 알킬아민이 본 실시형태에서의 사용에 또한 적합할 수 있지만, 그러나 그들의 밀랍 특성 때문에 핸들링하기가 더 어려울 수 있다. 특히, C₇-C₁₀ 1차 알킬아민은 사용의 용이성을 위해 잘 균형 잡힌 소망되는 속성을 나타낼 수 있다.

몇몇 실시형태에서, C₂-C₁₈ 1차 알킬아민은, 예를 들면, n-헥실아민, n-헵틸아민, n-옥틸아민, n-노닐아민, 또는 n-데실아민일 수 있다. 이들이 모두 직쇄 1차 알킬아민이지만, 다른 실시형태에서 분지쇄 1차 알킬아민이 또한 사용될 수 있다. 예를 들면, 7-메틸옥틸아민, 2-메틸옥틸아민, 또는 7-메틸노닐아민과 같은 분지쇄 1차 알킬아민이, 예를 들면, 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 그러한 분지쇄 1차 알킬아민은, 그들이 아민 질소 원자에 부착되는 경우 입체적으로 방해받을 수 있다. 그러한 입체적으로 방해를 받은 1차 알킬아민의 비제한적 예는, 예를 들면, t-옥틸아민, 2-메틸펜탄-2-아민, 2-메틸헥산-2-아민, 2-메틸헵탄-2-아민, 3-에틸옥탄-3-아민, 3-에틸헵탄-3-아민, 3-에틸헥산-3-아민, 및 등등을 포함할 수 있다. 추가적인 분지화가 또한 존재할 수 있다. 임의의 이론 또는 메커니즘에 구속되기를 바라지는 않지만, 1차 알킬아민은 금속 배위 영역(metal coordination sphere)에서 리간드로서 역할을 할 수 있지만, 그러나, 금속 나노입자 고화 동안 그들로부터 쉽게 분리될 수 있는 것으로 여겨진다.

몇몇 실시형태에서, 계면활성제 시스템은 2차 아민을 포함할 수 있다. 금속 나노입자를 형성하는 데 적절한 2차 아민은 아민 질소 원자에 결합되는 노멀, 분지형, 또는 환형 C₄-C₁₂ 알킬기를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 분지화는 아민 질소 원자에 결합되는 탄소 원자 상에서 발생할 수 있고, 그에 의해, 질소 원자에서 상당한 입체적 방해를 생성할 수 있다. 적절한 2차 아민은 디헥실아민, 디이소부틸아민, 디-t-부틸아민, 디네오펜틸아민, 디-t-펜틸아민, 디시클로펜틸아민, 디시클로헥실아민, 및 등등을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. C₄-C₁₂ 범위 밖의 2차 아민이 또한 사용될 수 있지만, 그러나 그러한 2차 아민은 그들의 핸들링을 복잡하게 만들 수 있는 낮은 비등점 또는 왁스 농도와 같은 바람직하지 않은 물리적 속성을 가질 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 계면활성제 시스템은 킬레이트제, 특히 디아민 킬레이트제를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 디아민 킬레이트제의 질소 원자 중 하나 또는 둘 모두는 한 개 또는 두 개의 알킬기로 치환될 수 있다. 두 개의 알킬기가 동일한 질소 원자 상에서 존재할 때, 그들은 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있다. 게다가, 질소 원자 둘 모두가 치환되는 경우, 동일한 또는 상이한 알킬기가 존재할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 알킬기는 C₁-C₆ 알킬기일 수 있다. 다른 실시형태에서, 알킬기는 C₁-C₄ 알킬기 또는 C₃-C₆ 알킬기일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, C₃ 이상의 알킬기는 직쇄일 수 있거나 또는 분지쇄를 가질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, C₃ 이상의 알킬기는 환형일 수 있다. 임의의 이론 또는 메커니즘에 구속되기를 바라지는 않지만, 디아민 킬레이트제는 나노입자 핵 형성을 촉진하는 것에 의해 금속 나노입자 형성을 촉진할 수 있는 것으로 여겨진다.

몇몇 실시형태에서, 적절한 디아민 킬레이트제는 N,N'-디알킬에틸렌디아민, 특히 C₁-C₄ N,N'-디알킬에틸렌디아민을 포함할 수 있다. 대응하는 메틸렌디아민, 프로필렌디아민, 부틸렌디아민, 펜틸렌디아민 또는 헥실렌디아민 유도체가 또한 사용될 수 있다. 알킬기는 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있다. 존재할 수 있는 C₁-C₄ 알킬기는, 예를 들면, 메틸, 에틸, 프로필, 및 부틸기, 또는 이소프로필, 이소부틸, s-부틸, 및 t-부틸기와 같은 분지형 알킬기를 포함한다. 금속 나노입자에 포함시키기에 적합할 수 있는 예시적인 N,N'-디알킬에틸렌디아민은, 예를 들면, N,N'-디-t-부틸에틸렌디아민, N,N'-디이소프로필에틸렌디아민, 및 등등을 포함한다.

몇몇 실시형태에서, 적절한 디아민 킬레이트제는 N,N,N',N'-테트라알킬에틸렌디아민, 특히 C₁-C₄ N,N,N',N'-테트라알킬에틸렌디아민을 포함할 수 있다. 대응하는 메틸렌디아민, 프로필렌디아민, 부틸렌디아민, 펜틸렌디아민 또는 헥실렌디아민 유도체가 또한 사용될 수 있다. 알킬기는 다시 동일할 수 있거나 또는 상이할 수도 있으며, 상기에서 언급되는 것들을 포함할 수 있다. 금속 나노입자를 형성함에 있어서의 사용에 적합할 수 있는 예시적인 N,N,N',N'-테트라알킬에틸렌디아민은, 예를 들면, N,N,N',N'-테트라메틸에틸렌디아민, N,N,N',N'-테트라에틸에틸렌디아민, 및 등등을 포함한다.

지방족 아민 이외의 계면활성제가 계면활성제 시스템에서 또한 존재할 수 있다. 이와 관련하여, 적절한 계면활성제는, 예를 들면, 피리딘, 방향족 아민, 포스핀, 티올, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 이들 계면활성제는, 상기에서 설명되는 것들을 비롯하여, 지방족 아민과 조합하여 사용될 수 있거나, 또는 지방족 아민이 존재하지 않는 계면활성제 시스템에서 사용될 수 있다. 적절한 피리딘, 방향족 아민, 포스핀, 및 티올에 관한 추가적인 개시가 하기에서 후속된다.

적절한 방향족 아민은 ArNR¹R²의 화학식을 가질 수 있는데, 여기서 Ar은 치환된 또는 치환되지 않은 아릴기이고 R¹ 및 R²는 동일하거나 또는 상이하다. R¹ 및 R²는 H 또는 1 개에서부터 약 16 개까지의 탄소 원자를 함유하는 알킬 또는 아릴기로부터 독립적으로 선택될 수 있다. 금속 나노입자를 형성함에 있어서의 사용에 적합할 수 있는 예시적인 방향족 아민은, 예를 들면, 아닐린, 톨루이딘, 아니시딘, N,N-디메틸아닐린, N,N-디에틸아닐린, 및 등등을 포함한다. 금속 나노입자와 연계하여 사용될 수 있는 다른 방향족 아민은 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에 의해 구상될 수 있다.

적절한 피리딘은 피리딘 및 그 유도체 둘 모두를 포함할 수 있다. 금속 나노입자에 포함시키기에 적합할 수 있는 예시적인 피리딘은, 예를 들면, 피리딘, 2-메틸피리딘, 2,6-디메틸피리딘, 콜리딘, 피리다진, 및 등등을 포함한다. 비피리딜 킬레이트제와 같은 킬레이트 피리딘(chelating pyridine)이 또한 사용될 수도 있다. 금속 나노입자와 연계하여 사용될 수 있는 다른 피리딘은 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에 의해 구상될 수 있다.

적절한 포스핀은 PR₃의 화학식을 가질 수 있는데, 여기서 R은 1 개에서부터 약 16 개까지의 탄소 원자를 함유하는 알킬 또는 아릴기이다. 인(phosphorus) 중심에 부착되는 알킬 또는 아릴기는 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있다. 금속 나노입자 상에서 존재할 수 있는 예시적인 포스핀은, 예를 들면, 트리메틸포스핀, 트리에틸포스핀, 트리부틸포스핀, 트리-t-부틸포스핀, 트리옥틸포스핀, 트리페닐포스핀, 및 등등을 포함한다. 포스핀 산화물이 유사한 방식으로 또한 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 킬레이트 고리를 형성하도록 구성되는 두 개 이상의 포스핀기를 함유하는 계면활성제가 또한 사용될 수 있다. 예시적인 킬레이트 포스핀(chelating phosphine)은, 예를 들면, 1,2-비스포스핀, 1,3-비스포스핀, 및 BINAP와 같은 비스-포스핀을 포함할 수 있다. 금속 나노입자와 연계하여 사용될 수 있는 다른 포스핀은 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에 의해 구상될 수 있다.

적절한 티올은 RSH의 화학식을 가질 수 있는데, 여기서 R은 약 4 개에서부터 약 16 개까지의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 아릴기이다. 금속 나노입자 상에서 존재할 수 있는 예시적인 티올은, 예를 들면, 부탄티올, 2-메틸-2-프로판티올, 헥산티올, 옥탄티올, 벤젠티올, 및 등등을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 킬레이트 고리를 형성하도록 구성되는 두 개 이상의 티올기를 함유하는 계면활성제가 또한 사용될 수 있다. 예시적인 킬레이트 티올(chelating thiol)은, 예를 들면, 1,2-디티올(예를 들면, 1,2-에탄티올) 및 1,3-디티올(예를 들면, 1,3-프로판티올)을 포함할 수 있다. 금속 나노입자와 연계하여 사용될 수 있는 다른 티올은 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자에 의해 구상될 수 있다.

상기에서 언급되는 바와 같이, 금속 나노입자의 구별되는 피쳐는 그들의 낮은 융합 온도인데, 이것은 본원의 개시에 따른 금속 복합재 내에서 벌크 금속을 형성하기 위한 고화를 촉진할 수도 있다. 그들의 분배를 용이하게 하기 위해, 금속 나노입자는 페이스트 또는 유사한 제제에 통합될 수도 있다. 금속 나노입자 페이스트 조성물 및 유사한 제제에 관련되는 추가적인 개시가 하기에서 후속된다.

금속 나노입자 페이스트 조성물 또는 유사한 제제는 하나 이상의 유기 용매 및 다양한 다른 옵션 사항의 성분을 함유하는 유기 매트릭스에서 생성된 그대로의 또는 분리된 그대로의 금속 나노입자를 분산시키는 것에 의해 제조될 수 있다. 본원에 사용될 때, 용어 "나노입자 페이스트 제제", "나노입자 페이스트 조성물", "나노입자 페이스트" 및 이들의 문법적 등가어는 상호 교환 가능하게 사용되며, 소망되는 기술을 사용한 분배에 적절한 분산된 금속 나노입자를 함유하는 유체 조성물을 동의어적으로 지칭한다. 용어 "페이스트"의 사용은 반드시 페이스트 단독의 접착 기능을 암시하는 것은 아니다. 유기 용매(들) 및 다른 첨가제의 신중한 선택, 금속 나노입자의 로딩 및 등등을 통해, 금속 나노입자의 분배 및 벌크 금속의 형성을 준비한다.

