KR102495489B1

KR102495489B1 - Cooling device

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Publication number: KR102495489B1
Application number: KR1020190047775A
Authority: KR
Inventors: 김기총; 남영석; 기석간; 이주영
Original assignee: 한화에어로스페이스 주식회사; 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2019-04-24
Filing date: 2019-04-24
Publication date: 2023-02-03
Also published as: KR20200124444A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 적어도 하나의 고전력 발열 모듈을 구비한 기판부를 냉각시키는 냉각 장치는, 베이스 플레이트와, 베이스 플레이트의 내측으로 저온의 냉각 유체가 유동되는 제1 유로를 형성하는 제1 유로 관로와, 제1 유로 관로와 이웃하게 배치되며 고온의 냉각 유체가 유동되는 제2 유로를 형성하는 제2 유로 관로를 포함하는 관로부 및 베이스 플레이트와 기판부 사이에 배치되며 내측으로 다공부를 형성하며, 제1 유로 관로를 통해 상기 저온의 냉각 유체를 전달받아 상기 기판부를 냉각시키며 기판부의 열을 전달받은 고온의 냉각 유체를 상기 제2 유로 관로로 유입되는 금속 폼부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 냉각 장치는 실시예에 따라 다양하게 구현될 수 있다. A cooling device for cooling a substrate having at least one high-power heating module according to an embodiment of the present invention includes a first flow path that forms a base plate and a first flow path through which a low-temperature cooling fluid flows into the base plate. A conduit part including a conduit and a second passage conduit disposed adjacent to the first passage conduit and forming a second passage through which a high-temperature cooling fluid flows, and disposed between the base plate and the substrate part to form a perforated part inwardly. and a metal foam member receiving the low-temperature cooling fluid through the first flow passage to cool the substrate and introducing the high-temperature cooling fluid, which receives heat from the substrate, into the second flow passage.
In addition, the cooling device as described above may be implemented in various ways according to embodiments.

Description

Cooling device {Cooling device}

본 발명은 냉각 장치에 관한 것으로서, 예컨대 고발열 고전력의 전력 소자, 구체적으로 반도체 모듈을 냉각시키기 위한 냉각 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling device, for example, to a cooling device for cooling a high-heating, high-power power device, specifically a semiconductor module.

인쇄회로기판 등의 기판부재에는 다양한 전기 부품, 예를 들어 반도체 스위치, 수동부품 직접 회로(IC)와 같은 전기 부품은 일반적으로 납땜을 통해 인쇄회로기판 표면에 부착된다. 이러한 인쇄회로기판을 사용하면 대량 생산 비용이 절감될 수 있고, 장치의 소형화가 가능하다.Various electrical components, for example, semiconductor switches and passive component integrated circuits (ICs), are generally attached to the surface of the printed circuit board through soldering to a substrate member such as a printed circuit board. If such a printed circuit board is used, mass production costs can be reduced and the device can be miniaturized.

이러한 상기 인쇄회로기판에 더 많은 전기 부품들이 실장됨에 따라 인쇄회로기판의 면전 단위당 전력 손실도 증가한다. 또한, 인쇄회로기판 상의 전기 부품, 예컨대 임베디드 파워 반도체(embedded power semiconductors)를 포함하는 경우 냉각을 위한 장치가 다양한 형태로 개발되고 있다. 예를 들어, 임베디드 파워 반도체가 구비된 인쇄회로기판에는 국부적으로 고온의 핫 스팟이 나타날 수 있다.As more electrical components are mounted on the printed circuit board, power loss per unit area of the printed circuit board also increases. In addition, devices for cooling in the case of including electric components on a printed circuit board, for example, embedded power semiconductors, are being developed in various forms. For example, a high-temperature hot spot may appear locally on a printed circuit board equipped with an embedded power semiconductor.

특히 최근의 고성능 전기 자동차나 또는 하이브리드 전기 자동차와 같은 기기의 수요와 관심 증대로 인해 인덕션 모터의 스피드와 파워 아웃풋을 증가시키기 위한 다중 고전력의 적어도 하나의 IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 소자가 실장된 인버터 모듈의 성능 향상에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.In particular, an inverter equipped with at least one IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) element of multiple high power to increase the speed and power output of an induction motor due to the recent increase in demand and interest in devices such as high-performance electric vehicles or hybrid electric vehicles. Research on improving the performance of modules is being actively conducted.

상기 인버터 모듈 등에서 증대되는 발열량은 인버터 모듈의 안정성과 신뢰성에 있어서 문제가 발생될 수밖에 없다.Increased heat generation in the inverter module or the like inevitably causes problems in stability and reliability of the inverter module.

특히, 인버터 모듈의 성능을 충족시키기 위해 다수개의 IGBT 소자를 통합시켜 구비되는데, 통합된 IGBT 모듈에 의해 발생되는 핫 스팟 발생을 분산시키기 위한 냉각 장치의 필요성이 요구되어 지고 있다. 구체적으로, 상기 인버터 모듈을 필요로 하는 고성능 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동자의 더욱 높은 주행 성능을 확보하기위해 인버터 모듈의 IGBT 소자와 같은 고전력 반도체의 에너지 밀도와 반도체 칩의 숫자가 지속적으로 상승하고 있으며, 반도체의 성능 신뢰성을 위한 열관리 체계의 필요성이 증가하고 있는 것이다.In particular, a plurality of IGBT elements are integrated to satisfy the performance of the inverter module, and a cooling device for dispersing hot spots generated by the integrated IGBT module is required. Specifically, in order to secure higher driving performance of high-performance electric vehicles or hybrid electric vehicles that require the inverter module, the energy density of high-power semiconductors such as IGBT devices of inverter modules and the number of semiconductor chips are continuously increasing, The need for a thermal management system for semiconductor performance reliability is increasing.

그러나, 선행 기술과 같은 구성에서 간접 냉각 방식은 베이스 플레이트(baseplate)와 히트 싱크의 경계면에서의 열 저항으로 인한 발열체로부터 냉각수까지의 높은 열저항 (>0.8 K/W)과 냉각수 순환에 요구되는 높은 IGBT 발열량 대비 압력 강하로(>100kPa/kW) 인한 문제가 발생될 수 있으며, 다수개의 칩을 동시에 균일하게 냉각시켜주는 확장성을 확보하지 못하는 문제점이 발생한다.However, in the configuration of the prior art, the indirect cooling method has a high thermal resistance (>0.8 K/W) from the heating element to the cooling water due to thermal resistance at the interface between the baseplate and the heat sink, and high cooling water circulation requirements. A problem may occur due to a pressure drop (>100 kPa/kW) versus IGBT calorific value, and a problem of not securing scalability that uniformly cools a plurality of chips at the same time occurs.

