KR102088019B1 - Heat dissipating device and package for heat dissipating using the same - Google Patents

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KR102088019B1 KR1020130004679A KR20130004679A KR102088019B1 KR 102088019 B1 KR102088019 B1 KR 102088019B1 KR 1020130004679 A KR1020130004679 A KR 1020130004679A KR 20130004679 A KR20130004679 A KR 20130004679A KR 102088019 B1 KR102088019 B1 KR 102088019B1
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Abstract

방열 지지기판 및 방열 패키지를 제공한다. 방열 지지기판은 발열원을 지지하기 위한 베이스부, 상기 베이스부 내에 구비되고, 상기 발열원의 열을 전도하는 다공성 미세구조부 및 상기 다공성 미세구조부의 공극의 적어도 일부를 채우는 상변화 물질 을 포함하는 방열부 및 상기 발열원과의 전기적 배선을 위하여 상기 베이스부에 구비되는 연결부를 포함한다. 따라서, 개방 셀 형태의 다공성 미세구조부와 상변화 물질로 구성되는 방열 요소는 상 변화 현상에 기인한 높은 흡열 용량으로 발열원의 과열을 방지하는 방열 특성을 제공한다.Provide a heat dissipation support substrate and heat dissipation package. The heat dissipation support substrate includes a base part for supporting a heat generating source, a heat dissipation part provided in the base part, the porous micro structure part conducting heat of the heat generating source, and a phase change material filling at least a portion of the pores of the porous micro structure part; It includes a connecting portion provided in the base portion for electrical wiring with the heat generating source. Therefore, the heat dissipation element composed of the porous microstructure and the phase change material in the form of an open cell provides a heat dissipation property to prevent overheating of the heat generating source with a high endothermic capacity due to the phase change phenomenon.

Description

방열 지지기판 및 이를 이용한 방열 패키지{Heat dissipating device and package for heat dissipating using the same}Heat dissipating device and package for heat dissipating using the same}

본 발명은 방열 지지기판 및 이를 이용한 방열 패키지에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 발열 칩의 온도를 칩의 정상적인 동작을 보장하고, 소자의 신뢰성을 저해하지 않는 소정의 온도 상한선 이하로 억제하는 방열 지지기판 및 이를 이용한 방열 패키지에 관한 것이다.The present invention relates to a heat dissipation support substrate and a heat dissipation package using the same, and more particularly, to a heat dissipation support substrate which reduces the temperature of the heat generation chip below a predetermined upper temperature limit that ensures the normal operation of the chip and does not impair the reliability of the device. It relates to a heat dissipation package using the same.

집적 회로 칩의 방열을 위한 기존의 대표적인 패키지 구조는 주 발열 소자인 집적 회로 등의 칩 다이(die)를 인쇄 회로 기판(printed circuit board; PCB) 형태로 제작된 칩 지지 기판(chip carrier or chip mounting board) 상에 접합하고, 금속 뚜껑(metal lid)를 조립하여 구성된 구조이다.A typical representative package structure for heat dissipation of integrated circuit chips is a chip carrier or chip mounting in which chip dies such as integrated circuits, which are main heating elements, are manufactured in the form of a printed circuit board (PCB). Joined on a board, a metal lid (metal lid) assembly structure.

이러한 금속 뚜껑의 상부 표면과 칩 다이 간의 공간에는 열 전도를 향상시키기 위한 복합 충진재(composite filler)를 채울 수 있다.The space between the top surface of the metal lid and the chip die may be filled with a composite filler to improve thermal conduction.

이렇게 조립된 칩 패키지의 금속 뚜껑 외부 표면에는 공기에 의한 대류 냉각(convective cooling) 성능을 향상시키기 위한 핀(fin) 형상이 가공된 열 싱크(heat sink) 방열 기구가 열 계면 재료(thermal interface material; TIM)를 매개로 접합 조립되어 구성될 수 있다.On the outer surface of the metal lid of the assembled chip package, a heat sink heat dissipation mechanism having a fin shape for improving convective cooling performance by air includes a thermal interface material; TIM) can be configured by bonding assembly.

그러나, 실리콘 기반의 상보형 금속 산화물 반도체 집적 회로(complementary metal oxide semiconductor integrate circuit; CMOS IC)를 필두로 하는 집적 회로의 집적도가 높아지게 되고 구동 주파수가 증가하는 추세에 따라 칩의 면적당 발열량인 발열 밀도가 급격히 증가한다.However, as the integration density of silicon-based complementary metal oxide semiconductor integrate circuits (CMOS ICs) increases, the driving frequency increases, and the heat generation density, which is the amount of heat generated per chip area, increases. Increase sharply

특히, 게이트 선폭(gate length)의 감소(scale down)에 따른 누설 전류(leakage current)의 증가 경향은 칩에서의 발열량을 더욱 증가시키게 되고, 발열에 의한 칩 기판(substrate body) 및 접합(junction) 온도의 증가는 누설 전류를 더욱 높은 수준으로 증가시키는 악순환을 유발하게 되므로, 극단적인 경우 집적 회로가 오동작 하거나 영구적인 고장(permanent breakdown)이 발생할 수 있다. In particular, the increasing tendency of leakage current due to the scale down of the gate length increases the amount of heat generated in the chip, and the substrate and junction due to the heat generation. Increasing temperature causes a vicious cycle that increases leakage current to a higher level, which can, in extreme cases, cause an integrated circuit to malfunction or cause a permanent breakdown.

또한, 고전압 및 높은 수준의 전류 환경에서 동작하는 전력 반도체(power semiconductor) 등의 전력 전자 소자(power electronic devices)에서는 높은 수준의 발열을 처리하기 위한 방열 수단의 중요성이 더욱 중요해지고 있다. 이러한 높은 발열 밀도의 칩 방열에는 종래 기술에 의한 전도에 의존하는 방열로는 한계점에 봉착하고 있는 실정이다.In addition, in power electronic devices such as power semiconductors operating in high voltage and high level current environments, the importance of heat dissipation means for treating high levels of heat generation is becoming more important. The heat dissipation path depending on the conduction according to the prior art in the heat radiation of the chip having a high heat density is encountered at the limit point.

한편, 고성능의 고집적 CMOS 집적 회로 및 고속 무선 통신용 집적 회로 등 휴대 전자 기기 및 소비자 가전에 적용되는 부품의 경우, 칩 패키지의 두께를 포함한 소형화가 주요한 산업적 기술적 흐름을 형성하고 있으므로, 종래 기술에 의한 방열 핀 구조의 열 싱크, 냉각 팬(cooling fan) 등과 같이 부피가 크고 두꺼운 방열 수단을 적용할 수 없는 경우가 점점 증가하는 추세이다.On the other hand, in the case of components applied to portable electronic devices and consumer electronics such as high-performance, highly integrated CMOS integrated circuits and integrated circuits for high-speed wireless communications, the miniaturization including the thickness of the chip package forms a major industrial technical flow, and therefore, heat dissipation according to the prior art. Increasingly, bulky and thick heat dissipation means such as fin sinks and cooling fans are not applicable.