금속 나노입자의 고화 동안 균열이 종종 발생할 수 있다. 본 개시의 나노입자 페이스트가 금속 나노입자 고화에 후속하여 균열 및 공극(void) 형성의 감소된 정도를 촉진할 수 있는 한 가지 방식은 높은 고체 함량을 유지하는 것에 의한다. 더 구체적으로, 몇몇 실시형태에서, 페이스트 조성물은 페이스트 조성물의 중량 기준으로 적어도 약 30%의 금속 나노입자, 특히 페이스트 조성물의 중량 기준으로 약 30% 내지 약 98%의 금속 나노입자, 또는 페이스트 조성물의 중량 기준으로 약 50% 내지 약 95%의 금속 나노입자, 또는 페이스트 조성물의 중량 기준으로 약 70% 내지 약 98%의 금속 나노입자, 또는 페이스트 조성물의 중량 기준으로 약 85% 내지 약 98%의 금속 나노입자, 또는 페이스트 조성물의 중량 기준으로 약 88% 내지 약 99%의 금속 나노입자를 함유할 수 있다. 또한, 몇몇 실시형태에서, 금속 나노입자에 더하여, 적은 양(예를 들면, 페이스트 조성물의 중량 기준으로 약 0.01% 내지 약 15% 또는 약 35% 또는 약 60%)의 미크론 규모의 입자, 특히 미크론 규모의 금속 입자가 존재할 수 있다. 미크론 규모의 금속 입자는 미립자 재료, 섬유 및/또는 플레이크 중 임의의 것을 포함할 수도 있다. 그러한 미크론 규모의 금속 입자는 바람직하게는 연속적인 벌크 금속 덩어리로 안으로의 금속 나노입자의 융합을 촉진할 수 있고 균열의 발생률을 추가로 감소시킬 수 있다. 금속 나노입자의 경우에서와 같이 액화되고 직접적인 고화를 겪는 대신, 미크론 규모의 금속 입자는 그들의 융합 온도보다 높게 상승된 액화된 금속 나노입자와의 접촉시 간단히 함께 결합될 수 있다. 이들 요인은 금속 나노입자를 함께 융합한 이후 발생하는 다공성을 감소시킬 수 있다. 미크론 규모의 금속 입자는 금속 나노입자와 동일한 또는 상이한 금속을 함유할 수 있고, 미크론 규모의 금속 입자에 적절한 금속은, 예를 들면, 구리, 은, 금, 알루미늄, 주석, 몰리브덴, 텅스텐, 및 등등을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 미크론 규모의 흑연 입자가 또한 포함될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 탄소 나노튜브, 붕소 질화물, 다이아몬드 입자, 및/또는 그래핀이 포함될 수도 있다. 몇몇 실시형태에 따르면, 금속 나노입자 고화가 발생한 이후 탄소질 첨가제(carbonaceous additive)가 열전도도를 증가시킬 수도 있다. 미크론 규모의 금속 입자 또는 유사한 사이즈의 미크론 규모의 첨가제는 CTE 수정제로서 또한 기능할 수도 있다. 본원의 개시에 따르면, 다양한 CTE 수정제의 로딩은 CTE 매칭을 촉진하도록 CTE를 추가로 재단할 수도 있다. 전술한 미크론 규모의 입자 중 임의의 것은 사용 동안 균열의 전파를 제한하기 위한 균열 편향기로서 또한 역할을 할 수도 있고, 그에 의해 기계적 강도를 증가시킬 수도 있다.

금속 나노입자 고화 동안의 감소된 균열 및 공극 형성은 유기 매트릭스를 형성하는 용매(들)의 신중한 선택에 의해 또한 촉진될 수 있다. 유기 용매의 재단된 조합은 바람직하게는 균열 및 공극 형성의 발생률을 감소시킬 수 있다. 더 구체적으로, 하나 이상의 탄화수소(포화, 단일 불포화(monounsaturated), 다중 불포화(polyunsaturated)(2 개 이상의 이중 접합) 또는 방향족), 하나 이상의 알코올, 하나 이상의 아민, 및 하나 이상의 유기산을 함유하는 유기 매트릭스가 이 목적에 대해 특히 효과적일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 에스테르 및/또는 하나 이상의 무수물이 포함될 수도 있다. 몇몇 경우에, 에탄올아민과 같은 알칸올아민이 또한 존재할 수도 있다. 임의의 이론 또는 메커니즘에 구속되기를 바라지는 않지만, 유기 용매의 이러한 조합은 고화 동안 금속 나노입자를 둘러싸는 계면활성제 분자의 제거 및 격리를 촉진할 수 있고, 그 결과, 금속 나노입자는 서로 함께 더 쉽게 융합될 수 있는 것으로 여겨진다. 더 구체적으로, 탄화수소 및 알코올 용매는 브라운 운동(Brownian motion)에 의해 금속 나노입자로부터 방출되는 계면활성제 분자를 수동적으로 용해시킬 수 있고 금속 나노입자에 재부착되게 되는 그들의 능력을 감소시킬 수 있는 것으로 여겨진다. 계면활성제 분자의 수동적 가용화와 협력하여, 아민 및 유기산 용매는 화학적 상호 작용을 통해 계면활성제 분자를, 그들이 금속 나노입자와의 재결합에 더 이상 이용 가능하지 않도록, 적극적으로 격리할 수 있다.

계면활성제 제거 및 금속 나노입자 고화 동안 발생하는 갑작스러운 볼륨 수축을 감소시키기 위해, 용매 조성의 추가적인 재단이 수행될 수 있다. 구체적으로, 유기 용매의 각각의 클래스(즉, 탄화수소, 알코올, 아민, 및 유기산)의 하나보다 더 많은 멤버가, 옵션 사항으로 하나 이상의 알칸올아민, 에스테르 또는 무수물과 조합하여, 유기 매트릭스에서 존재할 수 있는데, 여기서 각각의 클래스의 멤버는 설정된 정도만큼 서로 분리되는 비등점을 갖는다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 각각의 클래스의 다양한 멤버는 약 20℃ 내지 약 50℃만큼 서로 분리되는 비등점을 가질 수 있다. 그러한 용매 혼합물을 사용하는 것에 의해, 금속 나노입자 고화 동안 용매의 급격한 손실에 기인하는 갑작스러운 볼륨 변화가 최소화될 수 있는데, 용매 혼합물의 다양한 성분이 넓은 범위의 비등점(예를 들면, 약 50℃ 내지 약 200℃)에 걸쳐 점진적으로 제거될 수 있기 때문이다.

다양한 실시형태에서, 하나 이상의 유기 용매 중 적어도 일부는 약 100℃ 이상의 비등점을 가질 수 있다. 다른 다양한 실시형태에서, 하나 이상의 유기 용매 중 적어도 일부는 약 200℃ 이상의 비등점을 가질 수 있다. 일부 또는 다른 실시형태에서, 하나 이상의 유기 용매는 약 50℃와 약 200℃ 사이, 또는 약 50℃와 약 250℃ 사이, 또는 약 50℃와 약 300℃ 사이, 또는 약 50℃와 약 350℃ 사이, 또는 약 50℃와 약 365℃ 사이의 범위에 이르는 비등점을 가질 수 있다. 고비등점 유기 용매의 사용은 바람직하게는 금속 나노입자 페이스트 조성물의 가사 시간(pot life)을 증가시킬 수 있고 용매의 급속한 손실을 제한할 수 있는데, 이들은 그렇지 않으면 나노입자 고화 동안 균열 및 공극 형성으로 이어질 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 유기 용매 중 적어도 하나는 금속 나노입자와 관련되는 계면활성제(들)의 비등점(들)보다 더 높은 비등점을 가질 수 있다. 따라서, 유기 용매(들)의 제거가 발생하기 이전에 증발에 의해 금속 나노입자로부터 계면활성제(들)가 제거될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 유기 매트릭스는, 더욱 특별한 실시형태에서 C₂-C₁₂, C₄-C₁₂ 또는 C₇-C₁₂일 수도 있는 하나 이상의 알코올을 함유할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 알코올은 1가 알코올, 디올, 또는 트리올을 포함할 수 있다. 하나 이상의 글리콜 에테르(예를 들면, 디에틸렌 글리콜 및 트리에틸렌 글리콜), 알칸올아민(예를 들면, 에탄올아민, 트리에탄올아민, 및 등등), 또는 이들의 임의의 조합이 소정의 실시형태에서 존재할 수도 있는데, 이들은 단독으로 또는 다른 알코올과 조합하여 존재할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 다양한 글라임이 하나 이상의 알코올과 함께 존재할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 탄화수소는 하나 이상의 알코올과 조합하여 존재할 수 있다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 알코올(및 옵션 사항으로 글라임 및 알칸올아민) 및 탄화수소 용매는, 계면활성제가 브라운 운동에 의해 금속 나노입자로부터 제거되고 금속 나노입자와의 그들의 재결합을 제한하기 때문에, 계면활성제의 가용화를 수동적으로 촉진할 수 있는 것으로 여겨진다. 또한, 탄화수소 및 알코올 용매는 금속 나노입자와 약하게 배위할 뿐이며, 따라서 그들은 나노입자 배위 영역에서 치환된 계면활성제를 단순히 대체하지 못한다. 존재할 수 있는 알코올 및 탄화수소 용매의 예시적인 그러나 비제한적인 예는, 예를 들면, 경질 방향족 석유 증류물(CAS 64742-95-6), 수소화 처리된 경질 석유 증류물(CAS 64742-47-8), 트리프로필렌글리콜 메틸 에테르, 리그로인(CAS 68551-17-7, C₁₀-C₁₃ 알칸의 혼합물), 디이소프로필렌글리콜 모노메틸 에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸 에테르, 2-프로판올, 2-부탄올, t-부탄올, 1-헥산올, 2-(2-부톡시에톡시)에탄올, 및 테르피네올을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 폴리케톤 용매가 유사한 방식으로 사용될 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 유기 매트릭스는 하나 이상의 아민 및 하나 이상의 유기산을 함유할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 아민 및 하나 이상의 유기산은 하나 이상의 탄화수소 및 하나 이상의 알코올을 또한 포함하는 유기 매트릭스에서 존재할 수 있다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 아민 및 유기산은 탄화수소 및 알코올 용매에 의해 수동적으로 가용성으로 되는 계면활성제를 적극적으로 격리할 수 있고, 그에 의해, 금속 나노입자와의 재관련화에 대해 계면활성제를 이용 불가능하게 만들 수 있다. 따라서, 하나 이상의 탄화수소, 하나 이상의 알코올, 하나 이상의 아민, 및 하나 이상의 유기산의 조합을 함유하는 유기 용매는 금속 나노입자의 고화를 촉진하기 위한 상승적 이점(synergistic benefit)을 제공할 수 있다. 존재할 수 있는 아민 용매의 예시적인 그러나 비제한적인 예는, 예를 들면, 탈로우아민(CAS 61790-33-8), 알킬(C₈-C₁₈) 불포화 아민(CAS 68037-94-5), 디(수소화 처리된 탈로우) 아민(CAS 61789-79-5), 디알킬(C₈-C₂₀) 아민(CAS 68526-63-6), 알킬(C₁₀-C₁₆)디메틸 아민(CAS 67700-98-5), 알킬(C₁₄-C₁₈) 디메틸 아민(CAS 68037-93-4), 이수소화 처리된 탈로우메틸 아민(dihydrogenated tallowmethyl amine)(CAS 61788-63-4), 및 트리알킬(C₆-C₁₂) 아민(CAS 68038-01-7)을 포함한다. 나노입자 페이스트 조성물에서 존재할 수 있는 유기산 용매의 예시적인 그러나 비제한적인 예는, 예를 들면, 옥탄산, 노난산, 데칸산, 카프릴산, 펠라르곤산, 운데실산, 라우르산, 트리데실산, 미리스트산, 펜타데칸산, 팔미트산, 마르가르산, 스테아르산, 노나데실산, α-리놀렌산, 스테아리돈산, 올레산, 및 리놀레산을 포함한다.

