KR101432378B1

KR101432378B1 - 전력 모듈용 방열 시스템

Info

Publication number: KR101432378B1
Application number: KR1020120130187A
Authority: KR
Inventors: 오규환; 곽영훈
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-08-20
Also published as: KR20140063162A

Abstract

본 발명은 전력 모듈용 방열 시스템에 관한 것으로서, 일면 및 타면을 갖고, 일면에 메탈층 형성용 관통홀이 형성되며, 타면에 형성된 제1 유입구, 제1 유입구의 일단과 수직 방향으로 형성된 제2 유입구 및 일면과 타면 사이에 형성되되 제2 유입구에 연결되게 형성된 냉각매체 유로를 포함하는 절연재질의 방열부재를 포함할 수 있다.

Description

전력 모듈용 방열 시스템{HEAT DISSIPATION SYSTEM FOR POWER MODULE}

본 발명은 전력 모듈용 방열 시스템에 관한 것이다.

전 세계적으로 에너지 사용량이 증가함에 따라, 제한된 에너지의 효율적인 사용에 지대한 관심을 가지기 시작했다. 이에 따라, 특허문헌 1을 비롯하여 다양한 구조의 전력 반도체 모듈의 확대 적용에 따라 시장의 요구는 더욱 다기능 소형화되고 있으며, 이에 따른 전자 부품의 발열 문제는 모듈 전체의 성능을 떨어뜨리는 결과를 초래하고 있다.

따라서, 전력 반도체 모듈의 효율 증가와 고신뢰성 확보를 위해서는 위와 같은 발열 문제를 해결할 수 있는 고방열 전력 모듈 패키지 구조가 요구되고 있는 실정이다.

일반적으로 고용량 전력 반도체 모듈(Intelligent Power Module)은 전기적 특성과 열적 특성 두 가지로 크게 나뉘게 된다. 열적 특성의 경우, 전력 반도체 모듈의 접합지점의 온도 및 열 저항을 통해 표현할 수 있다.

이 중에서 열 저항의 경우, 전력 반도체 모듈 자체의 열 저항이 낮을수록 접합지점에 존재하는 열이 신속하게 외부로 방출될 수 있는 것이다.

그러나, 일반적인 전력 반도체 모듈은 기판을 비롯하여 각 구성을 결합할 때 솔더 또는 열 인터페이스 재료(TIM: Thermal Interface Material), 열 전도성 그리스(Thermal Grease)를 사용하여 접합을 수행함에 따라, 이러한 재료들로 인해 방열 특성이 저하되는 문제점이 야기되고 있다.

US 6,432,750 B

본 발명의 일 측면은 반도체 소자가 실장되는 메탈층에 냉각매체가 직접 접촉되도록 하여 방열 특성을 향상시키기 위한 전력 모듈용 방열 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 방열 시스템은,

일면 및 타면을 갖고, 상기 일면에 메탈층 형성용 관통홀이 형성되며, 상기 타면에 형성된 제1 유입구, 제1 유입구의 일단과 수직 방향으로 형성된 제2 유입구 및 상기 일면과 상기 타면 사이에 형성되되 상기 제2 유입구에 연결되게 형성된 냉각매체 유로를 포함하는 절연재질의 방열부재;

상기 제1 유입구에 상기 방열부재의 길이 방향으로 형성된 한 쌍의 제1 냉각매체 차단막;

상기 제2 유입구에 상기 방열부재의 두께 방향으로 형성된 한 쌍의 제2 냉각매체 차단막;

상기 방열부재의 메탈층 형성용 관통홀에 삽입되게 형성된 회로용 메탈층;

상기 방열부재의 일면을 관통하도록 형성되되, 상기 방열부재의 일단과 상기 제2 냉각매체 차단막 사이에 형성되어 상하운동을 통해 상기 제1 냉각매체 차단막과 상기 제2 냉각매체 차단막의 개폐를 제어하는 상하 유동부재; 및

