KR20010005801A - 전자 열원을 냉각시키는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 태양에 따르면, 본 발명의 목적은 내부에 채널(28, 38)을 갖는 캐리어 판(19)을 포함하는 열원(10) 냉각 장치에 의해 달성된다. 채널은 유입 단부(30)와 유출 단부(31)를 갖는다. 냉각 구역(46)은 캐리어 판 내에 배치되고 채널과 연통한다. 냉각 구역은 열원에 인접하게 배치되는 크기로 되어 있다. 내부에 오리피스(42)를 갖는 부재(40)가 냉각 구역 내에 배치된다. 부재의 두께와 오리피스의 폭 사이의 비율은 0.9 미만이다.

Description

전자 열원을 냉각시키는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COOLING AN ELECTRONIC HEAT SOURCE}

일반적으로 회로 기판과 같은 표면에 장착되는 집적 회로, 멀티칩 모듈, 수동 소자 및 전력 트랜지스터와 같은 전자 소자들은 정상 작동 중에 뿐만 아니라 시험 및 조정 중에도 냉각을 필요로 하는 열원이다.

통상적으로, 전자 소자는, 소자들을 통해 또는 소자에 부착된 커다란 열 흡수 장치(heat sink)를 통해 대량의 공기를 이동시키는 것과 관련한 자연적인 또는 강제적인 공기 대류에 의해 냉각되었다. 그러나, 전자 장치의 진보는 통상의 자연적인 또는 강제적인 대류성 공기의 냉각 능력을 벗어나는 전력 밀도를 갖는 전자 장치를 낳았다.

증발성 분사 냉각, 저온 판 및 제트 충돌 냉각은, 전자 소자에 의해 발생되는 열을 소산시키기 위해 공기가 아닌 액체 냉각제를 이용하는 열 관리 기술의 예이다.

증발성 분사 냉각, 또는 2상 냉각(two-phase cooling)은 전자 소자와 같은 열원의 표면에 직접 또는 간접적으로 미세화된 유체 액적을 분무하는 것을 특징으로 한다. 유체 액적이 소자의 표면 상에 충돌하면, 액체의 얇은 막이 소자를 덮고, 열은 주로 소자 표면으로부터 유체가 증발함으로써 제거된다.

증발성 분사 냉각이 많은 전자 장비에 이용되는 열 제거 방법이지만, 이 냉각 기술은 고가의 유전성 액체의 사용을 필요로 한다. 유체가 통상적으로 전자 소자의 표면에 직접 분사되기 때문에, 유체는 전자 소자로부터 플럭스 잔여물과 같은 입자 물질을 포획할 수 있는데, 이 물질이 분사 노즐을 막아서 유체의 효과적인 분사를 방해할 수 있다. 또한, 분사 냉각 시스템의 작동 전에 과도한 밀봉(extensive sealing)이 요구될 수 있어, 전자 소자의 검사 및 조정 공정 중에는 냉각 시스템의 작동이 실행될 수 없게 된다.

일반적으로 내부 통로를 통해 물이나 다른 유체가 유동하는 저온 판은, 본래 열 흡수 장치가 장착되었던 지점에서 공기 냉각식 열 흡수 장치를 바로 대체한다. 이러한 기술은 모듈의 표면 상에 위치된 개별 전자 소자와 같은 주 열원이 아닌 전자 모듈의 전체 표면을 냉각시킨다. 또한, 저온 판 내의 복잡한 유동 통로는 열 전달 특성을 정확히 예측하기 어렵게 한다. 더욱이, 열은 통상적으로 저온 판 내의 유체에 도달하기 전에 몇 개의 계면을 통과해야 하기 때문에, 저온 판의 열 전달 성능은 분사 냉각을 이용하여 달성되는 것보다 상당히 좋지 못하다. 결과적으로, 저온 판 기술을 성공적으로 적용하기 위해서는 빠른 유속(최대 분당 수 갤런)이 요구된다.

그러므로, 무엇보다도 열원이 냉각 유체와 접촉할 필요가 없고 상 변화 작업을 필요로 하지 않으며 전자 소자의 열 발생 부분만을 냉각시키고 저 유속을 특징으로 하며 전자 소자가 검사 및 조정 공정 중에 냉각될 수 있는, 전자 소자 등의 열원 냉각 장치 및 방법이 요구된다.

본 발명은 일반적으로 열원 냉각에 관한 것으로, 특히 전자 열원을 냉각시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.

도1은 통상의 전자 소자의 사시도.

도2는 소자를 기판에 장착시키는 통상의 방법을 도시한, 도1에 도시된 전자 소자의 선 2-2를 따른 단면도.