또한, 최근에는 마이크로채널 방열판이나, 터뷸레이터(turbulator) 기반 냉각 장치가 개발되었으나 여전히 0.2K/W 수준의 낮은 열저항과 10kPa/kW 미만의 IGBT 발열량 대비 압력 강하 그리고 냉각 모듈의 확장성을 모두 만족시키는 냉각 장치는 구현되지 못하고 있는 실정이다.In addition, although a microchannel heat sink or turbulator-based cooling device has been developed recently, it still satisfies both the low thermal resistance of 0.2K/W, the pressure drop compared to the IGBT calorific value of less than 10kPa/kW, and the scalability of the cooling module. The cooling device to be implemented has not been implemented.

미국 등록특허 US 7,353,859 B2(등록일: 2008.04.08)US registered patent US 7,353,859 B2 (registration date: 2008.04.08)

미국 등록 특허 US 9, 693, 487 B2(등록일: 2017.06.27)US registered patent US 9, 693, 487 B2 (Registration date: 2017.06.27)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고발열 고전력의 전력 모듈, 예를 들어 IGBT 소자와 같은 반도체 모듈에 의해 기판에서 발생되는 핫 스팟의 발생을 제한하면서, 발열시킬 수 있는 냉각 장치를 제공하고자 한다.A technical problem to be achieved by the present invention is to provide a cooling device capable of generating heat while limiting the occurrence of hot spots generated in a substrate by a high-heating, high-power power module, for example, a semiconductor module such as an IGBT device.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 다공성의 유로를 가진 부재를 활용하여 낮은 IGBT 소자의 발열량 대비 압력 강하로도 균일하게 냉각을 구현할 수 있는 냉각 장치를 제공하고자 한다.In addition, a technical problem to be achieved by the present invention is to provide a cooling device capable of uniformly cooling even with a pressure drop compared to a calorific value of a low IGBT element by utilizing a member having a porous flow path.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는, A cooling device according to an embodiment of the present invention,

적어도 하나의 고전력 발열 모듈을 구비한 기판부를 냉각시키는 냉각 장치에 있어서, A cooling device for cooling a substrate having at least one high-power heating module,

베이스 플레이트;base plate;

상기 베이스 플레이트의 내측으로 저온의 냉각 유체가 유동되는 제1 유로를 형성하는 제1 유로 관로와, 상기 제1 유로 관로와 이웃하게 배치되며 고온의 냉각 유체가 유동되는 제2 유로를 형성하는 제2 유로 관로를 포함하는 관로부; 및A first flow path forming a first flow path through which a low-temperature cooling fluid flows into the base plate, and a second flow path disposed adjacent to the first flow path and forming a second flow path through which a high-temperature cooling fluid flows. Conduit unit including a flow passage; and

상기 베이스 플레이트와 상기 기판부 사이에 배치되며 내측으로 다공을 형성하며, 제1 유로 관로를 통해 상기 저온의 냉각 유체를 전달받아 상기 기판부를 냉각시키며 상기 기판부의 열을 전달받은 고온의 냉각 유체를 상기 제2 유로 관로로 유입되는 금속 폼부재를 포함할 수 있다.It is disposed between the base plate and the substrate and forms a porous inside, receives the low-temperature cooling fluid through the first flow passage to cool the substrate, and transfers the heat of the substrate to the high-temperature cooling fluid. A metal foam member introduced into the second flow path may be included.

상기 제1 유로 관로는, The first flow passage,

상기 베이스 플레이트의 일측면에 길이 방향으로 구비되는 제1 메인 브랜치; 및a first main branch provided in a longitudinal direction on one side of the base plate; and

상기 제1 메인 브랜치에서 상기 베이스 플레이트의 타측면 방향으로 길이 방향의 수직방향으로 돌출되는 복수개의 제1 서브 브랜치를 포함하고,A plurality of first sub-branches protruding in a vertical direction in a longitudinal direction from the first main branch toward the other side surface of the base plate,

상기 제2 유로 관로는,The second flow passage,

상기 베이스 플레이트의 타측면에 구비되는 길이 방향으로 구비되는 제2 메인 브랜치; 및a second main branch provided in a longitudinal direction provided on the other side of the base plate; and

상기 제2 메인 브랜치에서 상기 베이스 플레이트의 일측면 방향으로 길이 방향의 수직 방향으로 돌출되는 복수개의 제2 서브 브랜치를 포함하고, Including a plurality of second sub-branches protruding in a vertical direction in a longitudinal direction from the second main branch to one side of the base plate,

상기 제1 서브 브랜치와 상기 제2 서브 브랜치는 서로가 서로에게 이웃하게 위치될 수 있다.The first sub-branch and the second sub-branch may be located adjacent to each other.

상기 베이스 플레이트의 일면에는 상기 금속 폼부재가 안착되며, 상기 제1 서브 브랜치와 상기 제2 서브 브랜치가 노출되는 안착부가 구비될 수 있다.The metal foam member is seated on one surface of the base plate, and a seating portion exposing the first sub-branch and the second sub-branch may be provided.

상기 안착부에는 상기 금속 폼부재가 안착되는 안착홈과, 상기 베이스 플레이트의 일측부와 타일측부와 연결된 복수개의 슬롯부 사이로 상기 제1 서브 브랜치와 상기 제2 서브 브랜치가 노출되는 노출홈이 형성될 수 있다.In the seating portion, a seating groove in which the metal foam member is seated and an exposure groove in which the first sub-branch and the second sub-branch are exposed are formed between a plurality of slots connected to one side of the base plate and the tile side. can

상기 금속 폼부재는 다공의 구리를 포함하는 메탈 재질로 이루어질 수 있다.The metal foam member may be made of a metal material containing porous copper.

상기 냉각 장치를 구비한 상기 기판부는 복수개 구비되어 서로가 서로에게 이격되어 적층 구비되고,The substrate having the cooling device is provided in plurality and is spaced apart from each other and stacked,

상기 냉각 장치를 구비한 상기 기판부의 일측에는 각각의 상기 냉각 장치의 상기 제1 관로 유로와 상기 제2 관로 유로를 연결하여 각각의 상기 냉각 장치의 상기 관로부에서 유동되는 저온의 상기 냉각 유체 및 고온의 상기 냉각 유체를 유동하기 위한 메인 관로부를 구비할 수 있다.On one side of the substrate having the cooling device, the first conduit passage and the second conduit passage of each of the cooling devices are connected, and the cooling fluid of low temperature and the high temperature flowing in the conduit section of each of the cooling devices are connected. It may be provided with a main conduit for flowing the cooling fluid of.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.

