KR101006063B1 - 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 솔리드스테이트드라이브(Solid State Drive; SSD)용 인쇄회로 기판에 관한 것으로, BGA(Ball Grid Array) 타입으로 실장되는 열 방출 소자의 그라운드 단자와 연결되며 인쇄회로기판 내에 구비되는 그라운드층과, 그라운드층과 연결되며 인쇄회로기판의 표면에 구비되는 제 1 방열 패턴과, 제 1 방열 패턴과 연결되며 인쇄회로기판을 관통하는 제 1 내층 구리 범프와, 제 1 내층 구리 범프와 연결되는 케이스에 의해 형성되는 제 1 열 전달 통로 및 열 방출 소자의 Vcc 단자와 연결되며 인쇄회로기판 내에 구비되는 Vcc층과, Vcc층과 연결되며 인쇄회로기판의 표면에 구비되는 제 2 방열 패턴과, 제 2 방열 패턴과 연결되며 인쇄회로기판을 관통하는 제 2 내층 구리 범프를 포함하는 제 2 열 전달 통로를 형성함으로써, 별도의 방열 장치 없이도 솔리드스테이트드라이브의 냉각이 효율적으로 수행되도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판{PRINTED CIRCUIT BOARD FOR SOLID STATE DRIVE}
본 발명은 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 솔리드스테이트드라이브 내부에서 발생하는 열을 효율적으로 방출시키는 기술에 관한 것이다.
하드 디스크 드라이버(Hard Disk Driver : 이하 HDD)는 중앙처리장치(CPU)나 호스트측의 명령에 따라 외부의 데이터를 자기 디스크에 기록하거나 자기 디스크에 기록된 데이터를 외부로 출력하는 장치이다.
이러한 HDD는 제조기술의 발전과 소비자의 요구에 따라서 저장 용량이 비약적으로 증가하여 왔다.
한편, 최근에는 HDD를 탑재한 모바일 장치들이 증가하면서 최근에는 저전력, 저중량, 휴대성 및 내구성이 강화된 HDD가 요구되고 있다.
그러나, HDD는 자기 디스크를 구동시켜야 하므로 저전력 및 저중량을 구현하 기에 한계를 갖고 있다. 이러한 특성을 보완할 수 있는 저장 매체는 낸드 플래시 메모리로, 최근 낸드 플래시 메모리를 이용하여 하이 앤드형 HDD를 구현하는 기술이 개발되었다. 이러한, 낸드 플래시 기반의 차세대 저장장치를 솔리드스테이트드라이브(Solid State Drive : 이하 SSD)라 한다.
SSD는 회전형 자기 디스크(또는 플레터)와 액츄에이터(Actuator) 및 헤더(Header) 등의 기계적 구성을 낸드 플래시 메모리로 전환하여 저전력, 저소음, 내구성, 휴대성을 구비한 대용량 저장장치를 구현하고 있다.
또한, SSD는 대용량 저장 공간을 갖는 자기 디스크형 HDD에 비하여 가격 대비 저장 공간의 효율면에서는 불리하지만, 액세스 속도와 소형화 및 충격으로부터의 안정성 등에 우위를 점하고 있다.
저장 공간의 한계는 공정 기술과 설계 기술의 진보에 따라 점차 개선되고 있으며 비용의 감소가 예상되고 있다. 따라서, 머지않아 SSD가 자기형 디스크를 대체할 것으로 전망된다.
도 1은 솔리드스테이트드라이브의 개략적인 구조를 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, SSD를 구성하는데 필요한 반도체 소자들을 실장할 인쇄회로 기판(10)이 구비된다.
다음으로, 인쇄회로 기판(10) 상부에는 데이터 저장 기능을 담당하는 낸드 플래시 메모리 소자(20)가 실장되고, 낸드 플래시 메모리 소자(20)에 데이터를 입력하고 읽는 기능을 조절하는 컨트롤러(30)가 실장된다.
그 다음으로, 인쇄회로 기판(10)의 에지부에 인터페이스(40)가 구비된다. 인 터페이스(10)는 호스트 측의 프로토콜과 데이터의 교환을 가능하도록하는 데이터 교환 중계 포트이다. 일반적인 컴퓨터 시스템에서는 디스크 드라이버의 데이터 전송 프로토콜로 미국의 IBM사가 제안한 HDD용 규격인 SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 방식 또는 네트워크 기반 시스템을 지원하는 SCSI(Small Computer System Interface)이 사용된다.