상기 상하 유동부재의 상하운동을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 방열 시스템은,

상기 회로용 메탈층 상에 형성된 접착층; 및

상기 접착층 상에 형성된 반도체 소자;를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 방열 시스템의 접착층은 솔더 재질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 방열 시스템의 방열부재는 냉각매체 유로와 연결되게 형성된 유출구를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 방열 시스템의 유출구는 방열부재의 두께 방향을 기준으로 상기 방열부재의 일면측에 인접하게 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 방열 시스템의 유출구는 방열부재의 두께 방향을 기준으로 한 크기가 제2 유입구의 크기보다 작게 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 방열 시스템은, 상기 유출구에 상기 방열부재의 두께 방향으로 형성된 제3 냉각매체 차단막;을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 방열 시스템의 상하 유동부재는 제3 냉각매체 차단막의 개폐를 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전력 모듈용 방열 시스템의 제어부는 기 설정된 상하 운동 설정조건에 따라 상하 유동부재를 제어할 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 발명의 실시예에 의한 전력 모듈용 방열 시스템은 회로용 메탈층 하부에 냉각매체 유로를 형성하여 냉각매체가 직접 메탈층에 접촉되는 상태로 유동하기 때문에, 반도체 소자로부터의 발열을 신속하게 제거하여 방열 특성을 향상시킬 수 있다는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 냉각매체의 흐름을 제어하는 냉각매체 차단막을 영역별로 형성하기 때문에, 냉각매체의 흐름으로 인해 발생할 수 있는 누설 전류(Leakage Current)를 미연에 방지할 수 있다는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈용 방열 시스템의 사시도.
도 2는 도 1의 전력 모듈용 방열 시스템의 일부를 확대하여 나타내는 단면도.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈용 방열 시스템의 구성을 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전력 모듈용 방열 시스템의 구성을 나타내는 단면도.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 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 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.

전력 모듈용 방열 시스템-제1 실시예

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈용 방열 시스템의 사시도이고, 도 2는 도 1의 전력 모듈용 방열 시스템의 일부를 확대하여 나타내는 단면도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 의한 전력 모듈용 방열 시스템의 구성을 나타내는 단면도이다.

도 1 내지 도 4에서 도시하는 바와 같이, 전력 모듈용 방열 시스템(100)은 일면 및 타면을 갖고, 상기 일면에 메탈층 형성용 관통홀(미도시)이 형성되며, 상기 타면에 형성된 제1 유입구(111), 제1 유입구(111)의 일단과 수직 방향으로 형성된 제2 유입구(112) 및 상기 일면과 상기 타면 사이에 형성되되 상기 제2 유입구(112)에 연결되게 형성된 냉각매체 유로(113)를 포함하는 절연재질의 방열부재(110)를 포함할 수 있다.

이때, 냉각매체는 에어, 냉수 또는 냉매일 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 냉각매체 유로(113)를 따라 순환하면서 전력 모듈용 방열 시스템(100)을 방열시킬 수 있는 형태이면 모두 적용할 수 있다.

도 3과 같이, 제1 유입구(111)는 방열부재(110)의 타면에 형성되되, 제2 유입구(112), 냉각매체 유로(113) 및 유출구(114)의 배치를 고려하여 방열부재(110)의 일단에 인접하게 형성될 수 있다.

또한, 제2 유입구(112)는 제1 유입구(111)와 수직 방향으로 형성되되, 제1 유입구(111) 중 냉각매체 유로(113)와 접해 있는 제1 유입구(111)의 일단과 수직으로 형성될 수 있다.

