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KR100677818B1 - 방열 구조체 - Google Patents

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KR100677818B1
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Abstract

본 발명은 발열성 전자 부품과 방열 부품 사이의 접촉열 저항을 저하시켜 방열성을 현저하게 향상시킬 수 있는 방열 구조체를 제공하는 것에 관한 것이다.
상기 방열 구조체는 그래파이트 시트와 이 그래파이트 시트의 적어도 한쪽면에 설치된 열전도성 재료층을 포함하고, 전자 부품과 방열 부품 사이에 배치되는 방열 구조체로서, 상기 열전도성 재료는 전자 부품이 작동하지 않는 실온에서는 유동성이 없고, 전자 부품 작동시에는 발열에 의해 저점도화, 연화 또는 용융하는 것을 특징으로 한다.
방열 구조체, 그래파이트 시트, 열전도성 재료

Description

방열 구조체 {Heat-Release Structure}
본 발명은 방열 구조체, 특히 발열성 전자 부품의 냉각을 위해서 발열성 전자 부품과 히트싱크 또는 회로 기판 등의 방열 부품 사이의 열경계면 (thermal interface)에 개재시켜 사용하는 방열 구조체에 관한 것이다.
텔레비젼, 라디오, 컴퓨터, 의료기구, 사무기계, 통신 장치 등 최근 전자 기기 회로 설계는 장치의 소형화가 한층 더 진행됨에 따라서 복잡성이 더욱 증가되고 있다. 예를 들면 트랜지스터 수십 만개 상당분을 내포하는 이러한 전자 기기, 및 그 밖의 전자 기기를 위하여 집적 회로가 제조되고 있다. 설계의 복잡성은 증가하는 한편, 한층 소형화된 전자 부품을 점점 축소되는 면적에 조립하여 전자 부품의 갯수를 더욱 늘리는 것이 요구되고 있다.
따라서, 전자 부품의 고장 또는 기능 부전의 원인이 되고 있는, 이들 전자 부품으로부터 발생하는 열을 보다 효율적으로 방산시키는 것이 필요하다. 즉, 퍼스널 컴퓨터, 디지털 비디오 디스크, 휴대 전화 등의 전자 기기에 사용되는 CPU나 드라이버 IC 및 메모리 등의 LSI의 집적도 향상에 따라서 많은 열방산 방법, 이에 사용되는 열방산 부재 및 재료가 제안되고 있다.
종래부터 전자 기기 등에 있어서 사용중 전자 부품의 온도 상승을 억제하기 위해 황동 등의 열전도율이 높은 금속판을 이용한 히트싱크가 사용되고 있다. 이 히트싱크는 전자 부품이 발생하는 열을 전도하고, 그 열을 외기와의 온도차에 의해서 표면으로부터 방출시킨다.
전자 부품으로부터 발생되는 열을 히트싱크에 효율적으로 전달시키기 위해 히트싱크를 전자 부품에 밀착시킬 필요가 있는데, 각 전자 부품의 높이차 또는 조립 가공에 의한 공차가 존재하기 때문에 유연성을 갖는 열전도 시트나 열전도성 그리스를 전자 부품과 히트싱크 사이에 개재시키고, 그 사이의 접촉열 저항을 저하시켜 전자 부품으로부터 히트싱크로의 열전도성을 높이는 방법이 고안되고 있다.
상기 열전도성 시트의 예로서, 일본 특허 공개 (평) 제3-51302호 공보에는 그래파이트 시트의 한쪽면 또는 양쪽면에 열전도성 실리콘 고무를 코팅한 것이 개시되어 있고, 일본 특허 공개 (평) 제11-340673호 공보에는 전자파 실드(sealed) 재료를 충전한 실리콘 고무층을 그래파이트 필름에 적층한 방열 구조체가 개시되어 있다.
그러나, 상기 일본 특허 공개 (평) 제3-51302호 공보에 기재된 방열 구조체에서 사용되고 있는 그래파이트 시트는 적층 방향으로 5 W/mㆍK, 면내 방향으로 500 W/mㆍK나 되는 열전도율을 가진 이방성 고열전도 재료이지만, 시트 자체의 경도가 높기 때문에 열전도성 실리콘 고무로 피복하더라도 접촉열 저항을 충분히 저하시킬 수 있다고는 할 수 없었다. 따라서, 더욱 낮은 접촉열 저항을 실현할 수 있는 방열 구조체가 요망되고 있었다.