도3은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전자 소자 냉각 장치를 분해하여 도시한, 도2에 도시된 바와 같이 장착된 전자 소자의 분해 사시도.

도4는 도3에 도시된 장치가 완전 조립된 상태의 측면도.

도5는 본 발명의 양호한 실시예에 따라 폐쇄형 루프 유체 유동을 갖는 냉각 시스템과 함께 도4에 도시된 장치의 작동을 도시한 도면.

도6은 도5에 도시된 냉각 시스템의 작동 중에 발생하는 유동 축소 현상(vena contracta phenomenon)을 도시한 도면.

본 발명의 일 태양에 따르면, 전술한 요구는, 내부에 채널이 있는 캐리어 판(carrier plate)을 포함하는 열원 냉각 장치에 의해 달성된다. 채널은 유입 단부와 유출 단부를 갖는다. 냉각 구역은 캐리어 판 내에 배치되고 채널과 연통한다. 냉각 구역은 열원에 근접하게 배치될 수 있는 크기로 되어 있다. 내부에 오리피스를 갖는 부재가 냉각 구역 내에 배치된다. 오리피스의 폭과 부재의 두께 사이의 비율은 0.9 미만이다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 기판에 장착된 전자 소자를 냉각시키는 장치가 개시된다. 기판은 제1 측면과 제2 측면을 가지며 전자 소자는 기판의 제1 측면에 장착된다. 장치는 제2 측면에 결합되는 캐리어 판을 포함한다. 캐리어 판은 제1 유체 분배 채널과 제2 유체 분배 채널을 내부에 갖는다. 제1 유체 분배 채널은 유체 유입 포트와 연통하고 제2 유체 분배 채널은 유체 유출 포트와 연통한다. 제1 챔버를 형성하는 제1 유체 수용 영역은 캐리어 판 내에 배치되고 제1 유체 분배 채널과 연통한다. 제2 챔버를 형성하는 제2 유체 수용 영역은 캐리어 판 내에 배치되고 제2 유체 분배 채널과 연통한다. 제2 유체 수용 영역은 대체로 전자 소자와 정렬된다. 내부에 오리피스를 갖는 판은 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 배치된다. 판의 폭과 오리피스의 폭 사이의 비율은 0.9 미만이다. 제1 유체 분배 채널은 유체 유입 포트로부터 유체를 수용하여 유체를 제1 챔버에 전달한다. 오리피스는 유체를 가속시켜 유체를 제2 챔버로 기판의 제2 측면 쪽으로 배출한다. 제2 유체 분배 채널은 제2 챔버로부터 유체를 수용하여 유체를 유체 유출 포트에 공급한다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 열원 냉각 방법은, 유입 단부 및 유출 단부를 갖는 채널을 내부에 갖는 캐리어 판을 마련하는 단계와, 캐리어 판 내에 채널과 연통하게 배치되는 냉각 구역을 열원에 근접하게 배치하는 단계와, 오리피스를 내부에 갖는 판-판의 두께와 오리피스의 폭 사이의 비율이 0.9 미만이고 판이 냉각 구역 내에 제1 챔버와 제2 챔버를 형성함-을 냉각 구역 내에 배치하는 단계와, 제1 챔버로 유체를 분배하는 단계와, 오리피스에서 유체를 가속시켜 유체를 제2 챔버로 배출하는 단계와, 유체를 유출 단부에서 제2 챔버로부터 제거하는 단계를 포함한다.

당업자라면 본 발명의 장점은, 예로서 도시 및 설명된 본 발명의 양호한 실시예(들)에 대한 다음의 설명으로부터 쉽게 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 여러가지 실시예들로도 가능하며, 그 세부는 다양하게 변형될 수 있다. 따라서, 다음의 도면 및 설명은 설명을 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

동일한 참조 번호가 동일한 구성 요소들을 나타내고 있는 도면을 참조하면, 도1은 통상적인 전자 소자(10)의 사시도이다. 소자(10)는 복수개의 단자(14), 기부(17), 커버(16) 및 커버(16)에 의해 보호되는 하나 이상의 다이(도시되지 않음)를 포함한다.

전자 소자(10)는 예를 들어 모토로라로부터 주문 번호 제SRF701호로서 입수 가능한 플랜지가 없는 RF 전력 트랜지스터와 같은 NPN 실리콘 무선 주파수(RF) 전력 트랜지스터일 수 있다. 전자 소자(10)는 도1에 도시된 바와 같은 소자(10)뿐만 아니라 모토로라로부터 주문 번호 제MRF899호로서 입수 가능한 플랜지가 있는 RF 트랜지스터와 같은 상이한 구성의 전력 트랜지스터와, 수동 소자, 모든 종류의 집적 회로, 멀티칩 모듈 및 혼성 회로를 포함하지만 이에 국한되지 않는 완전히 다른 소자에도 적용될 수 있음을 알 수 있다.

