KR20070040835A - A cooling system for electronic substrates - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열 전달 유체(4, 10)를 포함하는 전자 기판용 냉각 시스템에 관한 것이다. 열 전달 유체(4, 10)는 모세관력에 의해 경로(5, 11, 12)를 따라 흐르도록 구성된다.The present invention relates to a cooling system for an electronic substrate comprising a heat transfer fluid (4, 10). The heat transfer fluids 4, 10 are configured to flow along the paths 5, 11, 12 by capillary forces.
열 전달 유체, 냉각 시스템, 전자 회로 Heat transfer fluid, cooling system, electronic circuit
Description
본 발명은 열 전달 유체를 포함하는 전자 기판용 냉각 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling system for an electronic substrate comprising a heat transfer fluid.
부품 온도 및 온도 변화율 제어는 전자 회로 등의 전자 제품의 신뢰성 및 성공적인 운용에 필수적이다. 고열 제거를 계속적으로 필요로 하는 소비자 제품이 소형화될수록, 열 관리가 중요한 역할을 할 것이다. 그러므로, 시장의 수요에 대처하기 위한 새로운 냉각 방법이 필요하다. 부품 소형화 경향으로 인해 전력 밀도가 증가하게 되므로, 예를 들면, 팬(fan)에 의한 순수 복사(pure radiation) 또는 대류 냉각보다 더 정교한 냉각 방법이 요구된다. 잡음과 신뢰성과 같은 중요한 양태는 팬 냉각의 이용을 제한한다. 따라서, 향상된 냉각 방법이 필요하다.Component temperature and temperature rate control are essential for the reliable and successful operation of electronic products such as electronic circuits. As consumer products continue to require high heat removal, thermal management will play an important role. Therefore, a new cooling method is needed to cope with the market demand. The tendency of component miniaturization leads to an increase in power density, requiring a more sophisticated cooling method than for example pure radiation or convective cooling by a fan. Important aspects such as noise and reliability limit the use of fan cooling. Thus, there is a need for an improved cooling method.
액체 냉각은 휴대용 컴퓨터, 즉, 랩탑에 이미 이용되는 방법이다. 냉각을 필요로 하는 특정 응용은 고체 조명이다. 백광 또는 색 제어 고체 조명은 멀티칩 모듈의 사용을 요구하는데 여기에서 몇몇의 LED가 광 포인트 소스를 정의하기 위해 서로 매우 근접하게 위치한다. 이 설계는 실리콘 서브마운트(submount)의 전력 밀도를 100 W/㎠ 정도로 높아지게 한다. 액체의 열 전도성 및 열 용량이 공기보다 (10 내지 1000배만큼) 더 높기 때문에 액체는 공기보다 훨씬 좋은 열 전달 매체이 다. 강제 순환식 초소형 채널 액체 냉각은 이 산업계(금속 초소형 채널 구조) 및 산업연구(실리콘 초소형 채널 장치)에서 매우 효율적이라고 증명되었다. 이 기술에서 주된 불편한점은 채널 전반에 걸쳐 펌프에 의해 액체를 펌핑하므로, 소형화되고 집적화된 소비자 제품 및 가전 제품에 덜 적합하게 된다는 것이다.Liquid cooling is a method already used in portable computers, ie laptops. A particular application requiring cooling is solid state lighting. White light or color controlled solid state lighting requires the use of multichip modules, where several LEDs are placed very close to each other to define the light point source. This design increases the power density of the silicon submount to as high as 100 W /
O'Connor 등은 US 2002/0039280 A1에서 펌프를 이용한 냉각 시스템의 일례를 개시한다. O'Connor 등에 의한 발명은 컴퓨터 등의 장치 내부의 전자 부품을 냉각시키기 위한 초소형의 유체 열 교환 시스템에 관한 것이다. 열 교환 장치는 대체로 열을 발생시키는 전자 부품과 계면 접촉을 하고 열 교환 구역에 내부 동작 유체(operating fluid)를 제공한다. 동작 유체는 부품 온도보다 낮은 제1 유체 온도로 열 교환 구역으로 흐른 다음, 제1 유체 온도보다 높은 제2 유체 온도로 이 구역을 빠져나간다.O'Connor et al. Disclose an example of a cooling system using a pump in US 2002/0039280 A1. The invention by O'Connor et al. Relates to a compact fluid heat exchange system for cooling electronic components inside devices such as computers. Heat exchange devices are generally in interfacial contact with heat generating electronic components and provide an internal operating fluid to the heat exchange zone. The working fluid flows into the heat exchange zone at a first fluid temperature lower than the part temperature and then exits this zone at a second fluid temperature higher than the first fluid temperature.