몇몇 실시형태에서, 유기 매트릭스는 하나보다 더 많은 탄화수소, 하나보다 더 많은 알코올, 옵션 사항으로 하나보다 더 많은 글라임(글리콜 에테르), 하나보다 더 많은 아민, 및 하나보다 더 많은 유기산을 포함할 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 유기 용매의 각각의 클래스는 두 개 이상의 멤버, 또는 세 개 이상의 멤버, 또는 네 개 이상의 멤버, 또는 다섯 개 이상의 멤버, 또는 여섯 개 이상의 멤버, 또는 일곱 개 이상의 멤버, 또는 여덟 개 이상의 멤버, 또는 아홉 개 이상의 멤버, 또는 열 개 이상의 멤버를 가질 수 있다. 또한, 유기 용매의 각각의 클래스에서의 멤버의 수는 동일할 수 있거나 또는 상이할 수 있다. 유기 용매의 각각의 클래스의 다수의 멤버를 사용하는 것의 특별한 이점은 이하에서 설명된다. 더 높은 비등점의 유기 용매는 안전성 이점을 제공할 수도 있다.

유기 용매의 각각의 클래스 내에서 다수의 멤버를 사용하는 것의 하나의 특별한 이점은 금속 나노입자 페이스트 조성물에서 넓은 범위의 비등점을 제공하는 능력을 포함할 수 있다. 넓은 범위의 비등점을 제공하는 것에 의해, 유기 용매는 온도가 상승함에 따라 점차적으로 제거될 수도 있고 동시에 금속 나노입자 고화에 영향을 끼칠 수 있고, 그에 의해, 볼륨 수축을 제한하고 균열을 방지할 수도 있다. 이러한 방식으로 유기 용매를 점진적으로 제거하는 것에 의해, 더 느린 용매 제거에 영향을 끼치기 위해서는, 비등점 범위가 좁은 단일의 용매가 사용되는 경우보다 더 적은 온도 제어가 필요로 될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 유기 용매의 각각의 클래스 내의 멤버는 약 50℃와 약 200℃ 사이, 또는 약 50℃와 약 250℃ 사이, 또는 약 100℃와 약 200℃ 사이, 또는 약 100℃와 약 250℃ 사이, 또는 약 150℃와 약 300℃ 사이, 또는 약 150℃와 약 350℃ 사이, 또는 약 150℃와 약 365℃ 사이의 범위에 이르는 비등점의 윈도우를 가질 수 있다. 더욱 특별한 실시형태에서, 유기 용매의 각각의 클래스의 다양한 멤버 각각은 적어도 약 20℃, 구체적으로 약 20℃ 내지 약 50℃만큼 서로 분리되는 비등점을 가질 수 있다. 더 구체적으로, 몇몇 실시형태에서, 각각의 탄화수소는 유기 매트릭스 내의 다른 탄화수소와는 약 20℃ 내지 약 50℃만큼 다른 비등점을 가질 수 있고, 각각의 알코올은 유기 매트릭스 내의 다른 알코올과는 약 20℃ 내지 약 50℃만큼 다른 비등점을 가질 수 있고, 각각의 아민은 유기 매트릭스 내의 다른 아민과는 약 20℃ 내지 약 50℃만큼 다른 비등점을 가질 수 있으며, 각각의 유기산은 유기 매트릭스 내의 다른 유기산과는 약 20℃ 내지 약 50℃만큼 다른 비등점을 가질 수 있다. 존재하는 유기 용매의 각각의 클래스의 멤버가 더 많을수록, 비등점 사이의 차이는 더 작아진다. 비등점 사이에서 더 작은 차이를 갖는 것에 의해, 용매 제거는 더욱 지속적으로 이루어질 수 있고, 그에 의해, 각각의 스테이지에서 발생하는 볼륨 수축의 정도를 제한할 수 있다. 유기 용매의 각각의 클래스의 네 개 내지 다섯 개 이상의 멤버가 존재할 때(예를 들면, 네 개 이상의 탄화수소, 네 개 이상의 알코올, 네 개 이상의 아민, 및 네 개 이상의 유기산; 또는 다섯 개 이상의 탄화수소, 다섯 개 이상의 알코올, 다섯 개 이상의 아민, 및 다섯 개 이상의 유기산) - 각각은 상기의 범위 내에서 서로 분리되는 비등점을 가짐 -, 감소된 정도의 균열이 발생할 수 있다.

다양한 실시형태에서, 금속 나노입자 페이스트 조성물에서 사용되는 금속 나노입자는 사이즈가 약 20 nm 이하일 수 있다. 다른 다양한 실시형태에서, 금속 나노입자는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 최대 약 75 nm 또는 심지어 최대 약 200 nm일 수도 있다. 상기에서 논의되는 바와 같이, 약 20 nm 미만의 사이즈 범위 내의 금속 나노입자는 대응하는 벌크 금속의 융점보다 상당히 더 낮은 융합 온도를 가질 수도 있으며 결과적으로 서로 쉽게 고화될 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 사이즈가 약 20 nm 이하인 금속 나노입자는 약 220℃ 이하(예를 들면, 약 140℃ 내지 약 220℃의 범위 내의 융합 온도) 또는 약 200℃ 이하의 융합 온도를 가질 수 있는데, 이것은 상기에서 언급되는 이점을 제공할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 금속 나노입자의 적어도 일부는 사이즈가 약 10 nm 이하, 또는 사이즈가 약 5 nm 이하일 수 있다. 더욱 구체적인 실시형태에서, 금속 나노입자의 적어도 일부는 사이즈가 약 1 nm에서부터 사이즈가 약 20 nm까지의, 또는 사이즈가 약 1 nm에서부터 사이즈가 약 10 nm까지의, 또는 사이즈가 약 1 nm에서부터 사이즈가 약 5 nm까지의, 또는 사이즈가 약 3 nm에서부터 사이즈가 약 7 nm까지의, 또는 사이즈가 약 5 nm에서부터 사이즈가 약 20 nm까지의 범위에 이를 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 실질적으로 모든 금속 나노입자는 이들 사이즈 범위 내에서 존재할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 더 큰 금속 나노입자는 금속 나노입자 페이스트 조성물에서 사이즈가 약 20 nm 이하인 금속 나노입자와 결합될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 실시형태에서, 사이즈가 약 1 nm에서부터 약 10 nm까지의 범위에 이르는 금속 나노입자는 사이즈가 약 25 nm에서부터 약 50 nm까지의 범위에 이르는 금속 나노입자와, 또는 사이즈가 약 25 nm에서부터 약 100 nm까지의 범위에 이르는 금속 나노입자와, 또는 사이즈가 약 25 nm에서부터 약 150 nm까지의 범위에 이르는 금속 나노입자와, 또는 사이즈가 약 25 nm에서부터 약 200 nm까지의 범위에 이르는 금속 나노입자와 결합될 수 있다. 하기에서 추가로 논의되는 바와 같이, 몇몇 실시형태에서, 미크론 규모의 금속 입자, 다른 미크론 규모의 입자, 및/또는 나노규모의 입자가 금속 나노입자 페이스트 조성물에서 또한 포함될 수 있다. 더 큰 금속 나노입자 및 미크론 규모의 금속 입자가 그들의 더 작은 대응부의 더 낮은 온도에서 액화 가능하지 않을 수도 있지만, 상기에서 일반적으로 논의되는 바와 같이, 그들은 자신의 융합 온도 이상 이상에서 액화된 더 작은 금속 나노입자와의 접촉시 여전히 고화될 수 있다.

금속 나노입자 및 유기 용매에 더하여, 다른 첨가제가 금속 나노입자 페이스트 조성물에서 또한 존재할 수 있다. 그러한 추가적인 첨가제는, 예를 들면, 레올로지 제어 보조제(rheology control aid), 증점제(thickening agent), 미크론 규모의 전도성 첨가제, 나노규모의 전도성 첨가제, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 화학적 첨가제가 또한 존재할 수 있다. 이하에서 논의되는 바와 같이, 미크론 규모의 금속 입자와 같은 미크론 규모의 전도성 첨가제의 포함이 특히 유리할 수 있다. 몇몇 경우에, 더욱 효율적인 열 전달을 촉진하고 CTE를 재단하기 위해, 나노규모의 또는 미크론 규모의 다이아몬드 또는 다른 열적으로 전도성인 첨가제가 포함하기에 바람직할 수도 있다. 적절한 CTE 수정제 - 이들 중 임의의 것은, 달리 명시되지 않으면 입자 또는 섬유 형태일 수도 있음 - 는 탄소 섬유, W 입자, Mo 입자, 다이아몬드 입자, 붕소 질화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 구리 산화물 나노입자(예를 들면, Cu₂O 및/또는 CuO를 함유하며 사이즈가 약 2 nm 내지 약 200 nm임), 탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연, 및 등등을 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 전술한 CTE 수정제 중 임의의 것은 적어도 하나의 차원에서 미크론 사이즈일 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 페이스트 조성물은 중량 기준으로 약 0.01% 내지 약 15%의 미크론 규모의 금속 입자, 또는 중량 기준으로 약 1% 내지 약 10%의 미크론 규모의 금속 입자, 또는 중량 기준으로 약 1% 내지 약 5%의 미크론 규모의 금속 입자, 또는 중량 기준으로 약 0.1% 내지 약 35%의 미크론 규모의 금속 입자, 또는 중량 기준으로 약 10% 내지 약 60%의 미크론 규모의 금속 입자, 또는 중량 기준으로 약 25% 내지 약 55%의 미크론 규모의 금속 입자를 함유할 수 있다. 금속 나노입자 페이스트 조성물에서의 미크론 규모의 금속 입자의 포함은, 벌크 금속을 형성할 때 금속 나노입자의 고화 동안 발생하는 균열의 발생률을 바람직하게 감소시킬 수 있다. 임의의 이론 또는 메커니즘에 구속되기를 바라지는 않지만, 금속 나노입자가 액화되고 미크론 규모의 금속 입자의 표면 상에 일시적인 액체 코팅을 형성하기 때문에 미크론 규모의 금속 입자가 서로 고화될 수 있는 것으로 여겨진다. 몇몇 실시형태에서, 미크론 규모의 금속 입자는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 500 nm에서부터 약 100 미크론까지의, 또는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 500 nm에서부터 약 10 미크론까지의, 또는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 100 nm에서부터 약 5 미크론까지의, 또는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 100 nm에서부터 약 10 미크론까지의, 또는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 100 nm에서부터 약 1 미크론까지의, 또는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 1 미크론에서부터 약 10 미크론까지의, 또는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 5 미크론에서부터 약 10 미크론까지의, 또는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 1 미크론에서부터 약 100 미크론까지의, 또는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 1 미크론에서부터 약 25 미크론까지의, 또는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 1 미크론에서부터 약 5 미크론까지의, 또는 적어도 하나의 차원에서 사이즈가 약 5 미크론에서부터 약 15 미크론까지의 범위에 이를 수 있다. 미크론 규모의 금속 입자는 금속 나노입자와 동일한 금속을 함유할 수 있거나 또는 상이한 금속을 함유할 수 있다. 따라서, 금속 나노입자의 것과는 상이한 금속과 함께 미크론 규모의 금속 입자를 페이스트 조성물에 포함시키는 것에 의해 금속 합금이 제조될 수 있다. 즉, 금속 복합재는 몇몇 경우에 금속 합금을 포함할 수도 있다. 금속 합금은 또한 상이한 타입의 금속 나노입자를 서로 결합하는 것에 의해 형성될 수도 있다. 적절한 미크론 규모의 금속 입자는, 예를 들면, Cu, Ni, Al, Fe, Co, Mo, W, Ag, Zn, Sn, Au, Pd, Pt, Ru, Mn, Cr, Ti, V, Mg 또는 Ca 입자를 포함할 수 있다. 예를 들면, Si 및 B 미크론 규모의 입자와 같은 비금속 입자가 유사한 방식으로 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 미크론 규모의 금속 입자는, 예를 들면, 고종횡비 구리 플레이크와 같은 금속 플레이크의 형태일 수 있다. 따라서, 몇몇 실시형태에서, 본원에서 설명되는 금속 나노입자 페이스트 조성물은 구리 나노입자와 고종횡비 구리 플레이크 또는 다른 타입의 미크론 규모 구리 입자의 혼합물을 함유할 수 있다. 구체적으로, 몇몇 실시형태에서, 금속 나노입자 페이스트 조성물은 중량 기준으로 약 30% 내지 약 90%의 구리 나노입자 및 중량 기준으로 약 0.01% 내지 약 15% 또는 1% 내지 35%의 고종횡비 구리 플레이크를 함유할 수 있다. CTE 수정제는 금속 나노입자 페이스트 조성물에서 추가로 존재할 수도 있다.

