KR101622267B1 - 반도체 다이를 냉각하는 냉각 장치 - Google Patents

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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

반도체 다이(111)로부터 열을 전달하는 반도체 냉각 장치가 제공된다. 반도체 냉각 장치는 냉각될 반도체 다이(111)에 열적으로 결합되어 상기 반도체 다이(111)로부터 열을 소산시키도록 구성된 방열기(112); 상기 방열기(112)가 장착되는 하우징(150); 상기 하우징(150) 내에 강제 유체 흐름을 제공하는 유체 흐름 통로(153); 및 상기 유체 흐름 통로(153)와 상기 방열기(112) 사이의 제1 방향으로 강제 유체 흐름을 유도하도록 구성되며, 상기 유체 흐름을 상기 방열기(112)를 따라 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 유도하도록 더 구성된 유체 경로(155)를 포함한다. 특정 실시예에서 반도체 냉각 장치는 LED 어레이로부터 열을 소산시키는데 이용된다.

Description

반도체 다이를 냉각하는 냉각 장치{A COOLING DEVICE FOR COOLING A SEMICONDUCTOR DIE}
본 발명은 반도체 다이를 냉각하는 냉각 장치에 관한 것이다. 본 발명은 특히 광학 장치의 LED를 냉각하는 반도체 냉각 장치에 관한 것이다.
집적 회로(IC)나 발광 다이오드(LED)와 같은 반도체 장치에서는 그 성능과 장치 수명은 반도체 다이 또는 칩의 PN 접합의 온도에 영향을 받는다. 그러므로 신뢰할 수 있는 성능과 장기적인 동작을 유지하는데는 반도체 장치의 온도 관리가 중요하다. 이러한 반도체 장치의 열관리는 긴 수명을 요구하는 적용 분야나 많은 반도체 장치를 포함하는 적용 분야에 특히 중요하다.
예컨대 조명 장치 분야에서 광학 장치, 예컨대 조명 기구는 LED와 같은 광원 어레이를 포함할 수 있다. LED 수는 물론 그들 간의 근접성에 따라 열 에너지의 발생이 더욱 중요한 문제가 되고 있다. 결과적으로 장치의 냉각을 관리하는 것이 장기적인 신뢰할 수 있는 운용을 위해 더욱 중요하게 되고 있다.
반도체 장치를 냉각시키는 방법은 여러 가지가 제안되어 있다. 예컨대 WO 2008/037992에는 많은 고전력 LED가 하우징에 장착되어 있는 열관리된 램프 조립체가 개시되어 있다. WO 2008/037992에 개시된 시스템의 결점은 LED 히트 싱크 조립체들 간에 기류가 통과하기 때문에 열전달 효율이 최적화되어 있지 않다는 것이다. 더욱이 장치의 동작 중에 하우징 내로 먼지가 들어갈 수 있다. 이러한 먼지는 LED의 성능에 해로울 수 있다. 한 가지 특정 구현에서 각 LED에는 그 LED를 냉각시키는 기류를 발생하는 팬이 구비된다. 이러한 구성은 팬에서 소음이 발생하게 되어 주변 환경이 시끄럽게 되고 반도체 장치의 성능에 해로울 수 있다는 결점이 있다. 더욱이 사용된 팬의 수에 따라서는 장치는 고가가 될 수 있고 번잡할 수 있다,
<발명의 개요>
따라서, 본 발명의 목적은 냉각 효율이 향상된 반도체 냉각 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 먼지 흡입과 잡음을 줄이면서도 크기가 소형이고 제작 비용이 적게 드는 반도체 냉각 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 양상에 따라서, 반도체 다이를 냉각하는 냉각 장치에 있어서, 반도체 다이에 열적으로 결합되고, 상기 반도체 다이로부터 열을 소산시키도록 구성된 방열기; 상기 방열기가 장착되는 하우징; 상기 하우징 내에 강제 유체 흐름을 제공하는 제1 유체 흐름 통로; 및 상기 제1 유체 흐름 통로와 상기 방열기 사이의 제1 방향으로 유체를 유도하도록 구성되며, 유체를 상기 방열기를 따라 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 강제적으로 유도하도록 더 구성된 유체 흐름 경로를 포함하는 냉각 장치가 제공된다.
본 발명의 실시예에서 상기 하우징은 상기 반도체 다이를 지지하는 제1 판; 및 상기 제1 판과 대향하며, 상기 방열기를 수용하도록 구성된 개구부를 구비한 제2 판을 포함하며, 상기 유체를 상기 방열기를 따라 상기 제2 방향으로 강제적으로 유도하는 유체 흐름 경로의 적어도 일부는 상기 개구부의 벽과 상기 방열기의 벽에 의해 정해진다.
특정 실시예에서 상기 제1 유체 흐름 통로는 상기 제1 판과 상기 제2 판에 수직인 상기 하우징의 측벽 상에 배치된다.
추가 실시예에서 상기 방열기를 수용하는 상기 개구부는 유체 흐름을 상기 하우징으로부터 배출하는 제2 유체 흐름 통로를 구성한다. 따라서, 이 실시예에서는 유체는 상기 방열기를 따라 통과함으로써 상기 하우징에서 나가도록 강제로 유도된다. 상기 제2 유체 흐름 통로는 유체를 상기 하우징으로 받아들일 수도 있다.
