KR200357026Y1 - 발열소자의방열구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 발열소자의 방열구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자기기 등에서 매우 큰 열을 방출하는 발열소자의 방열성능을 향상시키도록 하는 방열구조를 제공하고자 하는데 목적이 있다.

이를 실현하기 위하여 본 고안에서는 절연체로 감싸지며 다리부에 의해 기판면에 고정되는 발열소자의 발열부로부터 발산되는 열을 외부로 방열시키기 위하여 소자의 발열부와 접촉되어 외부로 연장되는 전도성 재질의 방열핀을 다수 구비하였다.

Description

발열소자의 방열구조

본 고안은 발열소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자기기 등에서 매우 큰 열을 방출하는 발열소자에 있어서 발열부에서 발생되는 열을 외부로 방열하도록 하는 방열구조에 관한 것이다.

일반적으로, IPM(Intelligent Power Module) 이나 CPU(중앙처리장치)와 같이 전자기기 내에서 매우 큰 열을 방출하는 발열소자의 경우 방열을 위한 방열장치로 히트싱크(heat sink)를 사용하여 왔다.

도 1 은 종래 기술의 한 예로 히트싱크가 적용된 IPM의 경우를 도시한 것으로서 이하에서 살펴보기로 한다.

도면에 도시된 IPM의 예를 통해 살펴보면 발열부(2)로부터 방열을 원활히 하기 위해 발열소자의 상면에 열전도율이 212인 알루미늄판(3)을 설치하고, 소자간의 단락을 막기 위해 발열부(2)와 알루미늄판(3) 사이는 열전도율이 0.87인 에폭시(epoxy)(5)로 절연시키게 되며, 열원소자인 발열부(2)로부터 열전도율이 387인 구리재질의 다리부(4)가 연장되어 회로적으로 기판부(미도시)로 신호와 전력을 교환하게 됨을 알 수 있다.

그리고 발열소자의 상단면에 히트싱크(1)를 알루미늄판(3)과 접촉되도록 설치하여 방열면적을 증대시킴으로서 대류열저항을 감소시켜서 방열량을 증가시키는 방법을 채택하였다.

이와 같은 구조를 통한 발열소자의 열전달관계를 수식으로 나타내면 하기 [수학식 1], [수학식 2]와 같다.

[수학식 1]Q = ΔT/R(Q열전달량,ΔT:온도차,R:열저항)

[수학식 2]

(k : 열전도율, h : 열전달계수, A₁: 전도열전달 면적, A₂: 대류열전달 면적,: 전도열저항,: 대류열저항)

즉, 발열소자 상에 히트싱크(1)를 설치하는 것은 [수학식 2]에서 대류열전달 면적(A₂)의 증가를 의미하며, 이는 대류열저항의 감소를 야기한다. 또한 대류열저항에 비해 전도열저항은 상당히 작기 때문에 대류열저항의 감소는 전체열저항의 감소에 직접적인 영향을 미치게 됨을 알 수 있다.

그러나, 전술한 종래 기술에 따른 방열구조에 있어서, 방열을 원활히 하기 위해 발열소자에 알루미늄판(3)을 설치하여 히트싱크(1)로의 전도열저항을 감소시키는 방법을 채택하였으나, 소자간의 단락을 막기 위하여 형성되는 에폭시 절연층(5)이 하나의 열저항 역할을 수행하게 되어 히트싱크로의 열전달을 방해하게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 대류열전달 면적(A₂)의 증가를 통하여 대류열저항을 아무리 감소시켜도 일정수준을 넘으면 기대한 효과를 얻을 수 없게 된다.

이는 전체 열저항(R)은 대류열저항과 전도열저항의 합으로 구성되고 단순한 히트싱크의 면적증가는 온도차의 감소를 유발하기 때문이다.

본 고안은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로 방열성능이 뛰어난 방열구조를 추가로 제공함으로서, 고발열의 소자인 경우 종래의 히트싱크 하나만으로 인한 방열의 한계를 극복하여 신뢰성을 향상시키는데 목적이 있다.

본 고안의 다른 목적으로서, 저 발열의 소자인 경우 별도의 히트싱크를 부착하지 않고 하나의 방열요소만 설치함으로써 제품의 생산비용을 저감시킬 수 있도록 하는 것이다.

도 1 은 종래 실시예에 의한 히트싱크가 부착된 발열소자의 단면도.

도 2 는 본 고안의 제 1 실시예에 의한 발열소자를 나타낸 것으로서,

(가)는 평단면도.

(나)는 정단면도.

(다)는 측단면도.

도 3 은 본 고안의 제 2 실시예에 의한 발열소자의 구성 사시도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

1 : 히트싱크 2 : 발열부

3 : 알루미늄판 4 : 다리부

5 : 에폭시(절연층) 10,20 : 방열핀

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 고안의 기술적 수단은 절연체로 감싸지며 다리부에 의해 기판면에 전기적으로 고정되는 발열소자에 있어서, 상기 발열소자는 발열부로부터 발산되는 열을 외부로 방열시키기 위하여 소자의 발열부와 접촉되어 외부로 연장되는 전도성 재질의 방열핀이 다리부와 다리부 사이에 다수 구비되는 것을 특징으로 하는 발열소자의 방열구조를 제공한다.

