KR100456342B1 - 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록 - Google Patents

반도체 칩의 수냉식 냉각 블록 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉매가 저속으로 흐르더라도 난류를 유도하여 전열효율을 향상시킬 수 있는 반도체 칩(CPU)의 수냉식 냉각 블록에 관한 것으로서, 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록은, 반도체 칩과 접촉되는 열전달판과, 상기 열전달판과 결합되어 상기 열전달판의 열을 식히는 냉매를 수용하고, 상기 냉매의 유동이 가능하도록 일측에 냉매 투입구와 타측에 냉매 배출구가 형성되는 케이스 및 상기 열전달판과 케이스를 밀봉시키는 밀봉수단을 구비하여 이루어지는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록에 있어서, 상기 열전달판은, 열전도율이 우수한 금속재질로 제작되고, 전체적으로 평평한 판형상이며, 반도체 칩과 접촉하는 접촉면의 반대측 표면에 냉매와의 열전달면적을 높이고, 냉매의 난류흐름을 유발하며, 유속이 느려지더라도 열전달계수가 떨어지지 않도록 냉매와 접촉되는 표면에 다수개의 돌기가 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하기 때문에 열전달면적과 열전달효율을 향상시키고, 열저항을 작게 함으로써 열전달에 유리하며, 사용자가 육안으로 냉매의 순환불량이나 냉매의 유량이나 냉각 블록 내부에 이물질이 형성되는 것을 확인하여 냉각계통에 이상이 발생하여 냉각효율이 떨어지기 전에 냉매 또는 냉각 블록을 교체하거나 보충 및 기타 필요한 조치를 취할 수 있고, 반도체 칩의 정확한 온도를 측정할 수 있게 하는 효과를 갖는다.

Description

반도체 칩의 수냉식 냉각 블록{A water cooling type cooling block for semiconductor chip}
본 발명은 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매가 저속으로 흐르더라도 난류를 유도하여 전열효율을 향상시킬 수 있는 반도체 칩(CPU)의 수냉식 냉각 블록에 관한 것이다.
일반적으로 컴퓨터 등에 설치되는 반도체 칩에서 발생하는 고온의 열을 냉각하기 위해 사용되는 종래의 냉각기는, 발열하는 반도체 칩에 접촉되어, 발생하는 열을 금속 등으로 흡수하여 다시 이를 순환하는 냉매나 냉각핀 등으로 전달되도록 냉각하는 구성이었다.
그 중에서 특히 냉매에 의한 반도체 칩의 냉각방식은, 내부에 냉매가 순환하는 냉각 블록을 반도체 칩에 접촉시켜서 반도체 칩을 냉각시키는 방식이었다.
그러나, 이러한 종래의 냉각 블록은, 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체 칩과접촉되고, 냉매가 흐르는 지그재그형 유로가 형성되고, 상기 냉매의 유동이 가능하도록 일측에 냉매 투입구(1a)와 타측에 냉매 배출구(1b)가 형성되는 열전달판(1)과, 상기 열전달판(1)과 결합되어 상기 열전달판(1)의 열을 식히는 냉매를 수용하도록 상기 열전달판(1)을 덮는 케이스(2) 및 상기 열전달판(1)과 케이스(2)를 밀봉시키는 패킹부재(3)를 구비하여 이루어지는 구성이였다.
특히, 이러한 종래의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록은, 냉매가 상기 열전달판(1) 내부에 형성된 지그재그형 유로를 따라 순환하는 유로식 냉각블록이였기 때문에, 냉매와 금속간의 접촉면적이 적고, 유속이 느려지는 경우에 열전달 속도가 급격히 감소하므로, 특히 다수개의 냉각기를 연달아 설치할 경우, 그 성능에 심각한 문제가 발생하였다.
