KR101367071B1 - 히트 싱크 - Google Patents

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KR101367071B1
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오규환
홍창섭
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 히트 싱크는 제1통로, 상기 제1통로보다 작은 두께방향 단면적을 갖는 제3통로 및 상기 제1통로와 상기 제3통로 사이를 연결하되, 상기 제1통로부터 상기 제3통로로 갈수록 두께방향 단면적이 작아지는 제2통로로 이루어진 냉매 이동용 파이프 및 상기 냉매 이동용 파이프를 감싸는 케이스를 포함한다.

Description

히트 싱크{Heat sink}
본 발명은 히트 싱크에 관한 것이다.
최근 에너지 사용량 증가 및 소형/집적화에 따른 비효율성의 증가는 파워 모듈의 방열 문제를 야기시키고 있다.
이러한 방열 문제는 단순한 온도 문제를 떠나 부품의 수명에도 영향을 미치고 있어 방열 문제를 해결하기 위한 여러 가지 방안이 등장하고 있다.
그러나 복잡한 구조를 통한 효율의 증가는 결국 생산단가를 높이는 결과를 초래하기 때문에, 단순하면서도 고효율 방열 구조 설계가 필요한 현실이다.
또한, 방열 효율을 높이기 위해 사용하는 히트 싱크의 기본적인 목적은 파워 모듈의 온도를 낮추는 데 있는데, 이때, 파워 모듈의 전체적인 온도를 낮추는 것이 아니라 부분적으로 배치된 발열소자의 온도를 낮추어 방열 성능을 높이는 것이 더욱 효과적일 수 있다.
한편, 종래 방식의 히트 싱크가 특허번호 제0598516호(국내등록특허)에 개시되어 있다.
상술한 특허문헌에 개시되어 있는 바와 같이, 종래 방식의 히트 싱크는 얇은 핀(fin) 타입의 기둥 또는, 일정 직경을 갖는 핀(pin) 타입의 기둥을 일정 간격으로 배열한 구조로 제작된다.
그러나, 이와 같은 종래의 히트 싱크는 파워 모듈의 전체적인 온도를 낮추기 위한 구조로서, 부분적으로 위치한 발열소자의 온도를 효과적으로 낮추기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 부분적으로 위치한 발열소자 각각에 대한 방열 성능을 높일 수 있는 히트 싱크를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 히트 싱크는 제1통로, 상기 제1통로보다 작은 두께방향 단면적을 갖는 제3통로 및 상기 제1통로와 상기 제3통로 사이를 연결하되, 상기 제1통로부터 상기 제3통로로 갈수록 두께방향 단면적이 작아지는 제2통로로 이루어진 냉매 이동용 파이프 및 상기 냉매 이동용 파이프를 감싸는 케이스를 포함한다.
여기에서, 상기 제1통로, 제2통로 및 제3통로는 복수 개일 수 있다.
또한, 상기 제1통로와 제3통로는 교대로 배열될 수 있다.
또한, 상기 냉매 이동용 파이프는 복수 개일 수 있으며, 상기 복수 개의 냉매 이동용 파이프는 두께 방향으로 배열될 수 있다.
또한, 상기 냉매 이동용 파이프의 단면적은 상기 냉매 이동용 파이프의 두께방향 폭 변화에 비례할 수 있다.
또한, 상기 냉매 이동용 파이프의 단면적은 상기 냉매 이동용 파이프의 두께방향 높이 변화에 비례할 수 있다.
또한, 상기 냉매 이동용 파이프 제2통로와 제3통로의 일면 및 타면은 각각 상기 케이스 내측 면과 접할 수 있으며, 반도체칩이 상기 케이스 상에 부착되되, 상기 케이스 상에서 상기 제3통로와 접하는 영역에 부착될 수 있다.