일 실시예에서 상기 방열기는 상기 방열기가 상기 하우징 외부의 유체 매체와 접촉하도록 상기 개구부를 통해 상기 반도체 다이로부터 연장한다.
상기 유체 흐름 경로는 유체 채널 조립체에 의해 정해질 수 있다. 이 채널 조립체는 예컨대 전판과 후판에 의해 정해질 수 있다.
일 실시예에서 상기 제1 유체 흐름 통로는 펄스형 공기 분사 발생기와 유체 연통한다. 특정 실시예에서 상기 방열기의 공동(hollow) 코어는 상기 펄스형 공기 분사 발생기과 유체 연통한다.
일 실시예에서 상기 방열기는 스냅 피트에 의해 상기 하우징에 결합될 수 있다.
특정 실시예에서 반도체 냉각 장치는 복수의 반도체 다이에 열적으로 결합된 적어도 하나의 방열기와, 상기 하우징에 형성되어 적어도 하나의 방열기를 수용하는 적어도 하나의 개구부를 포함하며, 상기 유체 흐름 경로는 유체를 상기 제1 유체 흐름 통로로부터 상기 방열기로 유도하도록 구성된다. 일 실시예에서 상기 장치는 각각이 해당 반도체 다이와 열적으로 결합하는 복수의 방열기; 및 각각이 해당 방열기를 수용하도록 구성된 복수의 개구부를 포함한다. 상기 복수의 방열기는 예컨대 매트릭스 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따라서 반도체 모듈과, 상기 반도체 모듈을 냉각시키는 전술한 냉각 장치를 포함하는 전자 장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라서 발광 특성을 가진 적어도 하나의 반도체 다이를 포함하는 광학 장치가 제공된다. 이 반도체 다이는 예컨대 LED일 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따라서 반도체 다이를 냉각하는 방법에 있어서, 상기 반도체 다이로부터 열을 소산시키기 위해 방열기를 상기 반도체 다이에 열적으로 결합하는 단계; 상기 방열기를 하우징에 장착하는 단계; 상기 하우징 내로 강제 유체 흐름을 제공하는 단계; 상기 하우징에 형성된 제1 개구부와 상기 방열기 사이의 제1 방향에서 유체 경로를 따라 상기 강제 유체 흐름을 유도하는 단계; 및 상기 강제 유체를 상기 방열기를 따라 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 유도하는 단계를 포함하는 냉각 방법이 제공된다. 상기 하우징 내로 강제 유체 흐름을 제공하는 단계는 예컨대 강제 유체 흐름을 발생시켜 상기 강제 유체 흐름을 상기 하우징 내로 받아들이는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서 상기 유체 흐름은 상기 방열기가 수용되는 제2 개구부를 통해 상기 하우징을 빠져나가도록 상기 방열기를 따라 상기 제2 방향으로 강제로 유도된다.
다른 실시예에서 상기 강제 유체 흐름은 펄스형 유체 제트 형태로 제공된다. 유체는 상기 방열기 주위로부터 흡입되고 상기 방열기로 방출될 수 있다. 유체는 상기 방열기의 공동 코어 주위에서 흡입되고 상기 방열기의 상기 공동 코어를 통해 방출될 수 있다.
이제 본 발명의 실시예들에 대해 하기의 도면을 참조로 예시를 통해 설명한다. 도면에서,
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 2는 도 1의 반도체 냉각 장치의 히트 싱크의 횡단면도.
도 3은 도 1의 반도체 냉각 장치의 채널 조립체의 개략도.
도 4a는 유체 흐름의 방향을 보여주는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 4b는 유체 흐름의 방향을 보여주는 도 4a의 개략도에 대한 수직도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 6a는 흡입 행정 중의 유체 흐름의 방향을 보여주는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 6b는 송풍 행정 중의 유체 흐름의 방향을 보여주는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 8a는 제1 동작 단계 중의 유체 흐름의 방향을 보여주는 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 8b는 제2 동작 단계 중의 유체 흐름의 방향을 보여주는 본 발명의 제3 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 방열기 조립체의 사시도.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 LED 방열기 조립체의 개략도.
도 11a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 11b는 유체 흐름을 보여주는 도 11a의 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 12a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 12b는 유체 흐름을 보여주는 도 12a의 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 13a는 본 발명의 제6 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 13b는 유체 흐름을 보여주는 도 13a의 반도체 냉각 장치의 개략도.
도 14a는 도 13a의 반도체 장치의 전판의 외측의 평면도.
도 14b는 채널 조립체의 레이아웃을 보여주는 도 13a의 반도체 장치의 전판의 내측의 평면도.
도 15는 본 발명의 추가 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 전개도.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 냉각 장치의 전개도.
본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 냉각 장치에 대해 도 1 내지 4b를 참조로 설명한다.
도 1을 참조로 설명하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 냉각 장치(100)는 하우징 조립체(150)에 장착된 LED 방열기 조립체(110)를 포함한다. LED 방열기 조립체(110)는 냉각될 LED 소자(111)를 포함하는데, 이 소자(111)는 이 소자(111)로부터 열을 소산시키는 히트 싱크(112)에 장착되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 히트 싱크(112)에는 열소산을 위한 히트 싱크(112)의 표면적을 넓히도록 방사상으로 확장하는 냉각핀(도면부호 1121로 총괄표시됨)과 공동 코어 영역(1122)이 구비되어 있다. 이 실시예에서 히트 싱크(112)는 직경이 대략 1cm이다. 히트 싱크(112)는 히트 슬러그(heat slug)(114)에 의해 LED 소자(111)에 열적으로 결합되어 있으며, LED 소자(111)로부터 열을 전도하는 금속 또는, 플라스틱이나 세라믹과 같은 기타 다른 적당한 열전도 재료로 만들어진다.
