KR20010069882A - 반도체 칩의 전열관식 냉각장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속으로 열을 확산시킬 수 있게 하는 반도체 칩의 전열관식 냉각장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치는, 반도체 칩을 냉각시키는 반도체 칩의 냉각장치에 있어서, 일측 외면이 반도체 칩과 접촉하고, 타측 외면이 냉각기와 조합되어, 내부에 밀폐된 중공부가 형성되는 본체와, 상기 중공부에 작동유체로서 수용되는 휘발성 액체 및 상기 본체의 반도체 칩측 내면에 고정되고, 상기 휘발성 액체의 기화를 돕는 다공성 물체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전열관의 원리를 반도체 칩의 열확산에 적용함으로써 빠른 열전달은 물론, 작은 면적의 반도체 칩에서 발생하는 열을 고속으로 넓은 면적의 냉각장치에 고루 전달하여, 고효율로 냉각시킬 수 있고, 반도체 칩과 통상의 수냉식 및 공냉식 냉각기와 일체형으로 설치되어 제작 및 설치를 용이하게 할 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Description

반도체 칩의 전열관식 냉각장치 및 이의 제조방법{The cooling apparatus of heat pipe type for a semiconductor chip and its manufacturing method}

본 발명은 반도체 칩의 전열관식 냉각장치 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고속으로 열을 확산시킬 수 있게 하는 반도체 칩의 전열관식 냉각장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 전열관(傳熱管, Heat Pipe)이란, 밀폐되고 진공이 형성된 파이프의 내부에 휘발성 액체를 넣은 것으로서, 파이프의 일측 끝에 열을 가열하면 액체는 끓어 증발하여 열에너지를 가지고 타측 끝으로 이동하고, 이동된 기체가 파이프의 타측 끝에서 방열하면서 응축되어 다시 액체가 되고 본래의 위치로 돌아오는 과정의 반복을 통해 열을 초고속으로 전달하는 열교환장치의 일종이다.

한편, 컴퓨터 반도체 칩 등을 냉각하기 위해 사용되는 종래의 냉각기는 발열하는 반도체 칩에 접촉되어, 발생하는 열을 금속 등으로 흡수하여 다시 이를 순환하는 냉각수나 공기 등으로 전달되도록 냉각하는 구성이었다.

그러나, 이러한 종래의 냉각방식은 냉각핀의 면적이 충분하여도 반도체 칩의 발열부위가 협소하여 금속과의 접촉면적이 너무 작기 때문에 발열부위에 발생하는 많은 양의 열이 냉각부위에 쉽게 전도되지 못하고, 냉각기의 냉각핀 중에서 특히 반도체 칩에 접촉하는 부위에서만 열이 집중적으로 발생하므로 발열부위 주위에 열전달의 병목현상이 발생하고, 이러한 열집중을 빠른 속도로 냉각핀에 골고루, 효과적으로 분산시킬 수 없기 때문에 냉각이 효과적으로 이루어질 수 없었다. 이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로 최근에 분리형 전열관이 노트북컴퓨터 등에 채택되기도 하나 이는 분리형이므로 구조가 복잡하여 가격이 상승하는 등의 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 전열관의 원리를 반도체 칩의 방열에 적용함으로써 좁은 반도체 칩에서 발생하는 열을 넓은 면적으로 빠르게 확산시켜 기존의 냉각장치들과 접목함으로써 방열의 효과를 극대화시키되 반도체 칩과 기존의 수냉 및 공냉식 냉각기 사이에 일체형으로 설치되게 하여 그 구조가 간단하므로 제조 및 설치가 용이한 전열관식 냉각장치 및 이의 제조 방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치(수평형)의 원리를 나타내는 개념도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 반도체 칩의 전열관식 냉각장치(수평형)가 수냉식 냉각기에 적용된 일례를 나타내는 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 반도체 칩의 전열관식 냉각장치(수평형)가 공냉식 냉각기에 적용된 일례를 나타내는 분해 사시도이다.

