KR101014353B1 - 집적 회로 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

열전 냉각 소자를 이용한 집적 회로 냉각 장치가 제공된다. 집적 회로 냉각 장치는 적층된 복수 개의 반도체 칩들, 복수 개의 열전 냉각 소자들을 구비하는 열전 냉각 장치, 반도체 칩의 영역별 온도에 따라 열전 냉각 소자들에 선택적으로 전력을 공급하는 온도 컨트롤러 및 열전 냉각 장치와 온도 컨트롤러를 전기적으로 연결하는 쓰루 실리콘 비아를 포함한다.

반도체 칩, 열전 냉각 소자, 쓰루 실리콘 비아

Description

집적 회로 냉각 장치{Integrated circuits cooler}

본 발명은 집적 회로 냉각 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 소자를 이용한 냉각 장치에 관한 것이다.

반도체 칩의 집적도는 무어의 법칙(Moore's Law)에 따라 매년 2배씩 증가하고 있다. 집적도를 높이 위한 기술 개발에 따라, 반도체 회로의 선폭이 수십 nm 수준까지 감소되고 있다. 그러나, 선폭의 감소에 따라 하나의 반도체 칩에 집적되는 미세 반도체 소자들(예를 들어, 트랜지스터)의 수가 증가된다. 하나의 반도체 칩에 집적된 미세 반도체 소자들의 증가는 반도체 칩의 동작시 방출되는 열의 양을 증가시킨다.

반도체 칩에서 발생하는 열은 집적회로의 동작에 영향을 미치며, 반도체 칩의 동작 시에 오작동을 일으키거나, 제품의 성능을 크게 저하시키고, 제품의 수명을 단축시키게 된다.

반도체 칩에서 발생되는 열을 줄이기 위해, 열전 냉각소자를 이용할 수 있다. 그러나, 종래의 냉각 장치는, 열전 냉각소자에 전원공급을 하기 위해 와이어(wire)를 통해 외부의 온도 컨트롤러와 연결하여 전원을 공급받는 방식이었다. 이러한 종래의 전원 공급 방식은 외부의 온도 컨트롤러와 와이어를 직접 연결하기 때문에 불필요한 공간을 낭비하게 되어 반도체 칩의 소형화에 어려움이 있다.

반도체 칩의 내부에서, 반도체 칩의 온도는 국부적으로 다르며, 전력 소비가 큰 영역에서 온도가 높게 된다. 따라서 불필요한 열전 냉각소자의 동작을 방지 하기 위해, 열이 발생되는 부분에 따라 분배적인 열전 냉각소자의 동작이 이루어져야 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열전 소자를 이용하여 반도체 칩에서 발생되는 열을 효과적으로 방출시킬 수 있는 집적회로 냉각 장치에 관한 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로 냉각 장치는 적층된 복수 개의 반도체 칩들, 복수 개의 열전 냉각 소자들을 구비하는 열전 냉각 장치, 반도체 칩의 영역별 온도에 따라 열전 냉각 소자들에 선택적으로 전력을 공급하는 온도 컨트롤러 및 열전 냉각 장치와 온도 컨트롤러를 전기적으로 연결하는 쓰루 실리콘 비아를 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로 냉각 장치에 따르면, 온도 컨트롤러에서 반도체 칩에서 발생되는 열의 온도를 국부적으로 센싱하여, 복수 개 설치된 열 전 냉각소자들에 선택적으로 전력을 공급함으로써, 반도체 칩에서 온도가 높은 부분을 선택적으로 냉각시킬 수 있다.

그러므로, 반도체 칩을 냉각시키기 위해 발생되는 전력 소비를 줄일 수 있으며, 반도체 칩 전체를 균일한 온도로 유지시킬 수 있어 반도체 칩을 안정적으로 동작시킬 수 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막), 영역, 리세스, 패드, 패턴들 또는 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패드, 리세스, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상에", "상부" 또는 "하부"에 형성되 는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 패드, 리세스, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들 위에 형성되거나 또는 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 패드, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로 냉각 장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로 냉각 장치의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로 냉각 장치의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 복수 개의 반도체 칩들(10, 20, 30)이 적층되며, 적층된 반도체 칩들(10, 20, 30) 상에는 온도 컨트롤러 모듈(200)이 배치된다. 온도 컨트롤러 모듈(200) 상에는 복수 개의 열전 냉각 소자들을 포함하는 열전 냉각 장치(100)가 위치할 수 있다.