또한, 상기 냉매 이동용 파이프 제2통로 및 제3통로의 일면 또는 타면 중 적어도 한 면은 상기 케이스 내측 면과 접하고, 다른 면은 상기 케이스 내측 면과 이격될 수 있으며, 반도체칩이 상기 케이스 상에 부착되되, 상기 케이스 상에서 상기 제3통로와 접하는 영역에 부착될 수 있다.
또한, 상기 케이스의 길이 방향으로 양 끝단에는 각각 상기 냉매 이동용 파이프로 냉매가 유입되는 냉매 유입구 및 상기 냉매 이동용 파이프로부터 냉매가 배출되는 냉매 배출구를 구비할 수 있다.
또한, 상기 제3통로 내에 형성된 핀(pin)을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 핀(pin)은 복수 개일 수 있고, 플레이트(plate) 형상일 수 있으며, 그 일면 및 타면이 냉매의 흐름 방향과 평행하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 히트 싱크는 제1통로, 상기 제1통로보다 작은 두께방향 단면적을 갖는 제3통로 및 상기 제1통로와 상기 제3통로 사이를 연결하되, 상기 제1통로부터 상기 제3통로로 갈수록 두께방향 단면적이 작아지는 제2통로로 이루어진 냉매 이동용 파이프 및 상기 냉매 이동용 파이프를 감싸는 케이스를 포함하며, 상기 냉매 이동용 파이프의 두께 방향 단면적은 상기 냉매 이동용 파이프의 두께 방향 폭 변화 및 두께 방향 높이 변화에 비례할 수 있다.
또한, 상기 제3통로 내에 형성된 핀(pin)을 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 핀(pin)은 복수 개일 수 있고,상기 핀(pin)은 플레이트(plate) 형상일 수 있으며, 그 일면 및 타면이 냉매의 흐름 방향과 평행하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 냉매가 흐르는 파이프의 두께 방향 단면적을 부분적으로 줄여 해당 영역에서의 냉매 흐름 속도를 높임으로써, 해당 영역의 열전달 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 단면적을 줄인 영역과 접하는 부위의 케이스 상에 발열소자를 부착함으로써, 발열소자로부터 발생되는 열이 효과적으로 냉매로 전달될 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트 싱크의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트 싱크의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시 예에 따른 히트 싱크의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트 싱크의 구조를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트 싱크의 구조를 나타내는 측면도이다.
도 6은 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트 싱크 내의 냉매 흐름 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트 싱크 내의 냉매 흐름 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4실시 예에 따른 히트 싱크의 구조를 나타내는 사시도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 히트 싱크의 구조를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 히트 싱크의 구조를 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 제3실시 예에 따른 히트 싱크의 구조를 나타내는 사시도이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 히트 싱크(100, 200, 300)는 각각 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310) 및 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310)를 감싸는 케이스(120, 220, 320)를 포함한다.
제1실시 예, 제2실시 예 및 제3실시 예에 따른 히트 싱크(100, 200, 300)의 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310)의 공통된 형상은 다음과 같다.
즉, 도 1, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 상술한 각 실시 예에 따른 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310)는 제1통로(110a, 210a, 310a), 제2통로(110b, 210b, 310b) 및 제3통로(110c, 210c, 310c)로 이루어져 있다.
여기에서, 제3통로(110c, 210c, 310c)는 제1통로(110a, 210a, 310a) 보다 작은 두께 방향 단면적을 갖고, 제2통로(110b, 210b, 310b)는 제1통로(110a, 210a, 310a)와 제3통로(110c, 210c, 310c)를 연결하되, 제1통로(110a, 210a, 310a)로부터 제3통로(110c, 210c, 310c)로 갈수록 작아지는 두께 방향 단면적을 가질 수 있다.
이때, 상기 두께 방향 단면적은 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310)를 냉매가 이동하는 방향과 수직으로 자른 면의 단면적을 의미한다.
이하, 본 명세서에서 두께 방향은 상술한 바와 같이 냉매가 이동하는 방향과 수직인 방향을 의미하며, 길이 방향은 상기 냉매가 이동하는 방향과 평행인 방향을 의미하는 것이다.
