KR101675028B1

KR101675028B1 - 전자 냉각을 위한 cmos 호환 가능 마이크로채널 히트 싱크 및 그의 제조

Info

Publication number: KR101675028B1
Application number: KR1020137000342A
Authority: KR
Inventors: 할루크 쿨라; 아지츠 코윤쿠오글루; 오쿠투쿠 투바 오즈유르트
Original assignee: 할루크 쿨라; 아지츠 코윤쿠오글루; 오쿠투쿠 투바 오즈유르트
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2016-11-10
Also published as: WO2012005706A1; EP2591500B1; EP2591500A1; US20130105135A1; KR20130120438A; JP5818889B2; JP2013534053A

Abstract

본 발명은 전자 냉각 응용들을 위한 CMOS 호환 가능 폴리머 마이크로채널 히트 싱크이다. 히트 싱크는 표준 폴리머 표면 미세가공 기술들에 의해 절연층을 갖는 칩 표면 위에 직접 제조될 수 있다. 히트 싱크 장치는 칩 표면 상의 얇은 절연층, 저면으로서의 박막 금속층, 금속 측벽들, 및 마이크로채널들 및 입구-출구 리저보어들 위의 폴리머 상벽을 포함한다.

Description

전자 냉각을 위한 CMOS 호환 가능 마이크로채널 히트 싱크 및 그의 제조{CMOS COMPATIBLE MICROCHANNEL HEAT SINK FOR ELECTRONIC COOLING AND ITS FABRICATION}

본 발명은 전자 냉각 응용들을 위한 마이크로채널 히트 싱크이다. 히트 싱크는 CMOS 호환 가능 재료들 및 표면 미세가공 기술들을 이용하여 제조된다.

마이크로전자 기술의 진보로, 매우 작은 체적에 다양한 목적의 고성능, 고속 아날로그 및 디지털 회로들을 설치(fit)하는 것이 지금 가능하다. 현대의 집적 회로들(IC)에 있어서, 수 백만개의 트랜지스터들이 1 mm²의 면적에 설치될 수 있고, 그러므로, 더 빠르고 더 기능적인 칩들이 제조될 수 있다. 한편, 고밀도 집적 회로들은 더 많은 전력을 필요로 한다. 그러므로, 상당한 양의 열이 작은 체적들에서 발생되고, 시스템으로부터의 그것의 제거는 주된 설계 문제로 된다. 국부적인 온도들의 증가는 발생된 열이 때맞춰 제거되지 않는다면 회로들에 대한 성능을 감소시키거나 큰 손상들을 일으킬 수 있다.

전자 응용들을 위한 현재의 상업적 냉각 방법들은 기본적인 자연 및 강제 공기 냉각, 액체 냉각 시스템들 및 몇몇 냉각 기반 시스템들(refrigeration based systems)이다. 가장 널리 이용되는 방법은 강제 대류 공기 냉각(forced convection air cooling)이지만, 공기 냉각의 열전달 용량은 60 W/cm²의 열플럭스값들로 제한되고, 현대의 CPU들은 이러한 한계 [1]에 빠르게 도달하고 있다. 더욱이, CPU 다이(die) 상의 핫 스팟들(hot spots)은 칩 표면 상의 국부 지점들에서, 다이의 평균 열플럭스의 약 3 내지 8배 이상의 훨씬 높은 열플럭스들을 생성한다[2]. 액체 냉각 시스템들 및 냉각법들(refrigeration solutions)은 100 W/cm²까지 열플럭스에 대항할 수 있지만, 이들 시스템들은 공기 냉각 시스템들에 비해 더 부피가 크고 더 복잡하여, 전체 비용을 증가시키고 신뢰성 문제들을 야기한다[3]. 작동 유체로서, 나노유체들, 기본 유체들 내의 나노입자들의 현탁액의 사용은 기본 유체만을 사용하는 것에 비해 50% 이상의 열전달의 향상을 가져온다[4].

