KR20140092543A - 방열 지지기판 및 이를 이용한 방열 패키지 - Google Patents

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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.

Description

방열 지지기판 및 이를 이용한 방열 패키지{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.
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.
이러한 금속 뚜껑의 상부 표면과 칩 다이 간의 공간에는 열 전도를 향상시키기 위한 복합 충진재(composite filler)를 채울 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
따라서, 이러한 방열 지지기판의 한계점을 극복하고, 방열 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 방열 지지기판의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 칩 패키지에 있어서 칩의 발열에 의한 방열 수단을 제공하는 방열 지지기판을 제공한다.
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.
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.
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.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 상술한 방열 지지기판을 이용하여 발열원을 조립, 봉지하여 구성되는 방열 패키지를 제공한다.
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.
상기 방열부는 상기 다공성 미세구조부의 하부에 위치하는 열전도층 및 상기 다공성 미세구조부의 상부에 위치하는 열전도성 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 상변화 물질은 상기 발열원의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 미세구조부는 구리, 니켈, 티타늄, 알루미늄 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 상변화 물질은 유기계 상변화 물질 또는 무기계 상변화 물질을 포함할 수 있다.
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.
상기 유기계 상변화 물질은 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 및 아세트산으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 열전도층 또는 상기 열전도성 커버는 구리, 알루미늄, 아연, 니켈 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 방열부는, 상기 다공성 미세구조부의 표면에 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치하는 것을 특징으로 한다.
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.
상기 발열원은 집적회로 칩 소자 또는 발열 소자일 수 있다.
상기 방열 지지기판의 방열부와 상기 발열원 사이에 위치하는 열계면물질을 더 포함할 수 있다.
상기 열전도성 커버 및 상기 발열원 사이에는 전기적 절연 및 열전도성 수지를 포함하는 충진재를 더 포함할 수 있다.
상기 방열부는, 상기 다공성 미세구조부의 표면에 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 상변화 물질은 상기 발열원의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 한다.
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.
또한, 상변화 물질만으로 사용되는 경우와 비교하여 방열 기판의 향상된 기계적 강성과 보다 균일하고 높은 열 확산 특성을 제공한다.
또한, 상기 미세 구조 방열 요소는 다양한 기판 모재에 집적화하여 용이하게 구성할 수 있고, 마이크로머시닝(micromachining) 기술 등의 일관 생산 기술로 제조할 수 있다.
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.
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.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
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.
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.
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.
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.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 방열 지지기판(100)은 베이스부(110), 방열부(120) 및 연결부(130)를 포함한다.
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.
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.
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.
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.
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.
상변화 물질(122)은 유기계 상변화 물질 또는 무기계 상변화 물질을 포함할 수 있다.
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.
예를 들어, 유기계 상변화 물질은 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 및 아세트산으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
이러한 열전도성 커버(124)는 발열원 예컨대, 발열 칩이 안착하여 접합될 수 있는 칩 접합 영역으로 쓰인다.
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.
이러한 열전도층(123) 또는 열전도성 커버(124)는 구리, 알루미늄, 아연, 니켈 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 방열 지지기판의 방열 특성을 설명하기 위한 도면들이다.
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.
또한, 도 8은 본 발명에 따른 방열 지지기판을 적용함으로써 발열 소자의 과열 동작에서 소자의 온도 상승을 억제하는 방열 특성을 보여주는 온도 변화 특성 그래프이다.
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.
이러한 방열부와 발열원(Heat source)이 접합되되, 방열부와 발열원의 사이에는 열계면물질(140)이 더 포함된다.
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.
도 8을 참조하여 본 발명에 의한 방열 지지기판의 열 전달 특성을 설명하면 다음과 같다. 여기서 발열원은 집적 회로등의 발열칩으로 예를 들어 설명한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 방열 패키지는 발열 지지기판(100), 발열원(200) 및 방열 덮개(300)를 포함한다.
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.
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.
방열 덮개(300)는 발열원(200)을 덮어 보호하는 역할을 한다. 이러한 방열 덮개(300) 역시 방열 특성을 보유하도록 열전도성 물질을 포함할 수 있다.
한편, 이러한 방열 지지기판(100)의 방열부(120)와 발열원(200) 사이에 위치하는 열계면물질(140)을 더 포함할 수 있다.
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.
따라서, 이러한 충진재(400)는 전기적 절연 특성과 양호한 열전달 특성을 제공하는 복합충진재(composite filler)를 포함할 수 있다.
한편, 방열부(120)에는, 다공성 미세구조부(121)의 표면에 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치할 수도 있다.
이 때의 상변화 물질은 발열원(200)의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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

Claims (15)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상변화 물질은 상기 발열원의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 하는 방열 지지기판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 미세구조부는 구리, 니켈, 티타늄, 알루미늄 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 방열 지지기판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상변화 물질은 유기계 상변화 물질 또는 무기계 상변화 물질을 포함하는 방열 지지기판.
  6. 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.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 유기계 상변화 물질은 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 및 아세트산으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 물질을 포함하는 방열 지지기판.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 열전도층 또는 상기 열전도성 커버는 구리, 알루미늄, 아연, 니켈 및 이들의 합금으로 구성된 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 방열 지지기판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 방열부는,
    상기 다공성 미세구조부의 표면에 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치하는 것을 특징으로 하는 방열 지지기판.
  10. 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 포함하는 방열 패키지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 발열원은 집적회로 칩 소자 또는 발열 소자인 방열 패키지.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 방열 지지기판의 방열부와 상기 발열원 사이에 위치하는 열계면물질을 더 포함하는 방열 패키지.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 열전도성 커버 및 상기 발열원 사이에는 전기적 절연 및 열전도성 수지를 포함하는 충진재를 더 포함하는 방열 패키지.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 방열부는,
    상기 다공성 미세구조부의 표면에 그래핀, 그라파이트 및 탄소나노튜브로 구성된 군에서 선택된 어느 하나가 더 위치하는 것을 특징으로 하는 방열 패키지.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 상변화 물질은 상기 발열원의 제1 발열온도와 제2 발열온도 사이에서 상변화가 일어나는 것을 특징으로 하는 방열 패키지.
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