또한, 종래의 냉각 블록은, 케이스가 불투명한 금속재질로 제작되어 사용자가 육안으로 냉매의 순환이나 냉각 블록의 내부상태를 확인하기가 불가능하므로 냉매의 순환상태나, 냉각 블록 내부의 이상 유무를 냉각 블록의 이상으로 인한 반도체 칩의 손상이나 효율 저하를 방지할 수 없었던 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 냉매가 흐르면서 접촉되는 돌기가 형성된 넓은 면적의 단일 열전달판을 구비하여 기존 유로식의 단점을 극복함으로써 냉매 순환에 따른 압력손실을 줄이고, 열전달면적과 열전달효율을 최대화할 수 있는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 케이스가 합성수지류 등의 투명 재질로 제작되어 사용자가 육안으로 냉매의 순환 상태나 냉각 블록 내부에 이물질이 형성되는 것을 확인하여 냉각 능률이 저하되기 전에 냉각 블록 및 냉매를 교체하거나 기타 필요한 조치를 취할 수 있게 하는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 단열재로 둘러싸인 온도센서를 구비하여 반도체 칩의 정확한 온도를 측정할 수 있게 하는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 제공함에 있다.
도 1은 종래의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록이 컴퓨터의 씨피유(CPU)에 조립되는 상태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록 내부의 냉매 흐름을 나타내는 평면도이다.
도 5는 도 4의 다른 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 6은 도 2의 반도체 칩과 접촉하는 접촉면을 나타내는 저면도이다.
도 7은 도 2의 조립된 상태를 나타내는 측단면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 나타내는 분해 사시도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 나타내는 분해 사시도이다.
도 10은 도 9의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록의 반도체 칩과의 체결 상태를나타내는 분해 사시도이다.
도 11은 도 10의 다른 일례를 나타내는 조립 사시도이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 나타내는 조립 사시도이다.
도 13은 종래의 유로형 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록과, 본 발명의 돌기형 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록의 냉각수 순환량에 따른 열저항을 나타내는 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록은, 반도체 칩과 접촉되는 열전달판과, 상기 열전달판과 결합되어 상기 열전달판의 열을 식히는 냉매를 수용하고, 상기 냉매의 유동이 가능하도록 일측에 냉매 투입구와 타측에 냉매 배출구가 형성되는 케이스 및 상기 열전달판과 케이스를 밀봉시키는 밀봉수단을 구비하여 이루어지는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록에 있어서, 상기 열전달판은, 열전도율이 우수한 금속재질로 제작되고, 전체적으로 평평한 판형상이며, 반도체 칩과 접촉하는 접촉면의 반대측 표면에 냉매와의 열전달면적을 높이고, 냉매의 난류흐름을 유발하며, 유속이 느려지더라도 열전달계수가 떨어지지 않도록 냉매와 접촉되는 표면에 다수개의 돌기가 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하기로는, 상기 열전달판의 반도체 칩과 접촉하는 접촉면에는 반도체 칩의 온도 측정을 위하여 열전달판측으로는 단열재로 둘러싸인 온도센서가 설치되며, 상기 돌기는 열전달판에 골고루 분포되고, 상기 냉매의 흐름을 안내하는 가이드부재가 형성될 수 있다.
또한, 상기 케이스는, 사용자가 육안으로 내부 상황을 확인할 수 있도록 투명재질로 제작되고, 상기 케이스 내부에, 사용자가 냉매 흐름상태 확인 또는 유량 측정을 위하여 냉매의 흐름에 의해 회전하는 임펠러;를 더 포함하여 이루어지는 것도 가능하다.
한편, 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록은, 상기 케이스를 반도체 칩에 밀착시키도록 반도체 칩 고정판의 걸림돌기에 걸리는 좌우 걸림판; 상기 좌우 걸림판의 슬라이딩 운동이 자유로워서 상기 좌우 걸림판의 폭이 조절되도록 양측에 레일이 형성되는 가이드판; 및 상기 가이드판의 중심을 관통하여 상기 가이드판을 반도체 칩방향으로 가압하는 조임나사;를 더 포함하여 이루어지는 것이 가능하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록은, 크게 열전달판(10)과, 케이스(20) 및 밀봉장치(30)를 포함하여 이루어지는 구성이다.
