KR20000008453A

KR20000008453A - 냉각장치를 갖는 반도체 패키지

Info

Publication number: KR20000008453A
Application number: KR1019980028266A
Authority: KR
Inventors: 백중현
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-07-14
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2000-02-07

Abstract

펠티어 효과(peltier effect)에 의하여 작동되는 펠티어 모듈의 흡열 영역을 반도체 패키지에 설치하여 반도체 패키지에서 발생한 열을 외부로 방열시키는 냉각장치를 갖는 반도체 패키지가 개시되고 있다.

본 발명에 의하면 발열하는 반도체 패키지의 상면에 반도체 패키지에서 발생한 열을 흡열하여 방열 휜으로 공급하고 방열 휜으로 전달된 열을 다시 냉각 팬에 의하여 다시 한번 냉각시킴으로 냉각 팬을 고속으로 회전시키지 않고도 반도체 패키지를 충분히 냉각시킬 수 있어 냉각 팬이 고속으로 회전될 때 발생하는 회전 소음을 예방함과 동시에 냉각 팬에 의하여 소모되는 소비 전력을 감소시킬 수 있고, 반도체 패키지가 고온으로 가열됨으로써 발생하는 성능 저하를 미연에 방지할 수 있다.

Description

냉각장치를 갖는 반도체 패키지

본 발명은 냉각장치를 갖는 반도체 패키지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 펠티어 효과(peltier effect)에 의하여 작동되는 펠티어 모듈의 흡열 영역을 반도체 패키지에 설치하여 반도체 패키지에서 발생한 열을 외부로 방열시키는 냉각장치를 갖는 반도체 패키지에 관한 것이다.

최근들어 급속한 발전을 거듭하고 있는 반도체 산업에 의하여 생산된 반도체 제품들은 전자·정보 산업에 폭넓게 응용되고 있다.

특히, 전자산업에 개발에 의하여 대중에 급속하게 보급되고 있는 개인용 컴퓨터 및 산업용으로 사용되는 산업용 컴퓨터에 가장 활발하게 응용됨과 동시에 그 개발이 진행중인 반도체 제품으로는 CPU 칩이 내장된 반도체 패키지가 대표적이다.

이와 같은 CPU 칩이 내장된 반도체 패키지는 고성능화에 비례하여 많은 열이 발생하기 때문에 열에 의한 처리속도 저하를 방지하기 위하여 CPU 칩이 내장된 반도체 패키지는 주로 열방출 효율이 뛰어난 세라믹 재질로 형성된 세라믹 핀 그리드 어레이 패키지(ceramic pin grid array package;이하, CPGA 패키지)로 패키징된다.

구체적으로, CPU 칩이 내장된 CPGA 패키지는 CPU 칩의 동작 주파수가 300㎒ 이상 고속으로 데이터의 전송 및 연산 처리를 수행할 때 CPU 칩에 의하여 소모되는 소비전력(consumption power)은 동작 주파수에 비례하여 증가하게 되는데, 일례로 고성능 CPU 칩의 동작 주파수가 600㎒∼800㎒ 이상일 때 CPU 칩의 소비 전력은 약 60watt∼100watt 정도가 된다.

이와 같은 소비전력의 증가에 따라서 그만큼 CPU 칩은 더욱 고온 상태가 되기 쉬워짐으로 인하여 도 1에 도시된 바와 같이 CPGA 패키지(10)에는 열전도율이 큰 방열 휜(fin;20)이 설치되고, 방열 휜(20)에는 방열 휜(20)의 냉각 성능을 증대시키는 냉각 팬(cooling pan;30)이 설치된다.

여기서, CPGA 패키지(10)에 탑재되는 CPU 칩(5)의 밑면은 접착제(5a)에 의하여 열전도율이 큰 재질이면서 절연성인 히트 슬러그(heat slug;7)에 접착되고, 히트 슬러그(7)는 다시 세라믹 재질로 형성된 세라믹 몰드프레임(3)에 부착된다.

