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KR100442888B1 - 히트 파이프 및 열전 냉각기를 이용한 조밀한 칩 패키징용장치 - Google Patents

히트 파이프 및 열전 냉각기를 이용한 조밀한 칩 패키징용장치 Download PDF

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KR100442888B1
KR100442888B1 KR10-2001-0071207A KR20010071207A KR100442888B1 KR 100442888 B1 KR100442888 B1 KR 100442888B1 KR 20010071207 A KR20010071207 A KR 20010071207A KR 100442888 B1 KR100442888 B1 KR 100442888B1
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KR
South Korea
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heat
region
capillary
gas
heat source
Prior art date
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Inventor
우탐스야말린두 고샬
Original Assignee
인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Publication date
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Abstract

히트 파이프 및 열전 냉각기를 이용한 조밀한 칩 패키징을 위한 장치가 제공된다. 이 장치는 증발 영역, 응축 영역 및 캐필러리 영역을 포함한다. 이 증발 영역은 히트 소스로부터의 열을 이송 유체로 전달하기 위해 이용되는 하나 이상의 열점(hot point) 소자들을 포함한다. 열이 이송 유체에 가해질 때, 이송 유체는 기체로 상태가 변화된다. 이 기체는 기체 채널을 통해 응축 영역으로 이동하여, 이 기체로부터의 열을 히트 싱크로 전달함으로써 다시 한번 유체로 응축된다. 이 후, 이 응축된 유체는 캐필러리력 및 캐필러리 구조체 내에 형성된 캐필러리에 의해서 증발 영역으로 반송된다. 이 캐필러리 구조체에 형성된 캐필러리는 나무형 또는 프랙탈 지오메트리를 갖는다. 이 장치는 장치의 코너 및 가장자리 주위가 구부러질 수 있도록 하는 유연한 영역을 더 포함할 수 있다.

Description

히트 파이프 및 열전 냉각기를 이용한 조밀한 칩 패키징용 장치{APPARATUS FOR DENSE CHIP PACKAGING USING HEAT PIPES AND THERMOELECTRIC COOLERS}
본 발명은 히트 파이프 및 열전(thermoelectric) 냉각기를 이용한 조밀한 칩 패키징을 위한 장치에 관한 것이다.
전자 회로에서의 전력 밀도가 증가함에 따라 회로 밖으로 열을 전달하기 위한 시스템의 향상에 대한 요구가 생겼다. 전력 밀도는 집적도 및 동작 속도가 증가함에 따라 증가한다. 따라서, 전자 회로가 더 집적화되고 동작 속도가 증가함에 따라, 회로 밖으로 열을 전달하기 위한 요구가 상당히 중요하게 되었다.
히트 파이프는 집적 회로로부터의 열 제거 향상에 도움을 줄 수 있다. 마이크로-히트 파이프는 운전(working) 유체로 충전된 작은 덕트를 이용하여 고온 장치로부터의 열을 전달한다. 이 덕트는 일반적으로 직선형 채널로서, 표면 안으로 절단 또는 밀링된다. 유체의 증발 및 응축으로 덕트를 통하여 열을 전달한다. 유체는 덕트의 가열 영역에서 기화한다. 이 기체는 덕트의 냉각부로 이동하여 응축된다. 응축된 액체는 덕트의 코너에 모이며, 캐필러리력(capillary force)으로 이유체를 다시 증발 영역으로 끌어 모은다. 유체가 포화 상태에 이르면, 덕트의 내부는 거의 등온이다.