온도 컨트롤러 모듈(200)은 반도체 칩들(10, 20, 30)의 소정 영역별 온도를 감지하고, 온도에 따라 열전 냉각 장치(100)의 열전 냉각 소자들에 선택적으로 전력을 공급할 수 있다.

온도 컨트롤러 모듈(200)은 쓰루 실리콘 비아(TSV)를 통해 적층된 복수 개의 반도체 칩들(10, 20, 30)과 연결되며, 쓰루 실리콘 비아를 통해 열전 냉각 장치(100)와 연결된다.

온도 컨트롤러 모듈(200)과 적층된 반도체 칩 사이에는 발열부(40)가 배치될 수 있다. 복수 개의 반도체 칩들(10, 20, 30)에서 발생된 열은 발열부(40)로 이동되며, 열전 냉각 소자들을 통해 복수 개의 반도체 칩들(10, 20, 30)에서 발생된 열을 냉각시킨다. 또한, 열전 냉각 장치(100) 상에는 방열판(50)이 부착될 수 있다.

온도 컨트롤러 모듈(200)는 발열부(40)의 온도를 측정하여 측정된 온도가 일정온도 이상일 경우, 그 위치에 있는 열전 냉각소자(TEC)를 동작시켜 반도체 칩(10, 20, 30)을 국소적으로 냉각시킨다.

본 발명의 다른 실시예에서 온도 컨트롤러 모듈(200)의 위치는 적층된 반도체 칩들(10, 20, 30)의 하부에 위치할 수도 있다.

도 3은 본 발명 일 실시예의 열전 냉각 장치의 평면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예의 집적회로 냉각 장치에서 쓰루 실리콘 비아(TSV)와 온도 컨트롤러의 배치를 나타내는 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 열전 냉각 장치(100)는 소정 영역별로 반도체 칩을 냉각시킬 수 있도록 복수 개의 열전 냉각 소자(110)들을 포함한다.

열전 냉각 소자는(Thermoelectric Cooler, TEC; 110) 펠티어 효과(Peltier Effect)를 이용한 냉각 장치로서, n형 열전 반도체 소자(111)와 p형 열전 반도체 소자(113)를 교대로 배열하고, n형 열전 반도체 소자(111)와 p형 열전 반도체 소자(114)를 금속전극(112, 114)에 접속한다. n형 열전반도체 소자(111)와 p형 열전 반도체 소자(113)는 금속전극(112, 114)에 상측과 하측으로 교대로 접속되고 최종적으로 전체소자가 직렬로 접속된다. 금속 전극(112, 114)은 쓰루 실리콘 비아를 통해 온도 컨트롤러 모듈로부터 전원이 인가될 수 있다.

상하부 금속전극들(112, 114)과 열전 반도체 소자(111, 113)은 납땜을 통해 접속될 수 있으며, 상측 및 하측의 각각의 금속전극은 절연성 기판(115)에 접착되어 전체 열전 반도체 소자(111, 113)들이 고정될 수 있다.

본 발명에 따른 열전 냉각 장치(100)는, 반도체 칩(10, 20, 30)에서 온도가 높은 부분만 국부적으로 냉각시킬 수 있고, 온도에 따라 조절이 가능하므로 반도체 칩을 냉각시키기 위한 전력 소비를 줄일 수 있다.

또한, 열전 냉각 장치(100)와 반도체 칩들(10, 20, 30)을 쓰루 실리콘 비아(150)를 통해 연결함으로써, 기존의 연결방식에서 와이어가 차지하는 면적을 줄일 수 있고, 전체 시스템의 부피도 줄일 수 있으며, 팬 냉각방식처럼 소음이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로 냉각 장치에서 TSV에 의한 열전 냉각 소자와 온도 컨트롤러의 연결을 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, 온도 컨트롤러 모듈(200)은 기판(210)을 포함하며, 기판(210)은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board: PCB)일 수 있다. 온도 컨트롤러 모듈(200)에는 온도 컨트롤러(250)가 실장되어 있으며, 온도 컨트롤러(250)는 반도체 칩들(10, 20, 30)의 소정 영역별 온도를 센싱하는 온도 센서를 포함하며, 열전 냉각 장치(100)에 구비된 복수 개의 열전 냉각 소자들 각각의 (+) 전극(112)과 (-)전극(114)에 연결되는 전원 패드들(212, 214)을 포함한다. 전원 패드들(212, 214)은 열전 냉각 소자의 (+) 전극과 연결되는 (+) 전원 패드들(212)과, 열전 냉각 소자의 (-) 전극과 연결되는 (-) 전원 패드들(214)을 포함한다. (-) 전원 패드들은 온도 컨트롤러(250)의 공통 접지(216)에 연결될 수 있으며, (+) 전원 패드들은 온도 컨트롤러(250)의 각각 서로 다른 단자들에 연결될 수 있다.