도2는 도1에 도시된 전자 소자(10)의 선 2-2를 따른 단면도로서, 소자(10)를 기판(18)에 전기적으로 접속시키는 통상의 방법을 도시한다. 기판(18)은 유리 충전 에폭시, 테프론, 알루미나, 세라믹 또는 플라스틱으로 이루어진 하나 이상의 층을 포함한다.

소자(1)의 기부(17)는 기판(18)을 통해 적어도 부분적으로 연장된다. 단자(14)는 기판(18)에 또는 납땜이나 전도성 에폭시와 같은 다양한 방법을 통해 기판(18) 상에 위치된 장치(하나만 도시됨)에 부착될 수 있다. 기판(18)의 제2 층(21)은 캐리어 판(이하에 보다 상세히 논의됨)에 부착될 수 있다.

도3은 도2에 도시된 바와 같이 장착된 전자 소자의 사시도로서, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전자 소자 냉각 장치를 분해된 상태로 추가로 도시하고 있다. 본 발명의 양호한 실시예에 따라 기판(18)의 제2 측면(21)이 부착되는 캐리어 판(19)은 2개의 층(24, 26)을 포함한다.

층(24)은 유체 유입 포트(30), 유체 분배 채널(28), 유체 수용 영역(32) 및 유체 유출 포트(31)를 포함한다. 유체 수용 영역(32)은 양호하게는 대체로 전자 소자(10) 하부에 위치된다.

층(26)은 유체 수용 영역(36)과 유체 분배 채널(38)을 포함한다. 유체 수용 영역(36)은 양호하게는 전자 소자(10)의 대체로 하부에 위치되는 것이 바람직하다.

내부에 하나 이상의 오리피스(42)(도시되지 않음)를 갖는 판(40) 또는 부재는 층(24, 26)들 사이에 설치된다. 판(40)은 양호하게는 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSiC), 플라스틱 또는 스테인레스강이지만, 임의의 다른 적절한 재료일 수도 있다. 오리피스(42)는, 둥글거나 장방형 또는 다른 적절한 형상을 포함한 임의의 기하학적 형상일 수 있다. 양호하게는, 판(40)의 두께와 오리피스(42)의 폭(또는 직경)의 비율은 0.9 미만이며, 유체 수용 영역(32)을 대면하는 오리피스(42)의 모서리(43)는 둥글지 않고 예리하다.

층(24, 26)들은 또한 예를 들어 기판(18)을 층(26)에 부착시키고, 및/또는 전체 조립체를 그 장착면에 부착시키는 데 사용되는 복수개의 바이어(via)(34)를 포함한다. 층(24, 26)들은 양호하게는 브레이징(brazing)에 의해 영구적으로 고정될 수 있지만, 체결구, 유연한 가스켓, 초음파 용접, 브레이징, 납땜 또는 스웨이지 가공(swaging) 등과 같은 공지된 기술을 포함한 다양한 다른 방법을 이용하여 부착될 수 있고, 이들 방법에만 한정되지 않는다.

캐리어 판(19)은 예를 들어 구리, AlSiC, 플라스틱 또는 흑연으로 제조된다. 캐리어 판(19)이 2개의 층(24, 26)으로 도시되었으나, 캐리어 판(19)은 일편 구성으로도 가능하며, 오리피스(42)가 주지의 주조 기술을 이용하여 캐리어 판(19)과 동시에 성형될 수 있다.

도3에 도시된 장치의 조립 상태의 측면도인 도4에 도시된 바와 같이, 유체 수용 영역(32)과 판(40)은 판(40) 하부 구역 내에 챔버(44)를 형성하는 한편, 유체 수용 영역(36)과 판(40)은 판(40)의 상부 구역 내에 챔버(46)를 형성한다.

도5는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전자 소자(10)를 냉각시키는 폐쇄형 루프 시스템의 작동을 도시한다. 관(52)을 통해 유체 유입 포트(30)에 연결된 유체 펌프(50)는 물, 부동액, 유전성 냉각제와 같은 임의의 냉각제일 수 있는 냉각 유체(45)를 유체 분배 채널(28)에 공급한다. 관(52)은 예를 들어 바아브가 구비된 끼움연결구(barbed fitting)(도시되지 않음) 또는 임의의 다른 적절한 수단을 이용하여 유체 유입 포트(30)에 연결될 수 있다.

