KR20010073835A

KR20010073835A - Chip cooling apparatus

Info

Publication number: KR20010073835A
Application number: KR1020000002973A
Authority: KR
Inventors: 김성훈
Original assignee: 김성훈; 김상렬; 학교법인 계명기독학원
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2001-08-03

Abstract

PURPOSE: A chip cooling apparatus is provided to efficiently cool a substrate by forming a slot as a passageway on a predetermined position of the substrate and decreasing temperature of the substrate on which chips are installed. CONSTITUTION: Chips are regularly arranged on a substrate and a fan is installed for air circulation. Chips ranging from tens to tens of thousands are installed on electronic appliances, computers, etc. The chips are fixedly installed on a substrate(10) which is generally a printed circuit board(PCB). The plural substrates are horizontally or vertically arranged on an inside of a product. Slots(30,32,34) are formed on the substrate to prevent temperature from being increased due to thermal energy generated from the chips. The thermal energy is generated according to signal process of the chips. Since the slots are formed on the predetermined positions of the substrate, air circulation is enhanced, thereby cooling the chips down. The slots are formed on one or more of a front surface part, a rear surface part, and a part between chips.

Description

Chip Cooler {CHIP COOLING APPARATUS}

본 발명은 전자부품의 내부회로에 장착되는 반도체 칩에서 발생하게 되는 열에너지를 냉각시키기 위한 장치로써, 상기 칩이 고정 설치되는 기판의 소정 위치에슬롯을 형성함으로써 칩의 냉각을 효율적으로 실행할 수 있는 칩 냉각장치에 관한 것이다.The present invention is a device for cooling the thermal energy generated in the semiconductor chip mounted on the internal circuit of the electronic component, a chip capable of efficiently cooling the chip by forming a slot at a predetermined position of the substrate where the chip is fixed It relates to a cooling device.

최근에는 전자산업의 눈부신 발전과 더불어 전자 제품의 무게나 크기 및 부피를 감소시키기 위한 요구가 계속되고 있으며, 이를 위해서 전자 제품에 내장되는 반도체 칩을 장착한 기판에서 전자부품의 고밀도화가 필수적이다. 따라서, 칩의 고밀도화나 기판의 칩 배열의 고밀도화는 칩 자체나 이를 배열한 기판 전체의 온도 상승을 필수적으로 초래하게 된다. 이때 온도의 상승은 칩이나 기판의 안정적인 기능에 영향을 미칠 뿐 아니라, 전자 부품의 신뢰성에 극단적인 성능의 감소를 초래하므로, 온도가 상승하는 것을 억제하여 적정 온도를 유지토록 하는 것이 매우 중요하다.Recently, with the remarkable development of the electronics industry, there is a demand for reducing the weight, size, and volume of electronic products. For this purpose, it is essential to increase the density of electronic components in a board equipped with semiconductor chips embedded in electronic products. Therefore, densification of the chip or densification of the chip arrangement of the substrate necessarily leads to an increase in the temperature of the chip itself or the entire substrate on which the arrangement is made. In this case, the increase in temperature not only affects the stable function of the chip or the substrate, but also causes an extreme decrease in the reliability of the electronic component. Therefore, it is very important to suppress the increase in temperature and maintain the proper temperature.

지금까지 칩이 장착된 기판의 온도를 적절하게 유지하기 위한 가장 안정적인 냉각 방법은, 공기를 강제로 또는 자연적으로 흐르게 하여 냉각시키는 공기냉각 방식이다. 상기와 같은 방법은 공기를 보내기 위해서 팬이 장착되거나 기판을 수직으로 장착하여 자연대류의 활용을 증가시키는 수동적인 방법을 사용해 왔다.Until now, the most stable cooling method for properly maintaining the temperature of the substrate on which the chip is mounted is an air cooling method in which air is forcedly or naturally flowed and cooled. Such methods have used passive methods to increase the utilization of natural convection by mounting a fan or mounting a substrate vertically to deliver air.

