KR20220165054A - 반도체 소자 열관리 모듈 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 소자 열관리 모듈에 관한 것이다. 본 발명에 의한 반도체 소자 열관리 모듈은, 반도체 소자의 열확산을 위해 그 반도체 소자에 적층되는 열확산 플레이트; 및 상기 열확산 플레이트 상에 형성되는 것으로, 냉각유체가 흐르는 다공성 채널이 형성되어 있는 히트 스프레더;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 반도체 소자 열관리 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전력반도체, 레이저, 레이더와 같은 고발열 반도체 소자의 방열 효율을 향상시킬 수 있도록, 구조 및 공정이 개선된 반도체 소자 열관리 모듈 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전자기기의 열관리를 위해 사용되는 heat pipe나 vapor chamber 등을 활용한 passive 냉각 방식은 100W/㎠ 이상의 고발열에서는 사용할 수 없게 되는데, 대부분의 전력반도체의 경우 이보다 훨씬 높은 열유속에서 작동하기 때문에 실제로 활용도가 떨어지는 단점이 있다.
따라서, 높은 열유속에서 작동하는 대부분의 전력반도체는 방열판 붙여서 사용하는 active 냉각 방식으로 열관리를 수행하여 왔다. 그러나, 이러한 active 냉각 방식에 의하면 방열판을 붙이기 위해 thermal interfacial material(TIM)의 사용으로 인해 총 열저항의 급격한 증가를 가져오는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전력 반도체 소자의 열관리 효율을 향상시킬 수 있게 하는 반도체 소자 열관리 모듈 및 이의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자 열관리 모듈은, 반도체 소자의 열확산을 위해 그 반도체 소자에 적층되는 열확산 플레이트; 및 상기 열확산 플레이트 상에 형성되는 것으로, 냉각유체가 흐르는 다공성 채널이 형성되어 있는 히트 스프레더;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 다공성 채널은, 상기 열확산 플레이트 상에 구리 전기 증착 방식에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
상기 히트 스프레더는 상대적으로 공극이 큰 제1다공성 채널을 가진 제1스프레더층과, 상기 제1스프레더의 상측에 배치되는 것으로, 상기 제1다공성 채널과 소통되되 그 제1다공성 채널보다 공극이 작은 제2다공성 채널을 가진 제2스프레더층을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명은 상기 히트 스프레더의 상측에 배치되어 상기 다공성 채널 측으로 냉각유체를 유입시켜 주기 위한 것으로, 상기 히트 스프레더의 다공성 채널과 소통 가능한 유로가 형성되어 있고, 상기 유로를 형성하는 냉각유체 유입라인과 배출라인이 서로 구획 형성되는 매니폴드;를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 매니폴드의 각 유입라인은, 입구는 개방되고 출구는 폐쇄된 구조로 이루어지며, 입구부터 출구 사이의 부분은 상기 다공성 채널을 가로지르는 축선 방향을 따라 길게 형성되며, 인접한 요소와의 사이에는 상기 배출라인이 배치되도록 구성되고, 상기 매니폴드의 각 배출라인은, 인접한 유입라인과는 반대로, 그 유입라인의 입구에 대응되는 부분은 폐쇄되고 출구에 대응되는 부분은 개방된 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 반도체 소자 열관리 모듈 제조 방법은 반도체 소자의 열확산을 위해 그 반도체 소자에 열확산 플레이트를 적층시키는 단계; 및 냉각유체가 흐르는 다공성 채널이 형성되어 있는 히트 스프레더를, 상기 열확산 플레이트 상에 형성시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 히트 스프레더 형성 단계는, 상대적으로 공극이 큰 제1다공성 채널을 가진 제1스프레더층을 상기 열확산 플레이트 상에 형성시키는 단계; 및 상기 제1다공성 채널과 소통되되 그 제1다공성 채널보다 공극이 작은 제2다공성 채널을 가진 제2스프레더층을 상기 제1스프레더층 상에 형성시키는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 반도체 소자 열관리 모듈은, 반도체 소자의 열관리를 위해 열간물질(TIM;thermal interfacial material)을 사용하는 종래기술과는 달리, 열확산 플레이트 및 히트 스프레더의 다공성 채널을 통해 냉각 유체에 의한 대류 방식으로 반도체 소자를 직접 냉각시킬 수 있도록 구성됨으로써, 상기 열간물질 제거로 인한 총 열저항 감소, 상기 다공성 채널을 통한 직접 냉각 및 그 다공성 채널의 열전달 면적 증가로 인하여 고성능 전력반도체의 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 종래기술에 의한 반도체 소자 열관리 모듈의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈의 단면도.
