KR101031054B1 - 반도체 부품용 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각수 입구에서 냉각핀에 이르기까지 단면적이 확장되는 디퓨저 형상의 냉각수 입구 유로가 형성된 반도체 부품용 냉각장치에 있어서, 상기 냉각수 입구 유로는, ω를 디퓨저의 반경이라 하고, D를 냉각수 입구 직경이라 하며, ｘ를 냉각수 입구에서 냉각핀 방향의 잰 거리라 하고, α(단위 radian)를 디퓨저의 확대기울기 계수, sin(αㆍA) =1이라 할 때, 식 ω = D{3/2 + sin(α(ｘ-A))} 를 만족하는 형상인 것을 특징으로 한다.
이에 따르면, 소형화, 고밀도화되는 반도체 부품을 냉각하기 위한 냉각장치에서, 냉각수 입구에서 냉각핀에 이르는 디퓨저 형상의 냉각수 입구 유로를 최적의 형상으로 설계함으로써, 냉각효율을 증가시키고 냉각수 유동저항도 저감할 수 있는 이점이 있다.
히트 싱크, 냉각핀

Description

반도체 부품용 냉각장치{Cooling apparatus for semiconductor component}
본 발명은 반도체 부품용 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각효율이 높고 냉각수 유동저항이 감소할 수 있는 최적의 냉각수 입구 유로 구조를 갖는 반도체 부품용 냉각장치에 관한 것이다.
최근 전자부품 내 각종 소자의 소형화, 고밀도화로 인해 부품 당 소모 전력이 증가하고 전자소자에 고발열 현상이 발생하고 있다. 반도체 소자에서 작동 중에 발생된 열이 적절하게 발산되지 않게 되면 소자의 성능이 급격하게 떨어짐과 동시에 소자의 수명이 감소할 뿐만 아니라, 소자가 파손되는 경우가 발생할 수도 있으며, 실제 반도체 소자의 불량률 중 약 70~75%가 열적인 문제에 의해 발생되고 있다.
따라서, 각종 고집적 반도체 소자 등에서 발생되는 열을 최대한 방출시키고 발생되는 열적인 문제점을 최소화하기 위해 냉각핀이 군을 이룬 히트 싱크(heat-sink)를 반도체 칩 또는 세라믹 기판 등에 부착하여 소자에서 발생되는 열을 최대한 방출시키고 있다.
히트 싱크를 가진 냉각장치에서 방열성능과 관련된 여러 변수로는 냉각핀의 형상과 길이 및 열전달 표면적, 냉각수 유입 및 유동장의 유로형상 등이 있다.
반도체 부품용 냉각장치는, 반도체 소자가 정격연속에서 온도포화가 이루어진 후 최대정격을 일정시간 동안 인가하였을 때 반도체 소자의 온도가 소정의 목표 온도 이하에서 작용될 수 있도록 구성되어야 하며, 이를 위해서 방열성능에 관련된 여러 변수들이 모두 적절하게 구성되어야 한다.
특히 냉각수의 입구 유로의 형상은 냉각효율과 냉각수 유동저항에 큰 영향을 미치며, 최근에는 입구 유동장의 압력 에너지 손실을 최소화하기 위하여 냉각시스템의 냉각수 입구 유로의 구성을 디퓨저(diffuser) 형상으로 설계하고 있으며, 디퓨저 확장각의 확대정도, 디퓨저 형상이 원추형 또는 평판형인지 여부에 따라 역류 또는 실속(stall) 현상의 발생에 차이가 있고, 그로 인해 유동 안정도 등이 달라지게 된다.
유동은 유체가 비압축성인 경우에는 압력과 속도 에너지 간의 에너지 변환에 의해 유로 단면적의 감소에 따라 속도 에너지가 증가하는 반면 압력에너지는 감소하게 되는데(베르누이 정리), 종래에는 반도체 부품용 냉각장치에 유입하는 냉각수가 열전달을 위한 냉각핀의 유로저항을 극복하도록 유로 면적을 확대하여 압력보상을 시도하는 구조의 냉각수 입구 유로 구조가 제안되고 있지만, 이 경우에는 역류 및 와류가 발생함으로 인하여 냉각효율 향상 및 냉각수 유동저항의 감소효과가 미약하므로, 냉각효율이 높으면서 유동저항이 적은 냉각수 입구 유로를 형성하기가 어렵다는 문제점이 있었다.