따라서, 이러한 방열 지지기판의 한계점을 극복하고, 방열 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 방열 지지기판의 개발이 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to overcome the limitations of the heat dissipation support substrate and to develop a new heat dissipation support substrate that can improve heat dissipation performance.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 칩 패키지에 있어서 칩의 발열에 의한 방열 수단을 제공하는 방열 지지기판을 제공한다.An object of the present invention is to provide a heat dissipation support substrate that provides a heat dissipation means by heat generation of a chip in a chip package.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 발열 칩의 온도를 칩의 정상적인 동작을 보장하고, 소자의 신뢰성을 저해하지 않는 소정의 온도 상한선 이하로 억제하는 방열 지지기판을 제공한다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a heat dissipation support substrate that ensures the temperature of the heat generating chip below a predetermined upper temperature limit that ensures the normal operation of the chip and does not impair the reliability of the device.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 전기적인 신호 경로를 위한 배선 수단과 열전도 및 방열 수단을 동일한 기판 상에 집적된 형태로 제공할 수 방열 지지기판을 제공한다.Another object of the present invention is to provide a heat dissipation support substrate capable of providing the wiring means for the electrical signal path and the heat conduction and heat dissipation means in an integrated form on the same substrate.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 칩을 지지하기 위해 요구되는 기계적인 강성과 칩의 동작 온도를 소정의 상한 온도 이내로 제한하는 방열 성능을 복합적으로 제공하는 방열 지지기판을 제공한다.Another object of the present invention is to provide a heat dissipation support substrate that provides a combination of mechanical stiffness required to support a chip and heat dissipation performance that limits the operating temperature of the chip within a predetermined upper limit temperature.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상술한 방열 지지기판을 이용하여 발열원을 조립, 봉지하여 구성되는 방열 패키지를 제공한다.Another object of the present invention is to provide a heat dissipation package configured by assembling and encapsulating a heat source using the heat dissipation support substrate described above.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 방열 지지기판을 제공한다. 상기 방열 지지기판은 발열원을 지지하기 위한 베이스부, 상기 베이스부 내에 구비되고, 상기 발열원의 열을 전도하는 다공성 미세구조부 및 상기 다공성 미세구조부의 공극의 적어도 일부를 채우는 상변화 물질을 포함하는 방열부 및 상기 발열원과의 전기적 배선을 위하여 상기 베이스부에 구비되는 연결부를 포함할 수 있다.One aspect of the present invention to achieve the above object provides a heat dissipation support substrate. The heat dissipation support substrate includes a base part for supporting a heat generating source, a heat dissipation part including a phase change material provided in the base part, the porous microstructure part conducting heat of the heat generating source, and a phase change material filling at least a portion of the pores of the porous microstructure part. And a connection part provided in the base part for electrical wiring with the heat generating source.

상기 방열부는 상기 다공성 미세구조부의 하부에 위치하는 열전도층 및 상기 다공성 미세구조부의 상부에 위치하는 열전도성 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The heat dissipation part may further include a heat conductive layer positioned below the porous microstructure part and a heat conductive cover positioned above the porous microstructure part.

상기 상변화 물질은 상기 발열원의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 한다.The phase change material is characterized in that a phase change occurs between the first and second heat generating temperatures of the heat generating source.

상기 다공성 미세구조부는 구리, 니켈, 티타늄, 알루미늄 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The porous microstructure may include at least one selected from the group consisting of copper, nickel, titanium, aluminum, and alloys thereof.

상기 상변화 물질은 유기계 상변화 물질 또는 무기계 상변화 물질을 포함할 수 있다.The phase change material may include an organic phase change material or an inorganic phase change material.

상기 무기계 상변화 물질은 MgCl2·6H2O, Al2(SO4)3·10H2O, NH4Al(SO4)2·12H2O, KAl(SO4)2·12H2O, Mg(SO3)2·6H2O, SrBr2·8H2O, Sr(OH)2·8H2O, Ba(OH)2·8H2O, Al(NO3)2·9H2O, Fe(NO3)2·6H2O, NaCH2S2O2·5H2O, Ni(NO3)2·6H2O, Na2S2O2·5H2O, ZnSO4·7H2O, CaBr2·6H2O, Zn(NO3)2·6H2O, Na2HPO4·12H2O, Na2CO3·10H2O, 및 CaCl2·6H2O로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.The inorganic phase change material is MgCl 2 · 6H 2 O, Al 2 (SO 4 ) 3 · 10H 2 O, NH 4 Al (SO 4 ) 2 · 12H 2 O, KAl (SO 4 ) 2 · 12H 2 O, Mg (SO 3 ) 2 · 6H 2 O, SrBr 2 · 8H 2 O, Sr (OH) 2 · 8H 2 O, Ba (OH) 2 · 8H 2 O, Al (NO 3 ) 2 · 9H 2 O, Fe ( NO 3 ) 2 · 6H 2 O, NaCH 2 S 2 O 2 · 5H 2 O, Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Na 2 S 2 O 2 · 5H 2 O, ZnSO 4 · 7H 2 O, CaBr 2 · 6H 2 O, Zn ( NO 3) 2 · 6H 2 O, Na 2 HPO 4 · 12H 2 O, Na 2 CO 3 · 10H 2 O, and CaCl 2 · at least one selected from the group consisting of 6H 2 O It may include a substance of.

상기 유기계 상변화 물질은 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 및 아세트산으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.The organic phase change material may include at least one material selected from the group consisting of tetradecane, octadecane, nonadecane and acetic acid.

상기 열전도층 또는 상기 열전도성 커버는 구리, 알루미늄, 아연, 니켈 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The thermally conductive layer or the thermally conductive cover may include at least one selected from the group consisting of copper, aluminum, zinc, nickel, and alloys thereof.

상기 방열부는, 상기 다공성 미세구조부의 표면에 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치하는 것을 특징으로 한다.The heat dissipation unit is characterized in that any one selected from the group consisting of graphene, graphite and carbon nanotubes is further located on the surface of the porous microstructure.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 방열 패키지를 제공한다. 상기 방열 패키지는 열전도층, 상기 열전도층 상에 위치하는 다공성 미세구조부, 상기 다공성 미세구조부의 공극의 적어도 일부를 채우는 상변화 물질 및 상기 다공성 미세구조부 상에 위치하는 열전도성 커버를 포함하는 방열부 및 전기적 배선을 위한 연결부를 포함하는 방열 지지기판, 상기 방열 지지기판 상에 위치하고, 상기 연결부와 전기적으로 연결되는 발열원 및 상기 발열원을 덮는 방열 덮개를 포함할 수 있다.Another aspect of the present invention to achieve the above object provides a heat dissipation package. The heat dissipation package includes a heat dissipation part including a heat conduction layer, a porous microstructure part positioned on the heat conductive layer, a phase change material filling at least a portion of the pores of the porous microstructure part, and a thermal conductive cover positioned on the porous microstructure part; The heat dissipation support substrate may include a heat dissipation support substrate including a connection unit for electrical wiring, a heat dissipation source disposed on the heat dissipation support substrate, and a heat dissipation cover covering the heat dissipation source.

상기 발열원은 집적회로 칩 소자 또는 발열 소자일 수 있다.The heat generating source may be an integrated circuit chip device or a heat generating device.

상기 방열 지지기판의 방열부와 상기 발열원 사이에 위치하는 열계면물질을 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a thermal interface material positioned between the heat dissipation part of the heat dissipation support substrate and the heat generating source.

상기 열전도성 커버 및 상기 발열원 사이에는 전기적 절연 및 열전도성 수지를 포함하는 충진재를 더 포함할 수 있다.The thermally conductive cover and the heat generating source may further include a filler including an electrical insulation and a thermally conductive resin.

상기 방열부는, 상기 다공성 미세구조부의 표면에 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치하는 것을 특징으로 한다.The heat dissipation unit is characterized in that any one selected from the group consisting of graphene, graphite and carbon nanotubes is further located on the surface of the porous microstructure.

상기 상변화 물질은 상기 발열원의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 한다.The phase change material is characterized in that a phase change occurs between the first and second heat generating temperatures of the heat generating source.

본 발명에 따르면, 개방 셀 형태의 다공성 미세구조부와 상변화 물질(Phase Change Material)로 구성되는 방열 요소는 상 변화 현상에 기인한 높은 흡열 용량으로 발열 소자의 과열을 방지하는 방열 특성을 제공한다.According to the present invention, the heat dissipation element composed of a porous microstructure part and a phase change material in the form of an open cell provides heat dissipation characteristics to prevent overheating of the heating element with high endothermic capacity due to the phase change phenomenon.