LED 방열기 조립체(110)가 장착된 하우징 조립체(150)는 전판(front plate)(151), 후판(back plate)(152), 그리고 이 후판(152)의 측벽(154)에 형성된 기류 유입구(153)를 포함한다. 이 기류 유입구(153)는 강제 기류 형태의 강제 유체 흐름을 하우징(150) 내로 유입시켜 전판(151)과 후판(152) 사이에 냉각 기류가 생성될 수 있게 하는 것이다. 전판(151)은 외면(1511)과 내면(1512)을 갖고 있다. LED 소자(111)는 외면(1511)으로부터 바깥쪽으로 향하도록 설치된다. 히트 슬러그(114)는 전판(151)의 일부를 형성하며 LED 소자(11)를 전판(151)을 통해 히트 싱크(112)에 열적으로 결합시킨다. LED 소자(111)에는 전판(151)에 있는 전기 접속부(미도시)를 통해 전력이 공급된다. 전판(151)은 PCB 또는, LED 소자(111)에의 전기 접속부를 지지하는 적당한 기판으로 구성될 수 있다. 이 실시예에서 방열기는 납땜 또는 임의의 적당한 고정 수단을 통해 전판에 장착될 수 있다.
전판(151)의 내면(1512)에는 채널 조립체(155)가 구비되어 있는데, 이 채널 조립체(155)는 기류를 하우징(150)의 측부(154)로부터 전판(151)과 후판(152) 사이에서 횡단하는 기류 유입구(153)를 통해 히트 싱크(112) 내로 유도하는 것이다. 채널 조립체(155)는 용접과 같은 임의의 적당한 고정 수단을 통해 전판(151)에 결합된다. 채널 조립체(155)와 전판(151) 사이의 밀봉은 히트 싱크(112)로 흐르는 공기의 손실을 최소화하도록 기밀되어 있다. 도 3은 채널 조립체(155)의 평면도이다. 채널 조립체(155)는 기류를 기류 유입구(153)로부터 히트 싱크(112) 주위의 주변 영역으로 유도하여 기류가 LED 소자(111)에 가까운 히트 싱크(112)의 상부 영역으로 향할 수 있도록 구성된다. 채널 조립체의 길이와 단면적은 기류를 조정하도록 선택될 수 있다. 이 특정 실시예에서 채널 조립체(155)는 그 재료는 플라스틱이며 사출 성형으로 제조된다. 이로써 장치의 제조 비용이 절감될 수 있다.
후판(152)에는 히트 싱크(112)를 수용하도록 마련된 개구부(1522)가 구비되어 있는데, 히트 싱크(112)는 이 개구부(1522)를 통해 LED 소자(111)로부터 연장하여 하우징(150) 외부의 공기와 접촉하게 된다. 이에 따라서 히트 싱크(112)로부터 하우징 외부의 공기로 열이 전달될 수 있다. 개구부(1522)의 벽과 히트 싱크(112)의 벽은 방열기(112)를 따라 하우징에서 나가는 기류를 위한 채널을 구성한다.
기류는 기류 유입구(153)와 유체 연통하는 기류 발생기(미도시)에 의해 발생된다. 기류 발생기로부터의 기류는 기류 유입구(153)를 통해 하우징(150)으로 들어가고, 전판(151)과 후판(152) 사이의 하우징(150)을 통한 유체 경로를 형성하는 채널 조립체(155)에 의해 LED 소자(111)의 히트 싱크(112)로 유도된다. 본 발명의 이 실시예에서 기류 발생기는 팬 또는 펌프, 또는 강제 기류를 일정하게 발생할 수 있는 공지의 기류 발생 장치일 수 있다. 또한 채널 조립체(150)를 통한 히트 싱크(112)로의 일정한 기류는 기류 유입구와 기류 유출구 간에 압력차를 발생하여 공기가 히트 싱크를 따라 기류 유입구로부터 기류 유출구로 강제로 흐르게 하는 임의의 적당한 수단에 의해 발생될 수 있음을 잘 알 것이다.
도 4a 및 4b를 참조로 설명하면, 기류 유입구(153)로부터 채널 조립체(155)를 통해 히트 싱크(112)의 주변 영역에 도달하는 기류는 LED 소자(111)에 인접한 히트 싱크(112)의 상부 영역으로 유도되어 핀들(1121) 사이로 히트 싱크(112)의 길이, 즉 주축을 따라 축 방향으로 전판(151)에서 후판(152) 쪽으로 흐르고, 기류의 유출구를 형성하는 개구부(1522)를 통해 하우징(150)을 빠져나간다.
