KR100460180B1 - 다공질 실리콘을 이용한 전자 소자 냉각용 히트 파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드나 광전자 소자와 같은 반도체 집적회로 칩,고속연산 처리를 위한 마이크로프로세서, 전력소자, 미소기계전자시스템, 나노 전자소자 등의 전자 소자 냉각용 히트 파이프에 관한 것이다.

본 발명은 한국 특허출원번호 10-2002-0016569 '전자소자 냉각 방법 및 전자소자' 의 방법을 응용하여 전자 회로가 형성된 기판의 후면에 다공질 실리콘 층(Porous Silicon Layer)과 다공질 실리콘 층 위에 형성된 금속 층(Metal Layer)을 적용하여 전자소자로부터 발생되는 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 전자소자 냉각용 히트 파이프를 제작하는 방법을 개시한다. 실리콘 기판에 양극화 반응을 이용한 채널 모양의 다공질 실리콘 층 형성 시 기공(pore)의 크기와 기공(pore)간의 간격을 조절하고, 전해도금(Electroplating), 스퍼터링(Sputtering), 금속유기화학기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposion), 원자 층 증착(Atomic Layer Deposition)등에 의해서 금속 물질을 다공질 실리콘 층 위에 균일하게 증착함으로써, 전자소자로부터 발생되는 열이 다공질 실리콘 층(Porous Silicon Layer)의 넓은 표면적을 통해 열전도도가 우수한 금속 물질로 전도되고, 열전도도가 우수한 금속표면을 통해 전자소자의 열을 효과적으로 냉각시키는 장점이 있다.

Description

다공질 실리콘을 이용한 전자 소자 냉각용 히트 파이프{The Heat Pipe using Porous Silicon Layer for Cooling Electronic Devices}

실리콘 기판을 사용하여 제작된 전자 소자 - 예를 들면 반도체 집적회로 칩, 전력 소자, 미소전자기계시스템, 나노 전자 소자 - 는 고집적화에 따른 고밀도의 전력이 소모된다. 이러한 전력 소모는 열로 방출되기 때문에 전자 소자의 온도가 높아져서 전자소자의 성능이 나빠지게 되므로, 상기의 전자 소자의 사용에 있어서 열을 전자 소자의 외부로 빨리 방출시키는 방법은 중요하게 인식되고 되는 기술이다.

일반적으로 전자 소자의 냉각을 위해서는 전자 회로가 형성된 실리콘 칩의 후면에 금속으로 된 냉각핀을 접착하는 방법이나 히트파이프와 같은 냉각장치를 장착하는 방법과 표면적이 넓은 다공질 금속 층을 증착하는 방법이 사용되고 있다.

전자 소자의 냉각을 위해서 전자 회로가 형성된 실리콘 기판의 후면에 금속으로 된 냉각핀을 부착하는 방법은 미국 특허 6,208,513 B1에 개시되어 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이 전자 소자의 냉각 구조는 전자소자가 형성된 실리콘 기판(3)의 후면에 냉각핀(1)을 접착하기 위한 금속층(2)과 냉각핀(1)으로 구성되어 있다. 이때 통상적으로 납땜(Soldering) 또는 브레이징(Brazing) 방법을 사용하여 금속층(2)과 냉각핀(1)을 접착한다. 그러나, 상기의 방법은 전자 회로가 형성된 실리콘 기판(3)은 실리콘 칩의 형태를 가지고, 각 개별 칩에 냉각핀(1)을 조립하여야 하기 때문에 공정이 많은 단점을 가지고 있다.

전자 소자의 냉각을 위해서 전자 회로가 형성된 실리콘 기판(3)의 후면에 표면적이 넓은 다공질 금속 층을 증착하는 방법이 미국 특허 4,381,818에 개시되어 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이 전자 회로가 형성되어 있는 실리콘 기판(3)의 후면에 다공질 금속층(5)을 증착된 구조를 사용함으로써 다공질 금속층(5)의 넓은 표면적에 의해 열을 방출하는 방법을 개시하고 있다. 이때 다공질 금속층을 형성공정에 많은 적용되는 스퍼터링(Sputtering)공정은 플라즈마를 이용하는 물리적 기상 증착(Physical Vapor Deposton)공정의 한 분야로서 통상적으로 0.1mTorr에서 10mTorr의 압력조건에서 공정을 수행한다. 상기의 스퍼터링(Sputtering) 공정에 의한 다공질 금속층(5)을 형성하는 방법은 통상의 압력조건 보다 높은 압력에서 스퍼터링 공정을 하여야 하기 때문에 반도체 기판재료와 접착력이 좋지않은 단점이 있다.