따라서, 소형화, 고밀도 반도체 부품의 방열성능을 높이기 위해 냉각장치의 냉각효율이 높고 냉각수 유동저항이 감소하는 냉각수 입구 유로 구조에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 이러한 요구에 따라 개발된 것으로서 냉각효율이 높고 냉각수 유동저항이 감소할 수 있는 최적의 냉각수 입구 유로 구조를 갖는 반도체 부품용 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉각수 입구에서 냉각핀에 이르기까지 단면적이 확장되는 디퓨저 형상의 냉각수 입구 유로가 형성된 반도체 부품용 냉각장치에 있어서, 상기 냉각수 입구 유로는, ω를 디퓨저의 반경이라 하고, D를 냉각수 입구 직경이라 하며, ｘ를 냉각수 입구에서 냉각핀 방향으로 잰 거리라 하고, α(단위 radian)를 디퓨저의 확대기울기 계수, sin(αㆍA) =1이라 할 때, 식 ω = D{3/2 + sin(α(ｘ-A))} 를 만족하는 형상이다.
또한, 상기 ｘ는 0 ≤ ｘ ≤ 6.5D의 범위일 수 있다.
또한, 상기 A 는 3D ≤ A ≤ 3.5D이고, 상기 α 는 π/7D ≤ α ≤ π/6D 의 범위일 수 있다.
본 발명에 의한 반도체 부품용 냉각장치에 의하면, 소형화, 고밀도화되는 반도체 부품을 냉각하기 위한 냉각장치에서, 냉각수 입구에서 냉각핀에 이르는 디퓨저 형상의 냉각수 입구 유로를 최적의 형상으로 설계함으로써, 냉각효율을 증가시키고 냉각수 유동저항도 저감할 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명이 적용되는 반도체 부품용 냉각장치를 나타내는 개략 사시도이고, 도 2는 도 1의 내부를 나탸내는 평단면도이다. 도시한 바와 같이 냉각장치(100)는 본체(110)의 일측면에 냉각수 입구(120)가 형성되고, 본체(110)의 소정의 다른 측면에는 냉각수 출구(130)가 형성되며, 상기 본체(110)의 상면에는 다수의 반도체 소자(140)가 부착되어 있다.
상기 본체(110)의 내부에는 도 2에 도시한 바와 같이 상기 냉각수 입구(120)에서 냉각수 출구(130)로 흐르는 냉각수 유로가 형성되어 있고, 냉각수 유로 상에는 각 반도체 소자(140)에 연결된 다수의 냉각핀(F)들이 냉각수 유로를 가로질러 설치되어 군을 이룬 다수의 히트 싱크(H1, H2, H3, H4, H5, H6)가 구비되어 있다.
상기 냉각수 입구(120)에는 히트 싱크(H1 : 제1 히트 싱크)의 냉각핀(F)에 이르기까지에는 단면적이 확장되는 디퓨저 형상의 냉각수 입구 유로(CP)가 형성되어 있다.
한편, 냉각수 입구 유로(CP)의 형상이 곡선 확대관인지 또는 직선 확대관인지에 따라 방열성능상 큰 차이가 있으며, 이하에서 이러한 차이점에 대해서 자세히 설명한다.
도 3의 (a) 및 (b)는 냉각수 입구 유로(CP)의 형상이 곡선 확대관인 경우 유동장의 변화모습을 보인 그림으로서, 도 3의 (a)는 히트 싱크(H1)의 유로 높이(Hhs =22.5mm)와 측정위치(y)의 비(y/Hhs)가 0.3일 때의 유동장이고, 도 3의 (b)는 히트 싱크(H1)의 유로 높이(Hhs =22.5mm)와 측정위치(y)의 비(y/Hhs)가 0.7일 때의 유동장을 나타낸다. 여기서, 측정위치 y는 냉각핀(F)이 부착되어 있는 히트 싱크(H1)의 상단면에서 히트 싱크(H1)의 바닥측으로부터 측정된 거리를 나타낸다.