고종횡비 금속 플레이크와 동등하게 사용될 수 있는 다른 미크론 규모의 금속 입자는, 예를 들면, 길이가 최대 약 300 미크론일 수 있는 금속 나노와이어 및 다른 고종횡비 입자를 포함한다. 다양한 실시형태에 따르면, 금속 나노입자 대 금속 나노와이어의 비율은 약 10:1 내지 약 40:1 사이의 범위에 이를 수도 있다. 적절한 나노와이어는, 예를 들면, 약 5 미크론 내지 약 50 미크론의 길이, 및 약 100 nm 내지 약 200 nm 또는 약 100 nm 내지 약 250 nm의 직경을 가질 수도 있다.

금속 나노입자 페이스트 조성물에 옵션 사항으로 또한 존재할 수 있는 추가적인 물질은, 예를 들면, 난연제, UV 보호제, 항산화제, 카본 블랙, 흑연, 섬유 재료(예를 들면, 절단된 탄소 섬유 재료), 다이아몬드, 및 등등을 포함한다.

일부 더 구체적인 실시형태에서, 적절한 나노입자 페이스트 조성물은 다이아몬드 입자 또는 나노다이아몬드 입자를 포함할 수도 있다. 다이아몬드 입자는, 금속 나노입자 페이스트 조성물의 분산성이 손상되지 않도록 충분히 작게 유지하면서, 열 전달 동안 포논에 의해 교차될 필요가 있는 결정립 경계를 제한하기 위해 가능한 한 크게 사이즈가 조정될 수도 있다.

여전히 더욱 구체적인 실시형태에서, 금속 나노입자 페이스트 조성물에서의 사용에 적절한 다이아몬드 입자는 약 1 미크론에서부터 약 1000 미크론까지의, 또는 약 0.5 미크론에서부터 약 500 미크론까지의, 또는 약 1 미크론에서부터 약 10 미크론까지의, 또는 약 2 미크론에서부터 약 50 미크론까지의 또는 약 50 미크론에서부터 약 150 미크론까지의 범위에 이르는 사이즈를 가질 수도 있는데, 이들은 우수한 입자 분산 및 허용 가능한 페이스트 분배성을 제공할 수 있다. 약 200 미크론에서부터 약 250 미크론까지의 또는 약 1 미크론에서부터 약 10 미크론까지의 범위에 이르는 사이즈를 갖는 다이아몬드 입자는 효과적인 분산 제공과 포논 산란을 억제하기 위한 최소화된 결정립 경계 사이의 양호한 절충안을 나타낼 수 있다. 다이아몬드 입자에 대한 다른 적절한 사이즈 범위는 약 25 미크론에서부터 약 150 미크론까지의, 또는 약 50 미크론에서부터 약 250 미크론까지의, 또는 약 100 미크론에서부터 약 250 미크론까지의, 또는 약 100 미크론에서부터 약 200 미크론까지의, 또는 약 150 미크론에서부터 약 250 미크론까지의, 또는 약 1 미크론에서부터 약 100 미크론까지의, 또는 약 10 미크론에서부터 약 50 미크론까지의, 또는 약 5 미크론에서부터 약 25 미크론까지의 범위에 이를 수 있다.

예시적인 실시형태에서, 금속 복합재는 금속 나노입자 고화가 발생하여 모놀리식 금속 본체를 형성한 이후 볼륨 기준으로 약 10% 내지 약 75%의 다이아몬드 입자를 포함할 수 있다. 다른 전도성 입자 또는 CTE 수정제가 동일한 조성 범위에서 존재할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 하나 이상의 CTE 수정제가 본원에서 개시되는 금속 복합재의 중량 기준으로 35% 또는 약 60%에서 존재할 수도 있다.

구리 나노입자와 다이아몬드 입자의 혼합은 여러 가지 이유 때문에 바람직할 수도 있다. 구리는 대부분의 다른 금속과 비교하여 가격이 저렴하고, 다이아몬드와 임피던스 매칭이 상대적으로 잘 되며, 자체적으로 높은 열 전도도를 갖는다. 몇몇 실시형태에서, 다이아몬드 입자 상에 금속 탄화물의 얇은 층(최대 약 10 nm 두께의 단일 원자 층 또는 최대 약 50 nm 두께의 단일 원자 층)을 형성하기 위해 탄화물 형성 첨가제를 포함하는 것에 의해 임피던스 매칭이 더욱 향상될 수 있다. 적절한 탄화물 형성 금속은, 예를 들면, Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, W, V, Mn, Fe, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있다. 그러한 만큼, 구리 나노입자와 다이아몬드 입자의 조합은 본 개시의 다양한 실시형태에서 매우 효과적인 열 전달을 제공할 수 있다. 다양한 보드 층 사이의 전자 통신을 확립하기 위해, 구리는 또한 높은 전기 전도도를 역시 제공한다. 활용되는 특정한 조성에 따라, 예컨대 전기적으로 비전도성인 첨가제의 양에 기인하여, 전기 전도도는 약 30-50% IACS(International Annealed Copper Standard), 또는 약 35-60% IACS, 또는 약 50-75% IACS, 또는 약 55-90% IACS, 또는 약 60-98% IACS일 수도 있다.

본 개시에 따른 사용에 적절한 나노입자 페이스트 조성물은 본원의 상기에서 설명되는 금속 나노입자 페이스트 조성물 중 임의의 것을 사용하여 조성될 수 있다. 또한, 몇몇 실시형태에 따르면, 금속 나노입자 페이스트 조성물에는 다수의 금속이 존재할 수도 있다. 일부 또는 다른 실시형태에서, 적절한 금속 나노입자 페이스트 조성물은 금속 나노입자, 다른 나노사이즈의 입자(즉, 약 200 nm 이하의 치수를 갖는 입자), 및/또는 미크론 규모의 금속 입자를 비롯한 미크론 규모의 입자의 혼합물을 포함할 수 있다. 더욱 구체적인 실시형태에 따르면, 금속 나노입자 페이스트 조성물은 구리 나노입자를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 구리 나노입자는 금속 나노입자 페이스트 조성물의 중량 기준으로 대부분의 성분(>50%)일 수도 있다.

다양한 히트 스프레더 및 히트 스프레더를 활용하는 인쇄 회로 보드는, 적어도 부분적으로, 구리 나노입자 및 구리 나노입자 페이스트 조성물로부터 형성될 수도 있다. 특히, 구리 나노입자 또는 구리 나노입자 페이스트 조성물은 적어도 히트 스프레더의 표면 부분을 생성하기 위해 활용될 수도 있다. 예를 들면, CTE 수정제를 포함하는 구리 나노입자 페이스트 조성물은 고화되어 열 전도성 본체 상에 적어도 부분 코팅을 형성할 수도 있는데, 여기서 코팅은 본원에서 설명되는 다양한 기능을 이행할 수도 있거나, 또는 구리 나노입자 페이스트 조성물은 고화되어 열 전도성 본체 그 자체를 형성할 수도 있다. 열 발생 컴포넌트 내의 일부 세라믹 재료에 대한 CTE 매칭을 촉진하는 데 필요로 될 수도 있는 바와 같은, 히트 스프레더를 정의하는 전도성 본체 상의 코팅 또는 전도성 본체를 형성하기 위해 대안적인 금속 나노입자가 활용될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 따라서, 이하에서 후속되는 개시에서 구리 또는 구리 나노입자를 활용하는 임의의 실시형태는, 달리 반대로 명시되지 않는 한, (옵션 사항으로 구리와 조합하여) 애플리케이션 고유의 필요에 따라 대안적인 금속 또는 금속 나노입자를 활용할 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.

유사하게, 구리 나노입자 페이스트 조성물은 열 발생 컴포넌트와 적어도 그 표면 상에서 구리 복합재를 함유하는 히트 스프레더 사이의 접합 층으로서 적용될 수도 있다. 금속 나노입자를 고화에 후속하여, 결과적으로 나타나는 벌크 금속은 열 발생 컴포넌트와 히트 스프레더의 표면(고화된 금속 나노입자로부터 또한 형성됨) 사이에 CTE 매칭 접합 계면을 제공할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 접합 층은 히트 스프레더의 적어도 하나의 면 상에서 전체적인 또는 부분적인 코팅을 형성할 수도 있다. 몇몇 실시형태에서, 접합 층은 다중 층일 수도 있는데, 각각의 층의 CTE는 상이하다. 접합 층은 히트 스프레더에 야금학적으로(metallurgically) 접합될 수도 있지만, 그러나 반드시 열 발생 컴포넌트에 접합될 필요는 없다. 어떤 경우든, 접합 층은 히트 스프레더와 열 발생 컴포넌트의 CTE 사이의 중간에 있는 CTE를 가질 수도 있다. 유사한 접합 층이 히트 스프레더와 히트 싱크 또는 유사한 열 수용 구조물 사이에서 개재될 수도 있는데, 여기서 히트 스프레더는 옵션 사항으로 히트 싱크 또는 유사한 열 수용 구조물에 야금학적으로 접합될 수도 있고, 접합 층은 히트 싱크 또는 유사한 열 수용 구조물, 예컨대 히트 파이프와 히트 스프레더의 CTE 사이의 중간에 있는 CTE를 가질 수도 있다.

본 개시의 히트 스프레더는 열원 및 히트 싱크와 접촉하도록 구성되는 열 전도성 본체를 포함할 수도 있는데, 여기서 열 전도성 본체의 적어도 일부는 열 발생 컴포넌트에 CTE 매칭된다. 특히, 열 전도성 본체의 적어도 일부, 열 전도성 본체 상의 전체적인 또는 부분적인 코팅, 또는 열 전도성 본체와 열 발생 컴포넌트 사이의 계면 재료(접합 층)는, 본원에서 추가로 설명되는 바와 같이, CTE 수정제를 포함하는 구리 복합재를 포함할 수도 있다. 열 전도성 본체는, 금속, 금속 합금, 또는 금속 복합재를 포함할 수도 있는 모놀리식 블록일 수도 있다. 열 전도성 본체는 테이퍼 형상으로 되는 히트 스프레더를 정의할 수도 있다. 히트 스프레더의 테이퍼 형상화는 그것의 차가운 단부에서 열을 분산시킬 수도 있고 이 위치에서 단위 면적당 열 부하를 감소시킬 수도 있다. 다양한 히트 스프레더 구성이 도면을 참조하여 이하에서 명시된다.