본 발명에서는 출원 번호 10-2002-0016569에 있는 열을 방출시키는 표면적이 넓은 다공질 실리콘 층(Porous Silicon Layer)과 열전도도가 우수한 금속층(Metallayer)을 다공질 실리콘 층 위에 균일하게 증착한 구조를 적용하여 전자 소자에서 발생되는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있는 전자 소자 냉각용 히트 파이프를 개시한다.

본 발명에서는 효과적으로 열을 냉각시킬 수 있도록 전자 소자 냉각용 히트 파이프의 미세 채널을 제작하는 단계와, 다공질 실리콘을 형성하여 실리콘 기판의 표면적을 증가시키는 단계와, 상기의 다공질 실리콘 기판에 실리콘에 비해 열전도도가 높은 금속을 표면에 균일하게 증착하는 단계와, 미세 채널 구조를 패키징하는 단계와 패키징되어 있는 미세 채널 구조안에 작동유체를 위치시켜 전자 소자로부터 발생되는 열을 효과적으로 냉각시키고자 한다.

도 1은 종래의 전자 소자 냉각 방식에 의한 한가지 예를 보여주는 개략도

도2는 종래의 전자 소자 냉각에 의한 다른 하나의 예를 보여주는 개략도

도3은 본 발명에 의한 채널 단면의 모양에 따른 전자 소자 냉각용 히트 파이프의 한 예를 나타내는 개략도

도4는 본 발명에 의한 채널 단면의 모양에 따른 전자 소자 냉각용 히트 파이프의 다른 하나의 예를 나타내는 개략도

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1. 방열핀 또는 냉각핀

2. 금속층(Metal Layer)

3. 실리콘 기판(Silicon Substrate)

4. 전자회로(Electronic Circuit)

5. 다공질 금속층 (Porous Metal Layer)

6. 다공질 실리콘 층(Porous Silicon Layer)

7. 작동유체(Working fluid)

8. 접합 기판(Bonding Substrate-glass, metal )

9. 비 실리콘 기판(Non Silicon substrate)

10. 전자 소자 냉각용 히트 파이프

11. 실리콘과 집적되어 열적으로 연결되어 있는 전자 소자 냉각용 히트 파이프 경계면

12. 비실리콘 기판과 접착되어 열적으로 연결되어 있는 전자 소자 냉각용 히트 파이프의 접착면

본 발명에서 제공하는 전자 소자 냉각용 히트 파이프의 구조를 전자회로가 형성된 실리콘 기판의 다른 한 면에 집적하여 제작하거나, 별도로 제작한 전자 소자 냉각용 히트 파이프를 전자회로가 형성된 기판 뒷면에 접착하여 전자 소자에서 발생되는 열을 효과적으로 냉각시킨다.

여기서 집적이라는 말은 동일한 기판에 전자 회로와 전자 소자 냉각용 히트 파이프를 제작한다는 것을, 접착이라는 말은 서로 다른 기판에 전자회로와 전자 소자 냉각용 히트 파이프를 형성하여 두 기판을 붙인 다는 것을 의미하여 구별되어 사용한다.

전자 소자 냉각용 히트 파이프는 미세 채널이 형성된 기판과 패키징을 위한 접합 기판, 그리고 열을 전달하기 위한 작동유체로 구성된다. 본 발명에서는 다공질 실리콘 층과 금속층을 이용한 미세 채널 구조로 이루어진 전자 소자 냉각용 히트 파이프를 특징으로 한다. 전자 소자로부터 발생되는 열이 다공질 실리콘 층의 넓은 표면적을 통해서 열전도도가 우수한 금속 물질로 전도되고, 금속 물질로 방출되는 열이 작동유체에 전달되어 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

도 3과 도 4는 본 발명에서 제공하는 전자 소자 냉각용 히트 파이프를 도시하였다.

