KR100359828B1 - 반도체용 냉동식 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체용 냉동식 냉각장치에 관한 것으로서, 특히 이중덕트를 증발기의 일측에 설치하여 증발기와 냉각이 요구되는 반도체를 분리하여 냉각이 요구되는 반도체의 형상에 관계없이 냉각장치가 설치되도록 한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 냉매를 고압으로 압축시키는 압축기(50)와, 상기 압축기(50)와 연결되어 냉매를 응축시키는 응축기(60)와, 상기 응축기(60)에 연결된 팽창밸브(70)와, 상기 팽창밸브(70) 및 압축기(50)에 연결되어 냉매를 증발시키는 증발기(80)로 구성된 냉동식 냉각장치(2)에 있어서; 상기 증발기(80)는 반도체소자(10) 또는 반도체패키지(90)와 이중덕트(41)로 연결되며, 상기 이중덕트(41)는 상기 증발기(80)에서 반도체소자(10)측으로 공기가 유동되는 유로를 형성하는 내부덕트(412)와, 상기 내부덕트(412)의 외부에 설치되어 상기 반도체소자(10)측에서 증발기(80)측으로 공기가 유동되는 유로를 형성하는 외부덕트(411)를 구비하고, 상기 증발기(80)와, 상기 증발기(80)의 일측에 설치된 송풍팬과, 상기 이중덕트(41) 및 반도체소자(10)는 다른 부분과 분리되도록 하우징내에 수용되는 것을 특징으로 하는 반도체용 냉동식 냉각장치(2)가 제공되도록 한 것이다.

Description

반도체용 냉동식 냉각장치{Refrigerated cooling system for electronics}
본 발명은 반도체용 냉각장치에 관한 것으로서, 특히 냉동식 냉각장치의 증발기에 유로가 이중으로 형성되는 이중덕트를 설치하여 반도체를 냉각하는 냉각장치에 대한 것이다.
일반적으로 반도체소자는 기술의 발달에 따라 데이터를 고속으로 처리할 수있도록 집적도가 증가하고 고성능화되기 때문에 그 발열 밀도가 증가되고있다.
그러나, 반도체소자의 온도가 상승하면, 반도체가 접합된 접합부위에 열응력에 의한 열팽창차이로 계면박리가 발생되거나, 반도체의 처리속도가 느려지거나, 오작동되는 등의 많은 문제점이 야기되기 때문에 반도체소자를 동작한계온도(접합부온도)이하로 온도를 제어하기 위한 냉각장치가 반도체에 설치된다.
도 1에서 도시된 것과 같은, 반도체용 냉각장치(1)는 강제적으로 반도체소자(10) 주변의 공기를 순환시켜 반도체의 열을 방열시키는 강제공냉식 냉각장치(1)로써, 일반적으로 많이 사용되며, 상기 PCB(20)에 안착된 반도체소자(10)의 상부에 열전달에 의하여 방열하는 핀(30)을 부착하고, 상기 핀(30)의 상부에 방열팬(40)을 설치하여 이루어진다.
그러나, 방열팬(40)을 이용하여 반도체소자(10)의 온도를 낮추는 경우에는, 방열팬(40)의 회전에 따른 저주파소음이 발생되고, 반도체소자(10)의 방열량이 증가되면 핀(30)이 발생되는 열을 효과적으로 방열시키지 못하기 때문에 시스템에 문제가 발생된다.
그리고, 반도체로 유입되어 열교환된 고온의 공기를 외부로 배출하기 위하여 컴퓨터 본체 케이스에 다른 송풍팬(도시 안됨)을 설치하기 때문에 상기 송풍팬을 통하여 외기가 유입되는 경우 케이스 내로 먼지가 함께 유입되어 습기와 먼지 등에 미세한 영향을 받는 반도체 등이 고장을 일으키게된다.
한편, 반도체소자(10)의 온도를 낮추어 연산속도를 향상시키거나 반도체소자(10)의 발열량이 강제 공냉식 냉각장치로 냉각이 한계에 이른 경우에는도 2에서 도시된 것과 같은 냉동식 냉각장치(1)를 이용하여 반도체를 냉각시킨다.
상기 냉동식 냉각장치(1)는 반도체소자(10)의 상면에 저온저압의 냉매가 유동되는 증발기(80)가 부착되고, 상기 증발기(80)에서 열전달이 이루어진 냉매가 전달되도록 압축기(50)와, 응축기(60) 및, 팽창밸브(70)가 연결된다.
이 때, 증발기(80) 온도가 -20℃∼ -40℃도로 컴퓨터 케이스 내부의 공기와 접촉하는 경우, 결로 및 결빙이 발생되어 다른 부품작동에 심각한 문제를 야기하기 때문에 증발기(80) 및 반도체소자(10)는 단열한 후 패키지화(90)된다.