본 발명의 일 실시예들에 따른 냉각 장치는, 다공성의 제1 부재와 다중 유로를 가지는 제2 부재의 간단한 적층을 통해 모듈 전체 면적에 동일하게 냉각유체가 분배되도록 구비됨에 따라, 균일한 냉각 성능을 확보할 수 있으며, 핫스팟에 따른 부분적 전자 장치의 고장을 방지할 수 있는 이점이 있다.The cooling device according to one embodiment of the present invention is provided so that the cooling fluid is equally distributed over the entire area of the module through a simple stacking of the porous first member and the second member having a multi-channel, so that the cooling performance is uniform. can be secured, and there is an advantage in preventing partial failure of electronic devices due to hot spots.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는, 복수개의 IGBT 소자를을 냉각시키기 위해 단일의 냉각유체의 유입구로 구성이 가능함에 따라, 냉각유체가 최소한의 거리로 동시에 공급될 수 있어, 종래 대비 낮은 압력 강하에서도 냉각을 구현할 수 있는 이점이 있다.In addition, since the cooling device according to an embodiment of the present invention can be configured with a single cooling fluid inlet to cool a plurality of IGBT elements, the cooling fluid can be simultaneously supplied at a minimum distance, It has the advantage of being able to implement cooling even at a relatively low pressure drop.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는, 복수의 IGBT 소자를을 실장한 기판부를 복수개로 확장 구비하여도, 증가되는 기판부의 전력 대비 냉각수 공급을 위해 요구되는 압력 강하가 적으며, 균일한 냉각 성능을 확보할 수 있는 이점이 있다.In addition, in the cooling device according to an embodiment of the present invention, even if a plurality of board parts on which a plurality of IGBT elements are mounted are expanded, the pressure drop required for cooling water supply is small compared to the increased power of the board part, and the cooling device is uniform. There is an advantage of securing a cooling performance.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치는 전기 자동차 또는 하이브리드 전기 자동차와 같은 제한된 공간 내에서 다수개의 고전력 IGBT 소자를을 열관리 할 수 있고, 펌핑 전력의 한계를 극복할 수 있어 낮은 에너지 소비로도 냉각시킬 수 있어 보다 컴팩트한 냉각 체계를 구현할 수 있는 이점이 있다.Therefore, the cooling device according to an embodiment of the present invention can thermally manage a plurality of high-power IGBT elements in a limited space such as an electric vehicle or a hybrid electric vehicle, and can overcome the limitation of pumping power with low energy consumption. It can also be cooled, so there is an advantage in implementing a more compact cooling system.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판부 및 상기 기판부에 구비되는 냉각 장치를 분리 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치에서, 베이스 플레이트를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치에서, 베이스 플레이트에 관로부가 구비된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치에서, 관로부가 실장된 베이스 플레이트 상에 금속 폼부재가 실장된 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치에서 금속 폼부재의 내측을 확대한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 냉각 장치에 따른 고전력 발열 모듈의 열교환에 따른 온도 분포를 종래와 비교 도시한 개략적인 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치에서, 냉각 유체의 유량에 따른 고전력 발열 모듈의 온도와 압력 강하 분포를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치에서, 고전력 발열 모듈의 발열량 1kW당 요구되는 압력 강하 대비 열저항을 비교도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치에서, 냉각 장치를 구비한 기판부가 복수개 적층되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치에서, 냉각 장치를 구비한 기판부가 복수개 적층된 상태에서 열교환에 따른 온도 분포를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치에서, 냉각 장치를 구비한 기판부의 적층 수가 증가함에 따른 고전력 발열 모듈의 온도 분포 및 고전력 발열 모듈의 발열량 대비 요구되는 펌핑 전력(유량과 압력 강하의 곱)을 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a view separately illustrating a substrate unit and a cooling device provided in the substrate unit according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing a base plate in a cooling device according to an embodiment of the present invention.
3 is a view schematically showing a state in which a conduit part is provided in a base plate in a cooling device according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a state in which a metal foam member is mounted on a base plate on which a conduit unit is mounted in a cooling device according to an embodiment of the present invention.
5 is an enlarged view of the inside of a metal foam member in a cooling device according to an embodiment of the present invention.
6 is a schematic diagram showing a temperature distribution according to heat exchange of a high-power heating module according to a cooling device according to an embodiment of the present invention compared with a conventional one.
7 is a diagram schematically illustrating temperature and pressure drop distributions of a high-power heating module according to a flow rate of a cooling fluid in a cooling device according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram showing a comparison of thermal resistance versus pressure drop required per 1 kW of heating value of a high-power heating module in a cooling device according to an embodiment of the present invention.
9 is a view schematically showing a state in which a plurality of substrate parts having cooling devices are stacked in a cooling device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a temperature distribution according to heat exchange in a state in which a plurality of substrate parts having cooling devices are stacked in a cooling device according to an embodiment of the present invention.
11 is a temperature distribution of a high-power heating module according to an increase in the number of stacked substrates equipped with a cooling device in a cooling device according to an embodiment of the present invention and a pumping power required compared to the calorific value of the high-power heating module (flow rate and pressure drop). Product) is a diagram schematically showing.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 일부 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, some embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "comprise" or "having" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present invention, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판부(110) 및 상기 기판부(110)에 구비되는 냉각 장치(100)를 분리 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)에서, 베이스 플레이트(120)를 나타내는 개략적인 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)에서, 베이스 플레이트(120)에 관로부(130)가 구비된 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)에서, 관로부(130)가 실장된 베이스 플레이트(120) 상에 금속 폼부재(140)가 실장된 상태를 나타내는 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)에서 금속 폼부재(140)의 내측을 확대한 도면이다.FIG. 1 is a view separately illustrating a substrate unit 110 and a cooling device 100 provided on the substrate unit 110 according to an embodiment of the present invention. 2 is a schematic diagram showing a base plate 120 in a cooling device 100 according to an embodiment of the present invention. 3 is a view schematically showing a state in which the conduit part 130 is provided in the base plate 120 in the cooling device 100 according to an embodiment of the present invention. 4 is a view showing a state in which the metal foam member 140 is mounted on the base plate 120 on which the pipe part 130 is mounted in the cooling device 100 according to an embodiment of the present invention. 5 is an enlarged view of the inside of the metal foam member 140 in the cooling device 100 according to an embodiment of the present invention.

먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)는 기판부(110), 구체적으로 적어도 하나의 고전력 발열 모듈(111)을 구비한 기판부(110)를 냉각시키도록 기판부(110)의 하면에 실장될 수 있다.First, referring to FIG. 1 , the cooling device 100 according to an embodiment of the present invention cools the substrate 110, specifically, the substrate 110 having at least one high power heating module 111. It may be mounted on the lower surface of the substrate unit 110 .

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 기판부(110) 상에 실장된 고전력 발열 모듈(111)은 IGBT 소자(111a)와 다이오드 칩(111b)의 한쌍으로 구비되는 것을 예를 들며, 상기 고전력 발열 모듈(111)은 상기 기판부(110)에 6쌍이 형성되는 것을 예를 들어 설명할 수 있다. 그러나, 상기 기판부(110) 상에 구비되는 상기 고전력 발열 모듈(111)의 구성이나 개수 등은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 기판부(110)가 실장되는 전자 기기에 따라 다양한 구성이나 개수로 구현될 수 있음은 당연할 것이다.For example, the high-power heating module 111 mounted on the substrate 110 according to an embodiment of the present invention is provided as a pair of IGBT elements 111a and diode chips 111b, and the high-power heating module (111) can be described as an example that six pairs are formed on the substrate portion 110. However, the configuration or number of the high-power heating modules 111 provided on the substrate 110 is not limited thereto, and various configurations or numbers are implemented depending on the electronic device on which the substrate 110 is mounted. It would be natural that it could be.