다양한 실시형태에서, 구리 복합재는 미크론 사이즈 구리 입자 및 CTE 수정제를 갖는 구리 나노입자의 고화, 또는 미크론 규모 구리 입자를 포함하지 않으면서 CTE 수정제를 갖는 구리 나노입자의 고화를 통해 형성될 수도 있다. 구리 나노입자, 미크론 사이즈 구리 입자(존재하는 경우), 및 CTE 수정제는, 상기에서 더욱 상세하게 명시되는 바와 같이, 구리 나노입자 페이스트 조성물을 정의할 수도 있다. 구리 나노입자 페이스트 조성물은 히트 스프레더의 열 전도성 본체, 히트 스프레더의 열 전도성 본체 상의 코팅을 형성하기 위해, 또는 히트 스프레더와 열 발생 컴포넌트 사이의 접합 계면 재료로서 활용될 수도 있다. 적절한 구리 나노입자 페이스트 조성물은 약 30 중량% 내지 약 60 중량%의 구리 나노입자, 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 미크론 사이즈 구리 입자, 및 명시된 CTE를 목표로 하는 CTE 수정제의 유효 양을 포함할 수도 있다. CTE 수정제는 중량 기준으로 약 1%에서부터 약 35%까지의, 또는 중량 기준으로 약 4%에서부터 약 8%까지의, 또는 중량 기준으로 약 5%에서부터 약 15%까지의, 또는 중량 기준으로 약 10%에서부터 약 20%까지의 범위에 이르는, 또는 심지어 중량 기준으로 약 35% 또는 약 60%의 양으로 존재할 수도 있다. 두 개, 세 개, 네 개 또는 다섯 개 이상의 상이한 CTE 수정제를 비롯하여, 하나 이상의 CTE 수정제가 존재할 수도 있다. 미크론 사이즈 구리 입자는 몇몇 실시형태에서 생략될 수도 있다.

적절한 CTE 수정제는 흑연/피치 기반의 탄소 섬유(예를 들면, 10 미크론 직경을 가짐), W 입자, Mo 입자, 다이아몬드 입자, 붕소 질화물 입자 또는 섬유, 알루미늄 질화물 입자 또는 섬유, 실리콘 질화물 입자 또는 섬유, 탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연 분말, 등등, 및 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 달리 명시하지 않는 한, CTE 수정제는 분말, 입자, 섬유, 플레이크, 또는 등등과 같은 하나 이상의 형태일 수도 있다. CTE 수정제의 양은 소망되는 정도의 CTE 매칭을 제공하도록 선택될 수도 있다. 탄소 기반의 첨가제는, 예를 들면, 볼륨 기준으로 약 16%에서 첨가될 때 약 2-3 ppm의 열 팽창을, 또는 볼륨 기준으로 약 9%에서 첨가될 때 약 7 ppm의 열 팽창을, 또는 볼륨 기준으로 약 11%에서 첨가될 때 약 6 ppm을 달성할 수 있다. 볼륨 기준으로 약 45%에서 다이아몬드를 첨가하는 것은 밀도(82%)에 따라 약 5-6 ppm의 열 팽창을 달성할 수 있다. 볼륨 기준으로 약 37% 로딩 및 93% 밀도에서, 다이아몬드에 의해 제공되는 열 팽창은 약 6 ppm일 수도 있다. 볼륨 기준으로 약 50%를 넘는 다이아몬드 로딩에서, 열 팽창은 약 5 ppm 아래로 떨어진다.

CTE 수정제는 또한, 몇몇 경우에서, 열 전도도를 크게 증가시킬 수도 있다. 탄소 나노튜브는, 예를 들면, 구리의 열 전도도를 벌크 구리 단독의 경우의 낮은 400s W/m·K의 값으로부터 최대 약 600 W/m·K까지 증가시킬 수도 있다. 탄소 나노튜브를 사용하여 달성 가능한 열 전도도 수정의 정도는 탄소 나노튜브의 길이에 의존할 수도 있는데, 더 긴 탄소 나노튜브는 약 600 W/m·K의 열 전도도 값을 초과한다.

고화된 구리 나노입자는 그들 스스로 프로세스 조건 및 밀도에 따라 약 7-12 ppm의 열 팽창을 나타낸다. 밀도가 증가함에 따라, 열 팽창은 벌크 구리의 것(17 ppm)에 가까워진다. 약 91% 밀도에서, 열 팽창은 약 7-8 ppm이고, 약 93% 밀도에서, 열 팽창은 약 10-11 ppm으로 증가된다. 약 98% 밀도에서, 열 팽창은 약 12 ppm에 도달한다. 심지어 그러한 높은 밀도 값에서도, 열 팽창은 여전히 벌크 구리에 대한 값보다 낮은데, 이것은 구리 나노입자 고화에 후속하여 존재하는 나노다공성으로부터 발생하는 것으로 추정된다.

금속 나노입자(예를 들면, 구리 나노입자)에 대한 미크론 규모의 금속 입자의 첨가는 특정한 금속에 따라 17 ppm 이상에 도달하도록 열 팽창을 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 약 23-24 ppm의 벌크 CTE를 갖는 Al 입자의 첨가는 결과적으로 나타나는 복합재의 CTE를 벌크 구리의 것을 초과하는 값으로 증가시킬 수 있다. 약 55%의 미크론 규모의 구리 분말의 첨가는 96% 밀도에서 약 14 ppm의 열 팽창을 초래한다.

본원에서 개시되는 히트 스프레더의 열 전도성 본체는 금속, 금속 합금, 또는 금속 복합재의 모놀리식 블록을 포함할 수도 있다. 열 전도성 본체가 금속 복합재를 포함하는 경우, CTE 수정제, 다이아몬드 입자 또는 높은 열 전도도를 갖는 다른 타입의 입자와 같은 금속 복합재 내의 첨가 성분은 열 전도성 본체의 어떤 부분도 첨가 성분이 부족하지 않도록 열 전도성 본체 전체에 걸쳐 분포될 수도 있다. 즉, 열 전도성 본체는 열 전도성 본체의 일부 내에서 CTE 수정제와 같은 첨가 성분이 존재하지 않는 조성 불연속성을 포함하지 않는다. 따라서, CTE 수정제와 같은 첨가 성분은 열 전도성 본체 내에서 농도가 균일하게 분포될 수도 있거나 또는 연속적인 구배 또는 계단식 구배 양식으로 농도가 변할 수도 있다. 열 전도성 본체는 열 발생 컴포넌트와 접촉하는 "뜨거운" 단부 및 주위 대기, 해양 환경, 또는 외부 공간에 대한 라디에이터와 같은 히트 싱크 또는 다른 열 저장소로 열을 소산시키도록 구성되는 "차가운" 단부로부터 사이즈가 증가할 수도 있다. 첨가 성분의 로딩은 본원에서 개시되는 히트 스프레더 구성에서 뜨거운 단부로부터 차가운 단부 쪽으로 농도가 증가될 수도 있거나 또는 감소될 수도 있다.

몇몇 실시형태에서, 히트 스프레더는 구배 또는 단계적 방식의 점진적인 CTE 변화를 촉진하는 다중 층 계면을 포함할 수도 있다. 다중 층 계면의 각각의 층에서 CTE 수정제의 양 및/또는 CTE 수정제의 조성은 각각의 층 사이에서 소망되는 정도의 CTE 차이를 제공하도록 조정될 수도 있다. CTE의 단계적 또는 구배 변화는, 열 발생 컴포넌트와 히트 스프레더 사이의 접합부에서 더 급격한 CTE 변화가 있는 경우보다 더 적은 열 응력을 그들 둘 사이에서 제공할 수도 있다. 다중 층 구조물에는 2 개, 3 개, 4 개, 5 개, 6 개, 7 개, 8 개, 9 개 또는 10 개의 층과 같은 임의의 개수의 층이 존재할 수도 있다. 각각의 층은 두께가 약 1 미크론에서부터 약 25 미크론까지의, 또는 두께가 약 5 미크론에서부터 약 10 미크론까지의 범위에 이를 수도 있다. CTE는 약 1 ppm에서부터 약 2.5 ppm까지, 또는 약 0.8 ppm에서부터 약 1.5 ppm까지, 또는 약 1 ppm에서부터 약 2 ppm까지, 또는 약 1.5 ppm에서부터 약 2.2 ppm까지의 범위에 이르는 양으로 각각의 층 사이에서 변할 수도 있다. 예를 들면, CTE는 약 6.0, 8.2, 10.5, 12.8, 및 15.0 ppm의 연속적인 CTE를 갖는 5 개의 층 또는 약 5, 6.1, 7.3, 8.7, 10.1, 11.5, 12, 13.7, 14.9, 및 16 ppm의 연속 CTE를 갖는 10 개의 층에 의해 열 발생 컴포넌트(예를 들면, SiC를 함유함)의 4 ppm으로부터 히트 스프레더의 17 ppm까지 계단식으로 형성될 수도 있다. 다중 층 계면은, 몇몇 경우에, 히트 스프레더의 표면 상에서 접합 층으로서 존재할 수도 있다.

본원에서 개시되는 히트 스프레더는 임의의 명시된 형상일 수도 있다. 제한 없이, 히트 스프레더는 원형, 각형, 난형(ovular), 삼각형, 편평형(flat), 평평형(flattened), 또는 등등일 수도 있다. 히트 스프레더는 테이퍼 형상일 수도 있거나 또는 테이퍼 형상이 아닐 수도 있다. 테이퍼 형상인 경우, 히트 스프레더는 뜨거운 단부로부터 차가운 단부 쪽으로 사이즈가 증가될 수도 있다. 테이퍼 형상화(tapering)는 연속적일 수도 있거나 또는 불연속적일 수도 있다.

도 3a 내지 도 3d는 본 개시의 히트 스프레더의 다양한 구성의 단면도를 도시한다. 도 3a에서, 히트 스프레더(300)는 열 전도성 본체(310) 및 열 전도성 본체(310) 상에서 연속적으로 배치되는 코팅(312)을 포함한다. 코팅(312)의 적어도 일부는 본원의 개시에 따른 CTE 매칭에 적절한 금속 복합재를 포함할 수도 있다. 대안적으로, 열 전도성 본체는 본원의 개시에 따른 CTE 매칭에 적절한 금속 복합재를 포함할 수도 있지만, 그러나 별개의 금속 복합재 코팅은 존재하지 않을 수도 있다. 존재하는 경우, 코팅(312)은 도 3a에서 도시되는 바와 같이 반드시 연속 코팅일 필요는 없다. 도 3b는 코팅(312)이 열 전도성 본체(310) 상에서 불연속적인 히트 스프레더(301)의 다이어그램을 도시한다. 도 3b에서 도시되는 불연속 코팅은 열적 연결을 형성하기 위해 및/또는 열 발생 컴포넌트(도시되지 않음)에 접합하기 위해 활용될 수도 있다. 불연속 코팅으로서 배치되는 경우, 불연속 코팅은 열 발생 컴포넌트와 열 전도성 본체(302) 사이의 공간의 적어도 일부 사이를 중재할 수도 있다. 열 발생 컴포넌트와 열 전도성 본체(302) 사이의 공간에서 금속 나노입자 페이스트 조성물이 배치되어 그들 사이에서 접합 층을 제공할 수도 있다.

본 개시의 히트 스프레더는 더욱 효과적인 열 확산을 제공하기 위해 테이퍼 형상으로 될 수도 있다. 도 3c에서 도시되는 바와 같이, 히트 스프레더(302)는 열 전도성 본체(310)의 적어도 일부 상에 위치되는 코팅(312)을 가지면서 연속적으로 테이퍼 형상으로 되는 열 전도성 본체(310)를 포함하고, 도 3d에서, 히트 스프레더(303)는 열 전도성 본체(310)의 적어도 일부 상에 위치되는 코팅(312)을 가지면서 불연속적으로 테이퍼 형상으로 되는 열 전도성 본체(310)를 포함한다. 다시, 코팅(312)은 열 전도성 본체(310)와 열 발생 컴포넌트 사이에서 CTE 수정제를 포함하는 금속 나노입자 페이스트 조성물을 고화하고, 따라서 그들 사이에 접합 층을 확립하는 것에 의해 형성될 수도 있다. 히트 스프레더(302 및 303) 둘 모두에서, 표면(314)은 열원(열 발생 컴포넌트)과 접촉할 수도 있고, 표면(316)은 히트 싱크 또는 유사한 열 수용 구조물, 예컨대 히트 파이프과 접촉할 수도 있거나 또는 열 연통할 수도 있다(열원 및 히트 싱크는 도 3c 및 도 3d에서 도시되지 않음). 예를 들면, 표면(314)은 과도한 열을 발생시키는 전자 컴포넌트와 접촉할 수도 있다.

