KR20170011165A

KR20170011165A - 히트 스프레더 및 이를 구비한 전자 기기

Info

Publication number: KR20170011165A
Application number: KR1020150103222A
Authority: KR
Inventors: 김경호; 박원찬
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-02-02
Also published as: KR102037854B1

Abstract

CPU와 같은 전자 기기의 냉각 성능을 높일 수 있는 히트 스프레더 및 이를 구비한 전자 기기를 제공한다. 본 발명에 따른 히트 스프레더는 열전소자를 포함하고, 상기 열전소자의 흡열부가 열원에 열적으로 접속되는 것이다.

Description

히트 스프레더 및 이를 구비한 전자 기기{Heat spreader and electronic apparatus having the same}

본 발명은, 전자 기기의 열원에 열적으로 접속되는 히트 스프레더 및 이를 구비한 전자 기기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열 분산 능력이 개선된 히트 스프레더 및 이를 구비한 전자 기기에 관한 것이다.

종래부터, PC(Personal Computer)의 CPU(Central Processing Unit)와 같은 전자 기기의 열원에 열적으로 접속되어 그 열원의 열을 흡수하고 확산하는 디바이스로서, 히트 스프레더가 사용되고 있다. 히트 스프레더는, 예를 들면 구리로 이루어지는 고체형 금속 히트 스프레더나, 증발부 및 작동 유체를 포함하는 상변화형 히트 스프레더가 제안되어 있다.

특히 CPU 다이에 집적되는 집적 히트 스프레더(IHS : Integrated Heat Spreader)로서 도 1 및 도 2에 도시한 것과 같은 구조의 히트 스프레더도 제안되어 있다. 도 1은 기존 IHS를 포함하는 CPU 구조를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1의 CPU 구조에 CPU 냉각을 위한 히트 싱크와 팬까지 도시한 그림이다.

IHS(40)는 PCB(10) 위에 실장된 CPU 다이(20)를 보호하고 CPU 다이(20)에서 발생하는 열을 분산시켜 IHS(40) 위에 설치되는 히트 싱크(50)에 열을 전달하는 역할을 한다. 히트 싱크(50)는 냉각판(52)과 핀(54)으로 구성되어 있다. CPU 다이(20)와 IHS(40) 사이에는 접촉 열저항을 감소시키기 위해 열 인터페이스 재료(TIM : Thermal Interface Material, 30)을 부착하여 열을 전달시킨다.

현재 IHS(40)는 구리에 니켈 도금을 한 재질로, 2.5 ~ 3mm 두께로 제작하여 사용하고 있다. 이러한 IHS(40)의 중요한 기능은 CPU 다이(20)에서 발생하는 열을 잘 분산시켜서 히트 싱크(50)로 전달하는 것인데, 기존의 구리 재질은 열을 충분히 분산시켜서 전달하는 데 한계를 가지고 있다.

도 2에는 기존 IHS 단면에서의 열량 분포도 함께 도시하였고, 도 3은 기존 IHS에서 상부면 열량 분포를 도시한 것이다. 열 분산의 문제를 도 2 및 도 3을 참조하여 더 살펴보면, CPU 다이(20)에서 전달된 열은 도 2에서와 같이 IHS(40)에 의해 고르게 분산되지 못하고 CPU 다이(20) 면적과 거의 동일한 면적으로 히트 싱크(50)의 냉각판(52)에 전달된다. 도 3의 IHS(40) 상부면 열량 분포에서는 이것을 더욱 확실히 알 수 있다. 이와 같이 기존 IHS(40)는 CPU 다이(20)에서 발생하는 열을 충분히 분산시키지 못한다.

열을 더욱 잘 분산시키기 위해서는 IHS(40)의 두께를 두껍게 해야 하지만 무게 및 두께에 한계를 가지고 있다. 히트 싱크(50)에 전달된 열은 핀(54)과 팬(60)에 의해 냉각이 되는데, 열의 분산이 잘 되지 않기 때문에 히트 싱크(50)의 일부만이 CPU 다이(20)의 냉각에 사용되고 핀(54) 나머지 부분의 냉각 효율은 떨어지게 된다. 이 때문에, CPU 다이(20)부터 히트 싱크(50)까지의 전체적인 열 저항이 증가하여 CPU 다이(20)의 온도가 상승하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 CPU와 같은 전자 기기의 냉각 성능을 높일 수 있는 히트 스프레더 및 이를 구비한 전자 기기를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 히트 스프레더는 열전소자를 포함하고, 상기 열전소자의 흡열부가 열원에 열적으로 접속되는 것이다.