상기 냉각 장치(100)는 베이스 플레이트(120), 관로부(130) 및 금속 폼부재(140)를 포함할 수 있다.The cooling device 100 may include a base plate 120 , a conduit part 130 and a metal foam member 140 .

도 1과 더불어 도 2를 참조하면, 상기 베이스 플레이트(120)는 알루미늄 재질을 포함하는 냉각 장치(100)를 포함할 수 있다. 상기 베이스 플레이트(120)에는 후술하는 관로부(130) 및 금속 폼부재(140)가 실장될 수 있고, 상기 관로부(130) 및 상기 금속 폼부재(140)를 실장한 상기 베이스 플레이트(120)가 상기 기판부(110)의 일면에 실장될 수 있다. 후술하나 상기 베이스 플레이트(120)의 일단의 양측부로 상기 관로부(130)의 각각의 단부가 돌출되어 상기 냉각 유체의 유출입되도록 구비될 수 있다.Referring to FIG. 2 together with FIG. 1 , the base plate 120 may include a cooling device 100 made of aluminum. A conduit part 130 and a metal foam member 140 described later may be mounted on the base plate 120, and the base plate 120 having the conduit part 130 and the metal foam member 140 mounted thereon May be mounted on one surface of the substrate portion 110. Although described later, each end of the conduit part 130 protrudes from both sides of one end of the base plate 120 so that the cooling fluid flows in and out.

상기 베이스 플레이트(120)의 일면에는 안착부(121)가 구비될 수 있고, 상기 안착부(121)에는 안착홈(121a)과 복수의 슬롯부(121b)에 다른 노출홈(121c)이 형성될 수 있다. 이러한 상기 베이스 플레이트(120)의 형상은 후술하는 관로부(130) 및 금속 폼부재(140)의 설명과 함께 좀더 구체적으로 설명할 수 있다.A seating portion 121 may be provided on one surface of the base plate 120, and a seating groove 121a and other exposed grooves 121c may be formed in the plurality of slot portions 121b on the seating portion 121. can The shape of the base plate 120 can be described in more detail with the description of the conduit part 130 and the metal foam member 140 to be described later.

도 1, 도 2에 더불어 도 3을 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100), 구체적으로 상기 베이스 플레이트(120)에는 상기 베이스 플레이트(120)의 내측으로 실장되는 상기 관로부(130)가 구비될 수 있다.Referring to FIG. 3 together with FIGS. 1 and 2, the cooling device 100 according to an embodiment of the present invention, specifically, the conduit mounted inside the base plate 120 in the base plate 120 Part 130 may be provided.

상기 관로부(130)는 제1 유로 관로(131)와, 제2 유로 관로(132)를 포함할 수 있다.The conduit part 130 may include a first flow conduit 131 and a second flow conduit 132 .

상기 제1 유로 관로(131)는 상기 베이스 플레이트(120)의 내측에 구비되되, 상기 베이스 플레이트(120)의 내측으로 저온의 냉각 유체가 유동되는 제1 유로를 형성할 수 있다.The first flow passage 131 may be provided inside the base plate 120 and may form a first passage through which a low-temperature cooling fluid flows into the base plate 120 .

상기 제1 유로 관로(131)는 제1 메인 브랜치(131a)와 제1 서브 브랜치(131b)를 포함할 수 있다.The first flow passage 131 may include a first main branch 131a and a first sub branch 131b.

상기 제1 메인 브랜치(131a)는 상기 베이스 플레이트(120)의 일측면의 내측으로 길이 방향으로 구비될 수 있다. 상기 제1 메인 브랜치(131a)의 일단은 저온의 상기 냉각 유체가 유입되도록 오픈된 구조를 가질 수 있고, 상기 제1 메인 브랜치(131a)의 타단은 상기 베이스 플레이트(120)의 단부에 위치되되 상기 냉각 유체의 유동을 제한하도록 막힌 구조를 가질 수 있다.The first main branch 131a may be provided in the longitudinal direction to the inside of one side surface of the base plate 120 . One end of the first main branch 131a may have an open structure so that the low-temperature cooling fluid flows in, and the other end of the first main branch 131a is positioned at an end of the base plate 120 and the It may have a closed structure to restrict the flow of the cooling fluid.

상기 제1 서브 브랜치(131b)는 상기 제1 메인 브랜치(131a)의 일단에서 타단까지 복수개가 구비되되, 상기 제1 메인 브랜치(131a)에서 상기 베이스 플레이트(120)의 타측면 방향으로 길이 방향의 수직한 방향으로 돌출되도록 구비될 수 있다.A plurality of first sub-branches 131b are provided from one end to the other end of the first main branch 131a, and the length direction extends from the first main branch 131a to the other side of the base plate 120. It may be provided so as to protrude in a vertical direction.

상기 제1 서브 브랜치(131b)는 상기 제1 메인 브랜치(131a)에서 유동되는 저온의 상기 냉각 유체를 전달받아 상기 제1 서브 브랜치(131b)의 단부까지 유동될 수 있고, 상기 제1 서브 브랜치(131b)의 상부에 놓이는 후술하는 금속 폼부재(140) 측으로 상기 냉각 유체가 유입되도록 구비될 수 있다.The first sub-branch 131b may receive the low-temperature cooling fluid flowing in the first main branch 131a and flow to the end of the first sub-branch 131b, and the first sub-branch ( 131b) may be provided so that the cooling fluid is introduced into a side of a metal foam member 140 to be described below, which is placed on top of 131b).

상기 제2 유로 관로(132)는 상기 제1 유로 관로(131)와 이웃하게 배치되며, 상기 제1 유로 관로(131)와 대칭되는 형상으로 형성될 수 있고, 상기 베이스 플레이트(120)의 내측으로 고온의 냉각 유체가 유동되는 제2 유로를 형성할 수 있다.The second flow conduit 132 is disposed adjacent to the first flow conduit 131, may be formed in a shape symmetrical to the first flow conduit 131, and extends to the inside of the base plate 120. A second passage through which a high-temperature cooling fluid flows may be formed.

상기 제2 유로 관로(132)는 제2 메인 브랜치(132a)와 제2 서브 브랜치(132b)를 포함할 수 있다.The second flow passage 132 may include a second main branch 132a and a second sub branch 132b.

상기 제2 메인 브랜치(132a)는 상기 베이스 플레이트(120)의 타측면의 내측으로 길이 방향으로 구비될 수 있다. 상기 제2 메인 브랜치(132a)의 일단은 고온의 상기 냉각 유체가 유출되도록 오픈된 구조를 가질 수 있고, 상기 제2 메인 브랜치(132a)의 타단은 상기 베이스 플레이트(120)의 단부에 위치되되, 상기 냉각 유체의 유동을 제한하도록 막힌 구조를 가질 수 있다.The second main branch 132a may be provided in the longitudinal direction toward the inside of the other side surface of the base plate 120 . One end of the second main branch 132a may have an open structure so that the high-temperature cooling fluid flows out, and the other end of the second main branch 132a is located at an end of the base plate 120, It may have a blocked structure to limit the flow of the cooling fluid.