CTE 수정제를 포함하는 금속 나노입자 페이스트 조성물을 사용하여 히트 스프레더의 열 전도성 본체를 형성할 때, 금속 나노입자 페이스트 조성물은 적절한 몰드 또는 다이로 로딩될 수도 있고, 그 다음, 구리 나노입자는 고화를 겪어 CTE 수정제를 포함하는 모놀리식 금속 블록을 형성할 수도 있다. 열 전도성 본체 상에 코팅을 형성하기 위해 또는 열 전도도 금속 본체와 열 발생 컴포넌트 사이에서 접합 층을 형성하기 위해, 금속 나노입자 페이스트 조성물은 열 전도도 금속 본체에 도포될 수도 있거나 또는 열 전도성 금속 본체와 열 발생 컴포넌트 사이에서 끼일 수도 있는데, 이 지점에서 금속 나노입자 페이스트 조성물의 금속 나노입자는 고화를 겪게 되어 금속 복합재, 예컨대 CTE 수정제를 함유하는 구리 복합재를 형성할 수도 있다. 금속 나노입자 페이스트 조성물을 프로세싱하기 위한 적절한 조건은, 예를 들면, 사출 성형, 핫 프레싱, 또는 유사한 배치 및 고화 기술을 포함할 수도 있다. 금속 나노입자의 국소화된 가열은 배치 및 고화 프로세스 동안 행해질 수도 있다. 금속 복합재를 형성하기 위한 국소화된 급속 가열은, 비제한적인 실시형태에서, 예를 들면, 레이저 또는 Xe 램프를 사용하여 수행될 수도 있다. 바람직하게는, 금속 복합재를 형성하기 위한 금속 나노입자 융합은 불활성 분위기 또는 환원 분위기가 없는 상태에서, 특히 급속 가열이 수행될 때, 영향을 받을 수도 있다.

일부 구성에서, 복수의 전도성 섬유가 히트 스프레더의 한쪽 단부로부터 연장될 수도 있다. 도 4는 복수의 전도성 섬유(402)가 열 전도성 본체(310)의 한쪽 단부로부터 연장되는 예시적인 히트 스프레더(400)의 다이어그램을 도시한다. 그렇게 구성되는 경우, 전도성 섬유(402)는 전도된 열을 히트 싱크 또는 유사한 열 저장소로 소산시키기 위한 큰 표면적을 제공할 수도 있다. 도 4에서 도시되는 구성에서, 열 전도성 본체(310)는 CTE 수정제를 함유하는 금속 복합재로부터 형성되며, 그 상에는 어떠한 별개의 코팅(예를 들면, 코팅(312))도 존재하지 않는다. 금속 복합재는, 상기에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이, 금속 나노입자의 고화에 의해 생성된다. 그러한 만큼, 전도성 섬유(402)는, 구체적으로는 전도성 본체(310)의 형상으로 형성되는 금속 나노입자 페이스트 조성물에 전도성 섬유(402)를 삽입하는 것 및 그 다음 금속 나노입자를 고화하는 것에 의해, 그 형성 동안 열 전도성 본체(310)에서 통합될 수도 있다. 전도성 섬유(402)는, 존재하는 경우, 별개의 코팅 내에서 금속 나노입자의 고화를 통해 히트 스프레더(400)에 대안적으로 접합될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 열 전도성 본체(310)(또는 그 상의 코팅)로부터 연장되는 전도성 섬유(402) 외에는, 히트 스프레더(400)는 히트 스프레더(300-303)(도 3a 내지 도 3d)와 유사하며 이들에 대한 참조에 의해 더 잘 이해될 수도 있다. 유사한 구조물 및 기능을 갖는 엘리먼트를 나타내기 위해 공통 참조 문자가 사용된다. 따라서, 히트 스프레더(300-303) 중 임의의 것은 히트 스프레더(400)와 관련하여 설명되는 것과 유사한 방식으로 전도성 섬유(402)를 유사하게 통합할 수도 있다.

전도성 섬유(402)를 히트 스프레더(400)에 도입하기 위해, 고화되지 않은 금속 나노입자 페이스트 조성물이 열 전도성 본체(310)에 먼저 도포될 수도 있고(또는 열 전도성 본체(310)를 형성하기 위해 사용될 수도 있고), 그 다음, 전도성 섬유(402)가 고화되지 않은 구리 나노입자 페이스트 조성물에 배치될 수도 있다. 구리 나노입자의 고화에 후속하여, 전도성 섬유(402)는 벌크 구리 및 구리 나노입자 페이스트 조성물로부터 형성되는 분산된 CTE 수정제의 매트릭스 내에서 히트 스프레더(400)에 견고하게 부착될 수도 있다.

적절한 전도성 섬유는, 벌크 구리의 것의 두 배 이상의 열 전도도 값(예를 들면, 800-1100 W/m·K 또는 550-1200 W/m·K)을 나타낼 수도 있는 흑연 섬유 다발을 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 다른 적절한 전도성 섬유는 금속 섬유(예를 들면, Al 또는 Cu 섬유), 다이아몬드 섬유, 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노튜브 섬유, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수도 있지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다. 적절한 섬유 길이는, 섬유 유연성에 따라, 약 2-8 인치일 수도 있다. 적절한 섬유 직경은 약 5-50 미크론, 또는 약 5-10 미크론, 또는 약 5-20 미크론, 또는 약 30-50 미크론일 수도 있다. 섬유는 또한 열 전도성 본체(또는 그 상의 코팅)로부터 연장되는 다공성 폼의 형태일 수도 있는데, 이 경우 냉각 유체, 예컨대 공기 또는 액체는 폼의 기공을 통해 및/또는 섬유 위에서 또는 섬유를 통해 통과하여 과도한 열을 운반할 수도 있다.

본원에서 개시되는 히트 스프레더는 인쇄 회로 보드와 관련되는 열 발생 컴포넌트로부터 열을 소산시키기 위해 활용될 수도 있다. 열 발생 컴포넌트는, 예를 들면, Si(CTE = 2.6 ppm), SiC(CTE = 4.2 ppm), GaN(CTE = 5.6 ppm), 또는 AlN(CTE = 4.5 ppm)과 같은 세라믹을 포함할 수도 있다. 비제한적인 예에서, 히트 스프레더의 CTE는 약 +50% 이내, 또는 약 +25% 이내, 또는 약 +20% 이내, 또는 약 +15% 이내, 또는 약 +10% 이내, 또는 약 +5% 이내, 또는 약 +4% 이내, 또는 약 +3% 이내, 또는 약 +2% 이내, 또는 약 +1% 이내의 공차 내에서 열 발생 컴포넌트의 CTE와 매치할 수도 있다. 히트 스프레더의 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅은 실온에서 약 2 ppm에서부터 약 6 ppm까지의, 또는 약 3 ppm에서부터 약 7 ppm까지의, 또는 약 5 ppm에서부터 약 10 ppm까지의, 또는 약 5 ppm에서부터 약 10 ppm까지의, 또는 10 ppm에서부터 약 15 ppm까지의, 또는 약 15 ppm에서부터 약 25 ppm까지의 범위에 이르는 CTE 값을 나타낼 수도 있다.

따라서, 몇몇 실시형태에서, 본 개시는 열 발생 컴포넌트 및 히트 싱크 또는 유사한 열 수용 구조물에 CTE 매칭될 수도 있는 히트 스프레더를 활용하는 열 소산 시스템을 제공한다. CTE 매칭은 비제한적인 예에서 +20%를 가질 수도 있다. 열 소산 시스템은: 열 전도성 본체를 갖는 히트 스프레더 - 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅의 적어도 일부는 열 팽창 계수(CTE) 수정제를 포함하는 구리 복합재를 포함하고, 그 결과 열 전도성 본체는 약 3 ppm 내지 약 7 ppm의 CTE를 가짐 -; 열 전도성 본체의 제1 표면과 접촉하는 열 발생 컴포넌트 - 열 발생 컴포넌트는 약 3 ppm 내지 약 7 ppm의 CTE를 갖는 열 발생 컴포넌트; 및 열 전도성 본체의 제2 표면과 접촉하는 히트 싱크 또는 히트 파이프를 포함할 수도 있고; 여기서 히트 싱크 또는 히트 파이프는 또한 열 팽창 계수 수정제를 포함하는 구리 복합재로부터 형성되고 약 3 내지 약 7 ppm의 CTE를 갖는다. 옵션 사항으로, 히트 스프레더의 열 전도성 본체는 전술한 CTE 매칭을 달성하면서 히트 싱크 또는 히트 파이프에 야금학적으로 접합될 수도 있다. 전술한 피쳐를 갖는 열 소산 시스템은, 비제한적인 예에서, 과도한 열을 발생시키는 인쇄 회로 보드 및 다른 전자 컴포넌트와 연계하여 활용될 수도 있다.

본 개시의 인쇄 회로 보드는: 전기 절연성 기판 상에 위치되거나 또는 그 내에 함몰되는 열 발생 컴포넌트, 및 열 발생 컴포넌트와 열 연통하는 적어도 하나의 히트 스프레더를 포함할 수도 있으며, 적어도 하나의 히트 스프레더는 적어도 열 발생 컴포넌트에 CTE 매칭된다. 적어도 하나의 히트 스프레더는 열 발생 컴포넌트와의 직접적인 또는 간접적인 물리적 접촉 및 그와의 접합을 통해 열 발생 컴포넌트와 열 연통할 수도 있다. 전기 절연성 기판은 또한 FR4와 같이 단열성일 수도 있거나, 또는 AlN 또는 SiN과 같이 열 전도성일 수도 있다. 다양한 예에서, 적어도 하나의 히트 스프레더는 본 개시의 히트 스프레더이고, 그 중 적어도 일부는 금속 나노입자 및 CTE 수정제로부터 형성되는 금속 복합재(예를 들면, CTE 수정제를 포함하는 구리 복합재)를 포함한다. 적어도 하나의 히트 스프레더는 열 전도성 본체를 통해 직접적으로, 열 전도성 본체 상의 코팅을 통해 간접적으로, 또는 열 발생 컴포넌트 및 히트 스프레더의 적어도 일부에 CTE 매치되는 구리 복합재를 포함하는 접합 층을 통해 간접적으로 열 발생 컴포넌트에 접합될 수도 있다.

인쇄 회로 보드는 또한, SIP 및 패키지화된 전자기기와 같은, 유사한 열 소산 문제를 갖는 대안적인 구조물을 본원에서 동등하게 또한 지칭한다는 것이 인식되어야 한다.

열 발생 컴포넌트는 전기 절연성 기판의 상단 표면 상에 위치될 수도 있거나, 또는 전기 절연성 기판 내의 리세스 내에 매립될 수도 있다. 상기 적어도 하나의 히트 스프레더는 열 발생 컴포넌트의 상단 표면 또는 열 발생 컴포넌트의 저부 표면에 접합될 수도 있거나, 하나 이상의 히트 스프레더는 열 발생 컴포넌트의 측면 표면에 접합될 수도 있거나, 또는 이들의 임의의 조합이 이루어질 수도 있다. 특정한 구성이 이하에서 제공된다.

도 5는 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트의 상단 표면에 접합되는 다이어그램을 도시한다. 도시되는 바와 같이, PCB(600)는 전기 절연성 기판(602) 및 그 상의 열 발생 컴포넌트(604)를 포함한다. 히트 스프레더(606)는 열 발생 컴포넌트(604)의 상단 표면에 접합된다. 히트 스프레더(606)는 몇몇 경우에 집적 회로 하우징에 통합될 수도 있고 및/또는 그 일부일 수도 있다. 도 5에서 묘사되지는 않지만, 열 발생 컴포넌트(604)는 전기 절연성 기판(602) 안으로 함몰될 수도 있고, 히트 스프레더(606)는 전기 절연성 기판(602)의 표면 상에 놓일 수도 있다.