또한, 상변화 물질만으로 사용되는 경우와 비교하여 방열 기판의 향상된 기계적 강성과 보다 균일하고 높은 열 확산 특성을 제공한다.In addition, it provides improved mechanical stiffness and more uniform and higher heat spreading characteristics of the heat dissipation substrate compared to the case where only the phase change material is used.

또한, 상기 미세 구조 방열 요소는 다양한 기판 모재에 집적화하여 용이하게 구성할 수 있고, 마이크로머시닝(micromachining) 기술 등의 일관 생산 기술로 제조할 수 있다.In addition, the microstructure heat dissipation element may be easily integrated by integrating into various substrate base materials, and may be manufactured by an integrated production technique such as micromachining technology.

또한, 본 발명에 의한 방열 요소를 구비한 방열 지지기판을 실리콘 집적 회로, 전력 전자 소자, 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 고주파 집적 회로 등으로 대표되는 높은 발열 밀도를 갖는 소자의 방열 패키지로 활용함으로써, 칩 구동 중 과열에 의한 소자의 오동작 및 영구적인 고장(failure or breakdown)을 방지할 수 있다.In addition, by utilizing the heat dissipation support substrate having a heat dissipation element according to the present invention as a heat dissipation package of a device having a high heat generation density represented by a silicon integrated circuit, a power electronic device, a light emitting diode, a laser diode, a high frequency integrated circuit, etc. It can prevent device malfunction and permanent failure or breakdown due to overheating during operation.

또한, 소자 및 패키지 자체, 상기 방열 패키지 주변에 조립 되는 주변 부품 등의 열에 의한 신뢰성 저하를 경감시키며, 칩 온도 상승에 수반하는 집적 회로 등의 누설 전류를 억제함으로써 소모 전력을 낮추고 구동 속도 및 출력의 저하 등을 막아 소자의 최적 성능을 유지할 수 있도록 보장하는 등의 다양한 이점을 제공한다.In addition, it reduces the reliability deterioration caused by the heat of the device, the package itself, and the peripheral parts assembled around the heat dissipation package, and reduces the power consumption by suppressing leakage current of the integrated circuit accompanied by the rise of the chip temperature. It offers a number of benefits, including protection from degradation to ensure optimal performance of the device.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects which are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 지지기판의 개략도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 방열 지지기판을 절단선 A-B로 절단한 개략도 및 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 지지기판에 발열원이 조립된 개략도이다.
도 5 및 도 6은 도 4의 방열 지지기판을 절단선 A-B로 절단한 개략도 및 단면도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 지지기판의 방열 특성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 패키지의 분해사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 패키지 개략도이다.
도 12 및 도 13은 도 11을 절단선 A-B로 절단한 개략도 및 단면도이다.
1 is a schematic view of a heat dissipation support substrate according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are schematic and cross-sectional views of the heat dissipation support substrate of FIG.
4 is a schematic view of a heat generating source assembled to a heat dissipation support substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
5 and 6 are schematic and cross-sectional views of the heat dissipation supporting substrate of FIG.
7 to 9 are views for explaining the heat radiation characteristics of the heat radiation support substrate according to an embodiment of the present invention.
10 is an exploded perspective view of a heat dissipation package according to an embodiment of the present invention.
11 is a schematic view of a heat dissipation package according to an embodiment of the present invention.
12 and 13 are schematic views and cross-sectional views taken along the cutting line AB of FIG. 11.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention allows for various modifications and variations, specific embodiments thereof are illustrated by way of example in the drawings and will be described in detail below. However, it is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed, but rather the invention includes all modifications, equivalents, and alternatives consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. When an element such as a layer, region or substrate is referred to as being on another component "on", it will be understood that it may be directly on another element or there may be an intermediate element in between. .

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers, and / or regions, such elements, components, regions, layers, and / or regions It will be understood that it should not be limited by these terms.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 지지기판의 개략도이고, 도 2 및 3은 도 1의 방열 지지기판을 절단선 A-B로 절단한 개략도 및 단면도이다.1 is a schematic view of a heat dissipation support substrate according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are schematic views and a cross-sectional view of the heat dissipation support substrate of FIG.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 방열 지지기판(100)은 베이스부(110), 방열부(120) 및 연결부(130)를 포함한다.1 to 3, the heat dissipation support substrate 100 includes a base part 110, a heat dissipation part 120, and a connection part 130.

베이스부(110)는 발열원(heat source)을 지지하는 역할을 하는 것으로, 방열 지지기판(100)의 모재가 된다. 이러한 베이스부(110)는 FR4 등의 플라스틱 수지 재료, 알루미나(alumina) 등의 금속 산화물 재료, 소결 세라믹 재료 또는 실리콘 기판(silicon substrate)을 포함할 수 있다.The base unit 110 serves to support a heat source and becomes a base material of the heat dissipation support substrate 100. The base unit 110 may include a plastic resin material such as FR4, a metal oxide material such as alumina, a sintered ceramic material, or a silicon substrate.

방열부(120)는 베이스부(100) 내에 구비되고, 발열원의 열을 전도하는 다공성 미세구조부(121) 및 다공성 미세구조부(121)의 공극의 적어도 일부를 채우는 상변화 물질(122)을 포함한다.The heat dissipation part 120 is provided in the base part 100 and includes a porous microstructure part 121 that conducts heat of a heat generating source, and a phase change material 122 that fills at least a portion of the pores of the porous microstructure part 121. .

이러한 다공성 미세구조부(121)는 개방 셀 미세 구조(open cell micro structure)일 수 있다. 예를 들어, 개방 셀 형태의 다공성 미세구조부(121)는 미세 가공(micromachining) 기술 등을 활용하여 집적될 수 있다.The porous microstructure 121 may be an open cell micro structure. For example, the porous microstructure 121 in the form of an open cell may be integrated using a micromachining technique or the like.

이러한 다공성 미세구조부(121)는 열 전도성이 있는 금속 또는 이들의 합금 형태일 수 있다. 예를 들어, 다공성 미세구조부(121)는 구리, 니켈, 티타늄, 알루미늄 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The porous microstructure 121 may be in the form of a thermally conductive metal or an alloy thereof. For example, the porous microstructure 121 may include at least one selected from the group consisting of copper, nickel, titanium, aluminum, and alloys thereof.

이러한 개방 셀 형태의 다공성 미세구조부(121)는 상하 좌우 모든 방향으로 높은 열전도 경로를 제공하므로, 상변화 물질(122)의 상변화 과정에서의 열 흡수 특성을 방열부(120) 구조 내에서 균일하게 유지할 수 있고, 열 확산 기능을 제공하여 보다 향상된 방열 특성을 확보할 수 있다.Since the porous microstructure part 121 of the open cell form provides a high heat conduction path in all directions of up, down, left, and right, the heat absorption characteristics of the phase change material 122 in the phase change process are uniform in the heat radiation part 120 structure. It is possible to maintain and provide a heat spreading function to obtain improved heat dissipation characteristics.

상변화 물질(122)은 유기계 상변화 물질 또는 무기계 상변화 물질을 포함할 수 있다.The phase change material 122 may include an organic phase change material or an inorganic phase change material.

