KR20090052811A - 방열장치 - Google Patents

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KR20090052811A
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Abstract

본 발명은 절연 기판, 열 싱크와 열질량 부재를 포함하는 방열장치이다. 이 기판은 가열체 수용면 역할을 하는 제 1 면 및 제 1 면 반대측의 제 2 면을 갖고 있고, 제 1 면에는 금속 회로층이 형성되고, 제 2 면에는 알루미늄의 금속층이 형성된다. 열 싱크는 절연 기판의 제 2 면에 열적으로 연결된다. 열질량 부재는 응력 감소부와 열질량부를 포함하고, 이 두 부분은 서로 상하로 위치한다. 응력 감소부는 열질량 부재의 절연 기판을 면하고 있는 표면과 열 싱크를 면하고 있는 표면 중 하나 이상에 다수의 오목부를 포함한다. 열질량부는 응력 감소부보다 더 두껍고, 열질량 부재의 두께는 3 밀리미터보다 크다.
방열장치

Description

방열장치 {HEAT DISSIPATION APPARATUS}
본 발명은 방열 장치에 관한 것이다.
일본 특허 공개 공보 2006-294699 및 2001-148451 은 각각 절연 게이트형 양극성 트랜지스터 (IGBT) 와 같은 반도체 장치를 포함하는 동력 모듈에 대한 방열장치의 예를 개시하고 있다.
일본 특허 공개공보 2006-294699 에서는, 다수의 관통 구멍을 포함하고 있는 응력 감소 부재 (stress reduction member) 가 절연 기판 및 열 싱크 (heat sink) 사이에 배치된다. 절연 기판은 가열체를 수용하기 위한 면을 포함한다. 일본 특허 공개 공보 2001-148451 에서는, 버퍼 층이 절연 기판과 열 싱크 사이에 배치된다. 버퍼 층은 알루미늄 실리콘 카바이드 (AlSiC) 로 만들어지고, 이 알루미늄 실리콘 카바이드의 열팽창 계수는 절연 기판과 열싱크의 열팽창 계수의 사이가 된다.
그러나 AlSiC 는 열 싱크 등에 이용되는 알루미늄 (Al) 보다 더 비싼 재료이다. 따라서, 일본 특허 공개 공보 2001-148451 에 개시된 바와 같이 버퍼 층에서 AlSiC 를 사용하는 것은 비용을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 일본 특허 공개 공보 2006-294699 의 응력 감소 부재에는, 다수의 관통 구멍이 열전도 영역을 감소시킨다. 따라서, 응력 감소 부재는 열저항을 증가시킨다. 이는 가열체에서 열 싱크로의 열전달을 방해한다.
본 발명의 목적은 비용을 줄이고 열저항의 증가를 막으면서 응력을 낮추는 방열장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 태양은 절연 기판을 포함하는 방열장치로서, 이 기판은 가열체 수용면 역할을 하는 제 1 면 및 제 1 면 반대측의 제 2 면을 갖고 있고, 제 1 면에는 금속 회로층이 형성되고, 제 2 면에는 알루미늄의 금속층이 형성된다. 열 싱크는 절연 기판의 제 2 면에 열적으로 연결된다. 열 싱크는 알루미늄으로 형성되고 냉각로를 포함한 액체 냉각 장치로서 작용한다. 열질량 부재 (heat mass member) 는 알루미늄으로 만들어지고 절연 기판의 금속층과 열 싱크 사이에 배치된다. 열질량 부재는 절연 기판 및 열 싱크에 금속 접합된다. 열질량 부재는 서로 상하로 위치하는 응력 감소부와 열질량부를 포함한다. 응력 감소부는 열질량 부재의 절연 기판을 면하고 있는 표면과 열 싱크를 면하고 있는 표면 중 하나 이상에 다수의 오목부를 포함한다. 열질량부는 응력 감소부보다 더 두껍고, 열질량 부재의 두께는 3 밀리미터보다 크다.
본 발명의 다른 태양과 이점은 첨부된 도면과 연결하여, 본 발명의 원리를 실시예로서 설명하는 이하의 내용을 통해 명백하게 될 것이다.
본 발명을 통해 비용을 줄이고 열저항의 증가를 막으면서 응력을 낮추는 방 열장치를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 차량에 설치된 동력 모듈에 대한 방열장치의 바람직한 실시형태에 대해 이하에서 설명한다. 이하에서, "알루미늄" 이라는 용어는, 순수 알루미늄 뿐 아니라 알루미늄 합금도 포함한다.
