KR100805931B1 - 단일체 방열판 구조를 갖는 반도체 칩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열을 직접 외부 매질로 전달하는 단일체 방열판 구조를 갖는 반도체 칩에 관한 것으로서, 패키지부(20)에 실장되는 반도체 칩(10)으로서, 볼록부(12a) 및 오목부(12b)를 포함하는 요철부(12)가 일면에 일체로 형성되어 있는 반도체 단결정 기판(11), 및 단결정 기판(11)의 타면에 형성되어 있는 집적 회로부(13)를 포함하고, 반도체 칩(10)이 패키지부(20)에 실장될 때, 요철부(12)가 외부로 노출되는 방열판 구조를 갖는 반도체 칩을 제공한다.
반도체칩, 열전달, 방열판, 공냉식, 수냉식

Description

단일체 방열판 구조를 갖는 반도체 칩{Semiconductor chip having monolithic heat-sink structure}
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 칩 냉각 구조의 일예를 도시하는 개략도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 칩의 개략도,
도 3 내지 도 5는 패키지 기판에 실장된 도 2의 반도체 칩의 사시도, 및
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 칩을 설명하기 위한 개념도.
<도면의 부호에 대한 설명>
10: 반도체 칩 11: 단결정 기판
12: 요철부 12a 볼록부
12b: 오목부 13: 집적 회로부
20: 패키지부
40: 워터블럭 41: 냉각액
42a, 42b: 기포
본 발명은 열을 직접 외부 매질로 전달하는 방열판 구조를 갖는 반도체 칩에 관한 것이다.
근래에 CPU, 그래픽 칩셋, 메인 보드 칩셋, 메모리 등에 사용되는 반도체 칩의 집적도는 매우 빠른 속도로 증가하고 있다. 집적도의 증가로 인해 반도체 칩 내의 소자의 갯수와 소모되는 전력의 양이 매우 빠른 속도로 증가하고, 소모되는 전력의 양에 의한 반도체 칩의 발열량도 크게 증가하고 있다. 이에 따라 많은 고집적도 반도체 칩에 방열 장치를 요구한다. 반도체 칩에 방열 장치가 없는 경우, 반도체 칩이 과열되어 반도체 칩이 타거나 배선이 끊어질 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 반도체 칩(100)과 방열 장치(200)의 일예를 도시한다. 반도체 칩(100)은 실리콘, 갈륨비소, 사파이어 등의 반도체 단결정 기판(101)과, 단결정 기판(101)의 일면에, 소정의 회로도를 따라, 일부에 불순물을 침투시켜 반도체 소자를 형성하고 다른 일부에 금속막을 입혀서 도선을 형성하여 생성된 집적 회로부(102)를 가진다.
방열 장치(200)는 반도체 칩(100)의 상부에 밀착된다. 도 2에서, 외부 공기와 접촉 면적이 넓도록 요철이 형성된 냉각핀(201) 및 냉각을 위한 팬(202)을 포함하는 공냉식 방열 장치(200)가 도시된다. 공냉식 방열 장치 외에 방열 장치로서 수냉식, 히트파이프 방식 방열 장치 등이 사용될 수 있다.
이러한 구성에서, 집적 회로부(102)에서 발생한 열은 단결정 기판(101)을 통해 방열 장치(200)로 전달된다. 그러나, 반도체 칩(100)과 방열 장치(200)가 완전하게 밀착하는 것은 불가능하여 열저항이 커질 수 있다. 한편, 방열 장치(200)의 하면은 열전달을 좋게 하기 위하여 금속 재질로 되어 있다. 이러한 경우, 실리콘, 갈륨비소, 사파이어 등의 결정으로 제작된 반도체 칩(100)과 금속 재질로 제작된 방열 장치(200)의 하면 사이에는 이종 물질 간의 결합에 의한 열저항이 생길 수 있다.
본 발명은 집적 회로부에서 발생한 열을 방열 장치로 효과적으로 전달하여, 반도체 칩을 효과적으로 냉각하기 위한 반도체 칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 패키지부에 실장되는 반도체 칩으로서, 볼록부 및 오목부를 포함하는 요철부가 일면에 일체로 형성되어 있는 반도체 단결정 기판, 및 단결정 기판의 타면에 형성되어 있는 집적 회로부를 포함하고, 반도체 칩이 패키지부에 실장될 때, 요철부가 외부로 노출되는 방열판 구조를 갖는 반도체 칩을 제공한다.