바람직하게는, 상기 방열핀은 기판면에 접촉되지 않고 수평으로 연장 구비되는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성하면, 알루미늄판측에 비하여 전도 열저항이 적은 방열핀을 통해 발열부의 열이 전달되어 공기중으로 방열될 수 있게 됨을 알 수 있다.

그 결과, 히트싱크와 방열핀을 동시에 적용했을 때 방열한계를 극복하여 발열소자가 원활히 구동될 수 있도록 하는 이점이 있다.

그리고, 본 고안의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

이 바람직한 실시예를 통해 본 고안의 목적, 특징 및 효과들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 고안에 의한 방열구조의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

또한, 설명에 사용되는 도면에 있어서, 종래 기술의 도 1 과 같은 구성성분에 관해서는 동일한 번호를 부여하여 표시하고 그에 따른 중복되는 설명을 생략하기로 한다.

본 고안의 실시예에서는 히트싱크와 접하는 발열소자 상면의 전도열저항과 접하는 발열소자 상면의 전도열저항과 다리부의 전도열저항의 크기를 비교하기 위해 실제 IPM을 상용코드(Fluent)를 사용하여 모델링 수행하였으며, 이 결과 상면으로의 전도열저항보다 다리부로의 전도열 저항이 작음을 알 수 있었다.

먼저, 제 1 실시예로는 도 2 에 도시된 바와 같이 발열소자의 발열부(2)로부터 연장되는 다리부(4)의 사이에 다리부(4)와 동일한 형상으로 기판면에 접촉되도록 구리재질(또는 전도율이 높은 재질)의 방열핀(10)을 구성하여 방열핀(10)을 통한 방열량을 증대시키게 되며, 방열핀(10)은 소자간의 단락이 일어나지 않는 한도내에서 회로구성에 영향을 미치지 않도록 형성하였다.

전술한 바와같이, 다리부로의 전도열저항이 작다는 것은 비록 상기 제 1 실시예에서 방열핀(10)의 전도면적이 작지만 발열부(2)로부터 구리(열전도율 : 387)-구리로 전도되므로, 전도면적이 큰 상면의 구리-에폭시(열전도율 : 0.87)-알루미늄(열전도율 : 212)을 통한 전도보다 우세함을 의미한다. 따라서 구리 대 구리 전도의 방열핀(10)은 비록 그 면적은 작아도 매우 성능이 뛰어난 히트싱크로서의 역할을 수행할 수 있음을 알 수 있다.

제 2 실시예로는 도 3 에 도시된 바와 같이 방열핀(20)이 기판면에 접촉되지않도록 수평선상으로 연장 구비하여 발열부(2)로부터 전도되는 열이 공기중에서 방열될 수 있도록 하여 히트싱크로서의 역할을 수행하도록 한다.

이 결과에서, 발열소자의 상면에 히트싱크를 설치하여 방열면적을 증대시킨 종래의 방열구조에서는 절연층의 대류열저항으로 인해 방열의 한계를 극복하기 어려웠던 것과는 달리, 본 고안은 전도성이 좋은 방열핀을 발열부와 직접 접촉되도록 설치하여 상대적으로 적은 면적의 추가된 히트싱크로서의 역할을 수행할 수 있게됨을 알 수 있다.

한편 비교예로서, 종래의 히트싱크를 설치할 경우 고발열 소자의 경우 자연대류로는 발열소자의 온도를 충분히 낮추지 못하게 되면 필연적으로 강제대류 방식을 채택해야 하는데, 이는 팬을 설치하는 비용의 추가사항을 야기하게 된다. 그러나 본 고안의 방열핀 구조를 이용하면 팬 설치비용보다 저렴한 비용으로 방열을 수행할 수 있게 되며, 적은 발열소자의 경우 본 고안 방열핀 만을 채택함으로도 별도의 히트싱크를 부착할 필요가 없게 되는 것이다.

그리고, 상기에서 본 고안의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만 본 고안의 구조 또는 형상이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.

이와 같은 변형된 실시예들은 본 고안의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 고안의 첨부된 실용신안등록청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 고안의 방열구조는 종래 히트싱크 하나만을 적용함으로 인한 발열소자에서의 방열 한계를 극복하여 제품의 신뢰성을 향상시킴과 동시에, 본 고안의 방열핀만을 방열요소로 적용함으로서 발열소자의 생산성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 절연체로 감싸지며 다리부에 의해 기판면에 전기적으로 고정되는 발열소자에 있어서,

   상기 발열소자는 발열부로부터 발산되는 열을 외부로 방열시키기 위하여 소자의 발열부와 접촉되어 외부로 연장되고 알루미늄보다 전도 열저항이 작은 전도성 재질의 방열핀을 다리부와 다리부 사이에 적어도 하나 이상 포함하며,

   상기 방열핀은 기판면에 접촉되지 않고 수평으로 연장된 것을 특징으로 하는 발열소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 방열핀은 구리로 만들어 진 것을 특징으로 하는 발열소자.