또한, 전력 모듈용 방열 시스템(100)은 제1 유입구(111)에 방열부재(110)의 길이 방향으로 형성된 한 쌍의 제1 냉각매체 차단막(160), 제2 유입구(112)에 방열부재(110)의 두께 방향으로 형성된 한 쌍의 제2 냉각매체 차단막(170), 방열부재(110)의 메탈층 형성용 관통홀에 삽입되게 형성된 회로용 메탈층(130), 방열부재(110)의 일면을 관통하도록 형성되되, 방열부재(110)의 일단과 제2 냉각매체 차단막(170) 사이에 형성되어 상하운동을 통해 상기 제1 냉각매체 차단막(160)과 상기 제2 냉각매체 차단막(170)의 개폐를 제어하는 상하 유동부재(180) 및 상기 상하 유동부재(180)의 상하운동을 제어하는 제어부(200)를 포함할 수 있다.

도 2 내지 도 4에서 도시하는 바와 같이, 본 발명에 의한 전력 모듈용 방열 시스템(100)은 회로용 메탈층(130)이 방열부재(110)의 내측 기준으로 노출된 형태이기 때문에, 냉각매체 유로(113)를 따라 흐르는 냉각 매체가 회로용 메탈층(130) 하부에 집적 접촉하는 상태를 유지하면서 유동할 수 있다.

이러한 구조로 인해, 본 발명의 전력 모듈용 방열 시스템(100)은 회로용 메탈층(130) 상에 형성된 반도체 소자(150)의 발열을 보다 신속하게 제거할 수 있는 것이다.

이는, 전력 모듈용 방열 시스템(100)의 전체적인 성능 향상에도 영향을 미칠 수 있는 것이다.

제1 냉각매체 차단막(160)과 제2 냉각매체 차단막(170)은 여닫이문(Hinged Door)이 2 개 형성된 쌍 여닫이문과 같은 형태로, 도 3과 같이, 상하 유동부재(180)가 상승하는 경우, 제1 냉각매체 차단막(160)이 오픈되어 제1 유입구(111)를 통해 냉각매체가 유입될 수 있다. 이때, 제2 냉각매체 차단막(170)은 닫혀있는 상태를 유지하게 된다.

또한, 도 4와 같이, 상하 유동부재(180)가 하강하는 경우, 제2 냉각매체 차단막(170)이 오픈되어 제2 유입구(112)를 통해 냉각매체가 냉각매체 유로(113) 방향으로 흘러가는 것이다. 이때, 제1 냉각매체 차단막(160)은 닫혀있는 상태를 유지하게 된다.

즉, 제1 냉각매체 차단막(160)은 상하 유동부재(180)의 상승으로 상부 방향으로 작용하는 압력에 따라 오픈되는 것이고, 제2 냉각매체 차단막(120)은 상하 유동부재(180)의 하강으로 하부 방향으로 작용하는 압력에 따라 오픈되는 것이다.

또한, 한 쌍의 제1 냉각매체 차단막(160), 제2 유입구(112)에 방열부재(110)의 두께 방향으로 형성된 한 쌍의 제2 냉각매체 차단막(170)은 냉각매체의 흐름이 도 3 및 도 4에서 도시하는 화살표 방향으로 유지될 수 있도록 냉각 매체의 흐름을 제어하기 위한 구성이다.

이러한 구조는 냉각 매체가 역방향으로 흘러 누설 전류(Leakage Current)로 인해 전력 모듈용 방열 시스템(100) 내의 전기적인 연결을 이루는 구성들에서 발생할 수 있는 누전현상과 같은 문제점을 미연에 방지할 수 있다.

이에 더하여, 전력 모듈용 방열 시스템(100)은 회로용 메탈층(130) 상에 형성된 접착층(140) 및 접착층(140) 상에 형성된 반도체 소자(150)를 포함할 수 있다.

이때, 접착층(140)은 솔더 재질로 이루어질 수 있다.

또한, 도 3 및 도 4에서 도시하는 바와 같이, 방열부재(110)는 냉각매체 유로(113)와 연결되게 형성된 유출구(114)를 더 포함할 수 있다.