본 명세서에 포함되어 참조되는 미국특허 제5,769,154호 및 제5,947,183호는 히트 파이프 시스템 내의 유체를 분배하기 위한 윅(wick) 구조를 개시한다. 이 윅 구조는 유체를 다수의 방향으로 흘릴 수 있어서, 유체를 가열 영역으로 반송할 수 있다. 그러나, 이 윅 구조는 임의의 구성을 갖는 윅 구조로 인해 높은 유체 저항을 갖지만, 유체로의 열 전달 면에서는 효과적이지 못하고, 유연성이 없어서, 정밀한 에플리케이션에 상기 윅 구조를 이용할 때에는 제한이 따른다. 따라서, 향상된 캐필러리 구조체 및 기화실을 갖는 히트 파이프 장치를 구비함으로써, 히트 파이프의 동작을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 더불어, 유연한 히트 파이프 장치를 구비하여 다수의 다른 구현을 위해 이용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 히트 파이프의 기본 동작을 예시한 일례의 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 히트 파이프 구조체의 평면 및 단면도를 예시한 일례의 블록도.
도 3은 도 2의 히트 파이프 구조체의 동작을 예시한 일례의 블록도.
도 4는 본 발명의 선형 히트 파이프 구조체의 일 실시예를 예시한 일례의 도면.
도 5는 본 발명의 선형 히트 파이프 구조체의 일 실시예의 단면도를 예시한 일례의 블록도.
도 6은 본 발명의 선형 히트 파이프 구조체의 일 실시예의 구현예를 예시한 일례의 블록도.
도 7a 및 7b는 본 발명의 히트 파이프를 이용한 칩 패키지의 2개의 가능한 구성을 예시한 일례의 블록도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 히트 소스 120: 히트 싱크
130: 냉각액 150: 기화실
160: 응축실 210: 증발 영역
220: 캐피러리 영역 225: 응축 영역
230, 240: 기판 235: 기화로
245: 캐필러리 구조체 260: 이송 유체
270: 시일
히트 파이프 및 열전 냉각기를 이용한 조밀한 칩 패키징을 위한 장치가 제공된다. 이 장치는 증발 영역, 응축 영역 및 캐필러리 영역을 포함한다. 이 증발 영역은 히트 소스로부터의 열을 이송 유체로 전달하기 위해 이용되는 하나 이상의 열점(hot point) 소자들을 포함한다. 열이 이송 유체에 가해질 때, 이송 유체는 기체로 상태가 변화된다. 이 기체는 기체 채널을 통해 응축 영역으로 이동하여, 이 기체로부터의 열을 히트 싱크로 전달함으로써 다시 한번 유체로 응축된다. 이 후, 이 응축된 유체는 캐필러리력 및 캐필러리 구조체 내에 형성된 캐필러리에 의해서 증발 영역으로 반송된다. 이 캐필러리 구조체에 형성된 캐필러리는 나무형 또는 프랙탈 지오메트리(fractal geometries)를 갖는다. 이 장치는 장치의 코너 및 가장자리 주위가 구부러질 수 있도록 하는 유연한 영역을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 특징으로 여겨지는 신규성은 첨부된 청구항들에 개시되어 있다. 그러나, 본 발명 자체와 함께 그 양호한 이용 형태, 다른 목적 및 장점들은 이하의 실시예의 상세한 설명을 참조하여 첨부된 도면과 관련하여 읽혀질 때 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 히트 파이프의 기본 동작을 예시한 일례의 블록도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 히트 파이프는 히트 소스(110)로부터의 열을 히트 싱크(120)로 전달하는 작용을 한다. 히트 소스(110)로부터의 열은 이 열에 의해서 기체로 변화되는 냉각액(130)에 전달된다. 이 기체는 히트 파이프(140) 아래에서 기화실(150)을 거쳐 응축실(160)로 이동한다. 응축실(160)에서는 열이 히트 싱크(120)로 전도되고, 그 결과 기체는 액체로 다시 변화된다.
응축실(160)에 응축된 액체는 히트 파이프 구조체를 구성하는 재료에서의 캐필러리력(capillary force)에 의해서 기화실(150)로 반송된다. 예를 들면, 히트 파이프는 다공질 유리 재료(벽의 단면이 원형 구멍으로 도시됨)로 이루어질 수 있다. 유리 재료의 구멍은 냉각액이 기화실(150)로 반송될 수 있는 채널을 제공한다. 여기서는 압력차가 있으며 냉각액이 표면 장력에 의해 일부 다른 냉각액에 끌리기 때문에, 캐필러리력으로 냉각액을 유리 재료의 구멍을 통해 기화실(150)로 반송시킨다.
