KR20170016952A - 냉각 장치, 냉각 장치의 제조 방법 및 전력 회로 - Google Patents

냉각 장치, 냉각 장치의 제조 방법 및 전력 회로 Download PDF

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Abstract

냉각 장치(10)는 알루미늄 냉각 몸체(26)와 적어도 하나의 니켈 금속 시트(90, 90')를 구비한다. 니켈 금속 시트(90, 90')는 솔더층(36)에 의해 알루미늄 냉각 몸체(26)에 연결된다. 냉각 장치(10)는 실장 및 열 교환을 위하여, 알루미늄 냉각 몸체(26)로부터 멀어지게 향하는 니켈 금속 시트의 측면에 의해 형성되는 실장 표면(92, 92')을 구비한다. 또한, 냉각 장치를 제조하는 방법 및 여기에 기재된 것과 같은 냉각 장치(10)를 구비하는 전력 스위치 또한 개시된다.

Description

냉각 장치, 냉각 장치의 제조 방법 및 전력 회로{COOLING DEVICE, METHOD FOR PRODUCING A COOLING DEVICE AND POWER CIRCUIT}
본 발명은 냉각 장치, 그 냉각 장치의 제조 방법, 및 냉각 장치가 장착된 전력 회로에 관한 것이다.
자동차 응용분야에는 특히 전기 또는 전가 회로 또는 전력 반도체 또는 기타 전자 또는 전기 부품들이 사용되며, 작동 중 열 손실은 냉각 요소들(colling elements)에 의해 분산되어야 한다. 냉각 요소들은 통상 양호한 열 전도 특성으로 인해 알루미늄으로 만들어지며, 회로는 구리를 베이스로 하는 인쇄 회로 기판 또는 유사한 캐리어에 의해 형성된다. 양호한 열 전달을 보장하기 위하여, 구리층은 알루미늄 냉각 요소 상에 평면 방식으로 실장된다. 상이한 열 팽창 계수(thermal expansion coefficient)의 결과로, 온도 사이클(temperature cycle)은 분리 발생을 유발할 수 있으며, 이는 서비스 수명 및 신뢰성에 부정적인 영향을 미친다.
따라서 본 발명이 해결하려는 과제는, 보다 긴 수명을 갖는 냉각된 회로의 생산을 가능하게 하는 가능성을 입증하는 것이다.
이 목적은 독립항의 주제에 의해 충족된다. 바람직한 실시예는 종속항의 특징 및 본 설명을 참조하여 명백해진다.
알루미늄 냉각 요소와 그 위에 실장된 인쇄 회로 기판의 알루미늄층 사이의 기계적 응력은 불량을 유발하고 신뢰성은 그러한 응력을 감소함으로써 증가할 수 있다고 인식되어왔다.
냉각 요소와 상기 냉각 요소에 적용될 수 있는 인쇄 회로 기판의 구리층 사이의 기계적 응력을 상기 두 구성 요소 사이의 연결을 설정하거나 인쇄 회로 기판(또는 구리층)을 장착하기 위해 제공되는 니켈 금속 시트에 의해 감소시키는 것이 제안된다. 금속 시트(그 두께가 예를 들어 아연 도금 니켈층의 두께를 초과하는 경우)를 사용함으로써, 그 응력은 상기 금속 시트의 두께를 따라 완화될 수 있다. 금속 시트의 두께는 (얇은 솔더 단순화 층과 달리) 금속 시트의 길이 방향으로의 변형이 가능하다. 니켈 금속 시트는 금속 시트의 반대되는 측면에 대해 냉각 요소에 연결된 측면에서 변형될 수 있으며, 이로써 응력이 흡수되어 완화된다. 따라서, 이는 금속 시트에 의해 두께 방향(즉, 길이 방향에 수직인)으로 나타나는 니켈의 탄성 특성(resilient properties)을 이용한다. 마찬가지로, 냉각 요소로부터 멀어지게 향하는 금속 시트의 측면은 구리를 실장하기 위한 양호한 솔더 특성을 제공한다. 따라서 금속 시트는 또한 재료 전이(material transition)를 가능하게 한다.