예를 들어, 무기계 상변화 물질은 MgCl2·6H2O, Al2(SO4)3·10H2O, NH4Al(SO4)2·12H2O, KAl(SO4)2·12H2O, Mg(SO3)2·6H2O, SrBr2·8H2O, Sr(OH)2·8H2O, Ba(OH)2·8H2O, Al(NO3)2·9H2O, Fe(NO3)2·6H2O, NaCH2S2O2·5H2O, Ni(NO3)2·6H2O, Na2S2O2·5H2O, ZnSO4·7H2O, CaBr2·6H2O, Zn(NO3)2·6H2O, Na2HPO4·12H2O, Na2CO3·10H2O, 및 CaCl2·6H2O로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.For example, the inorganic phase change material may be MgCl 2 · 6H 2 O, Al 2 (SO 4 ) 3 · 10H 2 O, NH 4 Al (SO 4 ) 2 · 12H 2 O, KAl (SO 4 ) 2 · 12H 2 O, Mg (SO 3 ) 2 · 6H 2 O, SrBr 2 · 8H 2 O, Sr (OH) 2 · 8H 2 O, Ba (OH) 2 · 8H 2 O, Al (NO 3 ) 2 · 9H 2 O , Fe (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, NaCH 2 S 2 O 2 · 5H 2 O, Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Na 2 S 2 O 2 · 5H 2 O, ZnSO 4 · 7H 2 O, CaBr 2 · 6H 2 O, Zn (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Na 2 HPO 4 · 12H 2 O, Na 2 CO 3 · 10H 2 O, and CaCl 2 · 6H 2 O It may include at least one material.

예를 들어, 유기계 상변화 물질은 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 및 아세트산으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.For example, the organic phase change material may include at least one material selected from the group consisting of tetradecane, octadecane, nonadecane and acetic acid.

이러한 상변화 물질(122)은 발열원의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 한다. 예컨대, 제1 발열온도는 상변화 물질의 상천이온도보다 낮은 온도이고 제2 발열온도는 상변화 물질의 상천이온도보다 높은 온도일 수 있다.The phase change material 122 is characterized in that a phase change occurs between the first heating temperature and the second heating temperature of the heating source. For example, the first exothermic temperature may be lower than the phase change temperature of the phase change material and the second exothermic temperature may be higher than the phase change temperature of the phase change material.

따라서, 발열원의 온도가 제1 발열온도인 경우, 방열부의 열전도 특성에 의해 방열시킬 수 있고, 발열원의 온도가 제2 발열온도로 올라갈 경우, 방열부의 열전도 특성과 상변화 물질의 상천이에 따른 흡열 특성에 의하여 발열원의 온도가 특정 상한온도 이상으로 올라가는 것을 방지할 수 있다.Therefore, when the temperature of the heat generating source is the first heat generating temperature, heat can be radiated by the heat conduction characteristics of the heat radiating portion, and when the temperature of the heat generating source rises to the second heat generating temperature, the heat absorption of the heat radiating portion and the endothermic due to the transition of the phase change material By the characteristic, the temperature of the heat generating source can be prevented from rising above the specific upper limit temperature.

또한, 방열부(120)는 다공성 미세구조부(121)의 하부에 위치하는 열전도층(123) 및 다공성 미세구조부(121)의 상부에 위치하는 열전도성 커버(124)를 더 포함할 수 있다.In addition, the heat dissipation unit 120 may further include a thermal conductive layer 123 disposed under the porous microstructure portion 121 and a thermal conductive cover 124 positioned on the porous microstructure portion 121.

열전도층(123)은 열 전도도가 높은 물질로 구성되는 열 통로(thermal via)로 구비될 수 있다. 예를 들어, 열전도층(123)은 열 전도도가 높은 구리 등의 금속으로 구성될 수 있다. The thermal conductive layer 123 may be provided as a thermal via made of a material having high thermal conductivity. For example, the thermal conductive layer 123 may be made of a metal such as copper having high thermal conductivity.

열전도성 커버(124)는 다공성 미세구조부(121)의 상부에 위치한다. 이러한 열전도성 커버(124)는 열전도도가 높은 물질로 이루어진 박판층일 수 있다. 예를 들어, 열전도성 커버(124)는 열전도도가 높은 금속 등으로 이루어질 수 있다. The thermally conductive cover 124 is located on the porous microstructure 121. The thermally conductive cover 124 may be a thin layer made of a material having high thermal conductivity. For example, the thermally conductive cover 124 may be made of a metal having high thermal conductivity.

이러한 열전도성 커버(124)는 발열원 예컨대, 발열 칩이 안착하여 접합될 수 있는 칩 접합 영역으로 쓰인다.The thermally conductive cover 124 is used as a chip bonding region in which a heat generating source, for example, a heat generating chip, may be seated and bonded.

한편, 칩과의 접촉 계면에서의 열 저항을 줄여주기 위하여 접촉 영역의 공급을 메꿔주는 열계면물질(thermal interface material, TIM)이 열전도성 커버(124)의 외부 표면에 더 부가될 수 있다.On the other hand, a thermal interface material (TIM) may be added to the outer surface of the thermally conductive cover 124 to fill the supply of the contact area to reduce the thermal resistance at the contact interface with the chip.

이러한 열전도층(123) 또는 열전도성 커버(124)는 구리, 알루미늄, 아연, 니켈 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The thermal conductive layer 123 or the thermal conductive cover 124 may include at least one selected from the group consisting of copper, aluminum, zinc, nickel, and alloys thereof.

한편, 방열부(120)에는 다공성 미세구조부(121)의 표면에 그래핀(graphene), 그라파이트(graphite) 및 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치할 수 있다.Meanwhile, the heat dissipation part 120 may further include any one selected from the group consisting of graphene, graphite, and carbon nanotubes (CNTs) on the surface of the porous microstructure part 121. .

따라서, 이러한 열전도성이 우수한 그래핀 등을 다공성 미세구조부(121)의 표면에 추가로 위치시킴으로써, 다공성 미세구조부(121)의 열전도 성능을 보다 향상시킬 수 있고, 다공성 미세구조부(121)와 접촉하고 있는 상변화 물질(122)로의 열전달 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 그래핀, 그라파이트 또는 탄소나노튜브 등과 같은 물질은 수평으로의 열확산 효과가 우수한 바, 다공성 미세구조부(121)의 수평방향으로의 모든 면적에 존재하는 상변화 물질(122)로 열을 균일하게 전달시킬 수 있기 때문이다.Therefore, by additionally placing such excellent graphene on the surface of the porous microstructure portion 121, it is possible to further improve the thermal conductivity performance of the porous microstructure portion 121, in contact with the porous microstructure portion 121 The heat transfer performance to the phase change material 122 can be further improved. That is, a material such as graphene, graphite, or carbon nanotubes has excellent heat diffusion effect in the horizontal direction, and uniformly heats the phase change material 122 existing in all areas of the porous microstructure 121 in the horizontal direction. It can be delivered.

연결부(130)는 발열원과의 전기적 배선을 위하여 베이스부(110)에 구비된다. 이러한 연결부(130)는 도전성 비아(via)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연결부(130)는 방열부(120)가 형성된 영역 이외의 부분에 전기적 배선을 위한 금속 등의 도전성 비아가 다수 개 집적되어 구비될 수 있다. 이러한 도전성 비아는 베이스부(110)를 관통하거나 매입되도록 집적될 수 있다.The connection part 130 is provided in the base part 110 for electrical wiring with the heat generating source. The connection unit 130 may include conductive vias. For example, the connection part 130 may be provided with a plurality of conductive vias, such as metals for electrical wiring, integrated in portions other than the region where the heat dissipation part 120 is formed. The conductive vias may be integrated to penetrate or embed the base portion 110.

이러한 연결부(130) 예컨대, 도전성 비아는 전기적 배선 기능과 함께 상기 각각의 비아 상면에 대응하여 접합되는 집적 회로 등의 발열 칩 소자의 전극 패드(pad)로부터 열을 전도하여 칩의 방열을 돕는 부가적인 기능도 제공한다.The connection part 130, for example, the conductive via may additionally conduct heat from an electrode pad of a heating chip element such as an integrated circuit bonded to the upper surface of each via together with an electrical wiring function to assist heat dissipation of the chip. It also provides functionality.