전자 칩 표면들로부터 높은 열플럭스들을 제거하기 위해, 수개의 새로운 기술들이 도입되었다. 이들 중, 마이크로채널 히트 싱크들이 지난 30년 동안 큰 관심을 끌어왔다[5]. 마이크로채널 히트 싱크들은 기본적으로 거대한 면적 대 체적비를 갖는 매우 소형의 열교환기들이다. 이러한 비는 칩 표면 위에 매우 넓은 열교환 면적을 제공하므로, 이들 열교환기들의 열제거량은 이들의 대규모 버전들보다 훨씬 높다. 게다가, 마이크로채널들의 작은 유압 직경들은 더 높은 열전달 계수들을 제공하여, 열제거량을 훨씬 더 증가시킨다. 마이크로밀링(micromilling)[6], 레이저 삭마(laser ablation)[7], 실리콘 에칭(silicon etching)[7, 8, 9, 10], 또는 금속 전기도금[11, 12, 13]과 같은 마이크로채널 히트 싱크들을 제조하기 위한 다양한 제조 방법들이 있다.

마이크로밀링 공정은 두꺼운 금속 기판들을 필요로 하고, 히트 싱크는 마이크로칩과는 별도로 제조된다[6]. 양 요소들(factors)은 냉각 시스템의 전체 열저항을 증가시킨다. 유사하게, 레이저 삭마된 마이크로채널들은 마이크로채널들을 형성하기 위해 별개의 상부 덮개를 필요로 한다[7]. 모놀리식 디자인들에 있어서, 히트 싱크는 실리콘 에칭 및 전기도금과 같은 마이크로제조 기술들을 이용하여 회로와 함께 제조된다. 이것은 낮은 열저항을 제공하는 데, 그 이유는 접합 대 유체 거리(junction-to-fluid distance)가 별개의 히트 싱크들에서의 것에 비해 훨씬 짧기 때문이다. 그러나, 실리콘 에칭 공정들은 제조 수율을 감소시킬 수 있는 마무리된 CMOS 웨이퍼들의 후면 에칭(back side etching)의 곤란성들[9, 14] 또는 냉각제 입구 및 출구들을 위한 영역을 생성하기 위한 회로의 설계 변경의 필요성[8]과 같은 몇가지 문제점들을 가진다. 한편, 전기도금된 채널들은 하부 회로를 설계 변경할 필요 없이 회로들의 상부 위에 직접 제조될 수 있다.

주(Joo) 등은 전자 냉각 응용들을 위한 전기도금 금속 마이크로채널들을 조사했다[11]. 이들의 전기도금된, 방사상으로 발산하는 마이크로채널 히트 싱크들은 냉각제로서의 공기로 35 W/cm²를 추출할 수 있었다. 이러한 히트 싱크에 있어서, 채널들의 상부는 측벽들로부터 연장되는 전기도금된 오버행들(electroplated overhangs)로 덮였으므로, 최대 채널 폭은 50 미크론보다 작게 제한되었다. 한편, 채널 높이는 많아야 70 미크론인 희생층 두께로 한정되었다. 이와 같은 작은 치수들 및 유압 직경들을 갖는 마이크로채널들은 액체 냉각제들이 사용될 때 막대한 압력 강하를 일으키므로, 작동 유체는 공기와 같은 가스이어야 한다. 공기 냉각에서의 열전달 효율은 액체 냉각에 비해 상당히 낮으므로, 이들 마이크로채널 히트 싱크들의 최대 열 제거 용량은 50 W/cm²보다 낮게 제한될 것으로 예상되었다. 유사한 공정을 이용하여, 파파우트스키(Papautsky) 등은 희생 포토레지스트층 주위에 도금된 얇은 벽으로 된 금속 마이크로채널들을 제조하였다[12]. 이들 마이크로채널들은 냉각 응용들 대신에 화학 공정들에서 유체 전달을 위해 사용되었다. 다른 유사한 문헌들이 또한 마이크로채널들을 형성하기 위해 전기도금을 이용하지만[13], 전기도금 금속의 고온 리플로(reflow)는 CMOS 회로들과 호환성이 없는 제조 흐름을 만든다.

CMOS 호환 가능 표면 미세가공 금속-폴리머 마이크로채널 히트 싱크의 제안된 발명에 의해, 표준 CMOS 호환 가능 표면 미세가공 기술들로 용이하게 제조될 수 있고 기체 또는 액체 냉각제들, 또는 나노유체들로 작동될 수 있는 높은 열전달 능력, 경량, 모놀리식 히트 싱크 구조를 얻는 것을 목표로 한다.