본 발명의 목적은 펌프를 이용하지 않는 전자 부품용 냉각 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 청구항 제1항에 따른 냉각 시스템에 의해 달성된다. 종속 청구항들에서는 바람직한 실시예들이 나타나있다.It is an object of the present invention to provide a cooling system for electronic components that does not use a pump. The object of the invention is achieved by a cooling system according to
본 발명에 따르면, 전자 기판용 냉각 시스템은 열 전달 유체를 포함하고, 상기 열 전달 유체는 모세관력에 의해 경로를 따라 흐르도록 구성된다. 따라서, 이 냉각 시스템은 열 전달 유체로부터 분리된 이동부를 가지지 않으며, 전력 소모가 비교적 낮다는 이점이 있다. 이는 신뢰성, 융통성을 증진시키며, 기계적인 펌프 또는 압전구동 펌프를 필요로 하는 시스템 보다 강건한 구조를 이룬다.According to the present invention, a cooling system for an electronic substrate comprises a heat transfer fluid, said heat transfer fluid being configured to flow along the path by capillary forces. Therefore, this cooling system does not have a moving part separated from the heat transfer fluid, and has the advantage that the power consumption is relatively low. This enhances reliability and flexibility, and makes the construction more robust than systems requiring mechanical pumps or piezoelectric drive pumps.
본 발명의 필수적인 특징은 칩 서브마운트 등의 전자 부품의 집적화되고 소형의 냉각을 달성하기 위하여 초소형의 규모의 유체 이동 기술을 사용하는 것이다.An essential feature of the present invention is the use of microscale fluid transfer technology to achieve integrated and compact cooling of electronic components such as chip submounts.
이 기술의 이해를 용이하게 하기 위해 온도 저하가 90℃인 100W/㎠를 방산하는 것이 바람직한 일례가 이용되었다. 한쌍의 평행판을 통과하는 물의 속도에 대한 추정치는 다음과 같다. 시스템의 열 플럭스는 으로 구하는데 여기에서 k는 물의 열 전도율(0.628 Wm-1K-1)이고, D는 수력 직경(10-3m)이고, 로 구해지는 Nu는 너셀수(Nusselt number)인데, 여기에서 Re는 로 구해지는 레이놀드수(Reynolds number)이며 Pr은 로 구해지는 프란틀수(Prandtl number)이다. 이고, 이다.In order to facilitate understanding of this technique, an example in which it is desirable to dissipate 100 W /
는 단면적에 따라서, 10 내지 100 ㎕/s 정도의 부피 흐름을 제공하는 1m/s정도로 추정된다. Is estimated to be on the order of 1 m / s, providing a volume flow on the order of 10 to 100 μl / s, depending on the cross-sectional area.
본 발명의 바람직한 실시예에서 본 발명의 시스템은 열 전달 유체에 전압을 인가하여 열 전달 유체의 표면 장력을 변경하도록 구성된 전극을 더 포함한다. 일렉트로웨팅(electroweting)의 원리는 일련의 작은 방울(droplet)로 수백의 ㎕/s를 움직일 수 있게 한다. 약간 다른 방식으로 말하자면, 에너지 수송율 P(J/s)는 로 구하여지는데, 여기서 는 열원을 지나는 유체의 부피 흐름 속도이다. 이고 라면 흐름 속도는 가 될 것이다. 일렉트로웨팅은 정전하에 의한 표면 장력의 변경을 수반하므로, 유체/유체 메니스커스(meniscus)를 이동시킨다. 이 이동은 적어도 2개의 서로 다른 방식, 즉 (i) 하나 또는 몇몇의 채널 또는 슬릿에서 유체/유체 메니스커스를 구동함으로써, 또는 (ii) 표면 상에 작은 방울을 수송함으로써 제공될 수 있다.In a preferred embodiment of the invention the system of the invention further comprises an electrode configured to apply a voltage to the heat transfer fluid to change the surface tension of the heat transfer fluid. The principle of electroweting makes it possible to move hundreds of μl / s into a series of droplets. In a slightly different way, the energy transport rate P (J / s) Is obtained from where Is the volumetric flow rate of the fluid through the heat source. ego Ramen flow rate is Will be. Electrowetting involves the change of surface tension due to electrostatic charge, thus moving the fluid / fluid meniscus. This movement can be provided by at least two different ways, i.