상기 제2 서브 브랜치(132b)는 상기 제2 메인 브랜치(132a)의 일단에서 타단까지 복수개가 구비되되, 상기 제2 메인 브랜치(132a)에서 상기 베이스 플레이트(120)의 일측면 방향으로 길이 방향으로 수직한 방향으로 돌출되도록 구비될 수 있다.A plurality of second sub-branches 132b are provided from one end to the other end of the second main branch 132a, and in the longitudinal direction from the second main branch 132a to one side of the base plate 120. It may be provided so as to protrude in a vertical direction.

상기 제2 서브 브랜치(132b)는 후술하는 상기 금속 폼부재(140)에서 열교환에 의해 고온이 된 상기 냉각 유체를 전달받아 상기 제2 메인 브랜치(132a) 측으로 유입되도록 유동되도록 구비될 수 있다.The second sub-branch 132b may be provided to receive the cooling fluid, which has become high in temperature by heat exchange in the metal foam member 140 to be described later, and flow it into the second main branch 132a.

상기 제1 메인 브랜치(131a)와 상기 제2 메인 브랜치(132a)는 서로 대향하여 상기 베이스 플레이트(120)의 일측면과 타측면의 내측으로 각각 구비될 수 있다. 또한, 상기 제1 서브 브랜치(131b)와 상기 제2 서브 브랜치(132b)는 서로가 서로에게 이웃하여 인접하게 위치될 수 있다. 구체적으로 상기 제1 서브 브랜치(131b)와 상기 제2 서브 브랜치(132b)는 상기 안착부(121)에 위치하게 되며, 상기 슬롯부(121b)를 중심으로 상기 노출홈(121c)에 위치되도록 구비될 수 있다. 이에 따라 슬롯부(121b)에 의해 형성된 복수개의 노출홈(121c)에는 상기 제1 서브 브랜치(131b)와, 상기 제2 서브 브랜치(132b)가 놓이고, 상기 제1 서브 브랜치(131b)와 상기 제2 서브 브랜치(132b) 및 상기 슬롯부(121b)는 서로가 서로에게서 교차 위치되도록 구비될 수 있다. 즉, 제1 서브 브랜치(131b), 상기 슬롯부(121b), 상기 제2 서브 브랜치(132b)의 순서대로 배치될 수 있다.The first main branch 131a and the second main branch 132a may face each other and be provided inside one side and the other side of the base plate 120 , respectively. In addition, the first sub-branch 131b and the second sub-branch 132b may be located adjacent to each other. Specifically, the first sub-branch 131b and the second sub-branch 132b are located in the seating part 121 and provided to be located in the exposure groove 121c with the slot part 121b as a center. It can be. Accordingly, the first sub-branch 131b and the second sub-branch 132b are placed in the plurality of exposed grooves 121c formed by the slot portion 121b, and the first sub-branch 131b and the second sub-branch 131b are placed. The second sub-branch 132b and the slot portion 121b may be positioned to cross each other. That is, the first sub-branch 131b, the slot portion 121b, and the second sub-branch 132b may be arranged in this order.

도 1, 도 4와 더불어 도 5를 함께 참조하면, 상기 금속 폼부재(140)는 상기 베이스 플레이트(120)와 상기 기판부(110) 사이에 배치될 수 있고, 구체적으로 상술한 상기 베이스 플레이트(120)의 상기 안착홈(121a)에 실장될 수 있다. 상기 금속 폼부재(140)가 상기 안착홈(121a)에 놓이면, 상기 금속 폼부재(140)의 하면은 상기 제1 서브 브랜치(131b), 상기 제2 서브 브랜치(132b) 및 상기 슬롯부(121b)와 접촉될 수 있다. 상기 금속 폼부재(140)는 내측으로 다공부(141)를 형성할 수 있다. 상기 금속 폼부재(140)의 내측 다공부(141)는 상기 제1 서브 브랜치(131b)를 통해 유출된 저온의 상기 냉각 유체를 전달받을 수 있으며, 상기 금속 폼부재(140)의 다공부(141)에서 상기 기판부(110), 구체적으로 고전력 발열 모듈(111)의 열을 전달받아 열교환이 발생될 수 있다. 또한, 상기 금속 폼부재(140)의 상기 다공부(141)에서 열교환을 통해 고온이 된 상기 냉각 유체는 상기 제2 서브 브랜치(132b)로 유입될 수 있다.Referring to FIG. 5 together with FIGS. 1 and 4, the metal foam member 140 may be disposed between the base plate 120 and the substrate portion 110, and specifically, the above-described base plate ( 120) may be mounted in the seating groove 121a. When the metal foam member 140 is placed in the seating groove 121a, the lower surface of the metal form member 140 includes the first sub-branch 131b, the second sub-branch 132b, and the slot portion 121b. ) can come into contact with The metal foam member 140 may form a porous part 141 to the inside. The inner porous portion 141 of the metal foam member 140 may receive the low-temperature cooling fluid flowing out through the first sub-branch 131b, and the porous portion 141 of the metal foam member 140 In ), heat exchange may occur by receiving heat from the substrate 110, specifically, the high power heating module 111. In addition, the cooling fluid, which has become high in temperature through heat exchange in the porous part 141 of the metal foam member 140, may flow into the second sub branch 132b.

상기 금속 폼부재(140)는 상기 다공부(141)를 포함하는 구리를 포함하는 메탈 재질로 이루어질 수 있다.The metal foam member 140 may be made of a metal material including copper including the porous part 141 .

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)에 따른 반도체 부품의 열교환에 따른 온도 분포를 종래와 비교 도시한 개략적인 도면이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)에서, 냉각 유체의 유량에 따른 온도와 압력 강하 분포를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)에서, 고전력 발열 모듈(111)의 1kW당 요구되는 압력 강하 대비 열저항을 비교도시한 도면이다.6 is a schematic diagram showing a temperature distribution according to heat exchange of a semiconductor component according to a cooling device 100 according to an embodiment of the present invention compared with a conventional one. 7 is a diagram schematically showing temperature and pressure drop distribution according to the flow rate of cooling fluid in the cooling device 100 according to an embodiment of the present invention. 8 is a diagram showing a comparison of thermal resistance versus pressure drop required per 1 kW of the high-power heating module 111 in the cooling device 100 according to an embodiment of the present invention.

도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)를 구비한 경우 열교환에 따른 냉각 상태, 냉각 유체의 유량에 따른 압력 강하 분포 및 IGBT 소자(111a)의 발열량 대비 압력 강하에 따른 열 저항 등을 확인할 수 있다.6 to 8, when the cooling device 100 according to an embodiment of the present invention is provided, the cooling state according to heat exchange, the pressure drop distribution according to the flow rate of the cooling fluid, and the pressure versus the calorific value of the IGBT element 111a The thermal resistance according to the drop can be confirmed.