따라서, 이러한 개별 비아의 양단에는 집적 회로 등의 발열 칩의 대응 전극 패드(pad) 및 하부 인쇄 회로 기판의 전극 패드와 솔더 접합(solder bonding) 또는 와이어 접합(wire bonding) 등의 통상의 전기 배선 접합 기술을 통하여 연결될 수 있다.Therefore, at both ends of these individual vias, a corresponding electrode pad of a heating chip such as an integrated circuit and an electrode pad of a lower printed circuit board and ordinary electrical wiring bonding such as solder bonding or wire bonding, are used. Can be linked through technology.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 지지기판에 발열원이 조립된 개략도이고, 도 5 및 도 6은 도 4의 방열 지지기판을 절단선 A-B로 절단한 개략도 및 단면도이다.4 is a schematic view of a heat generating source assembled to a heat dissipation support substrate according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 5 and 6 are schematic views and cross-sectional views of the heat dissipation support substrate of FIG.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 방열이 필요한 높은 발열 밀도를 갖는 발열원(200)과 본 발명에 의한 방열 지지기판(100)이 조립, 접합된 예가 도시되어 있다.4 to 6, there is shown an example in which the heat generating source 200 having a high heat generation density requiring heat dissipation and the heat dissipation support substrate 100 according to the present invention are assembled and bonded.

이러한 발열원(200)은 고집적도를 갖고 고속 동작이 필요한 실리콘 집적 회로(silicon IC)나 전력 반도체 등의 전력 전자 소자(power electronics device), 고주파(radio frequency; RF) 회로를 포함하는 통신용 반도체 칩, 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode) 등과 같이 높은 발열 밀도를 갖는 소자 자체이거나 이러한 발열 소자를 하나 이상 포함하여 구성되는 회로 모듈(circuit module)일 수 있다.The heat source 200 is a semiconductor chip for communication having a high integration and a power electronics device, such as a silicon integrated circuit (IC) or a power semiconductor that requires high-speed operation, a radio frequency (RF) circuit, The device may be a device having a high heating density, such as a light emitting diode (LED) or a laser diode, or a circuit module including one or more of the heating devices.

도 6에서는 발열원(200)과 본 발명에 의한 방열 지지기판(100)이 접합, 조립된 상세 구조를 보여 주며, 집적 회로 칩 등의 발열원(200)에서 패키지 외부와의 전기적 배선 연결이 필요한 전극들은 방열 지지기판(100)에 집적된 연결부들(130)과 통상의 칩 접합 방법을 적용하여 연결될 수 있다.6 shows a detailed structure in which the heat generating source 200 and the heat dissipation supporting substrate 100 according to the present invention are bonded and assembled, and the electrodes requiring electrical wiring connection to the outside of the package in the heat generating source 200 such as an integrated circuit chip are shown in FIG. Connections 130 integrated on the heat dissipation support substrate 100 may be connected to each other by applying a conventional chip bonding method.

또한, 발열원(200)의 저면은 방열 지지기판(100)의 방열부(120) 영역의 상면에 집적되어 구비된 열전도성 커버(124)의 표면에 접촉되도록 연결되어 발열원(200)의 열을 방열부(120)를 통해 외부로 전달될 수 있다.In addition, the bottom surface of the heat generating source 200 is connected to contact with the surface of the heat conductive cover 124 is integrated on the upper surface of the heat radiating portion 120 area of the heat dissipation support substrate 100 to dissipate heat of the heat generating source 200 It may be transmitted to the outside through the unit 120.

이 경우, 발열원(200)과 열전도성 커버(124) 사이에 열계면물질(140)을 삽입하여 접촉면에서 발생할 수 있는 기공(air cavity)를 제거하고 열전도 성능을 향상시키도록 구성할 수 있다.In this case, the thermal interface material 140 may be inserted between the heat generating source 200 and the thermal conductive cover 124 to remove air cavities that may occur in the contact surface and to improve thermal conductivity.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 지지기판의 방열 특성을 설명하기 위한 도면들이다.7 to 9 are views for explaining the heat radiation characteristics of the heat radiation support substrate according to an embodiment of the present invention.

도 7은 방열부와 발열원이 조립된 부분에 대한 단면도이고, 도 8은 이러한 방열부의 방열 구조의 특성을 설명하기 위한 열 전달 등가회로 모델(equivalent circuit model)을 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a cross-sectional view of a portion in which a heat dissipation unit and a heat generating source are assembled, and FIG. 8 is a diagram showing a heat transfer equivalent circuit model for explaining characteristics of the heat dissipation structure of the heat dissipation unit.

또한, 도 8은 본 발명에 따른 방열 지지기판을 적용함으로써 발열 소자의 과열 동작에서 소자의 온도 상승을 억제하는 방열 특성을 보여주는 온도 변화 특성 그래프이다.In addition, Figure 8 is a temperature change characteristic graph showing the heat radiation characteristics to suppress the temperature rise of the device in the overheating operation of the heating element by applying the heat radiation support substrate according to the present invention.

도 7을 참조하면, 방열부는 다공성 미세구조부(121) 및 이러한 다공성 미세구조부(121)의 공극의 적어도 일부를 채우는 상변화 물질(122)을 포함한다. 또한, 다공성 미세구조부(121)의 하부에는 열전도층(124)이 더 포함되고, 다공성 미세구조부(121)의 상부에는 열전도성 커버(124)가 더 포함된다.Referring to FIG. 7, the heat dissipation part includes a porous microstructure part 121 and a phase change material 122 filling at least a portion of the pores of the porous microstructure part 121. In addition, a heat conductive layer 124 is further included below the porous microstructure 121, and a heat conductive cover 124 is further included above the porous microstructure 121.

이러한 방열부와 발열원(Heat source)이 접합되되, 방열부와 발열원의 사이에는 열계면물질(140)이 더 포함된다.The heat dissipation unit and the heat source are connected to each other, and the thermal interface material 140 is further included between the heat dissipation unit and the heat source.

도 7에서는 방열 지지기판의 주요 방열 경로를 구성하는 요소들과 각 요소의 열전달 과정에서의 등가회로 요소를 보여주고 있다. 즉, 열전도층(123)은 Rvia, 다공성 미세구조부(121)는 Rf, 상변화 물질(122)은 Rp/Cp, 열전도성 커버(124)는 Rcover 및 열계면물질(140)은 RTIM으로 각 구성요소들을 각 구성요소의 열전달과정에서의 등가회로 요소로 표현하였다.7 shows the elements constituting the main heat dissipation path of the heat dissipation support substrate and the equivalent circuit elements in the heat transfer process of each element. That is, the thermal conductive layer 123 is R via , the porous microstructure 121 is R f , the phase change material 122 is R p / C p , and the thermal conductive cover 124 is R cover and the thermal interface material 140. In R TIM , each component is represented as an equivalent circuit element in the heat transfer process of each component.

도 8을 참조하여 본 발명에 의한 방열 지지기판의 열 전달 특성을 설명하면 다음과 같다. 여기서 발열원은 집적 회로등의 발열칩으로 예를 들어 설명한다.Referring to Figure 8 describes the heat transfer characteristics of the heat dissipation support substrate according to the present invention. Here, the heat generating source will be described with an example of a heat generating chip such as an integrated circuit.

집적 회로 등의 발열칩은 구동 조건에 따라 발열량(Q)이 변화하며, 해당 소자의 하부에 접합된 방열 지지기판(100)의 방열 경로를 따라 열 전달이 이루어진다.The heat generation amount (Q) of the heating chip such as an integrated circuit changes according to driving conditions, and heat transfer is performed along the heat dissipation path of the heat dissipation support substrate 100 bonded to the lower part of the corresponding element.