본 발명 실시예에 있어서, 상기 열원은 패키지 기판 상의 반도체 다이이고, 상기 히트 스프레더는 상기 반도체 다이 위에 열 인터페이스 재료(Thermal Interface Material)를 통해 부착되는 집적 히트 스프레더(IHS : Integrated Heat Spreader)이다.

본 발명 실시예에 있어서, 상기 히트 스프레더는 뚜껑 및 측벽을 포함하며, 상기 열 인터페이스 재료는 상기 뚜껑의 하부면과 접촉하고 상기 반도체 다이의 상부면과 접촉하며, 상기 뚜껑이 상기 열전소자를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 전자 기기는 열원; 및 본 발명에 따른 히트 스프레더를 구비한다.

본 발명에 따르면, 냉각 능력이 우수한 열전소자를 사용하여 소형의 장치 구조로도 고성능의 냉각 성능을 발휘할 수 있다.

도 1은 기존 IHS를 포함하는 CPU 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 CPU 구조에 CPU 냉각을 위한 히트 싱크와 팬까지 도시한 것이다.
도 3은 기존 IHS에서 상부면 열량 분포를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 스프레더 및 이를 구비한 전자 기기의 개략도이다.
도 5는 열전소자의 작동원리를 설명할 수 있는 회로도이다.
도 6은 열전소자를 행렬로 배열한 모듈 타입 열전소자 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트 스프레더 및 이를 구비한 전자 기기의 개략도들이다.
도 9는 본 발명에 따른 히트 스프레더의 효과를 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 종래와 본 발명 실험예의 열 분포를 모사한 결과 그림이다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 스프레더 및 이를 구비한 전자 기기의 개략도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전자 기기(100)는 열원(110)과 본 발명에 따른 히트 스프레더(120)를 구비한다. 히트 스프레더(120)는 열전소자(130)를 포함하고, 열전소자(130)의 흡열부(130a)가 열원(110)에 열적으로 접속된다. 열원(110)의 온도가 특정 온도 이상이 될 경우, 열전소자(130)를 구동시켜 열원(110)을 기 설정된 특정 온도 이하로 냉각시키도록 하는 일련의 제어부 구성이 더 포함될 수 있다.

여기서 열전소자(130)는 전류에 의해 열의 흡수 및 발생이 생기는 현상인 펠티에(Peltier) 효과를 이용한 것이다. 펠티에 효과란 직류 전원을 가하였을 때 전류의 방향에 따라 일측은 가열되고 타측은 냉각되는 현상으로, 이러한 현상은 전자가 한 쪽의 반도체에서 다른 쪽의 반도체로 이동하면서 에너지 준위를 높이기 위해 열 에너지를 흡수하기 때문에 발생하게 된다.

도 5는 이러한 열전소자의 작동원리를 설명할 수 있는 간단한 회로를 도시하고 있다.

N형 반도체(전류 캐리어가 주로 전자인 반도체)와 P형 반도체(전류 캐리어가 주로 정공인 반도체)를 도 5와 같이 연결하고 직류 전원(131)을 인가하면 전자들은 시스템을 통과하는 데 필요한 에너지를 얻게 되며, N형 반도체로부터 P형 반도체로 전자가 이동하는 과정에서, 하측기판(132)을 통과하는 전자들이 열에너지를 흡수함으로써 하측기판(132)은 냉각되고, 상측기판(133)에서는 전자들이 열에너지를 방출하게 되기 때문에 상측기판(133)은 가열되게 된다.

