KR100211058B1 - 멀티칩 모듈의 냉각장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회로의 고집적화 및 고속화로 소비전력이 증대하여 단위면적당 발생하는 발열량에 의해 멀티칩 모듈의 표면 온도를 55

Description

멀티칩 모듈(MCM;Multi-chlp Module)의 냉각장치 및 방법

제1도는 통신 시스템에서의 칩 모듈의 단위면적 당 발열량과 열유속과의 관계에서 가능한 냉각방식을 나타낸 도표.

제2도는 본 발명에 의한 멀티칩 모듈 냉각장치의 일실시예 구성을 나타낸 개략도.

제3a도 및 제3b도는 본 발명의 요부인 증발 냉락기의 단면 구성도.

제4a도 및 제4b도는 본 발명의 요부인 집적응축기의 단면 구성도.

제5도는 MCM의 열유속에 대한 본 발명의 냉각 모듈의 열적 특성을 나타낸 그래프도.

제6도는 본 발명의 냉각 모듈에 의하여 냉각되고 있는 MCM의 열유속과 MCM 표면 온도와의 관계를 나타낸 그래프도.

제7도는 단계적으로 변화하는 MCM의 열유속에 따르는 본 발명의 냉각 모듈의 열적 특성을 나타낸 그래프도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 증발냉각기 12 : 집적응축기

13 : 튜브 21 : 멀티칩모듈

23 : 배플 24 : 응축냉매 유입유로

25 : 냉매증기 유출유로 26 : 냉각기의 내부공간

31 : 냉각수 유로 32 : 냉매증기 유로

본 발명은 실리콘 미세가공기술의 발달로 기존 시스템에서 발생하였던 패키지와 기판상의 지연시간을 배제하여 칩간 신호교환시 발생하는 신호전달지연을 최소화함으로써 시스템의 고속화를 도모할 수 있는 멀티칩모듈(MCM) 패키지에 있어서, 회로의 고집적화 및 고속화로 소비전력이 증대하여 단위면적 당 발열량, 즉 열유속이 2W/에 이를 것으로 예상되는 멀티칩 모듈의 표면 온도를 55이하로 유지하면서 냉각함과 동시에, 제작의 용이성, 유지 보수의 간결성, 및 높은 신뢰성을 가지는 멀티칩 모듈(이하, MCM; Multichip Module 이라 칭함)의 냉각장치 및 방법에 관한 것이다.

고속 광대역 비동기 전달모드(ATM) 교환시스템의 실현에 있어서 , 동작속도는 수기가(Gbps)가 되고, 게이트 수에서는 수십만 게이트의 고속, 고집적 초 대규모 집적(VLSI;Very Large Scale Integration)칩들이 필요하게 된다. 따라서 , 칩의 고밀도, 고 집적화에 따라 집적회로 내부에서 발생되는 발열량도 계속 증가하여 칩당 수십 와트(W)에 이르고 있으며, 이러한 발열량을 갖는 칩들을 실내공기에 그대로 방치한할 경우, 상당한 고온이 되어 부품의 고장 원인이 된다. 또한, 칩에서의 발열량 증가로 시스템 장비 내부에서 높은 열이 발생하여 각 부품간의 신호전송 시간이 지연될 뿐만 아니라, 신호가 오전달되는 등 시스템의 신뢰성이 급격히 떨어지게 되므로 더욱 고밀도화되어 가고 있는 시스템의 발전에 장애요인이 되고 있다. 따라서, 시스템의 발전에 대응하는 냉각방식의 선택과 냉각기술의 발전은 성공적인 시스템 개발에 필수적이라 할 수 있다.

시스템의 실장 방법에 있어서, COB(Card on Board)을 사용하는 협대혁 종합정보통신망(N-ISDN)은 칩 모듈의 열유속이 0.01~0.1W/에 지나지 않아 제1도에서 볼 수 있는 바와 같이 공기를 이용한 자연대류 냉각방법이나, 저유속 강제대류 냉각방법으로 시스템의 냉각을 수행하고 있다. 하지만, 화상 전송 등을 목표로 하고 있는 광대역 종합정보통신망(B-lSDN)의 경우는 그 정보 처리율이 협대역 종합정보통신망의 경우보다 10배∼100배가 큰 수백 기가(Gbps)가 되어야 한다. 따라서, 이러한 경우의 칩 모듈은 종래의 싱글칩 모듈(SCM;Single-chip Module)방식을 사용하기 보다는 회로의 집적도가 높아져 회로선간의 신호 전파 지연을 최소화하고 전자파 발산을 감소시키며, 교환 시스템의 성능을 크게 향상시킬 수 있는 멀티칩 모듈(MCM;Multi-chip Module)방식을 사용하는 것이 유리하다. 그러나, 상기 멀티칩 모듈을 사용하는 경우에 있어서는 그에 따른 칩 모듈의 열유속이 2W/에 달할 것을 고려하여 새로운 실장기술과 그에 따른 냉각 방법이 요구된다.