구체적으로 도 6의 (a)는 종래 금속 폼부재(140)가 없는 상태의 열교환에 따른 기판부(110), 구체적으로 고전력 발열 모듈(111)의 온도 분포이며, 도 6의 (b)는 본원 발명에서와 같이 금속 폼부재(140)가 구비된 상태의 열교환에 따른 기판부(110), 구체적으로 고전력 발열 모듈(111)의 온도 분포이다.Specifically, FIG. 6 (a) is a temperature distribution of the substrate unit 110, specifically, the high power heating module 111 according to heat exchange in the absence of the conventional metal foam member 140, and FIG. 6 (b) is the present application. As in the present invention, the temperature distribution of the substrate 110, specifically, the high-power heating module 111 according to heat exchange in a state in which the metal foam member 140 is provided.

도 6의 (a)를 보면, 냉각 장치(100)에 금속 폼부재(140)가 구비되지 않는 경우, 저온의 상기 냉각 유체가 유입되는 부분에서 가장 먼 위치의 고전력 발열 모듈(111)은 가장 높은 온도인 150도가 도출되고 있으며, 상기 기판부(110)에 구비된 고전력 발열 모듈(111)의 모두가 125도 이상의 온도 분포를 보이고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 기판부(110)에 구비된 상기 고전력 발열 모듈(111)의 온도 편차가 8.8도로서, 매우 불균일한 냉각 성능을 보이는 것을 알 수 있다.Referring to (a) of FIG. 6 , when the metal foam member 140 is not provided in the cooling device 100, the high-power heating module 111 located farthest from the part where the low-temperature cooling fluid flows in has the highest It can be seen that the temperature of 150 degrees is derived, and all of the high-power heating modules 111 provided in the substrate part 110 show a temperature distribution of 125 degrees or more. In addition, it can be seen that the temperature deviation of the high power heating module 111 provided on the substrate part 110 is 8.8 degrees, showing very non-uniform cooling performance.

이에 대비하여 도 6의 (b)를 보면, 상기 기판부(110)에 구비된 상기 고전력 발열 모듈(111), 구체적으로 IGBT 소자(111a)와 다이오드 칩(111b)의 온도가 120도 이하로 분포되고 있음을 알 수 있다. 상기 고전력 발열 모듈(111)간의 온도 편차가 3.5도로서 균일한 냉각 성능을 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있다.In contrast, in (b) of FIG. 6 , the temperature of the high-power heating module 111 provided on the substrate 110, specifically, the IGBT element 111a and the diode chip 111b is distributed at 120 degrees or less. it can be seen that it is It can be seen that the temperature deviation between the high power heating modules 111 is 3.5 degrees, and uniform cooling performance can be secured.

또한, 도 6(a)와 도 6(b)에서 상기 제1 메인 브랜치(131a)로 동일한 냉각 유체의 유량을 사용하였을 때, 도 6(b)에서는 0.5kpa 수준의 작은 추가 압력 강하로도 추가된 냉각 성능과 균일도를 확보할 수 있는 것을 알 수 있다. 이는 금속 폼부재(140)의 다공성부의 높은 기공률에서의 작은 압력 손실과 부피 대비 유효 열 교환 면적이 약 40배 이상 상승됨에 따라 가능하게 되었음을 알 수 있다.In addition, when the same flow rate of the cooling fluid is used as the first main branch 131a in FIGS. 6 (a) and 6 (b), in FIG. 6 (b), an additional pressure drop of 0.5 kpa is added. It can be seen that the cooling performance and uniformity can be secured. It can be seen that this was made possible due to the small pressure loss and effective heat exchange area compared to the volume at a high porosity of the porous portion of the metal foam member 140, which increased by about 40 times or more.

도 7을 참조하면, 상기 냉각 장치(100)에서 상기 제1 유로 관로(131)로 유입되는 저온의 상기 냉각 유체의 유량을 변화시켜주면서 이에 따라 요구되는 압력 강화와 상기 고전력 발열 모듈(111)의 온도를 측정하였다. 상기 기판부(110)에 배치된 총 6개의 IGBT 소자(111a)와 다이오드 칩(111b)의 온도 평균값과 표준편차 값은 그래프의 상측부에 붉은 색의 심볼 형태로 각각 표시하였고, 압력 강하는 붉은 색 심볼 형태의 하부로 푸른색 심볼 형태로 표시하였다. 상기 제1 유로 관로(131)에서 저온의 상기 냉각 유체의 유량이 증가함에 따라 IGBT 소자(111a) 및 다이오드 칩(111b)의 온도는 감소하나, 요구되는 압력 강하의 값은 증가하는 것을 알 수 있다. 1L/min에서 IGBT 소자(111a)의 평균 온도가 125도를 소정 초과하며 표준편차 또한 6도 정도가 넘는 것처럼 보여 비교적 낮은 냉각 성능을 보인다. 다만, 5L/min 까지는 유량 증가에 따른 냉각 성능이 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있고, 5L/min 에서는 약 2.5kpa에서 고전력 발열 모듈(111), 구체적으로 IGBT 소자(111a) 및 다이오드 칩(111b)의 평균온도가 각각 110도 및 97도로 유지되며 표준 편차 또한 1.5도 정도로 도출되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7 , while changing the flow rate of the low-temperature cooling fluid flowing from the cooling device 100 to the first flow passage 131, the required pressure increase and the high-power heating module 111 The temperature was measured. The temperature mean value and standard deviation value of a total of 6 IGBT elements 111a and diode chip 111b disposed on the substrate part 110 are respectively indicated in the form of red symbols on the upper part of the graph, and the pressure drop is indicated in red color. It is displayed in the form of a blue symbol at the bottom of the color symbol form. As the flow rate of the low-temperature cooling fluid increases in the first flow conduit 131, it can be seen that the temperature of the IGBT element 111a and the diode chip 111b decreases, but the value of the required pressure drop increases. . At 1 L/min, the average temperature of the IGBT element 111a exceeds a predetermined value of 125 degrees and the standard deviation also appears to exceed about 6 degrees, indicating relatively low cooling performance. However, it can be confirmed that the cooling performance increases rapidly with the increase in flow rate up to 5 L/min, and at about 2.5 kpa at 5 L/min, the high-power heating module 111, specifically, the IGBT element 111 a and the diode chip 111 b It can be seen that the average temperature is maintained at 110 degrees and 97 degrees, respectively, and the standard deviation is also derived at about 1.5 degrees.

도 8을 참조하면 종래의 기판부(110)를 냉각하는 냉각 장치(100)의 성능을 비교할 수 있다. 이를 위해 고전력 발열 모듈(111)의 발열량 1kW당 요구되는 압력 강하 대비 IGBT 소자(111a)로부터 냉각 유체의 온도로 계산된 열저항을 사용하여 성능을 비교하였다.Referring to FIG. 8 , performance of the conventional cooling device 100 for cooling the substrate 110 may be compared. To this end, the performance was compared using the thermal resistance calculated by the temperature of the cooling fluid from the IGBT element 111a versus the pressure drop required per 1 kW of heat generation of the high power heating module 111.