도 1 에 나타난 바와 같이, 방열장치는 절연 기판 (10) 과 열 싱크 (40) 를 포함한다. 절연 기판 (10) 은 가열체 수용면의 역할을 하는 제 1 면 (상부면)및 제 1 면의 반대측의 제 2 면을 포함한다. 열질량 부재 (30) 는 열 싱크 (40) 및 절연 기판 (10) 을 열적으로 연결한다.
절연 기판 (10) 은 절연 세라믹 기판 (13), 금속 회로층 (11) 및 금속층 (12) 을 포함한다. 금속 회로층 (11) 은 세라믹 기판 (13) 의 제 1 면 (가열체 수용면) 에 형성된다. 금속층 (12) 은 세라믹 기판 (13) 의 제 2 면에 알루미늄으로 형성된다. 세라믹 기판 (13) 은 예를 들어 질화 알루미늄, 알루미나, 질화 실리콘 등으로 형성된다.
가열체 역할을 하는 반도체 장치 (20) (반도체 칩) 은 절연 기판 (10) 의 가열체 수용면에 납땜되어 접합된다. IGBT, MOSFET, 다이오드 등이 반도체 장치 (20) 로 사용될 수 있다.
열 싱크 (40) 는 알루미늄과 같이 방열 특성이 뛰어난 금속으로 형성된다. 열 싱크 (40) 는 낮고, 평평하며 속이 뚫려 있다. 냉각제 통로 (40a) 는, 냉각제 통로 (40a) 의 부분들이 서로 평행한 방식으로 열 싱크 (40) 를 통해 구불구 불하게 연장된다. 냉각제는 냉각제 통로 (40a) 를 통해 흐른다. 이러한 방식으로, 열 싱크 (40) 는 냉각제 통로 (40a) 를 포함하는 액체식 냉각 장치의 기능을 수행하고, 이 냉각제 통로가 냉각 통로의 역할을 한다. 냉각제 통로 (40a) 는 입구와 출구를 포함하는데, 이 출구와 입구는 차량에 배치된 냉각제 회로에 연결될 수 있다. 반도체 장치 (20) 가 구동되는 정상 가열 상태 (정상 상태) 에서, 반도체 장치 (20) 에 의해 발생되는 열은 절연 기판 (10) 과 열질량 부재 (30) 를 통해 열 싱크 (40) 에 전달된다. 이를 통해 원활하게 방열된다.
열질량 부재 (30) 는 알루미늄으로 만들어지고, 절연 기판 (10) 의 금속층 (12) 과 열 싱크 (40) 사이에 배치된다. 열질량 부재 (30) 는 절연 기판 (10) 과 열 싱크 (40) 에 금속 접합된다. 더욱 특별하게는, 절연 기판 (10), 열질량 부재 (30) 및 열 싱크 (40) 는 브레이징되어 함께 접합된다.
열질량 부재 (30) 는 응력 감소부 (31) 와 열질량부 (32) 를 포함하고, 이 두 부분은 서로 상하로 위치한다. 응력 감소부 (31) 는 절연 기판 (10) 을 면하고 있는 측에 위치하고, 절연 기판 (10) 을 향해 열려 있는 다수의 오목부 (31a) 를 포함한다. 응력 감소부 (31) 의 두께는 t1 이고, 열질량부 (32) 의 두께는 응력 감소부 (31) 의 두께 (t1) 보다 두꺼운 t2 이다. 열질량 부재 (30) 전체의 두께는 t3 이고, 이 두께는 3 밀리미터보다 크다.
열질량부 (32) 는 반도체 장치 (20) 의 온도가 상승하는 경우 반도체 장치 (20) 의 열을 수용하도록 미리 정해진 열용량을 갖고 있고, 이 반도체 장치는 열질량 부재 (30) 에 열적으로 연결되어 있다.
열질량부 (32) 는 반도체 장치 (20) 에서 발생하는 열을 일시적으로 흡수하고, 그 후 이 열을 열 싱크 (40) 에 방출한다. 열질량부 (32) 의 열용량은, 반도체 장치 (20) 가 정상 가열 상태에서 발생하는 열보다 더 많은 열을 발생하는 경우 열질량부 (32) 가 일시적으로 열의 일부를 흡수하여 반도체 장비 (20) 의 과열을 방지하도록 설정된다.