본 발명은 집적 회로 칩과 함께 이용하기 위한 개선된 히트 파이프 구조체를 제공한다. 본 발명은 기체에 의해서 효과적인 상 변화 및 효과적인 열 제거를 제공하기 위해 증발기 내의 소자들을 이용한다. 더불어, 본 발명은 최소 유동 저항으로 최대 캐필러리력을 제공하는 프랙탈 및 구조적 지오메트리에 기초한 캐필러리 구조체를 이용한다. 또한, 본 발명은 코너 및 가장자리를 용이하게 구부릴 수 있는 유연한 구조체를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 히트 파이프 구조체의 평면 및 단면도를 예시한 일례의 블록도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 히트 파이프 구조체는 3개의 주요 영역, 즉, 증발 영역(210), 캐필러리 영역(220) 및 응축 영역(225)을 갖는다. 도시된 예에서의 여러 개의 영역들은 동심원들로 형성되어 있는데, 증발 영역(210)이 중심에 배치되고, 이 증발 영역(210) 주위에 캐필러리 영역(220)이 형성되고, 이 캐필러리 영역(220) 주위에 응축 영역(225)이 형성되어 있다.
증발 영역(210)은 히트 소스로부터의 열을 이송 유체로 전달하는 작용을 하고, 이 이송 유체는 열을 히트 싱크로 이송하기 위해 이용된다. 히트 소스는 발열가능한 소정 타입의 장치이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 히트 소스는 고온의 집적 회로 칩이다. 이 히트 소스는 증발 영역(210)의 배면측에 배치되어, 히트 소스로부터의 열을 히트 소스로부터 증발 영역(210) 내의 소자로 전달하고, 이어서 이 열을 이송 유체로 전달한다.
이송 유체는 열이 가해질 때 액체 상태에서 기체 상태로 상태를 변화시킬 수 있는 소정 타입의 액체이다. 이용되는 특정한 이송 유체는 히트 소스의 동작 온도및 이송 유체의 기화점에 따라 달라진다. 예를 들면, 히트 소스가 25℃ 내지 50℃의 온도 범위에서 동작하면, 이송 유체로는 기화점이 약 50℃인 메탄올 같은 알콜이 좋다. 50℃보다 높은 온도 범위에서는, 예를 들면 물이 이용되는 것이 좋다. 25℃보다 낮은 온도에서는, 예를 들면 프레온이 이용되는 것이 좋다. 다른 이송 유체가 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 이용되어도 좋다.
증발 영역(210) 내의 이송 유체에 열을 전달할 때, 이송 유체는 기체 상태로 상태가 변화한다. 이 기체는 캐필러리 영역(220) 내의 기체 채널을 거쳐서 응축 영역(225)으로 이동한다. 이 응축 영역과 연관된 히트 싱크는 기체로부터의 열을 흡수하여 이 기체를 다시 액체 상태로 상태 변화시킨다. 이 후, 이송 유체가 응축되어 캐필러리 영역(220) 내의 캐필러리를 통하여 증발 영역(210)으로 반송된다.
액체의 캐필러리력으로 이송 유체를 히트 파이프 구조체의 중심, 즉 증발 영역(210)으로 이동시킨다. 캐필러리 영역(220) 내의 캐필러리는 나무형의 구조로 형성된다. 이 나무형 구조는 표면 저항을 최소로 하면서 더 큰 캐필러리력을 제공할 수 있다. 이러한 나무형 구조는 일반적으로 본 명세서에 편입되어 참조되는 "1997년 John Wiley and Sons 저 Adrian BejansAdvanced Engineering Thermodynamics"에 개시되어 있다.