따라서, 본 발명의 과제는 발열성 전자 부품과 방열 부품 사이의 접촉열 저항을 저하시켜 방열성을 현저하게 향상시킬 수 있는 방열 구조체를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기 문제를 감안하여 예의 검토한 결과, 상온에서는 고체 시트상이며, 또한 표면층이 필요로 하는 형상에 적합하게 열전도적으로 밀착시킬 수 있는 미경화 조성물로 구성되어 있기 때문에 전자 부품과 히트싱크 등의 방열 부품 사이에 장착 및 탈착이 용이한 한편, 전자 부품 작동시에 발생하는 열에 의해 연화되어 접촉열 저항을 현저하게 감소시킴으로써 방열 성능이 우수한 방열 구조체를 개발하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은 상기 과제를 해결하는 수단으로서 그래파이트 시트와 이 그래파이트 시트의 적어도 한쪽면에 설치된 열전도성 조성물층을 포함하고, 전자 부품과 방열 부품 사이에 배치되는 방열 구조체로서, 상기 열전도성 조성물은 전자 부품이 작동하지 않는 실온에서는 유동성이 없고, 전자 부품 작동시에는 발열에 의해 저점도화, 연화 또는 용융하는 것을 특징으로 하는 방열 구조체를 제공한다.
<발명의 실시 형태>
이하, 본 발명을 여러 가지 실시 형태에 의해 상세하게 설명한다.
- 그래파이트 시트 -
그래파이트(흑연)로 이루어진 시트라면 특별히 제조법 등은 한정되지 않는 다. 두께는 0.01 내지 1.5 mm인 것이 바람직하고, 0.1 내지 1.0 mm인 것이 보다 바람직하다. 지나치게 얇으면 기계적 강도가 저하되어 취약하게 되고, 지나치게 두꺼우면 유연성이 불충분하게 된다. 이러한 그래파이트 시트는 시판 제품으로서 쉽게 입수할 수 있다.
- 열전도성 재료 -
본 발명에 사용되는 열전도성 재료는 전자 부품이 작동하지 않는 실온에서는 유동성이 없고, 전자 부품 작동시에는 발열에 의해 저점도화, 연화 또는 용융되는 것이다. 구체적으로는, 40 내지 100 ℃정도의 온도 범위에서 열연화, 저점도화 또는 용융하는 재료라면 사용할 수 있다.
열전도성 재료로서 보다 구체적으로는 매트릭스상을 구성하는 유기 수지, 및 열전도성 충전재를 포함하는 열전도성 조성물을 들 수 있다.
[수지 성분]
여기에서 사용할 수 있는 유기 수지로는 전자 부품의 작동 온도에서 내열성을 갖는 것, 또한 전자 부품이 작동하지 않는 상온에서는 유동성이 없고 전자 부품의 작동 온도에서 열연화, 저점도화 또는 용융하는 것 등이 요구되며, 이러한 특성을 구비한 유기 수지라면 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 예를 들면 실리콘 수지, α-올레핀계 수지, 파라핀계 수지 등을 들 수 있고, 이 중에서도 바람직한 것은 실리콘 수지이다.
본 발명에 적합한 실리콘 수지의 보다 구체적인 예로서는 하기의 것을 들 수 있다.
실리콘 수지로서는 열전도성 조성물이 실질적으로 상온에서 고체(비유동성)이고, 40 ℃ 이상, 발열성 전자 부품의 발열에 의한 최고 도달 온도 이하, 즉 40 내지 100 ℃, 특히 40 내지 90 ℃ 정도의 온도 범위에서 열연화, 저점도화 또는 융해하여 적어도 표면이 유동화되는 것이라면 어떠한 것도 사용할 수 있다. 이것은 매트릭스상이 열연화를 일으키는 중요한 인자가 된다.
여기서 말하는 열연화, 저점도화 또는 융해하는 온도는 열전도성 조성물의 경우이며, 실리콘 수지 자체는 40 ℃ 미만의 융점을 가질 수도 있다(실리콘 수지 자체는 상온에서 유동성일 수도 있다).
실리콘 수지는 상기 조건을 만족시키는 것이라면 어떠한 것도 사용할 수 있지만, 상온에서 비유동성을 유지하기 위해서 RSiO3/2 단위(이하, T 단위라고 부름) 및(또는) SiO2 단위(이하, Q 단위라고 부름)를 포함한 중합체, 이들과 R2SiO 단위(이하, D 단위라고 부름)의 공중합체 등이 예시되고, D 단위를 포함하는 실리콘 오일이나 실리콘 생고무를 첨가할 수도 있다. 이들 중에서 T 단위와 D 단위를 포함하는 실리콘 수지, T 단위를 포함하는 실리콘 수지와 25 ℃에서 점도가 100 Paㆍs 이상인 실리콘 오일 또는 실리콘 생고무의 조합이 바람직하다. 실리콘 수지는 말단이 R3SiO1/2 단위(M 단위)로 봉쇄된 것일 수도 있다.