그 다음으로, 인쇄회로 기판(10) 및 반도체 소자들을 보호하는 케이스(50)가 구비된다.
케이스는 인쇄회로 기판(10)의 후면을 보호하는 하부 케이스(50)와 반도체 소자들의 상부에 구비되는 상부 케이스가 있으며, 도 1에는 반도체 소자를 나타내기 위하여 하부 케이스(50)만 나타내었다.
상술한 바와 같이, SSD는 그 구조가 비교적 간단한고 동작 원리 또한 간단하다. 그러나, 저장 기능을 수행하는 낸드 플래시 메모리 소자의 수가 증가하고 컨트롤러의 성능이 향상되면서, 메모리 소자 또는 컨트롤러와 같은 반도체 소자에서 고열이 발생하는 문제가 있다. 발열이 심해지면 반도체 소자가 손상될 수 있고, SSD의 성능 저하가 초래 될 수 있으므로, SSD 내부에 냉각 장치를 설치해야 한다.
그러나, SSD는 휴대성을 강조한 제품이므로 냉각 펜과 같은 별도의 냉각 장치를 구현할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 솔리드스테이트드라이브의 발열 소자와 연결되는 인쇄회로기판 내부에 방열 패턴을 형성함으로써, 내부 소자에서 발생하는 열을 외부로 신속하게 방출시키고, 방열 효율을 향상시켜 솔리드스테이트드라이브의 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로기판을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 솔리드스테이트드라이브(Solid State Drive; SSD)용 인쇄회로 기판은 상기 인쇄회로기판 상에 실장되는 반도체 소자의 그라운드(Ground) 단자와 연결되며, 상기 인쇄회로기판의 내부에 구비되는 그라운드층과, 상기 그라운드층과 연결되며 상기 반도체 소자가 실장된 외곽의 상기 인쇄회로기판 표면에 구비되는 제 1 방열 패턴과, 상기 제 1 방열 패턴과 연결되며 상기 인쇄회로기판을 관통하여 구비되는 제 1 내층 구리 범프와, 상기 인쇄회로기판 상에 실장되는 반도체 소자의 Vcc 단자와 연결되며, 상기 인쇄회로기판의 내부에 구비되는 Vcc층과, 상기 Vcc층과 인접하여 상기 인쇄회로기판의 내부에 구비되며, 상기 Vcc층에서 방출되는 열을 흡수하는 버퍼층과, 상기 버퍼층과 연결되며 상기 반도체 소자가 실장된 외곽의 상기 인쇄회로기판 표면에 구비되는 제 2 방열 패턴 및 상기 제 2 방열 패턴과 연결되며 상기 인쇄회로기판을 관통하여 구비되는 제 2 내층 구리 범프를 포함한 다.
본 발명에 따른 솔리드스테이트드라이브 냉각 방법은 솔리드스테이트드라이브의 성능이 향상될수록 발열이 심해지는 문제를 해결하기 위하여 내부 소자 및 기판 보호를 위하여 발열 소자와 연결되는 방열 패턴을 인쇄회로기판 내부에 형성하고, 방열 패턴을 케이스와 연결하여 방열이 수행되도록 함으로써, 심한 발열에 의하여 반도체 소자가 손상되는 위험을 감소시키고, 성능 저하 문제를 해결할 수 있는 효과를 제공한다.
아울러, 본 발명에 따른 솔리드스테이트드라이브는 냉각 펜과 같은 별도의 장치를 필요로 하지 않고 인쇄회로기판을 통하여 방열을 효율적으로 수행하므로 솔리드스테이트드라이브의 전체적인 크기를 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명의 상술한 목적에 근거하여 솔리드스테이트드라이브 냉각 방법으로 인쇄회로기판을 통하여 솔리드스테이트드라이브 내에 포함되는 반도체 소자를 직접 냉각시키는 구조에 대해 설명하고, 이를 위한 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로기판에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에 서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 2는 본 발명에 따른 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 솔리드스테이트드라이브에 사용되는 반도체 소자(110)가 BGA(Ball Grid Array) 타입으로 인쇄회로기판(200)에 실장된다. 이때, 상기 반도체 소자(110)는 플레쉬 메모리 및 컨트롤러와 같은 소자를 포함하며, 인쇄회로기판(200)은 절연층(100) 및 절연층(100) 표면에 구비되는 회로 패턴들을 포함한다. 본 도면에 도시된 회로 패턴들은 모두 반도체 소자(110)에서 발생하는 열을 방출시키기 위한 방열 패턴(140, 145, 180, 185)으로, 그 상세한 위치 및 모양에 대해서는 이하에서 상세하게 설명하는 것으로 한다.