따라서, 알루미늄 냉각 요소 및 적어도 하나의 니켈 금속 시트를 갖는 냉각 장치가 기술된다. 상기 냉각 장치는 회로상에, 특히 회로 배열의 구리층 상에 실장되도록 설계된다. 니켈 금속 시트는 여기서 구리층이 실장되는 실장 표면 형상으로 (평면적인) 열 전달 인터페이스를 형성한다. 적어도 하나의 니켈 금속 시트는 알루미늄 냉각 요소 위에, 특히 솔더층에 의해 솔더링된다. 이는 니켈 금속 시트를 (직접) 알루미늄 냉각 요소에 연결한다. 솔더층은 특히 경질(hard) 솔더층이다.
상기 냉각 장치는 실장의 목적과 열 흡수의 목적을 위한 실장 표면을 갖는데, 상기 실장 표면은 열 전달 인터페이스의 기능을 갖는다. 상기 실장 표면은 니켈 금속 시트의 일 측면에 의해 형성된다. 이 측면은 알루미늄 냉각 요소(따라서 금속 시트와 냉각 요소 사이의 솔더층 또한)와 멀어지게 향한다. 이 측면은 비록 적용될 인쇄 회로 기판의 진행에 적용될 수 있지만, 실질적으로 평평하다. 니켈 금속 시트의 두께는 금속 시트의 각 지점에서 실질적으로(즉, +/- 1% 또는 +/- 0.1% 이하의 공차로) 동일한 것이 바람직하다.
하나 이상의 니켈 금속 시트가 (특히 솔더층에 의해) 냉각 요소 상에 실장될 수 있다. 복수의 니켈 금속 시트는 냉각 요소의 표면상에 직접 또는 상호 이격되게 실장될 수 있다. 복수의 니켈 금속 시트는 냉각 요소의 동일한 측면, 서로 다른 측면, 또는 반대되는 측면 상에 제공될 수 있다. 특히, 각각의 니켈 금속 시트 또는 복수의 각 니켈 금속 시트가 냉각 요소의 (두 개의) 대향하는 (바람직하게는 상호 평행한) 측면 상에 실장될 수 있다. 이미 언급한 바와 같이, 적어도 하나의 니켈 금속 시트는 냉각 요소 상에, 특히 솔더 연결부와 같은 재료-맞춤 연결부(material-fitting connection)에 의해(즉, 솔더층에 의해) 재료-맞춤으로 실장된다. 특히, 냉각 요소는 양면에 적어도 하나의 니켈 금속 시트가 제공되어 인쇄 회로 기판 또는 회로가 양면에 도포될 수 있게 한다. 냉각 요소는 특히 평면이고, 바람직하게는 실질적으로 입방형(cuboidal)이다. 냉각 요소는 냉각 요소의 외측에서, 특히 냉각 핑거(cooling finger)에서 주변 열 매체(공기)로 열을 방츨하는 냉각 핑거를 가질 수 있거나, 또는 냉각 채널을 통해 흐르는 열 매체(액체, 특히 기름 또는 물)로 열을 방출하도록 냉각 요소를 통해 연장하는 냉각 채널을 가질 수 있다.
