KR101114813B1 - 방열장치 - Google Patents

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Abstract

절연 기판, 열 싱크 및 응력 감소 부재를 포함하는 방열장치에 관한 것이다. 절연 기판은 가열체 수용면의 역할을 하는 제 1 면과 제 1 면의 반대측의 제 2 면을 포함한다. 열 싱크는 절연 기판의 제 2 면에 열적으로 연결된다. 열 싱크는 상부 케이스와 하부 케이스를 포함하고, 냉각 통로를 포함하는 액체 냉각 장치로서의 역할을 한다. 응력 감소 부재는 절연 기판의 금속층과 상부 케이스 사이에 배치된다. 응력 감소 부재는 응력 흡수 공동을 포함한다. 상부 케이스는 응력 감소 부재와 접촉하는 제 1 부분과 상부 케이스의 나머지 부분으로 규정되는 제 2 부분을 포함한다. 제 1 부분의 두께가 제 2 부분의 두께보다 적다.
방열장치

Description

방열장치 {HEAT DISSIPATION APPARATUS}
본 발명은 방열장치에 관한 것이다.
일본 특허 공개 공보 2001-148451 은 각각 절연 게이트형 양극성 트랜지스터 (IGBT) 와 같은 반도체 장치를 포함하는 동력 모듈에 대한 방열장치의 예를 개시하고 있다. 상기 공보에서 개시한 방열장치는 동력 모듈 절연 기판 및 열 싱크 (heat sink) 를 형성하는 방열판 사이에 배치되는 버퍼 층 (buffer layer) 을 포함한다. 이 버퍼 층은 절연 기판의 표면보다 1 ~ 3 배 큰 표면 면적을 갖고 있다. 버퍼 층은 절연 기판 및 방열 판에 부착된다. 수냉식 싱크가 방열판 아래에 배치된다. 버퍼 층은 절연 기판과 열 싱크의 열팽창 계수 사이의 열팽창 계수를 갖는다. 버퍼 층은 절연 기판과 열 싱크 사이의 열 변형 레벨의 차를 흡수한다. 이는 절연 기판에서 생성되는 내부 응력을 감소시킨다.
다량의 열이 발생하는 반도체 장치를 포함하는 동력 모듈에 대한 방열 장치에서, 가열체에서 열이 발생되는 경우 냉각 효율을 낮추지 않고도 생성되는 응력을 감소시키는 기능을 발전시킬 것이 요구된다.
본 발명이 목적은 냉각 효율을 낮추지 않고 열응력의 감소시키는 기능이 발전한 방열장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양은 절연 기판을 포함하는 방열장치로서, 이 기판은 가열체 수용면 역할을 하는 제 1 면 및 제 1 면 반대측의 제 2 면을 갖고 있다. 제 1 면에는 금속 회로층이 형성되고, 제 2 면에는 금속층이 형성된다. 열 싱크 (heat sink) 는 절연 기판의 제 2 면에 열적으로 연결된다. 열 싱크는 상부 케이스와 하부 케이스를 포함하고, 냉각 통로를 포함하는 액체 냉각 장치로서의 역할을 한다. 응력 감소 부재는 높은 열전도 재료로 만들어지고, 절연 기판의 금속층과 상부 케이스 사이에 배치된다. 응력 감소 부재는 응력 흡수 공동을 포함하고, 절연 기판과 열 싱크에 금속 접합된다. 상부 케이스는 응력 감소 부재와 접촉하는 제 1 부분과 상부 케이스의 나머지 부분으로 규정되는 제 2 부분을 포함한다. 제 1 부분의 두께가 제 2 부분의 두께보다 작다.
본 발명의 다른 태양과 이점은 첨부된 도면과 함께, 본 발명의 원리를 실시예로서 설명하는 이하의 내용을 통해 명백하게 될 것이다.
본 발명을 통해 냉각 효율을 낮추지 않고 열응력의 감소시키는 기능이 발전한 방열장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 차량에 설치된 동력 모듈에 대한 방열장치의 바람직한 실시형태에 대해 이하에서 설명한다. 이하에서, "알루미늄" 이라는 용어는, 순수 알루미늄 뿐 아니라 알루미늄 합금도 포함한다.