다음으로, 반도체 소자(110)의 하부에는 솔더볼(115)이 구비되고, 솔더볼(115)은 인쇄회로기판(200) 표면에 구비되는 솔더볼 실장용 패드와 연결되는데, 여기서는 그라운드 단자용 패드(120) 및 Vcc 단자용 패드(160)가 구비된 것으로 한다. 그라운드 단자용 패드(120) 및 Vcc 단자용 패드(160)는 반드시 일 단면에 같이 나타나야 하는 것은 아니며 그 위치나 크기 등에 의해 본 발명의 권리 범위가 제한되는 것은 아니다.
그 다음으로, 그라운드 단자용 패드(120) 하부 절연층(100) 내에 판형의 그라운드층(130)이 구비된다. 그리고, 그라운드 단자용 패드(120)와 그라운드층(130)은 제 1 비아 콘택(125)에 의해 연결된다. 이때, 제 1 비아 콘택(125)은 반도체 소자(110)에서 발생하는 열을 효과적으로 그라운드층(130)에 전달 시키기 위하여 가능한 범위 내에서 최단 거리로 형성하고 구리와 같은 열 전도 효율이 높은 물질을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
그 다음으로, 그라운드층(130)에 전달된 열을 인쇄회로기판(200) 외부로 방출시키기 위하여, 반도체 소자(110)의 일측에 형성된 제 1 방열 패턴(140)과 그라운드층(130)을 연결시킨다. 이때, 연결 부재는 제 2 비아 콘택(135)을 이용하며, 제 2 비아 콘택(135)도 제 1 비아 콘택(125)과 같이 그라운드층(130)과 제 1 방열 패턴(140) 사이의 최단 거리에 형성되도록 한다.
그 다음으로, 제 1 방열 패턴(140)의 방열 효율을 향상시키기 위하여 인쇄회로 기판(200)의 제 1 방열 패턴(140)이 형성된 면과 반대되는 이면으로 관통하는 홀을 형성한 우 홀에 구리를 채워 넣어 제 1 내층 구리 범프(150)을 형성하고, 제 1 내층 구리 범프(150)과 연결되는 제 3 방열 패턴(145)을 형성한다.
상술한 바와 같이, 반도체 소자(110)와 연결되는 그라운드층(130)을 인쇄회로기판(200) 내의 절연층(100)에 매립함으로써, 그라운드층(130)의 크기를 증가시킬 수 있게 되고, 접지 효율도 증가시키면서, 열 방출 효율을 극대화시킬 수 있다. 아울러, 상기와 같은 열 전달 경로를 통하여 그라운드층(130)과 연결되는 제 1 및 제 3 방열 패턴(140, 145)은 케이스 연결홀(155)과 접속되도록 형성함으로써, 열 방출 효율을 더 증가시킬 수 있다.
그 다음으로, 본 발명은 Vcc층(170)도 인쇄회로기판(200) 내의 절연층(100)에 매립하여 새로운 열 전달 경로를 형성한다. 이때, Vcc층(170)은 그라운드층(125)과 서로 다른 위치에 구비되도록 하여 두 층이 서로 접속되지 않도록 형성하며, 그 크기 또한 가능한 범위 내에서 최대한 크게 형성하는 것이 바람직하다.
그 다음으로, Vcc 단자용 패드(160)와 Vcc층(170)을 연결하는 제 3 비아 콘택(165)이 구비된다. 이때, 제 3 비아 콘택(165)도 열 전도율이 좋은 구리를 이용하여 형성하며 Vcc 단자용 패드(160)와 Vcc층(170)을 연결하는 최단거리가 될 수 있도록 형성하는 것이 바람직하다.