알루미늄 냉각 요소는 복수의 알루미늄 시트로 형성될 수 있다. 이들은 서로 겹쳐 적층된다. 이들은 또한 특히 솔더층, 바람직하게는 경질 솔더층에 의해 서로 연결된다. 적어도 하나의 알루미늄 시트는 컷 아웃(cutout)을 갖는다. 컷 아웃을 갖는 적어도 하나의 알루미늄 시트는 알루미늄 시트 중 두 개의 알루미늄 시트에 의해 양 측면이 덮이거나, 한쪽이 알루미늄 시트로, 다른 한쪽은 금속 시트로 덮여있다. 상기 컷 아웃은 냉각 채널을 형성한다. 컷 아웃은 알루미늄 시트의 전체 두께 또는 관련 알루미늄 시트의 일부분을 관통하여 연장된다. 컷 아웃은 예를 들어 그루브(groove) 형태이다. 컷 아웃은 알루미늄 시트의 가장자리로 연결된다. 컷 아웃은 구불한(meandering) 종 방향 진행(longitudinal progression)을 가질 수 있는데, 컷 아웃의 종 방향 진행은 알루미늄 시트의 종 방향 범위의 하나, 바람직하게는 두 개의 다른 방향으로 연장된다. 따라서 컷 아웃은 평면으로 연장하는 것이 바람직하다. 컷 아웃은 그리드(grid)를 따라서 하나 또는 두 방향으로 형성될 수 있다. 컷 아웃은, 예를 들어, 천공되거나(punched) 밀링되거나(milled) 주조된다. 알루미늄 시트는 특히 솔더층에 의해 서로 연결된다. 솔더층은 알루미늄 시트를 서로에 대해 밀봉한다. 다른 밀봉 요소(예를 들어 실리콘과 같은 탄성 실링 재료의 층) 또한 알루미늄 시트 사이에 제공될 수 있으며, 알루미늄 시트는 예를 들어 알루미늄 시트를 통해 연장되는 나사 연결부와 같은 실장 요소에 의해 서로 연결된다. 알루미늄 시트 중 하나는 평평한 또는 냉각 채널로 돌출하는 막대 모양의 냉각 핀(cooling fin)을 가질 수 있다. 막대 모양의 냉각 핀을 갖는 디자인은 또한 핀 핀 구조(pin fin structure)로 알려져 있으며, 냉각 핀은 평평한(바람직하게는 균일한) 방식으로 분포된다. 냉각 핀들은 특히 알루미늄 냉각 요소의 내부로, 즉 적어도 하나의 냉각 채널 안으로 연장하며, 따라서 (기능적 측면에서) 터뷸레이터로 간주될 수 있다.
알루미늄 시트들은 특히 압연(rolled) 알루미늄 시트이며, 경질 솔더에 의해 솔더링될 수 있다. 냉각 요소와 특히 알루미늄 시트들은 바람직하게는 590℃ 정도 이상의 녹는 점을 가지며, 바람직하게는 경질 솔더로서(알루미늄 시트들을 연결하기 위해 및/또는 니켈 금속 시트를 실장하기 위해, 즉 솔더층으로서) 8 내지 15질량%의 실리콘을 함유하는 알루미늄이 사용된다. 경질 솔더의 주조 온도는 670 내지 740℃이고, 응고 범위는 570 내지 590℃인 것이 바람직하다. 경질 솔더로서, 특히 AlSi12가 사용될 수 있다. 7 내지 13질량%의 실리콘을 함유하는 모든 알루미늄 합금은 경질 솔더로서 적합하다. 또한, 경질 솔더의 용융 범위는 575℃ 내지 615℃일 수 있다.
특히, 냉각 요소, 특히 알루미늄 시트는 2질량% 미만의 마그네슘을 함유함으로써, (솔더 물질과 함께) 양호한 사용성을 달성한다. 냉각 요소 및 특히 알루미늄 시트는 내 부식성을 보장하기 위해 70질량% 이상의 알루미늄을 함유한다. AlMg5Si2Mn을 포함하여 압연 (또는 주조) 알루미늄 시트를 사용할 수 있다. 알루미늄 시트의 낮은 용융 한계는 이 경우 예를 들어 594℃이다. 알루미늄 요소가 알루미늄 시트 스택으로서 형성되지 않는다면, 여기에 언급된 알루미늄 시트가 제조되는 재료로 제조될 수 있다. 따라서 위의 세부 사항은 알루미늄 시트와 알루미늄 냉각 요소에 동일하게 적용된다.
"알루미늄 시트"와 "알루미늄 냉각 요소"라는 용어는 "알루미늄"이라는 단어를 포함하는데, 따라서 주요 구성이 알루미늄이라는 것을 나타낸다. 따라서, "알루미늄"이라는 단어는 100%(질량으로)의 알루미늄 함량을 지칭하지 않고, 언급된 바와 같이 첨가제가 배제되지 않는 알루미늄을 주성분으로 하는 합금을 지칭할 수 있다.