더구나, 3차원 실장기술을 사용하게 될 차세대 종합정보통신망의 경우는 칩 모듈의 열유속이 10W/을 넘을 것으로 예상이 되며, 또한 이러한 실장 방법에서는 보다 더 컴팩트한 냉각 시스템의 구성이 요구된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 , 열-사이펀 자연순환경로를 가지는 간단한 구성으로서 회로와 고집적화 및 고속화로 소비전력의 증대에 따라 발열되는 멀티칩 모듈의 표면온도를 55이하의 온도로 유지시킬 수 있도록 하는 멀티칩 모듈의 냉각장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 상기 멀티칩 모듈에서 발생하는 열부하가 변하더라도 냉각모듈의 열적특성은 변하지 않도록 하여 냉각특성을 신뢰성 있게 가질 수 있는 밀티칩 모듈의 냉각장치 및 방법을 제공함에 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 증발 냉각기의 구조를 간단히 하고, 응축기가 집적되도록 하므로써 제작비용을 절감하면서 보다 컴팩트한 구조를 가질 수 있도록 멀티칩 모듈의 냉각 장치 및 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 냉매의 순환경로를 제공하도록 자연순환 루프 구조로 형성된 튜브; 상기 튜브의 순환경로상에 장착되도록 그 양판부에 상기 튜브와 연통하는 유로를 가지며, 내부는 냉매를 수용하기 위한 빈 공간이 형성되고, 그 일측면에는 멀티칩 모듈이 연결되어 상기 튜브로부터 공급되는 냉매의 비등과 강제대류 열전달에 의해 상기 멀티칩 모듈에서 배출되는 열을 흡수하는 증발수단; 상기 증발수단의 빈 공간 내부에 구비되어 상기 공간을 구획하며, 좌우로 이동되면서 유로의 간극을 조절하여 냉매가 비등에 의한 펌핑으로 강제대류를 발생시키도록 하는 배플; 및 상기 증발수단의 일측에 위치되도록 상기 튜브의 소정위치에 연결되며, 그 내부에 냉각수 유로 및 냉매증기 유로가 다수 형성되어 상기 증발수단에서 배출되는 증기를 응축하는 집적응축수단을 특징으로 하는 멀티칩 모듈 냉각장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기한 바와 같은 멀티칩 모듈의 냉각장치 구조에 적용되는 방법에 있어서, 상기 멀티칩 모듈의 표면에서 발생하는 열유속에 따라 상기 증발수단에 내재된 냉매의 비등 및 강제대류 열전달에 의해 증발수단에서 흡수하는 제1 단계; 상기 증발수단내서 발생하는 냉매 비등에 의해 생성된 냉매증기가 밀도차에 의하여 상승하여 튜브를 거쳐 집적응축수단으로 통과하면서 응축하는 제2 단계; 및 상기 집적응축수단을 통과한 응축 냉매가 증력에 의해 증발수단으로 하강하여 냉매역할을 수행하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 제2도 이하의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다

도면에서 11은 증발냉각기, 12는 집적응축기, 13은 튜브, 21은 멀티칩모듈, 22는 핀, 23은 배플, 24는 응축냉매 유입유로, 25는 냉매증기 유출유로, 26은 냉각기의 내부공간, 31은 냉각수 유로, 32는 냉매증기 유로를 각각 나타낸 것이다.

제2도는 본 발명에 의한 멀티칩 모듈 냉각장치의 일실시예 구성을 나타낸 개략도로서, 열-사이펀 자연 순환경로를 가지는 냉각모듈의 개략적인 구성을 나타낸 것이다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 냉각장치는 멀티칩 모듈이 부착되는 증발냉각기(11)와, 상기 증발냉각기(11)를 거쳐 증기로 변한 냉매를 응축시키는 집적응축기(12)와, 상기 증발냉각기(11)와, 집적응축기(12)가 자연순환루프로 형성된 튜브(13)에 연결되는 구조로 이루어져 있다.

여기서, 본 실시예에서의 상기 튜브(13)는 증발냉각기(11)와 집적응축기(12)가 연결되는 부위를 열-사이펀으로 형성한 구조로 되어 있다.

