KR20210039144A - 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자 - Google Patents

고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자 Download PDF

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KR20210039144A
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이인환
이강현
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자를 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자는 상부 베이스 판 및 하부 베이스 판을 포함하는 케이스; 상기 상부 베이스 판 또는 상기 하부 베이스 판의 한 쪽에 형성되거나 상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판 모두에 형성되는 윅(wick); 및 상기 윅 내부에 흐르며, 나노 입자가 분산된 작동 유체(working fluid)를 포함하며, 상기 윅은 모세관력으로 상기 작동 유체를 이동시키는 것을 특징으로 한다.

Description

고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자{HIGH PERFORMANCE AND HIGH RELIABILITY THERMAL GROUND PLANE}
본 발명은 고성능 및 고신뢰성의 판상 열방출 소자에 관한 것이다.
도 1은 종래의 히트 파이프가 구비된 스마트폰의 구체적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 반도체 소자에는 반도체의 구동에 따라 생성된 열을 방출하기 위해 히트 파이프가 구비되었다.
히트 파이프(heat pipe)란 상 전이를 통해 열을 분산시키는 장치로서, 우주항공, 컴퓨터 시스템, 태양열, 전자기기 등 열이 발생되는 여러 장치에 모두 적용이 가능하다.
이러한 히트 파이프는 PC와 스마트폰 등에서는 주로 CPU와 AP의 열을 분산시키는 역할을 하였으며, 추후에는 메모리 소자의 열 반출에도 쓰일 것으로 예상된다.
히트 파이프는 발열부에서 작동 유체가 증발하면 대류 현상으로 인해 작동 유체의 증기가 응축부로 이동하고, 작동 유체의 증기가 응축부에서 응축되어 모세관력으로 윅(wick)을 타고 다시 발열부로 이동하는 과정이 반복적으로 일어나면서 장치의 열을 분산시킨다.
그러나, 히트 파이프는 약 5W/cm2 내지 25W/cm2 범위의 열 유속이 흐르 때 사용되는 것이 적합하여, 열 유속이 약 200W/cm2인 현재 마이크로프로세서에 사용되기 적합하지 않다.
또한, 메모리의 집적도 증가 추세를 보면 전력 밀도 증가에 따른 열 유속 증가로 히트 파이프가 한계에 봉착할 것으로 보인다.
이에 따라, 히트 파이프에서 판상 열방출 소자(thermal ground plane)로 발전하는 것이 불가피할 것으로 보이며, 비메모리 소자뿐만 아니라 메모리 소자의 전력 밀도 또한 빠르게 증가하고 있으므로 판상 열방출 소자로 인한 통합 방열 대책 마련이 필요하다.
또한, 극미세 공정에서 반도체소자 집적도 증가로 인한 RC delay가 커짐으로써 발열 문제가 점점 더 심각해질 것을 보이며, 현재 쓰이고 있는 히트파이프와 히트싱크의 적용은 열전도도 및 규모 측면에서 한계에 봉착할 것으로 보인다.
또한, AP의 성능 발전에 발맞추어 빠르게 고집적화, 고용량화 되어야 하는 메모리 또한 발열 문제에 봉착할 것으로 보인다.
히트 파이프는 길이가 길어질수록, 두께가 두꺼울수록 유효 열전도도가 높아지지만 스마트폰 내에서 부피가 커진다는 단점이 존재하여, 작은 규모에서 히트 파이프보다 높은 열전도도를 갖는 판상 열방출 소자의 필요성이 대두되었다.
판상 열방출 소자는 히트파이프의 원리를 얇은 판형에 적용한 것으로서 1차원적 열 분산을 2차원적 열 분산 및 열 방출로 발전시킨 것으로, 24시간 장기간 작동되는 서버용 메모리의 경우 안정성과 열관리가 더욱 중요하기에 판상 열방출 소자를 구비할 수 있다.
판상 열방출 소자는 구리 케이스에 구리 나노 입자로 이루어진 윅과 물로 이루어진 작동 유체로 이루어진 것이 대표적이며, 70mm x 70mm x 3mm의 규모를 가지는 판상 열방출 소자는 열전도도 27,500W/m*K, 열 유속 220W/cm2를 가져 히트 파이프보다 높은 열전도도 및 열 유속을 가진다.