도 1 에 나타난 바와 같이, 방열장치는 절연 기판 (10) 과 열 싱크 (40) 를 포함한다. 절연 기판 (10) 은 가열체 수용면의 역할을 하는 제 1 면 (상부면)및 제 1 면의 반대측의 제 2 면을 포함한다. 절연 기판 (10) 과 열 싱크 (40) 사이에 응력 감소 부재 (30) 가 배치된다. 응력 감소 부재 (30) 는 절연 기판 (10) 과 열 싱크 (40) 에 금속 접합된다. 열 싱크 (40) 및 절연 기판 (10) 은 서로 열적으로 연결된다.
절연 기판 (10) 은 절연 세라믹 기판 (13), 금속 회로층 (11) 및 금속층 (12) 을 포함한다. 금속 회로층 (11) 은 세라믹 기판 (13) 의 제 1 면 (가열체 수용면) 에 형성된다. 금속층 (12) 은 세라믹 기판 (13) 의 제 2 면에 알루미늄으로 형성된다. 세라믹 기판 (13) 은 예를 들어 질화 알루미늄, 알루미나, 질화 실리콘 등으로 형성된다.
가열체 역할을 하는 반도체 장치 (20) (반도체 칩) 는 절연 기판 (10) 의 가열체 수용면에 납땜되어 접합된다. IGBT, MOSFET, 다이오드 등이 반도체 장치 (20) 로 사용될 수 있다.
열 싱크 (40) 는 상부 케이스 (41) 와 하부 케이스 (42) 를 포함한다. 상부 케이스 (41) 와 하부 케이스 (42) 는 같이 적층된 상태에서 브레이징 (brazing) 등을 통해 금속 접합된다. 냉각 핀 등이 열 싱크 (40) 에 배치되어 냉각제 통로 (40a) 를 형성하고, 이 통로는 냉각제 통로 (40a) 의 부분들이 서로 평행하도록 열 싱크 (40) 를 통해 구불구불하게 연장된다. 냉각제는 가열체를 냉각시키기 위해 냉각제 통로 (40a) 를 통해 흐른다. 이러한 방식으로, 열 싱크 (40) 는 냉각제 통로 (40a) 를 포함하는 액체식 냉각 장치의 기능을 수행하고, 이 냉각제 통로가 냉각 통로의 역할을 한다. 냉각제 통로 (40a) 는 입구와 출구를 포함하는데, 이 출구와 입구는 차량에 배치된 냉각제 회로에 연결될 수 있다. 열 싱크 (40) 의 냉각 용량은, 반도체 장치 (20) 가 구동되고 가열된 경우 반도체 장치 (20) 에서 발생한 열이 절연 기판 (10) 과 응력 감소 부재 (30) 를 통해 열 싱크 (40) 에 전달되어 원활하게 방출되도록 설정된다. 열 싱크 (40) 의 상부 케이스 (41) 는 알루미늄으로 만들어진다. 바람직한 실시 형태에서, 상부 케이스 (41) 와 하부 케이스 (42) 는 모두 알루미늄으로 만들어진다.
응력 감소 부재 (30) 는 절연 기판 (10) 의 금속층 (12) 과 열 싱크 (40) 사이에 위치한다. 응력 감소 부재 (30) 는 절연 기판 (10) 및 열 싱크 (40) 에 금속 접합된다. 더욱 특별하게는, 절연 기판 (10), 응력 감소 부재 (30) 및 상부 케이스 (41) 는 브레이징되어 함께 접합된다. 응력 감소 부재 (30) 는 높은 열 전도성을 갖는 재료로 만들어지고, 다수의 보어 (30a) 에 의해 형성되는 응력 흡수 공동을 포함한다. 더욱 특별하게는, 응력 감소 부재 (30) 는 알루미늄 판으로 만들어지고, 보어 (30a) 가 이 알루미늄 판을 통과하여 연장된다.
열 싱크 (40) 의 상부 케이스 (41) 의 두께는 t 이고, 이는 이하에서 설명한 다.
응력 감소 부재 (30) 를 면하고 있는 열 싱크의 표면 (즉, 상부 케이스 (41)) 은 열 싱크 (40) 를 면하고 있는 응력 감소 부재 (30) 의 표면보다 큰 넓이를 갖는다. 상부 케이스 (41) 는, 응력 감소 부재 (30) 와 접촉하고 있는 제 1 부분 및 제 1 부분이 아닌 상부 케이스 (41) 의 나머지 부분으로 규정되는 제 2 부분을 포함한다. 응력 감소 부재 (30) 와 접촉하고 있는 제 1 부분은 응력 감소 부재 (30) 의 보어 (30a) 에 대응하는 부분을 포함한다. 방열장치의 두께 방향에서 보았을 때, 제 1 부분은 응력 감소 부재 (30) 의 외형에서 안쪽의 상부 케이스 (41) 의 영역이다. 방열장치의 두께 방향에서 보았을 때, 제 2 부분은 응력 감소 부재 (30) 의 외형에서 바깥쪽의 상부 케이스 (41) 의 영역이다. 제 2 부분의 두께는 t1 이고, 제 1 부분의 두께는 제 2 부분의 두께 (t1) 보다 작은 t2 이다.