도 6은 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트의 저부 표면에 접합되는 다이어그램을 도시한다. 이 구성에서, 히트 스프레더(606)는 PCB(700)의 전기 절연성 기판(602)에서 정의되는 비아를 통해 연장되고 열 발생 컴포넌트(604)의 후면과 접촉한다. 비아는 히트 스프레더(606)가 자신을 통해 연장되도록 적절하게 사이즈가 조정될 수도 있다. 히트 스프레더(606)는 비아를 통과한 이후 측면 사이즈가 증가될 수도 있다(증가하는 테이퍼). 도 6에서 묘사되지는 않지만, 열 발생 컴포넌트(604)는 전기 절연성 기판(602) 안으로 함몰될 수도 있다.

히트 스프레더는, 도 7에서 도시되는 바와 같이, 열 발생 컴포넌트의 상단 및 저부 표면에 또한 접합될 수도 있다. PCB(800)에서, 히트 스프레더(606a)는 열 발생 컴포넌트(604)의 상단 표면에 접합되고, 히트 스프레더(606b)는 전기 절연성 기판(602)을 통해 연장되고 열 발생 컴포넌트(604)의 저부 표면에 접합된다. 도 7에서 묘사되지는 않지만, 열 발생 컴포넌트(604)는 전기 절연성 기판(602) 안으로 함몰될 수도 있다.

도 8은 다수의 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트의 측면 표면에 접합되는 다이어그램을 도시한다. 도 8에서는, 전기 절연성 기판(602)의 상단 표면 상의 열 발생 컴포넌트(604) 및 히트 스프레더(606)를 위에서 내려다보는 PCB(900)의 상면도가 도시되어 있다. 히트 스프레더(606)는 열 발생 컴포넌트(604)의 측면에 접합된다. PCB(900)에서 측면 접합을 갖는 두 개의 히트 스프레더(606)가 도시되지만, 한 개 또는 두 개보다 더 많은 히트 스프레더(606)가 유사하게 접합될 수도 있다는 것이 인식된다. 히트 스프레더(606)의 측면 접합은 다수의 PCB 층 안으로의 적층을 용이하게 할 수도 있다. 도시되지는 않지만, 상단 및 저부 히트 스프레더(도 5 내지 도 7 참조)가 또한 존재할 수도 있다는 것이 인식되어야 한다.

따라서, 본 개시의 히트 스프레더를 통합하는 PCB는, 다양한 실시형태에 따라, 단일 층 또는 다중 층일 수도 있다. 다중 층 PCB는, 비아 및 다른 보드 피쳐를 정의하기 위해 함께 적층되는 개개의 층을 포함할 수 있다.

다양한 실시형태에서, 히트 스프레더와 열 발생 컴포넌트 사이의 접합 층은 구리를 포함할 수도 있고 구리 나노입자, 더 구체적으로는 열 발생 컴포넌트의 것에 매치하도록 CTE를 수정하는 데 적절한 다른 첨가제를 함유하는 구리 나노입자 페이스트 조성물로부터 형성될 수도 있다. CTE 수정제는 탄소 섬유, 다이아몬드 입자, 붕소 질화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연, 구리 산화물 나노입자, 또는 등등을 포함할 수도 있다. 분배 및 핸들링을 용이하게 하기 위해 구리 나노입자 페이스트 조성물에서는 다른 첨가제가 존재할 수도 있다. 접합 층은 제2 구리 복합재를 포함할 수도 있으며, 게다가 히트 스프레더의 구리 복합재에 추가로 CTE 매칭될 수도 있다.

본원에서 개시되는 실시형태는 다음의 것을 포함한다:

A. 히트 스프레더. 히트 스프레더는: 열원 및 히트 싱크와 접촉하도록 구성되는 열 전도성 본체를 포함하는데, 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅의 적어도 일부는 열 팽창 계수(CTE) 수정제를 포함하는 구리 복합재를 포함한다.

B. 인쇄 회로 보드는: 전기 절연성 기판 위에 위치되는 또는 그 내에 함몰되는 열 발생 컴포넌트; 및

열 발생 컴포넌트와 열 연통하는 적어도 하나의 히트 스프레더를 포함하고, 적어도 하나의 히트 스프레더는:

열 전도성 본체를 포함하고, 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅의 적어도 일부는 열 팽창 계수(CTE) 수정제를 포함하는 구리 복합재를 포함한다.

C. 열 소산 시스템. 열 소산 시스템은: 열 전도성 본체를 갖는 히트 스프레더 - 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅의 적어도 일부는 열 팽창 계수(CTE) 수정제를 포함하는 구리 복합재를 포함하고, 그 결과 열 전도성 본체는 약 3 ppm 내지 약 7 ppm의 CTE를 가짐 -; 열 전도성 본체의 제1 표면과 접촉하는 열 발생 컴포넌트 - 열 발생 컴포넌트는 약 3 ppm 내지 약 7 ppm의 CTE를 갖는 열 발생 컴포넌트; 및 열 전도성 본체의 제2 표면과 접촉하는 히트 싱크 또는 히트 파이프를 포함하고; 여기서 히트 싱크 또는 히트 파이프는 또한 열 팽창 계수 수정제를 포함하는 구리 복합재로부터 형성되고 약 3 내지 약 7 ppm의 CTE를 갖는다. 옵션 사항으로, 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅은 열 발생 컴포넌트의 것의 약 +20% 이내의 CTE를 가질 수도 있다. 옵션 사항으로, 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅은 히트 싱크 또는 히트 파이프의 것의 약 +20 이내의 CTE를 가질 수도 있다. 옵션 사항으로, 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅은 접합 층을 통해 열 발생 컴포넌트 및/또는 히트 싱크 또는 히트 파이프에 야금학적으로 접합될 수도 있다.

실시형태 A-C 각각은 다음의 추가적인 엘리먼트 중 하나 이상을 임의의 조합으로 구비할 수도 있다:

엘리먼트 1: 구리 복합재가 미크론 사이즈 구리 입자 및 CTE 수정제를 갖는 구리 나노입자의 고화를 통해 형성됨.

엘리먼트 1A: 구리 복합재가 CTE 수정제를 갖는 구리 나노입자의 고화를 통해 형성됨.

엘리먼트 2: 구리 복합재가 약 2% 내지 약 30%의 균일한 나노다공성을 가짐.

엘리먼트 3: CTE 수정제가 탄소, W, Mo, 다이아몬드, 붕소 질화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연, 구리 산화물 나노입자, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 입자 또는 섬유를 포함함.

엘리먼트 4: 히트 스프레더가 열 전도성 본체 또는, 존재하는 경우, 그 상의 코팅의 적어도 일부로부터 연장되는 복수의 열 전도성 섬유를 더 포함함.

엘리먼트 5: 열 전도성 본체가 CTE 수정제를 포함하는 구리 복합재로부터 전체적으로 형성됨.

엘리먼트 6: CTE 수정제가 열 전도성 본체 전체에 걸쳐 분포됨.

엘리먼트 7: 열 전도성 본체가 테이퍼 형상임.

엘리먼트 8: CTE 수정제가 구리 복합재에서 단계적 또는 구배 농도 분포로 존재함.

엘리먼트 9: 적어도 하나의 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트에 CTE 매칭되는 구리 복합재를 포함하는 접합 층을 통해 열 발생 컴포넌트에 접합됨. 옵션 사항으로, 열 발생 컴포넌트의 CTE 및 열 전도성 본체 및/또는 그 상의 코팅의 CTE는 약 +20% 이하, 또는 약 +10% 이하, 또는 +5% 이하만큼 상이함.

엘리먼트 10: 접합 층의 구리 복합재가 약 2% 내지 약 30%의 균일한 나노다공성을 가짐.

엘리먼트 11: 열 발생 컴포넌트가 전기 절연성 기판의 표면 상에 위치되거나 또는 그 내에 함몰됨, 그리고: 적어도 하나의 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트의 상단 표면에 접합되거나, 하나 이상의 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트의 측면 표면에 접합되거나, 적어도 하나의 히트 스프레더가 열 발생 컴포넌트의 저부 표면에 접합되고 적어도 하나의 히트 스프레더가 전기 절연성 기판을 통해 연장되거나, 또는 이들의 임의의 조합임.

비제한적인 예로서, A-C에 적용 가능한 예시적인 조합예는 다음의 것을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다: 1 또는 1A, 및 2; 1 또는 1A, 및 3; 1 또는 1A, 및 4; 1 또는 1A, 및 5; 1 또는 1A, 및 6; 1 또는 1A, 및 7; 1 또는 1A, 및 8; 2 및 3; 2 및 4; 2 및 5; 2 및 6; 2 및 7; 2 및 8; 3 및 4; 3 및 5; 3 및 6; 3 및 7; 3 및 8; 4 및 5; 4 및 6; 4 및 7; 4 및 8; 5 및 6; 5 및 7; 5 및 8; 6 및 7; 6 및 8; 및 7 및 8. B 및 C와 관련하여, 전술한 것 중 임의의 것은 9, 10 또는 11과 추가로 조합될 수도 있다. B 및 C에 적용 가능한 추가적인 예시적 조합예는 9 및 10; 9 및 11; 10 및 11; 및 9-11을 포함하지만, 그러나 이들로 제한되지는 않는다.

본 개시의 실시형태의 더 나은 이해를 촉진하기 위해, 바람직한 또는 대표적인 실시형태의 다음의 예가 주어진다. 어떤 식으로든, 다음의 예가 본 발명의 범위를 제한하도록, 또는 정의도록 판독되어서는 안된다.

예

예 1. 높이 11.7 mm, 폭 0.5 인치의 고체 원통을 생성하기 위해, 상업용 건조 흑연 분말 43% v/v, 상업용 건조 구리 분말 24% v/v 및 구리 나노입자 33% v/v를 함유하는 5.1 g/ccm 밀도의 페이스트 2.7 mL가, 타이트하게 끼인 흑연 막대를 사용하여 양쪽 단부가 막힌 0.5 인치 구멍을 갖는 3 인치 높이 x 2 인치 폭의 흑연 셀로 로딩되었다. 그 다음, 셀은 유압 프레스에 배치되었다. 셀이 250℃까지 가열되는 동안 250 psi의 초기 압력이 가해졌다. 100℃에서, 압력은 500 psi로, 200℃에서 1000 psi로, 250℃에서 1750 psi로 증가되었는데, 이것은 그 다음 프로세스 전체에 걸쳐 유지되었다. 목표 피크 온도는 약 15분 이후에 도달되었으며 다른 75분 동안 유지되었다. 그 이후, 열이 차단되었고, 셀은 실온까지 냉각되었고, 부품은 밀려났다. 실린더는 중량이 12.2 g였고, 밀도는 92%였다.

예 2. 높이 6.8 mm, 폭 0.5 인치의 고체 원통을 생성하기 위해, 상업용 건조 BN 분말 33% v/v, 상업용 건조 구리 분말 33% v/v 및 구리 나노입자 34% v/v를 함유하는 4.9 g/ccm 밀도의 페이스트 1.6 mL가, 타이트하게 끼인 흑연 막대를 사용하여 양쪽 단부가 막힌 0.5 인치 구멍을 갖는 3 인치 높이 x 2 인치 폭의 흑연 셀로 로딩되었다. 그 다음, 셀은 유압 프레스에 배치되었다. 셀이 250℃까지 가열되는 동안 250 psi의 초기 압력이 가해졌다. 100℃에서, 압력은 500 psi로, 200℃에서 1000 psi로, 235℃에서 1750 psi로 증가되었는데, 이것은 그 다음 프로세스 전체에 걸쳐 유지되었다. 목표 피크 온도는 약 10분 이후에 도달되었으며 다른 45분 동안 유지되었다. 그 이후, 열이 차단되었고, 셀은 실온까지 냉각되었고, 부품은 밀려났다. 실린더는 중량이 6.9 g였고, 밀도는 90%였다.