그러나, 현재 판상 열방출 소자는 구리의 화학적 취약성으로 인해 신뢰성이 저하되며, EMC와의 큰 열 팽창 계수 차이로 인해 탈리 위험성이 크고, 솔더링(soldering) 접합으로 인해 낮은 밀폐성을 가지는 문제점이 있었다.
이에 따라, 현재 판상 열방출 소자의 문제점을 해결하면서 높은 열전도도를 가지는 판상 열방출 소자의 개발 필요성이 대두되었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0070154호, "발열소자용 방열장치 및 그 제조방법"
본 발명의 실시예는 구리를 포함하는 내부식성 처리된 열전도도가 높은 금속으로 이루어진 케이스, 내화학성을 향상시키는 나노 구조를 포함하는 나노 입자로 이루어진 윅, 나노 입자가 첨가됨으로써 높은 열전도도를 제공하는 작동 유체에 의해 화학적으로 매우 안정적이면서 우수한 열전도도를 가짐으로써 우수한 냉각 효율을 달성할 수 있는 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 EMC(epoxy molding compound)와 열 팽창 계수가 매칭된 질화알루미늄을 포함하는 재료로 이루어진 케이스, 내산화성을 향상시키는 나노구조를 포함한 나노 물질로 이루어진 윅, 나노 입자가 첨가 됨으로써 높은 열전도도를 제공하는 작동 유체에 의해 구조적으로 매우 안정적이면서 우수한 열전도도를 가짐으로써 우수한 냉각 효율을 달성할 수 있는 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자에 따르면, 상부 베이스 판 및 하부 베이스 판을 포함하는 케이스; 상기 상부 또는 하부 베이스 판 중 한 쪽의 베이스 판 또는 상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판 상에 형성되는 윅(wick); 및 상기 윅 내부에 흐르며, 나노 입자가 분산된 작동 유체(working fluid)를 포함하며, 상기 윅은 모세관력으로 상기 작동 유체를 이동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자에 따르면, 상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판은 레이저 용접 처리하여 실링(sealing)될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자에 따르면, 상기 상부 베이스 판 및 하부 베이스 판과 윅은 열전도도가 높고 화학적으로 강건하며 상기 상부 베이스 판 및 하부 베이스 판은 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재 또는 반도체 물질과 열 팽창 계수가 매칭되는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자에 따르면, 상기 상부 베이스 판, 상기 하부 베이스 판은 구리(Cu)를 포함한 열전도도가 높은 금속으로 이루어지며, 상기 윅은 실리콘 카바이드(SiC) 또는 질화 알루미늄(AlN)을 포함하는 열전도도가 높고 화학적으로 강건한 물질로 이루어진 나노 구조를 포함하는 나노 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자에 따르면, 상기 구리를 포함하는 열전도도가 높은 금속으로 이루어진 상기 상부 베이스 판, 상기 하부 베이스 판은 내부식성 처리될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자에 따르면, 상기 상부 베이스 판, 상기 하부 베이스 판은 열전도도가 높고 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재와 열챙팡 계수가 매칭된 질화알루미늄(AlN)을 포함하는 물질로 이루어지며, 상기 윅은 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는 열전도도가 높고 화학적으로 강건한 물질로 이루어진 나노 구조를 포함하는 나노 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자에 따르면, 상기 작동 유체는 실리콘 카바이드 나노 입자 또는 질화알루미늄을 포함하는 열전도도가 높은 나노 물질을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자에 따르면, 상기 판상 열방출 소자는 대형화에 따라 상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판의 함몰 방지를 위해 일정 간격마다 상기 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판 사이에서 지지하는 필러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 구리를 포함하는 열전도도가 높은 내부식성 처리된 금속으로 이루어진 케이스, 열전도도가 높고 내화학성을 향상시키는 나노 구조를 포함한 나노 물질로 이루어진 윅, 높은 열전도도를 제공하는 나노 입자가 분산된 작동 유체에 의해 화학적으로 매우 안정적이면서 우수한 열전도도를 가짐으로써 우수한 냉각 효율을 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 질화알루미늄을 포함하는 열전도도가 높고 EMC를 포함한 패키징 몰딩 소재와 열 팽창 계수가 매칭된 물질로 이루어진 케이스, 높은 열전도도를 가지며 내산화성을 향상시키는 나노 구조를 포함하는 나노물질로 이루어진 윅, 높은 열전도도를 제공하는 나노 입자가 분산된 작동 유체에 의해 구조적으로 매우 안정적이면서 우수한 열전도도를 가짐으로써 우수한 냉각 효율을 달성할 수 있다.