이 나무형 구조가 캐필러리 영역(220) 내에 형성하는 것이 가장 쉬운 것이지만, 다른 구조가 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 이용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 예를 들면 캐필러리 구조는 프랙탈 지오메트리를 이용하여 정의된다. 프랙탈 지오메트리를 이용함으로써 프랙탈 지오메트리의 면적은 동일한 채로 있으면서 프랙탈 지오메트리의 둘레가 이론적으로는 무한대 증가될 수 있다. 프랙탈 지오메트리는 캐필러리 영역 면적을 정의하고, 정해진 면적을 채우기 위해 Kohns algorithm 같은 프랙탈 알고리즘을 이용함으로써 결정된다. 이 후, 그 결과의 지오메트리가 캐필러리 영역 기판 내로 에칭될 수 있다.
영역(210-230)의 단면도가 또한 도 2에 제공되어 있다. 도 2에 나타낸 소자들은 비례적인 것이 아니며, 관련 치수는 예시의 용이화를 위하여 과장되어 있다. 따라서, 도 2는 설명을 목적으로 제공된 것일 뿐이며, 본 발명의 히트 파이프 구조체를 구성하기 위한 청사진을 제공하려는 의도가 아니다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 히트 파이프 구조체의 천정 및 바닥은 기판(230, 240)으로 이루어져 있다. 이들 기판(230, 240)은 후술되는 소자를 하우징할 수 있는 소정의 재료로 이루어지는 것이 좋다. 예를 들면, 기판(230, 240)은 구리, 실리콘, 이소토픽 실리콘 Si-28, 구리 도금된 실리콘 등의 고 열 전도성 재료로 이루어지는 것이 좋다. 예를 들면, 바람직한 실시예에서 기판(230, 240)은 이것의 높은 열 전도성 및 다른 재료보다도 비교적 낮은 비용 때문에 구리로 이루어진다.
증발 영역(210)은, 예를 들면 집적 회로 칩 같은 히트 소스로부터의 열을 이송 유체로 전달하기 위한 다수의 소자(250)를 포함한다. 이 소자(250)는 히트 소스로부터의 열을 이송 유체로 전달할 수 있는 소정 타입의 소자인 것이 좋다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 소자(250)는 원뿔형의 열점이다. 원뿔형의 열점이 바람직한 실시예에서 이용되는데, 그 이유는 꼭지점이 기체를 형성하기 위한 더 많은 핵 형성 지점을 갖으면서 열속(heat flux) 밀도를 증가시키기 때문이다. 열은 열점으로부터 기화하는 이송 유체로 전달된다. 원뿔형의 열점 어레이의 제조 및 이용은, 예를 들면 본 명세서에 편입되어 참조되는 공동 양도되어 계류중인 "ENHANCED INTERFACE THERMOELECTRIC COOLERS WITH ALL-METAL TIPS"란 제목의 미국특허출원 No.09/731,616, "THERMOELECTRIC COOLERS WITH ENHANCED STRUCTURED INTERFACES"란 제목의 미국특허출원 No. 09/731,997, "ENHANCED INTERFACE THERMOELECTRIC COOLERS WITH ALL-METAL TIPS"란 제목의 미국특허출원 No. 09/731,614 및 "COLD POINT DESIGN FOR EFFICIENT THERMOELECTRIC COOLERS"란 제목의 미국특허출원 No.09/731,999에 개시되어 있다.
원뿔형의 열점이 바람직한 실시예에서 이용되는 것으로 개시되었지만, 열점의 몸체 형상이 반드시 원뿔일 필요는 없다. 오히려, 열점이 가늘어지는 점으로 끝나는 임의의 구성이 이용되어도 좋다. 따라서, 원뿔형 열점보다는 오히려 피라미드형 열점이 이용되어도 좋다.
캐필러리 영역(220)은 기체 채널(235) 및 캐필러리 구조체(245)를 포함한다. 기체 채널(235)은 증발 영역(210)으로부터 응축 영역(225)으로 기체를 이송하기 위해 이용된다. 캐필러리 구조체(245)는 이 캐필러리 구조체(245) 내에 형성된 캐필러리를 포함한다. 이 캐필러리 구조체(245) 내의 캐필러리는 응축된 이송 유체가 증발 영역(210)으로 반송될 수 있는 채널을 제공한다.