일렉트로웨팅에 의해 설명되는 최대 메니스커스 속도는 0.1m/s이거나 이보다 약간 높다. 일렉트로웨팅에 의해 생성될 수 있는 최대 압력 모듈레이션은 로 구하는데, 여기서 는 메니스커스의 곡률 R과 표면 장력의 변경치이다. 은 0.1 N/m 정도일 수 있다. 100㎛ 곡률에 대하여, 최대 압력은 약 2000 Pa이다.The maximum meniscus speed described by the electrowetting is 0.1 m / s or slightly higher. The maximum pressure modulation that can be produced by electrowetting is Where you get Is the change in the curvature R of the meniscus and the surface tension. May be about 0.1 N / m. For a 100 μm curvature, the maximum pressure is about 2000 Pa.
일렉트로웨팅 장치의 배향 자유도를 보장하기 위하여, 시스템에서의 중력적인 압력 하강은 일렉트로웨팅 압력의 최대 모듈레이션 보다 낮아져야 한다. 중력적인 압력 하강은 과 같으며 여기서 L은 투사된 길이이다. 유사한 매스 밀도를 가지는 유체를 이용함으로써, 유체들 중 하나의 열(column) 높이를 최소화함으로써, 균형잡힌 기하학적 도형을 이용함으로써 최대 배향 자유도를 보장할 수 있다.In order to ensure the orientation freedom of the electrowetting device, the gravity pressure drop in the system must be lower than the maximum modulation of the electrowetting pressure. Gravity pressure drop Where L is the projected length. By using a fluid having a similar mass density, minimizing the column height of one of the fluids, it is possible to ensure maximum orientation freedom by using a balanced geometry.
0.1 m/s인 흐름 속도는 길이가 2 cm이고 직경이 300 ㎛인 채널에 도달될 수 있다고 알려져 있다. 이는 초소형 채널 당 7㎕/s의 부피의 흐름 속도를 제공한다. 다시 말하면, 약 20개의 초소형 채널을 가지는 구동-구동형(actuated-actuated) 시스템에서는 140 ㎕/s의 부피의 흐름 속도를 얻을 수 있다.It is known that a flow rate of 0.1 m / s can reach channels of 2 cm in length and 300 μm in diameter. This gives a flow rate of 7 μl / s volume per microchannel. In other words, a flow rate of 140 μl / s can be achieved in an actuated-actuated system with about 20 microchannels.
적어도 하나의 초소형 채널이 열 전달 유체 저장소에 접속되는 것이 바람직하다. 열원 주변에 배치된 유체 저장소 및 이들 저장소의 적절한 열 싱킹(sinking)을 이용하면, 열이 효과적으로 제거된다.Preferably at least one microchannel is connected to the heat transfer fluid reservoir. With the use of fluid reservoirs disposed around heat sources and proper heat sinking of these reservoirs, heat is effectively removed.
본 발명의 일 실시예에서 전극은 가열 영역 외부에 위치한다. 구동-구동형 흐름은 장치에서의 집중된 가열 영역으로부터 확장된 냉각 영역으로의 에너지 전달을 발생시킨다. 구동되는 전극은 가열 영역 외부에 위치되는 것이 바람직한데, 이는 장치의 수명을 늘릴 것이기 때문이다. 또한, 유체 시스템은 순환식 시스템인 것이 바람직하다. 이는 유체의 증발 및 누설에 대한 위험성을 감소시킬 것이다.In one embodiment of the invention the electrode is located outside the heating zone. Drive-driven flow generates energy transfer from the concentrated heating zones in the device to the extended cooling zones. The driven electrode is preferably located outside the heating zone, since it will increase the life of the device. In addition, the fluid system is preferably a circulating system. This will reduce the risk for fluid evaporation and leakage.