이때, CPU 칩(5)의 상면에 형성된 본딩 패드(미도시)에는 도전성 와이어(6)의 일측 단부가 본딩되고, 타측 단부는 세라믹 몰드프레임(3)에 기 형성되어 있는 메탈 라인(미도시)에 본딩된다.

그러나, 종래 CPGA 패키지를 방열 휜과 냉각 팬에 의하여 냉각시킬 경우 도 2의 a 그래프(이때 수평축은 냉각 팬의 회전속도, 수직축은 CPGA 패키지의 온도)에 나타난 바와 같이 냉각 팬의 회전 속도가 점차 증가될수록 CPGA 패키지의 온도는 감소되지만, 냉각 팬에 의한 냉각 온도에는 한계가 있는 문제점이 있다.

더욱이 냉각 팬의 회전 속도를 점차 증가시킬수록 b 그래프(이때, 수평축은 냉각 팬의 회전속도, 수직축은 소음)에 나타난 바와 같이 냉각 팬의 회전 속도에 비례하여 소음은 커짐과 동시에, c 그래프(이때, 수평축은 냉각 팬의 회전속도, 수직축은 소비전력)에 나타난 바와 같이 소비전력이 증대되는 또다른 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래 문제점을 감안한 것으로써 본 발명의 목적은 냉각 온도의 한계를 없애고, 냉각 팬이 고속으로 회전하면서 발생하는 소음을 감소시킴과 동시에 과도한 소비전력을 감소시키면서도 반도체 패키지의 냉각 온도를 정확하게 설정할 수 있도록 함에 있다.

도 1은 종래 반도체 패키지와 냉각장치를 도시한 분해 사시도.

도 2는 종래 냉각장치를 갖는 반도체 패키지의 성능을 분석한 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 냉각장치를 갖는 반도체 패키지를 도시한 분해 사시도.

도 4는 도 3의 I-I' 단면도.

도 5는 도 3의 결합 사시도.

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 냉각장치를 갖는 반도체 패키지는 반도체 박막 기술에 의하여 생산된 반도체 패키지로부터 발생한 열을 제거하기 위하여 반도체 패키지에 펠티어 효과에 의하여 작동하는 펠티어 모듈을 설치함으로써 반도체 패키지에서 발생한 과도한 열은 손쉽고 정확하게 제어된다.

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 보다 구체적으로 펠티어 모듈의 상면에는 방열 휜이 설치된다.

구체적으로, 펠티어 모듈의 상면에 설치된 방열 휜의 상면에는 냉각 팬이 설치된다.

이하, 본 발명 냉각장치를 갖는 반도체 패키지를 첨부된 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 냉각장치를 갖는 반도체 패키지는 전체적으로 보아 반도체 패키지(200)와 냉각장치(300)로 구성된다.

본 발명에 적용된 반도체 패키지(200)는 일실시예로 CPU 칩(210)이 내장된 세라믹 핀 그리드 어레이 패키지(ceramic pin grid array package;CPGA 패키지)를 사용하기로 한다.

CPGA 패키지(200)는 세라믹 몰드 프레임(220), CPU 칩(210), 히트 슬러그(230)로 구성된다.

세라믹 몰드 프레임(220)은 직육면체 형상을 갖는 상부 세라믹 몰드 프레임(222), 하부 세라믹 몰드 프레임(224) 2 개가 겹쳐진 상태로 형성된다. 이와 같이 겹쳐진 상태로 형성된 세라믹 몰드 프레임(220)의 중앙에는 직육면체 형상으로 평면이 사각형인 관통공이 형성되는데, 하부 세라믹 몰드 프레임(224)의 관통공이 상부 세라믹 몰드 프레임(222)의 관통공보다 다소 크게 형성된다.

이때, 상부 세라믹 몰드 프레임(222)의 노출된 밑면에는 메탈 라인(미도시)이 형성되며, 하부 세라믹 몰드 프레임(224)의 밑면에는 메탈라인에 접속되며 인쇄회로기판(미도시)에 설치된 핀 소켓(미도시)에 결합되는 다수개의 입,출력 핀(226)이 정렬된 상태로 형성된다.