상기 유출구(114)는 방열부재(110)의 두께 방향을 기준으로 상기 방열부재(110)의 일면측에 인접하게 형성될 수 있다.

또한, 유출구(114)는 방열부재(110)의 두께 방향을 기준으로 한 크기가 제2 유입구(112)의 크기보다 작게 형성될 수 있다.

상술한 유출구(114)의 구조로 인해, 도 3 및 도 4에서 도시하는 바와 같이, 유출구(114)측에서의 냉각매체가 낙하하는 형태로 떨어지는 것을 확인할 수 있다.

이는, 유출구(114)측에서 냉각매체가 역방향으로 흘러 반도체 소자(150)를 비롯하여 전기적으로 연결된 구성에 접촉되어 발생할 수 있는 누설과 같은 현상을 미연에 방지하기 위한 것으로, 이로 인해, 전기적 차폐 효과를 기대할 수 있으며, 나아가, 전력 모듈용 방열 시스템(100)의 안정성을 향상시킬 수 있다.

한편, 제어부(200)는 기 설정된 상하 운동 설정조건에 따라 상하 유동부재(180)를 제어할 수 있다.

도시하지 않았지만, 제어부(200)는 모터와 같은 별도의 부재를 구비하여 상하 유동부재(180)를 동작시키는 것도 가능하다.

상기 상하 운동 설정조건은 운용자의 필요에 따라 냉각매체의 유입 및 유출과 관련하여, 상하 유동부재(180)의 상하 운동 주기, 상승과 하강의 세기 등을 포함할 수 있다.

전력 모듈용 방열 시스템-제2 실시예

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전력 모듈용 방열 시스템의 구성을 나타내는 단면도로서, 제3 냉각매체 차단막(190)을 추가로 구성하는 경우를 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 4에서 도시하는 바와 같이, 전력 모듈용 방열 시스템(100)은 일면 및 타면을 갖고, 일면에 메탈층 형성용 관통홀(미도시)이 형성되며, 상기 타면에 형성된 제1 유입구(111), 제1 유입구(111)의 일단과 수직 방향으로 형성된 제2 유입구(112) 및 상기 일면과 상기 타면 사이에 형성되되 상기 제2 유입구(112)에 연결되게 형성된 냉각매체 유로(113)를 포함하는 절연재질의 방열부재(110)를 포함할 수 있다.

이때, 접착층(140)은 솔더 재질로 이루어질 수 있다.

제어부(200)는 기 설정된 상하 운동 설정조건에 따라 상하 유동부재(180)를 제어할 수 있다.

또한, 전력 모듈용 방열 시스템(100)은 유출구(114)에 방열부재(110)의 두께 방향으로 형성된 제3 냉각매체 차단막(190)을 더 포함할 수 있다.

이때, 제3 냉각매체 차단막(190)은 제2 냉각매체 차단막(170)과 동일한 원리로 개폐될 수 있다.

보다 상세히 설명하면, 도 5에서 도시하는 바와 같이, 제3 냉각매체 차단막(190)은 상하 유동부재(180)의 하강으로 발생하는 하부측 방향의 압력에 따라, 제2 냉각매체 차단막(170)이 오픈되면 냉각매체 유로(113)를 경유하는 냉각매체의 압력으로 인해 오픈되는 것이다.

즉, 상하 유동부재(180)는 제3 냉각매체 차단막(190)의 개폐도 제어할 수 있는 것이다.

한편, 하기의 표 1과 표2는 각각 종래방식과 본 발명의 전력 모듈용 방열 시스템의 열 저항과 정션 온도(Junction Temperature)를 나타내는 표이다.

표 1 및 표 2에서 개시하고 있는 바와 같이, 본 발명의 전력 모듈용 방열 시스템(100)은 방열판, 방열판 상에 절연층, 절연층 상에 구리층, 구리층 상에 솔더층을 형성하여 반도체 소자를 실장하는 종래방식에 비해 열 저항 및 정션 온도 면에서 방열 특성이 양호한 수치로 나타나는 것을 확인할 수 있다.