또한 본 발명은, 패키지부에 실장되는 반도체 칩으로서, 볼록부 및 오목부를 포함하는 요철부가 일면에 일체로 형성되어 있는 반도체 단결정 기판, 및 단결정 기판의 타면에 형성되어 있는 집적 회로부를 포함하고, 하면이 개방된 수냉 쿨러의 워터 블럭은 패키지부의 상부에 부착되고, 반도체 칩이 상기 패키지부에 실장될 때, 요철부는 워터블럭 내부로 노출되는 방열판 구조를 갖는 반도체 칩을 제공한다.
요철부의 두께는 350 내지 800 ㎛일 수 있다.
볼록부는 스트라이프 형태, 사각 격자 형태 또는 허니컴 형태로 배열되는 것이 바람직하다. 스트라이프 형태인 경우 스트라이프의 방향은 단결정 기판의 결정 방향과 어긋나는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 기술하도록 한다.
[제 1 실시예]
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 칩을 설명하기 위한 개략도이다. 제 1 실시예는 공냉식 방열의 경우를 설명한다.
도 2를 참조하면, 반도체 칩(10)은 볼록부(12a) 및 오목부(12b)를 포함하는 요철부(12)가 일면에 일체로 형성되어 있는 반도체 단결정 기판(11) 및 단결정 기판(11)의 타면에 형성되어 있는 집적 회로부(13)를 포함한다.
단결정 기판(11)은 반도체 회로를 집적 회로부(13)에 형성하기 위한 모재이다. 통상적으로, 단결정 기판(11)은 실리콘, 사파이어 등의 재질의 단결정 봉을 성장시킨 후 절단한 웨이퍼로부터 제작된다.
종래 기술에 따른 단결정 기판은 균일한 두께를 가진 층 구조인 것에 비해, 본 발명에 따른 단결정 기판(11)은 일면에 요철부(12)가 형성되어 있다. 요철부(12)는 균일한 두께를 가진 층으로부터 볼록부(12a)는 남기고 오목부(12b)에 해당하는 부분을 소정의 깊이 제거하여 형성된다. 이러한 요철부(12)는 외부로 노출되는 면적을 증가시키기 위해 생성된다. 그러므로, 요철부(12)의 두께(즉, 볼록부(12a)의 높이 또는 오목부(12b)의 깊이)가 클수록 유리하다. 하지만, 가공시 집적 회로부(13)를 침범하지 않기 위한 여유 공간, 또는 집적 회로부(13)의 구조를 지지하기 위한 여유 공간이 필요하기 때문에, 요철부(12)의 두께는 단결정 기판(11)의 두께보다 소정의 값 작게 제한된다. 통상적으로 웨이퍼는 수백 ㎛의 두께를 가지고 집적 회로부(13)의 지지를 위해 필요한 두께 100 내지 200 ㎛를 고려할 때, 요철부(12)의 두께는 350 내지 800 ㎛가 바람직하다.
단결정 기판(11)은 집적 회로부(13)를 지지하여 변형을 방지하기 위한 기능을 또한 가진다. 층 구조로 형성된 종래 기술에 따른 단결정 기판에서 일정 부분을 제거하여 형성된 본 발명에 따른 단결정 기판(11)은 변형에 취약할 수 있다. 예를 들면, 볼록부(12a)가 스트라이프 형태로 배열되고 스트라이프의 방향이 단결정 기판(11)의 결정 방향과 일치할 경우, 반도체 칩(10)은 스트라이프 방향의 외력에 대하여는 강하게 저항하지만, 뒤틀림 또는 스트라이프에 대하여 수직 방향의 외력에 대하여는 취약하다. 그러므로, 볼록부(12a)는 단결정 기판(11)의 결정 방향과 어긋나도록 형성된 스트라이프 형태이거나(도 3 참조), 볼록부(12a)는 사각 격자 형태(도 4 참조) 또는 허니컴 형태(도 5 참조)의 2차원 형태로 배열되는 것이 바람직하다. 볼록부(12a)는 수십 내지 수백 ㎛의 간격으로 배열되나, 도시를 위하여 도 3 내지 도 5에서 볼록부(12a)의 형상은 과장되었다.