도 3은 본 발명 일실시예에 채용된 히트 스프레더의 다공성 채널을 형성시키는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명 일실시예에 채용된 히트 스프레더의 다공성 채널과 매니폴더 간의 배치 및 결합관계를 설명하기 위한 사시도.
도 5는 도 4에 도시된 구성을 평면에도 보인 도면.
도 6은 도 4에 도시된 구성을 측면에도 보인 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈에 채용된 히트 스프레더의 단면도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈 제조방법을 설명하기 위한 블럭도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈의 단면도.
도 3은 본 발명 일실시예에 채용된 히트 스프레더의 다공성 채널을 형성시키는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명 일실시예에 채용된 히트 스프레더의 다공성 채널과 매니폴더 간의 배치 및 결합관계를 설명하기 위한 사시도.
도 5는 도 4에 도시된 구성을 평면에도 보인 도면.
도 6은 도 4에 도시된 구성을 측면에도 보인 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈에 채용된 히트 스프레더의 단면도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈 제조방법을 설명하기 위한 블럭도.
이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
그리고, 이하의 설명에서 동일한 식별 기호는 동일한 구성을 의미하며, 불필요한 중복적인 설명 및 공지 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 상기 발명의 배경이 되는 기술에 대한 기재 내용과 중복되는 이하의 본 발명의 각 실시예에 관한 설명 역시 생략하기로 한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈의 단면도이고, 도 3은 본 발명 일실시예에 채용된 히트 스프레더의 다공성 채널을 형성시키는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 본 발명 일실시예에 채용된 히트 스프레더의 다공성 채널과 매니폴더 간의 배치 및 결합관계를 설명하기 위한 사시도이며, 도 5는 도 4에 도시된 구성을 평면에도 보인 도면이며, 도 6은 도 4에 도시된 구성을 측면에도 보인 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈은, 전력반도체의 열관리를 위해 사용되는 열간물질(TIM;thermal interfacial material)을 제거하여 총 열저항을 낮추고 냉각유체가 흐르는 다공성 채널(20)을 사용하여 대류 열저항을 높일 수 있게 하기 위한 것으로, 열확산 플레이트(1)와 히트 스프레더(2)를 포함하여 이루어진다.
상기 열확산 플레이트(1)는, 반도체 소자(A)의 열확산을 위해 그 반도체 소자(A)에 적층되는 것으로, 열전도율이 높은 골드(Gold), 구리, 알루미늄 또는 다이아몬드와 같은 재질로 형성되고, 넓은 표면을 통해 열이 분산하여 확산될 수 있도록 평판형으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 히트 스프레더(2)는, 상기 열확산 플레이트(1) 상에 형성되는 것으로, 냉각유체가 흐르는 다공성 채널(20)이 형성되어 있다. 상기 다공성 채널(20)은 3차원 공간상에서 서로 소통되게 배열되는 복수의 구 형성의 유로들을 포함하여 이루어진다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈은, 반도체 소자(A)의 열관리를 위해 열간물질(TIM;thermal interfacial material)을 사용하는 종래기술과는 달리, 열확산 플레이트(1) 및 히트 스프레더(2)의 다공성 채널(20)을 통해 냉각 유체에 의한 대류 방식으로 반도체 소자(A)를 직접 냉각시킬 수 있도록 구성됨으로써, 상기 열간물질 제거로 인한 총 열저항 감소, 상기 다공성 채널(20)을 통한 직접 냉각 및 그 다공성 채널(20)의 열전달 면적 증가로 인하여 고성능 전력반도체의 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
상기 다공성 채널(20)은, 다양한 방법으로 구현할 수 있음은 물론이나, 본 실시예에서는 성형 공정의 효율성 향상 및 원가 절감을 위해 상기 열확산 플레이트(1) 상에 구리 전기 증착 방식에 의해 형성되었다.