도 4는 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치(수직형)의 원리를 나타내는 개념도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 반도체 칩의 전열관식 냉각장치(수직형)가 수냉식 냉각기에 적용된 일례를 나타내는 분해 사시도이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 반도체 칩의 전열관식 냉각장치(수직형)가 공냉식 냉각기에 적용된 일례를 나타내는 분해 사시도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치는, 반도체 칩을 냉각시키는 반도체 칩의 냉각장치에 있어서, 일측 외면이 반도체 칩과 접촉하고, 타측 외면이 냉각기와 조합되어 내부에 밀폐된 중공부가 형성되는 본체와; 상기 중공부에 수용되는 휘발성 액체; 및 상기 본체의 반도체 칩측 내면에 고정되고, 상기 휘발성 액체의 기화를 돕는 다공성 물체; 등을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본체의 냉각기측 내면에는 요철이 형성되어, 응축된 상기 휘발성 액체가 전열면에 막(film)을 형성하지 못하게 함으로써 열전달을 촉진하며 동시에 상기 휘발성 액체가 모세관 현상에 의해 벽면을 따라 가열부인 반도체 칩으로 신속히 이동하도록 유도할 수 있다.

또한, 상기 본체는, 수평으로 누운 반도체 칩에 접촉 설치되고, 상기 다공성 물체가 상기 본체 내면의 중앙부에 형성되는 판 형상의 수평형 본체이거나 수직으로 세워진 반도체 칩에 접촉 설치되고, 상기 다공성 물체가 상기 본체의 내면 하부에 형성되는 판 형상의 수직형 본체인 것이 가능하다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치의 제조방법은, 일측 외면이 반도체 칩과 접촉하고, 타측 외면이 냉각기와 접촉하며, 내부에 밀폐된 중공부가 형성되는 본체와, 상기 중공부에 수용되는 휘발성 액체 및 상기 본체의 반도체 칩측 내면에 고정되어 상기 휘발성 액체의 기화를 돕는 다공성 물체를 구비하여 이루어지는 반도체 칩의 전열관식 냉각장치를 제조하는 방법에 있어서, 상기 본체의 냉각기측 접촉면이 개방되도록 제작하고, 상기 본체의 일측에 진공형성 및 휘발성액체를 주입하는 임시홀을 형성하며, 상기 냉각기의 반도체 칩측 표면에는 액화된 상기 휘발성 액체가 모세관 현상에 의해 발열부인 반도체 칩방향으로 이동하는 것을 돕도록 안내홈을 형성하는 부품별 제작단계와; 상기 본체의 개방된 냉각기측 접촉면과 상기 냉각기의 반도체 칩측 표면을 서로 브래이징(brazing)하여 접합하는 용접단계; 및 상기 임시홀을 통해 상기 본체의 중공부 내부에 진공압을 형성하며 휘발성 액체를 주입하고, 상기 임시홀을 밀봉하는 밀봉단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 반도체 칩의 전열관식 냉각장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치(수평형)의 원리를 설명하면, 반도체 칩(1)(예를 들어 컴퓨터의 C. P. U.)이 수평으로 누워있을 경우, 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치는, P. C. B. 상에 설치된 반도체 칩(1)과 수냉식 또는 공냉식 냉각기(2) 사이에 수평으로 설치된다.

이러한 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치는, 크게 본체(10)와, 휘발성 액체(20) 및 다공성 물체(30)로 이루어진다.

즉, 상기 본체(10)는, 상기 반도체 칩(1)에서 발생한 열이 상기 냉각기(2)방향으로 전달되도록 일측 외면이 반도체 칩(1)과 접촉하고, 타측 외면이 냉각기(2)와 접촉하며, 내부에 밀폐된 중공부(40)가 형성되는 얇은 판 형상이며, 상기 냉각기(2)와 일체형으로 형성된다.

이러한 상기 본체(10)의 재질은, 구리, 스테인레스강, 텅스텐, 알루미늄합금 등 열전도율이 우수한 금속재질이고, 그 내부의 중공부(40)에는 휘발성 액체(20)가 수용된다.

여기서, 이러한 휘발성 액체(20)는, 반도체 칩의 발열량과 발열조건에 따라 물, 아세톤, 알코올 및 이들의 조합 등을 최적으로 선택하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 다공성 물체(30)는, 상기 본체의 반도체 칩(1)측 내면에 고정되고, 상기 휘발성 액체(20)의 기화를 돕는 것으로서, 다공질 파이버나, 금속망과 같은 모양의 위크(wick)가 사용될 수 있다.

또한, 상기 본체(10)의 중공부(40)는 밀폐되었을 뿐만이 아니라 처음부터 휘발성 액체(20) 외에 응축 열전달을 저해하는 일체의 비응축성가스 등의 불순물이 존재하지 않도록 유지되는 것이 바람직하다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 중공부(40)에 수용된 휘발성 액체(20)는 중력에 의해 바닥에 고이고, 바닥에 고인 휘발성 액체(20)는 발열체인칩(1)으로부터 열을 받아 고온상태가 된 상기 다공성 물체(30)에 접하면서 기화열을 흡수하여 증발, 상승하게 되며, 상승한 기체는 천정면에 설치된 냉각장치에 열을 빼앗기고 차가워져서 다시 액화되는 동시에 중력에 의해 이동되어 바닥에 다시 고이게 되는 순환과정을 반복한다.