도 3에 나타난 바와 같이 비(y/Hhs)가 0.3일 경우에는 균일하게 발달된 유동장을 보이고 있으나, 비(y/Hhs)가 0.7일 경우에는 역류현상이 핀(F) 시작점에서 입구까지 넓게 발생하였다.
도 4의 (a) 및 (b)는 냉각수 입구 유로의 형상이 직선 확대관인 경우 유동장의 변화모습을 보인 그림으로서, 도 4의 (a)는 히트 싱크(H1)의 유로 높이(Hhs =22.5mm)와 측정위치(y)의 비(y/Hhs)가 0.3일 때의 유동장이고, 도 4의 (b)는 히트 싱크(H1)의 유로 높이(Hhs =22.5mm)와 측정위치(y)의 비(y/Hhs)가 0.7일 때의 유동장을 나타낸다. 마찬가지로, 측정위치 y는 냉각핀(F)이 부착되어 있는 히트 싱크(H1)의 상단면에서 히트 싱크(H1)의 바닥측으로 잰 거리를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 냉각수 입구 유로의 형상이 직선 확대관인 경우, 부분적으로 와류가 냉각핀(F)과 냉각핀(F) 사이에서 발생하고, 특히 냉각핀이 시작되는 부위에서 와류가 발생되긴 하였으나, 비(y/Hhs)가 0.3일 경우나 0.7일 경우에 어디에서도 역류현상은 나타나지 않았다.
도 3의 (a) 및 (b)와 같이, 냉각수 입구 유로(CP)의 형상이 곡선 확대관인 경우에는, 와동 및 역류의 발생을 통한 선회류(circulating flows)를 통해 발열체의 발생 열에너지를 효율적으로 제거할 수 있다.
이러한 냉각수 입구 유로(CP)의 형상에 따른 열전달 성능의 차이에 대해 더욱 자세히 설명한다.
도 5는 냉각수 입구 유로의 형상이 곡선 확대관인 경우 냉각수 유로에 설치된 히트 싱크(H1, H2, H3, H4, H5, H6)가 구비된 냉각장치에서 각 히트 싱크의 온도분포를 나타낸 그림이며, 도 6은 냉각수 입구 유로의 형상이 직선 확대관인 경우 냉각수 유로에 설치된 히트 싱크(H1, H2, H3, H4, H5, H6)가 구비된 냉각장치에서 각 히트 싱크의 온도분포를 나타낸 그림이다. 도 5 및 도 6의 히트 싱크 내부에 표시된 수치는 온도(℃)를 나타낸다.
도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 냉각수 입구 유로의 형상이 곡선 확대관일 때의 각 히트 싱크의 전체적인 온도 분포를 살펴보면, 냉각수 입구 유로의 형상이 직선 확대관일 때의 온도보다 전체적으로 낮은 온도분포를 나타내는 것을 육안으로 쉽게 확인할 수 있다.
아래의 [표 1]는 냉각수 입구 유로의 형상이 곡선 확대관인 경우와 직선 확대관로 구분하여 냉각 성능을 비교한 것이다.
표의 수치는 40kw급 디젤엔진-모터 하이브리드 전기 자동차(HEV)에 장착되는 구동시스템의 파워모듈인 MCU(Motor Control Unit) 및 HDC(High side DC/DC Converter)용 1 GBT 모듈의 전력 반도체 소자가 연속정격에서 온도포화가 이루어진 후 최대정격을 30초 동안 인가한 제1 조건 및 반도체 소자에 공급되는 최대정격을 30% 초과한 전기에너지를 공급한 제2 조건하에서 각각 전력용 반도체 소자의 온도가 목표방열온도(120℃) 이하인 조건을 만족하는지를 확인한 결과이다.
냉각수 입구유로의 형상 제1 조건(℃) 제2 조건℃)
곡선 확대관 99.4 111.75
직선 확대관 103.24 117.38
표 1을 참고하면, 냉각수 입구 유로의 형상이 곡선 확대관인 경우 제1 조건 및 제2 조건 모두에서 목표방열온도인 120℃보다 훨씬 낮은 온도를 나타내고, 냉각수 입구 유로의 형상이 직선 확대관인 경우에 비해서도 최고온도가 현저히 낮음을 확인할 수 있다.