단결정 기판(11)의 타면에는 집적 회로부(13)가 형성된다. 집적 회로부(13)는 단결정 기판(11)의 표면에 산화 공정, 감광액 도포 공정, 노광 공정, 현상 공정, 에칭 공정, 이온 임플란트 공정, CVD 공정, 금속 배선 공정 등의 과정을 거쳐 제작된다. 집적 회로부(13)에는 많은 미세한 반도체 부품과 배선이 배치되고, 집적 회로부(13)에 전류가 흐르면서 열이 발생한다. 집적 회로부(13)의 집적도가 증가함에 따라 집적 회로부(13)에서 발생하는 열은 증가하는 추세이다.
실리콘 웨이퍼에서 요철부(12)가 먼저 형성되고 반대면에 집적 회로부(13)가 형성되거나, 집적 회로부(13)가 먼저 형성되고 반대변에 요철부(12)가 형성되는 것이 가능할 것이다.
웨이퍼에서 요철부(12) 및 집적 회로부(13)가 형성된 후, 웨이퍼는 반도체 칩(10)으로 절단된다. 반도체 칩(10)은 집적 회로부(13)를 아래로 하여 패키지부(20)에 실장된다. 도 3 내지 도 5는 패키지부(20) 및 패키지부(20)에 실장된 반도체 칩을 도시한다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 반도체 칩(10)의 요철부(12)만이 상부로 노출된다. 그리하여, 집적 회로부(13)에서 발생한 열은 요철부(12)를 통해 외부 공기로 방출된다. 외부 공기와의 접촉량을 증가시키기 위해 냉각팬이 추가될 수 있다.
종래 기술의 경우, 반도체 칩과 냉각 장치 사이의 열저항에 의해 방열 효율이 저하된다. 그러나, 본 발명의 경우, 반도체 칩(10)으로부터 직접 방열이 이루어지기 때문에 별도의 냉각 장치가 필요하지 않고 방열 효율이 높아진다.
[제 2 실시예]
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 칩을 설명하기 위한 개략도이다. 제 2 실시예는 수냉식 방열의 경우를 설명한다.
도 6을 참조하면, 반도체 칩(10)은 볼록부(12a) 및 오목부(12b)를 포함하는 요철부(12)가 일면에 일체로 형성되어 있는 반도체 단결정 기판(11) 및 단결정 기판(11)의 타면에 형성되어 있는 집적 회로부(13)를 포함한다. 수냉식 방열 장치의 워터 블럭(40)은 패키지부(20) 상부에 부착된다. 반도체 칩(10)은 패키지부(20)에 실장되고, 반도체 칩(10)의 요철부(12)는 워터 블럭(40) 내로 노출된다.
제 2 실시예에서 반도체 칩(10) 자체의 구조는 제 1 실시예와 동일하고, 반도체 칩(10)의 구조에 대한 자세한 설명은 생략한다.
제 2 실시예에서는 반도체 칩(10)을 냉각을 위하여 수냉식 방열 장치를 이용한다. 물 등의 냉각액의 열용량은 공기에 비하여 크기 때문에, 일반적으로 수냉식 방열이 공냉식 방열에 비하여 유리하다. 특히, 본 발명의 경우 방열은 반도체 칩(10)의 면적에 해당하는 부분에서만 열을 외부 매질로 방출하기 때문에 효율적인 방열을 위해 수냉식이 유리하다.
일반적으로, 수냉식 방열 장치는 발열체(반도체 칩(10))와 접촉하여 발열체로부터의 열을 냉각액으로 전달하는 워터 블럭(40), 냉각액을 순환시키기 위한 펌프(미도시), 워터 블럭(40)을 통해 데워진 물의 열을 공기 중으로 방출하기 위한 라디에이터(미도시), 냉각액이 이동하는 경로로서의 호스(미도시) 등으로 구성된다.