상기 적어도 하나의 니켈 금속 시트는 70% 이상, 85% 이상, 또는 95% 이상, 98% 또는 99%(질량기준) 이상의 니켈을 함유한다. 니켈 금속 시트는 금속 코어(metal core)와 이 금속 코어를 둘러싸는 니켈층을 구비할 수 있다. 니켈층의 니켈 함량은 70% 이상, 85% 이상, 또는 95% 이상, 98% 또는 99% 이상이다. 니켈 금속 시트의 열 전도도는 바람직하게는 70 이상, 75 이상 그리고 특히 85 또는 90W/m*K 이상인 것이 바람직하다. 니켈 금속 시트는 알루미늄 냉각 요소 또는 관련 알루미늄 시트에 연결되기 전에, (알루미늄 냉각 요소 쪽으로 향하는) 일 측면 또는 양 측면에 경질 솔더층을 구비할 수 있다. 니켈 금속 시트는 알루미늄 냉각 요소 쪽으로 향하는 경질 솔더층 및 대향 측면 상의 연질 솔더층을 가질 수 있다. 이러한 방식으로 적어도 하나의 솔더층(또는 적절한 솔더링 재료)이 제공되는 이 니켈 금속 시트는 알루미늄 냉각 요소와 함께 (예를 들어 퍼니스(furnace)에서) 적층되고 솔더링된다.
니켈 금속 시트는 200, 500, 800㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다. 특히, 시트 두께(미세 시트의 의미에서)로서 1㎜ 또는 1.5㎜가 사용된다. 니켈 금속 시트(및 적어도 하나의 알루미늄 시트)는 특히 자르거나 펀칭에 의해 관련 재료의 밴드 또는 스트립을 분리함으로써 생성될 수 있다.
자유 내부 단면(free internal cross-section)을 갖는 또는 터뷸레이터가 내장된 냉각 채널이 상기 냉각 요소 내에 제공될 수 있다. 터뷸레이터는 냉각 채널의 내부 벽에 연결된 물리적으로 분리된 요소(예를 들어 접힌 금속 시트)이거나, 또는 측 방향 컷 아웃에 의해 형성되거나, 또는 채널 내로 돌출되는 요소 부분에 의해 형성된다.
여기에 기술된 냉각 장치의 제조 방법이 더 설명된다. 상기 방법의 틀 내에서, 솔더 재료는 예를 들어 압착하거나 또는 롤링에 의해, 특히 솔더 물질(특히 냉각 요소 내부의 경질 솔더 재료)을 형성하는 시트 또는 필름으로서 프리폼(preform)을 도포 또는 삽입함으로써 적어도 하나의 알루미늄 시트의 연결 표면에 도포된다. 알루미늄 시트들은 적층된다. 특히, 이미 솔더 재료가 제공된 알루미늄 시트가 적층되거나, 또는 알루미늄 시트가 시트 또는 필름으로 형성된 솔더 재료와 교대로 적층된다. 솔더 재료는 용융되어 알루미늄 시트들 사이에 적어도 하나의 솔더층을 형성한다. 이는, 예를 들어 알루미늄 시트를 솔더 재료와 함께 예를 들어 퍼니스에서 가열함으로써 수행된다. 퍼니스는 비워질 수 있거나 내부에 질소 분위기를 구비할 수 있다. 그 결과, 알루미늄 냉각 요소는 적층형 알루미늄 시트 구조로 생성될 수 있다. 상기 솔더 재료 외에 특히 플럭스(flux)가 사용될 수 있다.
상기 방법의 틀 내에서, 상기 적어도 하나의 니켈 금속 시트는 또한 알루미늄 시트 중 하나, 특히 알루미늄 냉각 요소의 바깥 면을 형성하는 알루미늄 시트 중의 하나 위에 배치된다. 솔더 재료는 니켈 금속 시트와 알루미늄 시트 사이에 위치한다. 따라서, 니켈 금속 시트 또는 관련 알루미늄 시트의 연결 표면에 솔더 재료를 도포할 수 있다.