즉, 상기 다공성 채널(20)은, 도 3에 잘 도시된 바와 같이, 폴리스티렌(PS) 재질의 구형 알갱이들을 용매에 넣고 고르게 분산시킨 후(a), 열을 가하여 용매를 증발시키고(b), 열을 가하여 구형 알갱이들이 서로 늘러 붙도록 한 다음(c), 열확산 플레이트(1) 상에 구리를 전기 증착 방식으로 상기 구형 알갱이들 사이사이에 메워지도록 형성시킨 이후(d), 상기 알갱이들을 에칭(eching) 방식으로 제거(e)함으로써 형성된다.
본 발명은, 도 4 내지 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 상기 히트 스프레더(2)의 상측에 배치되어 상기 다공성 채널(20) 측으로 냉각유체를 유입시켜 주기 위한 매니폴드(3)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 매니폴드(3)는, 상기 히트 스프레더(2)의 다공성 채널(20)과 소통 가능한 유로가 형성되되, 상기 유로는 냉각유체 유입라인(31)과 배출라인(32)이 서로 구획 형성된다.
이러한 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈은, 도 6에 잘 도시된 바와 같이, 히트 스프레더(2)의 상측에 배치되는 매니폴드(3)를 통해 냉각유체가 상측에서 하측으로 넓은 표면적에 분산하여 인젝션(injection)되도록 구성됨으로써, 종래의 국부적인 냉각에 그치지 않고 충돌 분사(Jet impinging)에 의해 높은 대류 열전달 효과를 얻을 수 있는 장점을 가진다.
특히, 본 실시예에 채용된 매니폴드(3)의 각 유입라인(31)은, 도 4 및 도 5에 잘 도시된 바와 같이 입구는 개방되고 출구는 폐쇄된 구조로 이루어지며, 입구부터 출구 사이의 부분은 상기 다공성 채널(20)을 가로지르는 축선 방향을 따라 길게 형성되며, 인접한 요소와의 사이에는 상기 배출라인(32)이 배치되도록 구성된다.
또한, 상기 매니폴드(3)의 각 배출라인(32)은, 인접한 유입라인(31)과는 반대로, 그 유입라인(31)의 입구에 대응되는 부분은 폐쇄되고 출구에 대응되는 부분은 개방된 구조로 형성된다.
이러한 구성을 가지는 본 실시예는 다른 추가적인 구조 없이도 매니폴드(3) 자체의 구조에 기인하여 냉각유체의 유입 및 배출이 가능하게 됨으로써, 간소한 구성에 의해서도 냉각유체의 유동 경로 형성이 가능하여 반도체 패키징 구조의 간소화 및 소형화에 기여할 수 있는 장점과, 냉각 유체가 넓은 면적에 걸쳐 골고루 분산하여 히트 스프레더(2)의 다공성 채널(20)에 유입되게 함으로써 반도체 소자(A)의 냉각효율을 향상시킬 수 있는 장점을 도출한다.
한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈에 채용된 히트 스프레더의 단면도이다.
이 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 채용된 히트 스프레더(200)는 상대적으로 공극이 큰 제1다공성 채널(201a)을 가진 제1스프레더층(201)과, 상기 제1스프레더층(201)의 상측에 배치되는 것으로, 상기 제1다공성 채널(201a)과 소통되되 그 제1다공성 채널(201a)보다 공극이 작은 제2다공성 채널(202a)을 가진 제2스프레더층(202)을 포함하여 이루어진다.