그러므로, 이러한 순환과정을 통해 작동유체의 응축부에서는 반도체 칩(1)의 열을 빠르게 냉각기(2)의 전열면에 골고루 전달하는 동시에, 작동유체의 증발부에서는 액체가 기체로 변하는 상변화 전열작용으로 통상의 금속의 열전도에 비해 빠른 냉각효과를 얻을 수 있는 것이다.

이러한, 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치(수평형)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 수냉식 열교환기(도면에서는 냉각수가 순환하는 수냉식 냉각판)를 갖는 냉각기(2a)에 적용되거나, 도 3에 도시된 바와 같이, 공냉식 열교환기(도면에서는 냉각팬에 의해 냉각되는 공냉식 냉각핀)를 갖는 냉각기(2b)에 적용되는 것이 모두 가능하다.

한편, 이러한 본 발명의 바람직한 반도체 칩의 전열관식 냉각장치의 제조방법은 매우 다양할 수 있으나 크게 부품별 제작단계와, 용접단계 및 밀봉단계로 이루어진다.

즉, 상시 부품별 제작단계는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상술된 상기 본체의 냉각기(2a)(2b)측 접촉면이 개방되도록 제작하고, 상기 본체(10)의 일측에 임시홀(50)을 형성하며, 상기 본체 내부의 반도체 칩(1)측 표면과 상기 냉각기(2a)(2b)의 상기 본체(10)측 표면에 안내홈(60)을 형성하는 단계이다.

여기서, 상기 냉각기(2a)(2b)의 본체 측에 형성된 요철은 응축된 액체가 막(film)을 형성하여 응축전열을 저해하는 것을 방지하며 특히 상기 본체(10)의 반도체 칩(1)측 내면의 요철은 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 응축된 액체가 신속히 반도체 칩방향으로 이동하도록 도울 수 있도록 충분히 미세한 틈을 갖는 방사형 안내홈(60)이 형성되는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 용접단계는, 상기 본체(10)의 개방된 냉각기(2a)(2b)측 접촉면과 상기 냉각기(2a)(2b)의 반도체 칩(1)측 표면을 서로 브래이징(brazing)하여 접합하는 단계이다.

이때, 상기 본체(10)의 접촉면과 상기 냉각기(2a)(2b)의 접촉면 사이에 용융점이 낮은 금속을 도포한 후, 전기로 등에 넣어 고온으로 접합시킴으로써 상기 본체(10) 내부에 도 1에 도시된 바와 같은 밀폐된 중공부(40)가 형성되도록 한다.

이어서, 상기 밀봉단계는, 상기 임시홀(50)을 통해 상기 본체(10)의 중공부에 진공펌프 등으로 내부에 진공압을 형성한 후 휘발성 액체(20)를 투입하고 상기 임시홀(50)을 압착 또는 접합하여 밀봉하는 단계이다.

한편, 본 발명의 기술적 사상은, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 본체(10)는 수평으로 누운 반도체 칩(1)에 접촉 설치되고, 상기 다공성 물체(30)가 상기 본체(10) 내면의 중앙부에 형성되는 판 형상의 수평형 본체만 적용되는 것이 아니라 이외에도, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 본체(10)가, 수직으로 세워진 반도체 칩(1)에 접촉 설치되고, 상기 다공성 물체(30)가 상기 본체(10)의 내면 하부에 형성되는 판 형상의 수직형 본체에 적용되는 것도 가능하다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 반도체 칩(1)(예를 들어 컴퓨터의 C. P. U.)이 수직으로 세워있을 경우, 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치는, P. C. B. 상에 설치된 반도체 칩(1)과 수냉식 또는 공냉식 냉각기(2) 사이에 수직으로 설치된다.

따라서, 상기 중공부(40)에 수용된 휘발성 액체(20)는 내면 하부에 고이고, 하부에 고인 휘발성 액체(20)는 고온부인 상기 다공성 물체(30)에 접하면서 기화열을 흡수하여 증발, 상승하게 되며, 상승한 기체는 상기 중공부의 상부로 이동하다가 냉각기(2)측 벽면에 접촉하면서, 차가워져서 다시 액화되는 동시에 중력 낙하되어 하부에 다시 고이게 되는 순환과정을 반복한다.