도 6은 이러한 열전소자를 행렬로 배열한 모듈 타입 열전소자를 도시하고 있다. 여기서는 P형 반도체와 N형 반도체는 상측기판(133)과 하측기판(132) 사이 평면 상에 서로 교차되게 배열되어 전극(134)에 의해 서로 연결되고, 여기에 전기를 공급하기 위해 양, 음의 전선 1쌍이 결합된다. 이 때, (+), (-)의 전기를 외부에서 인가해 주면, 일측, 본 실시예에서는 하측기판(132)에서 흡열 현상이, 타측, 본 실시예에서는 상측기판(133)에서 방열 현상이 발생하게 된다.

도 4의 열전소자(130)는 도 6과 같은 모듈 타입인 것이 바람직하다. 도 6과 같은 모듈 타입으로 구성한다면, 열전소자(130)는 흡열부(130a)인 냉각면과 발열부(130b)인 발열면을 갖게 되며, 흡열부(130a)가 열원(110)에 열적으로 접속되어 열원(110)을 냉각시킬 수 있다. 열전소자(130)를 구동하는 전원은, 열전소자(130)가 구비된 전자 기기(100)의 주전원일 수 있다.

한편, 히트 스프레더(120)의 표면에는, 도시하지 않은 히트 싱크 등의 방열을 위한 부재가 열적으로 접속되는 경우가 있다. 이 경우, 히트 스프레더(120)에 의해 확산된 열이 히트 싱크에 전달되고, 히트 싱크로부터 방열된다.

히트 스프레더(120)를 구비한 전자 기기로서는 데스크탑형 PC를 대표적인 예로 들 수 있으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 전자 기기로서는, PDA(Personal Digital Assistance), 전자 사전, 휴대 전화, 카메라, 디스플레이 장치, 오디오/비주얼 기기, 프로젝터, 게임 기기, 자동차 네비게이션 기기, 로봇 기기, 레이저 발생 장치, 그 밖의 전자 제품 등에 적용할 수가 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 히트 스프레더 및 이를 구비한 전자 기기의 개략도들이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전자 기기(200)는 패키지 기판(205) 상의 반도체 다이(210)와 여기에 집적된 히트 스프레더(220)를 구비한다.

반도체 다이(210)는 예컨대 CPU 다이이다.

히트 스프레더(220)는 뚜껑(220a) 및 측벽(220b)을 포함하며 반도체 다이(210)를 덮는 커버를 형성한다. 히트 스프레더(220)의 뚜껑(220a)에 열전소자(230)가 포함되어 있다.

열전소자(230)의 흡열부(230a)는 반도체 다이(210)에 열적으로 접속된다. 히트 스프레더(220)는 반도체 다이(210) 위에 열 인터페이스 재료(TIM : Thermal Interface Material, 225)를 통해 부착되는 집적 히트 스프레더(IHS : Integrated Heat Spreader)이다.

도시한 바와 같이, 열 인터페이스 재료(225)는 열전소자(230) 뚜껑(220a)의 하부면과 접촉하고 반도체 다이(210)의 상부면과 접촉한다. 따라서, 반도체 다이(210)는 열 인터페이스 재료(225)의 측 방향 및 수직 방향 모두를 통하여 히트 스프레더(220)에 상당한 양의 열을 방열할 수 있다. 열 인터페이스 재료(225)는 높은 속도로 열을 전도할 수 있는 재료를 포함한다. 예를 들어, 열 인터페이스 재료(225)는 실리콘 계열의 열 전도성 페이스트 또는 알루미늄, 구리 등 금속 입자를 포함한 써멀 겔 또는 그리스일 수 있다.

열전소자(230)는 도 6과 같은 모듈 타입이다. 특히 CPU 다이와 같은 소형 반도체 다이에 집적하기 위하여, 모듈 타입 열전소자(230)는 박막 공정을 이용한 초소형 박막형 열전모듈로 구성할 수도 있다. 모듈 타입 열전소자(230)는 열전재료 분말을 소결한 열전 엘리먼트를 기판에 집적하여 제조한 것일 수 있다. 열전재료 분말은 칼코게나이드(chalcogenide)계, 실리사이드(silicide)계, 클래스레이트(clathrate)계, 하프 휘슬러(Half Heusler)계, 스커터루다이트(skutterudite)계 등의 합금계 또는 산화물계일 수 있다. 열전재료 분말에 Bi, Tl, Sn, P, Pb, 또는 Cd 등의 저융점 금속 분말을 더 추가하여 소결한 열전 엘리먼트를 이용할 수도 있다.