또한, 각 실시 예에서 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310)의 제1통로(110a, 210a, 310a), 제2통로(110b, 210b, 310b) 및 제3통로(110c, 210c, 310c)는 각각 복수 개가 구비될 수 있으며, 도 1, 도 2 및 도 3과 같이, 제1통로(110a, 210a, 310a)와 제3통로(110c, 210c, 310c)는 번갈아가며 교대로 배열될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 제1통로(110a, 210a, 310a)와 제3통로(110c, 210c, 310c)를 번갈아가며 교대로 배열함으로써, 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310)의 두께 방향 단면적을 부분적으로 작아지도록 할 수 있고, 이에 따라 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310)내에 흐르는 냉매의 속도를 부분적으로 빠르게 할 수 있다.
일반적으로, 유량 즉, 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310) 내를 흐르는 냉매의 양이 동일한 경우, 냉매가 통과하는 면적 즉, 단면적을 작게 하면, 해당 부분을 통과하는 냉매는 흐름 방향이 변함과 동시에 속도는 빨라지게 된다. 이를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 6 및 도 7에 도시한 바와 같이, 제1통로(110a, 210a, 310a)와 제3통로(110c, 210c, 310c)에 동일한 양의 냉매가 흐를 때, 제1통로(110a, 210a, 310a) 보다 단면적이 작은 제3통로(110c, 210c, 310c)에서의 속도가 훨씬 빠르게 된다.
이와 같이, 냉매의 흐름 속도를 빠르게 함으로써, 해당 부분에서의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 각 실시 예에서 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310)는 복수 개가 구비될 수 있으며, 상기 복수 개의 냉매 이동용 파이프(110, 210, 310)는 도 1, 도 2 및 도 3과 같이 두께 방향으로 평행하게 배열될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
상술한 형상은 각 실시 예에 따른 히트 싱크(100, 200, 300)가 공통적으로 포함하는 것이다. 이후, 각 실시 예 별 차이점을 서술한다.
첫 번째로, 도 1을 참조하면, 제1실시 예에 따른 히트 싱크(100)의 냉매 이동용 파이프(110)에서 제3통로(110c)는 제1통로(110a) 보다 두께 방향 단면적이 작은데, 이때, 제3통로(110c)의 두께 방향 높이는 제1통로(110a)의 두께 방향 높이와 동일하고, 제3통로(110c)의 두께 방향 폭이 제1통로(110a)의 두께 방향 폭 보다 작아지도록 형성될 수 있다.
즉, 냉매 이동용 파이프(110)의 두께 방향 높이에는 변화가 없는 반면, 부분적으로 두께 방향 폭에 변화가 있는 것이다. 예를 들어, 도 4에 도시한 바와 같다.
이와 같은 제1실시 예에서 냉매 이동용 파이프(110)의 두께 방향 단면적은 두께 방향 폭의 변화에 비례하여 변화할 수 있다.
제1실시 예에서 냉매 이동용 파이프(110)의 제1통로(110a)는 물론, 제2통로(110b) 및 제3통로(110c)의 일면 및 타면은 각각 도 1과 같이 케이스(120) 내측 면과 접할 수 있으며, 이후, 발열소자인 반도체칩(미도시)을 케이스(120) 상에 부착할 때, 케이스(120) 상에서 두께 방향 단면적이 작아진 제3통로(110c)와 접하는 영역에 부착될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
두 번째로, 도 2를 참조하면, 제2실시 예에 따른 히트 싱크(200)의 냉매 이동용 파이프(210)에서 제3통로(210c)는 제1통로(210a) 보다 두께 방향 단면적이 작은데, 이때, 상술한 제1실시 예와는 달리 제3통로(210c)의 두께 방향 폭은 제1통로(210a)의 두께 방향 폭과 동일하고, 제3통로(210c)의 두께 방향 높이가 제1통로(210a)의 두께 방향 높이 보다 부분적으로 작도록 형성될 수 있다.