히트 싱크(112)로부터 기류로 열이 전달되고, 이에 따라서 LED 소자(111)를 냉각시킨다. 이 실시예에서는 냉각 기류는 하우징(150)을 빠져나가기 위해서 히트 싱크(112)의 길이를 따라 강제로 흘러서 개구부 유출구(1522)에 도달하기 때문에 기류와 히트 싱크(112) 사이의 접촉면적이 증가하고, 따라서 냉각 효율이 향상될 수 있다. 더욱이 냉각 기류를 제공하는데 내부 팬이 필요하지 않기 때문에 장치가 덜 복잡하고 소음도 덜할 수 있다. 기류는 유입구를 통해 하우징의 측벽에 받아들여지므로 기류 발생기는 장치의 측부에 설치될 수 있어 장치는 전체적으로 더 평평하면서 더 컴팩트해질 수 있다. 게다가 먼지가 장치에 흡입되는 일은 종래 장치에 비해서 줄어들 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 기류는 펄스 또는 제트 기류 형태로 히트 싱크에 공급될 수 있다. 예컨대 도 5를 참조로 설명하면, 본 발명의 제2 실시예에서 반도체 냉각 장치(200)는 제1 실시예의 반도체 냉각 조립체와 유사하지만 제1 실시예의 기류 발생기는 합성 제트 액츄에이터 모듈(220)로 교체되고, 하우징(250)의 측벽(254) 상의 기류 유입구(253)로부터 히트 싱크(212)로의 유체 경로는 전판(251)과 후판(252)에 의해 형성된다. 합성 제트 액츄에이터 모듈은 히트 싱크(212) 쪽으로 유도될 수 있는 난류 펄스형 공기 분사 형태의 기류를 발생한다. 동작에 있어서는 흡입 행정(suction stroke) 중에는, 도 6a에 도시된 바와 같이, 찬 공기가 합성 제트 액츄에이터 모듈(220)에 의해 유체 경로를 따라 히트 싱크(212) 주위로부터 핀(2121)과 개구부(2522)로 정해진 공간을 통해 흡입되고, 이에 따라서 히트 싱크(212)로부터 열이 발산된다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 송풍 행정(blowing stroke) 중에는 공기는 히트 싱크(212)를 따라 핀(2121)과 개구부(2522)로 정해진 공간을 통해 기류를 제공하는 히트 싱크(212)를 통한 유체 경로를 따라 제트형 외향 방향으로 방출되고, 따라서 다시 히트 싱크(212)로부터 그리고 그에 따라서 LED 소자(211)로부터 열을 전달하게 된다.
합성 제트 액츄에이터 모듈의 동작 파라미터는 기류를 제어하도록 조정될 수 있다.
합성 제트 액츄에이터 모듈(220)에 의해 발생된 난기류는 히트 싱크(212)로부터 기류로의 열 전달을 더욱 효율적이게 한다. 열적으로 더 효율적이게 되면 같은 열 부하라도 냉각하는데 필요한 기류의 양이 더 적을 수가 있다. 더욱이 기류의 펄스 특성 때문에 경계층과 평균 유량 간의 혼합이 증가할 수 있다.
제2 실시예에서 합성 제트 액츄에이터 모듈(220)을 이용하면 열전달 효율이 더욱 좋아진다. 더욱이 이 모듈은 팬이나 펌프보다 더 조용히 작동하며, 소비 전력도 적고, 더욱 컴팩트하게 될 수 있으며, 수명도 더 길다.
이제 본 발명의 제3 실시예에 대해 도 7 내지 8b를 참조로 설명한다. 제3 실시예는 제2 실시예와 유사하다. 이 실시예에서는 제2 실시예의 합성 제트 발생기 모듈(220)과 유사한 합성 제트 발생기 모듈(320)을 이용하며, 후판(352)과 전판(351)에 의해 유체 채널 조립체가 형성된다. 그러나 제3 실시예에서는 합성 발생기(320)는 하우징(350)의 측벽(354) 상의 유체 유입구(353)에 하우징(350)의 전면을 통해 연결되고, 그리고 하우징(350)의 후면에 의해 히트 싱크(312)의 공동 코어(3122)에 유체 채널(322)을 통해 연결되어 있다. 이 구성에서 합성 제트 발생기 모듈(320)의 양 측면은, 히트 싱크(312)의 핀(3121) 이외에도, (역시 핀이 구비될 수 있는) 코어(3122)도 전술한 실시예와 유사한 방식으로 공기의 흡입과 방출에 의해 냉각될 수 있도록 이용될 수 있다. 히트 싱크 코어(3122)로부터의 공기의 흡입은 히트 싱크 핀(3121)로의 공기의 방출과 동시에 또는 그 반대로 일어날 수 있다. 추가적인 이점은 제트들의 위상이 어긋나기 때문에 구동 주파수 잡음이 소거될 수 있다는 것이다. 이런 식으로 열전달 효율이 더 향상될 수 있고 잡음이 더 저감될 수 있다. 이 실시예의 장치는 가열된 방출 공기의 흡입이 냉각 공기의 흡입과 동시에 일어나지 않도록 설계된다.
이제 본 발명의 제4 실시예에 따른 반도체 냉각 장치(400)에 대해 도 9 내지 11b를 참조로 설명한다. 본 발명의 이 실시예에서 LED 방열기 조립체(410)는 LED 소자(411)에 열적으로 연결된 방열기(412)를 포함하며, 하우징 조립체(450)에 스냅 피트(snap fit)를 제공하는 측방 연장부(4131)를 가진 플라스틱 지지 부재(413)와 적당한 전원(미도시)으로부터 전판(451)을 통해 LED 소자(411)에 전력을 전달하는 전기 접촉 소자(4132)가 구비되어 있다.