캐필러리 구조체(245) 내의 캐필러리는, 예를 들면 포토리소그라피 마스킹및 반응성 이온 에칭 기술에 의해 형성되는 것이 좋다. 전기도금 공정이 또한 캐필러리 구조체(245)를 형성하기 위해 이용되어도 좋다. 또한, 기판의 레이저 절단으로도 적절한 캐필러리 구조체를 형성할 수도 있다. 일반적으로, 미세 가공에 적용되는 공정이 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 본 발명의 캐필러리 구조체(245)를 형성하기 위해 이용될 수 있다.
응축 영역(225)은 응축된 이송 유체(260) 및 시일(seal; 270)을 포함한다. 냉각판(미도시), 열전 냉각기, 방열핀 등의 히트 싱크가 기판(230)의 반대면 상에 장착될 수 있다. 시일(270)은 히트 파이프 구조체의 적당한 순환 동작을 가능하게 하고 히트 파이프 구조체에 오염물이 들어가는 것을 방지하기 위하여 히트 파이프 구조체를 시일하는 작용을 한다. 또한, 기판(230, 240)은, 예를 들면 보론-포스포러스-실리케이트-유리 본딩에 의해 용접 시일될 수 있다.
이송 유체는 기판(230, 240) 및 시일(270)에 의해 규정된 용적으로 포트(미도시)를 통해 히트 파이프 구조체에 도입될 수 있다. 필요하다면, 이 이송 유체는 진공 중에서 포트를 통해 히트 파이프 구조체 내로 도입될 수 있다. 이 후, 포트가 예를 들면 에폭시 충전 또는 레이저 용해 용접에 의해서 시일될 수 있다. 히트 파이프 구조체는 또한 당업자에게 공지된 주입식 충전, 보일 오프(boil off) 및 권축(crimp) 시일 공정을 통해 충전되는 것이 좋다. 히트 파이프 구조체에 도입되는 이송 유체량은 응축 영역(225)에서의 응축 방울이 기판(240)의 응축 영역 표면과 캐필러리 구조체(245) 사이를 브리지할 정도로 충분해야 한다.
응축된 이송 유체(260)는 히트 싱크(미도시)에 의해 흡수되는 열로 인해 응축 영역(225)에서 응축되는 기체로부터 얻어진다. 기체의 열 손실로 인해 이 기체는 다시 액체 상태로 상태 변화된다. 이 후, 액체는 중력 또는 로컬 윅 구조체에 의해 응축 영역의 바닥에 모여서, 캐필러리 구조체(245) 내의 캐필러리를 통해 증발 영역(210)으로 다시 이송된다.
도 3은 본 발명의 히트 파이프 구조체의 일 실시예의 동작을 예시한 일례의 블록도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 히트 소스로부터의 열은 칩으로부터 열점을 거쳐서 이송 유체로 전달된다. 이송 유체는 열이 가해질 때 액체 상태에서 기체 상태로 변화된다. 이 후, 기체는 캐필러리 영역 내의 기체 채널을 거쳐서 응축 영역으로 이동한다.
응축 영역에서는 기체 내의 열이 방열기에 전달된다. 이 열 손실로 인해 기체는 다시 액체로 변환된다. 응축된 이송 유체는 응축 영역의 바닥에 담긴다. 액체의 캐필러리력으로 이송 유체가 캐필러리 영역에 형성된 캐필러리를 통하여 다시 증발 영역 및 열점으로 이동하도록 한다. 이 공정은 히트 파이프 구조체가 동작하고 히트 소스가 있는 한 주기적으로 반복된다.