즉, 상기 열전달판(10)은, 반도체 칩과 접촉되어 반도체 칩의 열을 냉매로 전달하는 것으로서, 열전도율이 우수한 금속재질로 제작된다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 열전달판(10)의 반도체 칩과 접촉하는 접촉면에는 반도체 칩의 정확한 온도를 측정할 수 있도록 열전달판측으로 단열재(11)로 둘러싸인 온도센서(12)가 설치될 수 있다.
따라서, 반도체 칩의 발열온도를 정확하게 측정하는 것이 가능하여, 냉매를식혀주는 방열기의 냉각 풍량을 반도체 칩의 온도에 따라 적절하게 제어함으로써 반도체 칩의 정확한 온도 컨트롤이 가능한 것이다.
특히, 본 발명의 열전달판(10)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 반도체 칩과 접촉하는 접촉면의 반대측 표면에 열전달면적을 높이고, 냉매의 난류흐름을 유발하도록 다수개의 원기둥형(또는 사각뿔, 삼각뿔형 등 다각뿔이나 다면체) 돌기(13)가 형성된다.
이러한 돌기(13)는 원기둥형 이외에 사각뿔이나 원뿔이나 다각기둥 등 다양한 형태의 돌기가 형성될 수 있고, 이러한 상기 돌기(13)는 열접촉면적을 최대화하기 위하여 전체 열전달판(10)에 골고루 분포되어 형성되거나, 반도체 칩 부근에서 열전달이 활발하게 이루어지도록 반도체 칩 부근에 밀집되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 냉매의 흐름을 반도체 칩 부근으로 안내하는 칸막이형 가이드부재(14)가 형성될 수 있다. 이러한 가이드부재(14)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 유로가 반도체 칩 부근으로 단지 "U"형 곡선을 이루어 흐르도록 안내하는 역할을 하는 것으로서, 종래의 지그재그식 유로와는 차별되는 구성요소이다.
한편, 본 발명의 상기 케이스(20)는, 상기 열전달판(10)과 결합되어 상기 열전달판(10)의 열을 식히는 냉매를 수용하고, 상기 냉매의 유동이 가능하도록 일측에 냉매 투입구(20a)와 타측에 냉매 배출구(20b)가 형성되는 것으로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 사용자가 육안으로 내부의 냉매 흐름 상태를 확인할 수 있도록 합성수지 또는 유리 등의 투명 또는 반투명재질로 제작된다.
이러한 상기 케이스(20)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 일측이 개방된 사각박스형상으로 제작되는 것도 가능하나, 이외에도 도 8에 도시된 바와 같이, 일측이 개방된 원통형으로 제작되는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 밀봉장치(30)는 상기 열전달판(10)과 케이스(20)를 밀봉시키는 밀봉수단의 일종으로서, 분해가 가능하도록 상기 열전달판(10)과 케이스(20) 사이에 위치하는 오링(31) 및 상기 열전달판(10)과 케이스(20)의 테두리를 나사 관통하는 다수개의 조임나사(32)를 포함하여 이루어지는 구성이다.
이외에도 상기 밀봉장치는 서로 일체화를 이루어 분해되지 않도록 완전 밀착되는 플라스틱 용착 밀봉 방식 등을 사용할 수 있다.
특히, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 밀봉장치(30)의 일례로서, 밀봉성을 향상시키기 위하여 상기 열전달판(10)과 케이스(20) 사이에 위치하는 오링(31)과 함께 상기 열전달판(10)과 케이스(20)의 테두리에 링형상으로 각각 형성되어 나사 맞물림되는 암/수나사단턱(10a)(31a)을 구비하여 이루어지는 것도 가능하다.
따라서, 사용자는 투명한 케이스(20) 내부 상태, 즉 내부 냉매의 흐름 상태 또는 내부에 적층되기 쉬운 이물질들의 존재 여부를 확인 할 수 있고, 상기 열전달판(10)으로부터 케이스(20)를 분해하여 물때나 이물질 등을 세척을 하는 등 필요한 조치를 취할 수 있는 것이다.
