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문제 정의
- 본 연구에서는 실리콘 웨이퍼에 마이크로 채널과 실리콘 관통 비아를 이용한 온 칩 액체 냉각 모듈(module)을 제작하여 시스템의 냉각 효과를 관찰하였다. 특히, 마이크로 채널의 길이 및 굴곡여부에 따른 관찰을 위해서 3종류(straight MC, serpentine MC, zigzag MC)의 마이크로 채널 디자인을 제작하였으며, 각 디자인에 따른 냉각 현상을 분석하였다.
제안 방법
- 온도 변화 측정을 위한 IR 측정은 적외선현미경(SC5000, FLIR, USA)을 이용하였다. 그리고 가열 시 마이크로 채널 내 냉매의 흐름과 상 변화는 형광현미경(Eclipse Ti, Nikon, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 냉매로는 DI(de-ionized) water를 이용하였으며, 냉매 주입 속도를 50 µl/min부터 150 µl/min까지 변화를 주어 주입 속도에 따른 변화를 측정하였다.
- 냉매로는 DI(de-ionized) water를 이용하였으며, 냉매 주입 속도를 50 µl/min부터 150 µl/min까지 변화를 주어 주입 속도에 따른 변화를 측정하였다.
- 마이크로 채널과 실리콘 관통 비아를 이용한 온 칩 액체 냉각 모듈은 6인치 실리콘 웨이퍼 위에 제작되었다. 딥 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching, DRIE) 공정을 이용하여 마이크로 채널과 실리콘 관통 비아를 형성하였고, 마이크로 채널은 폭 50 mm, 깊이 100 mm이었 으며, Fig. 1에서 보는 것과 같이 3 종류(straight MC, serpentine MC, zigzag MC)로 제작하였다. 마이크로 채널의 길이는 각각 0.
- 실리콘 관통 비아의 사이즈는 지름 50 mm(dia), 깊이 100 mm으로 고정하였다. 마이크로 채널과 실리콘 관통 비아가 형성된 실리콘 웨이퍼는 유리 웨이퍼와 어노딕본딩(anodic bonding)으로 접합하였고, 어노딕본딩은 1000 mbar 가압 상태에서 척(chuck) 온도를 380℃로 하고 전압 1000V를 인가하여 진행되었다. 본딩 후 접합된 웨이퍼는 실리콘 관통 비아가 노출되도록 실리콘 웨이퍼를 연마(grinding)하였고, 칩(chip) 단위로 다이싱(dicing)하여 냉각 모듈을 준비하였다.
- 제작된 온 칩 액체 냉각 모듈은 세라믹 히터(ceramic heater)를 열원(heat source)으로 이용하여 냉각 전후의 온도 차(temperature differential)를 측정하였고, 상온에서 300℃까지 테스트하였다. 세라믹 히터의 전원은 별도의 전원 인가 장치를 설치하여 전압 제어를 하였으며, 세라믹 히터로부터 방사되는 적외선을 차단하고, 정확한 IR(infrared) 측정을 위해 카본 흑체(carbon black body)를 시편 표면에 도포하여 온도를 측정하였다. 온도 변화 측정을 위한 IR 측정은 적외선현미경(SC5000, FLIR, USA)을 이용하였다.
- 세라믹 히터의 전원은 별도의 전원 인가 장치를 설치하여 전압 제어를 하였으며, 세라믹 히터로부터 방사되는 적외선을 차단하고, 정확한 IR(infrared) 측정을 위해 카본 흑체(carbon black body)를 시편 표면에 도포하여 온도를 측정하였다. 온도 변화 측정을 위한 IR 측정은 적외선현미경(SC5000, FLIR, USA)을 이용하였다. 그리고 가열 시 마이크로 채널 내 냉매의 흐름과 상 변화는 형광현미경(Eclipse Ti, Nikon, Japan)을 이용하여 관찰하였다.
- 제작된 온 칩 액체 냉각 모듈은 세라믹 히터(ceramic heater)를 열원(heat source)으로 이용하여 냉각 전후의 온도 차(temperature differential)를 측정하였고, 상온에서 300℃까지 테스트하였다. 세라믹 히터의 전원은 별도의 전원 인가 장치를 설치하여 전압 제어를 하였으며, 세라믹 히터로부터 방사되는 적외선을 차단하고, 정확한 IR(infrared) 측정을 위해 카본 흑체(carbon black body)를 시편 표면에 도포하여 온도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 실리콘 웨이퍼에 마이크로 채널과 실리콘 관통 비아를 이용한 온 칩 액체 냉각 모듈(module)을 제작하여 시스템의 냉각 효과를 관찰하였다. 특히, 마이크로 채널의 길이 및 굴곡여부에 따른 관찰을 위해서 3종류(straight MC, serpentine MC, zigzag MC)의 마이크로 채널 디자인을 제작하였으며, 각 디자인에 따른 냉각 현상을 분석하였다.
대상 데이터
- Serpentine MC의 길이는 28.6 cm이고, zigzag MC는 34.8 cm로 straight MC보다 마이크로 채널 길이가 각각 29.2배, 35.5배 길게 제작되었다. Straight MC는 Fig.
- 본딩 후 접합된 웨이퍼는 실리콘 관통 비아가 노출되도록 실리콘 웨이퍼를 연마(grinding)하였고, 칩(chip) 단위로 다이싱(dicing)하여 냉각 모듈을 준비하였다. 냉각 모듈과 내경 1 mm의 튜브를 PDMS(polydimethylsiloxane)를 이용하여 연결하였고, 공정 순서는 Fig. 2에 나타내었다.