여기서, 상기 R은 탄소수 1 내지 10, 바람직하게는 1 내지 6의 비치환 또는 치환된 1가 탄화수소기이고, 구체적으로는 메틸기, 에틸기, 프로필기, 이소프로필기, 부틸기, 이소부틸기, tert-부틸기, 펜틸기, 네오펜틸기, 헥실기, 시클로헥실 기, 옥틸기, 노닐기, 데실기 등의 알킬기, 페닐기, 톨릴기, 크실릴기, 나프틸기 등의 아릴기, 벤질기, 페닐에틸기, 페닐프로필기 등의 아랄킬기, 비닐기, 알릴기, 프로페닐기, 이소프로페닐기, 부테닐기, 헥세닐기, 시클로헥세닐기, 옥테닐기 등의 알케닐기나, 이들 기의 수소 원자 중 일부 또는 전부를 불소, 브롬, 염소 등의 할로겐 원자, 시아노기 등으로 치환한 것, 예를 들면 클로로메틸기, 클로로프로필기, 브로모에틸기, 트리플루오로프로필기, 시아노에틸기 등을 들 수 있고, 이들 중에서도 특히 메틸기, 페닐기, 비닐기가 바람직하다.
또한, 실리콘 수지에 대해서 구체적으로 설명하면, 실리콘 수지로서는 T 단위 및(또는) Q 단위를 포함하는 것으로, M 단위와 T 단위 또는 M 단위와 Q 단위로 설계하는 방법이 행해지고 있다. 그러나, 고형시 강인성이 우수하기 때문에(취약성이 개선되어 취급시 파손 등을 방지함), T 단위를 도입하는 것이 효과적이고, 또한 D 단위를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, T 단위의 치환기(R)로서는 메틸기, 페닐기가 바람직하고, D 단위의 치환기(R)로서는 메틸기, 페닐기, 비닐기가 바람직하다. 또한, 상기 T 단위와 D 단위의 비율은 10:90 내지 90:10, 특히 20:80 내지 80:20인 것이 바람직하다.
또한, 통상 사용되는 M 단위와 T 단위, 또는 M 단위와 Q 단위로 합성된 수지라도 T 단위를 포함하며 여기에 D 단위를 주로 포함하는(말단은 M 단위) 고점도 오일(100 Paㆍs 이상) 또는 생고무형 화합물을 혼합함으로써 취약점이 개선되고, 또한 열충격을 주었을 경우, 펌핑아웃(pumping out, 충전제와 실록산 기재의 분리에 의한 기포 생성 또는 실록산 기재의 유출)을 방지할 수 있다. 따라서, T 단위는 포함하 고 D 단위는 포함하지 않는 실리콘 수지를 사용하는 경우에는, 이 실리콘 수지에 D 단위를 주성분으로 하는 고점도 오일 또는 생고무형의 화합물 등을 첨가하는 것이 바람직하다.
따라서, 연화점을 갖는 실리콘 수지가 T 단위는 포함하고 D 단위는 포함하지 않는 경우에는, 상기 이유로 인하여 D 단위를 주성분으로 하는 고점도 오일 또는 생고무 등을 첨가하면 취급성이 우수한 재료가 된다. 이 경우, D 단위를 주성분으로 하는 고점도 오일 또는 생고무형의 화합물 등의 첨가량은 상온보다 높은 온도의 연화점 또는 융점을 갖는 실리콘 수지 100 중량부에 대하여 1 내지 100 중량부, 특히 2 내지 10 중량부인 것이 바람직하다. 1 중량부 미만인 경우에는 펌핑아웃 현상의 발생 가능성이 크고, 100 중량부를 넘는 경우에는 열저항이 커져 방열 성능이 저하될 우려가 있다.
상술한 바와 같이, 실리콘 수지는 점도 저하를 크게 발생시키기 때문에 비교적 저분자량의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 저융점 실리콘 수지의 분자량은 500 내지 10000, 특히 1000 내지 6000인 것이 바람직하다.
또한, 실리콘 수지는 본 발명에 사용되는 열전도성 재료에 유연성과 점착성 (전자 부품 또는 히트싱크에 방열 시트를 임시 고정할 때 필요함)를 부여하는 것이 적합하고, 단일 점도의 중합체 등을 사용할 수도 있지만, 점도가 다른 2 종류 이상의 중합체 등을 혼합하여 사용하는 경우에는 유연성과 점착성의 균형이 우수한 시트를 얻을 수 있어 유리하게 되므로 점도가 다른 2 종류 이상을 사용할 수도 있다.