이러한 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 씨피유에 고정시키기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 좌우로 고정할 수 있는 형태로 제작되고, 씨피유(41)가 안착되는 안착판(42)의 걸림고리(42a)에 걸림홈(44a)이 걸리는 동시에 조임나사(43)의 나사전진으로 본 발명의상기 열전달판(10) 및 케이스(20)를 가압하여 조이는 밀착판(44)을 설치함으로써 반도체 칩에 직접 접촉하는 냉각장치가 안전하고 손쉽게 탈착 가능하도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록의 케이스 내부에는, 사용자가 냉매 흐름상태를 쉽게 확인할 수 있고, 회전의 빠르기를 이용하여 냉매 유량을 측정할 수 있도록 냉매의 흐름에 의해 회전하는 임펠러(50)를 설치할 수 있다.
이외에도, 도시하진 않았지만 상기 임펠러(50)의 회전축(51)에 회전속도 감지센서를 설치하여 냉매의 유량을 정밀 측정하는 것도 가능하다.
따라서, 냉매가 상기 냉매 투입구(20a)를 통해 인입되어 상기 냉매 배출구(20b)로 흐르면, 상기 임펠러(50)가 상기 냉매와 충돌하여 회전하면서 사용자가 냉매의 흐름을 인지할 수 있고, 상기 임펠러(50)의 회전속도에 따라 냉매의 실제 흐름량을 수치화하여 정밀 제어할 수 있는 것이다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 케이스(20)를 원통형으로 제작하고, 상기 임펠러(50)을 상기 케이스(20) 중심에 설치하며, 상기 열전달판(10)과 상기 케이스(20)에 각각 수나사와 암나사를 형성하여, 비틀림 나사조립되도록 하는 것도 가능하다. 여기서 상기 돌기(13)의 형태는 무수히 많은 다각뿔형태 일 수도 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 열전달판(10)에 상기 원기둥형 돌기 대신 무수히 많은 삼각뿔 돌기(13)를 형성하는 것이 가능하고, 이러한 열전달판(10)은 투명 케이스(20) 사이에 오링(31)을 삽입하고, 초음파 열 융착법등에 의하여 일체화를 이루도록 완전 밀봉하는 것이 가능하다.
이러한 삼각뿔 돌기(13) 대신, 사각뿔 돌기나, 각종 다각뿔 형상의 돌기가 형성되어 냉매의 난류를 유도함으로써 열전달계수를 더욱 향상시키는 것이 가능하다.
한편, 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록을 씨피유에 고정시키기 위한 고정장치는, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 케이스(20)를 반도체 칩에 밀착시키도록 반도체 칩 안착판(42)의 걸림돌기(42a)에 걸림홈(60a)이 걸리는 좌우 걸림판(60)과, 상기 좌우 걸림판(60)의 슬라이딩 운동이 자유로워서 상기 좌우 걸림판(60)의 폭이 조절되도록 양측에 레일(70a)이 형성되는 가이드판(70)을 설치하고, 상기 가이드판(70)의 중심을 관통하여 상기 가이드판(70)을 반도체 칩방향으로 가압하는 조임나사(80)로 상기 좌우 걸림판(60)이 반도체 칩 안착판(42)에 고정되도록 하는 것이 가능하다.
이러한 좌우 걸림판(60)의 폭이 조절되는 슬라이딩식 고정장치는, 다양한 규격의 씨피유에 모두 적용될 수 있는 것이다.
또한, 이러한 상기 슬라이딩식 고정장치의 다른 일례로서, 도 11에 도시된 고정장치는, 상기 좌우 걸림판(60)의 길이를 늘려서 다양한 규격의 반도체 칩 안착판에 고정되는 다른 실시예를 나타낸다.
이외에도 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록는, 도 12에 도시된 바와 같이, 수직으로 형성된 냉매 투입관(90a)과, 냉매 배출관(90b)이 형성되어 매우 콤팩트한 사이즈로 제작될 수도 있다.
이러한 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록의 효과는, 도 13에 도시된 바와 같이, 종래의 유로형 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록과, 본 발명의 돌기형 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록의 냉각수 순환량에 따른 열저항 측정치로 알 수 있다.
즉, 도 13에 도시된 바와 같이, 냉각수 순환량이 줄어들수록 종래의 유로형 모델은 열저항이 급격히 감소하는 반면, 본 발명의 돌기형 모델은 냉각수 순환량의 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타난다.