- 마이크로 채널과 실리콘 관통 비아를 이용한 온 칩 액체 냉각 모듈은 6인치 실리콘 웨이퍼 위에 제작되었다. 딥 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching, DRIE) 공정을 이용하여 마이크로 채널과 실리콘 관통 비아를 형성하였고, 마이크로 채널은 폭 50 mm, 깊이 100 mm이었 으며, Fig.
- 1에서 보는 것과 같이 3 종류(straight MC, serpentine MC, zigzag MC)로 제작하였다. 마이크로 채널의 길이는 각각 0.98 cm, 28.5 cm, 그리고 34.8 cm로 제작되었다. 실리콘 관통 비아의 사이즈는 지름 50 mm(dia), 깊이 100 mm으로 고정하였다.
성능/효과
- 단상(single phase)으로 존재하는 냉매의 경우 열 유속이 증가할수록 마이크로 채널 내 냉매 온도가 올라감에 따라 냉매의 점도(viscosity)가 낮아져서 압력강하를 낮추는 경향이 있고, two-phase 변화를 일으키는 냉매의 경우 열 유속이 증가할수록 마찰압력강하(frictional pressure drop)가 증가하고, 증기(vapor)가 많이 발생하여 압력강하가 증가하는 경향이 있다.13) Two-phase 액체 냉각의 경우 냉매의 상 변화가 마이크로 채널의 앞부분에서 급속도로 일어나면 압력강하가 더욱 증가하고, 뿐 만 아니라 마이크로 채널 뒷부분에서 냉매가 흐르지 않아 열 전달이 오히려 감소하게 되는 것이다. 그러나 최적화된 two-phase 냉각 시스템은 냉매의 기화작용으로 인해 단상 냉각보다 열 전달에 매우 효과적이다.
- 가열온도 300℃ 에서는 냉매의 기화 점(evaporation point)보다 훨씬 높은 온도로 인하여 대부분의 액체가 마이크로 채널 앞부분에서 빠르게 증발되면서 마이크로 채널의 출구(outlet) 부분으로 갈수록 냉매의 흐름이 제한되었기 때문에 200℃의 경우와 비교하여 열 제거 효과가 떨어졌다. Serpentine MC 가 zigzag MC와 비교하여 냉각 전후의 온도 차가 높게 나타났는데, 예로 유동속도가 50 ml/min의 경우 가열온도 100℃, 200℃, 300℃ 에서 serpentine MC의 온도 차는 각각 ~6℃, ~14℃, 그리고 ~8℃로 관찰되었고, zigzag MC의 온도 차는 ~2℃, ~6.6℃, 그리고 ~1.8℃로 나타났다. Zigzag MC는 마이크로 채널 길이가 serpentine MC보다 약 17.
- Serpentine MC와 비교하여서는 100℃와 200℃ 경우에는 열 제거 효과가 약간 높았으나, 300℃ 경우에는 현저히 증가함을 보였다. Serpentine MC가 약 29.2배 이상 마이크로 채널 길이가 길어짐에도 불구하고 100℃와 200℃에서 열 제거 정도가 straight MC와 비슷하게 나타난 것으로 볼 때 마이크로 채널 길이가 길어도 효과적인 twophase 냉각을 이용하면 길이가 짧은 단상 냉각보다 소자 냉각에 훨씬 효과적 일 수 있음을 확인하였다. 하지만 300℃의 경우에는 마이크로 채널 길이가 길면 two-phase 현상이 마이크로 채널 앞 부분에서 심하게 발생하고 마이크로 채널 중간 이후부터는 냉매의 흐름이 현저히 줄어들기 때문에 오히려 길이가 짧고 단상 냉각을 보이는 straight MC가 효과적으로 나타났다.
- 또한 높은 온도에서는 흐름이 원활하지 못하고 느린 냉매가 마이크로 채널 앞 부분에서 심한 기화 현상을 일으키고 중간 이후의 마이크로 채널 구간에서는 채널 벽으로만 흘렀기 때문이다. Serpentine MC와 비교하여서는 100℃와 200℃ 경우에는 열 제거 효과가 약간 높았으나, 300℃ 경우에는 현저히 증가함을 보였다. Serpentine MC가 약 29.
- 높은 유동속도는 마이크로 채널 내 압력을 높여 냉매의 리크(leak)가 발생할 수 있는 신뢰성 문제를 야기시키며, 또한 냉매를 주입시키는 pumping power가 상승하여 시스템 가격을 높이기 때문이다. Straight MC 구조에서 주입구 부분과 가장 멀리 연결된 마이크로 채널의 경우, 즉 칩 가장자리에 가까운 마이크로 채널의 경우, 마이크로 채널 내 냉매의 흐름이 주입구 부분과 바로 연결된 칩 중앙 부분의 마이크로 채널 내 흐름보다 약간 느렸으며, 냉매 자체가 잘 전달되지 못하는 경우도 관찰되었다. 액체 냉각 시스템의 열 제거 효과를 높이기 위해서는 마이크로 채널의 길이, 소자의 온도, 그리고 냉매(기화 점, 점도)의 선택이 복합적으로 최적화되어야 하겠다.
- Serpentine MC와 zigzag MC는 냉매의 흐름과 냉각 현상 분석을 위하여 마이크로 채널 길이를 길게 하여 제작되었다. 마이크로 채널 디자인과 상관없이 가열온도 200℃에서 냉각 전후의 온도 차(temperature differential)가 가장 크게 관찰되었다. 가열온도 200℃에서 가장 큰 온도 차가 나타난 것은 two-phase 냉각 효과에 의한 것으로 설명된다.
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