도 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 바람직한 일 실시예의 히트 파이프 구조체는 원형 지오메트리를 갖는다. 이 원형 지오메트리는 히트 파이프 구조체가 대부분의 반도체 실리콘 웨이퍼 상에 형성되도록 할 뿐만 아니라, 원형 실리콘 웨이퍼 상에 자체로 형성되는 증발 영역 내에 집적 회로를 배치할 수 있도록 한다. 또한, 원형 지오메트리는 원형 히트 파이프 구조체의 외부 가장자리 또는 주변을 실링함으로써 이 구조체의 실링을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 일부 에플리케이션에 본 발명의 히트 파이프 구조체의 선형 구조를 제공한다. 도 4는 본 발명에 따른 선형 히트 파이프 구조체의 일례의 블록도를 나타낸다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 히트 파이프 구조체는 선형 형태로 기판(440)에 형성된 증발 영역(410), 캐필러리 영역(420) 및 응축 영역(430)을 포함한다. 일단, 상기 영역들이 형성되면, 기판은 잉여 기판을 제거하기 위해 에칭된다.
도 5는 본 발명의 선형 히트 파이프 구조체의 일 실시예의 단면도를 제공한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 이 구조체는 하나의 캐필러리 영역 및 하나의 응축 영역만이 단면도로 제공된 것을 제외하면 본질적으로 원형 지오메트리 실시예와 동일하다.
또한, 선형 구조체는 유연성 구조체 영역(510)을 포함할 수 있다. 이 유연성 영역은 증발 영역, 캐필러리 영역 및 응축 영역 중 하나 이상에 걸쳐 있게 된다. 도시된 예에서는, 유연성 구조체 영역(510)이 캐필러리 영역에만 걸쳐 있다.
유연성 구조체 영역(510)은 에칭에 의해서 노치된 기판(520)을 포함한다. 더불어, 기체 채널 및 캐필러리 구조체는 고정될 수 있는 재료로 형성된다. 예를 들면, 기체 채널 및 캐필러리 구조체는 전기 도금된 구리, Si-28 등으로 형성되는 것이 좋다. 전기 도금된 구리가 그 높은 열 전도성, 용이한 형성 능력 및 저비용으로 인해 바람직한 실시예에서 이용된다.
기판(520) 내의 노치부 및 히트 파이프와 캐필러리 구조체의 유연성 재료는 유연성 구조체 영역(510)을 고정시켜서, 전체 히트 파이프 구조체가 가장자리, 힌지 등을 가로질러 구부러지도록 한다. 전체 구조체의 유연도는 본 발명의 히트 파이프 구조체의 여러 가지 에플리케이션을 고려해야 한다.
예를 들면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 히트 파이프 구조체가 랩탑 컴퓨터에 이용되어, 방열기가 일반적으로 방열을 위해 이용되지 않는 랩탑의 표면 상에 배치되도록 한다. 종래의 랩탑 컴퓨터에서는, 랩탑 컴퓨터의 바닥이나 측면을 통한 방열을 필요로 하는 종래의 방열 메카니즘을 이용하여 방열이 수행되었으나, 이것은 상기 위치에서 방출될 수 있는 열량이 상기 위치에 접촉하는 사용자에게 해를 끼치지 않을 정도로 제한된다는 문제점을 야기한다. 그 결과, 랩탑 밖으로 전달되는 열량이 제한되어야 하기 때문에, 랩탑 내의 프로세서의 동작 온도가 제한되었다.
본 발명은 유연성 있는 메카니즘을 제공하기 때문에, 랩탑의 프로세서로부터의 열은 랩탑 컴퓨터의 상면을 통해 빠져나간다. 본 발명의 유연성으로 히트 파이프 구조체가 랩탑의 힌지된 영역을 가로질러 구부러지도록 함으로써, 증발 영역이 프로세서에 인접하여 배치되도록 한다. 캐필러리 영역은 랩탑의 바닥 부분을 지나고, 랩탑의 힌지된 부분을 가로질러서, 랩탑의 상측 부분을 지난다. 응축부는 프로세서로부터 방열기로 전달된 열이 랩탑의 상면을 통해서 빠져나가도록 랩탑의 상부에 배치된다. 이 열은 일반적으로 사용자측 또는 사용자 가까이에 놓여있지 않은 표면을 통해서 빠져나가기 때문에, 프로세서의 동작 온도는 빠져나간 열량이 증가함에 따라 증가될 수 있다.