상기의 비교 결과, 간접 냉각(indirect cooling)식 냉각 장치(100)나, 제트 쿨링(jet cooling)식 냉각 장치(100) 등은 긴 유로 또는 마이크로 스케일의 노즐 지름에서 발생하는 극심한 압력 강하로 인해 발열량 대비 압력 강하 100kPa 이상 요구된 것을 확인할 수 있고, 열저항 또한 0.4K/W 이상의 수준으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.As a result of the above comparison, the indirect cooling type cooling device 100 or the jet cooling type cooling device 100 has a calorific value due to an extreme pressure drop occurring in a long flow path or a micro-scale nozzle diameter. It can be confirmed that a contrast pressure drop of 100 kPa or more is required, and the thermal resistance also appears at a level of 0.4 K/W or more.

또한, 터뷸레이터(Turbulator) 기반의 냉각 장치(100)의 경우, 30kPa/kW 미만으로도 냉각 성능을 확보하는 것을 알 수 있다. 그러나, 터뷸레이터 기반의 냉각 장치(100)의 경우 압력 강하 감소에 따른 냉각 성능 감소가 뚜렷하게 나타나는 것을 알 수 있다.In addition, in the case of the turbulator-based cooling device 100, it can be seen that the cooling performance is secured with less than 30 kPa/kW. However, in the case of the turbulator-based cooling device 100, it can be seen that the cooling performance decreases due to the decrease in pressure drop.

또한, 마이크로채널 냉각 장치(100)의 경우, 0.2K/W 미만 수준의 열저항을 확보할 수 있는 것을 알 수 있다. 다만, 마이크로채널 냉각 장치(100)의 경우, 열저항 0.14K/W 수준을 달성하기 위해 발열량 대비 압력 강하는 2800 kPa/kW까지 상승하는 경향성이 나타나는 것을 알 수 있다.In addition, in the case of the microchannel cooling device 100, it can be seen that thermal resistance of less than 0.2K/W can be secured. However, in the case of the microchannel cooling device 100, it can be seen that the pressure drop versus calorific value tends to rise to 2800 kPa/kW in order to achieve a thermal resistance of 0.14K/W.

이하에서는 상기의 냉각 장치(100)가 실장된 기판부(110)가 복수개 적층된 구조를 개략적으로 설명할 수 있다.Hereinafter, a structure in which a plurality of substrate parts 110 on which the cooling device 100 is mounted can be briefly described.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100, 100a 내지 100d)에서, 냉각 장치(100)를 구비한 기판부(110)가 복수개 적층되는 상태를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)에서, 냉각 장치(100)를 구비한 기판부(110)가 복수개 적층된 상태에서 열교환에 따른 온도 분포를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)에서, 냉각 장치(100)를 구비한 기판부(110)의 적층 수가 증가함에 따른 온도 분포 및 IGBT 소자의 발열량 대비 펌핑 전력 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.9 is a diagram schematically illustrating a state in which a plurality of substrate portions 110 having the cooling device 100 are stacked in the cooling devices 100 and 100a to 100d according to an embodiment of the present invention. FIG. 10 is a diagram schematically illustrating a temperature distribution according to heat exchange in a state in which a plurality of substrate parts 110 equipped with the cooling device 100 are stacked in the cooling device 100 according to an embodiment of the present invention. 11 is a schematic diagram of a temperature distribution and a state of pumping power versus calorific value of an IGBT element according to an increase in the number of layers of the substrate 110 having the cooling device 100 in the cooling device 100 according to an embodiment of the present invention. It is a drawing shown as

먼저, 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100a 내지 100d)를 구비한 상기 기판부(110)는 복수개 구비되어 서로가 서로에게 이격되어 적층 구비될 수 있다. 이는 상술한 도 1 내지 도 4의 도면을 참조할 수 있다.First, referring to FIG. 9 , a plurality of substrate parts 110 having cooling devices 100a to 100d according to an embodiment of the present invention may be provided and stacked so as to be spaced apart from each other. This may refer to the drawings of FIGS. 1 to 4 described above.

본 발명의 일 실시예에서는 6개의 고전력 발열 모듈(111)을 구비한 기판부(110)를 실장한 냉각 장치(100a 내지 100d)를 4개 적층시키는 구조를 예를 들어 설명할 수 있다. 그러나, 상기 고전력 발열 모듈(111)의 개수나 적층된 개수는 이에 한정되는 것은 아니며 냉각 장치(100a 내지 100d)를 구비한 기판부(110)가 실장되는 전자 기기에 따라 얼마든지 변경이나 변형이 가능할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a structure in which four cooling devices 100a to 100d mounted on a substrate 110 having six high-power heating modules 111 may be stacked may be described as an example. However, the number or stacked number of the high-power heating modules 111 is not limited thereto, and may be changed or modified according to the electronic device on which the substrate 110 having the cooling devices 100a to 100d is mounted. can

상기 냉각 장치(100a 내지 100d)를 구비한 기판부(110)가 복수개 적층되는 경우, 상기 냉각 장치(100a 내지 100d)를 구비한 상기 기판부(110)의 일측에는 각각의 상기 냉각 장치(100a 내지 100d)의 상기 제1 유로 관로(131)와 상기 제2 유로 관로(132)를 연결하여 각각의 상기 냉각 장치(100a 내지 100d)의 상기 관로부(130)에서 유동되는 저온의 상기 냉각 유체 및 고온의 상기 냉각 유체를 유동하기 위한 메인 관로부(200)를 구비할 수 있다.When a plurality of substrate portions 110 having cooling devices 100a to 100d are stacked, one side of the substrate portion 110 having cooling devices 100a to 100d is provided with each of the cooling devices 100a to 100d. The low-temperature cooling fluid and the high-temperature cooling fluid flowing in the conduit part 130 of each of the cooling devices 100a to 100d by connecting the first flow conduit 131 and the second flow conduit 132 of 100d) It may be provided with a main conduit part 200 for flowing the cooling fluid of.

상기 메인 관로부(200)는 상기 제1 유로 관로(131)와 연결되는 제1 메인 관로부(210)와, 상기 제2 유로 관로(132)와 연결되는 제2 메인 관로부(220)를 포함할 수 있다.The main conduit part 200 includes a first main conduit part 210 connected to the first flow conduit 131 and a second main conduit part 220 connected to the second flow conduit 132. can do.

상기 제1 메인 관로부(210)의 일단은 오픈되고, 타일단은 막히도록 구비되어, 상기 제1 메인 관로부(210)를 유동하는 저온의 상기 냉각 유체가 각각의 냉각 장치(100a 내지 100d)의 제1 유로 관로(131)로 유입되도록 구비될 수 있다.One end of the first main conduit part 210 is open and the tile end is closed, so that the low-temperature cooling fluid flowing through the first main conduit part 210 flows through each of the cooling devices 100a to 100d. It may be provided to be introduced into the first flow passage 131 of the.