이러한, 열저항치는 전열계수의 역수로서, 열저항이 작을수록 열전달에 유리하기 때문에 본 발명의 반도체 칩의 돌기형 수냉식 냉각 블록이 종래의 반도체 칩의 유로형 수냉식 냉각 블록에 비하여 열전달이 원활한 것이다.
즉, 유로형 냉각 블록은 냉각수 순환량이 적어지면, 급격히 열전달 효과가 떨어지나, 본 발명의 돌기형 냉각 블록은 냉각수 순환량이 적어지더라도 난류의 형성이 용이하여 열전달 효과가 지속될 수 있는 것이다.
이러한 열전달 효과 이외에도 본 발명의 돌기형 냉각 블록은 열전달 표면적이 확대되는 이점도 있는 것이다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.
예컨대, 본 발명의 실시예에서는 컴퓨터의 반도체 칩에 적용되는 것으로 국한되어 있으나 이외에도 각종 발열부에 적용되는 것이 가능하고, 상기 임펠러의 설치 위치나 형상 또한 매우 다양할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.
이상에서와 같이 본 발명의 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록에 의하면, 냉매 순환속도를 빠르게 하여 열전달면적과 열전달효율을 향상시키고, 저속에서도 냉매의 난류를 유도하여 열저항을 작게 함으로써 열전달에 유리하며, 사용자가 육안으로 냉매의 순환이나 냉각 블록의 내부상태를 확인할 수 있기 때문에 냉매의 순환불량이나 냉매의 유량이나 냉각 블록 내부에 이물질이 형성되는 것을 확인하여 냉각계통에 이상이 발생하여 냉각효율이 떨어지기 전에 냉매 또는 냉각 블록을 교체하거나 보충 및 기타 필요한 조치를 취할 수 있고, 이물질 발생이나 내부 부식 등을 판별하여 냉각장치를 교체하거나 내부를 세척하는 것을 가능하며, 단열재로 둘러싸인 온도센서를 구비하여 반도체 칩의 정확한 온도를 측정할 수 있게 하는 효과를 갖는 것이다.

Claims (5)

  1. 반도체 칩과 접촉되는 열전달판과, 상기 열전달판과 결합되어 상기 열전달판의 열을 식히는 냉매를 수용하고, 상기 냉매의 유동이 가능하도록 일측에 냉매 투입구와 타측에 냉매 배출구가 형성되는 케이스 및 상기 열전달판과 케이스를 밀봉시키는 밀봉수단을 구비하여 이루어지는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록에 있어서,
    상기 열전달판은, 열전도율이 우수한 금속재질로 제작되고, 전체적으로 평평한 판형상이며, 반도체 칩과 접촉하는 접촉면의 반대측 표면에 냉매와의 열전달면적을 높이고, 냉매의 난류흐름을 유발하며, 유속이 느려지더라도 열전달계수가 떨어지지 않도록 냉매와 접촉되는 표면에 다수개의 돌기가 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열전달판은,
    반도체 칩과 접촉하는 접촉면에 단열재로 둘러싸인온도센서를 설치하고, 상측 전반에 균일하게돌기를 돌출 형성하며, 상기 돌기의 일측에 형성하여 냉매의 흐름을 "U"형 곡선을 이루어 흐르도록 안내하는가이드부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스는, 사용자가 육안으로 내부 상황을 확인할 수 있도록 투명재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스 내부에는, 흐르는 냉매와 충돌에 의해 회전하도록 하여 그 회전정도를 인지하여 냉매의 흐름량을 측정할 수 있도록 하는 임펠러를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스를 반도체 칩에 밀착시키도록 반도체 칩 안착판의 걸림돌기에 걸리는 좌우 걸림판;
    상기 좌우 걸림판의 슬라이딩 운동이 자유로워서 상기 좌우 걸림판의 폭이 조절되도록 양측에 레일이 형성되는 가이드판; 및
    상기 가이드판의 중심을 관통하여 상기 가이드판을 반도체 칩방향으로 가압하는 조임나사;
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 수냉식 냉각 블록.
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