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논문KCI 등재

액랭식 마이크로채널 시스템 내 냉매와 범프의 열 제거 효과에 대한 연구

Effect of Coolants and Metal Bumps on the heat Removal of Liquid Cooled Microchannel System

김은경|김성동|원용현
한국마이크로전자및패키징학회 (The Microelectronics And Packaging Society)|2017.06|마이크로전자 및 패키징학회지 (Jornal of the Microelectronics and Packaging Society)|제24권 제2호|pp. 61-67

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Thermal managementMicrochannelLiquid coolingSi cooingBump
주제분류재료공학

초록

소자의 트랜지스터 밀도가 급속히 높아짐에 따라 소자 내부에서 발생하는 열 유속(heat flux) 또한 빠르게 증가하고 있다. 소자의 고열 문제는 소자의 성능과 신뢰성 감소에 크게 영향을 미친다. 기존의 냉각방법들은 이러한 고열문제를 해결하기 위해선 한계점에 다다랐고, 그 대안으로 liquid heat pipe, thermoelectric cooler, thermal Si via, 등 여러냉각방법이 연구되고 있다. 본 실험에서는 직선형 마이크로채널과 TSV(through Si via)를 이용한 액체 냉각시스템을 연구하였다. 두 종류의 냉매(DI water와 ethylene glycol(70 wt%))와 3 종류의 금속 범프(Ag, Cu, Cr/Au/Cu)의 영향을 분석하였으며, 대류, 복사 및 액체 냉각으로 인한 총 열 유속을 계산하여 비교하였다. 냉각 전후의 냉각시스템의 표면온도는적외선현미경을 통해 측정하였고, 마이크로채널 내 액체 흐름은 형광현미경을 이용하여 측정하였다. 총 열 유속은ethylene glycol(70 wt%)의 경우 가열 온도 200oC에서 2.42 W/cm2로 나타났으며 대부분 액체 냉각 효과에 의한 결과로확인되었다.

Abstract

As transistor density increases rapidly, a heat flux from IC device rises at fast rate. Thermal issues raised by high heat flux cause IC's performance and reliability problems. To solve these thermal management problems, the conventional cooling methods of IC devices were reached their thermal limit. As a result, alternative cooling methods such as liquid heat pipe, thermoelectric cooler, thermal Si via and etc. are currently emerging. In this paper microchannel liquid cooling system with TSV was investigated. The effects of 2 coolants (DI water and ethylene glycol 70 wt%) and 3 metal bumps (Ag, Cu, Cr/Au/Cu) on cooling performance were studied, and the total heat flux of various coolant and bump cases were compared. Surface temperature of liquid cooling system was measured by infrared microscopy, and liquid flowing through microchannel was observed by fluorescence microscope. In the case of ethylene glycol 70 wt% at 200oC heating temperature, the total heat flux was 2.42 W/cm2 and most of total heat flux was from liquid cooling effect.

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