도 11a에 도시된 바와 같이 제2 실시예의 LED 방열기 조립체(410)는 스냅 피트에 의해 하우징 조립체(450)의 전판(451)에 착탈식으로 부착되어 있다. 측방 연장부(4131)는 전판(451)과 함께 작용하여 LED 방열기 조립체를 전판(451)에 결합시키도록 구성된다. 고정 기구(4134)는 채널 조립체(455)를 전판(451)에 고정시킨다. 채널 조립체(455)는 제1 실시예의 채널 조립체(155)와 똑같은 레이아웃을 갖고 있다. 방열기 조립체(410)는 히트 싱크(412)가 하우징(450) 외부의 공기와 접촉하도록 히트 싱크(412)가 하판(452)의 개구부(4522)를 통해 LED 소자(411)로부터 연장하게끔 설치된다.
기류는 제1 실시예의 기류 유입구(153)와 유사한 기류 유입구와 유체 연통하는 기류 발생기(미도시)에 의해 발생된다. 이 기류 발생기는 히트 싱크(412)에 연속적인 기류를 발생시키는 제1 실시예의 기류 발생기와 유사한 것일 수 있다. 또는 제2 및 제3 실시예의 합성 제트 발생기와 유사한 펄스형 기류 발생기에 의해 공기 펄스 형태로 제공될 수 있다. 기류는, 도 11b에 도시된 바와 같이, 채널 조립체(455)에 의해 전판(451)과 후판(452) 사이에서 하우징(450)을 통해 횡방향에서 LED 소자(411)의 히트 싱크(412)의 상부 영역으로 유도된다. 그러면 이 기류는 핀들(4121) 사이에서 히트 싱크(412)의 길이를 따라 길이 방향에서 상판(451)에서 하판(452)으로 축방향으로 강제로 유도되고, 기류 유출구를 형성하는 개구부(4522)를 통해 하우징(450)을 빠져나간다.
열이 히트 싱크(412)로부터 기류로 전달되고, 이에 따라서 LED 소자(411)가 냉각된다. 이 실시예에서는 냉각 공기는 방열기를 따라 축방향으로 강제로 유도되어 하우징(450)의 유출구에 도달하기 때문에 냉각 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 제5 실시예에 따른 반도체 냉각 장치(500)에 대해 도 12a 및 12b를 참조로 설명한다.
반도체 냉각 장치(500)는 제4 실시예의 반도체 냉각 장치(400)와 유사하다. 지지 부재(513)에는 LED 방열기 조립체(510)를 전판(551)에 끼워 맞추는 스냅 피트부(5131) 이외에도 LED 방열기 조립체(510)를 채널 조립체(555)에 결합시키는 하부 측장 연장부(5133)가 더 구비되어 있다. 이와 같은 구성에 따라 채널 조립체(555)가 전판(551)에 더 강하게 고정될 수 있다.
전판(551)에는 채널 조립체(555)로부터 히트 싱크(512)의 상부 영역으로의 기류 경로를 제공하는 개구부(556)가 형성되어 있다. 이 기류 경로는 지지 부재(513)의 추가적인 측방 연장부(5135)에 의해 밀폐되어 있다. 이런 식으로 제1 판(551)은 유체를 LED 소자(411)에 인접한 방열기(512)의 단부 영역으로 강제로 유도하기 위한 유체 흐름 경로의 일부를 형성하는 개구부(556)를 형성하고, 측방 연장부는 유체 흐름 경로를 밀폐하는 밀봉 부재를 구성한다.
기류는 제1 실시예의 기류 유입구(153)와 유사한 기류 유입구와 유체 연통하는 기류 발생기(미도시)에 의해 발생된다. 이 기류 발생기는 히트 싱크(512)에 연속적인 기류를 발생시키는 제1 실시예의 기류 발생기와 유사한 것일 수 있다. 또는 제2 및 제3 실시예의 합성 제트 발생기와 유사한 펄스형 기류 발생기에 의해 공기 펄스 형태로 제공될 수 있다. 기류는 채널 조립체(555)를 통해 전판(551)과 후판(552) 사이에서 개구부(556)를 통해 LED 소자(511)의 히트 싱크(512)의 상부 영역으로 유도된다. 그러면 이 기류는 핀들(5121) 사이에서 히트 싱크(512)의 길이를 따라 상판(551)에서 하판(552)으로 축방향으로 강제로 유도되고, 개구부(5522)를 통해 하우징(550)을 빠져나간다.
이제 본 발명의 제6 실시예에 대해 도 13a 내지 14b를 참조로 설명한다. 제6 실시예에서는 복수의 LED 방열기 조립체(610)가 하우징 조립체(650)에 어레이형태로 설치된다. 각 LED 방열기 조립체(610)는 제1 실시예의 LED 방열기 조립체(110)와 유사하며, 히트 슬러그(614)에 의해 각각의 히트 싱크(612)에 열적으로 결합된 LED 소자(611)를 포함한다.
하우징 조립체(650)는 전판(651), 후판(652), 그리고 이 후판(652)의 측벽(654)에 형성된 기류 유입구(653)를 포함한다. 이 기류 유입구(653)는 강제 기류 형태의 강제 유체 흐름을 하우징(650) 내로 유입시켜 전판(651)과 후판(652) 사이에 냉각 기류가 생성될 수 있게 하는 것이다. 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 임의의 적당한 유사한 기판은 외면(6511)과 내면(6512)을 갖고 있는 전판(651)을 형성한다. 각 LED 소자(611)는 외면(6511)으로부터 바깥쪽으로 향하도록 설치되며 전판(651)에 있는 전기 접속부를 통해 전력이 공급된다.