더욱 특별하게는, 상부 케이스 (41) 에서 제 2 부분의 두께 (t1) 는 1 mm 이고, 제 1 부분의 두께 (t2) 는 0.5 mm 이다. 더욱이, 응력 감소 부재 (30) 는 1 mm 의 두께 (t3) 를 갖는다.
응력 감소 부재 (30) 를 면하고 있는 상부 케이스 (41) 의 표면은 제 1 부분에서 제 2 부분으로부터 오목하게 들어가 있다. 이 오목부분은 응력 감소 부재 (30) 를 수용한다.
방열장치의 작동에 대해 이하에서 설명한다.
방열장치는 하이브리드 차량 등에 설치된다. 열 싱크 (40) 는 파이프로 냉각제 회로 (미도시) 에 연결된다. 펌프와 라디에이터 (radiator) 는 냉각제 회로에 배치된다. 라디에이터는 모터에 의해 회전되는 팬 (fan) 을 포함하고 효율적으로 열을 방출한다.
반도체 장치 (20) 가 방열장치에서 구동되는 경우, 반도체 장치 (20) 는 열을 발생시킨다. 반도체 장치 (20) 에서 발생되는 열은 절연 기판 (10) 과 응력 감소 부재 (30) 을 통해 열 싱크 (40) 에 전달되어, 열 싱크 (40) 를 흐르는 냉각제와 열교환이 일어난다. 이는 방열장치에서 열을 방출시킨다. 즉, 열 싱크 (40) 에 전달된 열은 냉각제 통로 (40a) 를 흐르는 냉각제에 더 전달되어 방출된다. 열 싱크 (40) 는 냉각제 통로 (40a) 를 흐르는 냉각제에 의해 강제로 냉각된다. 따라서, 반도체 장치 (20) 에서 열 싱크 (40) 로 연장되는 열전달 경로에서 온도 구배는 증가하고, 반도체 장치 (20) 에서 발생하는 열은 절연 기판 (10) 및 응력 감소 부재 (30) 를 통해 효율적으로 방열된다.
다수의 보어 (30a) 에 의해 규정되는 응력 흡수 공동을 포함하는 응력 감소 부재 (30) 는, 반도체 장치 (20) 에서 열이 발생하는 경우 생성되는 열응력을 감소시킨다. 상부 케이스 (41) 에서, 제 2 부분의 두께 (t1) 보다 작은 제 1 부분의 두께 (t2) 는 상부 케이스 (41) 의 강성을 낮추어, 상부 케이스 (41) 는 또한 열응력을 낮추게 된다. 즉, 수냉식 열 싱크 (40) 는 또한 열응력을 낮춘다. 더욱이, 상부 케이스 (41) 에서, 제 1 부분의 두께 (t2) 는 제 2 부분의 두께 (t1) 보다 적다. 이는 반도체 장치 (20) 와 냉각제 통로 (40a) 사이의 거리를 좁히고, 냉각 효율을 증가시킨다.
바람직한 실시 형태는 이하의 이점을 갖는다.
(1) 높은 열전도성 재료로 만들어지고 응력 흡수 공동 (보어 (30a)) 을 포함하는 응력 감소 부재 (30) 는 절연 기판 (10) 의 금속층 (12) 과 액체 냉각 장치인 열 싱크 (40) 사이에 배치된다. 더욱이, 응력 감소 부재 (30) 는 절연 기판 (10) 과 열 싱크 (40) 에 금속 접합된다. 상부 케이스 (41) 에서, 제 1 부분의 두께 (t2) 는 제 2 부분의 두께 (t1) 보다 작다. 따라서, 열응력을 줄이는 방열장치의 기능은 냉각 효율을 낮추지 않고 향상된다.
(2) 금속층 (12) 과 상부 케이스 (41) 는 알루미늄으로 만들어지고, 응력 감소 부재 (30) 는 보어 (30a) 를 포함하는 알루미늄 판으로 만들어진다. 따라서, 알루미늄은 같이 브레이징 (금속 접합) 될 수 있다. 더욱이, 응력 감소 부재 (30) 의 보어 (30a) 는 응력 흡수 공동을 형성한다.