그러나 좀 더 효율적인 냉각 방법으로는 기판에 장애물을 장착하여 난류 성분을 증가시켜 냉각 효과를 크게 하는 방법과, 기판 사이에 실린더를 삽입하여 유동을 불안정하게 하여 칩을 냉각시키는 방법, 공기 유동 자체를 일정하게 하는 대신에 주기적으로 강/약의 세기를 조절하여 냉각시키는 방법, 칩 사이에 다공질을 장착하여 냉각효과를 증대시키는 방법 등이 있다.However, more efficient cooling methods include mounting obstacles on the substrate to increase turbulent components to increase the cooling effect, inserting cylinders between the substrates to cool the chips by unstable flow, and air flow itself. Instead of cooling, there is a method of cooling by controlling the strength of the strong and weak periodically, and a method of increasing the cooling effect by installing a porous material between chips.

상기에서 언급한 방법들은 모두 냉각 효과의 증대는 가져올 수 있을지 몰라도 냉각효과 증대를 위해 기판 사이에 팬을 장착하게 되면 팬에 의해 압력강하가 증대되면서 팬의 구동력이 상승되고, 그에 따라 발생하는 소음과 팬을 구동하기 위한 소비전력이 증가하는 문제점이 있다.The above mentioned methods may all increase the cooling effect, but when the fan is mounted between the substrates to increase the cooling effect, the pressure drop is increased by the fan, and the driving force of the fan is increased. There is a problem that power consumption for driving the fan increases.

또한, 칩 사이에 다공질을 장착하는 방법은, 기판의 칩 사이에 가는 철사로 제작된 다공질을 삽입하는 것으로서, 냉각효과는 증대되나 압력강하의 증대를 초래하는 것은 물론 제작시 추가의 공정이 요구되며 칩을 손상시킬 우려가 있다.In addition, the method of mounting the porous between the chips is to insert a porous made of fine wire between the chips of the substrate, the cooling effect is increased, but the pressure drop is increased as well as an additional process is required during manufacturing. It may damage the chip.

상기에서 기술한 방법들은 팬의 구동력 증대 및/또는 그에 따라 발생하는 압력강하의 증대 등과 같은 공통적인 문제점이 있다.The methods described above have common problems, such as increasing the driving force of the fan and / or increasing the resulting pressure drop.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 칩이 장착된 기판의 온도를 하강시키기 위해 기판의 소정위치에 공기의 이동통로인 슬롯을 형성함으로써 기판을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 칩 냉각장치를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to efficiently cool the substrate by forming a slot which is a movement passage of air in a predetermined position of the substrate to lower the temperature of the substrate on which the chip is mounted To provide a chip cooling device that can be.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예는, 다수의 칩이 고정 설치되는 기판에서 상기 칩 내부회로의 신호처리에 따라 발생되는 열에너지를 냉각시키는 장치에 있어서, 상기 기판에 소정의 슬롯을 형성시킴으로써 공기의 유동을 증가시켜 칩을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an embodiment of the present invention provides a device for cooling thermal energy generated by signal processing of an internal circuit of a chip on a substrate on which a plurality of chips are fixed, and a predetermined slot is provided on the substrate. Forming increases the flow of air to cool the chip.

도 1은 본 발명에 따른 칩 냉각장치의 전체 구성도1 is an overall configuration diagram of a chip cooling apparatus according to the present invention

도 2는 도 1의 정면도FIG. 2 is a front view of FIG. 1

도 3은 도 2의 일부 상세도3 is a partial detailed view of FIG.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰계수의 변화를 나타낸 도면4 is a view showing a change in the friction coefficient according to an embodiment of the present invention

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 칩 표면의 온도변화를 나타낸 도면5 is a view showing a temperature change of the surface of the chip according to an embodiment of the present invention

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 칩의 최대온도 분포를 나타낸 도면6 is a view showing a maximum temperature distribution of a chip according to an embodiment of the present invention.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10 : 기판 20, 22, 24 : 반도체 칩10: substrate 20, 22, 24: semiconductor chip