이러한, 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치(수직형)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 수냉식 열교환기(도면에서는 냉각수가 순환하는 수냉식 냉각판)를 갖는 냉각기(2a)에 적용되거나, 도 6에 도시된 바와 같이, 공냉식 열교환기(도면에서는 냉각팬에 의해 냉각되는 공냉식 냉각핀)를 갖는 냉각기(2b)에 적용되는 것이 모두 가능하다.

또한, 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 수직형으로 설치된 본체(10)의 냉각기(2a)(2b)측 내면과 반도체 칩(1)측 내면은, 액화된 상기 휘발성 액체가 모세관 현상에 의해 벽면을 따라 하부의 반도체 칩방향으로 이동하는 것을 돕도록 충분히 미세한 틈을 갖는 안내홈(60)이 수직으로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 도시하진 않았지만, 열전반도체를 이용하여 냉각용도로 사용되고 있는 펠티어(Peltier)소자가 상기 본체와 수냉 혹은 공랭식 냉각기 사이에 설치되는 것도 가능하다.

즉, 상기 펠티어소자의 흡열부가 상기 본체를 냉각하고, 상기 수냉 혹은 공랭식 냉각기가 상기 펠티어소자의 방열부를 냉각하는 방식도 가능하다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

예컨대, 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치는 방사형 및 수직형 안내홈에 국한되어 있으나 빗살무늬나 수평형 안내홈 등 다양한 형태의 홈이 형성될 수 있고, 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치의 제조방법은, 일측이 개방된 본체에 냉각판이나 냉각핀을 브래이징 용접하는 방법으로 국한되었으나 기타 다양한 접합방법으로 상기 본체에 밀폐된 중공부를 형성할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.

이상에서와 같이 본 발명의 반도체 칩의 전열관식 냉각장치 및 이의 제조방법에 의하면, 전열관의 원리를 반도체 칩의 방열에 적용함으로써 빠른 열전달은 물론, 반도체 칩에서 발생하는 열을 고속, 고효율로 냉각시키되, 반도체 칩과 기존의 수냉식 냉각기 및 공냉식 냉각기 사이에 일체형으로 설치되는 간단한 구조로서 제작과 설치가 용이하게 반도체 칩의 표면에 집중되는 열을 냉각기로 골고루 빠르게 확산시킬 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Claims (3)

1. 수직 또는 수평으로 설치된 반도체 칩을 냉각시키는 반도체 칩의 냉각장치에 있어서,

   일측 외면이 반도체 칩과 접촉하고, 타측 외면이 통상의 수냉식 혹은 공냉식 냉각기와 조합되어 그 사이에 작동유체(휘발성 액체)가 주입되는 밀폐된 중공부가 형성되는 일체형 본체를 갖는 반도체 칩의 전열관식 냉각장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 본체의 냉각기측 내면은, 기화된 상기 휘발성 액체가 모세관 현상에 의해 벽면을 따라 중심부에서 주변으로 이동하는 것을 돕도록 충분히 미세한 틈을 갖는 안내홈이 형성되고, 상기 본체의 반도체 칩측 내면은, 다공성 물체가 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 전열관식 냉각장치.
3. 일측 외면이 반도체 칩과 접촉하고, 타측 외면이 냉각기와 접촉하며, 내부에 밀폐된 중공부가 형성되는 본체와, 상기 중공부에 수용되는 휘발성 액체 및 상기 본체의 반도체 칩측 내면에 고정되고, 상기 휘발성 액체의 기화를 돕도록 다공성 물체를 구비하여 이루어지는 반도체 칩의 전열관식 냉각장치를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 본체의 냉각기측 접촉면이 개방되도록 제작하고, 상기 본체의 일측에 임시홀을 형성하며, 상기 냉각기의 반도체 칩측 표면에 액화된 상기 휘발성 액체가모세관 현상에 의해 벽면을 따라 반도체 칩방향으로 이동하는 것을 돕도록 충분히 미세한 틈을 갖는 안내홈을 형성하는 부품별 제작단계;

   상기 본체의 개방된 냉각기측 접촉면과 상기 냉각기의 반도체 칩측 표면을 서로 브래이징(brazing)하여 접합하는 용접단계; 및

   상기 임시홀을 통해 상기 본체의 중공부에 진공압을 형성한 후 휘발성 액체를 주입하고 상기 임시홀을 밀봉하는 밀봉단계;

   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 칩의 일체형 전열관식 냉각장치.