CMOS 호환 가능 표면 미세가공된 마이크로채널 히트 싱크를 제조하기 위해, 본 발명은 마이크로채널들을 덮기 위한 전기도금 오버행들(overhangs) 대신에 폴리머 상벽을 사용한다. 이러한 디자인은 폭이 수백 미크론인 마이크로채널들의 제조를 가능하게 한다. 그러므로, 더 작은 유압 직경 마이크로채널들뿐만 아니라 더 큰 유압 직경 마이크로채널들이 제조될 수 있다. 또한, 폴리머 코팅은 간단하고 CMOS 호환 가능한 저온 공정이다. 폴리머의 기상 증착은 이전의 연구들에서 사용된 것과 같은 고온 경화를 필요로 하지 않는다[9]. 전자 칩들의 냉각 요건들 및 이용 가능한 펌핑 파워 에 기초하여, 제안된 금속-폴리머 마이크로채널 히트 싱크들에는 공기와 같은 기체 유체, 냉매, 물과 같은 액체 냉각제들, 에틸렌 글리콜, 또는 나노유체들과 같은 액체-고체 현탁액(liquid-solid suspensions)을 포함하는, 다양한 냉각제들이 이용될 수 있다. 이러한 유연성으로 인해, 칩 표면으로부터 훨씬 높은 열 제거량(heat removal rate)을 얻는 것이 가능하다.

현재의 상업적 냉각 기술들에 비해, 제안된 장치의 이점들은 다음과 같이 요약될 수 있다:

· 마이크로채널들의 높은 체적 대 면적비가 히트 싱크의 전체 열전달 능력을 증가시킨다.

· 마이크로채널들은 칩 자신과 동일한 웨이퍼 상에 제조될 수 있다.

· 동일한 웨이퍼 상의 제조는 가열된 칩 표면과 냉각 매체(coolant medium) 사이의 거리를 감소시켜, 냉각 시스템에서의 열저항들을 크게 감소시킨다.

· 히트 싱크 내에 고성능 마이크로채널들을 이용하는 것은 모바일 컴퓨터 시스템들에서도 이용될 수 있는 매우 소형의 냉각법들을 가능하게 한다.

이와 같은 이점들은 이전의 문헌에서 연구된 대부분의 마이크로채널 히트 싱크 장치들에 대해 공통이다. 이들 이외에, 제안된 발명은 유사한 마이크로채널 히트 싱크 디자인들에 대해 예컨대 다음과 같은 추가의 이점들을 부가한다:

· 마이크로채널들은 실리콘 에칭 공정들 대신에, CMOS 호환 가능 표면 미세가공 기술들을 이용하여 가열된 칩 표면의 상부에 직접 제조될 수 있다.

· 히트 싱크가 칩 표면 위에 직접 제조될 수 있으므로, 모놀리식 냉각 시스템(monolithic cooling system)이 얻어진다.

· 마이크로채널들이 포스트(post)-CMOS 표면 미세가공 기술들로 칩 표면 위에 제조되므로 칩 상에 대한 디자인 변경이 요구되지 않는다.

· 상이한 단면들 및 유압 직경들(hydraulic diameters)을 갖는 마이크로채널들이 제조될 수 있어, 허용 가능한 펌핑 파워(pumping power) 요건들로, 냉각제들로서의 가스뿐만 아니라 액체들 및 나노유체들의 이용을 가능하게 한다.

폴리머 마이크로채널 히트 싱크 조립체의 상이한 부분들의 수개의 도면들이 용이한 이해를 제공하기 위해 첨부물로 주어진다. 도면들의 간단한 설명은 다음과 같다.

도 1은 마이크로채널 벽들이 노출된 전자 칩의 상부 상의 마이크로채널들의 사시도.
도 2는 폴리머 상벽이 제거된 마이크로채널 히트 싱크의 상면도.
도 3은 흐름 방향에 따른 마이크로채널들의 단면도.
도 4는 마이크로채널 히트 싱크의 제조 흐름.

본 발명은 4개의 주 요소들, 즉:

· 전자 절연층(2)을 갖는 마이크로전자 회로의 상부 상의 금속 시드층(8),

· 금속 측벽들(3)을 갖는 평행한 마이크로채널들,

· 폴리머 상벽(6),

· 입구 리저보어(4)-출구 리저보어(7)

로 구성된다.

