보고서 정보
주관연구기관 |
서울과학기술대학교 |
연구책임자 |
김사라은경
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-09 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO202100002522 |
과제고유번호 |
1711023875 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2021-06-26
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키워드 |
전력 전달.전력 분배.방열.본딩.열 관리.도금.신뢰성.액체 냉각.Power Delivery.Power Distribution.Heat Dissipation.TSV.Bonding.Thermal Management.Electroplating.Reliability.Liquid Cooling.
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초록
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연구의 목적 및 내용
본 연구는 전자 소자들의 전력 증가로 인해 발생하는 전력 및 열 문제를 해결하는 방안으로 반도체 공정을 이용하여 효과적인 전력전달, 그리고 방열을 높이는 시스템을 개발하는 것을 목적으로 하였다. 방열을 돕기 위한 차세대 범프(advanced bump layer, ABL)를 디자인하고 공정개발을 하였으며, 구조적 전기적 특성 분석을 진행하였다. TSV와 마이크로채널을 이용한 액체 냉각시스템의 공정개발을 수행하였고, 냉각 특성을 분석하였다. 최종적으로는 범프와 액체 냉각 모듈을 탑재한 시스템을 제작하였고, 열
연구의 목적 및 내용
본 연구는 전자 소자들의 전력 증가로 인해 발생하는 전력 및 열 문제를 해결하는 방안으로 반도체 공정을 이용하여 효과적인 전력전달, 그리고 방열을 높이는 시스템을 개발하는 것을 목적으로 하였다. 방열을 돕기 위한 차세대 범프(advanced bump layer, ABL)를 디자인하고 공정개발을 하였으며, 구조적 전기적 특성 분석을 진행하였다. TSV와 마이크로채널을 이용한 액체 냉각시스템의 공정개발을 수행하였고, 냉각 특성을 분석하였다. 최종적으로는 범프와 액체 냉각 모듈을 탑재한 시스템을 제작하였고, 열 방출 효과를 분석하였다.
연구결과
(1) ABL 파워범프 디자인 및 공정 연구: 새로운 디자인의 연결형 파워범프를 고안하고, 공정 최적화를 진행하였으며, 플립 칩 공정을 이용하여 기판과 접합된 시스템을 제작완료하였다. 먼저 범프 도금, Cu-Cu 본딩을 위한 표면처리, 그리고 Cu CMP 공정 등 단위공정 개발을 진행하였고, 범프/기판을 플립 칩 본딩 후 전기적 특성을 분석하였다.
본 연구에서 Cu ABL 범프 제작과 Cu 플립 칩 본딩의 가능성을 확인하였다.
(2) 실리콘 액체 냉각시스템 공정 및 특성 연구: 실리콘 웨이퍼 위에 관통비아
(through Si via, TSV)와 마이크로채널을 DRIE 공정으로 형성하고, 유리기판과 본딩하여 냉각 모듈을 구성하였다. 마이크로채널 디자인별, TSV 사이즈별 시편을 제작하였고, 각 경우에 대한 유동 및 냉각 효과를 적외선현미경과 형광현미경으로 측정 분석하였다. 본 연구로 냉각 모듈 제작 시 필요한 기초 디자인 가이드를 확보하였다.
(3) 범프와 액체 냉각이 적층된 열 관리 시스템 구현 및 분석 : 액체냉각 효과가 가장 좋은 마이크로채널과 TSV 디자인으로 냉각 모듈을 제작하고, 그 위에 전력용 범프를 탑재한 적층 시스템을 구현하였다. 냉매 종류에 대한 효과와 범프 재료(Ag, Cu, Cr/Au/Cu)에 따른 특성 분석을 수행하였고, 적층 시스템의 열 방출 효과를 적외선현미경으로 측정하였다. 본 연구로 소자의 전력 및 열 문제 해결을 위한 효과적인 차세대 열 관리 시스템 공정 개발의 개념 및 실현 가능성을 보여주었다.
연구결과의 활용계획
본 연구에서 개발한 열 관리 시스템 기술들은 반도체 공정 기술을 이용한 비교적 간단한 방법으로 효과적인 전력 전달 및 분배와 고 열 방출 냉각 시스템을 가능하게 한다. 현재기술 도입기이지만, 차세대 전자 소자 및 광소자 등 광범위한 분야에서 응용이 가능하며 신산업 창출에도 기여할 수 있기 때문에 지속적인 후속 연구를 할 계획이다. 또한, inter-disciplinary한 반도체 공정연구 경험을 갖춘 인력 양성을 가능하게 한다.
(출처 : 요약문 4p)
Abstract
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Purpose& contents
An increased power density in electronics continuously causes power problems and thermal issues. To resolve these, this research was evaluated a high thermal dissipated cooling system. The advanced bump layer (ABL) system was designed, and fabricated. In addition structural and
Purpose& contents
An increased power density in electronics continuously causes power problems and thermal issues. To resolve these, this research was evaluated a high thermal dissipated cooling system. The advanced bump layer (ABL) system was designed, and fabricated. In addition structural and electrical analysis was performed. A liquid cooling system with TSV and microchannels was investigated, and its thermal characteristics was studied. Lastly the liquid cooling module with metal bumps was constructed, and the effect of stacked structure on heat removal was evaluated.
Result
(1) ABL power bump design and fabrication: The connected ABL power bumps was newly designed, and the unit processes for ABL bumps such as Cu CMP, Cu electroplating, and Cu bonding were developed. Then, the chip-to-substrate connection using flip chip process was carried out. The plasma treatment on Cu bonding surface was studied to improve a bonding quality of Cu-to-Cu boning process. The electrical analysis of flip chip bonded structure was performed. In this study, the feasibility of fabricating ABL bumps and Cu flip chip bonding was shown.
(2) Si liquid cooling system fabrication and cooling characteristics: Through Si via (TSV) and microchannels were fabricated on Si wafer using a DRIE, and to construct a cooling module the Si wafer was bonded with a glass wafer by anodic bonding. Cooling modules with different microchannel structures and different TSV structures were fabricated, and the cooling effect and liquid flow were investigated by IR microscope and fluorescent microscope, respectively. This study provided some design guides of liquid cooling module with TSV and microchannels.
(3) Thermal characteristics and fabrication of liquid cooling system with metal bumps: The liquid cooling system with various metal bumps was constructed. The heat removal effect of coolants and the effect of bump materials (Ag, Cu, Cr/Au/Cu) were investigated by IR microscope. This study was shown the feasibility of on-chip liquid cooling system and the next generation cooling concept of high heat flux devices.
Expected Contribution
Liquid cooling system in this study was developed by using well-known and relatively simple semiconductor fabrication processes. So, it can be easily applied to many different electronic and opto-electronic fields. Although on-chip liquid cooling is currently at the early research stage, this study will be continued as one of next generation thermal management methods. In addition, the engineers having excellent inter-disciplinary studies can be trained.
(출처 : SUMMARY 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 41
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 44
- 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 44
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 44
- 8. 참고문헌 ... 45
- 9. 연구성과 ... 47
- 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 50
- 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 51
- 12. 기타사항 ... 51
- [별첨1] 대 표 연 구 성 과 ... 52
- [별첨2] 세부 목표 관련 증빙 ... 62
- 끝페이지 ... 66
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