또한, 상기 제2 메인 관로부(220)의 일단은 막히도록 구비되고, 타일단은 오픈되도록 구비될 수 있다. 이에 따라 상기 각각의 냉각 장치(100)의 제2 유로 관로(132)로 유동된 고온의 상기 냉각 유체가 상기 제2 메인 관로부(220)로 유입되어 유동될 수 있다.In addition, one end of the second main conduit part 220 may be provided to be blocked, and a tile end may be provided to be open. Accordingly, the high-temperature cooling fluid flowing through the second flow channel 132 of each of the cooling devices 100 may flow into the second main channel portion 220 .

이하에서는 도 10 및 11을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 장치(100)를 구비한 기판부(110, 도 1 내지 도 4를 함께 참조)가 복수개 구비되는 경우 열교환에 따른 냉각 상태, IGBT 소자(111a)와 다이오드 칩(111b)의 온도 및 IGBT 소자(111a)의 발열량 증가에 따른 펌핑 전력 증가 상태 등을 확인할 수 있다.Hereinafter, referring to FIGS. 10 and 11, when a plurality of substrate units 110 (see also FIGS. 1 to 4) having a cooling device 100 according to an embodiment of the present invention are provided, a cooling state according to heat exchange, The temperature of the IGBT element 111a and the diode chip 111b and the increase in pumping power according to the increase in heat generation of the IGBT element 111a can be checked.

도 10과 같이 본 발명의 일시예에 따른 냉각 장치(100)를 구비한 기판부(110)를 4개 적층시켜 확장하였을 때, 1개씩 모듈(110a 내지 110b)의 개수를 늘려감 확인하였을 때, IGBT 소자(111a)와 다이오드 칩(111b)의 총 평균 온도를 각각 110도 및 96도로 유지하기 위해 요구되는 IGBT 소자(111a)의 발열량 대비 펌핑 전력은 4.2·10^-4 수준으로 도출되는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 10, when it is confirmed that the number of modules 110a to 110b is increased one by one when four substrate parts 110 having cooling devices 100 according to an exemplary embodiment of the present invention are stacked and expanded, It can be seen that the pumping power versus the calorific value of the IGBT element 111a required to maintain the total average temperature of the IGBT element 111a and the diode chip 111b at 110 degrees and 96 degrees, respectively, is 4.2·10 ^-4 . there is.

상술한 바와 같이, 냉각 장치(100)를 구비한 기판부(110)의 개수를 한 개부터 4개까지 차례로 증가시켰을 때, 두개의 적층 시, 상기 메인 관로부(200)의 추가로 인해 약 200% 포인트 증가된 IGBT 발열량 대비 펌핑 전력이 요구되는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 두개의 적층에서 세개, 네개로 적층 개수를 늘릴 경우, IGBT 소자(111a) 발열량 대비 펌핑 전력이 비교적 안정적으로 유지되는 것을 것을 확인할 수 있다. 따라서, 냉각 장치(100a 내지 100d)를 구비한 기판부(110)의 개수를 확장하여도 추가되는 IGBT 소자(111a)의 발열량 대비 펌핑 전력이 급증하지 않는 것을 확인할 수 있다.As described above, when the number of substrate parts 110 equipped with the cooling device 100 is sequentially increased from one to four, when two are stacked, about 200 due to the addition of the main conduit part 200. It can be seen that the pumping power is required compared to the IGBT heating value increased by a percentage point. However, it can be seen that when the number of stacks is increased from two stacks to three or four stacks, the pumping power relative to the calorific value of the IGBT element 111a is maintained relatively stably. Accordingly, it can be confirmed that the pumping power compared to the heating value of the added IGBT elements 111a does not increase rapidly even when the number of the substrate parts 110 having the cooling devices 100a to 100d is increased.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.In the above detailed description of the present invention, specific embodiments have been described, but it will be apparent to those skilled in the art that various modifications are possible without departing from the scope of the present invention.

100: 기판부를 구비한 냉각 장치 110: 기판부
111: 고전력 발열 모듈 111a: IGBT 소자
111b: 다이오드 칩 120: 베이스 플레이트
121: 안착부 121a: 안착홈
121b: 슬롯부 121c: 노출홈
130: 관로부 131: 제1 유로 관로
131a: 제1 메인 브랜치 131b: 제1 서브 브랜치
132: 제2 유로 관로 132a: 제2 메인 브랜치
132b: 제2 서브 브랜치 140: 금속 폼부재
141: 다공부 200: 메인 관로부
210: 제1 메인 관로부 220: 제2 메인 관로부100: cooling device having a substrate unit 110: substrate unit
111: high power heating module 111a: IGBT element
111b: diode chip 120: base plate
121: seating portion 121a: seating groove
121b: slot portion 121c: exposed groove
130: pipeline unit 131: first flow channel
131a: first main branch 131b: first sub branch
132: second flow path 132a: second main branch
132b: second sub branch 140: metal foam member
141: porous part 200: main pipe part
210: first main pipe part 220: second main pipe part

Claims

A cooling device for cooling a substrate having at least one high-power heating module,
base plate;
A first flow path forming a first flow path through which a low-temperature cooling fluid flows into the base plate, and a second flow path disposed adjacent to the first flow path and forming a second flow path through which a high-temperature cooling fluid flows. Conduit unit including a flow passage; and
It is disposed between the base plate and the substrate and forms a perforated part to the inside, receives the low-temperature cooling fluid through the first flow passage to cool the substrate, and transfers the heat of the substrate to the high-temperature cooling fluid. Including a metal foam member flowing into the second flow passage,
Due to the porosity of the porous part of the metal foam member, the pressure loss versus the calorific value of the substrate is low and the effective heat exchange area versus volume is increased, so that uniform cooling is realized with a small additional pressure drop of a predetermined level compared to the calorific value of the substrate, cooling device.

According to claim 1,
The first flow passage,
a first main branch provided in a longitudinal direction on one side of the base plate; and
A plurality of first sub-branches protruding in a vertical direction in a longitudinal direction from the first main branch toward the other side surface of the base plate,
The second flow passage,
a second main branch provided in a longitudinal direction provided on the other side of the base plate; and
Including a plurality of second sub-branches protruding in a vertical direction in a longitudinal direction from the second main branch to one side of the base plate,
The first sub-branch and the second sub-branch are positioned adjacent to each other.

According to claim 2,
The cooling device is provided with a seating portion on one surface of the base plate, on which the metal foam member is seated, and the first sub-branch and the second sub-branch are exposed.

According to claim 3,
In the seating part, a seating groove in which the metal foam member is seated and an exposure groove in which the first sub-branch and the second sub-branch are exposed are formed between a plurality of slots connected to one side of the base plate and the tile side. cooling device.

According to claim 1,
The metal foam member is a cooling device made of a metal material containing porous copper.

According to claim 1,
The substrate having the cooling device is provided in plurality and is spaced apart from each other and stacked,
At one side of the substrate having the cooling device, the first flow channel and the second flow channel of each of the cooling devices are connected to each other, and the low-temperature cooling fluid and the high-temperature cooling fluid flowing in the channel portion of each of the cooling devices are connected. A cooling device having a main conduit for flowing the cooling fluid of.