KR20150063827A

KR20150063827A - 전력 반도체 모듈용 방열 시스템

Info

Publication number: KR20150063827A
Application number: KR1020130148672A
Authority: KR
Inventors: 곽영훈; 홍창섭; 이영기
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-06-10
Also published as: US20150156914A1

Abstract

본 발명은 프레임과; 이 프레임을 가로질러 배치되고, 중앙 영역에 냉매체의 공급용 유입구와 이 유입구 둘레에서 방사상으로 뻗어 있는 다수의 루버 및 가장자리 둘레에 형성된 슬롯을 구비한 구획판; 프레임과 구획판으로 한정된 확산 챔버; 구획판과 소정의 간격을 두고 프레임의 하부에 배치되며, 냉매체의 배출용 유출구를 구비한 하부 플레이트; 및 프레임과 구획판 및 하부 프레임으로 한정되고, 확산 챔버와 유체연통되어 있는 회수 챔버;를 구비하는 전력 반도체 모듈용 방열 시스템에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 확산 챔버와 회수 챔버를 구획판으로 구획시켜 복층 구조로 이루어져 있다.

Description

전력 반도체 모듈용 방열 시스템 {Cooling system for power semiconductor module}

본 발명은 전력 반도체 모듈용 방열 시스템에 관한 것이다.

전 세계적으로 에너지 사용량이 증가함에 따라, 제한된 에너지의 효율적인 사용에 대해 지대한 관심을 가지기 시작했다. 이에 따라, 다양한 구조의 전력 반도체 모듈은 예컨대 에어컨, 냉장고 등의 모든 생활가전제품에 적용되고 있으며, 그 사용범위가 광범위하게 커져가고 있는 추세이다. 전력 반도체 모듈은 알려진 바와 같이 사용전력/에너지를 최소화할 수 있어 친환경 제품에 거의 필수적으로 적용되고 있다.

이와 같이, 전력 반도체 모듈의 확대 적용에 따라 시장의 요구는 더욱 다기능 소형화되고 있으며, 이에 따른 전자 부품의 발열 문제는 모듈 전체의 성능을 떨어뜨리는 결과를 초래할 수 있다. 전력 반도체 모듈의 고효율성과 고신뢰성 확보를 위해서, 발열 문제를 해결할 수 있는 고방열 파워모듈 패키지 구조가 요구되고 있다.

일반적으로, 발열량이 많은 절연 게이트 바이폴러 트랜지스트(Insulated Gate Bipolar mode Transistor;이하 IGBT)를 포함한 파워소자를 탑재하고 있는 모듈은 방열 시스템(cooling system) 위에 써멀 그리스 또는 메탈 간의 접합방식을 사용하여 부착된다. 즉, 파워소자에서 발생하는 열은 바닥면에 부착되어 있는 방열 시스템을 통해 열을 방출하게 되는데, 써멀 그리스, 솔더 또는 열 인터페이스 재료(TIM;Thermal Interface Material) 등은 방열 특성을 저하시켜 전력 반도체 모듈의 방열 특성을 제한하게 된다.

이에, 종래기술에 따른 특허문헌 1은 인버터 케이스, 냉각핀 및 콘덴서 케이스에 의해 형성된 냉각통로 내부에 냉각수를 순환시켜 IGBT에서 발생하는 열을 빼앗아 출구로 방출하는 방열 구조로 되어 있다. 즉 냉각수는 단순히 입구로부터 냉각통로를 지나 출구로 유출되는 유동 경로를 갖게 되는데, 이는 냉각수가 파워소자와의 열교환이 충분히 이루어지지 않은 채로 출구로 배출될 수 있을 뿐만 아니라 냉각통로에서 장시간 체류하게 될 경우 열방출이 신속하게 이루어지지 않아 온도를 일정 수준 이하로 낮추는 데에는 한계가 있다.