이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상대적으로 공극이 큰 제1다공성 채널(201a)을 통해 비등지연을 억제시킬 수 있게 하고, 상대적으로 공극이 작은 제2다공성 채널(202a)을 통해 임계열유속 증가를 도모할 수 있게 함으로써, 다공성 채널의 계층적 구조 형성을 통해 결국 냉각효율 향상을 극대화시킬 수 있는 장점을 가진다.
이하에서는 도 8을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈 제조 방법은, 열확산 플레이트 적층 단계(S1)와 히트 스프레더 형성 단계(S2)를 포함하여 이루어진다.
상기 열확산 플레이트 적층 단계(S1)에서는 반도체 소자의 열확산을 위해 그 반도체 소자에 열확산 플레이트가 적층되고, 상기 히트 스프레더 형성 단계(S2)에서는 냉각유체가 흐르는 다공성 채널이 형성되어 있는 히트 스프레더가 상기 열확산 플레이트 상에 형성된다.
이러한 구성을 가지는 본 실시예에 따른 반도체 소자 열관리 모듈 제조방법은, 반도체 소자에 적층되는 열확산 플레이트 상에, 다공성 채널을 가진 히트 스프레더를 형성시킴으로써, 반도체 소자의 열관리를 위해 열확산 플레이트와 냉각기 간의 접합을 위해 열간물질(TIM;thermal interfacial material)을 개재시켜 주어야 하는 종래기술과는 달리, 제조공정의 효율을 향상시켜 제조원가 절감을 가능하게 함은 물론, 상기 히트 스프레더의 다공성 채널을 통해 냉각 유체에 의한 대류 방식으로 반도체 소자를 직접 냉각시킬 수 있게 하여 고성능 전력반도체의 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있게 한다.
상기 히트 스프레더 형성 단계에서는 하나의 다공성 채널이 형성되도록 구성될 수 있음은 물론이나, 상대적으로 공극이 큰 제1다공성 채널을 가진 제1스프레더층을 상기 열확산 플레이트 상에 형성시키는 공정이 수행되고, 이후 상기 제1다공성 채널과 소통되되 그 제1다공성 채널보다 공극이 작은 제2다공성 채널을 가진 제2스프레더층을 상기 제1스프레더층 상에 형성시키는 공정이 수행되도록 구성될 수 있다.
상기 제1스프레더층과 제2스프레더층은 동일한 재질에 의해 동일한 방식으로 형성될 수 있으나, 예컨대 제1스프레더층은 Oxygen plasma reactive ion etching 방식에 의해 다이아몬드 재질의 다공성 채널을 갖도록 형성되고, 제2스프레더층은 앞에서 설명한 구리 전기 증착 방식에 의해 구리 재질의 다공성 채널을 갖도록 형성될 수 있음은 물론이다.