다른 실시예에서, 냉각 시스템은, 예를 들면, 공기/물, 물/기름, 등과 같은 서로 다른 전기 전도성을 가지는 2개의 혼합할 수 없는 유체를 포함한다. 구동-구동형은 전극이 유체/유체 메니스커스 근처에 존재하는 것을 요구한다. 절연층으로 코팅된 전극은 일반적으로 금속의 컨덕턴스를 가지는 재료로 구성된다. 절연 코팅은 예를 들면, 1 ㎛ - 10 ㎛의 파릴렌, 또는 10 nm - 1 ㎛의 불소중합체층, 또는 이러한 층들의 조합일 수 있다.In other embodiments, the cooling system includes two immiscible fluids having different electrical conductivity, such as, for example, air / water, water / oil, and the like. The drive-drive type requires that the electrode be near the fluid / fluid meniscus. Electrodes coated with an insulating layer generally consist of a material having a metal conductance. The insulating coating can be, for example, parylene of 1 μm-10 μm, or a fluoropolymer layer of 10 nm-1 μm, or a combination of these layers.
서로 다른 초소형 채널은 서로 정수적으로(hydrostatically) 분리될 수 있거나, 특정 정션(junction) 또는 채널(예를 들면, 일반 채널 또는 저장소)에 결합될 수 있다. 소정 유형의 유체가 제2 유형의 유체에 대한 저장소에 들어가는 것을 방지하기 위해 초소형 채널에 메니스커스들의 무결성을 보장함을 유의한다.Different microchannels may be hydrostatically separated from each other, or may be coupled to a specific junction or channel (eg, a regular channel or reservoir). Note that the integrity of the meniscus in the microchannel is prevented to prevent any type of fluid from entering the reservoir for the second type of fluid.
또 다른 실시예에서 본 발명의 시스템은 유체가 양방향으로 구동되도록 구성된다. 유체 흐름은 단방향 또는 양방향일 수 있다. 바람직하게는, 유체는 양방향으로 구동되어, 가열 영역으로의 유체 접촉이 오직 하나의 유형의 유체로 제한될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이는 장치의 수명을 연장시킬 것이다. 양방향 흐름은 열 전달 유체의 흐름을 주고 받게 할 맥동 전압을 인가함으로써 이루어진다.In another embodiment, the system of the present invention is configured such that the fluid is driven in both directions. Fluid flow may be unidirectional or bidirectional. Preferably, the fluid is preferably driven in both directions so that fluid contact to the heating zone can be limited to only one type of fluid. This will extend the life of the device. Bi-directional flow is achieved by applying a pulsating voltage to send and receive the flow of heat transfer fluid.
냉각될 장치 상에서의 온도 변화율을 줄이기 위해 본 발명의 시스템은 역류(counter flow) 관계로 배치된 2 세트의 초소형 채널을 포함하는 것이 바람직하다.In order to reduce the rate of temperature change on the device to be cooled, the system of the present invention preferably includes two sets of microchannels arranged in counter flow relationship.
도 1은 고체 조명 응용에 대한 멀티 칩 모듈의 일례를 도시.1 illustrates an example of a multi chip module for a solid state lighting application.
도 2는 작은 방울 흐름의 일례를 도시.2 shows an example of a droplet flow.
도 3은 온 영역과 냉 영역 간의 유체 전달에 대한 소정의 초소형 채널을 도시.3 illustrates a given microchannel for fluid transfer between on and cold zones.
도 4a 및 4b는 저장소에 접속된 몇몇의 초소형 채널을 구비한 냉각 유닛을 도시.4a and 4b show a cooling unit with several microchannels connected to the reservoir.
도 5a는 링 기하학을 갖는 본 발명에 따른 시스템을 도시.5a shows a system according to the invention with a ring geometry.
도 5b는 도 5a의 시스템의 일부의 확대도.5B is an enlarged view of a portion of the system of FIG. 5A.