대한민국 공개특허 제10-2006-0036400호

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 냉매체의 유동 경로를 제어하여 방열기판과의 접촉 기회를 확실하게 보장하는 한편 냉매체의 순환을 원활하게 하여 열교환 능력을 향상시킬 수 있는 전력 반도체 모듈용 방열 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 프레임과; 이 프레임을 가로질러 배치되고, 중앙 영역에 냉매체의 공급용 유입구와 이 유입구 둘레에서 방사상으로 뻗어 있는 다수의 루버 및 가장자리 둘레에 형성된 슬롯을 구비한 구획판; 프레임과 구획판으로 한정된 확산 챔버; 구획판과 소정의 간격을 두고 프레임의 하부에 배치되며, 냉매체의 배출용 유출구를 구비한 하부 플레이트; 및 프레임과 구획판 및 하부 프레임으로 한정되고, 확산 챔버와 유체연통되어 있는 회수 챔버;를 구비하는 전력 반도체 모듈용 방열 시스템에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 확산 챔버와 회수 챔버를 구획판으로 구획시켜 복층 구조로 이루어져 있다.

본 발명에서, 프레임의 상부는 전력 반도체 모듈의 방열 기판으로 폐쇄되어, 확산 챔버로 공급되는 저온의 냉매체와 방열 기판의 접촉을 통해 열교환을 실시하게 된다.

본 발명은 방열 기판과 접촉된 고온의 냉매체를 회수 챔버로 이송하기 위해 확산 챔버와 회수 챔버를 유체연통가능하도록 되어있다.

본 발명은 냉매체의 확산과 소정의 체류 시간을 제공할 수 있도록 구획판의 중앙 영역에 유입구를 형성한다.

본 발명에서 구획판은 수직상방으로 돌출된 다수의 루버를 구비한다.

다수의 루버는 프레임 상부에 안착될 방열 기판을 지지 및/또는 접촉가능하도록 소정의 높이를 가진다.

다수의 루버는 구획판의 중앙 영역, 예컨대 유입구 둘레에서 가장자리를 향해 만곡되게 방사상으로 뻗는다.

다수의 루버는 구획판의 중앙 영역에서 가장자리로 갈수록 인접한 루버와의 이격거리를 넓혀지게 배열하고 있다.

선택가능하기로, 본 발명은 하나의 루버와 이에 인접해 있는 루버 사이에 하나 이상의 핀을 추가로 배치한다.

본 발명에서, 핀은 다수의 루버 끝단 사이에 배치한다.

유입구는 구획판으로부터 하부 플레이트를 지나 하방으로 뻗어 방열 시스템 외부에서 냉매체를 공급한다.

본 발명에 따른 방열 시스템은 중공부를 갖춘 하우징과 이 하우징의 하부를 폐쇄하는 커버를 추가로 구비할 수 있다. 방열 기판을 갖춘 전력 반도체 모듈과 방열 시스템은 하우징의 중공부 내에 삽입될 수 있다.

커버는 방열 시스템의 유입구와 유출구를 통과시키는 관통구멍을 형성할 수도 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이상 본 발명의 설명에 의하면, 본 발명의 전력 반도체 모듈용 방열 시스템은 중앙 영역으로 유입된 냉매체를 방열기판과의 접촉 영역 전반에 걸쳐 방사상 방향으로 분산시켜 전력 반도체 모듈에서 발생된 열을 신속하게 방출시킬 수 있다.

본 발명은 방열 시스템 내에서 루버와 핀을 수단으로 하여 냉매체의 유동 경로를 제한하는데, 전술된 바와 같이 방열기판과의 접촉 영역에 냉매체를 골고루 분산시킬 수 있을 뿐만 아니라 방열기판의 열과 접촉된 고온의 냉매체를 신속하게 외부로 배출시킬 수 있다.

본 발명은 복층구조로 이루어진 방열 시스템을 적용하여, 냉매체의 유입과 유출을 분리시켜 냉매체와 방열기판 사이의 효율적인 열교환을 성취할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈용 방열 시스템을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전력 반도체 모듈용 방열 시스템의 도면이다.
도 3은 방열 기판을 장착한 방열 시스템의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈용 방열 시스템의 확대 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈용 방열 시스템의 평면도이다.

이제, 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈용 방열 시스템은 첨부 도면을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.

본 발명의 장점, 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되는 실시예들을 통해 명확해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불명료하게 할 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈용 방열 시스템을 위에서 바라본 사시도이고, 도 2는 방열 기판을 배제한 방열 시스템의 결합상태를 확인할 수 있는 절개사시도이다.