도 6에 나타낸 것과 같은 에플리케이션과 더불어, 본 발명의 히트 파이프 구조체의 많은 다른 에플리케이션이 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 이루어질 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 히트 파이프 구조체는 도 7a 및 7b에 나타낸 바와 같은 고온 집적 회로 칩 적층체에서 이용될 수 있다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 2개의 가능한 실시예를 도시한다. 도 7a에 나타낸 바와 같이, 제 1 칩 적층체는 인쇄 회로 기판(PCB)의 뒷판(710), 이 PCB 뒷판(710)과 연결된 입/출력(I/O) 모듈(720), 및 서로의 상부에 적층되며 상기 입/출력 모듈(720)과 연결된 다수의 칩(730)을 포함한다. 이 칩 적층체는 열전 냉각기(740) 및 이 열전 냉각기(740) 사이에 배치된 히트 파이프 구조체(750)를 더 포함한다.
열전 냉각기에 인접한 히트 파이프 구조체(750) 부분은 증발 영역이다. 열전 냉각기로부터 빠져나온 열은 히트 파이프 구조체의 증발 영역 내의 소자에 의해 흡수됨으로써, 증발 영역 내의 이송 유체가 기체로 변화되도록 한다. 이 기체는 히트 파이프 구조체 아래의 기체 채널을 통해 히트 싱크(760)와 연관된 응축 영역으로 이동한다. 여기서, 열은 히트 싱크(760)로 전달되며, 이 히트 싱크(760)는 열을 주변 공기로 방출한다. 이 기체는 액체로 다시 변화되어, 히트 파이프 구조체(750) 내의 캐필러리력 및 캐필러리 구조체에 의해서 증발 영역으로 반송된다.
도 7b는 칩이 제 1 히트 파이프 구조체(770)에 의해서 직접 냉각된 다른 고온 집적 회로 칩 적층 구조를 나타낸다. 열을 열전 냉각기로 전달한 다음, 이 열을 제 2 히트 파이프 구조체(780)로 방출한다. 이 후, 제 2 히트 파이프 구조체는 열을 히트 싱크로 방출한다. 히트 파이프(770, 780)는 열전 냉각기(TECH)의 동작범위로 규정된 바와 같이 다른 온도에서 동작한다. 다른 구성의 고온 집적 회로 칩이 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 이용될 수도 있다.
본 발명의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제시된 것이지, 본 발명을 개시된 형태만으로 규정하거나 제한하려는 의도가 아니다. 많은 변형과 응용이 있을 수 있음이 당업자에게는 자명할 것이다. 본 발명의 원리를 가장 잘 밝혀서 당업자들이 본 발명을 이해할 수 있도록 하기 위해 실시예가 선택되어 설명되었지만, 다양한 변형을 취한 다양한 실시예가 계획된 특별한 이용을 위해 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 히트 소스로부터의 열을 이송 유체로 효과적으로 전달하기 위해 증발 영역 내의 소자를 이용하는 개선된 히트 파이프 구조체를 제공한다. 본 발명은 유동 저항을 최소로 하면서 최대 캐필러리력을 제공하는 프랙탈 및 구조적 지오메트리에 기초한 캐필러리 구조체를 이용한다. 또한, 본 발명은 코너 및 가장자리 주위를 용이하게 구부릴 수 있는 유연한 구조체를 포함한다.