전판(651)의 내면(6512)에는 채널 조립체(655)가 구비되어 있는데, 이 채널 조립체(655)는 기류를 공통 히트 싱크 유입구(653)로부터 각 히트 싱크(612)로 유도하는 것이다. 채널 조립체(655)와 전판(651) 사이의 밀봉은 히트 싱크(612)로 흐르는 냉각 공기의 손실을 최소화하도록 기밀되어 있다.
도 14b는 채널 조립체(655)의 평면도를 제공하는 전판(651)의 밑면(6512)의 평면도이다. 채널 조립체(655)는 기류를 기류 유입구(653)로부터 각 히트 싱크(612) 주위의 주변 영역으로 유도하여 기류가 각각의 LED 소자(611)에 가까운 히트 싱크(612)의 상부 영역으로 향할 수 있도록 구성된다.
하우징(650)의 후판(652)에는 복수의 개구부(6522)가 구비되어 있는데, 이들 개구부 각각을 통해 해당 히트 싱크(612)는 각각의 LED 소자(611)로부터 연장하여 각 히트 싱크가 하우징 외부의 공기와 접촉하게 되고, 이에 따라서 히트 싱크(612)로부터 하우징 외부의 공기로 열이 전달될 수 있다.
기류는 기류 유입구(653)와 유체 연통하는 기류 발생기에 의해 발생된다. 이 기류 발생기는 각 히트 싱크(612)에 일정한 기류를 제공하는 제1 실시예의 기류 발생기와 유사한 기류 발생기일 수 있다. 또는 기류는 제2 및 제3 실시예의 합성 제트 액츄에이터와 유사한 펄스형 공기 발생기에 의해 공기 펄스 형태로 제공될 수 있다. 채널 조립체(655)를 형성하는 채널들의 길이와 단면적은 기류를 발생하는데 이용된 합성 제트 액츄에이터의 구동 전력이 최소화되도록 선택될 수 있다. 기류는 채널 조립체(655)에 의해 전판(651)과 후판(652) 사이에서 하우징(650)을 통해 횡방향에서 해당 LED 소자(611)의 각 히트 싱크(612)로 유도된다. 이 강제 기류는 핀들(6121) 사이에서 히트 싱크(612)의 길이를 따라 상판(651)에서 하판(652)으로 축방향으로 흐르도록 각 싱크 히트(612)의 상부 영역으로 유도되고, 각각의 개구부(6522)를 통해 하우징(650)을 빠져나간다. 각 개구부(6522)는 기류 유출구를 형성한다.
열이 각 히트 싱크(612)로부터 기류로 전달되고, 이에 따라서 각 LED 소자(611)를 냉각하게 된다. 이 실시예에서는 냉각 기류는 각 히트 싱크(612)의 길이를 따라 해당 개구부(6522)로 강제로 흐르기 때문에 냉각 효율이 향상될 수 있다. 더욱이 각 LED 소자에 냉각 기류를 제공하는데 내부 팬이 필요하지 않기 때문에 장치가 덜 복잡하고 소음도 덜할 수 있다. 더욱이 각 히트 싱크의 크기가 줄어들기 때문에 LED들은 서로 더욱 가까이에 배치될 수 있고 따라서 LED를 더욱 고밀도로 패키징할 수 있다.
이 실시예에서는 많은 수의 LED에 의해 발생된 열에너지량과 이들 간의 근접성을 고려하면 LED 소자의 고효율 냉각이 특히 바람직할 것이다. 냉각 공기는 각 히트 싱크로 강제로 유도되고, 하우징을 빠져나기기 위해 그 히트 싱크를 따라 강제로 흐르기 때문에 냉각 효율이 좋아질 수 있다. 히트 싱크들(612)은 공통의 기류 유입구(653)를 공유하므로 장치의 전체 크기가 줄어든다. 더욱이 기류 유입구(653)는 하우징의 측벽(654)에 배치되므로 장치는 전체적으로 보면 더욱 평평할 수가 있다.
제6 실시예에서는 LED 방열기 조립체는 제1 실시예의 것과 유사하지만 이 장치는 LED 방열기 조립체에 스냅 피트가 구비된 제4 또는 제5 실시예의 것과 유사한 유사한 복수의 LED 방열기 조립체를 가질 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
본 발명의 추가 실시예는 도 14에 도시되어 있다. 이 실시예는 본 발명의 제6 실시예와 유사하지만, 전판(751)과 후판(752) 사이의 하우징(750)의 내부 공간이 기류 유입구(753)로부터 각 히트 싱크(712)로의 유체 경로를 제공하는 채널을 형성한다는 점이 다르다. 이 실시예에서는 전판(751)과 후판(752) 간의 내부 공간 전체에 걸쳐 균일한 압력을 제공하는 플레넘(plenum: 밀폐 고압 공간)이 하우징에 의해 형성된다. 유입구(753)를 통해 하우징 내로 흐르는 공기는 플레넘에 의해 개구부(7522)로 유도되고 해당 히트 싱크(712)의 길이를 따라 흘러서 히트 싱크(712)로부터의 열을 기류로 전달한다.