도 7과 같은 전자 기기(200)는 IC 패키지의 일종으로서 예를 들면 PC 제조업체에 공급될 수 있다.

열전소자(230)의 발열부(230b)에는 도 8에서와 같이 히트 싱크(240)와 팬(250)을 더 장착할 수 있다. 히트 싱크(240)는 열전소자(230)의 발열부(230b)에 밀착 설치된다. 히트 싱크(240)는 일정 두께와 소정의 면적을 갖도록 형성되어 열전소자(230)의 발열부(230b)에 접촉되는 판상의 구조와 그 판상의 구조 일면에 수직방향으로 일정 두께와 면적을 갖도록 다수 개 연장 형성된 핀들로 이루어질 수 있다. 팬(250)은 히트 싱크(240)로 외기를 순환시킨다.

이와 같이 구성함으로써, 열전소자(230)의 흡열부(230a)가 반도체 다이(210)를 냉각시키고, 히트 싱크(240)와 팬(250)은 반도체 다이(210)와 열전소자(230)에서 발생하는 열을 냉각시킨다.

열전소자(230)의 흡열부(230a)인 냉각면은 등온으로 반도체 다이(210)를 냉각하고, 열은 열전소자(230)의 발열부(230b)인 발열면 전체로 방출되어 열전소자(230)의 발열부(230b)과 접한 히트 싱크(240)에 의해 냉각된다.

종래 기술에서 언급한 바와 같이, 구리 IHS를 사용하는 경우 히트 싱크를 사용할 수 있는 면적이 중앙 일부분이다. 이와 같이, 기존에 IHS로 사용하는 구리는 CPU 다이에서 발생하는 열을 충분히 분산시키지 못하여 IHS의 일부 영역만이 히트 싱크에 열을 전달하는 역할을 한다. 그러나, 본 발명에서는 열전소자(230)를 사용함으로써 히트 스프레더(220) 전체면이 히트 싱크(240)와 접하여 히트 싱크(240)의 유효 냉각 면적이 증가하게 된다.

도 8에는 히트 싱크(240) 단면에서의 열량 분포도 함께 도시하였다. 히트 스프레더(220)와 접하여 있는 히트 싱크(240) 전체 면에 골고루 열이 분산함을 볼 수 있다. 열전소자(230)의 냉각면은 등온을 유지하기 때문에 CPU 다이와 같은 반도체 다이(210)의 온도를 떨어뜨릴 수 있고, 반도체 다이(210)에서 발생하는 열을 전달하는 데 효과적으로 사용할 수 있다.

열원인 반도체 다이(210)에서 열이 발생하면, 열전소자(230)의 흡열부(230a)가 열을 흡수하고 이 열은 발열부(230b)를 통해 히트 싱크(240) 쪽으로 배출된다. 특히 발열부(230b)는 히트 싱크(240)를 통해 고르게 열이 확산되게 하고 히트 싱크(240) 및 팬(250)을 통해 방열된다. 이와 같은 동작에 의해 반도체 다이(210)의 열이 히트 스프레더(220)에 의해 확산되고 효과적으로 제거된다.

이상과 같이 구성된 히트 스프레더(220)의 효과에 대해서 더 설명한다. 도 9는 본 발명에 따른 히트 스프레더(220)의 효과를 설명하기 위한 모식도이다.

반도체 다이 온도(T_j)의 증가는 장치의 작동 수명에 불리한 영향을 준다. T_j는 수학식1로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

T_j= T_a+ (R_js + R_sa) x q

여기서, T_a는 공기 온도, T_j는 반도체 다이 온도, R_js는 히트 스프레더(220) 열저항, R_sa는 히트 싱크(240) 열저항, q는 반도체 다이(210)의 열전달률이다.

반도체 다이(210)의 열전달률 q는 수학식 2로 표현될 수 있다.

[수학식 2]

q= (T_j - T_a)/(R_js + R_sa)

여기서, T_s는 히트 스프레더(220) 표면온도이다.

전자 기기(200) 냉각의 궁극적인 목적은 반도체 다이(210)의 온도인 T_j를 최대한 내리는 것이다.

