열전달 효율 및 생산성 개선을 위한 Micro Heat pipe Heat Spreader 의 설계 및 제작

Abstract

전자 산업의 발전에 기반이 되는 반도체 산업의 영향으로 고성능의 반도체 부품의 성능은 급격하게 발전하고 있다. 초집적화를 지향하는 반도체 산업은 그 성능의 발전만큼 발열량 또한 증가하게 되는데, 최근에는 발생되는 열에 대하여 효과적으로 열방출을 시키는 것이 중요한 요소로서 연구되고 있다. 1984년 Cotter에 의해 개발된 마이크로 히크파이프 (MHP: Micro Heat Pipe)가 가진 뛰어난 열전달 능력과 더불어 무소음, 무전원 공급이란 장점은 초소형 전자부품에서 발생되는 Hot Spot의 효과적인 열방출에 우수한 해결책을 줄수 있을 것으로 많은 연구가 되고 있다. 현재까지 연구된 마이크로히트파이프(MHP; Micro Heat pipe)는 MEMS(Micro Electro Mechanical System)공정의 기반이 되는 반도체 공정에서 Bulk Micro Machining기법을 통하여 수십마이크로의 채널을 제작하여, 그 성능을 평가하였고, 국부적인Hot Spot에서 넓은 면적의 히트싱크(Heat Sink)로의 효과적인 열방출을 위해 방사형태를 가진 마이크로히트파이프히트스프레더(MHPHS; Micro Heat pipe Heat Spreader)의 채널구조 역시 같은 유형의 반도체 공정을 통하여 제작하고 있다. 반도체 공정을 통한 마이크로히트파이프(Micro Heat pipe Heat spreader)의 제작은 수십 마이크로 단위의 채널의 그루브(Groove)를 형성하기 위해서 반도체 공정르 통해 5 ~ 6단계의 공정을 거치게 된다. 그러나, 이러한 방식은 단순한 형태의 그루브(Groove)라도 5 ~ 6단계의 반도체 공정를 거쳐야 하고, 또한 중소 업체의 경우에, 현재 출시되고 있는 다양한 형태의Chip에 적합한 각각의 디자인에 능동적으로 대응 하기에는 반도체 공정장비를 확보하기 위해 많은 투자비가 장애로 작용할 것으로 보인다. 본 연구에서는 이러한 장애를 극복 하고자, 상대적으로 적은 공정과 함께 투자비 부담을 감소 시킬수 있도록 하였다. 기본적으로는 히트파이프(Heat pipe)의 원리를 이용하여 본 연구 논문의 표제와 같이 ‘효과적인 열전달 효율과 생산성 개선을 위한 Heat pipe heat spreader 를 설계 및 제작’하고 그 성능을 분석 하였다. 히트파이프히트스프레더(Heat pipe Heat Spreader)의 경우에는, 그루브(Groove)를 형성하기 위해 Test용 금형을 제작한 후 Stamping 공정을 통하여Aluminum Plate에 200μm 깊이의 그루브(Groove)를 형성하였고, Chemical Bonding으로 상호간에 접합하였다. 작동 유체는 DI Water를 Steam Blow 방식으로 약 70%의 Fill rate로 주입하였다. 초 집적화된 전자 부품에서의 발열을 재현하기 위해서는 마이크로히터(Micro Heater)를 MEMS(Micro Electro Mechanical System)공정으로 제작하여 Power Supply를 통해 Contorl할 수 있도록 하였고, Hot Spot은 구리(Copper)를 8 x 8 mm의 단면적으로 히트싱크(Heat sink)와 접촉될수 있도록 제작하여, 마이크로히터(Micro Heater)로부터 발생된 열을 히트싱크(Heat Sink)로 전달 하는 매개체 역할을 하도록 하였다. 온도 측정은 K-type의 열전쌍(Thermocouple)을 Hot Spot에 부착하여, 5watt에서 25watt까지 5watt단위로 증가하는 Power Input에 대한 온도 변화를 제작된 MHPHS를 부착한 상태와 부착하지 않은 상태간에 비교 측정하였고, 그 결과 부착한 경우에 Hot Spot의 온도는 부착하지 않은 상태보다 7.9C의 온도 감소 효과가 있었다. 실험에 대한 결과로 공정수를 줄이고 투자부담을 줄이기 위한 시도에서 그 가능성을 발견할 수 있었다.; This paper describes the development of the productive micro Heat pipe heat spreader (MHPHS) with a three-layer structure machined by the general press tool. The MHPHS were designed to allow effective heat dissipation. The 60 x 60mm2 MHPHS array was fabricated by using stamping tooling method and etching techniques on metal sheet to improve the productivity and to reduce the large investment. Experiments were undertaken to evaluate the performance of MHPHS with Aluminum plate at different input powers and thermal distribution in heat sink. We glued a heater below the Heat Sink and pasted K-type thermocouples to record the variations of Hot spot’s temperature. As a result, the productive MHPHS showed the possibility to apply the general stamping tool to make grooved channel.