예를 들어, 하이브리드 차량의 구동 모터를 제어하는 데 사용되는 인버터에서, 차량이 정상 주행 상태에서 갑자기 가속하거나 갑자기 정지할 경우, 반도체 장치 (20) 에서 발생하는 열로 인해 인버터는 1 초 미만의 짧은 시간 내에 정상 비율보다 3 내지 5 배 큰 열손실을 겪게 된다. 본 실시형태에서, 이러한 인버터를 사용하는 경우에도, 방열장치의 냉각 능력은, 반도체 장치 (20) 의 온도가 작동 온도의 상한선을 넘지 않도록 설정된다. 차량이 갑자기 멈춘 경우 재생 작동 동안 큰 전류가 흐르기 때문에 열 손실은 과도하게 된다.
방열장치의 작동에 대해 이하에서 설명한다.
방열장치는 하이브리드 차량의 동력 모듈에 설치된다. 열 싱크 (40) 는 파이프로 냉각제 회로 (미도시) 에 연결된다. 펌프와 라디에이터 (radiator) 는 냉각제 회로에 배치된다. 라디에이터는 모터에 의해 회전되는 팬 (fan) 을 포함하고 효율적으로 열을 방출한다.
반도체 장치 (20) 가 방열장치에서 구동되는 경우, 반도체 장치 (20) 는 열을 발생시킨다. 정상 상태 (정상 가열 상태) 에서, 반도체 장치 (20) 에서 발생한 열은 절연 기판 (10) 과 열질량 부재 (30) 를 통해 열 싱크 (40) 에 전달되 어, 열은 열 싱크 (40) 에 흐르는 냉각제와 열교환된다. 즉, 열 싱크 (40) 에 전달된 열은 냉각제 통로 (40a) 를 흐르는 냉각제에 더 전달되어 방출된다. 냉각제 통로 (40a) 를 흐르는 냉각제에 의해 열 싱크 (40) 는 강제로 냉각된다. 따라서, 반도체 장치 (20) 에서 열 싱크 (40) 로 연장되는 열전달 경로에서 온도 구배는 증가하고, 반도체 장치 (20) 에서 발생한 열은 절연 기판 (10) 과 열질량 부재 (30) 를 통해 효율적으로 방열된다.
열질량 부재 (30) 는 응력 감소부 (31) 를 포함하고, 이 응력 감소부는 오목부 (31a) 를 갖는다. 응력 감소부 (31) 의 구조는 가열체에서 열이 발생할 때 열응력을 줄인다. 더욱 특별하게는, 열응력을 줄이기 위해, 열질량 부재 (30) 는 AlSiC 보다 더 비용 효과적인 알루미늄으로 만들어지고, 열질량 부재의 열팽창 계수는 절연 기판 (10) 과 열 싱크 (40) 의 열팽창 계수의 사이이다. 도 6 을 참조하면, 도 1 의 오목부 (31a) 를 포함하지 않는 알루미늄 열질량 부재 (50) 를 이용하는 경우, 열응력은 줄어들 수 없다. 도 6 의 구조에서, 만약 열질량 부재 (50) 가 AlSiC 로 만들어지면, 방열장치의 비용은 매우 비싸게 된다. 도 1 의 실시형태에서, 비용 효과적인 알루미늄으로 형성된 열질량 부재 (30) 는 반도체 장치 (20) 에서 열이 발생하는 경우, 열응력을 줄이는 데 이용된다.
차량이 정상 주행 상태에서 갑자기 가속하거나 갑자기 정지하는 경우, 반도체 장치 (20) 에서 발생되는 열은 갑자기 증가하고 인버터는 1 초 미만의 짧은 시간 내에 정상 비율보다 3 내지 5 배 큰 열 손실을 겪게된다. 열 싱크 (40) 에 의해 수행되는 강제 냉각은 이러한 비정상 상태에서 발생되는 열에 충분히 대처하 지 못한다.
열질량 부재 (30) 에서, 열질량부 (32) 의 두께 (t2) 는 응력 감소부 (31) 의 두께 (t1) 보다 두껍고, 전체 열질량 부재 (30) 의 두께 (t3) 는 3 밀리미터보다 크다. 따라서, 반도체 장치 (20) 에서 발생되는 열이 갑자기 증가하더라도, 열저항이 증가하는 것을 방지할 수 있고, 열은 효율적으로 방열된다.