도면을 참조로 하면, 전력 반도체 모듈은 하이 사이드(high side)와 로우 사이드(low side)의 전력 반도체 소자를 방열 기판(10) 상에 실장한다. 방열 기판(10)의 하부에는 본 발명에 따른 방열 시스템(100)을 접합하게 된다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 방열 기판(10)과 방열 시스템(100)을 일체로 하여 전자제품에 장착할 수 있도록 하우징(200)과 커버(300)를 추가로 구비할 수 있다. 하우징(200)은 하나 이상의 중공부(210)를 구비하는데, 중공부(210)는 전력 반도체 모듈을 실장한 방열 기판(10)과 방열 시스템(100)을 하우징(200) 내부에 삽입공간을 제공하게 된다. 하우징(200)의 하부는 커버(300)로 마감되는데, 커버(300)는 하우징(200)의 각 중공부(210)와 대응되게 2개의 관통구멍(310,350)을 형성한다. 여기서, 관통구멍(310)은 방열 시스템(100)의 냉매체 유입구(110)의 삽통을 돕는 한편, 관통구멍(350)은 방열 시스템(100)의 냉매체의 유출구(150)의 삽통을 돕는다. 여기서, 냉매체는 기체 또는 액체 상태의 유체일 수 있으며, 공기, 냉각수, 냉매 등으로 구성될 수 있다.

도 1 및 도 2는 3개의 전력 반도체 모듈을 하나의 하우징(200)에 장착한 3상 모터용 전력 반도체 모듈을 도해하고 있다. 이에 국한되지 않고, 본 발명의 방열 시스템은 단상 모터 등 다양한 유형의 전력 반도체 모듈에 채용될 수 있도록 하나 이상의 중공부를 갖춘 하우징(200)을 구비할 수도 있다.

도 3은 방열 기판을 장착한 방열 시스템의 단면도이고, 도 4는 방열 기판을 배제한 전력 반도체 모듈용 방열 시스템의 확대 단면도이다.

본 발명에 따른 방열 시스템(100)은 냉매체의 유입구(110)와 유체연통되는 확산 챔버(120)와; 냉매체의 유출구(150)와 유체연통되는 회수 챔버(140);로 구성되는데, 방열 시스템(100)은 확산 챔버(120)와 회수 챔버(140)를 복층 구조로 배치한다. 복층 구조로 이루어진 방열 시스템(100)은 저온의 냉매체를 공급하여 열교환이 이루어지는 확산 챔버(120)와, 열교환된 고온의 냉매체와 연속공급되는 저온의 냉매체와의 혼합을 미연에 방지하도록 고온의 냉매체를 포집하는 회수 챔버(140)를 구분한다.

덧붙여서, 방열 시스템(100)은 확산 챔버(120)로 공급되는 저온의 냉매체와 확산 챔버(120)를 지나 회수 챔버(140)로 이송되는 고온의 냉매체를 상호 혼합되는 것을 방지하도록 확산 챔버(120)와 회수 챔버(140) 사이에 구획판(130)을 배치한다. 이 구획판(130)은 도시된 바와 같이 확산 챔버(120)와 회수 챔버(140)를 분할시켜 냉매체의 혼합을 방지하는 기능 뿐만 아니라 확산 챔버(120)와 회수 챔버(140) 사이를 유체연통가능하게 연결하는 기능을 수행하게 된다.

구체적으로, 구획판(130)은 이의 가장자리 둘레를 따라 하나 이상의 슬롯(131)을 구비한다. 슬롯(131)은 확산 챔버(120)를 가로질러 분산된 냉매체를 회수 챔버(140)로 유동시키는 유로로써 사용된다.

본 발명은 소정의 두께를 가진 프레임(170)을 구비한다. 프레임(170)의 상부는 도 3에 도시된 바와 같이 전력 반도체 모듈의 방열 기판(10)으로 폐쇄되는 한편 프레임(170)의 하부는 2개의 관통구멍을 갖춘 하부 플레이트(160)로 폐쇄된다.