앞에서의 실시예들에서는 하우징에 하나의 기류 유입구만 구비되어 있지만, 하우징에는 임의 수의 기류 유입구 또는 기류 유입구 배열이 구비될 수 있음을 잘 알 것이다. 예컨대 도 16에는 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예는 도 15의 실시예와 유사하지만 하우징(850)의 대향벽들에 2개의 기류 유입구(853)를 갖고 있다.
본 발명의 전술한 실시예들에서는 각 LED 소자에는 각자의 방열기가 구비되어 있지만, 본 발명의 다른 실시예에서는 2개 이상의 LED 소자가 하나의 방열기를 공유할 수도 있음을 잘 것이다. 더욱이 2개 이상의 방열기는 같은 개구부를 통해 연장할 수 있음을 잘 것이다.
이 실시예는 반도체 다이의 수가 많고 이들이 서로 인접해 있어서 냉각 효율이 높아야 하는 고유속 응용분야와 안정적 동작을 위해 열관리가 중요하고 수명이 길어야 하는 저유속 응용분야 모두에 적용될 수 있다.
지금까지 특정 실시예를 통해 본 발명을 설명하였지만 본 발명은 이들 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며 당업자하면 본 발명의 범위 내에서 여러 가지 변형이 가능함을 잘 알 수 있을 것이다.
예컨대 본 발명의 상기 실시예들에서는 장치는 LED의 냉각과 관련하여 설명하였지만 그와 같은 냉각 장치는 다른 형태의 고체 광원 또는 반도체 다이나 칩을 냉각시키는데도 이용될 수 있음을 잘 알 것이다. 예컨대 이 조립체는 집적 회로(IC)를 방열시키는데도 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 히트 싱크는 열전도성 플라스틱이나 세라믹으로 만들어질 수 있다. 그와 같은 실시예에서는 히트 싱크는 사출 성형으로 제작될 수 있다. 본 발명의 추가 실시예에서는 히트 슬러그는 PCB의 일부를 구성하는 것이 아닌 독립된 구성소자로 제공될 수 있다. 또한 본 발명의 일부 실시예들에서는 히트 슬러그가 존재하지 않을 수 있음을 잘 알 것이다.
히트 싱크는 도면에 도시된 형태에 한정되는 것이 아니라 그 표면으로부터 열을 소산시키는데 적합한 임의의 형태를 가질 수 있음을 잘 알 것이다. 예컨대 히트 싱크는 공동이 아닐 수 있으며 그리고/또는 다른 핀 구성을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예들에서 히트 싱크에는 열전달 효율을 향상시키기 위해 반도체 다이를 방열시키는 히트 파이프가 구비될 수 있다.
제4 및 제5 실시예에서는 LED 방열기 조립체에 지지 부재가 구비되어 있으나, 본 발명의 다른 실시예들에서는 히트 싱크와 히트 슬러그가 LED 방열기 조립체의 지지 수단을 형성할 수 있음을 알아야 할 것이다. 추가 실시예들에서는 이 지지 수단은 후판과 함께 또는 후판 및 전판과 함께 작동할 수 있다.
상기 실시예들은 기류에 관해서 설명하였지만, 냉각 유체 흐름은 액체 흐름이나 기타 다른 적당한 기체일 수 있음을 알아야 한다.
또한 본 발명의 다른 실시예들에서는 유체 흐름은 히트 싱크를 따라서 상기 실시예들의 기류 방향과 반대되는 축방향으로 유도될 수 있음도 알아야 한다. 또한 기류 발생기는 히트 싱크와 유체 연통하도록 유체 경로 중의 임의의 지점에 연결될 수 있음도 알아야 한다.
상기 실시예들은 기류를 방열기의 일단에서 타단으로 축방향으로 유도하는 개구부가 구비되어 있으나 방열기의 길이를 따라 기류 채널을 제공하는 임의의 적당한 형태가 이용될 수 있음을 알아야 한다.
상기 실시예들 중 일부에서는 채널 조립체가 전판에 구비되어 있으나 추가 실시예들에서는 채널 조립체는 후판에 구비될 수도 있음을 알아야 한다.
당업자라면 예시 목적으로만 제공될 뿐, 첨부된 청구범위에 의해서만 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아닌 상기 예시적인 실시예들을 참조로 본 발명을 여러 가지로 변형하고 수정할 수 있을 것이다. 특히 여러 가지 서로 다른 실시예들의 여러 가지 서로 다른 특징들은 서로 바꾸어질 수 있다.
청구범위에서 "포함하는"이라는 단어는 다른 구성요소나 단계를 배제하는 것이 아니며, 단수 형태로 표기하였더라도 이는 복수 형태를 배제하는 것은 아니다. 서로 다른 종속항에 서로 다른 특징이 기재되어 있다고 해서 이것이 이들 특징의 조합이 유리하게 이용될 수 없다는 것을 뜻하는 것은 아니다. 청구범위에서 참조부호는 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석해서는 안된다.