도 3에서는 전자회로(4)가 형성된 실리콘 기판(3)의 다른 한 면에 본 발명에서 제공하는 전자소자 냉각용 히트 파이프(10)를 집적하여 전자 소자로부터 발생하는 열을 효과적으로 냉각시키고자 한다. 도 3은 미세 채널 구조형상에 따라 (a)V-자형 미세 채널 구조,(b) 직사각형형 미세채널 구조,(c)사다리꼴형 미세 채널 구조,(d) 원형 미세채널 구조를 갖는 전자소자 냉각용 히트 파이프를 각각 도시하였다.

도 4에서는 전자회로(4)가 형성된 비 실리콘 기판(9)의 뒷면에 별도의 실리콘 기판을 이용하여 제작된 본 발명에서 제공하는 전자 소자 냉각용 히트 파이프(10)를 접착하여 전자 소자로부터 발생하는 열을 효과적으로 냉각시키고자 한다. 도 4는 미세채널 구조형상에 따라 (a)V-자형 미세 채널 구조,(b) 직사각형형 미세채널 구조,(c)사다리꼴형 미세 채널 구조,(d) 원형 미세채널 구조를 갖는 전자소자 냉각용 히트 파이프를 각각 도시하였다.

본 발명에서 제공하는 전자 소자 냉각용 히트 파이프는 실리콘 기판(3)에 양극화 반응에 의해 형성된 다공질 실리콘 층(6)과, 다공질 실리콘 층위에 형성된 금속층(2)으로 이루어진 미세 채널이 포함된 기판과 패키징을 위한 접합 기판, 그리고 열은 전달시키는 작동 유체(7)로 구성된다.

본 발명에서 제공하는 전자 소자 냉각용 히트 파이프는 실리콘 기판에 양극화 반응법을 의해 기공(pore)의 크기와 기공(pore)간의 간격을 조절하여 다공질 실리콘 층으로 이루어진 미세 채널을 제작하고, 도금(Electroplating), 스퍼터링(sputtering), 금속유기화학기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)등에 의해서 금속 물질을 다공질 실리콘 층위에 균일하게 증착하고, 상기의 구조를 패키징하여 전자 소자 냉각용 히트 파이프 소자를 제작하여 전자 소자에 도 3과 같이 집적하거나 또는 도 4와 같이 접착함으로써 소자에서 발생되는 열을 효과적으로 냉각시키고자 한다.

본 발명에서 제공되는 전자 소자 냉각용 히트 파이프의 미세 채널은 실리콘의 습식, 또는 건식 식각 방법을 이용하는 방법과 다공질 실리콘 층을 선택적으로 식각하는 방법을 통하여 제작할 수 있다. 실리콘 기판은 이방성(Anisotropic) 습식 식각 용액을 이용하여 V자 모양이나 사다리꼴 모양의 미세 채널 형상을 가지는 미세 채널을 제작할 수 있고, 이방성(Anisotropic) 건식 식각에 의한 직사각형 모양의 단면이나 등방성(isotropic) 건식 식각을 이용한 원형 모양의 미세 채널 형상을 가지는 미세 채널을 제작할 수 있다.

또한, 다공질 실리콘 층을 선택적으로 산화시킨 후, 산화된 부분을 식각하여 직사각형 모양의 단면이나 원형 모양의 미세 채널을 제작할 수도 있다. 이 경우, 산화된 다공질 실리콘 층은 다른 산화막에 비해 빠른 식각 특성을 가지기 때문에쉽게 채널을 제작할 수 있다.

실리콘 기판은 불산 용액을 주성분으로 하는 전해질 용액에서 전류를 인가시켜주면 실리콘 기판이 식각되는 특성이 있는데, 이를 양극화 반응이라 한다. 이때 인가되는 전류나 실리콘 기판의 불순물의 농도, 전해질 용액의 농도 등을 조절함으로써 다공질 실리콘 층을 형성할 수 있고, 또한 기공(pore)의 크기와 기공(pore)간의 간격을 조절할 수 있다.

열전도도가 좋은 금속 물질을 다공질 실리콘 층에 균일하게 증착하기 위해서 도금(Electroplating), 스퍼터링(Sputtering), 금속유기화학기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposion), 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)등이 사용된다.