니켈 금속 시트와 알루미늄 시트 사이에 위치하는 솔더 재료는 알루미늄 시트들 사이의 솔더 재료와 동일한 단계에서 용융된다. 따라서 니켈 금속 시트와 알루미늄 시트 사이에 위치하는 솔더 재료와 알루미늄 시트들 사이의 솔더 재료는, 예를 들어 적층된 알루미늄 시트 및 적어도 하나의 니켈 금속 시트를 가열하여 솔더 재료를 용융시키는 퍼니스(furnace)에 도입함으로써 하나의 동일한 단계에서 가열되고 용융될 수 있다. 솔더층은 니켈 금속 시트와 알루미늄 냉각 요소 사이에, 특히 (예를 들어 퍼니스에서) 하나의 동일한 가열 단계로 형성된다.
적어도 하나의 알루미늄 시트는 적층 과정 전에 펀칭될(punched) 수 있다. 인접한 시트 또는 금속 시트에 의해 종단되는 냉각 채널을 형성하는 컷 아웃은 펀칭 과정의 결과로서 형성된다. 이 알루미늄 시트는 적층 과정에서 두 알루미늄 시트 사이 또는 알루미늄 시트와 니켈 금속 시트 사이에 삽입된다. 냉각 채널은 주위의 알루미늄 시트에 의해 (또는 주위의 알루미늄 시트와 니켈 금속 시트에 의해) 적층 과정의 결과로서 형성된다. 인접 부품들과 함께 적어도 하나의 냉각 채널을 형성하는 상기 컷 아웃들이 펀칭 과정의 결과로서 생성된다. 터뷸레이터(turbulator)가 (개별 요소로서) 또한 적층 과정에서 컷 아웃 내에 삽입 및/또는 그 안에 실장될 수 있다. 솔더 재료는 여기에서 터뷸레이터와 인접 알루미늄 시트 또는 니켈 금속 시트 사이에 도입되어, 알루미늄 시트들 사이의 솔더 재료와 니켈 금속 시트와 알루미늄 시트 중 하나 사이의 솔더 재료와 함께, 터뷸레이터와 인접 시트 또는 금속 시트 사이의 솔더 재료가 용융되어 솔더층을 형성한다. 경질(hard) 솔더의 솔더 재료, 특히 실리콘을 함유하는 알루미늄 솔더가 여기에서 사용된다. 솔더 재료는 450℃ 이상의 용융점을 갖는 것이 바람직하다.
다음 단계에서, 인쇄 회로 기판 또는 구리 도전층을 갖는 다른 캐리어(또는 단순히 구리 도전층 자체)가 연질 솔더링(soft soldering)에 의해 니켈 금속 시트 상에 솔더링될 수 있다. 여기서 온도는 위에서 언급한 솔더 재료의 용융점 아래이다.
여기에 언급한 바와 같이 알루미늄 냉각 요소 및 니켈 금속 시트를 갖는 냉각 장치를 구비하는 전력 회로가 더 설명되며, 상기 전력 회로는 인쇄 회로 기판을 더 구비한다. 인쇄 회로 기판은 양면에 도전층, 특히 구리 도전층이 제공된다. 따라서 도전층 및 인쇄 회로 기판은 솔더층(바람직하게는 연질 솔더)을 통해 니켈 금속 시트에, 특히 니켈 금속 시트에 의해 형성된 실장 표면에 연결된다. 전력 회로는 또한 니켈 금속 시트로부터 멀어지게 향하는 인쇄 회로 기판의 측면 상에(즉, 대향 도전층 상에) 실장된 적어도 하나의 반도체 또는 다른 전자 또는 전기 부품을 구비한다. 인쇄 회로 기판과 실장 표면 사이, 또는 상기 부품과 인쇄 회로 기판 사이의 솔더층은 특히 연질 솔더를 포함한다. Sn계 연질 솔더는 바람직하게 Ag 첨가제, 특히 SnAg3.5 그룹의 연질 솔더, 또는 변형 SnAg3Cu0.5 및 Sn95.75Ag3.5Cu0.75와 함께 사용될 수 있다.
