마이크로 채널과 TSV(through silicon via)를 이용한 액체냉각 소자제작과 시스템의 열 방출 특성분석에 관한 연구 = Fabrication of liquid cooling device using micro-channel with TSV and its thermal characteristic analysis
Transistor density of IC devices has increased according to Moore’s law in semiconductor industries. However, due to the technology limit of the minimizing a feature size, new packaging technologies which are 3D stacking, wafer level packaging, etc. are being studied to overcome device’s physical limitations. But the challenges such as a signal and power delivery, thermal management, and electrical test methods have limited these advanced packaging techniques from becoming a key solution. Among them, thermal management issue is one of the most important issues especially for 3D technology. High performance chips such as a microprocessor currently produce high heat flux due to increased power density. The high heat flux causes the degradation of device's performance. So, there are many researches on thermal management issues. Conventional cooling methods such as TIM (thermal interface materials), heat spreader, and heat sink which are a passive method, Relatively, new cooling methods such as thermoelectric cooler and liquid cooling are being studied as a promising IC device’s cooling system. Among the new technologies, Microchannel (MC) liquid cooling system is most researched. This is because liquid cooling is capable of high heat removal and can be applied directly at the chip level cooling system.
In this study, on-chip liquid cooling system with MC and TSV (through silicon via) was fabricated on 6 inch Si wafer. Two microchannel structures (serpentine MC and straight MC) have been fabricated, and two coolants (DI water and ethylene glycol (70wt%)) are evaluated. In addition, the effect of metal bumps on device cooling with three different bumps (Ag, Cu, Cr/Au/Cu) was investigated. To analyze the thermal characteristics of the on-chip liquid cooling system, surface temperature of the fabricated liquid cooling module was measured by IR microscope, and the coolant’s flow through MC was observed by a fluorescent microscope.
The results showed that the straight MC had a better cooling performance than a the serpentine microchannel, which can be explained by pressure drop and channel length effect. And the effects of metal bumps on a surface were found to be very small compared to the cooling effect of coolants. The effect of two different coolants (DI water and ethylene glycol (70wt%)) was measured at two different heating temperatures. At 100℃ heating temperature, the cooling performance of DI water was higher than ethylene glycol(70wt%) due to the fast flow circulation caused by low kinematic viscosity. On the other hand, at 200℃, the cooling performance of DI water was showed poor because of an excessive dry-out phenomenon of ethylene glycol(70wt%). It has been confirmed that a coolant selection considering coolant’ heat capacity, evaporation temperature, etc. is a key factor for effective liquid cooling system. So, it is recommended the coolant that has an evaporation temperature similar to a device’s maximum operating temperature to avoid too much dry-out phenomenon in microchannel. The research on liquid cooling system with microchannel and TSV is expected to provide very important information to resolve thermal problem for high heat flux devices and 3D stacked devices. Further studies on other coolants, microchannel structure, and physical analysis of flow movement and shape through microchannel will greatly help the development of on-chip liquid cooling system.
IC 소자에서 트랜지스터의 밀도는 무어의 법칙에 따라 증가하는 경향으로 발전해 왔다. 하지만 이제는 선폭의 미세화 기술의 한계로 인해 3차원 적층 패키징, 웨이퍼 레벨 패키징, 등 새로운 패키징 방법을 통해 물리적 한계를 극복하려 하고 있다. 하지만 이런 3차원 적층 구조는 전력 전달, 신호 전달, 열 관리 그리고 전기적 테스트 등 아직 해결해야 할 과제를 가지고 있다. 그 중에서도 가장 큰 도전과제는 열 관리 문제이다. 현재 고성능 고밀도 칩은 높은 전력밀도로 인해 높은 열이 발생한다. 이러한 문제는 특히 고성능 칩의 적층 구조에서 더욱 심각해진다. 이런 높은 열 발생은 칩 성능 저하의 원인이 되기 때문에 무엇보다 열 관리가 가장 주목받고 있는 것이다. 열 관리문제를 해결하기 위한 방법에는 기존의 수동방식(passive cooling method)인 TIM(thermal interface materials), heat spreader, heat sink 등이 있으며, 비교적 새로운 능동방식(active cooling method)인 열전 냉각기(thermoelectric cooler)와 액체 냉각 방식(liquid cooling method) 등이 있다. 그 중에서 마이크로 채널을 통한 액체 냉각은 냉매를 이용하여 높은 열 제거에 용이하여 최근 주목받고 있다. 특히, 칩 레벨 액체 냉각 시스템은 소자에서 직접적으로 열 제거가 가능하기 때문에 더욱 주목받아 많은 연구가 진행되고 있다.
본 연구에서는 실제로 on-chip 레벨의 액체 냉각 시스템을 6인치 Si 웨이퍼에 마이크로 채널과 TSV를 이용하여 제작하였다. 채널 구조는 구불구불한 구조(Serpentine MC)와 직선형 구조(straight MC) 두 가지로 제작하였으며, 냉매로는 DI water와 ethylene glyol(70wt%) 두 종류를 분석하였다. 또한 소자의 표면에 제작되는 금속 범프의 냉각 효과를 살펴보기 위해서 3가지 금속 범프(Ag, Cu, Cr/Au/Cu)를 이용하여 시편을 제작하였고 열 방출 특성을 분석하였다. 냉각 시스템의 열 특성 분석은 적외선 현미경을 통해 시편의 표면온도를 측정하여 확인하였고, 채널 내 유동형태는 형광현미경을 통해 확인했다. 마지막으로 압력강하는 이론적으로 계산을 하여 비교하였다.
우선 직선형 마이크로 채널이 구불구불한 구조의 마이크로 채널 보다 냉각성능이 우수하게 측정되었고 이는 압력강하 및 채널 길이 문제로 해석될 수 있다, 냉각 소자 모듈 표면에서의 금속 범프의 방열 영향은 냉매에 의한 액체 냉각효과에 비해 매우 미미하다는 것을 알 수 있었다. 또한, 가열온도에 따른 냉매의 방열 영향을 관찰하였다. 가열온도 100℃ 에서는 냉매의 점도차에 의해 채널 내부에서 DI water의 유속이 빨라 냉각성능이 더 높음을 확인하였고, 반면 200℃ 에서는 DI water의 경우 채널 내부에서 과한 dry-out 현상으로 ethylene glycol(70wt%)과 비교 시 냉각효율이 더 높게 나타났다. 이와 같이 냉매의 비열, 끓는점 등의 열적 특성을 고려한 냉매 선택이 액체 냉각 시스템에서 매우 중요한 사항임을 확인하였다. 즉, 액체 냉각 시스템이 적용될 소자의 구동온도를 파악하여 이상냉각(two-phase) 직전까지 열을 흡수 할 수 있도록 냉매를 선택하는 것이 냉각효과를 극대화 하는 것이라는 것을 알게 되었다. 마이크로 채널과 TSV를 이용한 액체 냉각 시스템의 연구는 3차원 적층 구조 등 고열 소자의 열 관리 문제를 해결하는데 매우 중요한 연구 결과가 될 것으로 기대하며, 이 후의 연구는 다른 종류의 냉매, 마이크로 채널의 구조, 그리고 채널 내 유동의 흐름에 대한 측정 연구를 통해 더욱 발전할 수 있을 것이라 판단된다.
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