상기의 소자를 양극접합이나 자외선 접합 방법 등을 이용하여 접합 기판에 패키징하고, 작동유체(발생되는 열을 이동시키는 매개체 - 물, 아세톤, 메탄올)를 미세 채널에 충전하여 전자 소자 냉각용 히트 파이프 제작을 완료하게 된다.

이때, 접합기판은 양극 접합 방법이나 자외선 접합 방법을 위한 실리콘, 유리, 금속판을 이용한다.

식각 공정을 이용하여 미세 채널의 간격과 길이를 조절하고, 양극화 반응을 통한 다공질 실리콘 층 형성시 기공(pore)의 크기와 기공(pore)간의 간격을 조절하고, 도금(Electroplating), 스퍼터링(Sputtering), 금속유기화학기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposion), 원자층 증착(Atomic Layer Deposition)등에 의해서 형성된 금속 물질을 다공질 실리콘층 위에 균일하게 증착함으로써, 상기의 미세 채널을 이용한 전자 소자 냉각용 히트 파이프를 통해서 전자소자로부터 발생되는 열이 다공질 실리콘 층(Porous Silicon Layer)의 넓은 표면적을 통해 열전도도가 우수한 금속물질로 전도되고, 열전도도가 우수한 금속 표면을 통해 미세 채널에 있는 작동유체에 전달되어 열을 효과적으로 냉각하는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 실리콘 기판의 한면에 전자 회로를 구성한 전자 소자의 다른 한면에 집적되어 열적으로 연결되어 있는 전자소자 냉각용 히트 파이프에 있어서,

   실리콘 기판에 양극화 반응에 의해 생성된 다공질 실리콘 층;

   상기 다공질 실리콘 층에서 상기 실리콘 기판의 실리콘과의 경계면의 반대면에 형성된 미세 채널 구조;

   상기 다공질 실리콘 층의 미세 채널 구조가 형성된 면에 증착된 금속층;

   상기 금속층 위에 결합하여 상기 미세 채널구조를 패키징 할수 있는 접합 기판;

   상기 금속층과 접합 기판으로 패키징 되어 있는 상기 미세 채널구조 안에 위치한 작동유체로 구성된 것을 특징으로 하는 전자 소자 냉각용 히트 파이프.
2. 삭제
3. 전자 소자 냉각용 히트 파이프의 다공질 실리콘 층에 형성된 미세 채널 구조의 제작 방법에 있어서,

   실리콘 기판에 등방성 및 이방성 식각에 의해서 미세 채널 형상을 형성하는 제 1단계와,

   상기 제 1단계 후에 미세 채널 형상을 형성한 실리콘 기판 면에 양극화 반응에 의해 다공질 실리콘 층을 생성하는 제 2단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 채널 구조 제작 방법.
4. 전자 소자 냉각용 히트 파이프의 다공질 실리콘 층에 형성된 미세 채널 구조의 제작 방법에 있어서,

   실리콘 기판에 양극화 반응에 의해 다공질 실리콘 층을 생성하는 제 1단계와,

   상기 제 1 단계 후에 다공질 실리콘 층의 식각에 의해서 미세 채널 형상을 형성하는 제 2단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 채널 구조 제작 방법.
5. 실리콘 기판의 한면에 전자 회로를 구성한 전자 소자의 냉각 방법에 있어서,

   상기 전자 회로가 형성된 상기 실리콘 기판의 다른 한면에 양극화 반응에 의해 생성된 다공질 실리콘 층, 상기 다공질 실리콘 층에 상기 실리콘 기판의 실리콘과 상기 다공질 실리콘 층의 경계면의 반대면에 형성된 미세 채널 구조, 상기 다공질 실리콘층의 미세 채널 구조가 형성된 면에 증착된 금속층, 상기 금속층 위에 결합하여 상기 미세 채널구조를 패키징 할 수 있는 접합 기판, 상기 금속층과 접합 기판으로 패키징 되어 있는 상기 미세 채널구조 안에 위치한 작동유체로 구성된 전자 소자 냉각용 히트 파이프 소자를 구성하여,

   상기 실리콘 기판의 전자 회로에 의해 발생된 열은 상기 다공질 실리콘 층, 상기 금속 층, 상기 미세 채널 구조안에 위치한 상기 작동 유체에 순차적으로 전달되어 전자 회로를 냉각 하는 것을 특징으로 하는 전자 소자 냉각 방법.
6. 삭제