그 다음으로, Vcc층(170)과 직접 연결되지는 않으나 열 전달이 효율적으로 수행될 수 있도록 하는 버퍼층(175)이 절연층(100) 내에 구비된다. 이때, 버퍼층(175)은 Vcc층(170)이 외부 회로와 연결될 경우 단락 등이 발생할 위험이 있으므로 비 접촉식으로 형성하는 것이다.
그 다음으로, 버퍼층(175)은 제 4 비아 콘택(177)을 통하여 제 2 방열 패턴(180)과 연결시키고, 제 2 방열 패턴(180)은 제 2 내층 구리 범프(190)을 통하여 이면에 형성된 제 4 방열 패턴(185)과 연결되도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판을 도시한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 반도체 소자(110)를 중심으로 그라운드층(130) 및 제 1 방 열 패턴(140)으로 연결되는 제 1 열 전달 경로와, Vcc층(170), 버퍼층(175) 및 제 2 방열 패턴(180)으로 연결되는 제 2 열 전달 경로가 구비되는 것을 알 수 있다. 이때, 그라운드층(130), Vcc층(170) 및 버퍼층(175)은 인쇄회로기판(200)을 구성하는 절연층(100) 내에 구비시킴으로써, 그 면적을 최대한으로 증가시킬 수 있다. 열 전달층의 면적이 증가되면 열 전달 효율도 그만큼 증가되므로 열 방출 효율을 극대화 시킬 수 있다.
여기서, 그라운드층(130), 제 1 방열 패턴(140), Vcc층(170), 버퍼층(175) 및 제 2 방열 패턴(180)과 같은 구성은 모두 동박으로 구비되는 것이 바람직하다. 도 3의 제 1 방열 패턴(140), Vcc층(170) 및 버퍼층(175)은 특별한 형태를 규정한 것은 아니고, 회로에 따라 유동적으로 변경될 수 있는 부분이다. 넓은 면적을 가진 층이 발열 효율면에서 유리하므로 기판 각층의 동박율 요구사항(기판 면적에 대한 동박의 점율율을 나타내는 것으로 일반적을 공정관리상 필요한 범위로 제한됨)에 맞추어 기존 회로와의 일정한 간격을 둘 수 있는 범위 내에서 최대의 면적으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 도 3의 제 1 방열 패턴(140), Vcc층(170) 및 버퍼층(175)의 두께도 상기 동박율 요구사항에 적용된다.
도 4는 본 발명에 따른 내층 구리 범프 및 방열 패턴을 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 인쇄회로기판(400)의 절연층(300)을 관통하도록 구비되는 내층 구리 범프(390)는 인쇄회로기판(400)의 전면 및 배면에 각각 상부 방열 패턴(380) 및 하부 방열 패턴(385)과 연결되어 절연층(300) 내부에서 발생하는 열을 신속하게 외부로 방출 할 수 있도록 한다. 이때, 내층 구리 범프(390)는 원기둥 형태로 구비되는 것이 바람직하며, 원기둥의 상부 또는 하부가 인쇄회로기판(400)의 표면으로부터 1 ~ 10㎛ 높이 차이(h1)를 갖는 돌출형 또는 함몰형으로 구비되도록 하는 것이 바람직하다. 내층 구리 범프(390)를 인쇄회로기판(400)의 표면과 동일한 높이로 형성하기 위해서는 공정을 엄밀히 제어해야 하므로 제조 공정 마진이 감소되고, 10㎛ 가 초과되는 높이 차이가 나는 경우 후속 패턴 형성이 어려워질 뿐만 아니라 열 전달 효율도 감소될 수 있다.
이와 같이 내층 구리 범프(390)가 형성되는 경우 인쇄회로기판(400) 내의 열전달 저항 수치가 20정도 감소되는 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 상부 방열 패턴(380) 및 하부 방열 패턴(385)의 형태는 제한이 없으나, 상부 방열 패턴(380)으로 도시된 바와 같이 얇은 박스 형태로 구비되거나, 하부 방열 패턴(385)으로 도시된 바와 같이 방열 핀이 연속된 히트 싱크 구조로 형성될 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 내층 구리 범프 및 방열 패턴을 나타낸 평면 사진들이다.