열질량부 (32) 는 열 싱크 (40) 에 의해 즉각적으로 방열되지 못하는 열을 일시적으로 흡수한다. 결과적으로, 정상 주행상태로 되돌아온 경우, 열질량부 (32) 의 열은 열싱크 (40) 에 전달되어 방열된다.
열질량 부재 (30) 의 작동은 시뮬레이션의 결과와 함께 이하에서 자세히 설명한다.
도 2 는, 절연 기판과 열 싱크 사이에 배치된 열질량 부재로서 도 3a, 도 3b 및 도 3c 에 나타난 각각의 샘플을 이용한 시뮬레이션 동안 시간 변화에 따른 열 저항의 변화를 나타낸다.
도 3a 의 샘플은 1 밀리미터의 두께를 갖고 있고 다수의 관통 구멍을 포함하는 알루미늄 판이다. 도 2 에서, 특성 라인 (L1) 은 도 3a 의 샘플에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 3a 의 샘플은 본 실시 형태에 대한 제 1 비교예가 된다.
도 3b 의 샘플은 3 밀리미터의 두께를 갖고 있고 다수의 1 밀리미터 깊이의 오목부를 포함하는 알루미늄 판이다. 도 2 에서, 특성 라인 (L2) 은 도 3b 의 샘플에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 3b 의 샘플은 본 실시 형태에 대 한 제 2 비교예가 된다.
도 3c 의 샘플은 4 밀리미터의 두께를 갖고 있고 다수의 1 밀리미터 깊이의 오목부를 포함하는 알루미늄 판이다. 도 2 에서, 특성 라인 (L3) 은 도 3c 의 샘플에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 3c 의 샘플은 본 실시 형태에 따른 샘플이 된다.
도 2 의 특성 라인 (L1 및 L2) 에서 나타난 바와 같이, 가열체에서 열이 발생하기 시작한 때부터 0.5 초가 경과한 경우 제 2 비교예의 열저항은 제 1 비교예보다 약간 낮다. 대조적으로, 특성 라인 (L3) 에서 볼 수 있는 바와 같이, 가열체에서 열이 발생하기 시작한 때부터 0.5 초가 경과한 경우 본 실시 형태에서의 열저항은 제 1 비교예 및 제 2 비교예보다 낮다. 따라서, 특성 라인 (L3) 으로 나타난 본 실시 형태에서, 열질랑 부재 (30) 에서 열질량부 (32) 의 두께는 가열체에서 열이 발생하기 시작한 때부터 짧은 시간 간격 내에 열저항이 증가하는 것을 방지하는데 최적화되어 있다.
가열체에서 열이 발생하기 시작한 때부터 몇 초 정도의 짧은 시간 동안, 도 3a 에 나타난 열질량 부재는 열저항이 증가하는 것을 방지하는데 있어서 도 3c 에 나타난 본 실시 형태에 따른 열질량 부재의 경우만큼 효과적이지 못하다. 도 3b 에 나타난 열질량 부재 또한 열저항이 증가하는 것을 방지하는데 있어서 도 3c 에 나타난 본 실시 형태의 열질량 부재의 경우만큼 효과적이지 못하다. 따라서, 본 실시 형태의 열질량 부재 (30) 는 가열체에서 열이 발생하기 시작한 때부터 짧은 시간 내에 열저항이 증가하는 것을 효율적으로 방지한다.
열질량 부재 (30) 에서 열질량부 (32) 가 너무 두꺼운 경우, 포화 열저항은 높아지게 된다. 따라서, 열질량 부재 (30) 의 두께 (t3) 는 10 밀리미터의 상한을 갖는 것이 바람직하다.
바람직한 실시 형태는 이하의 이점을 갖는다.
알루미늄 열질량 부재 (30) 는 알루미늄 액체 냉각 장치인 열 싱크 (40) 와 절연 기판 (10) 의 알루미늄 금속층 (12) 사이에 배치된다. 더욱이, 열질량 부재 (30) 는 절연 기판 (10) 과 열 싱크 (40) 에 금속 접합된다. 열질량부 (32) 의 두께 (t2) 는 오목부 (31a) 가 형성되는 영역인 응력 감소부 (31) 의 두께 (t1) 보다 두껍다. 더욱이, 열질량 부재 (30) 의 두께 (t3) 는 3 밀리미터보다 크다. 열질량 부재 (30) 는 AlSiC 보다 가격이 싼 알루미늄으로 만들어진다. 이는 방열장치의 가격을 낮추게 된다. 더욱이, 열질량 부재 (30) 의 열질량부 (32) 는 가열체에서 발생하는 열이 갑자기 증가하는 때에도 열저항이 증가하는 것을 방지하고 효율적으로 열을 방출시킨다.