[열전도성 충전재]
상기 열전도성 조성물에 사용되는 열전도성 충전재로서는, 이러한 종류의 용도로 열전도 충전재로서 일반적으로 사용되는 공지된 재료를 특별히 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면 비자성 구리, 알루미늄 등의 금속, 알루미나, 실리카, 마그네시아, 철단, 베릴리아, 티타니아, 지르코니아 등의 금속 산화물, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소 등의 금속 질화물, 인조 다이아몬드, 탄화규소 등의 물질을 사용할 수 있다.
열전도성 충전재의 평균 입경은 전자 부품 작동시의 유동성 및 열전도성 모두 양호할 수 있도록 0.1 내지 100 ㎛의 범위인 것이 바람직하고, 특히 0.1 내지 25 ㎛의 범위인 것이 보다 바람직하다. 평균 입경이 너무 작으면, 혼합 충전시 조성물의 점도가 높아져 작업성이 저하된다. 또한, 실제 방열 부재로서 사용하는 경우에도 가열 압착시 점성이 높기 때문에 전자 부품과 방열 부품의 간극이 커지게 되고 열저항이 커져서 충분한 방열 성능을 얻기 어렵다. 평균 입경이 너무 크면, 작업시 점도는 저하하지만, 실제 방열 부재로서 사용하는 경우에는 가열 압착시 전자 부품과 방열 부품의 간극을 입자의 직경 이하(예를 들면 100 ㎛ 이하)로 좁힐 수 없게 되고, 역시 열저항이 지나치게 커져서 충분한 방열 성능을 얻기 어렵다. 충전재로서는 일정한 평균 입경을 갖는 것을 1 종 단독으로 사용할 수도 있고, 평균 입경이 다른 2 종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다.
상기 열전도성 충전재 입자의 형상은 특별히 제한되지 않지만, 구형인 것이 바람직하다.
입자 형상이 구형이고, 평균 입경이 다른 복수개의 종류를 혼합하여 사용하 면, 보다 조밀하게 충전되기 때문에 열전도성이 보다 향상될 것으로 기대되므로 이러한 배합이 장려된다. 예를 들면 평균 입경 10 ㎛인 알루미나 가루(A)와 평균 입경 1 ㎛인 알루미나 가루(B)를 사용하는 경우, 양자의 배합비는 중량 기준으로 (A)/(B)= 70/30 내지 90/10인 것이 바람직하다
[그 외 첨가제]
열전도성 조성물에는 필요에 따라서 예를 들면 합성 고무에 사용되는 첨가제나 충전재를 사용할 수 있다.
구체적으로, 이형제로서 실리콘 오일, 불소 변성 실리콘 계면활성제; 착색제로서 카본 블랙, 이산화티탄, 철단 등; 난연성 부여제로서 백금 화합물, 또는 산화철, 산화티탄, 산화세륨 등의 금속 산화물, 또는 금속 수산화물; 가공성 향상제로서 프로세스 오일, 반응성 실란 또는 실록산, 반응성 티타네이트 촉매, 반응성 알루미늄 촉매 등을 들 수 있다.
또한, 열전도성 충전재의 고온시 침강 방지제로서 침강성 또는 소성 실리카 등의 미분말 가루, 요변성 향상재 등을 임의로 첨가할 수 있다.
[조성물의 제조]
조성물을 구성하는 여러 가지 성분을 예를 들면 2축 롤, 벤버리 믹서, 도우 믹서(니이더), 게이트 믹서, 유성형 믹서 등의 고무 혼련기를 사용하여 경우에 따라서는 가열하면서 균일하게 혼합하여 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 사용되는 열전도성 조성물은 예를 들면 상품명 PCS-TC-10(신에쯔 가가꾸 고교(주) 제조, 열전도율 5 W/mㆍK, 연화점 48 ℃), PCS-TC-11(동사 제조, 열전도율 4.5 W/mㆍK, 연화점 48 ℃) 등으로 입수할 수 있다.
이하, 실시예로써 본 발명을 구체적으로 설명한다. 또한, 부는 달리 기재하지 않는 한 중량부를 의미한다.