30, 32, 34, 36 : 슬롯(slot)30, 32, 34, 36: slot

w : 칩의 폭 h : 칩의 두께w: width of chip h: thickness of chip

e : 슬롯의 폭 d : 기판과 기판사이의 거리e: width of slot d: distance between substrate

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

칩은 내부에 특정 신호에 따라 동작을 수행하는 회로가 형성되어 있으며, 일반적으로 전기에너지로써 신호처리가 진행되며 이때 전기에너지가 열에너지로 일부 변환되게 된다. 따라서 상기에서 발생되는 열에너지로 인해 칩과 상기 칩이 고정 설치되는 기판의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위하여 온도의 적정수준을 유지하기 위해 냉각 장치가 필요하다.The chip has a circuit for performing an operation according to a specific signal therein, and generally, signal processing is performed as electric energy, at which time the electric energy is partially converted into thermal energy. Therefore, in order to prevent the temperature of the chip and the substrate on which the chip is fixedly installed due to the heat energy generated above, a cooling device is required to maintain an appropriate level of temperature.

도 1과 도 2, 도 3은 본 발명에 따른 칩 냉각장치의 전체 구성도와 정면도 및 일부분을 상세히 나타낸 도면을 도시한다. 여기서, 칩은 기판에 일정하게 배열되어 있고, 공기의 유동을 위해 팬이 설치되어 있다고 가정한다.1, 2, and 3 show an overall configuration diagram, a front view, and a part of a chip cooling apparatus according to the present invention in detail. Here, it is assumed that the chips are constantly arranged on the substrate, and a fan is installed for the flow of air.

이를 참조하면, 일반 전자제품 및 컴퓨터 등에는 수십개에서 수만개에 이르는 칩(20, 22, 24)이 장착되게 된다. 상기 칩들은 각각 기판(일반적으로 PCB:printed circuit board 가 상용된다)(10)에 고정 설치되며, 상기 기판은 제품의 내부에서 복수개가 상하 또는 좌우로 배열된다. 또한, 상기 칩으로부터 발생되는 열에너지로 인한 온도 상승을 억제하기 위해 기판에 칩과 다른 부품외의 공간에 슬롯(30, 32, 34)을 형성시키게 된다.Referring to this, in general electronic products and computers, dozens to tens of thousands of chips 20, 22, and 24 are mounted. Each of the chips is fixedly installed on a substrate (generally, a printed circuit board (PCB)) 10, and a plurality of the substrates are arranged upside down or left and right inside the product. In addition, in order to suppress the temperature rise due to the thermal energy generated from the chip, slots 30, 32, and 34 are formed in a space other than the chip and other components on the substrate.

상기 슬롯은 칩의 전면 및/또는 후면 및/또는 칩과 칩의 사이에 형성될 수 있으며, 아래에서 설명할 도 4, 도 5, 도 6은 슬롯의 크기와 위치에 따른 마찰계수 및 칩 표면의 온도변화와 최대온도의 분포를 나타낸다. 또한, 상기 도면에 도시된 'Re'는 공기의 속도를 나타낸다.The slot may be formed in the front and / or rear of the chip and / or between the chip and the chip, Figures 4, 5, and 6 to be described below is a friction coefficient and the chip surface according to the size and position of the slot It shows the distribution of temperature change and maximum temperature. In addition, 'Re' shown in the drawing represents the speed of air.

도 4는 슬롯이 형성되지 않은 경우(no slot)와, 슬롯이 칩의 전면부에 형성되어 있는 경우(case1)와, 칩과 칩사이에 형성되어 있는 경우(case2) 및 후면부에형성되어 있는 경우(case3)를 각각 나타내며 (a)와 (b)는 슬롯의 폭에 따른 마찰계수의 변화를 나타내고 있다. 또한, (c)와 (d)는 상기 (a)와 (b)의 칩의 두께가 2배일 경우의 마찰계수의 변화를 나타낸다.4 shows a case in which no slot is formed (no slot), a case in which the slot is formed in the front part of the chip (case1), a case formed in the chip and the chip (case2), and a case formed in the rear part. (case 3) is shown, and (a) and (b) show the change of the friction coefficient according to the width of the slot. In addition, (c) and (d) show the change of the friction coefficient when the thickness of the chip of (a) and (b) is 2 times.