또한, 병행된 시제품 제작을 통해 성능평가를 실시한 결과와 실제 제품의 온도분포가 최대 7% 정도의 오차를 나타내는 점 및 냉각수 입구 유로의 형상이 직선 확대관인 경우에는 안전율을 고려한 설계가 불가피한 점을 고려하면, 냉각수 입구 유로의 형상이 곡선 확대관인 경우가 직선 확대관인 경우에 비해 매우 유용함을 확인할 수 있다.
본 발명에서는, 전술한 바와 같은 이유로 냉각수 입구 유로의 형상이 곡선 확대관인 경우가 직선 확대관인 경우에 비해 유리함을 고려하여 다양한 형태의 곡선의 형상을 갖는 곡선 확대관을 구성하여 효과를 검증하였다.
도 7은 다양한 형태의 냉각수 입구 유로의 형상을 갖는 비교예들에, 구동시스템의 파워모듈인 MCU(Motor Control Unit) 및 HDC(High side DC/DC Converter)용 1 GBT 모듈의 전력 반도체 소자가 연속정격에서 온도포화가 이루어진 후 최대정격을 가하는 시간에 따른 온도변화를 나타내는 그래프이다.
여기서, 비교예들은 각각 직관(비교예1), 여현함수(비교예2), 타원궤적(비교예3), 정현함수(비교예4), 포물선함수(비교예5)인 경우를 나타내고, 이러한 시험결과, 비교예4와 같이 정현함수의 형식으로 구현된 냉각수 입구 유로로 된 곡관의 형상이 가장 압력저항이 작고 냉각성능이 높다는 것이 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 냉각수 입구 유로(CP)의 형상이 곡선 확대관인 것이 냉각성능에 유리한 점 및 곡선이 정현함수로 된 곡관의 형상이 가장 압력저항이 작고 냉각성능이 높다는 점에 착안하며, 본 발명에서는 다음과 같이 냉각수 입구 유로(CP)의 형상을 한정하였다.
본 발명에 의한 냉각수 입구 유로(CP)의 형상은 도 8에 그래프 형태로 도시한 바와 같이, ω를 디퓨저의 반경이라 하고, D를 냉각수 입구 직경이라 하며, ｘ를 냉각수 입구에서 냉각핀 방향으로 잰 거리라 하고, α(단위 radian)를 디퓨저의 확대기울기 계수, sin(αㆍA) =1이라 할 때, 다음 [식 1]을 만족하는 형상으로 되어 있다. 여기서, sin(αㆍA)=1 라 함은, A가 [식 1]에 나타난 사인함수의 변곡점에 해당하는 x 값임을 의미한다.
[식 1]
ω = D{3/2 + sin(α(ｘ-A))}
상기 [식 1]에서 ｘ는 0 ≤ ｘ ≤ 6.5D 이고, A 는 3D ≤ A ≤ 3.5D를 만족한다.
구체적으로, A 값의 위치에 따라 냉각수 입구 유로(CP)의 형상은 크게 달라지게 되고, 이 때 A값이 작으면 냉각수 입구로부터 유로 면적을 급격하게 확대되고, A 값이 큰 경우에는 냉각수 입구로부터 너무 먼 곳에서 유로 면적이 확대될 우려가 있으므로, A 값의 위치를 적절하게 선정할 필요가 있다.
본 발명에서는 A 값을 3D ≤ A ≤ 3.5D의 범위에 있도록 설계하고, 이 경우 α 는 π/7D ≤ α ≤ π/6D 를 만족하게 된다.
구체적으로, ⅰ) A=3D인 경우에는 sin(αㆍA) = sin(αㆍ3D) =1 이 되고, αㆍ3D=π/2인 점을 고려하면, α 는 π/6D 이 되고, ⅱ) A=3.5D인 경우에는 sin(αㆍA) = sin(αㆍ3.5D) =1 이 되고, αㆍ3.5D=π/2인 점을 고려하면, α 는 π/7D 이 되어, 결과적으로 α 는 π/7D ≤ α ≤ π/6D 의 범위를 갖게 된다.