도 1은 종래의 히트 파이프가 구비된 스마트폰의 구체적인 구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자의 구체적인 모습을 도시한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자가 구비된 반도체 소자의 모습을 도시한 단면도이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자는 집적도가 증가하는 반도체 소자의 추세를 따라가지 못하고 낮은 열 유속에서 사용하기 적합한 종래의 히트 파이프 및 낮은 신뢰성, 높은 탈리 위험성, 낮은 밀폐성의 문제를 가지며 열전도도 향상 필요성이 대두되는 종래의 판상 열방출 소자를 개선하고자, 열전도도가 우수한 소재 및 고내구성 소재를 사용하는 판상 열방출 소자를 제시한다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자를 도면과 함께 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자의 구체적인 모습을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)는 상부 베이스 판(111) 및 하부 베이스 판(112)을 포함하는 케이스(110); 상부 베이스 판(111) 또는 하부 베이스 판(112) 중 한 쪽에 또는 상부 베이스 판(111) 및 하부 베이스 판(112) 모두에 형성되고, 모세관력으로 작동 유체를 이동시키는 윅(120)(wick); 및 윅(120) 내부에 흐르며, 나노 입자가 분산된 작동 유체 (working fluid) (미도시)를 포함한다.
상기 판상 열방출 소자는 굳이 필러(113)를 구비하지 않아도 되나, 대형화에 따라 상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판의 함몰 방지를 위해 일정 간격마다 상기 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판 사이에서 지지하는 필러를 더 포함할 수도 있다. 본 명세서에서는 판상 열방출 소자의 설명 시 필러를 포함하는 구성으로 설명하도록 하며, 본 발명이 반드시 필러가 포함되는 구조로 한정되는 것은 아니다.
케이스(110)는 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)의 뼈대가 되는 구조이며, 실시예에 따라서 상부 베이스 판(111), 하부 베이스 판(112), 적어도 어느 하나의 필러(113)에 의해 중공을 가질 수 있다.
실시예에 따라서, 상부 베이스판(111) 및 하부 베이스 판(112)은 레이저 용접 처리되어 실링될 수 있으며, 이로 인해 기존의 솔더링(soldering) 방법보다 케이스(110)의 밀폐성과 내산화성이 향상되어 신뢰성 및 수명이 향상될 수 있다.
케이스(110)에 포함된 상부 베이스 판(111) 및 하부 베이스 판(112)은 구리를 포함한 높은 열전도도를 가지는 금속으로 이루어질 수 있으나, 높은 열전도도를 가지는 금속이라면 구리 물질에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따라서, 케이스(110)가 필러(113)을 포함하는 경우, 필러 역시 구리를 포함한 높은 열전도도를 가지는 금속으로 이루어질 수 있다.
구리는 400W/m*K의 열전도도를 가지는 열전도성이 매우 높은 물질로, 구리를 포함한 높은 열전도도를 가지는 금속으로 이루어진 케이스(110)는 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)의 열전도도를 향상시킬 수 있다.
실시예에 따라서, 상부 베이스 판(111), 하부 베이스 판(112), 및 필러(113)는 내부식성 처리된 구리를 포함하는 열 전도도가 높은 금속으로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)의 내화학성이 향상됨에 따라 신뢰성 및 수명이 향상될 수 있다.
윅(120)은 상부 베이스 판(111)과 하부 베이스 판(112) 중 어느 한 쪽에 또는 상부 베이스 판(111)과 하부 베이스 판(112) 상에 모두 형성될 수 있으며, 실시예에 따라서 케이스(110)에 형성된 중공 내부에 형성될 수 있다.
상기 윅은 열전도도가 높고 화학적으로 강건하며 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재 또는 반도체 물질과 열 팽창 계수가 매칭되는 물질로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판은 구리(Cu)를 포함하는 높은 열전도도를 가지는 금속으로 이루어지며, 상기 윅은 실리콘 카바이드(SiC) 또는 질화 알루미늄(AlN)을 포함하는 높은 열전도도를 가지며 화학적으로 강건한 물질로 이루어진 나노 구조를 포함한 나노 물질을 포함할 수 있으나, 반드시 이 물질에 한정되는 것은 아니다.