당업자들에게 있어서, 본 발명의 사상이나 범위에서 벗어나지 않고 다양한 형태로 본 발명을 구체화할 수 있음은 명백하다. 특히, 본 발명은 이하의 형태로 구체화할 수 있다.
도 1 의 열질량 부재 (30) 에서, 절연 기판 (10) 을 면하고 있는 열질량 부재 (30) 의 표면에 오목부 (31a) 가 형성된다. 그러나 도 4 에 나타난 바와 같이, 오목부 (31a) 는 열 싱크 (40) 를 면하고 있는 열질량 부재 (30) 의 표면에 형성될 수도 있다. 대안으로서, 도 5 에 나타난 바와 같이, 오목부 (31a) 는 열 질량 부재 (30) 에서 절연 기판 (10) 을 면하고 있는 표면과 열 싱크 (40) 를 면하고 있는 표면 모두에 형성될 수도 있다. 이러한 방식으로, 응력 감소부 (31) 는 열질량 부재 (30) 에서 절연 기판 (10) 을 면하고 있는 표면과 열 싱크 (40) 를 면하고 있는 표면 중 하나 이상에만 형성되어야 한다.
냉각제는 액체 냉각 장치로 작용하는 열 싱크 (40) 를 통해 흐른다. 대신, 알콜과 같은 다른 냉각 액체도 열 싱크 (40) 를 통해 흐를 수 있다.
전술한 실시 형태에서, 열질량부의 두께 (t2) 는 응력 감소부의 두께 (t1) 보다 더 크다. 열질량부의 두께 (t2) 가 응력 감소부의 두께보다 적어도 두 배 큰 것이 바람직하다.
본 실시예와 실시 형태는 제한적인 것이 아니라 설명을 위한 것이고, 본 발명은 명세서에 기재된 내용으로 제한되지 않으며, 청구범위의 범위와 균등범위 내에서 변형될 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 방열장치의 바람직한 실시 형태를 나타내는 길이방향 단면도이다.
도 2 는 시뮬레이션에서 시간 경과에 따라 열 저항의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c 는 도 2 의 시뮬레이션에서 사용된 샘플을 각각 나타내는 단면도이다.
도 4 는 다른 실시예의 방열장치를 나타내는 길이방향 단면도이다.
도 5 는 또다른 실시예의 방열장치를 나타내는 길이방향 단면도이다.
도 6 은 비교예의 방열장치를 나타내는 길이방향 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 절연 기판 20: 반도체 장치
30: 열질량 부재 31a: 오목부
40: 열싱크 40a: 냉각제 통로

Claims (3)

  1. 방열장치로서,
    가열체 수용면 역할을 하는 제 1 면 및 제 1 면 반대측의 제 2 면을 갖고 있고, 제 1 면에는 금속 회로층이 형성되며, 제 2 면에는 알루미늄의 금속층이 형성되는 절연 기판;
    절연 기판의 제 2 면에 열적으로 연결되고, 알루미늄으로 만들어지고 냉각로를 포함한 액체 냉각 장치의 역할을 하는 열 싱크; 및
    알루미늄으로 형성되고 절연 기판의 금속층과 열 싱크 사이에 배치되며, 절연 기판 및 열 싱크에 금속 접합되는 열질량 부재를 포함하고,
    열질량 부재는 서로 상하로 위치하는 응력 감소부와 열질량부를 포함하고, 응력 감소부는 열질량 부재의 절연 기판을 면하고 있는 표면과 열 싱크를 면하고 있는 표면 중 하나 이상에 다수의 오목부를 포함하고, 열질량부는 응력 감소부보다 더 두껍고, 열질량 부재의 두께는 3 밀리미터보다 큰 방열장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    열질량부의 두께는 응력 감소부의 두께보다 적어도 두 배 큰 것을 특징으로 하는 방열장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    가열체 수용면은 반도체 장치를 수용하기 위한 면을 갖는 것을 특징으로 하는 방열장치.
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