유체(45)는 챔버(44)를 통과하고, 유체를 가속시켜서 기판(18)의 제2 측면(21)과 충돌하게 하는 오리피스(42)를 통과한다. 이와는 다르게, 소자(10)가 기판(18)에 장착되는 방향에 따라, 유체는 전자 소자(10)의 하부 측면 상에 직접 또는 소자(10)의 상부 측면 상에 충돌할 수 있다. 예를 들어, 필요하다면, 통로(도시되지 않음)가 기판(18)의 제1 측면(20)으로부터 제2 측면(21)으로 기판(18)을 통해 연장될 수 있다. 통로는 원통형, 장방형 또는 다른 적절한 형상일 수 있다.

오리피스(42)는 양호하게는 유체의 충돌 지점이 소자(10)의 최대 발열 구역 또는 구역들과 대략 정렬되도록 구성된다. 유체(45)는 오리피스(42)로부터 기판(18)의 제2 측면(21)에 대하여 임의의 각도로, 양호하게는 제2 측면(21)에 대하여 수직 각도로 배출되어 소자(10)의 기부(17)와 충돌하거나, 기부(17)와 캐리어 판(19) 사이의 얇은 부재(도시되지 않음)와 충돌할 수 있다. 얇은 부재가 전자 소자(10)를 캐리어 판(19)으로부터 분리시키는 경우에, 얇은 부재의 표면의 열전도력을 예를 들어 핀(fin), 거친 표면, 다이아몬드 또는 유사 다이아몬드 탄소를 이용하여 높일 수 있다.

오리피스(42)는 양호하게는 판(40)의 두께와 오리피스(42)의 폭(또는 두께)의 비율이 0.9 미만인 경우에 발생하는 유동 축소 현상(vena contracta)으로 알려진 유체 역학적 현상을 이용한다. 이러한 조건이 만족되면, 오리피스의 바로 하류의 유효 유동 면적이 오리피스(42)의 실제 면적보다 작게 된다. 이와 같이 감소된 유동 면적은 유체가 유동 축소 현상이 없는 경우에 비해 빠른 속도로 유동하게 하여, 충돌 영역에서의 열전달 계수가 보다 높아진다.

유동 축소 현상은 도6에 도시되었으며, 여기서 x(50)는 오리피스(42)의 폭을 나타내고 t(52)는 판(40)의 두께를 나타낸다. 유체(45)의 유동 면적 A(54)가 오리피스(42)의 면적보다 작음을 알 수 있다.

가열된 유체가 챔버(46)에 유입되고 유체 유출 포트(31)를 통해 조립체(100)를 벗어나기 전에 분배 채널(3)을 통해 계속 유동한다. 유체(45)의 일부는 일정 기간 동안 챔버(46)의 재순환 구역(47) 내에 남아 있고, 추가의 냉각 이득이 구역(47) 내에서뿐만 아니라 챔버(46)의 다른 부분들에서도 실현된다.

초과분의 유체는 유체 분배 채널(38)을 통해 챔버(46)로부터 제거되는데, 이 경우에 유체는 유체 유출 포트(31)를 통해 조립체(100)로부터 배출된다.

관(54)에 의해 펌프(50)에 연결되고 관(56)에 의해 유체 유출 포트(48)에 연결되는 열 교환기(53)는 유체 유출 포트(31)로부터 유체를 수용한다. 열 교환기(53)는 유체로부터 열을 제거하여 유체를 주로 액상으로 되돌린다. 송풍기(58)는 열 교환기(53)의 냉각력을 높이기 위해 사용된다. 따라서, 냉각제의 폐쇄형 루프 유동이 형성된다. 임의의 소정 지점에서 냉각제는 증기, 액체 또는 증기와 액체의 혼합일 수 있다.

냉각제의 유동을 제공하기 위한 임의의 종래 수단이 본 발명의 실시예에 사용될 수 있으며, 여유를 위해 하나 이상의 장치가 하나의 냉각제 공급원에 연결되거나 하나 이상의 냉각제 공급원이 하나의 장치에 연결될 수 있다.

유체 펌프(50)와 열 교환기(53)와 송풍기(58)의 크기는 열 제거 및 유속 요건에 기초하여 선택되어야 한다. 예를 들어, 통상의 폐쇄형 루프 유체 유동은 500 내지 1000 와트의 열 소산에 대하여 분당 500 내지 1000 밀리리터로 이루어진다. 펌프 및 열 교환기 조립체는 크기뿐만 아니라 배관, 끼움연결구가 다양하게 미국 일리노이주 버논 힐스 소재의 콜-파머(Cole-Parmer) 및 다른 보편적인 공급처로부터 입수할 수 있다.