이와 같이 구성된 세라믹 몰드 프레임(220)의 상면에는 열전도율이 크면서 전기 절연성인 판 형상의 히트 슬러그(230)가 부착된다.

히트 슬러그(230)의 밑면에는 상부 세라믹 몰드 프레임(222)의 관통공을 통하여 CPU 칩(210)의 밑면이 부착된다.

즉, CPU 칩(210)은 세라믹 몰드 프레임(222)의 상면에 부착된 히트 슬러그(230)의 밑면에 CPU 칩(210)이 거꾸로 매달려 접착된 상태이다.

이 히트 슬러그(230)의 상면에는 냉각장치(300)가 부착된다.

냉각장치(300)는 전체적으로 보아 냉각 팬(310), 방열 휜(fin;320), 펠티어 효과에 의하여 작동되는 펠티어 모듈(330)로 구성된다.

앞서 설명한 CPGA 패키지(200)의 상면에 형성된 히트 슬러그(230)에는 펠티어 모듈(330)이 설치되고, 펠티어 모듈(330)의 상면에는 다시 방열 휜(320)이 설치되며 방열 휜(320)의 상면에는 냉각 팬(310)이 설치된다.

구체적으로 펠티어 모듈(330)은 도 4에 도시된 바와 같이 절연성으로 열전도율이 높은 상부 플레이트(331), 하부 플레이트(332), P형 반도체 소자(333) 및 N형 반도체 소자(334), 사각형 동판(338)과, 직류전원 공급선(335), 케이스(336) 및 CPGA 패키지(200)의 히트 슬러그(230)와 펠티어 모듈(330)의 케이스(336) 밑면을 고정시키는 고정나사(337)로 구성되어 있다. 고정나사(337)는 CPGA 패키지(200)와 펠티어 모듈(330)을 고정시키는 역할을 한다.

이들의 구성을 보다 상세하게 설명하면, 동판(338)의 밑면에는 일정 막대 형상을 갖고 서로 일정 간격 이격된 N형 반도체 소자(334)와 P형 반도체 소자(333)의 상면이 접합된다. 동판(338)의 밑면에 상면이 접합된 N 형 반도체 소자(334)의 밑면에는 다른 동판(338a)이 접착되고, P형 반도체 소자(333)의 밑면에도 별도로 마련된 동판(338b)이 접착된다.

이와 같이 Π 형상을 갖는 단위 펠티어 모듈(330a)은 상부 플레이트(331)와 하부 플레이트(332)의 사이에서 일정 패턴으로 복수개가 형성된다.

이와 같이 구성된 N 형 반도체 소자(334)에는 직류전원 공급선(335)중 (-)극에 해당하는 직류 전원 공급선이 연결되고, P 형 반도체 소자(333)에는 직류전원 공급선(335)중 (+)극에 해당하는 직류 전원 공급선이 연결된다. 이때, 직류전원 공급선(335)에는 전원공급단자(335a)가 설치된다.

이와 같이 구성된 펠티어 모듈(330)의 케이스(336)의 하부면은 CPGA 패키지(300)의 히트 슬러그(230)에 결합되고, 케이스(336)의 상부면은 방열 휜(320)에 부착되어 케이스(336) 내부에 위치한 하부 플레이트(332)는 CPGA 패키지(200)에서 발생한 열을 흡열하고, 케이스(336) 내부에 위치한 상부 플레이트(331)는 흡열된 열은 방열 휜(320)으로 방열한다.

이와 같은 역할을 하는 방열 휜(320)은 바람직하게, 알루미늄, 황동과 같이 열전도율이 높은 베이스 금속판(323)에 단위 면적당 방열 면적을 크게하는 수직판(325)이 복수개 형성된 형상이다.

이 방열 휜(320)의 상부에는 다시 냉각 팬(310)이 형성된다.

냉각 팬(310)은 전원 공급 단자(315)를 통하여 공급된 직류 전원에 의하여 작동되며 직류 전원이 냉각 팬(310)에 공급되면, 냉각 팬(310)은 회전하여 방열 휜(320)에 일정 유속을 갖는 공기를 공급한다. 이때 냉각 팬(310)은 직접적으로 CPGA 패키지(200)를 냉각시키지 않기 때문에 냉각 팬(310)의 회전속도는 과도한 소음이 발생하지 않는 범위 내에서 조정된다.