일반적으로, 종래 기술에 따른 워터 블럭의 하면은 발열체로부터의 열을 워터 블럭 내로 효과적으로 전달하기 위해 금속으로 제작된다. 그러나, 본 실시예에서, 워터 블럭(40)의 하면은 개방되고, 워터 블럭(40)의 측벽이 패키지부(20)에 부착하여 워터 블럭(40) 내의 냉각액(41)이 밀봉된다. 패키지부(20)에 실장되는 반도체 칩(10)의 요철부(12)는 중간 열전달 매개체 없이 직접 워터 블럭(40) 내의 냉각액(41)에 노출된다. 이 때, 누설된 냉각액에 의한 전자 부품의 훼손을 방지하기 위해, 워터 블럭(40)과 패키지부(20)의 결합 부분 및 반도체 칩(10)과 패키지부(20) 의 결합 부분은 완전히 밀봉되어야 한다.
반도체 칩(10)의 집적 회로부(13)에서 발생한 열은 요철부(12)를 통해 냉각액(41)으로 전달되고, 종래 기술에 비해 냉각 효율이 높아질 수 있다.
수냉식 방열 장치의 냉각액(41)에는 기포(42a, 42b)가 발생할 수 있다. 기포(42a, 42b)는 요철부(12)로부터 냉각액(41)으로의 열전달을 방해하고, 수냉식 방열 장치에서 냉각수(41)의 순환을 방해하기 때문에, 냉각 효율을 저하시킨다. 기포는 그 크기가 클수록 냉각 효율을 저하시킨다. 본 발명의 경우, 그 지름이 볼록부(12a)의 폭보다 큰 기포(42a)는 냉각액(41)에 노출된 볼록부(12a)에 의해 쉽게 터질 수 있다. 그리하여, 큰 기포(42a)는 제거되거나 작은 기포(42b)로 전환될 수 있다.
냉각액의 흐름을 방해하는 포켓을 줄이기 위해 볼록부(12a)는 사각 격자 형태 또는 허니컴 형태보다 스트라이프 형태로 배열되는 것이 바람직하다. 이 경우, 스트라이프의 방향은 단결정 기판(11)의 결정 방향과 다른 것이 바람직한 것은 제 1 실시예에서 설명한 바와 같다.
본 발명에 따른 방열 구조를 갖는 반도체 칩은 중간에서 열전달을 중계하는 물질 없이 직접 외부 매질로 열을 전달하기 때문에 열전달율이 개선된다. 그리고, 이는 이종 물질의 결합에 의한 열저항이 없기 때문에 열전달율이 개선된다. 공냉식의 경우 별도의 냉각 장치를 필요로 하지 않는다. 수냉식의 경우 냉각액 내의 기포를 제거하거나 작게 만들 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허청구의 범위에 속함은 자명하다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 패키지부(20)에 실장되는 반도체 칩(10)으로서,
    볼록부(12a) 및 오목부(12b)를 포함하는 요철부(12)가 일면에 일체로 형성되어 있는 반도체 단결정 기판(11); 및
    상기 단결정 기판(11)의 타면에 형성되어 있는 집적 회로부(13);를 포함하고,
    하면이 개방된 수냉 쿨러의 워터 블럭(40)은 상기 패키지부(20)의 상부에 부착되고, 상기 반도체 칩(10)이 상기 패키지부(20)에 실장될 때, 상기 요철부(12)는 상기 워터블럭(40) 내부로 노출되는 것을 특징으로 하는 단일체 방열판 구조를 갖는 반도체 칩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 요철부(12)의 두께는 350 내지 800 ㎛인 것을 특징으로 하는 단일체 방열판 구조를 갖는 반도체 칩.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 단결정 기판(11)은 실리콘, 갈륨비소 또는 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 단일체 방열판 구조를 갖는 반도체 칩.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 볼록부(12a)는 스트라이프 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 단일체 방열판 구조를 갖는 반도체 칩.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 볼록부(12a)의 스트라이프 방향은 상기 단결정 기판(11)의 결정 방향과 어긋나는 것을 특징으로 하는 단일체 방열판 구조를 갖는 반도체 칩.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 볼록부(12a)는 사각 격자 형태 또는 허니컴 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 단일체 방열판 구조를 갖는 반도체 칩.
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