이때, 상기 (a), (b), (c), (d)의 그래프상에서 볼 때 슬롯이 있을 경우와 슬롯이 특정 부분에 있을 경우의 마찰계수의 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 즉, 팬의 구동력은 슬롯의 유무에 따라 큰 차이가 없으며, 슬롯의 크기나 위치를 변경하여도 마찰계수에는 변화가 거의 없음을 도출해 낼 수 있다.At this time, it can be seen from the graphs of (a), (b), (c) and (d) that there is almost no change in the coefficient of friction when there is a slot and when the slot is in a specific part. That is, the driving force of the fan does not have a large difference depending on the presence or absence of the slot, and even if the size or position of the slot is changed, the friction coefficient can be derived little.

도 5와 도 6을 통해 슬롯이 없을 경우와 슬롯이 형성되어 있을 때 그 위치에 따른 칩 표면의 온도 변화와 칩에서 나타나는 최대온도의 분포를 알 수 있다. 슬롯이 형성되어 있을 때 온도 상승 곡선과 칩의 최대온도는 슬롯이 없는 경우에 비해 매우 작아지며 슬롯의 전면부와 후면부에서 그 효과가 잘 나타남을 알 수 있다.5 and 6 show the variation of the temperature of the chip surface and the maximum temperature appearing on the chip according to its position when there is no slot and when the slot is formed. When the slot is formed, the temperature rise curve and the maximum temperature of the chip are very small compared to the case without the slot, and the effect is shown well in the front and rear of the slot.

도 5의 (a), (c), (e)는 공기의 속도 Re=100 인 경우이고, (b), (d), (f)는 Re=1000인 경우를 나타낸다.(A), (c) and (e) of FIG. 5 show the case where the air speed Re = 100, and (b), (d) and (f) show the case where Re = 1000.

도 6의 (a)와 (b), (c)와 (d)는 슬롯의 폭을 변경했을 때의 변화를 나타내며, 슬롯이 칩의 최대온도에 미치는 영향은 슬롯이 클수록, 칩의 전면부에 위치할수록, 공기의 속도가 작을수록 그 효과가 증대된다.(A), (b), (c) and (d) of FIG. 6 show changes when the width of the slot is changed, and the effect that the slot has on the maximum temperature of the chip is larger as the slot is larger. As it is located, the smaller the speed of the air, the greater the effect.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and changes can be made by those skilled in the art, which are included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 칩이 고정 설치되는 기판의 소정 위치에 슬롯을 형성시킴으로써 상기 슬롯을 통해 공기의 활동을 증가시키며, 다른 부품을 추가하지 않으므로 제작시 별다른 어려움이 없고 팬의 구동력 증대에 따라 나타나는 압력강하 현상도 방지할 수 있는 이점이 있다.As described above, the present invention increases the activity of air through the slot by forming a slot at a predetermined position of the substrate on which the chip is fixed, and does not add any other parts, so there is no difficulty in manufacturing and increase the driving force of the fan. There is an advantage that can also prevent the pressure drop phenomenon appears.

특히, 칩과 칩 사이의 공간은 그 공간이 매우 작아 공기의 유동이 거의 없었으나, 그 공간에 슬롯을 형성함으로써 칩과 칩 사이의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.In particular, the space between the chip and the chip is very small, there is little air flow, but by forming a slot in the space there is an advantage that can prevent the temperature rises rapidly between the chip and the chip.

Claims

An apparatus for cooling thermal energy generated by signal processing of an internal circuit of a chip in a board on which a plurality of chips are fixedly installed,

And forming a predetermined slot in the substrate to increase the flow of air to cool the chip.

The method of claim 1,

The slot is a chip cooling device, characterized in that formed in any one or more of the front portion, the rear portion and the chip and the chip of the chip.

The method of claim 1,

The slot is a chip cooling device, characterized in that formed in the front of the chip.