Claims (23)

  1. 히트 소스를 냉각시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 히트 소스로부터의 열을 이송 유체로 전달하기 위한 하나 이상의 열점(hot point) 소자들 -상기 열점소자 각각은 테이퍼 단부(tepered end)를 가짐- 을 갖는 증발 영역과,
    히트 싱크와 연관된 응축 영역과,
    상기 증발 영역으로의 상기 응축 영역의 프랙탈형 커플링(fractal-like coupling)
    을 포함하는 히트 소스 냉각용 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이송 유체는 상기 히트 소스로부터의 열이 상기 이송 유체에 가해질 때 기체로 변화되는 히트 소스 냉각용 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기체는 상기 기체로부터의 열을 상기 히트 싱크로 전달함으로써 응축된 이송 유체로 응축되는 히트 소스 냉각용 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 프랙탈형 커플링은 상기 응축된 이송 유체를 상기 증발 영역으로 반송하기 위한 캐필러리(capillary)를 갖는 캐필러리 영역을 포함하는 히트 소스 냉각용 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 캐필러리 영역 내의 캐필러리는 적어도 하나의 프랙탈 지오메트리 (fractal geometry)를 이용하여 형성되는 히트 소스 냉각용 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 캐필러리 영역내의 캐필러리는 상기 캐필러리 영역의 면적(area)을 정의하고, 상기 캐필러리 영역의 면적을 채우기 위한 프랙탈 알고리즘을 이용함으로써 형성되는 히트 소스 냉각용 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 캐필러리 영역은 상기 증발 영역으로부터 상기 응축 영역으로 기체를 이송하기 위한 기체 채널들을 더 포함하는 히트 소스 냉각용 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 캐필러리는 포토리소그라피 마스킹과 에칭 중 하나에 의해 상기 캐필러리 영역 내에 형성되는 히트 소스 냉각용 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 증발 영역, 캐필러리 영역 및 응축 영역 중 적어도 하나는 유연성 구조체들인 히트 소스 냉각용 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유연성 구조체들은 상기 유연성 구조체들로 된 기판들 밖으로 에칭된 노치들을 구비하여 상기 기판들을 유연하게 하는 히트 소스 냉각용 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 장치는 유연성인 히트소스 냉각용 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 소스는 고온 집적 회로 칩인 히트 소스 냉각용 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 이송 유체는 알콜, 물 또는 프레온 중 하나인 히트 소스 냉각용 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 고 열전도성 재료를 이용하여 형성되는 히트 소스 냉각용 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나이상의 열점 소자들은 원뿔형의 열점 소자들인 히트 소스 냉각용 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크는 냉각판, 열전(thermoelectric) 냉각기 및 방열핀들 중 하나인 히트 소스 냉각용 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발 영역 및 응축 영역은 동심적으로 배치되는 히트 소스 냉각용 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 선형 지오메트리를 갖는 히트 소스 냉각용 장치.
  19. 제 4 항에 있어서,
    상기 히트 소스는 랩탑 컴퓨터 내의 프로세서이고, 상기 히트 싱크는 상기 랩탑 컴퓨터의 상부에 있는 방열기인 히트 소스 냉각용 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 소스는 칩 적층체 내의 집적 회로 칩인 히트 소스 냉각용 장치.
  21. 삭제
  22. 히트 소스를 냉각시키는 방법에 있어서,
    하나 이상의 열점 소자들 - 상기 열점소자 각각은 테이퍼 단부를 가짐- 을 갖는 증발 영역을 이용하여 히트 소스로부터의 열을 이송 유체로 전달하고 이에 의해 상기 이송 유체를 기체로 변환하는 단계와,
    히트 싱크와 연관된 응축 영역을 이용하여 상기 기체 -상기 기체는 응축된 이송 유체로 변환됨- 로부터의 열을 상기 히트 싱크로 전달하는 단계와,
    상기 증발영역으로의 상기 응축영역의 프랙탈형 커플링을 이용하는 단계
    를 포함하는 히트 소스 냉각 방법.
  23. 히트 소스를 냉각시키기 위한 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 히트 소스로부터의 열을 이송 유체로 전달하기 위해 하나 이상의 열점 소자들 -상기 열점소자 각각은 테이퍼 단부를 가짐- 을 갖는 증발 영역을 제공하는 단계 -상기 이송 유체는 열이 상기 열점 소자들로부터 상기 이송 유체로 전달될 때 기체로 변환됨 -와,
    기체로부터 열이 히트 싱크로 전달될 때 상기 기체를 응축된 이송 유체로 응축시키기 위해 히트 싱크와 연관된 응축 영역을 제공하는 단계와,
    상기 증발영역으로의 상기 응축영역의 프랙탈형 커플링을 제공하는 단계
    를 포함하는 히트 소스 냉각용 장치의 제조 방법.
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