전자 절연층이 전자 칩과 냉각제(coolant) 사이의 어떤 전기적 상호작용을 방지하기 위해, 표준 증착 기술들에 의해 전자 절연층(2)을 갖는 마이크로전자 회로 위에 증착된다. 절연층은 이산화 실리콘, 질화 실리콘 또는 폴리머 필름으로 만들어 질 수 있다. 마이크로채널들은 절연층 위에 증착되는 금속 시드층(8)의 상부 상에 놓인다. 마이크로채널들은 저벽(bottom wall)에 있는 금속 시드층(8) 및 마이크로채널 측벽들(3) 및 폴리머 상벽(6) 상의 전기도금 금속(예컨대 구리, 니켈 또는 금)에 의해 형성된다. 얇은 폴리머층들은 냉각제와 금속의 접촉으로 인한 부식을 방지하기 위해 제조 공정의 최종 단계로서 마이크로채널 측벽들(3), 금속 시드층(8) 및 폴리머 상벽(6) 위에 금속 표면을 포함하는, 마이크로채널들의 내면 위에 코팅될 수 있다.

마이크로채널 히트 싱크의 제조 방법은 도 4에 개략적으로 도시된다. 제조는 2개의 마스크 공정이다. 마이크로채널 히트 싱크는 전자 절연층(2)을 갖는 마이크로전자 회로의 상부 상에 직접 제조된다. 먼저 얇은 금속 시드층이 전기도금 공정(도 4-a)을 위해 절연층의 상부 위에 코팅된다. 시드층은 하부 회로(underneath circuitry)의 접촉 패드들 상부 위에 전기도금되는 것을 방지하기 위해, UV-리소그라피 및 웨트 금속 에칭에 의해 Mask-1를 이용하여 패터닝된다. Mask-2를 이용하여, 두꺼운 희생 포토레지스트층이 패터닝되어, 마이크로채널들 및 입구-출구 리저보어들을 형성한다(도 4-b). 마이크로채널 치수들은 Mask-2 레이아웃 및 포토레지스트 두께에 의해 정의된다. 이후 금속이 희생 포토레지스트 라인들 사이에 전기도금된다(도 4-c). 이후 두꺼운 폴리머층이 코팅되어, 폴리머 상벽(6)을 형성한다(도 4-d). 이러한 층은 가시성(visibility) 및 용이한 밀봉(sealing) 모두를 제공한다. 다음에, 입구 및 출구 접속 포트들 및 접속 포트들 및 접촉 패드들이 또 Mask-1에 의해 패터닝되는 두꺼운 포토레지스트층과 함께 0₂ 플라즈마로 개방되어, 마이크로채널들 위의 폴리머 상벽을 보호한다. 끝으로, 희생 포토레지스트가 아세톤-IPA-메탄올 방출에 의해 제거된다(도 4-e).

상이한 포토레지스트들을 이용하여, 다양한 마이크로채널 두께가 얻어질 수 있다. 더욱이, 폴리머 상벽(6)을 채용하여, 협(narrow) 마이크로채널들뿐만 아니라 수백 미크론만큼 넓은 광(wide) 채널들이 제조될 수 있다. 치수 유연성의 결과로서, 상이한 작동 유체들(가스, 액체, 나노유체)이 허용 가능한 압력 강하들을 갖는 냉각제들로서 사용될 수 있다.

전체 전자 냉각 시스템은 금속 - 폴리머 마이크로채널 히트 싱크(도 1), 입구 및 출구 마이크로유체 상호접속 포트들(도시하지 않음), 배관(piping)(도시하지 않음), 펌프/압축기(도시하지 않음) 및 외부 열교환기(도시하지 않음)로 구성된다. 마이크로채널 히트 싱크 이외의 부분들은 이미 상업적으로 이용 가능한 표준 냉각 시스템 구성요소들이다.

시스템의 동작

금속-폴리머 마이크로채널 히트 싱크는 마이크로채널들 내의 작동 유체의 정상 상태 흐름(steady state flow)에 의해 냉각을 제공한다. 작동 유체는 칩의 동작 조건들 및 냉각 요건들에 기초하여, 물 또는 약간의 다른 냉각제일 수 있다. 작동 유체는 펌프에 의해 폐루프 냉각 시스템에서 펌핑된다. 이후 유체는 파이프들을 통해 흐르고 폴리머 마이크로채널 히트 싱크의 입구 리저보어(4)에 도달한다. 입구 리저보어에서, 작동 유체는 마이크로채널들에 분배되고 마이크로채널들을 통해 흐른다. 흐르는 동안, 작동 유체는 금속 시드층(8) 아래에 전자 절연층(2)을 갖는 마이크로전자 회로로부터 오는 열플럭스(heat flux)에 의해 가열된다. 작동 유체의 온도는 마이크로채널들을 흐르는 동안 증가한다. 고온 작동 유체는 히트 싱크의 출구 리저보어(7)에서 수집되고 마이크로유체 상호접속 포트들을 통해 마이크로채널 히트 싱크를 떠난다.