<실시예 1 및 2>
열전도성 조성물로서 신에쯔 가가꾸 고교(주) 제조의 실리콘 수지계 조성물(상품명: PCS-TC-10, 열전도율: 5 W/mㆍK, 연화점 48 ℃)을 사용하였다. 이 조성물 100부에 톨루엔 15부를 첨가하여 용액상으로 제조한 것을, 마쓰시타덴끼(주) 제조의 두께 100 ㎛의 그래파이트 시트의 한쪽면에 코팅한 것(실시예 1), 및 양쪽면에 코팅한 것(실시예 2)를 제조하여 이들을 각각 80 ℃에서 10 분간 가열하여 용매를 휘발시켰다. 이와 같이 하여, 상기 그래파이트 시트의 한쪽면 또는 양쪽면에 두께 130 ㎛의 열전도성 조성물층을 포함하는 방열 구조체를 얻었다.
<비교예 1>
실시예 1에서 사용한 것과 동일한 그래파이트 시트의 한쪽면에 프라이머(상품명: X-65-484, 신에쯔 가가꾸(주) 제조)로 처리한 후 방열성 실리콘 고무(제품명 TC-TH, 신에쯔 가가꾸 고교(주) 제조)를 130 ㎛ 두께로 스크린 도포하고, 120 ℃에서 5 분간 가열 경화시켜 방열 구조체를 제조하였다.
<비교예 2>
상기 그래파이트 시트 단독으로 아무것도 코팅하지 않은 것을 준비하였다.
- 열저항의 측정 -
실시예 및 비교예에서 얻은 방열 구조체 또는 그래파이트 시트를 65 ℃에서 다음의 방법으로 열저항을 측정하였다. 그 결과는 표 1에 나타내었다.
[측정 방법]
방열 구조체를 트랜지스터 TO-3형의 형상으로 펀칭한 두께 0.5 mm의 샘플을 트랜지스터 TO-3형 형상의 모델히터(단면적 7 cm2)과 히트싱크 FBA-150-PS(상품명, 가부시끼가이샤 OS제조) 사이에 끼우고 압축 하중 69.0 내지 690 kPa(10 내지 100 psi)로 가중하였다. 히트싱크는 항온수조의 물을 순환시켜 65 ℃로 보온하였다.
이어서, 모델히터에 26 V, 1A의 전력을 공급하여 5분 후 트랜지스터(온도 T1)와 히트싱크(온도 T2)에 매입되어 있는 열전대의 온도를 측정하고, 다음 식으로부터 샘플의 열저항 Rs(℃ㆍcm2/W)을 산출하였다.
Rs=(T1-T2)/26 X 7(℃ㆍcm2/W)
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2
특징 한쪽면에 열전도성 조성물을 코팅 양쪽면에 열전도성 조성물을 코팅 한쪽면에 방열 실리콘 고무를 코팅 코팅하지 않음
열저항 (65℃) ℃ㆍcm2/W) 압력 69.0 kPa(10psi) 0.98 0.77 2.45 2.73
압력 138 kPa(20psi) 0.77 0.63 2.03 2.31
압력 345 kPa(50psi) 0.49 0.49 1.26 1.68
압력 690 kPa(100psi) 0.35 0.35 0.70 1.05
표 1에 나타난 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 및 2의 방열 구조체는 그래파이트 시트 단독(비교예 2) 및 방열 실리콘 고무(상품명: TC-TH, 신에쯔 가가꾸 고교(주) 제조)를 한쪽면에 두께 130 ㎛로 도포한 것(비교예 1)과 비교하여현저하게 낮은 열저항을 나타내었고 방열성이 우수하였다.
이상과 같이, 본 발명의 방열 구조체는 발열성 전자 부품과 방열 부품 사이에서 전자 부품의 작동시 양쪽 부품을 밀착시켜 양쪽 부품 사이의 접촉열 저항을 현저하게 저하시킬 수 있기 때문에 방열성이 우수하다. 또한, 전자 부품이 작동하지 않는 상온에서는 고체 시트상이므로 탈착이 용이하여 작업성이 우수하다.

Claims (4)

  1. 그래파이트 시트 및 이 그래파이트 시트의 적어도 한쪽면에 설치된 열전도성 재료층을 포함하며, 전자 부품과 방열 부품 사이에 배치되는 방열 구조체로서, 상기 열전도성 재료는 전자 부품이 작동하지 않는 실온에서는 유동성이 없고, 전자 부품 작동시에는 발열에 의해 40 내지 100 ℃ 범위의 온도에서 저점도화, 연화 또는 용융하는 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 열전도성 재료가 매트릭스상을 구성하는 유기 수지 및 열전도성 충전재를 포함하는 열전도성 조성물인 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유기 수지가 실리콘 수지인 것을 특징으로 하는 방열 구조체.
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