상기와 같이 구성된 냉매 순환루프로 이루어진 냉각장치를 좀더 상세히 설명하면, 상기 증발냉각기(11)에 부착된 MCM이 작동 중에 나오는 열을 증발냉각기(11)에 들어 있는 냉매의 비등 및 강제대류 열전달에 의하여 흡수하게 되는데, 이 과정에서 비등에 의하여 생성된 냉매 증기가 밀도차에 의하여 위로 올라가 냉매증기유로를 통하여 흐르다가, 상기 집적응축기(12)를 지나면서 응축된 후 중력에 의하여 증발냉각기(11)로 다시 내려와서 냉매 역할을 수행하게 되는 2상류 열-사이펀 자연 순환 루프로 구성되어 있다.

상기 증발냉각기(11)와 집적응축기(12)가 제3도 및 제4도에 도시되어 있다.

제3a도 및 제3b도는 본 발명에 의한 증발냉각기의 일실시예 구성도로서, 제3a도는 증발냉각기(11)의 단면도, 제3b 도는 제3a도의 C-C단면도를 나타낸다.

도면에 도시한 바와 같이, 소정크기의 내부공간(26)을 가지는 상기 증발냉각기(11)는 냉매에 의한 비등이 일어나는 일측면 바깥쪽에 MCM(21)이 부착되어 있다.

상기 증발냉각기(11)의 내부공간(26)의 상하측에는 상기 튜브(13)와 연통하도록 냉매 유출입유로(24,25)가 형성되며, 또한 상기 내부공간(26)에는 그가 양쪽구획으로 나뉘어지도록 소정크기의 판으로 형성된 배플(23)이 수직으로 구비되는데, 상기 배플(23)과 MCM(21)이 부착된 면의 안쪽면 간격은 필요에 따라 상기 배플(23)의 이동에 의해 조절이 가능하다.

여기서, 상기 배플(23)은 좌우로 이동함에 따라 냉매 유출유로(24,25)의 간극을 조절하므로써 냉매가 비등에 의한 펌핑으로 강제대류를 발생시킨다.

이는, 상기 MCM(21)에 의하여 발생되는 열로 인하여 MCM(21)이 부착된 면의 안쪽구획면에서 비등이 일어날 경우, 상기 배플(23)에 의하여 열-사이펀 효과가 나타나게 되며, 상기 열-사이펀 효과에 의하여 냉매 증기의 강제대류가 발생하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는, 냉매의 비등을 효과적으로 유도하기 위하여 냉매가 들어있는 증발냉각기(11)의 한쪽 냉각판에 열전도가 높은 그리스를 부착하여 이룰 수 있다.

제4a도 및 제4b도는 본 발명와 요부인 집적응축기(12)의 단면 구성도로서, 제4a도는 정단면도, 제4b도는 측면도를 나타낸다. 상기 집적응축기(12)는 냉매 증기가 응축되는 냉매 유로(32)와 냉매 증기를 냉각시키고, 응축시에 나오는 열을 흡수하는 냉각수 유로(31)로 구성되어 있으며, 본 실시예에서는 응축시의 열저항을 최소로 하기 위하여 상기 냉매증기 유로(32)와 냉각수 유로(31)를 같은 금속 내에 집적시킨 구조를 제시하고 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의한 열-사이펀 냉각모듈의 자체 특성 및 성능 평가는 다음과 같다.

본 평가는 MCM(21)을 사용하고 있는 시스템의 환경 온도 및 습도를 전혀 제어하지 않은 상태에서 이루어졌으며, 평가중의 시스템 환경 온도는 최대 29까지 다다랐음을 먼저 밝혀 둔다.

제5a도 및 제5b도는 MCM의 열유속에 대한 본 발명의 냉각 모듈의 열적 특성 을 나타낸 그래프도를 나타낸 것이다.

여기서, 제5a도는 상기 MCM(21)에서 나오는 열유속이 1.08W/인 경우를 예로하여, 증발냉각기(11)에 부착되어 있는 MCM(21)의 평균 표면온도(Te), 응축부(12)의 평균온도(Tc)와 냉매증기의 온도(Te,out)를 나타낸 것이다. 이 특성 그래프에 따라, 시스템의 정상상태는 상기 MCM(21)이 가동 후 10분 정도면 이루어지고, 그 이후로는 본 발명의 냉각 모듈의 각 부분 온도가 별다른 변화없이 상기 MCM(21)에 의하여 주어진 열부하를 냉각시키고 있음을 확인할 수 있다, 제5b도는 열유속이 2.66W/인 경우를 예로 하여, 상기 증발냉각기(11)에 부착된 MCM(21)의 평균 표면온도(Te), 응축부(12)의 평균온도(Tc), 냉매증기의 온도(Te, out)를 나타낸 것이다.