당업자들에게 있어서, 본 발명의 사상이나 범위에서 벗어나지 않고 다양한 형태로 본 발명을 구체화할 수 있음은 명백하다. 특히, 본 발명은 이하의 형태로 구체화할 수 있다.
도 2 에 나타난 바와 같이, 응력 감소 부재 (30) 는 절연 기판 (10) 을 면하고 있고 다수의 오목부 (30b) 를 포함하는 표면을 갖는 알루미늄 판이 될 수 있다. 대안으로, 도 3 에 나타난 바와 같이, 응력 감소 부재 (30) 는 열 싱크 (40) 를 면하고 있고 다수의 오목부 (30c) 를 포함하는 표면을 갖는 알루미늄 판이 될 수 있다. 또다른 선택으로서, 도 4 를 참조하면, 응력 감소 부재 (30) 는 절연 기판 (10) 을 면하고 있고 다수의 오목부 (30d) 를 포함하는 표면 및 열 싱크 (40) 를 면하고 있고 다수의 오목부 (30e) 를 포함하는 표면을 갖는 알루미늄 판이 될 수 있다. 이러한 방식으로, 금속 층 (12) 과 상부 케이스 (41) 는 알루미늄으로 만들어지고, 응력 감소 부재 (30) 는 절연 기판 (10) 을 면하고 있는 표면 및 열 싱크 (40) 를 면하고 있는 표면 중 하나 이상에서 오목부를 포함하는 알루미늄 판으로 만들어진다. 이러한 경우, 알루미늄은 같이 브레이징 (금속 접합) 된다. 더욱이, 응력 흡수 공동은 다수의 공동으로 만들어질 수 있다.
냉각제는 액체 냉각 장치로 작용하는 열 싱크 (40) 를 통해 흐른다. 대신, 알콜과 같은 다른 냉각 액체도 열 싱크 (40) 를 통해 흐를 수 있다.
본 실시예와 실시 형태는 제한적인 것이 아니라 설명을 위한 것이고, 본 발명은 명세서에 기재된 내용으로 제한되지 않으며, 청구범위의 범위와 균등범위 내에서 변형될 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 방열장치의 바람직한 실시 형태를 나타내는 길이방향 단면도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 방열장치의 다른 실시 형태를 나타내는 길이방향 단면도이다.
도 3 은 본 발명에 따른 방열장치의 또다른 실시 형태를 나타내는 길이방향 단면도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 방열장치의 또다른 실시 형태를 나타내는 길이방향 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 절연 기판 20: 반도체 장치
30: 응력 감소 부재 30a: 보어
40: 열 싱크 40a: 냉각제 통로
41: 상부 케이스 42: 하부 케이스

Claims (4)

  1. 방열장치로서,
    가열체 수용면 역할을 하는 제 1 면 및 제 1 면 반대측의 제 2 면을 갖고 있고, 제 1 면에는 금속 회로층이 형성되며, 제 2 면에는 금속층이 형성되는 절연 기판;
    절연 기판의 제 2 면에 열적으로 연결되고, 상부 케이스와 하부 케이스를 포함하며, 냉각로를 포함하는 액체 냉각 장치로서의 역할을 하는 열 싱크; 및
    순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어지고, 절연 기판의 금속층과 상부 케이스 사이에 배치되며, 응력 흡수 공동을 포함하고 절연 기판과 열 싱크에 금속 접합되는 응력 감소 부재를 포함하고,
    상부 케이스는 응력 감소 부재가 수용되는 제 1 부분과 상부 케이스의 나머지 부분으로 규정되는 제 2 부분을 포함하고, 제 1 부분의 두께가 제 2 부분의 두께보다 작은 방열장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    금속층과 상부 케이스는 알루미늄으로 만들어지고;
    응력 감소 부재는 다수의 보어를 포함하는 알루미늄 판으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방열장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    금속층과 상부 케이스는 알루미늄으로 만들어지고,
    응력 감소 부재는 절연 기판을 면하고 있는 표면 및 열 싱크를 면하고 있는 표면 중 하나 이상에서 다수의 오목부를 포함하는 알루미늄 판으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방열장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상부 케이스는 제 1 부분에 대응하는 부분에서 제 2 부분에 대응하는 부분으로부터 오목하게 된 응력 감소 부재를 면하고 있는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 방열장치.
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