Claims (18)

  1. 반도체 다이를 냉각하기 위한 냉각 장치로서,
    반도체 다이(111, 211, 611)에 열적으로 결합 가능한 방열기(heat dissipator; 112, 312, 612) - 상기 방열기(112, 312, 612)는 상기 반도체 다이(111, 211, 611)로부터의 열을 소산시키도록 구성됨 -;
    상기 방열기(112, 312, 612)가 장착되는 하우징(150);
    상기 하우징(150) 내에 강제 유체 흐름을 제공하기 위한 제1 유체 흐름 통로(153, 253, 653); 및
    상기 제1 유체 흐름 통로(153, 253, 653)와 상기 방열기(112, 312, 612) 사이에 제1 방향으로 유체를 유도(direct)하도록 구성되며, 상기 반도체 다이(111, 211, 611)로부터 멀어지며(away from) 상기 제1 방향과 다른 제2 방향으로 상기 방열기(112, 312, 612)를 따라 유체 흐름을 강제하도록 또한 구성된 유체 흐름 경로
    를 포함하고,
    상기 하우징(150)은,
    상기 반도체 다이(111, 211, 611)를 지지하기 위한 제1 판(151); 및
    상기 제1 판(151)과 대향하는 제2 판(152)
    을 포함하고,
    상기 제2 판(152)은 상기 방열기(112, 312, 612)를 수용하도록 구성된 개구부(1522)를 구비하며, 상기 제2 방향으로 상기 방열기(112, 312, 612)를 따라 상기 유체 흐름을 강제하기 위한 상기 유체 흐름 경로의 적어도 일부는 상기 개구부(1522)의 벽들과 상기 방열기(112, 312, 612)의 벽들에 의해 형성되는, 냉각 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체 흐름 통로(153)는 상기 제1 판(151) 및 상기 제2 판(152)에 수직인 상기 하우징(150)의 측벽(lateral wall; 154) 상에 배치되는 냉각 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열기(112)를 수용하기 위한 상기 개구부(1522)는, 유체 흐름을 상기 하우징(150)으로부터 배출하거나 상기 하우징(150)으로 수용하기 위한 제2 유체 흐름 통로를 형성하는 냉각 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 방열기(112)는, 상기 방열기(112)가 상기 하우징(150) 외부의 유체 매체와 접촉하도록 상기 개구부(1522)를 통해 상기 반도체 다이(111)로부터 연장하는 냉각 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유체 흐름 경로의 적어도 일부는 채널 조립체(155)에 의해 형성되는 냉각 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체 흐름 통로(253)는 펄스형 공기 분사 발생기(220, 320)와 유체 연통하는 냉각 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방열기(312)의 공동(hollow) 코어(3122)는 상기 펄스형 공기 분사 발생기(320)와 유체 연통하는 냉각 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 방열기(112)는 스냅 피팅(snap-fitting)에 의해 상기 하우징(150)에 결합 가능한 냉각 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    복수의 반도체 다이(611)에 열적으로 결합 가능한 적어도 하나의 방열기(612), 및 상기 하우징(150)에 형성되어 적어도 하나의 방열기(612)를 수용하기 위한 적어도 하나의 개구부(6522)를 포함하며, 상기 유체 흐름 경로는 상기 제1 유체 흐름 통로(653)와 각각의 방열기(612)의 개구부 사이에 유체를 유도하도록 구성되는 냉각 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    복수의 방열기(612) - 각각의 방열기(612)는 대응하는 반도체 다이(611)와 열적으로 결합 가능함 -; 및
    상기 하우징(150)에 형성된 복수의 개구부(6522) - 각각의 개구부(6522)는 대응하는 방열기(612)를 수용하도록 구성됨 -
    를 포함하는 냉각 장치.
  12. 발광 특성(light emissive properties)을 갖는 적어도 하나의 반도체 다이(111), 및 상기 적어도 하나의 반도체 다이(111)를 냉각하기 위한 제1항에 따른 냉각 장치를 포함하는 조명 기구.
  13. 반도체 다이(111)를 냉각하는 방법으로서,
    상기 반도체 다이(111)로부터의 열을 소산시키기 위해서 방열기(112, 212, 312)를 상기 반도체 다이(111)에 열적으로 결합하는 단계;
    상기 방열기(112, 212, 312)를 하우징(150)에 장착하는 단계;
    상기 하우징(150) 내에 강제 유체 흐름을 제공하는 단계;
    상기 하우징에 형성된 제1 개구부(153)와 상기 방열기(112, 212, 312) 사이에 제1 방향으로 유체 경로를 따라 상기 하우징(150) 내에 상기 강제 유체 흐름을 유도하는 단계; 및
    상기 방열기(112, 212, 312)를 따라 제2 방향으로 상기 강제 유체를 유도하는 단계 - 상기 제2 방향은 상기 반도체 다이(111)로부터 멀어지며 상기 제1 방향과 다름 -
    를 포함하고,
    상기 하우징(150)은,
    상기 반도체 다이(111)를 지지하기 위한 제1 판(151); 및
    상기 제1 판(151)과 대향하는 제2 판(152)
    을 포함하고,
    상기 제2 판(152)은 상기 방열기(112, 212, 312)를 수용하도록 구성된 개구부(1522)를 구비하며, 상기 제2 방향으로 상기 방열기(112, 212, 312)를 따라 유체 흐름을 강제하기 위한 유체 흐름 경로의 적어도 일부는 상기 개구부(1522)의 벽들과 상기 방열기(112, 212, 312)의 벽들에 의해 형성되는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 방열기(212) 주위로부터 유체를 흡입하는 단계 및 상기 방열기(212)를 따라 유체를 방출하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 방열기(312)의 공동 코어(3122)로부터 유체를 흡입하는 단계 및 상기 방열기(312)의 상기 공동 코어(3122)로 유체를 방출하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하는 방법.
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