상기 제5a도 및 제5b도의 성능도에 따라, 열유속이 큰 경우에도 냉각 모듈은 증발냉각기(11)에 부착된 MCM(21)의 표면온도와 냉매증기의 온도차(이하, 과열도)가 커지는 일 외에는 열적 특성의 별다른 변화없이 큰 열부하를 냉각시키고 있음을 확인할 수 있다.

제6도는 자체 성능 실험 결과를 바탕으로 한 본 발명의 냉각 모듈에 의하여 냉각되고 있는 MCM의 열유속과 MCM 표면 온도(Te)와의 관계를 나타낸 그래프도로서, 본 발명의 냉각모듈이 어느 정도의 열부하를 냉각할 수 있는지를 평가하기 위한 것이다. 이 관계도에 따라, 상기 MCM(21)의 표면온도를 80이하로 유지하고자 할 경우, 열유속 5.32W/의 열부하를 냉각할 수 있음을 확인할 수 있다.

제7도는 단계적으로 변화하는 MCM의 열유속에 따르는 본 발명의 냉각모듈의 열적 특성을 나타낸 그래프도로서, 상기 MCM(21)의 열부하가 단계적으로 변할 경우, 본 발명의 냉각모듈의 열적 특성이 어떻게 응답하는가를 보여 주고 있다. 이 특성도에 따라, 상기 MCM(21)에서 발생되어 단계적으로 변화하는 열부하에 대하여 상기 MCM(21) 표면의 평균온도, 냉각수 온도, 응축부의 평균 온도 변화가 형태상으로 서로 다르게 변화하고 있으며, 또한 상기 단계적으로 변화하는 열부하에 대하여 본 발명의 냉각모듈은 열적 특성상의 별다른 변화없이 MCM(21)에서 발생되는 열부하를 냉각시키고 있음을 확인할 수 있다.

상기한 냉각모듈에 의한 자체 성능 실험 결과에 따라 특유한 특성을 가지며, 일예로 시스템의 환경 온도를 제어하지 않은 상태에서 MCM 표면온도를 60이하로 유지하고자 할 경우에는 2.66W/의 열부하를, 80이하로 유지하고자 할 경우에는 5.32W/의 열부하를 냉각할 수 있는 것이다.

상기와 같이 구성되는 냉각장치를 적용하는 냉각방법은 냉매가 들어있는 증발냉각기(11)의 한쪽 내벽, 즉 일측 냉각판에 MCM(21)을 열전도가 높은 그리스를 이용하여 부착하면, 상기 MCM(21) 작동시 그에서 발생하는 열이 그리스를 통하여 전달된다. 이에따라, 냉매가 접해있는 냉각판 벽에서 비등이 일어남과 동시에 배플(23)에 의해 조절되어진 간극이 좁은 유로에서 열 사이펀 효과에 의해 강제대류가 발생되며, 비등 및 강제대류의 열전달에 의해 흡수된다. 그리고, 상기 증발냉각기(11)에서 비등에 의해 형성된 증기는 밀도차에 의해 응축부와 연결된 튜브(13)를 통해 상기 집적응축기(12)에 올라가 냉각수에 의하여 응축된 후, 중력에 의해 다시 증발냉각기(11)로 내려오는 2상류 순환루프가 되는 것이다.

상기 냉각수 순환과정에서 증기 냉각시 필요한 열 및 응축시 내놓은 잠열은 냉각수에 의해 흡수되어 냉각모듈 외부로 빠져 나오므로, 열-사이펀 냉각모듈은 MCM 표면온도를 55이하로 유지하면서 열유속 2.6W/의 열부하를 냉각시킬 수 있다.