본 발명에서는 ｘ는 0 ≤ ｘ ≤ 6.5D로 설정하여 그 하한과 상한을 제한하였고, 그로 인한 냉각 성능의 차이를 실험하였다.
하기의 [표 2]는 x의 하한과 상한의 범위에 따른 냉각 성능의 비교를 나타낸다. 표의 수치는 40kw급 디젤엔진-모터 하이브리드 전기 자동차(HEV)에 장착되는 구동시스템의 파워모듈인 MCU(Motor Control Unit) 및 HDC(High side DC/DC Converter)용 1 GBT 모듈의 전력 반도체 소자가 연속정격에서 온도포화가 이루어진 후 최대정격을 30초 동안 인가한 제1 조건 및 반도체 소자에 공급되는 최대정격을 30% 초과한 전기에너지를 공급한 제2 조건하에서 각각 전력용 반도체 소자의 온도가 목표방열온도(120℃) 이하인 조건을 만족하는지를 확인한 결과이다.
구분 x의 범위의
하한/상한		 제1 조건(℃) 제2 조건(℃)
발명예 0/6.5D 99.4 111.75
실험예1 0/7D 103.09 117.51
실험예2 0/6D 103.83 118.59
실험예3 0/7.5D 101.92 117.38
표 2를 참고하면, x 의 하한 및 상한의 범위를 0 ≤ ｘ ≤ 6.5D로 한 발명예의 경우 실험예 1~3에 비해, 제1 조건 및 제2 조건 모두에서 목표방열온도인 120℃보다 훨씬 낮은 온도를 나타내게 되므로, 냉각 성능에 가장 효과적임을 확인할 수 있다.
또한, 병행된 시제품 제작을 통해 성능평가를 실시한 결과와 실제 제품의 온도분포가 최대 7% 정도의 오차를 나타내고, 그로 인해 실험예 1~3의 경우 안전율을 고려한 설계가 불가피한 점을 고려하면, x 의 하한 및 상한의 범위를 0 ≤ ｘ ≤ 6.5D인 경우의 냉각성능이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명이 적용되는 반도체 부품용 냉각장치를 나타내는 개략 사시도,
도 2는 도 1의 내부를 나타내는 평단면도,
도 3의 (a) 및 (b)는 냉각수 입구 유로(CP)의 형상이 곡선 확대관인 경우 유동장의 변화모습을 보인 그림,
도 4의 (a) 및 (b)는 냉각수 입구 유로(CP)의 형상이 직선 확대관인 경우 유동장의 변화모습을 보인 그림,
도 5는 냉각수 입구 유로의 형상이 곡선 확대관인 경우 각 히트 싱크의 온도분포를 나타낸 그림,
도 6은 냉각수 입구 유로의 형상이 직선 확대관인 경우 각 히트 싱크의 온도분포를 나타낸 그림,
도 7은 다양한 형태의 냉각수 입구 유로의 형상을 갖는 비교예들에, 최대정격을 가하는 시간에 따른 온도변화를 나타내는 그래프,
도 8은 본 발명의 냉각수 입구 유로의 형상을 나타내는 식을 설명하는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
120: 냉각수 입구 CP: 냉각수 입구 유로
H1 ~ H6: 히트 싱크

Claims (3)

  1. 냉각수 입구에서 냉각핀에 이르기까지 단면적이 확장되는 디퓨저 형상의 냉각수 입구 유로가 형성된 반도체 부품용 냉각장치에 있어서,
    상기 냉각수 입구 유로는, ω를 디퓨저의 반경이라 하고, D를 냉각수 입구 직경이라 하며, ｘ를 냉각수 입구에서 냉각핀 방향으로 잰 거리라 하고, α(단위 radian)를 디퓨저의 확대기울기 계수, sin(αㆍA) =1이라 할 때, 식 ω = D{3/2 + sin(α(ｘ-A))} 를 만족하는 형상인 것을 특징으로 하는 반도체 부품용 냉각장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 ｘ는 0 ≤ ｘ ≤ 6.5D 의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 부품용 냉각장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 A 는 3D ≤ A ≤ 3.5D이고, 상기 α 는 π/7D ≤ α ≤ π/6D 의 범위인 것을 특징으로 하는 반도체 부품용 냉각장치.
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