예 3. 높이 15.6 mm, 폭 0.5 인치의 고체 원통을 생성하기 위해, 상업용 건조 다이아몬드 분말 7% v/v, 상업용 건조 구리 분말 23% v/v 및 구리 나노입자 70% v/v를 함유하는 4.3 g/ccm 밀도의 페이스트 2.9 mL가, 타이트하게 끼인 흑연 막대를 사용하여 양쪽 단부가 막힌 0.5 인치 구멍을 갖는 3 인치 높이 x 2 인치 폭의 흑연 셀로 로딩되었다. 그 다음, 셀은 유압 프레스에 배치되었다. 셀이 250℃까지 가열되는 동안 250 psi의 초기 압력이 가해졌다. 100℃에서, 압력은 500 psi로, 200℃에서 1400 psi로, 235℃에서 1850 psi로 증가되었는데, 이것은 그 다음 프로세스 전체에 걸쳐 유지되었다. 목표 피크 온도는 약 15분 이후에 도달되었으며 다른 85분 동안 유지되었다. 그 이후, 열이 차단되었고, 셀은 실온까지 냉각되었고, 부품은 밀려났다. 실린더는 중량이 11.7 g였고, 밀도는 92%였다.

예 1-3에 대해 상기에서 설명되는 것과 유사한 방식으로 추가적인 샘플이 제조되었다. 다양한 온도에서 금속 복합재 조성 및 이들로부터 획득되는 CTE 값이 테이블 1에서 명시되어 있다.

[테이블 1]

달리 나타내어지지 않는 한, 본 명세서 및 관련된 청구범위에 사용되는 성분의 양, 분자량과 같은 속성, 반응 조건, 및 등등을 표현하는 모든 숫자는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 나타내어지지 않는 한, 다음의 명세서 및 첨부된 청구범위에 기술되는 수치적 파라미터는 본 발명의 실시형태에 의해 얻고자 하는 소망되는 속성에 따라 달라질 수도 있는 근사치이다. 최소한, 그리고 청구항의 범위에 대한 등가의 원칙의 적용을 제한하려는 시도로서가 아니라, 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 자릿수의 수를 고려하여 그리고 일반적인 반올림 기술을 적용하는 것에 의해 해석되어야 한다.

본 개시의 피쳐를 포함하는 하나 이상의 예시적인 실시형태가 본원에서 제시된다. 명확화를 위해, 본 출원에서는 물리적 구현예의 모든 피쳐가 설명하거나 또는 나타내어지는 것은 아니다. 본 개시를 통합하는 물리적 실시형태의 개발에서, 구현예에 의해 그리고 수시로 변하는 개발자의 목표, 예컨대 시스템 관련, 비즈니스 관련, 정부 관련 및 다른 제약의 준수를 달성하기 위해, 수많은 구현예 고유의 결정이 이루어져야만 한다는 것이 이해된다. 개발자의 노력이 시간 소모적일 수도 있지만, 그럼에도 불구하고, 그러한 노력은 기술 분야에서 통상의 기술을 갖는 그리고 본 개시의 이익을 갖는 자들에게 떠맡겨지는 일상적인 작업이 될 것이다.

따라서, 본 개시는 언급된 목적 및 이점뿐만 아니라 그에 내재되는 목적 및 이점을 달성하도록 잘 적응된다. 본 개시가 본원의 교시의 이점을 갖는 기술 분야의 숙련된 자에게 명백한 상이하지만 동등한 방식으로 수정될 수도 있고 실시될 수도 있기 때문에, 상기에서 개시되는 특정한 실시형태는 단지 예시적인 것에 불과하다. 더구나, 하기의 청구범위에서 설명되는 것 외에는, 본원에서 나타내어지는 구성 또는 설계의 세부 사항에 대해서는 어떠한 제한도 의도되지 않는다. 따라서, 상기에서 개시되는 특정한 예시적인 실시형태는 변경, 결합, 또는 수정될 수도 있으며 모든 그러한 변형예는 본 발명의 범위 및 취지 내에서 고려된다는 것이 명백하다. 본원의 개시는 본원에서 구체적으로 개시되지 않는 임의의 엘리먼트 및/또는 본원에서 개시되는 임의의 옵션 사항의 엘리먼트 없이 적절하게 실시될 수도 있다. 조성물 및 방법이 다양한 컴포넌트 또는 단계를 "포함하는(comprising)", "함유하는(containing)" 또는 "포함하는(including)" 관점에서 설명되지만, 조성물 및 방법은 또한 다양한 컴포넌트 및 단계로 "본질적으로 구성될" 수 있거나 또는 "구성될" 수 있다. 상기에서 개시되는 모든 수치 및 범위는 어떤 양만큼 변경될 수도 있다. 하한 및 상한을 갖는 수치 범위가 개시될 때마다, 그 범위 내에 속하는 임의의 숫자 및 임의의 포함된 범위가 구체적으로 개시된다. 특히, 본원에서 개시되는 ("약 a로부터 약 b까지의", 또는 등가적으로, "대략 a로부터 b까지의", 또는 등가적으로 "대략 a-b까지의" 형태의) 값의 모든 범위는 값의 더 넓은 범위에 포함되는 모든 숫자 및 범위를 기술하도록 이해되어야 한다. 또한, 청구범위의 용어는, 특허권자에 의해 달리 명시적으로 그리고 명확하게 정의하지 않는 한, 그들의 평범하고 일반적인 의미를 갖는다. 또한, 청구범위에 사용되는 부정관사 "a(한)" 또는 "an(한)"은, 그것이 도입하는 엘리먼트의 하나 또는 하나보다 더 많은 것을 의미하도록 본원에서 정의된다.

Claims

히트 스프레더로서,
열원 및 히트 싱크와 접촉하도록 구성되는 열 전도성 본체를 포함하고, 상기 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅의 적어도 일부는 열 팽창 계수(coefficient of thermal expansion; CTE) 수정제(modifier)를 포함하는 구리 복합재를 포함하는, 히트 스프레더.
제1항에 있어서, 상기 구리 복합재는 미크론 사이즈 구리 입자 및 상기 CTE 수정제를 갖는 구리 나노입자의 고화를 통해 형성되는, 히트 스프레더.
제1항에 있어서, 상기 구리 복합재는 약 2% 내지 약 30%의 균일한 나노다공성을 갖는, 히트 스프레더.
제1항에 있어서, 상기 CTE 수정제는 탄소, W, Mo, 다이아몬드, 붕소 질화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연, 구리 산화물 나노입자, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 입자 또는 섬유를 포함하는, 히트 스프레더.
제1항에 있어서,
상기 열 전도성 본체 또는, 존재하는 경우, 그 상의 코팅의 적어도 일부로부터 연장되는 복수의 열 전도성 섬유를 더 포함하는, 히트 스프레더.
제1항에 있어서, 상기 열 전도성 본체는 상기 CTE 수정제를 포함하는 상기 구리 복합재로부터 전체적으로 형성되는, 히트 스프레더.
제6항에 있어서, 상기 CTE 수정제는 상기 열 전도성 본체 전체에 걸쳐 분포되는, 히트 스프레더.
제1항에 있어서, 상기 열 전도성 본체는 테이퍼 형상인(tapered), 히트 스프레더.
제1항에 있어서, 상기 CTE 수정제는 상기 구리 복합재에서 단계적 또는 구배 농도 분포로 존재하는, 히트 스프레더.
제1항에 있어서, 상기 구리 복합재는 약 3 ppm 내지 약 7 ppm의 CTE를 갖는, 히트 스프레더.
인쇄 회로 보드(printed circuit board; PCB)로서,
전기 절연성 기판 위에 위치되는 또는 상기 전기 절연성 기판 내에 함몰되는 열 발생 컴포넌트; 및
상기 열 발생 컴포넌트와 열 연통하는 적어도 하나의 히트 스프레더를 포함하고, 상기 적어도 하나의 히트 스프레더는:
열 전도성 본체를 포함하고, 상기 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅의 적어도 일부는 열 팽창 계수(CTE) 수정제를 포함하는 구리 복합재를 포함하는, PCB.
제11항에 있어서, 상기 구리 복합재는 미크론 사이즈 구리 입자 및 상기 CTE 수정제를 갖는 구리 나노입자의 고화를 통해 형성되는, PCB.
제11항에 있어서, 상기 구리 복합재는 약 2% 내지 약 30%의 균일한 나노다공성을 갖는, PCB.
제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 히트 스프레더는 상기 열 발생 컴포넌트에 CTE 매칭되는 제2 구리 복합재를 포함하는 접합 층을 통해 상기 열 발생 컴포넌트에 접합되는, PCB.
제14항에 있어서, 상기 접합 층의 상기 제2 구리 복합재는 약 2% 내지 약 30%의 균일한 나노다공성을 갖는, PCB.
제11항에 있어서, 상기 CTE 수정제는 탄소, W, Mo, 다이아몬드, 붕소 질화물, 알루미늄 질화물, 실리콘 질화물, 탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연, 구리 산화물 나노입자, 및 이들의 임의의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 입자 또는 섬유를 포함하는, PCB.
제11항에 있어서, 상기 열 전도성 본체는 상기 CTE 수정제를 포함하는 상기 구리 복합재로부터 전체적으로 형성되는, PCB.
제17항에 있어서, 상기 CTE 수정제는 상기 열 전도성 본체 전체에 걸쳐 분포되는, PCB.
제11항에 있어서, 상기 열 전도성 본체는 테이퍼 형상인, PCB.
제11항에 있어서, 상기 열 발생 컴포넌트는 상기 전기 절연성 기판의 표면 상에 위치되거나 또는 상기 표면 내에 함몰되고, 그리고;
상기 적어도 하나의 히트 스프레더는 상기 열 발생 컴포넌트의 상단 표면에 접합되거나,
상기 적어도 하나의 히트 스프레더는 상기 열 발생 컴포넌트의 측면 표면에 접합되거나,
상기 적어도 하나의 히트 스프레더는 상기 열 발생 컴포넌트의 저부 표면에 접합되고, 상기 적어도 하나의 히트 스프레더는 상기 전기 절연성 기판을 통해 연장되거나,
또는 이들의 임의의 조합인, PCB.
제11항에 있어서, 상기 CTE 수정제는 상기 구리 복합재에서 단계적 또는 구배 농도 분포로 존재하는, PCB.
제11항에 있어서, 상기 구리 복합재는 약 3 ppm 내지 약 7 ppm의 CTE를 갖는, PCB.
열 소산 시스템(heat dissipation system)으로서,
열 전도성 본체를 갖는 히트 스프레더 - 상기 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅의 적어도 일부는 열 팽창 계수(CTE) 수정제를 포함하는 구리 복합재를 포함하고, 그 결과, 상기 열 전도성 본체는 약 3 ppm 내지 약 7 ppm의 CTE를 가짐 -;
상기 열 전도성 본체의 제1 표면과 접촉하는 열 발생 컴포넌트 - 상기 열 발생 컴포넌트는 약 3 ppm 내지 약 7 ppm의 CTE를 가짐 -; 및
상기 열 전도성 본체의 제2 표면과 접촉하는 히트 싱크 또는 히트 파이프를 포함하고;
상기 히트 싱크 또는 상기 히트 파이프는 또한 상기 열 팽창 계수 수정제를 포함하는 상기 구리 복합재로부터 형성되고 약 3 내지 약 7 ppm의 CTE를 갖는, 열 소산 시스템.
제23항에 있어서, 상기 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅은 접합 층을 통해 상기 히트 싱크 또는 상기 히트 파이프에 야금학적으로(metallurgically) 접합되는, 열 소산 시스템.
제23항에 있어서, 상기 열 전도성 본체 또는 그 상의 코팅은 상기 열 발생 컴포넌트의 약 +20% 이내의 CTE를 갖는, 열 소산 시스템.