즉, 냉매 이동용 파이프(210)가 두께 방향 폭에는 변화가 없는 반면, 부분적으로 두께 방향 높이에 변화가 있는 것이다.
이와 같은 제2실시 예에서 냉매 이동용 파이프(210)의 두께 방향 단면적은 두께 방향 높이의 변화에 비례하여 변화할 수 있다.
제2실시 예에서 냉매 이동용 파이프(210)의 제1통로(210a)의 일면 및 타면은 각각 도 2와 같이 케이스(220) 내측 면과 접하고, 제2통로(210b) 및 제3통로(210c)는 그 일면 또는 타면 중 적어도 한 면이 케이스(220) 내측 면과 접하고, 다른 면은 케이스(220) 내측 면과 이격될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같다.
이는, 후속 공정에서 반도체칩(미도시)을 케이스(220) 상에 부착하는데, 이때, 반도체칩(미도시)이 부착되는 부분의 케이스(220) 내측 면에 냉매 이동용 파이프(210)의 일면 또는 타면 중 적어도 한 면은 접하도록 해야 반도체칩(미도시)으로부터 발생되는 열이 효과적으로 방출될 수 있기 때문이다.
이후, 반도체칩(미도시)은 케이스(220) 상에서 두께 방향 단면적이 작아진 제3통로(210c)와 접하는 영역에 부착될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
세 번째로, 도 3을 참조하면, 제3실시 예에 따른 히트 싱크(300)의 냉매 이동용 파이프(310)에서 제3통로(310c)는 제1통로(310a) 보다 두께 방향 단면적이 작은데, 이때, 상술한 제1 및 제2실시 예와는 달리 제3통로(310c)의 두께 방향 폭 및 높이 모두 제1통로(310a)의 두께 방향 폭 및 높이 보다 작도록 형성될 수 있다.
즉, 냉매 이동용 파이프(310)가 부분적으로 두께 방향 폭 및 높이 모두 변화가 있는 것이다.
이와 같은 제3실시 예에서 냉매 이동용 파이프(310)의 두께 방향 단면적은 두께 방향 폭 및 높이의 변화에 비례하여 변화할 수 있다.
도 8에 본 발명의 제4실시 예에 따른 히트 싱크의 구조를 나타내었다.
도 8을 참조하면, 제4실시 예에 따른 히트 싱크(400)는 냉매 이동용 파이프(410), 케이스(420) 및 복수의 핀(430)을 포함한다.
도 8에서, 냉매 이동용 파이프(410)는 상술한 제3실시 예에 따른 히트 싱크(300)의 냉매 이동용 파이프(310)의 구조와 동일하게, 제3통로(410c)의 두께 방향 폭 및 높이 모두 부분적으로 제1통로(410a) 보다 작게 형성된 것으로 도시하고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 이와 같은 구조의 냉매 이동용 파이프(410) 뿐 아니라, 상술한 제1실시 예 및 제2실시 예에서의 냉매 이동용 파이프(110, 210)의 구조와 동일할 수 있으며, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시 예에서는 냉매 이동용 파이프(410)의 제3통로(410c) 내부에 복수의 핀(pin)(430)이 형성될 수 있으며, 이때, 핀(430)은 도 8과 같이 플레이트(plate) 형상일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 예를 들어, 일면 및 타면을 갖는 플레이트 형상의 핀(430)은 그 일면 및 타면이 냉매의 흐름 방향과 평행하도록 제3통로(410c) 내부에 형성될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 본 실시 예에서는 두께 방향 단면적이 상대적으로 작은 제3통로 내부에 핀을 부가적으로 더 형성함으로써, 냉매 속도가 빨라짐과 동시에 열 전달 면적이 증가되어 상술한 제1실시 예, 제2실시 예 및 제3실시 예에 따른 히트 싱크보다 더 높은 열전달 효율을 얻을 수 있다.