프레임(170)은 전력 반도체 모듈의 방열 기판(10)과 하부 플레이트(160) 사이에 구획판(130)을 배치하는데, 구획판(130)은 방열 기판(10)과 소정의 간격을 두고 이격되어 확산 챔버(120)를 형성하는 한편, 구획판(130)은 하부 플레이트(160)와도 소정의 간격을 두고 이격되어 있어 회수 챔버(140)를 형성할 수 있다. 도시된 바와 같이, 프레임(170)은 방열 기판(10)과 구획판(130) 및 하부 플레이트(160)를 이격되게 지지하고, 정해진 유로를 제외한 냉매체의 누설을 방지하도록 한다.

본 발명의 방열 시스템(100)은 방열 기판(10)과 하부 플레이트(160) 및 구획판(130)을 프레임(170)에 장착할 때 냉매체의 누설을 미연에 방지할 수 있도록 용접, O-링, 방수 및 내열 접착제 등을 수단으로 하여 결합될 수 있도록 한다.

구체적으로, 냉매체는 유입구(110)를 수단으로 하여 확산 챔버(120)로 유입되어 방열 시스템(100)의 상부에 결합된 전력 반도체 모듈과 접촉된다. 상대적으로 저온의 냉매체는 전력 반도체 모듈에서 발생되는 열과 방열 기판(10)을 매개로 하여 접촉하게 되며, 방열 기판(10)과 냉매체 사이에 열교환이 이루어지게 된다. 열교환이 이루어진 고온의 냉매체는 구획판(130)의 슬롯(131)을 따라 회수 챔버(140)로 강제로 이송되어 유출구(150)를 따라 외부로 배출된다. 이러한 냉매체의 유동으로 전력 반도체 모듈에서 발생된 열을 신속하게 냉각시킬 수 있다. 여기서 화살표는 냉매체의 이동 경로를 도해한 것이다.

유입구(110)는 구획판(130)에서 하부 플레이트(160)를 지나 하방으로 길게 뻗어 있는데, 유입구(110)는 도 2에 도시된 커버(300)의 관통구멍(310)까지 길이연장되도록 한다. 바람직하기로, 유입구(110)는 구획판(130)의 중앙 영역에 배치되도록 한다. 유입구(110)가 확산 챔버(120)의 중앙 영역에 배치되어 있기 때문에, 냉매체는 방열 기판의 하부면 전반에 걸쳐 신속하면서 골고루 확산될 수 있고 방열 기판의 하부면과의 접촉 기회를 향상시킬 수 있는 한편 확산 챔버 내에서의 체류 시간을 너무 길게 허용하지 않는다. 예컨대, 냉매체의 유입구(110)가 구획판(130)의 일측 가장자리에 형성되고 마주보는 타측 가장자리에 슬롯(131)을 배치하게 되면, 냉매체는 최장거리로 이격되어 있는 유입구(110)에서 슬롯(131)까지 이동하는 동안에 확산 챔버(120) 내부에서 체류 시간을 길게 하여 열교환된 고온의 냉매체를 배출하는 데에 시간이 오래 걸리게 된다.

유출구(150)는 하부 플레이트(160)에서 하방으로 길게 뻗어 있는데, 유출구(150)는 도 2에 도시된 커버(300)의 관통구멍(350)까지 길이연장되도록 한다.

바람직하기로, 본 발명은 확산 챔버(120)로 공급되는 냉매체의 확산 운동을 돕도록 설계되어 있다. 냉매체의 확산은 도 5를 참조로 하여 더욱 구체적으로 설명된다.

도 5는 도 4에 도시된 전력 반도체 모듈용 방열 시스템의 평면도이다.

도면을 참조로 하면, 본 발명의 방열 시스템(100)은 구획판(130) 상에 다수의 루버(130a)를 구비한다. 루버(130a)는 유입구(110)에서 슬롯(131)을 향해 길이연장되어 있는데, 즉 구획판(130)의 중심 영역에서 가장자리까지 뻗어 있게 된다.

바람직하기로, 다수의 루버(130a)는 편평한 구획판(130) 상에서 수직상방으로 돌출되되, 방열 시스템의 프레임(170) 상에 안착될 방열 기판(10;도 3 참조)과 접촉되도록 한다. 루버(130a)는 전술된 바와 같이 방열 기판과 접촉되어 있어 방열 기판의 방출 면적을 증가시켜 냉매체와의 접촉 기회를 향상시켜 훌륭한 냉각 효율을 기대할 수 있다. 이와 더불어서, 루버(130a)는 프레임(170) 내부에서 방열 기판을 지지하여 방열 기판의 쳐짐 현상을 방지할 수도 있다. 즉, 루버(130a)의 돌출 높이는 구획판(130)에서 프레임(170)에 장착될 방열 기판 사이의 이격거리와 동일하거나 이보다 작아야 한다.