이후 고온 작동 유체는 자연 또는 강제 대류(natural or forced convection)에 의해 주위 공기에 의해 냉각되는 라디에이터(도시하지 않음) 및 파이프들을 통해 흐른다. 냉각된 작동 유체는 파이프들을 통해 흐르고 펌프(도시하지 않음)에 도달하여 일 냉각 싸이클을 완료한다.

참조문헌들(References)

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폴리머 마이크로채널 히트 싱크의 구성 부분들이 번호들로 도면들에 도시되고 각각의 명칭들이 이하에 제공된다.
1- 마이크로전자 회로의 실리콘 웨이퍼
2- 전자 절연층을 갖는 마이크로전자 회로
3- 마이크로채널 측벽들
4- 입구 리저보어
5- 마이크로채널 히트 싱크의 외벽들
6- 폴리머 상벽
7- 출구 리저보어
8- 금속 시드층
9- 포토레지스트층
10- 얇은 폴리머층들

Claims

전기 절연층(2)을 갖는 마이크로전자회로의 상부 위의 희생 포토레지스트층들(9) 사이의 박막 금속 시드층(8) 위에 마이크로채널 측벽들(3)을 전기도금하는 단계, 아세톤-IPA-메탄올 방출(release)에 의해 상기 희생 포토레지스트층들(9)을 제거하는 단계를 포함하는, 액체, 나노유체 및 가스에 의한 전자 냉각 응용들을 위한 마이크로채널 히트 싱크의 제조 방법에 있어서,
상기 희생 포토레지스트층들(9) 및 상기 마이크로채널 측벽들(3)의 상면들은 상기 희생 포토레지스트층들(9)이 아세톤-IPA-메탄올 방출에 의해 제거되기 전에, 폴리머 상벽(6)에 의해 덮이는 것을 특징으로 하며,
상기 폴리머 상벽(6)은, 상기 희생 포토레지스트층들(9)과 상기 마이크로채널 측벽들(3)의 상면들 바로 위에 기상 증착(vapor deposition)에 의해 증착되는, 마이크로채널 히트 싱크 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 희생 포토레지스트층들(9)이 아세톤-IPA-메탄올 방출에 의해 제거된 후, 얇은 폴리머층들(10)이, '상기 마이크로채널 측벽들(3)의 금속 표면, 금속 시드층(8) 및 폴리머 상벽(6)'을 포함하는 마이크로채널들의 내면 상에 코팅되는 것을 특징으로 하는, 마이크로채널 히트 싱크 제조 방법.
액체, 나노유체 및 가스에 의한 전자 냉각 응용들을 위한, 마이크로채널 히트 싱크에 있어서,
전기 절연층(2)을 갖는 마이크로전자회로;
상기 마이크로전자회로 상에 배치된 박막 금속 시드층(8);
상기 박막 금속 시드층(8) 상에 배치된 마이크로채널 측벽들(3); 및
상기 마이크로 채널 측벽들(3)의 상부 면과 상기 마이크로 채널 측벽들(3) 사이의 공간을 덮도록 배치된 폴리머 상벽(6);을 포함하며,
상기 폴리머 상벽(6)은 상기 마이크로 채널 측벽들(3) 바로 위에 증착된 것을 특징으로 하는 마이크로채널 히트 싱크.
제 3 항에 있어서,
'상기 마이크로채널 측벽들(3)의 표면, 금속 시드층(8) 및 폴리머 상벽(6)'을 포함하는 마이크로채널들의 내면 상에 코팅되는, 얇은 폴리머층들(10);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체, 나노유체 및 가스에 의한 전자 냉각 응용들을 위한, 마이크로채널 히트 싱크.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
냉각이 입구 및 출구 마이크로유체 접속 포트들을 갖는 마이크로채널들을 통한 상기 유체의 순환(circulation)에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는, 마이크로채널 히트 싱크.