도 5는 얇은 박스 형태로 구비된 상부 방열 패턴(380)을 나타낸 것이며, 도 6은 원기둥 형태로 구비되는 내층 구리 범프(390)를 나타낸 사진이다.
이하에서는 본 발명에 따른 솔리드스테이트드라이브 냉각 방법과 종래 기술 에 따른 냉각 방법의 효율 차이를 비교하기 위하여 실험예 및 비교예를 들어 설명하는 것으로 한다.
<실시예 1>
약 50℃의 열을 발산하는 컨트롤러를 포함하는 솔리드스테이트드라이브의 인쇄회로기판 내부에 상기 도 2 및 도 3에서 보여지는 구조와 같이 열 전달 통로를 구성한다.
다음에는, 컨트롤러가 작동하기 시작한 후 50분이 경과한 후에 컨트롤러의 온도를 측정하여 (50/측정결과)*100으로 상대적인 방열 효율(%)을 나타낸다.
<비교예1>
측정 조건은 실시예 1과 동일하게 수행하며, 인쇄회로기판에 방열 패턴이 구비되지 않은 일반적 구조에서 방열 효율(%)을 측정한다.
구 분 50분 후 온도(℃) 방열 효율(%)
실시예 1 30 167
비교예 1 40 125
상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예1의 방열 효율(%)은 일반적 구조를 갖는 종래의 방열 효율보다 약 1.5배의 방열 효과를 제공하는 것을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 솔리드스테이트드라이브의 개략적인 구조를 도시한 평면도.
도 2는 본 발명에 따른 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판을 도시한 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 내층 구리 범프 및 방열 패턴을 나타낸 단면도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 내층 구리 범프 및 방열 패턴을 나타낸 평면 사진들.

Claims (9)

  1. 솔리드스테이트드라이브(Solid State Drive; SSD)용 반도체 소자를 실장하는 인쇄회로기판에 있어서,
    상기 인쇄회로기판 상에 실장되는 반도체 소자의 그라운드(Ground) 단자와 연결되며, 상기 인쇄회로기판의 내부에 구비되는 그라운드층;
    상기 그라운드층과 연결되며 상기 반도체 소자가 실장된 외곽의 상기 인쇄회로기판 표면에 구비되는 제 1 방열 패턴;
    상기 제 1 방열 패턴과 연결되며 상기 인쇄회로기판을 관통하여 구비되는 제 1 내층 구리 범프;
    상기 인쇄회로기판 상에 실장되는 반도체 소자의 Vcc 단자와 연결되며, 상기 인쇄회로기판의 내부에 구비되는 Vcc층;
    상기 Vcc층과 이격되어 상기 인쇄회로기판의 내부에 구비되며, 상기 Vcc층에서 방출되는 열을 흡수하는 버퍼층;
    상기 버퍼층과 연결되며 상기 반도체 소자가 실장된 외곽의 상기 인쇄회로기판 표면에 구비되는 제 2 방열 패턴; 및
    상기 제 2 방열 패턴과 연결되며 상기 인쇄회로기판을 관통하여 구비되는 제 2 내층 구리 범프를 포함하는 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 플레쉬 메모리 및 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 BGA(Ball Grid Array) 타입으로 실장되는 것을 특징으로 하는 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자가 실장된 면의 이면 상기 인쇄회로 기판 표면에 상기 제 1 내층 구리 범프와 연결되도록 구비되는 제 3 방열 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내층 구리 범프는 케이스 연결홀과 인접한 부분에 구비되는 것을 특징으로 하는 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 또는 제 2 방열 패턴은 케이스와 직접 접촉되어 열을 외부로 전달할 수 있도록 구비되는 것을 특징으로 하는 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자가 실장된 면의 이면인 상기 인쇄회로 기판 표면에 상기 제 2 내층 구리 범프와 연결되도록 구비되는 제 4 방열 패턴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내층 구리 범프 및 제 2 내층 구리 범프는 원기둥 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내층 구리 범프 및 제 2 내층 구리 범프는 상기 인쇄회로기판의 표면으로부터 1 ~ 10㎛ 정도 돌출되거나 함몰된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 솔리드스테이트드라이브용 인쇄회로 기판.
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