온도 컨트롤러 모듈(200)의 전원 패드들(212, 214)과, 열전 냉각 소자의 (+) 및 (-) 전극들(112, 114)은, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 쓰루 실리콘 비아(150)들을 통해 전기적으로 연결된다.

즉, 온도 컨트롤러 모듈(200)은 반도체 칩(10, 20, 30)의 각 부분에서 온도를 감지하게 되면, 상단의 열전 냉각장치(100)가 선택적으로 동작될 수 있도록 열전 냉각소자의 (+) 및 (-) 전극들(112, 114)에 선택적으로 전압을 제공할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 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. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보 다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로 냉각 장치의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로 냉각 장치의 단면도이다.

도 3은 본 발명 일 실시예의 집적회로 냉각 장치의 평면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예의 집적회로 냉각 장치에서 쓰루 실리콘 비아(TSV)와 온도 컨트롤러의 배치를 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 집적회로 냉각 장치에서 TSV에 의한 열전 냉각 소자와 온도 컨트롤러의 연결을 보여주는 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10, 20, 30: 반도체 칩 40: 발열부

50: 방열판 100: 열전 냉각 장치

110: 열전 냉각 소자 111: n형 열전 반도체 소자

113: p형 열전 반도체 소자 112, 114: 금속전극

115: 절연성 기판 150: 쓰루 실리콘 비아

200: 온도 컨트롤러 모듈 210: 기판

212, 214: 전원 패드 216: 공통 접지

250: 온도 컨트롤러

Claims (7)

1. 적층된 복수 개의 반도체 칩들;

   복수 개의 열전 냉각 소자들을 구비하는 열전 냉각 장치;

   상기 반도체 칩의 영역별 온도에 따라 상기 열전 냉각 소자들에 선택적으로 전력을 공급하는 온도 컨트롤러; 및

   상기 열전 냉각 장치와 상기 온도 컨트롤러를 전기적으로 연결하는 쓰루 실리콘 비아를 포함하는 집적회로 냉각 장치.
2. 제 1 항에 있어서.

   상기 온도 컨트롤러는 쓰루 실리콘 비아를 통해 상기 적층된 복수 개의 반도체 칩들과 전기적으로 연결된 집적회로 냉각 장치.
3. 제 1 항에 있어서.

   상기 열전 냉각 장치는 적층된 복수 개의 반도체 칩들 상에 배치되며,

   상기 온도 컨트롤러는 상기 반도체 칩과 상기 열전 냉각 장치 사이에 배치된 집적회로 냉각 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 열전 냉각 장치와 상기 온도 컨트롤러 사이에 배치되며, 상기 적층된 복수 개의 반도체 칩들에서 발생된 열에 의해 발열되는 발열부를 더 포함하는 집적회로 냉각 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 열전 냉각 장치 상에 배치된 방열판을 더 포함하는 집적회로 냉각 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 온도 컨트롤러는 상기 반도체 칩들 각각과 연결되어, 상기 반도체 칩의 소정 영역별로 온도를 측정하는 온도 센서들을 더 포함하는 집적회로 냉각 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 열전 냉각소자는,

   일정 간격을 두고 서로 평행하게 배치된 P형 반도체 및 N형 반도체;

   상기 P형 반도체 및 N형 반도체의 각 일단에 각각 분리된 상태로 부착되는 전원;

   상기 P형 반도체 및 N형 반도체의 다른 일단에 부착되어 이들을 전기적으로 연결하는 전극들; 및

   상기 전극들의 상면 및 하면에 각각 부착되어 전기적으로 절연된 상태를 유지하기 위한 절연성 기판을 포함하는 집적회로 냉각 장치.

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