위 T_j 관계식에서 보는 바와 같이, 히트 스프레더(220) 열저항인 R_js를 줄이지 않으면 R_sa를 줄여서 T_j를 내리는 데에는 한계가 있다. 본 발명은 특히 R_js를 줄이기 위한 것이다. 히트 싱크(240)의 냉각 성능이 좋은, 즉 R_sa가 작은 히트 싱크는 많으며 냉각 방식도 다양하다. 그러나, 구리 재질의 IHS 대체 재료는 현재까지 없으며 적용되지 못하고 있는 실정이다. 본 발명에서는 열전소자(230)를 포함하는 히트 스프레더(220)를 제안하여 R_js를 줄인다.

이와 같은 IHS 타입 히트 스프레더(220)를 구비한 전자 기기로서는 데스크탑형 PC의 CPU가 대표적이다. 컴퓨터의 데이터 처리 속도가 급속도로 빨라지고 그 데이터 처리 용량이 엄청나게 커지면서 CPU도 고집적화되면서 컴퓨터 작동 중 발생되는 열량이 크게 증가하고 있다. 본 발명에 따른 히트 스프레더(220)는 CPU 다이에서 발생되는 많은 열량을 충분히 냉각시킬 수 있어, CPU의 과열로 인한 오작동이나 고장을 방지할 수 있다.

도 10은 종래와 본 발명 실험예의 열 분포를 모사한 결과 그림이다.

도 10의 (a)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 IHS의 재질로 구리를 사용하였을 경우인데, CPU 다이에서 발생한 열이 IHS의 국부 면적만을 통하여 히트 싱크로 전달되는 것을 볼 수 있다. 히트 싱크의 국소 면적만을 이용한 냉각이므로 냉각 성능이 떨어진다.

도 10의 (b)는 본 발명에 따라, 열전소자를 포함하여 열의 분산 성능이 좋은 IHS를 이용할 경우이며, IHS의 전체 면을 통하여 히트 싱크로 열이 전달되는 것이 확인된다. 따라서 냉각에 사용되는 히트 싱크의 면적이 넓어지고 히트 싱크의 냉각 성능도 동시에 개선되는 것을 알 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

100, 200 : 전자 기기 110 : 열원
120, 220 : 히트 스프레더 130, 230 : 열전소자
130a, 230a : 흡열부 130b, 230b : 발열부
205 : 패키지 기판 210 : 반도체 다이
220a : 뚜껑 220b : 측벽
225 : 열 인터페이스 재료 240 : 히트 싱크
250 : 팬

Claims

열전소자를 포함하고, 상기 열전소자의 흡열부가 열원에 열적으로 접속되는 히트 스프레더.
제1항에 있어서, 상기 열원은 패키지 기판 상의 반도체 다이이고, 상기 히트 스프레더는 상기 반도체 다이 위에 열 인터페이스 재료(Thermal Interface Material)를 통해 부착되는 집적 히트 스프레더(IHS : Integrated Heat Spreader)인 것을 특징으로 하는 히트 스프레더.
제2항에 있어서, 상기 히트 스프레더는 뚜껑 및 측벽을 포함하며,
상기 열 인터페이스 재료는 상기 뚜껑의 하부면과 접촉하고 상기 반도체 다이의 상부면과 접촉하며, 상기 뚜껑이 상기 열전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 스프레더.
열원; 및
열전소자를 포함하고, 상기 열전소자의 흡열부가 상기 열원에 열적으로 접속되는 히트 스프레더를 포함하는 전자 기기.
제4항에 있어서, 상기 열원은 패키지 기판 상의 반도체 다이이고, 상기 히트 스프레더는 상기 반도체 다이 위에 열 인터페이스 재료를 통해 부착되는 집적 히트 스프레더인 것을 특징으로 하는 전자 기기.
제5항에 있어서, 상기 히트 스프레더는 뚜껑 및 측벽을 포함하며,
상기 열 인터페이스 재료는 상기 뚜껑의 하부면과 접촉하고 상기 반도체 다이의 상부면과 접촉하며, 상기 뚜껑이 상기 열전소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 기기.