이에 따라, 저온의 냉매가 유입되는 증발기(80)와 열이 발생되는 반도체소자(10)사이에 온도차에 의한 열교환이 이루어져 상기 반도체소자(10)의 온도를 제어한다.
그러나, 반도체소자(10)가 증발기(80)와 함께 패키지화되어 있으므로 그 구조가 복잡하고 조립이 용이하지 않으므로 작업공수가 증가된다.
그리고, 임의의 마더보드(도시 안됨)에 냉각장치(1)를 장착하기 위해서는 각각의 경우에 냉각장치와 냉동기를 연결하는 동간을 적절하게 배관하여 고정시켜야 하므로 설치가 용이하지 않고, 증발기(80)가 직접적으로 반도체소자(10)에 부착되어 있으므로 업그레이드하는 경우 기존 사용 중이던 냉각장치를 그대로 사용할 수 없어 제품의 호환성이 떨어진다.
본 발명은 작동능력이 향상되도록 반도체소자에서 발생되는 열을 효과적으로 방열시키는 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
더 나아가, 본 발명은 반도체소자 또는 반도체패키지의 형상에 구애받지 설치될 수 있는 호환성이 좋은 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 반도체소자를 냉각시키는 종래 단상 강제공냉식 냉각장치의 작동과정을 나타내는 단면도
도 2는 반도체패키지를 냉각시키는 종래 냉동식 냉각장치를 도시하는 단면도
도 3은 본 발명에 따른 냉동식 냉각장치를 도시하는 개략적인 구조도
도 4는 도 3에 도시된 냉동식 냉각장치의 증발부를 나타내는 요부 단면도
* 도면 주요부분의 부호의 설명 *
1, 2 : 냉각장치 10 : 반도체소자
20 : PCB보드 30 : 핀
40 : 방열팬 50 : 압축기
상기한 목적들을 실현하기 위하여 본 발명은 냉매를 고압으로 압축시키는 압축기와, 상기 압축기와 연결되어 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에 연결된 팽창밸브와, 상기 팽창밸브 및 압축기에 연결되어 냉매를 증발시키는 증발기로 구성된 냉동식 냉각장치에 있어서, 상기 증발기는 반도체소자 또는 반도체패키지와 이중덕트로 연결되며, 상기 이중덕트는 상기 증발기에서 반도체소자측으로 공기가 유동되는 유로를 형성하는 내부덕트와, 상기 내부덕트의 외부에 설치되어 상기 반도체소자측에서 증발기 측으로 공기가 유동되는 유로를 형성하는 외부덕트를 구비하고, 상기 증발기와, 상기 증발기의 일측에 설치된 송풍팬과, 상기 이중덕트 및 반도체소자는 다른부분과 분리되도록 하우징내에 수용되는 것을 특징으로 하는 반도체용 냉동식 냉각장치가 제공되도록 한 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 구성 및 작용을 첨부도면에 따라 상세하게 설명하면 아래와 같다.
도 3은 본 발명에 따른 냉동식 냉각장치를 도시하는 개략적인 구조도이고, 도 4는 반도체소자에 설치된 냉동식 냉각장치의 증발부를 보여주는 요부 단면도이다.
본 발명에 따른 냉동식 냉각장치(2)는 도 3에서 도시된 것과 같이, 압축기(50)와, 응축기(60)와, 팽창밸브(70)와, 일측에 외부덕트(411) 중내부덕트(412)가 연결되고 상기 덕트와 함께 하우징에 수용되는 증발기(80)와, 상기 증발기(80)와 냉각이 요구되는 반도체소자(10)를 연통시키는 이중덕트(41)와, 상기 증발기(80)의 일측에 설치된 송풍팬(40)과, 상기 증발기(80)와 이중덕트(41)와 송풍팬(40) 및 반도체소자(10)를 다른 부품들과 분리되도록 수용하는 하우징(3)으로 구성된다.
한편, 상기 이중덕트(41)는 상기 증발기(80)에서 반도체소자(10)측으로 공기가 유동되는 유로인 내부덕트(412)와, 상기 내부덕트(412)의 외부에 설치되어 상기 반도체소자(10)측에서 증발기(80)측으로 공기가 유동되는 유로인 외부덕트(411)로 구성된다.
이와 같은 유로를 형성하도록 상기 내부덕트(412)의 일끝단에는 증발기(80)가 설치되고, 타끝단의 하부에는 반도체소자(10)가 위치되도록 이중덕트(41)가 설치된다.