다수의 루버(130a)는 도시된 바와 같이 구획판의 중앙 영역, 예컨대 유입구(111) 둘레에서 가장자리를 향해 방사상으로 만곡되게 형성되는바, 특히 가장자리로 갈수록 루버(130a) 간의 이격거리를 넓혀 루버(130a) 사이의 단면적을 증가시킨다. 루버(130a) 사이의 단면적이 증가하면 유동 압력강하가 감소하게 되며, 결과적으로 냉매체의 공급유량이 증가하게 될 것이다.

덧붙여서, 다수의 루버(130a)는 이들 사이에 하나 이상의 핀(130b;fin)을 추가로 배치한다. 하나 이상의 핀(130b)은 루버(130a)의 끝단 사이에 형성된 단면적을 강제로 감소시켜 냉매체의 유속을 증가시킬 수 있을 것이다. 즉, 방열기판과 루버(130a) 그리고 핀(130b)과 접촉된 고온의 냉매체가 신속하게 슬롯(131)을 향해 유동할 수 있게 한다. 핀(130b)도 루버(130a)의 만곡형상과 유사하게 만곡되어 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 전력 반도체 모듈용 방열 시스템은 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10 ----- 방열 기판
100 ----- 방열 시스템
110 ----- 유입구
130 ----- 구획판
130a ----- 루버
130b ----- 핀
150 ----- 유출구
200 ----- 하우징
300 ----- 커버

Claims

프레임과;
상기 프레임을 가로질러 배치되고, 냉매체의 공급용 유입구와 상기 유입구 둘레에서 방사상으로 뻗어 있는 다수의 루버 및 가장자리 둘레에 형성된 슬롯을 구비한 구획판;
상기 프레임과 상기 구획판으로 한정된 확산 챔버;
상기 구획판과 소정의 간격을 두고 상기 프레임의 하부에 배치되며, 냉매체의 배출용 유출구를 구비한 하부 플레이트; 및
상기 프레임과 상기 구획판 및 상기 하부 프레임으로 한정되고, 상기 확산 챔버와 유체연통되어 있는 회수 챔버;를 구비하고,
상기 확산 챔버는 회수 챔버 상에 배치하여 복층 구조로 이루어진 방열 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 프레임의 상부는 전력 반도체 모듈의 방열 기판으로 폐쇄되는 방열 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 확산 챔버는 상기 구획판의 슬롯을 통해 상기 회수 챔버와 유체연통되는 방열 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 유입구는 상기 구획판의 중앙 영역에 형성되는 방열 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 다수의 루버는 상기 구획판에서 수직상방으로 돌출되어 있는 방열 시스템.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 루버의 돌출 높이는 상기 구획판과 상기 프레임의 상부에 안착될 상기 방열 기판 사이의 이격거리와 동일하거나 이보다 낮은 크기를 가진 방열 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 다수의 루버는 상기 구획판의 중앙 영역에서 가장자리를 향해 만곡되게 방사상으로 뻗어 있는 방열 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 다수의 루버는 상기 구획판의 중앙 영역에서 가장자리로 갈수록 인접한 루버와의 이격거리를 넓혀지게 배치한 방열 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 다수의 루버는 이들 사이에 하나 이상의 핀을 추가로 배치하는 방열 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 핀은 상기 다수의 루버 끝단 사이에 배치되는 방열 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 유입구는 상기 구획판으로부터 상기 하부 플레이트를 지나 하방으로 뻗어 있는 방열 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 방열 시스템과 전력 반도체 모듈의 안착을 돕는 하나 이상의 중공부를 갖춘 하우징과 상기 하우징의 하부에 배치된 커버를 추가로 구비하는 방열 시스템.
청구항 12에 있어서,
상기 커버는 상기 유입구와 상기 유출구를 통과시키는 관통구멍을 형성하는 방열 시스템.