또한, 상기 냉각모듈은 유전성 액체의 비등시 발생되는 비등히스테리시스 현상이 작기때문에 급격한 온도강하가 일어나지 않으며 , MCM 표면 온도를 85이하로 유지할 경우에는 5.5W/의 열유속까지 냉각시킬 수 있는 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, MCM의 표면온도를 소정온도로 유지함에 따라 각각의 표면온도에 해당하는 열유속의 부하를 냉각시킬 수 있으므로 열적특성이 우수할 뿐만 아니라, 증발 냉각기의 구조가 간단하고 응축기가 집적되어 있어 저렴한 비용으로 보다 컴팩트한 교환 시스템의 냉각 모듈을 제작할 수 있으며, 상기 MCM에서 발생되는 열부하가 단계적으로 변하더라도 냉각모듈의 열적 특성상 별다른 변화가 없어 신뢰도가 큰 냉각 모듈을 제작할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 냉매의 순환경로를 제공하도록 자연순환루프 구조로 형성된 튜브, 상기 튜브의 순환경로상에 장착되도록 그 양단부에 상기 튜브와 연통하는 유로를 가지며, 내부는 냉매를 수용하기 위한 빈 공간이 형성되고, 그 일측면에는 멀티칩 모듈이 연결되어 상기 튜브로부터 공급되는 냉매의 비등과 강제대류 열전달에 의해 상기 멀티칩 모듈에서 배출되는 열을 츱수하는 증발수단; 상기 증발수단의 빈 공간 내부에 구비되어 상기 공간을 구획하며, 좌우로 이동되면서 유로의 간극을 조절하여 냉매가 비등에 의한 펌핑으로 강제대류를 발생시키도록 하는 배플; 및 상기 증발수단의 일측에 위치되도록 상기 튜브의 소정위치에 연결되며, 그 내부에 냉각수 유로 및 냉매증기 유로가 다수 형성되어 상기 증발수단에서 배출되는 증기를 응축하는 집적 응축수단을 포함하는 멀티칩 모듈의 냉각장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 튜브는 증발수단과 집적응축수단이 연결되는 부위가 열-사이펀구조로 형성된 것을 특징으로 하는 멀티칩 모듈의 냉각장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 냉매의 비등을 유도하기 위하여 냉매가 들어있는 증발수단의 한쪽내벽에 부착된 그리스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티칩 모듈의 냉각장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 집적 응축수단은 응축시의 열저항을 소정값만큼 작게되도록 냉매증기유로와 냉각수 유로가 동일 금속내에 집적시킨 것을 특징으로 하는 멀티칩 모듈의 냉각장치.
5. 냉매의 순환경로를 제공하도록 자연순환루프 구조로 형성된 튜브; 상기 튜브의 순환경로상에 장착되도록 그 양단부에 상기 튜브와 연통하는 유로를 가지며, 내부는 냉매를 수용하기 위한 빈 공간이 형성되고, 그 일측면에는 멀티칩 모듈이 연결되어 상기 튜브로부터 공급되는 냉매의 비등과 강제대류 열전달에 의해 상기 멀티칩 모듈에서 배출되는 열을 흡수하는 증발수단; 상기 증발수단의 빈 공간 내부에 구비되이 상기 공간을 구획하며, 좌우로 이동되면서 유로의 간극을 조절하여 냉매가 비등에 의한 펌핑으로 강제대류를 발생시키도록 하는 배플; 및 상기 증발누단의 일측에 위치되도록 상기 튜브의 소정위치에 연결되며, 그 내부에 냉각수 유로 및 냉매증기 유로가 다수 형성되어 상기 증발수단에서 배출되는 증기를 응축하는 집적응축수단을 포함하는 멀티칩 모듈의 냉각장치에 적용되는 방법에 있어서, 상기 멀티칩 모듈의 표면에서 발생하는 열유속에 따라 상기 증발수단에 수용된 냉매의 비등 및 강제대류 열전달에 의해 증발수단에서 열을 흡수하는 제1 단계; 상기 증발수단에서 발생하는 냉매 비등에 의해 생성된 냉매증기가 밀도차에 의하여 상승하여 튜브를 거쳐 집적응축수단으로 통과하면서 응축하는 제2 단계; 상기 집적응축수단을 통과한 응축냉매가 증력에 의해 증발수단으로 하강하여 냉매 역할을 수행하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티칩 모듈의 냉각방법.
6. 제5항에 있어서, 제1 단계는 상기 멀티칩 모듈의 표면에서 발생하는 허용온도범위내에서 냉매 온도를 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티칩 모듈 냉각방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 제1 단계는 상기 증발수단에 내장된 배플을 좌우로 이동시켜 냉매 유출입유로의 간극을 조절함에 따라 냉매의 비등에 의한 펌핑으로 강제대류를 발생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티칩 모듈 냉각방법.
8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 제2 단계는 증기냉각시 필요한 열 및 응축시 내놓은 잠열을 냉각수에 흡수하여 외부로 배출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티칩 모듈 냉각방법.