본 발명에 의한 방열 요소의 구성 성분인 상변화 물질은 소정의 온도를 경계로 상 천이(phase change) 현상이 발생하며, 상 천이 과정에서는 잠열(latent heat) 형태로 천이 과정 중의 온도 변화 없이, 주변으로부터 열을 흡수하여 높은 엔트로피를 갖는 상태로 천이하거나, 반대로 주변으로 열을 발산하여 낮은 엔트로피 상태로 변화하는 특성을 나타낸다.The phase change material, which is a constituent of the heat dissipation element, according to the present invention, has a phase change phenomenon at a predetermined temperature boundary, and in the phase transition process, without a temperature change during the transition process in the form of latent heat, It absorbs heat from and transitions to a state with high entropy, or conversely dissipates heat to the surroundings and changes to a low entropy state.

발열칩의 발열량이 증가하여 본 발명에 의한 다공성 미세구조부의 계면의 온도(Ti)가 상승하게 되어 상변화 물질의 상 천이 온도 Tp에 도달(Ti=Tp)하게 되면, 도 7의 우측 방열 경로를 따라 방열 성능이 진행된다.When the heat generation amount of the heat generating chip increases the temperature (T i ) of the interface of the porous microstructure according to the present invention to reach the phase transition temperature T p of the phase change material (T i = T p ), Heat dissipation performance proceeds along the right heat dissipation path.

우측 방열 경로에 따른 방열 성능의 진행을 보다 구체적으로 설명하면, 다공성 미세구조와 열전도성 커버 계면은 상 천이 온도로 유지된 채로 다공성 미세구조 내의 상변화 물질의 상 천이가 진행된다.More specifically, the progress of the heat dissipation performance according to the right heat dissipation path, the phase transition of the phase change material in the porous microstructure is maintained while the porous microstructure and the thermally conductive cover interface is maintained at the phase transition temperature.

따라서, 이 계면의 온도 Ti는 마치 전압원(constant voltage source, TP)에 연결된 것과 같이 거동하게 되고, 이에 따라 발열칩의 온도 Tchip은 상기 고정 온도 계면과 발열원 사이의 열저항 분포에 의해 그 상한 온도 Tu가 결정된다.Therefore, the temperature T i of this interface behaves as if it is connected to a constant voltage source (T P ), whereby the temperature T chip of the heating chip is determined by the heat resistance distribution between the fixed temperature interface and the heating source. The upper limit temperature T u is determined.

따라서, 종래 기술에 의한 열전도에만 의존한 방열 구조와는 달리 칩의 정상적인 동작과 신뢰성을 보장할 수 있는 온도의 상한선인 임계 온도 Tc를 넘지 않는 범위 내에서 방열 성능을 제공하여 칩 온도를 관리할 수 있는 효과가 있다.Therefore, unlike the heat dissipation structure that relies only on heat conduction according to the prior art, it is possible to manage the chip temperature by providing heat dissipation performance within a range not exceeding the critical temperature T c , which is an upper limit of temperature that can guarantee the normal operation and reliability of the chip. It can be effective.

한편, 칩 소자의 발열량이 적어 방열 요소의 온도가 상변화 물질의 상 천이 온도보다 낮은 동작 조건(Ti < Tp)에서는 도 7의 좌측 방열 경로와 같이 열전도성 커버, 다공성 미세구조부, 상변화 물질, 열전도층 등에 의해 결정되는 열저항인 Rcover, Rf, Rp1, Rvia 등을 통한 열 전도에 의해 방열 성능이 결정된다.Meanwhile, under operating conditions (T i <T p ) where the temperature of the heat dissipation element is lower than the phase transition temperature of the phase change material due to the low heat generation of the chip element, the thermally conductive cover, the porous microstructure, and the phase change as shown in the left heat dissipation path of FIG. Heat dissipation performance is determined by heat conduction through R cover, R f , R p1 , R via, etc.

따라서, 칩 소자의 발열량이 적은 경우, 다공성 미세구조부의 유효 열전도도를 향상시키는 것이 바람직하다. 통상, 다공성 구조의 경우 같은 재질로 구성되는 동일한 두께의 구조에 비해 열전도도가 낮으므로, 다공성 미세구조부를 적용한 방열 지지기판의 전반적인 방열 성능을 향상시키기 위해서는 적용 재료의 열전도도를 높이거나 열전도도가 높은 그래핀, 그라파이트, 탄소 나노튜브 등을 다공성 미세 구조체 표면에 증착하는 등의 방식으로 복합화하여 구성하는 것이 바람직하다.Therefore, when the amount of heat generated by the chip element is small, it is desirable to improve the effective thermal conductivity of the porous microstructure portion. In general, in the case of the porous structure, since the thermal conductivity is lower than that of the same thickness structure composed of the same material, in order to improve the overall heat dissipation performance of the heat dissipation support substrate to which the porous microstructure is applied, the thermal conductivity of the applied material is increased or the thermal conductivity is increased. It is preferable to construct a composite by high graphene, graphite, carbon nanotubes and the like by depositing on the surface of the porous microstructure.

도 9의 그래프에 나타난 제조예는 도 7의 방열구조를 포함하는 방열 지지기판에 해당하고, 도 9의 그래프에 나타난 비교예는 도 7의 방열구조에서 다공성 미세구조부 및 상변화 물질을 제외한 방열구조를 포함하는 방열 지지기판 이다.The manufacturing example shown in the graph of FIG. 9 corresponds to the heat dissipation supporting substrate including the heat dissipation structure of FIG. 7, and the comparative example shown in the graph of FIG. 9 shows the heat dissipation structure excluding the porous microstructure and the phase change material in the heat dissipation structure of FIG. 7. It is a heat dissipation support substrate comprising a.

비교예에 따른 방열 지지기판은 칩의 간헐적인 과도 발열시 칩 온도가 칩의 정상적인 동작과 신뢰성을 보장할 수 있는 온도의 상한선인 임계 온도 Tc 이상으로 올라가는 것을 방지할 수 없음을 알 수 있다. 따라서, 이러한 방열 지지기판은 칩의 간헐적인 과도 발열시에 대응하여 방열하기에는 한계가 있음을 알 수 있다.It can be seen that the heat dissipation support substrate according to the comparative example cannot prevent the chip temperature from rising above the threshold temperature T c , which is the upper limit of the temperature at which the chip can ensure normal operation and reliability during intermittent overheating of the chip. Therefore, it can be seen that such a heat dissipation supporting substrate has a limit in dissipating heat in response to intermittent overheating of the chip.

이에 반하여, 본 발명에 따른 제조예에 따른 방열 지지기판은 칩의 간헐적인 과도 발열시, 다공성 미세구조부 및 상변화 물질로 구성되는 방열요소에 의해 상 변화 현상에 기인한 높은 흡열 용량으로 발열 소자의 과열을 방지함으로써 칩 온도가 임계온도(Tc)보다 낮은 특정한 상한온도(Tu) 이상으로 올라가는 것을 방지할 수 있음을 알 수 있다.On the contrary, the heat dissipation support substrate according to the manufacturing example according to the present invention has a high endothermic capacity due to the phase change phenomenon due to the heat dissipation element composed of the porous microstructure and the phase change material during the intermittent overheating of the chip. It can be seen that by preventing overheating, the chip temperature can be prevented from rising above a certain upper limit temperature T u , which is lower than the threshold temperature T c .

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 패키지의 분해사시도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 패키지 개략도이고, 도 12 및 도 13은 도 11을 절단선 A-B로 절단한 개략도 및 단면도이다.10 is an exploded perspective view of a heat dissipation package according to an embodiment of the present invention, FIG. 11 is a schematic view of a heat dissipation package according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 12 and 13 are schematic views of FIG. And cross section.