도 6a는 역류 배열을 갖는 본 발명에 따른 시스템을 도시.6a shows a system according to the invention with a countercurrent arrangement.
도 6b는 도 6a의 시스템의 일부의 확대도.6B is an enlarged view of a portion of the system of FIG. 6A.
도 7a는 본 발명에 따른 방사형 시스템을 도시.7a shows a radial system according to the invention.
도 7b는 도 7a의 시스템의 일부의 확대도.7B is an enlarged view of a portion of the system of FIG. 7A.
도 8은 폭이 연속적이지 않은 채널을 가지는 방사형 시스템을 도시. 8 illustrates a radial system having channels that are not continuous in width.
본 발명은 본 발명의 서로 다른 실시예를 도시하는 도면들을 참조하여 아래에 더 설명될 것이다.The invention will be further described below with reference to the drawings showing different embodiments of the invention.
도 1은 9개의 LED(발광 다이오드)(1)를 가지는 멀티 칩 모듈의 일반적인 도면이다. 백광 또는 색 제어 고체 조명은 몇몇의 LED(1)가 서로 매우 근접하게 위치되어 광 포인트 소스를 정의하는 멀티 칩 모듈이 필요하다. 이러한 설계는 실리콘 서브마운트(2) 상의 전력 밀도를 높아지게 한다. 실리콘 서브마운트(2)에서 구동되는 펌프를 이용하여 활성화된 액체 냉각 작은 방울을 모음으로써, 필요한 냉각이 수행될 수 있다. 도 1에 도시된 예에서 실리콘 서브마운트의 크기는 5mm×6mm 이고 이 서브마운트(2)는 저장소/컬렉터(3)에 인접하게 배치된다. 저장소/컬렉터(3)는 LED(1)에 의해 생성되는 열 에너지의 제거를 위한 열 전달 유체를 포함한다.1 is a general view of a multi-chip module having nine LEDs (light emitting diodes) 1. White light or color controlled solid state lighting requires a multi-chip module in which
도 2에서 작은 방울 전달의 원리가 도시된다. 열 전달 유체 작은 방울(4)은 저장소/컬렉터(3)로부터 채널(5)에서 흐르고 있다. 작은 방울은 전극(6)을 통해 유체에 인가되는 전압에 의해 움직이게 된다. 이런 식으로 열은 이제 실리콘 서브마운트(2)로부터 작은 방울(4)로 전달될 것이다. 이어서 저장소/컬렉터(3)에서 작은 방울(4)이 냉각될 것이다. 이어서 저장소/컬렉터(3)에 의해 흡수된 에너지는 (도시되지 않은) 별개의 냉각 시스템의 도움으로 저장소/컬렉터(3)로부터 전달될 것이다. 가열된 칩은 예를 들면 인쇄 회로 기판 재료, 몰드된 상호접속 장치(moulded-interconnect device: MID), 유리, 금속 장치 등으로 이루어지는 대형 장치의 일부이다. 이들 재료 각각은 전극 및 채널 구조를 포함할 수 있다. 실리콘 칩이 열 전달 유체에 노출되고 전기적으로 상호접속될 수 있도록 홀이 제공될 수 있다.In Fig. 2 the principle of droplet delivery is shown. The heat
본 발명의 일 실시예에서 열 전달 유체 채널(5)은 2개의 유채로 채워져 있다. 도 3은 온 영역(7)과 냉 영역(8) 간의 유체 전달을 위한 소정의 초소형 채널(5)이 도식적인 도면이다. 전극은 도시되지 않는다. 유체들 중 하나의 플러그(9)가 주로 열 전달 유체로서 동작하는 다른 유체(10)를 "밀어내는" 데에 이용된다. 전극은 플러그(9)가 온 영역(7)에 들어가는 것을 방지하기 위하여 플러그(9), 및 결과적으로 열 전달 유체(10)가 양방향으로, 즉, 열 전달 유체의 왕복 흐름으로 구동되도록 플러그(9)에 맥동 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 이는 장치의 수명을 연장할 것이다. 이렇게 기능하기 위하여, 2개의 유체는 혼합될 수 없는 유체, 예를 들면, 여분의 물 내의 기름으로 된 플러그인 것이 요구된다.In one embodiment of the invention the heat
도 4a 및 4b는 열 전달 유체 저장소(3)를 포함하는 멀티 채널 시스템을 도시한다. 도 4a에서는 전압이 인가되지 않고 모든 열 전달 유체가 저장소(3)에 남아 있다. 도 4b에서는 전압이 인가되었고 열 전달 유체가 초소형 채널(11)에 흐르기 시작하였다. 인가된 전압이 꺼지면, 열 전달 유체는 저장소(3)로 복귀한다.4a and 4b show a multi-channel system comprising a heat