그리고, 외부덕트(411) 일끝단은 하우징내부가 증발부(4)와 반도체부로 나뉘어지도록 격벽을 이루며 타끝단은 반도체소자(10)가 안착된 PCB보드(20)상면에 실링되어, 상기 증발기(80)와 반도체소자(10)는 상기 이중덕트(41)에 의하여 서로 연통된다.
또, 상기 이중덕트(41)는 설치작업이 용이하고 호환성이 향상되도록 벨로우즈형관으로 형성되며, 열교환이 효과적으로 이루어지도록 외부덕트(411)에 단열재 처리되거나, 내부덕트(412)에 단열재 처리된다.
또한, 상기 외부덕트(411)는 반도체소자(10)가 안착된 PCB보드(20)의 접촉면을 단열재로 감싸고 실링한다.
이는 1∼ 10℃범위로 형성된 냉각용 공기의 온도가 컴퓨터 케이스 내부의 공기와 접촉하는 경우, 결로 및 결빙이 발생되어 다른 부품작동에 심각한 문제를 야기시키기 때문에 증발기(80) 및 반도체소자(10)로만 냉기가 전해질 수 있도록 단열하기 위함이다.
이에 따라, 상기 이중덕트(41)의 내부덕트(412)의 타끝은 반도체소자(10)의 상부에 위치되고, 그 하부면적을 넓혀 공기가 유출되는 면적이 넓게 형성되도록 한다.
그리고, 상기 이중덕트(41)의 타끝은 반도체소자(10)를 커버하도록 PCB보드(20)상에 실링되고, 일끝단은 반도체에서 전달된 열을 흡열하여 온도가 상승된 공기가 빠져나와 증발기(80)로 순환될 수 있는 증발부를 이루도록 케이스의 내부에 각각 용접된다.
한편, 상기 하우징(3)은 증발기(80) 및 송풍팬(40)이 위치되는 증발부(4)와, 반도체소자(10)가 장착된 반도체부로 외부덕트(411)의 일끝단에 의하여 내부가 분리되며, 상기 증발부(4)와 반도체부는 상기 이중덕트(41)에 의하여 연통된다.
그리고, 상기 증발기(80)로 공기를 강제유동시키는 송풍팬(40)은 증발기(80)의 후방이나 또는 증발기(80)의 하류, 내부덕트(412)의 입구부 또는 외부덕트(411)의 출구부에 설치될 수 있다.
이에 따라, 상기 증발부(4)내의 공기가 이중덕트(41)를 따라 연속적으로 순환되고, 증발기(80)에서 배출되는 응축수는 냉동장치 측으로 배출하여 응축기(60)나 압축기(50)에 살포하는 응축수 배출관(82)으로 유입되도록 한다.
한편, 컴퓨터 내부의 온도가 45∼50℃이므로 강제 공냉식으로 CPU의 온도를 낮추어 일반적으로 80∼90℃를 유지하게 된다.
즉, CPU온도가 10℃씩 하강하는 경우, 연산속도가 2%정도식 향상되기때문에 증발기온도가 0℃이상으로 형성되는 냉동식 냉각장치를 사용해서도 CPU온도를 저하시켜 CPU의 작동성능 개선이 가능하다.
이와 같은 구조로 형성된 본 발명에 따른 냉동식 냉각장치(2)는 응축기(60)와 압축기(50) 및 팽창밸브(70)를 컴퓨터에 설치하고, 상기 증발기(80)등이 내장된 하우징(3)을 외부덕트(411)가 반도체소자(10) 또는 반도체패키지(90)를 커버할 수 있도록 관의 길이를 조절하여 냉각이 요구되는 반도체의 일측에 설치한다.
이러한 냉동식 냉각장치(2)에서, 압축기(50)에서 냉매가 고온 및 고압으로 압축되어 응축기(60)를 통하여 열교환으로 응축된 후, 팽창밸브(70)를 통과하면서 저온저압의 냉매상태로 상기 증발기(80)로 유입된다.
이 때, 상기 PCB상에 안착된 반도체소자(10)는 일을 수행하는 과정에서 열이 발생되고, 증발부내부의 공기를 강제로 증발기(80)측으로 유입시킴에 따라, 증발부(4)내부 공기와 증발기(80)내의 냉매가 열교환되어 저온으로 형성된 공기는 이중덕트(41)의 내부덕트(412)를 따라 반도체소자(10)로 보내진다.
반도체소자(10)에 분사되어 반도체소자(10)에서 방열되는 열을 흡수한 공기는 송풍팬의 회전에 의한 강제대류로 이중덕트(41)의 외부덕트(411)를 따라 증발부(4)로 재유입된다.
이 때, 공기를 유동시키는 송풍팬은 증발기(80)의 전단에 설치될 수 도 있고, 증발기(80)의 후단과, 외곽 덕트의 공기출구, 내부덕트(412)의 공기 출구등에 설치될 수 있다.