상기 윅은 실리콘 카바이드(SiC) 또는 질화 알루미늄(AlN)을 포함하는 높은 열전도도를 가지며 화학적으로 강건한 물질로 이루어진 나노 구조를 포함한 나노 물질로 이루어질 수 있어, 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)의 내화학성이 향상됨에 따라 신뢰성 및 수명이 향상될 수 있다.
또한, 나노 입자로 이루어진 윅(120)은 벌크 형태에 비해 가격이 매우 저렴하여 제조 공정 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.
소결 처리된 실리콘 카바이드로 이루어진 윅(120)은 120W/m*K 내지 170W/m*K의 열전도도를 가질 수 있다.
또한, 소결 처리된 질화알루미늄으로 이루어진 윅(120)은 80W/m*K 내지 200W/m*K의 열전도도를 가질 수 있다.
작동 유체는 윅(120) 내부에 흐르는 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)가 구비된 반도체 소자가 발열 되면서 작동 유체가 증발되다가 냉각부에 의해 다시 냉각되어 액화됨으로써 반도체 소자를 냉각시킬 수 있다. 반도체 소자 외에도 발열이 되는 어떠한 곳에 적용이 가능하다.
작동 유체는 실시예에 따라서 실리콘 카바이드 나노 입자 또는 질화알루미늄을 포함하는 높은 열전도도를 갖는 나노 입자를 더 포함할 수 있다.
상기 작동 유체는 실리콘 카바이드 나노 입자 또는 질화알루미늄 나노 입자를 포함하는 높은 열전도도를 갖는 물질과 액체를 포함으로써, 열전도도가 약 30% 향상되고 최대 열 유속이 약 28% 증가될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)는 높은 열전도도를 가지는 실리콘 카바이드 나노 입자 또는 질화알루미늄 나노 입자를 포함하는 높은 열전도도를 갖는 나노 물질이 분산된 작동 유체의 증발 및 응축에 의해 냉각 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)는 구리를 포함하는 높은 열전도도를 갖는 내부식성 처리된 금속 또는 질화알루미늄을 포함하는 높은 열전도도를 가지며 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재 또는 반도체 재료와 열팽창계수 매칭이 되는 물질로 이루어진 케이스(110), 높은 열전도도를 가지며 내화학성을 향상시키는 나노 입자로 이루어진 윅(120), 높은 열전도도를 제공하는 나노 입자가 분산된 작동 유체에 의해 화학적으로 매우 안정적이면서 우수한 열전도도를 가짐으로써 우수한 냉각 효율을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)는 상부 베이스 판(111) 및 하부 베이스 판(112)은 질화알루미늄(AlN)을 포함하는 높은 열전도도를 가지며 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재 또는 반도체 재료와 열팽창계수 매칭이 되는 물질로 이루어지며, 윅(120)은 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는 높은 열전도도를 가지며 화학적으로 강건한 물질로 이루어진 나노 구조를 포함하는 나노 물질로 이루어질 수 있으나, 반드시 이 물질에 제한되는 것은 아니다.
실시예에 따라서, 케이스(100)가 필러(113)를 포함하는 경우 필러 역시 질화알루미늄을 포함하는 높은 열전도도를 가지며 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재 또는 반도체 재료와 열팽창계수 매칭이 되는 물질로 이루어질 수 있다.
실시예에 따라서, 상부 베이스 판(111) 및 하부 베이스 판(112)은 소결 처리된 질화알루미늄을 포함하는 높은 열전도도를 가지며 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재 또는 반도체 재료와 열팽창계수 매칭이 되는 물질로 이루어질 수 있다.
소결 처리된 물질은 비용이 저렴하기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)는 소결 처리된 물질로 이루어진 케이스(110)를 포함함으로써, 판상 열방출 소자(100)의 제조 단가를 낮출 수 있다.
케이스(110)에 포함된 질화알루미늄의 열 팽창 계수는 4.6x10-6/K로, 6.0x10-6/K의 열 팽창 계수를 가지는 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재와 비슷한 열 팽창 계수 값을 가지기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)의 탈리 위험성을 낮출 수 있다.
질화알루미늄으로 이루어진 케이스(110)는 약 2g의 질화알루미늄만 사용하여도 충분한 열전도도를 가지고 탈리 위험성을 충분히 낮출 수 있다.