제곱 센티미터당 최대 500 와트의 전력 밀도를 갖는 전자 소자 또는 일군의 전자 소자는 개시된 장치에 의해 효과적으로 냉각된다. 전체 전자 모듈이 아닌 개별 전자 소자들로부터 직접 열을 제거하는 것은 소자의 작동 온도 저하를 도와서, 온도 변화 및 이와 관련된 열 응력의 감소를 통해 신뢰성을 높인다. 부가적으로, 저 유속에서 효과적인 열 전달이 달성된다.

유체가 전자 소자와 직접 접촉할 필요가 없기 때문에, 유체 오염의 가능성이 감소된다. 유체 냉각제가 사용될 수 있으며, 예를 들어, 물과 부동액이 사용될 수 있는데, 이는 유독성이 매우 낮으며 취급상의 문제가 거의 없다.

개시된 장치 및 방법은 온도 측면에서 효과적이어서, 냉각 유체의 작동 온도는 열 교환기의 크기를 50 퍼센트 이상 줄일 수 있다.

또한, 본 명세서에 기재된 장치 및 방법은 용이하게 설치 및 제거된다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 시험 및 조정 공정 중에 전자 소자를 냉각시키기에 바람직하다. 예를 들어, 시험 장치는 높은 열소산성 전자 소자를 냉각시키도록 설계될 수 있다. 그러나, 전자 소자가 통상의 방식으로 장착되기 때문에, 전자 소자의 조립의 용이성이 유지될 수 있다.

본 명세서에 기재된 폐쇄형 루프 유체 유동 시스템은 또한 많은 장점을 갖는다. 예를 들어, 시스템은 개별 전자 소자에의 접근을 방해하지 않으므로, 냉각 시스템 및 전자 소자의 검사, 시험 및 수리를 더욱 용이하게 한다.

본 발명은 전자 소자를 냉각시키는 것에 국한되지 않으며, 예를 들어 통상의 방식으로 기판에 장착되는 열 흡수 장치 또는 플랜지와 같은 임의의 열원을 냉각시키는 데에 적절할 수 있다.

밀봉 및/또는 고정이 필요한 경우에 다양한 방법 및 재료가 사용될 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 나사와 같은 체결구, 유연성 가스켓, 초음파 용접, 브레이징, 납땜 또는 스웨이지 가공이 이용될 수 있다.

본 발명의 다른 추가의 형태가 청구 범위 및 그 균등물의 기술 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고도 발명될 수 있는 것은 분명하며, 본 발명은 어떠한 방식으로도 이상 설명한 구체적인 실시예들에 한정되지 않으며 다음의 청구의 범위 및 그 균등물에 의해서만 한정됨을 알 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 열원 냉각 장치에 있어서,

   유입 단부 및 유출 단부를 갖는 채널을 내부에 갖는 캐리어 판과,

   캐리어 판 내에 배치되고 채널과 연통하며 열원에 인접하여 배치되는 크기로 된 냉각 구역과,

   냉각 구역 내에 배치되고 내부에 오리피스를 갖는 부재를 포함하고,

   부재의 두께와 오리피스의 폭 사이의 비율이 0.9 미만인 것을 특징으로 하는 열원 냉각 장치.
2. 제1항에 있어서, 부재는 제1 챔버와 제2 챔버를 냉각 구역 내에 형성하고,

   유입 단부는 유체를 수용하여 채널을 통해 유체를 제1 챔버에 공급하고, 오리피스는 유체를 가속시켜 제2 챔버 내로 열원을 향해 배출하는 것을 특징으로 하는 열원 냉각 장치.
3. 제2항에 있어서, 유체는 물, 부동액 및 절연성 유체로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 열원 냉각 장치.
4. 제1항에 있어서, 오리피스의 형상은 임의의 기하학적 형상인 것을 특징으로 하는 열원 냉각 장치.
5. 제1항에 있어서, 열원은 전자 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 열원 냉각 장치.
6. 제1항에 있어서, 전자 소자는 전력 트랜지스터와 집적 회로 중 하나인 것을 특징으로 하는 열원 냉각 장치.
7. 제1항에 있어서, 캐리어 판은 알루미늄 실리콘 카바이드(AlSiC), 금속 및 플라스틱으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 열원 냉각 장치.
8. 제1항에 있어서, 캐리어 판은 제1 층과 제2 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열원 냉각 장치.