"루프" 형상으로 이루어진 채널(11)의 일례가 도 5a 및 5b에서 볼 수 있으며, 5b는 5a의 일부의 확대도이다. 이 실시예는 열 전달 유체에 대한 열 싱크인 2개의 저장소(3)를 포함한다.An example of a
도 6a는 역류 관계로 배치된 분리된 채널(11) 세트로 배치된 열 전달 유체의 2개의 저장소(3)를 포함하는 본 발명에 따른 냉각 시스템을 도시한다. 이러한 배치는 실리콘 칩 상에서의 온도 변화율을 줄이는 것을 도와서 결과적으로 보다 균일한 열 부하 때문에 실리콘 칩의 수명이 연장된다. 도 6b는 도 6a에 도시된 실시예의 일부의 확대도이다.6a shows a cooling system according to the invention comprising two
도 7a 및 7a의 실시예의 일부를 확대한 7b에서, 중앙에 열원이 있는 방사형 냉각을 구비한 본 발명에 따른 실시예가 도시된다. 그러므로, 열 전달 유체는 초소형 채널(11)에서의 저장소(3)로부터 중심을 향하여 이동한다. 저장소 외부에는 열 싱크가 접속된다(도시 생략).In FIG. 7B, which enlarges a part of the embodiment of FIGS. 7A and 7A, an embodiment according to the invention is shown with radial cooling with a heat source in the center. Therefore, the heat transfer fluid moves from the
도 8은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 실시예를 도시한다. 시스템은 채 널(12)과 상호접속된 2개의 저장소(3)를 포함한다. 열 전달 유체의 모세관 흐름을 최적화하기 위하여 채널 폭은 2개의 저장소(3) 간에서 달라진다.8 shows another embodiment of a system according to the invention. The system includes two
본 발명을 이용하기 위해서는 마지막 단계에서 본 발명의 장치의 홀/채널에 의해 액체 채움이 이루어져야 한다. 모든 초소형 채널은 예를 들면 초소형 채널에 수직으로 연장되는 채움 채널을 통해 동시에 채워진다. 또한, 전체 액체 장치는 채움 이후에 완전히 밀봉되어야 한다. 셋업 시 형성된 압력을 제거하기 위한 압력 댐퍼(damper)가 포함될 수 있다. 또한, 유체의 확장 및 수축을 허용하는 유동성 있는 (예를 들면, 멤브레인, 또는 공기 방울이 포함된 주머니를 가지는) 저장소가 포함될 수 있다.In order to use the present invention, liquid filling must be accomplished by the holes / channels of the device of the present invention in the last step. All microchannels are filled at the same time, for example, via filling channels extending perpendicular to the microchannel. In addition, the entire liquid device must be completely sealed after filling. A pressure damper may be included to remove the pressure created during setup. In addition, a fluid reservoir (eg, having a membrane or a bag containing air bubbles) may be included that allows for expansion and contraction of the fluid.
당업자들은 본 발명이 결코 상술한 실시예로 제한되지 않음을 분명히 파악한다. 반대로, 첨부된 특허 청구 범위 내에 있는 다양한 수정 및 변형물이 가능하다. 예를 들면, 채널 시스템의 형태는 첨부된 도면의 실시예로 제한되지 않는다.Those skilled in the art clearly understand that the present invention is by no means limited to the above described embodiments. On the contrary, various modifications and variations are possible within the scope of the appended claims. For example, the form of the channel system is not limited to the embodiment of the accompanying drawings.
Claims (10)
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