이는, 본 발명의 전력 모듈용 방열 시스템이 반도체 소자 실장 시 적용되는 절연층이 생략되고 회로용 메탈층 상에 직접 냉각 매체가 접촉되도록 하는 구조이기 때문이다.

Material	K(W/mk)	L(mm)	종래방식	본 발명
Solder	40	0.08	0.017	0.017
Cu	350	0.3	0.007	0.007
Dielectric	5	0.08	0.132	-
Al	140	2	0.118	-
Total 열 저항			0.274	0.024

Chip Size = 11*11mm²

항목	종래방식	본 발명
Case Temp.(℃)	45	45
Power loss(W)	50	50
Thermal resistance(℃/W)	0.274	0.024
Junction Temp.(℃)	58.7	46.2

Chip Size = 11*11mm²

상술한 바와 같이, 본 발명의 전력 모듈용 방열 시스템은 종래방식에 비해 열 저항 수치가 약 12배 낮고, 정션 온도는 약 27% 낮은 것을 확인할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 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 : 전력 모듈용 방열 시스템
110 : 방열부재
111 : 제1 유입구
112 : 제2 유입구
113 : 냉각매체 유로
114 : 유출구
130 : 회로용 메탈층
140 : 접착층
150 : 반도체 소자
160 : 제1 냉각매체 차단막
170 : 제2 냉각매체 차단막
180 : 상하 유동부재
190 : 제3 냉각매체 차단막
200 : 제어부

Claims

일면 및 타면을 갖고, 상기 일면에 메탈층 형성용 관통홀이 형성되며, 상기 타면에 형성된 제1 유입구, 제1 유입구의 일단과 수직 방향으로 형성된 제2 유입구 및 상기 일면과 상기 타면 사이에 형성되되 상기 제2 유입구에 연결되게 형성된 냉각매체 유로를 포함하는 절연재질의 방열부재;
상기 제1 유입구에 상기 방열부재의 길이 방향으로 형성된 한 쌍의 제1 냉각매체 차단막;
상기 제2 유입구에 상기 방열부재의 두께 방향으로 형성된 한 쌍의 제2 냉각매체 차단막;
상기 방열부재의 메탈층 형성용 관통홀에 삽입되게 형성된 회로용 메탈층;
상기 방열부재의 일면을 관통하도록 형성되되, 상기 방열부재의 일단과 상기 제2 냉각매체 차단막 사이에 형성되어 상하운동을 통해 상기 제1 냉각매체 차단막과 상기 제2 냉각매체 차단막의 개폐를 제어하는 상하 유동부재; 및
상기 상하 유동부재의 상하운동을 제어하는 제어부;
를 포함하며,
상기 방열부재는 상기 냉각매체 유로와 연결되게 형성된 유출구를 더 포함하고, 상기 유출구는 방열부재의 두께 방향을 기준으로 한 크기가 상기 제2 유입구의 크기보다 작게 형성된 전력 모듈용 방열 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 회로용 메탈층 상에 형성된 접착층; 및
상기 접착층 상에 형성된 반도체 소자;
를 포함하는 전력 모듈용 방열 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 접착층은 솔더 재질로 이루어진 전력 모듈용 방열 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 유출구는 상기 방열부재의 두께 방향을 기준으로 상기 방열부재의 일면측에 인접하게 형성된 전력 모듈용 방열 시스템.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 유출구에 상기 방열부재의 두께 방향으로 형성된 제3 냉각매체 차단막;
을 더 포함하는 전력 모듈용 방열 시스템.
청구항 7에 있어서,
상기 상하 유동부재는 상기 제3 냉각매체 차단막의 개폐를 제어하는 전력 모듈용 방열 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 기 설정된 상하 운동 설정조건에 따라 상기 상하 유동부재를 제어하는 전력 모듈용 방열 시스템.