도 10 내지 도 13을 참조하면, 방열 패키지는 발열 지지기판(100), 발열원(200) 및 방열 덮개(300)를 포함한다.10 to 13, the heat dissipation package includes a heat generating support substrate 100, a heat generating source 200, and a heat dissipation cover 300.

방열 지지기판(100)은 열전도층(123), 열전도층(123) 상에 위치하는 다공성 미세구조부(121), 다공성 미세구조부(121)의 공극의 적어도 일부를 채우는 상변화 물질(122) 및 다공성 미세구조부(121) 상에 위치하는 열전도성 커버(124)를 포함하는 방열부(120) 및 전기적 배선을 위한 연결부(130)를 포함할 수 있다.The heat dissipation support substrate 100 includes a thermally conductive layer 123, a porous microstructure portion 121 positioned on the thermal conductive layer 123, a phase change material 122 filling at least a portion of the pores of the porous microstructure portion 121, and the porous structure. The heat dissipation unit 120 including the thermal conductive cover 124 positioned on the microstructure 121 may include a connection unit 130 for electrical wiring.

발열원(200)은 방열 지지기판(100) 상에 위치하고, 연결부(130)와 전기적으로 연결된다. 이때의 발열원(200)은 집적회로 칩 소자 또는 발열 소자일 수 있다.The heat generating source 200 is positioned on the heat dissipation support substrate 100 and is electrically connected to the connection unit 130. In this case, the heating source 200 may be an integrated circuit chip device or a heating device.

방열 덮개(300)는 발열원(200)을 덮어 보호하는 역할을 한다. 이러한 방열 덮개(300) 역시 방열 특성을 보유하도록 열전도성 물질을 포함할 수 있다.The heat dissipation cover 300 serves to cover and protect the heat generating source 200. The heat dissipation cover 300 may also include a thermally conductive material to retain heat dissipation characteristics.

한편, 이러한 방열 지지기판(100)의 방열부(120)와 발열원(200) 사이에 위치하는 열계면물질(140)을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the thermal interface material 140 may be further disposed between the heat dissipation part 120 and the heat generating source 200 of the heat dissipation support substrate 100.

또한, 발열원(200) 및 방열 덮개(300) 사이에는 전기적 절연 및 열전도성 수지를 포함하는 충진재(400)를 더 포함할 수 있다. 이러한 충진재(400)는 발열원(200)과 방열 덮개(300) 사이의 공간을 메움으로써 방열 성능을 보다 향상시킬 수 있다.In addition, the heating source 200 and the heat dissipation cover 300 may further include a filler 400 including an electrical insulation and a thermally conductive resin. The filler 400 may further improve the heat dissipation performance by filling the space between the heat generating source 200 and the heat dissipation cover 300.

따라서, 이러한 충진재(400)는 전기적 절연 특성과 양호한 열전달 특성을 제공하는 복합충진재(composite filler)를 포함할 수 있다.Accordingly, the filler 400 may include a composite filler that provides electrical insulation properties and good heat transfer characteristics.

한편, 방열부(120)에는, 다공성 미세구조부(121)의 표면에 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치할 수도 있다.On the other hand, the heat dissipating unit 120, any one selected from the group consisting of graphene, graphite and carbon nanotubes may be further located on the surface of the porous microstructure portion 121.

이 때의 상변화 물질은 발열원(200)의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 한다.The phase change material at this time is characterized in that the phase change occurs between the first heating temperature and the second heating temperature of the heating source (200).

즉, 제1 발열온도는 상변화 물질의 상천이온도보다 낮은 온도이고 제2 발열온도는 상변화 물질의 상천이온도보다 높은 온도일 수 있다. 따라서, 발열원(200)의 온도가 제1 발열온도인 경우, 방열부의 열전도 특성에 의해 방열시킬 수 있고, 발열원의 온도가 제2 발열온도로 올라가는 경우, 방열부의 열전도 특성과 상변화 물질의 상천이에 따른 흡열 특성에 의하여 발열원의 온도가 특정 상한온도 이상으로 올라가는 것을 방지할 수 있다.That is, the first exothermic temperature may be a temperature lower than the phase change temperature of the phase change material and the second exothermic temperature may be a temperature higher than the phase change temperature of the phase change material. Therefore, when the temperature of the heat generating source 200 is the first heat generating temperature, heat can be radiated by the heat conduction characteristics of the heat radiating portion, and when the temperature of the heat generating source rises to the second heat generating temperature, the heat conduction characteristics of the heat radiating portion and the phase change material are different. By the endothermic characteristic according to the temperature of the heating source can be prevented from rising above the specific upper limit temperature.

본 발명에 의한 개방 셀 형태의 다공성 미세구조부와 상변화 물질로 구성되는 방열 요소는 상변화 현상에 기인한 높은 흡열 용량으로 발열 소자의 과열을 방지하는 방열 특성을 제공한다.The heat dissipation element composed of the open cell type porous microstructure part and the phase change material according to the present invention provides a heat dissipation property to prevent overheating of the heat generating element with a high endothermic capacity due to the phase change phenomenon.

또한, 개방 셀 형태의 다공성 미세구조부와 상변화 물질로 구성되는 방열 구조는 상변화 물질만으로 사용되는 경우와 비교하여 방열 기판의 향상된 기계적 강성과 보다 균일하고 높은 열 확산 특성을 제공한다.In addition, the heat dissipation structure composed of the open cell type porous microstructure part and the phase change material provides improved mechanical stiffness and more uniform and high heat diffusion characteristics of the heat dissipation substrate as compared with the case of using only the phase change material.

또한, 다공성 미세구조와 상변화 물질을 포함하는 방열부는 다양한 기판 모재에 집적화하여 용이하게 구성할 수 있고, 마이크로머시닝(micromachining) 기술 등의 일관 생산 기술로 제조할 수 있다.In addition, the heat dissipation unit including the porous microstructure and the phase change material may be easily integrated by integrating into various substrate base materials, and may be manufactured by an integrated production technology such as micromachining technology.

또한, 본 발명에 의한 방열 요소를 구비한 방열 지지기판을 실리콘 집적 회로, 전력 전자 소자, 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 고주파 집적 회로 등으로 대표되는 높은 발열 밀도를 갖는 소자의 패키지로 활용함으로써, 칩 구동 중 과열에 의한 소자의 오동작 및 영구적인 고장(failure or breakdown)을 방지할 수 있다.In addition, by utilizing the heat dissipation support substrate having a heat dissipation element according to the present invention as a package of a device having a high heat generation density represented by silicon integrated circuits, power electronic devices, light emitting diodes, laser diodes, high frequency integrated circuits, etc. The device can be prevented from malfunctioning due to overheating and permanent failure or breakdown.

또한, 소자 및 패키지 자체, 상기 발열 소자 패키지 주변에 조립 되는 주변 부품 등의 열에 의한 신뢰성 저하를 경감시키며, 칩 온도 상승에 수반하는 집적 회로 등의 누설 전류를 억제함으로써 소모 전력을 낮추고 구동 속도 및 출력의 저하등을 막아 소자의 최적 성능을 유지할 수 있도록 보장하는 등의 다양한 이점을 제공한다.In addition, it reduces the reliability deterioration due to heat of the device and the package itself, peripheral components assembled around the heat generating device package, and reduces the power consumption by reducing leakage current of the integrated circuit accompanied by a rise in chip temperature, driving speed and output. It provides various advantages such as preventing the degradation of light and ensuring the optimum performance of the device.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are merely presented specific examples to aid understanding and are not intended to limit the scope of the present invention. It is apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention can be carried out in addition to the embodiments disclosed herein.