실리콘 카바이드 나노 입자를 포함하는 높은 열전도도를 가지며 화학적으로 강건한 물질로 이루어진 윅(120)은 내산화성을 향상시켜 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)의 신뢰성 및 수명을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)는 질화알루미늄을 포함하는 높은 열전도도를 가지며 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재 또는 반도체 재료와 열팽창계수 매칭이 되는 물질로 이루어진 케이스(110), 높은 열전도도를 가지며 내산화성을 향상시키는 나노 구조를 포함하는 나노 물질로 이루어진 윅(120), 높은 열전도도를 제공하는 나노 입자가 분산된 작동 유체에 의해 구조적으로 매우 안정적이면서 우수한 열전도도를 가짐으로써 우수한 냉각 효율을 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자는 반도체 소자에 구비될 수 있는데, 이를 도면과 함께 설명하면 다음과 같다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자가 구비된 반도체 소자의 모습을 도시한 단면도이다.
먼저 도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)는 기판, TIM, 칩(chip), 연결 범프(bump)를 포함하는 반도체 소자(10) 상에 형성될 수 있다.
상부에 판상 열방출 소자(100)가 형성된 칩 구조의 반도체 소자(10)는 랩탑(laptop), 디스플레이(display)를 포함하는 여러 용도에 사용될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 판상 열방출 소자(100)는 반도체 소자 상에 형성될 수 있으며, 판상 열방출 소자(100) 상에 히트 싱크(20)가 더 형성될 수 있다.
상부에 판상 열방출 소자(100) 및 히트 싱크(20)가 형성된 칩 구조의 반도체 소자(10)는 히트 싱크(20)가 더 구비됨으로써 강력한 열 방출이 가능하기 때문에 데스크탑(desktop), 서버용 메모리를 포함하는 여러 용도에 사용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 반도체 소자
20: 히트 싱크
100: 판상 열방출 소자
110: 케이스
111: 상부 베이스 판
112: 하부 베이스 판
113: 필러
120: 윅

Claims (8)

  1. 상부 베이스 판 및 하부 베이스 판을 포함하는 케이스;
    상기 상부 베이스 판과 상기 하부 베이스 판 중 한 쪽에 또는 상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판 모두에 형성되는 윅(wick); 및
    상기 윅 내부에 흐르며, 나노 입자가 분산된 작동 유체(working fluid)
    를 포함하며,
    상기 윅은 모세관력으로 상기 작동 유체를 이동시키는 것을 특징으로 하는 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판은 레이저 용접 처리하여 실링(sealing)되는 것을 특징으로 하는 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판은 구리(Cu)를 포함하는 열전도도가 높은 금속에 내부식성 처리를 하여 화학적으로 강건하게 만든 물질이거나 질화알루미늄(AlN)을 포함하는 열전도도가 높고 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재 또는 반도체 물질과 열 팽창 계수가 매칭되는 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판은 구리(Cu)를 포함하는 열전도도가 높은 금속으로 이루어지며,
    상기 윅은 실리콘 카바이드(SiC) 또는 질화 알루미늄(AlN)을 포함하는 열전도도가 높으면서 화학적으로 강건한 물질로 이루어진 나노 구조를 포함한 나노 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판은 질화알루미늄(AlN)을 포함하는 높은 열전도도가 높고 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재 또는 반도체 물질과 열 팽창 계수가 매칭되는 물질로 이루어지며,
    상기 윅은 실리콘 카바이드(SiC)를 포함하는 높은 열전도도를 가지면서 화학적으로 강건한 물질로 이루어진 나노 구조를 포함하는 나노 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 질화알루미늄을 포함하는 열전도도가 높고 EMC를 포함하는 패키징 몰딩 소재 또는 반도체 물질과 열 팽창 계수가 매칭되는 물질로 이루어진 상부 베이스 판 및 하부 베이스 판은 소결 처리된 물질로 제작되는 것을 포함하는 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 작동 유체는 실리콘 카바이드 나노 입자 또는 질화알루미늄 나노 입자를 포함하는 높은 열전도도를 갖는 나노 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 판상 열방출 소자는 대형화에 따라 상기 상부 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판의 함몰 방지를 위해 일정 간격마다 상기 베이스 판 및 상기 하부 베이스 판 사이에서 지지하는 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 고성능 및 고신뢰성 판상 열방출 소자.
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