이상 본 발명의 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명에 따른 히트 싱크는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100, 200, 300, 400 : 히트 싱크
110, 210, 310, 410 : 냉매 이동용 파이프
110a, 210a, 310a, 410a : 제1통로
110b, 210b, 310b, 410b : 제2통로
110c, 210c, 310c, 410c : 제3통로
120, 220, 320, 420 : 케이스
430 : 핀(pin)

Claims (20)

  1. 제1통로, 상기 제1통로보다 작은 두께방향 단면적을 갖는 제3통로 및 상기 제1통로와 상기 제3통로 사이를 연결하되, 상기 제1통로부터 상기 제3통로로 갈수록 두께방향 단면적이 작아지는 제2통로로 이루어진 냉매 이동용 파이프; 및
    상기 냉매 이동용 파이프를 감싸는 케이스;
    를 포함하되, 상기 냉매 이동용 파이프는 복수 개이고, 상기 복수 개의 냉매 이동용 파이프는 두께 방향으로 배열되는 히트 싱크.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1통로, 제2통로 및 제3통로는 복수 개인 히트 싱크.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1통로와 제3통로는 교대로 배열되는 히트 싱크.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매 이동용 파이프의 단면적은 상기 냉매 이동용 파이프의 두께방향 폭 변화에 비례하는 히트 싱크.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매 이동용 파이프의 단면적은 상기 냉매 이동용 파이프의 두께방향 높이 변화에 비례하는 히트 싱크.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매 이동용 파이프 제2통로와 제3통로의 일면 및 타면은 각각 상기 케이스 내측 면과 접하는 히트 싱크.
  9. 청구항 8에 있어서,
    반도체칩이 상기 케이스 상에 부착되되, 상기 케이스 상에서 상기 제3통로와 접하는 영역에 부착되는 히트 싱크.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉매 이동용 파이프 제2통로 및 제3통로의 일면 또는 타면 중 적어도 한 면은 상기 케이스 내측 면과 접하고, 다른 면은 상기 케이스 내측 면과 이격되는 히트 싱크.
  11. 청구항 10에 있어서,
    반도체칩이 상기 케이스 상에 부착되되, 상기 케이스 상에서 상기 제3통로와 접하는 영역에 부착되는 히트 싱크.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스의 길이 방향으로 양 끝단에는 각각 상기 냉매 이동용 파이프로 냉매가 유입되는 냉매 유입구 및 상기 냉매 이동용 파이프로부터 냉매가 배출되는 냉매 배출구를 구비하는 히트 싱크.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3통로 내에 형성된 핀(pin)을 더 포함하는 히트 싱크.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 핀(pin)은 복수 개인 히트 싱크.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 핀(pin)은 플레이트(plate) 형상인 히트 싱크.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 핀(pin)은 그 일면 및 타면이 냉매의 흐름 방향과 평행하도록 형성된 히트 싱크.
  17. 제1통로, 상기 제1통로보다 작은 두께방향 단면적을 갖는 제3통로 및 상기 제1통로와 상기 제3통로 사이를 연결하되, 상기 제1통로부터 상기 제3통로로 갈수록 두께방향 단면적이 작아지는 제2통로로 이루어진 냉매 이동용 파이프; 및
    상기 냉매 이동용 파이프를 감싸는 케이스;
    를 포함하되, 상기 냉매 이동용 파이프는 복수 개이고, 상기 복수 개의 냉매 이동용 파이프는 두께 방향으로 배열되며, 상기 냉매 이동용 파이프의 두께 방향 단면적은 상기 냉매 이동용 파이프의 두께 방향 폭 변화 및 두께 방향 높이 변화에 비례하는 히트 싱크.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제3통로 내에 형성된 핀(pin)을 더 포함하는 히트 싱크.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 핀(pin)은 복수 개인 히트 싱크.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 핀(pin)은 플레이트(plate) 형상이고,
    상기 핀(pin)은 그 일면 및 타면이 냉매의 흐름 방향과 평행하도록 형성된 히트 싱크.
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