이와 같이 형성된 본 발명에 의한 냉각장치를 갖는 반도체 패키지의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 인쇄회로기판(미도시)과 핀 소켓(미도시)에 의하여 결합된 CPGA 패키지에 소정 직류 전원이 입력된 후 작동 주파수에 의하여 작동을 개시함과 동시에 직류 전원은 냉각 팬(310)과 펠티어 모듈(330)에도 동시에 인가된다.

이때, CPGA 패키지(200)의 CPU 칩(210)으로부터 발생한 열은 히트 슬러그(230)로 전달되고 펠티어 모듈(330)의 하부 플레이트(332)로는 히트 슬러그(230)에 전달된 열이 흡열되고, 펠티어 모듈(330)의 상부 플레이트(331)로는 흡열된 열이 방열 휜(320) 측으로 방열된다.

방열된 열은 방열 휜(320)에 의하여 냉각되는데, 이때 방열 휜(320)의 냉각 성능은 방열 휜(320)에 소정 유속을 갖는 공기를 공급하는 냉각 팬(310)에 의하여 더욱 증대되어 CPGA 패키지(200)는 일정 온도로 냉각된다.

본 발명에서는 바람직한 일실시예로 세라믹 핀 그리드 어레이 패키지에 펠티어 모듈과 방열 휜, 냉각 팬을 모두 설치한 것을 설명하고 있지만, 본 발명의 청구범위에 기재된 정신을 벗어나지 않는 범위에서 세라믹 핀 그리드 어레이 패키지 이외에도 작동될 때 고온의 열을 발생시키는 기타 여러 종류의 반도체 패키지에 적용하여도 무방할 것이며, 경우에 따라서는 반도체 패키지와 펠티어 모듈만을 사용하여도 반도체 패키지는 충분한 냉각됨은 자명한 것이다.

이상에서 상세하게 설명한 바와 같이 발열하는 반도체 패키지의 상면에 반도체 패키지에서 발생한 열을 흡열하여 방열 휜으로 공급하고 방열 휜으로 전달된 열을 다시 냉각 팬에 의하여 다시 한번 냉각시킴으로 냉각 팬을 고속으로 회전시키지 않고도 반도체 패키지를 충분히 냉각시킬 수 있어 냉각 팬이 고속으로 회전될 때 발생하는 회전 소음을 예방함과 동시에 냉각 팬에 의하여 소모되는 소비 전력을 감소시킬 수 있고, 반도체 패키지가 고온으로 가열됨으로써 발생하는 성능 저하를 미연에 방지할 수 있다.

Claims

반도체 패키지와;

상기 반도체 패키지의 소정 위치에 설치되며 상기 반도체 패키지와 접하는 일측면에서는 펠티어 효과에 의하여 상기 반도체 패키지로부터 발생한 열을 흡열하고 타측면으로는 상기 흡열된 열을 방출하는 펠티어 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치를 갖는 반도체 패키지.
제 1 항에 있어서, 상기 펠티어 모듈중 상기 반도체 패키지로부터 흡열된 열이 방열되는 부분에는 방열 모듈이 설치된 것을 특징으로 하는 냉각장치를 갖는 반도체 패키지.
제 1 항에 있어서, 상기 펠티어 모듈중 상기 반도체 패키지로부터 흡열된 열이 방열되는 부분에는 냉각 팬이 설치된 것을 특징으로 하는 냉각장치를 갖는 반도체 패키지.
제 1 항에 있어서, 상기 펠티어 모듈중 상기 반도체 패키지로부터 흡열된 열이 방열되는 부분에는 방열 모듈이 설치되고, 상기 방열 모듈에는 냉각 팬이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 냉각장치를 갖는 반도체 패키지.
제 1 항에 있어서, 상기 반도체 패키지와 상기 펠티어 모듈은 고정 나사에 의하여 고정되는 것을 특징으로 하는 냉각장치를 갖는 반도체 패키지.