이상 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
1:열확산 플레이트
2:히트 스프레더
20:다공성 채널 3:매니폴드
31:유입라인 32:배출라인
A:반도체 소자
20:다공성 채널 3:매니폴드
31:유입라인 32:배출라인
A:반도체 소자
Claims (9)
- 반도체 소자의 열확산을 위해 그 반도체 소자에 적층되는 열확산 플레이트; 및
상기 열확산 플레이트 상에 형성되는 것으로, 냉각유체가 흐르는 다공성 채널이 형성되어 있는 히트 스프레더;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 열관리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 채널은, 상기 열확산 플레이트 상에 구리 전기 증착 방식에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 열관리 모듈. - 제1항에 있어서,
상기 히트 스프레더는 상대적으로 공극이 큰 제1다공성 채널을 가진 제1스프레더층과, 상기 제1스프레더의 상측에 배치되는 것으로, 상기 제1다공성 채널과 소통되되 그 제1다공성 채널보다 공극이 작은 제2다공성 채널을 가진 제2스프레더층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 열관리 모듈. - 제1항에 잇어서,
상기 히트 스프레더의 상측에 배치되어 상기 다공성 채널 측으로 냉각유체를 유입시켜 주기 위한 것으로, 상기 히트 스프레더의 다공성 채널과 소통 가능한 유로가 형성되어 있고, 상기 유로를 형성하는 냉각유체 유입라인과 배출라인이 서로 구획 형성되는 매니폴드;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 열관리 모듈. - 제4항에 있어서,
상기 매니폴드의 각 유입라인은, 입구는 개방되고 출구는 폐쇄된 구조로 이루어지며, 입구부터 출구 사이의 부분은 상기 다공성 채널을 가로지르는 축선 방향을 따라 길게 형성되며, 인접한 요소와의 사이에는 상기 배출라인이 배치되도록 구성되고,
상기 매니폴드의 각 배출라인은, 인접한 유입라인과는 반대로, 그 유입라인의 입구에 대응되는 부분은 폐쇄되고 출구에 대응되는 부분은 개방된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 열관리 모듈. - 반도체 소자의 열확산을 위해 그 반도체 소자에 열확산 플레이트를 적층시키는 단계; 및
냉각유체가 흐르는 다공성 채널이 형성되어 있는 히트 스프레더를, 상기 열확산 플레이트 상에 형성시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 열관리 모듈 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 히트 스프레더 형성 단계는,
상대적으로 공극이 큰 제1다공성 채널을 가진 제1스프레더층을 상기 열확산 플레이트 상에 형성시키는 단계; 및
상기 제1다공성 채널과 소통되되 그 제1다공성 채널보다 공극이 작은 제2다공성 채널을 가진 제2스프레더층을 상기 제1스프레더층 상에 형성시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 열관리 모듈 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 히트 스프레더의 상측에 상기 다공성 채널 측으로 냉각유체를 유입시켜 주기 위한 매니폴드를 배치시키되, 상기 다공성 채널과 소통되는 냉각유체 유입라인과 배출라인이 서로 구획되게 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 열관리 모듈 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 매니폴드의 각 유입라인은, 입구는 개방되고 출구는 폐쇄된 상태로 서로 간격을 두고 배치되고, 상기 매니폴드의 각 배출라인은, 상기 유입라인과는 반대로 그 유입라인의 입구에 대응되는 부분은 폐쇄되고 출구에 대응되는 부분은 개방된 상태로 서로 간격을 두고 배치되며,
상기 각 배출라인은 인접한 한 쌍의 유입라인들 사이에 배치되게 하고, 각 유입라인은 인접한 한 쌍의 배출라인들 사이에 배치되게 하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자 열관리 모듈 제조 방법.
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| KR1020210073531A KR102539336B1 (ko) | 2021-06-07 | 2021-06-07 | 반도체 소자 열관리 모듈 및 이의 제조 방법 |
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| KR20220165054A true KR20220165054A (ko) | 2022-12-14 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102552852B1 (ko) * | 2022-12-26 | 2023-07-10 | 한국과학기술원 | 방열 장치 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5283568A (en) * | 1976-01-01 | 1977-07-12 | Fujisawa Pharmaceut Co Ltd | Piperidine derivatives |
| JP2005032881A (ja) * | 2003-07-09 | 2005-02-03 | Toyota Industries Corp | 電機器システム、電機器モジュールの冷却装置およびその冷却装置用多孔質放熱体 |
| JP2012043954A (ja) * | 2010-08-18 | 2012-03-01 | Fujitsu Ltd | 半導体装置 |
| JP2014140026A (ja) * | 2012-12-21 | 2014-07-31 | Denso Corp | 放熱シート、放熱装置、放熱装置の製造方法 |
| KR20210068844A (ko) | 2019-12-02 | 2021-06-10 | 엘티소재주식회사 | 헤테로고리 화합물 및 이를 포함하는 유기 발광 소자 |
-
2021
- 2021-06-07 KR KR1020210073531A patent/KR102539336B1/ko active IP Right Grant
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