100: 방열 지지기판 110: 베이스부
120: 방열부 121: 다공성 미세구조부
122: 상변화 물질 123: 열전도층
124: 열전도성 커버 130: 연결부
140: 열계면물질 200: 발열원
300: 방열덮개 400: 충진재
100: heat dissipation support substrate 110: base portion
120: heat dissipation unit 121: porous microstructure
122: phase change material 123: thermal conductive layer
124: thermal conductive cover 130: connection portion
140: thermal interface material 200: heating source
300: heat shield 400: filler

Claims (15)

발열원을 지지하기 위한 베이스부;
상기 베이스부 내에 구비되고, 상기 발열원의 열을 전도하는 다공성 미세구조부 및 상기 다공성 미세구조부의 공극의 적어도 일부를 채우는 상변화 물질을 포함하는 방열부; 및
상기 발열원과의 전기적 배선을 위하여 상기 베이스부에 구비되는 연결부를 포함하는 방열 지지기판.
A base part for supporting a heat generating source;
A heat dissipation part provided in the base part, the heat dissipation part including a porous microstructure part that conducts heat of the heat generating source and a phase change material to fill at least a portion of the pores of the porous microstructure part; And
And a connection part provided in the base part for electrical wiring with the heat generating source.
제1항에 있어서,
상기 방열부는 상기 다공성 미세구조부의 하부에 위치하는 열전도층 및 상기 다공성 미세구조부의 상부에 위치하는 열전도성 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 지지기판.
The method of claim 1,
The heat dissipation portion of the heat dissipation support substrate further comprises a heat conductive layer positioned on the lower portion of the porous microstructure and the heat conductive cover located on the upper portion of the porous microstructure.
제1항에 있어서,
상기 상변화 물질은 상기 발열원의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 하는 방열 지지기판.
The method of claim 1,
The phase change material is a heat dissipation support substrate, characterized in that the phase change occurs between the first heating temperature and the second heating temperature of the heating source.
제1항에 있어서,
상기 다공성 미세구조부는 구리, 니켈, 티타늄, 알루미늄 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 방열 지지기판.
The method of claim 1,
The porous microstructure is a heat dissipation support substrate comprising at least one selected from the group consisting of copper, nickel, titanium, aluminum and alloys thereof.
제1항에 있어서,
상기 상변화 물질은 유기계 상변화 물질 또는 무기계 상변화 물질을 포함하는 방열 지지기판.
The method of claim 1,
The phase change material may include an organic phase change material or an inorganic phase change material.
제5항에 있어서,
상기 무기계 상변화 물질은 MgCl2·6H2O, Al2(SO4)3·10H2O, NH4Al(SO4)2·12H2O, KAl(SO4)2·12H2O, Mg(SO3)2·6H2O, SrBr2·8H2O, Sr(OH)2·8H2O, Ba(OH)2·8H2O, Al(NO3)2·9H2O, Fe(NO3)2·6H2O, NaCH2S2O2·5H2O, Ni(NO3)2·6H2O, Na2S2O2·5H2O, ZnSO4·7H2O, CaBr2·6H2O, Zn(NO3)2·6H2O, Na2HPO4·12H2O, Na2CO3·10H2O, 및 CaCl2·6H2O로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 방열 지지기판.
The method of claim 5,
The inorganic phase change material is MgCl 2 · 6H 2 O, Al 2 (SO 4 ) 3 · 10H 2 O, NH 4 Al (SO 4 ) 2 · 12H 2 O, KAl (SO 4 ) 2 · 12H 2 O, Mg (SO 3 ) 2 · 6H 2 O, SrBr 2 · 8H 2 O, Sr (OH) 2 · 8H 2 O, Ba (OH) 2 · 8H 2 O, Al (NO 3 ) 2 · 9H 2 O, Fe ( NO 3 ) 2 · 6H 2 O, NaCH 2 S 2 O 2 · 5H 2 O, Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Na 2 S 2 O 2 · 5H 2 O, ZnSO 4 · 7H 2 O, CaBr 2 · 6H 2 O, Zn ( NO 3) 2 · 6H 2 O, Na 2 HPO 4 · 12H 2 O, Na 2 CO 3 · 10H 2 O, and CaCl 2 · at least one selected from the group consisting of 6H 2 O Heat dissipation support substrate comprising a material.
제5항에 있어서,
상기 유기계 상변화 물질은 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 및 아세트산으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 방열 지지기판.
The method of claim 5,
The organic phase change material includes at least one material selected from the group consisting of tetradecane, octadecane, nonadecane and acetic acid.
제2항에 있어서,
상기 열전도층 또는 상기 열전도성 커버는 구리, 알루미늄, 아연, 니켈 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 방열 지지기판.
The method of claim 2,
The thermally conductive layer or the thermally conductive cover includes at least one selected from the group consisting of copper, aluminum, zinc, nickel and alloys thereof.
제1항에 있어서,
상기 방열부는,
상기 다공성 미세구조부의 표면에 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치하는 것을 특징으로 하는 방열 지지기판.
The method of claim 1,
The heat dissipation unit,
Heat dissipation supporting substrate, characterized in that any one selected from the group consisting of graphene, graphite and carbon nanotubes are further located on the surface of the porous microstructure.
열전도층, 상기 열전도층 상에 위치하는 다공성 미세구조부, 상기 다공성 미세구조부의 공극의 적어도 일부를 채우는 상변화 물질 및 상기 다공성 미세구조부 상에 위치하는 열전도성 커버를 포함하는 방열부 및 전기적 배선을 위한 연결부를 포함하는 방열 지지기판;
상기 방열 지지기판 상에 위치하고, 상기 연결부와 전기적으로 연결되는 발열원; 및
상기 발열원을 덮는 방열 덮개를 포함하고,
상기 방열 지지기판은 상기 발열원을 지지하는 베이스부를 포함하고, 상기 방열부 및 상기 연결부는 상기 베이스부에 구비되는 것을 특징으로 하는 방열 패키지.
Heat dissipation portion and electrical wiring for comprising a thermal conductive layer, a porous microstructure portion located on the thermal conductive layer, a phase change material filling at least a portion of the pores of the porous microstructure portion and a thermally conductive cover positioned on the porous microstructure portion A heat dissipation support substrate including a connection portion;
A heat source disposed on the heat dissipation support substrate and electrically connected to the connection part; And
A heat dissipation cover covering the heat generating source,
The heat dissipation support substrate includes a base part for supporting the heat generating source, and the heat dissipation part and the connection part are provided in the base part.
제10항에 있어서,
상기 발열원은 집적회로 칩 소자 또는 발열 소자인 방열 패키지.
The method of claim 10,
The heat generating package is a heat dissipation package is an integrated circuit chip element or a heat generating element.
제10항에 있어서,
상기 방열 지지기판의 방열부와 상기 발열원 사이에 위치하는 열계면물질을 더 포함하는 방열 패키지.
The method of claim 10,
A heat dissipation package further comprising a thermal interface material positioned between the heat dissipation portion of the heat dissipation support substrate and the heat generating source.
제10항에 있어서,
상기 열전도성 커버 및 상기 발열원 사이에는 전기적 절연 및 열전도성 수지를 포함하는 충진재를 더 포함하는 방열 패키지.
The method of claim 10,
A heat dissipation package further comprising a filler comprising an electrical insulation and a thermally conductive resin between the thermally conductive cover and the heat generating source.
제10항에 있어서,
상기 방열부는,
상기 다공성 미세구조부의 표면에 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치하는 것을 특징으로 하는 방열 패키지.
The method of claim 10,
The heat dissipation unit,
Heat dissipation package, characterized in that any one selected from the group consisting of graphene, graphite and carbon nanotubes on the surface of the porous microstructure further.
제10항에 있어서,
상기 상변화 물질은 상기 발열원의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 하는 방열 패키지.
The method of claim 10,
The phase change material is a heat dissipation package, characterized in that the phase change occurs between the first heating temperature and the second heating temperature of the heating source.
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