그리고, 상기 증발기(80)의 증발 온도는 0℃이상으로 설계되고, 외부덕트(411)의 외곽과 내부덕트(412)의 외부가 단열재 처리되어 유로내부 및 컴퓨터 내의 결로가 방지된다.
또, 외부덕트(411)와 PCB보드(20)의 접촉부는 실링재 및 단열재로 처리하여 냉기의 유출과 결로를 방지하며, PCB하단도 단열재를 부착하여 단열처리한다.
한편, 본 발명에 따른 이중덕트(41)는 굴절이 용이하여 설치위치에 관계없이 설치가 용이하도록 이동이 용이하며, 냉각장치(2)가 연속적으로 가동되면 증발기(80)부는 외부 공기로부터 차단된 독립된영역을 형성하여 공기가 순환되기 때문에 운전이 지속될수록 공기에 함유된 수분이 증발기(80) 표면에서 응결되어 응축수로 형성되므로 증발부(4) 내부의 습도가 현저하게 낮아져 내부덕트(412)에서의 결로 가능성이 자연히 사라지게된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 이중덕트를 이용하여 증발기로부터 냉각된 공기를 반도체로 유입시켜 반도체를 냉각하고, 열교환된 공기를 다시 증발기로 재유입시킴으로써, 일정공간의 공기가 연속적으로 순환되므로 에너지 효율이 향상되고, 반도체의 작동성능이 향상된다.
그리고, 이중덕트등이 단열처리되므로 반도체이외의 공간으로 열전달이 이루어지지 않기 때문에 효율적으로 반도체가 냉각되어 냉각효율이 향상되고, 다른 부품들의 결로등으로 인한 다른 부분의 작업불능등을 방지할 수 있다.
그리고, 벨로우즈관형의 이중덕트를 이용하여 반도체를 냉각시키기 때문에 반도체의 형상과 설치위치에 관계없이 냉각장치를 용이하게 설치할 수 있으므로 호환성이 향상되어 작업공수가 줄어든다.

Claims (9)

  1. 냉매를 고압으로 압축시키는 압축기와, 상기 압축기와 연결되어 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에 연결된 팽창밸브와, 상기 팽창밸브 및 압축기에 연결되어 냉매를 증발시키는 증발기로 구성된 냉동식 냉각장치에 있어서,
    상기 증발기는 반도체소자 또는 반도체패키지와 이중덕트로 연결되며,
    상기 이중덕트는 상기 증발기에서 반도체소자측으로 공기가 유동되는 유로를 형성하는 내부덕트와, 상기 내부덕트의 외부에 설치되어 상기 반도체소자측에서 증발기측으로 공기가 유동되는 유로를 형성하는 외부덕트를 구비하고,
    상기 증발기와, 상기 증발기의 일측에 설치된 송풍팬과, 상기 이중덕트및 반도체소자는 다른부분과 분리되도록 하우징내에 수용되는 것을 특징으로 하는 반도체용 냉동식 냉각장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징은 증발기 및 송풍팬이 위치되는 증발부와, 반도체소자가 장착된 반도체부로 내부가 분리되며,
    상기 증발부와 반도체부는 상기 이중덕트의 외부덕트에 의하여 연통되고,
    상기 증발기와 반도체소자는 상기 이중덕트의 내부덕트에 의하여 연통되는 것을 특징으로 하는 반도체용 냉동식 냉각장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이중덕트의 내부덕트의 일끝단에는 증발기가 설치되고, 타끝단에는 반도체소자가 위치되며,
    상기 외부덕트의 일끝단은 하우징내부가 증발부와 반도체부로 나뉘어지도록 격벽을 이루며, 타끝단은 반도체소자가 안착된 보드상면에 실링되는 것을 특징으로 하는 반도체용 냉동식 냉각장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기로 공기를 강제유동시키는 송풍팬은 증발기의 후방이나 또는 증발기의 하류, 내부덕트의 입구부 또는 외부덕트의 출구부에 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체용 냉동식 냉각장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 이중덕트는 벨로우즈형 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체소자용 냉동식 냉각장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 이중덕트의 외부덕트에는 단열재 처리가 된 것을 특징으로 하는 반도체용 냉동식 냉각장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 이중덕트의 내부덕트는 단열재 처리되는 것을 특징으로 하는 반도체 냉동식 냉각장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발기의 증발온도는 0℃이상으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 반도체용 냉동식 냉각장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 외부덕트는 반도체소자가 안착된 고정보드의 접촉면을 단열재로 감싸고 실링한 것을 특징으로 하는 반도체용 냉동식 냉각장치.
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