상기 반도체는 비수용 반도체(unhoused semiconductor) 형태의 전력 반도체일 수 있다. 상기 반도체는 연질 솔더층에 의해 인쇄 회로 기판 상에 실장된다. 상기 반도체(또는 부품)는 상기 인쇄 회로 기판이 냉각 장치 상에(또는 알루미늄 냉각 요소 상에 또는 실장 표면/니켈 금속 시트 상에) 솔더링되는 동일한 단계에서 (냉각 장치, 인쇄 회로 기판 및 반도체/부품과 함께) 퍼니스에서 관련 (연질)솔더 재료를 가열함으로써 인쇄 회로 기판 상에 솔더링될 수 있다. 그 동안, 퍼니스에 제공되는 온도는 부품과 인쇄 회로 기판 사이의 솔더 재료 및 인쇄 회로 기판과 냉각 요소 사이의 솔더 재료의 용융점보다 높고, 냉각 장치 내부에 위치하는 솔더 재료 또는 솔더층의 용융점보다는 낮다.
상기 전력 회로는, 특히 차량의 전기 모터 전력 제어, 차량 배선 시스템의 인버터 또는 정류기 회로의 전압 또는 전류 전력 변환기를 형성한다. 전력 회로는 다중 위상 설계, 특히 3상 설계를 갖는 것이 바람직하다. 전력 회로는 특히 50A, 100A, 200A 또는 500A 이상의 전류에 대한 전류 운반 용량을 갖는 회로를 지칭한다.
특히, 직접 구리 접합된 인쇄 회로 기판이 상기 인쇄 회로 기판으로 사용되고, 구리 적층(lamination)을 또한 갖는 인쇄 회로 기판은 선택 사항이다. 인쇄 회로 기판으로서 기판(substrate)을 사용하는 것 또한 가능한데, 여기서 기판은 도전층이 처음에 개개의 시트로서 구성되고, 개별적인 도전 경로 또는 연결 구조는 예를 들어 펀칭에 의해 생성되며, 이 연결 구조는 이후에 예를 들어 (전기 절연성) 기판의 재료로 연결 구조를 인서트 몰딩함으로써 형성될 수 있다.
도 1은 전력 회로와 전력 회로와 관련된 냉각 요소를 단면으로 보여준다.
도 1은 서로 적층된 복수의 알루미늄 시트들(20, 22, 24)을 포함하는 냉각 장치(10)를 단면으로 보여준다. (솔더층, 입구(inlet), 출구(outlet), 터뷸레이터, 실장 요소들,...과 같은 관련 요소들을 포함하는) 알루미늄 시트들은 알루미늄 냉각 요소를 형성한다. 알루미늄 시트들은 서로 겹쳐져서 적층된다. 알루미늄 시트들(20, 24) 사이에 위치하는 알루미늄 시트(22)는 냉각 채널을 형성하는 컷 아웃(50, 52)을 갖는다. 이 냉각 채널은 냉각 요소(10)의 외부 표면까지, 특히 예를 들어 도면의 평면으로부터 벗어나게 위치하는 에지(edge)까지 이른다. 입구와 출구가 제공될 수 있는데, 냉각 채널의 단부에 위치한다.
알루미늄 시트(20 내지 24)는 솔더층(30, 32)에 의해 서로 연결되고, 각각의 솔더층은 두 인접하는 알루미늄 시트들 사이에 위치한다. 솔더층은 특히 알루미늄 시트가 서로 접하는 지점에 위치하며, 솔더 재료 또는 솔더층이 컷 아웃(50, 52)에 제공되지 않을 수도 있다. 도시된 바와 같은 주름진 시트로 형성된 터뷸레이터들(40)은 컷 아웃(50, 52) 내에 위치할 수 있다. 이들 터뷸레이터는 개별 솔더층 부분(34)에 의해 인접하는 알루미늄 시트들(20, 24)에 연결될 수 있다. 그러나 터뷸레이터들(40)은 선택 사항이며 또한 생략될 수 있다. 컷 아웃(50, 52)은 중간 알루미늄 시트(22)의 전체 두께를 관통하여 연장된다. 그 결과, 컷 아웃(50, 52)은 마찬가지로 컷 아웃을 갖는 시트(22)가 놓인 시트(20, 24)에 의해 종단되는 각각의 냉각 채널(또는 공통 냉각 채널의 냉각 채널 부분)을 형성한다.
적층된 알루미늄 시트의 외측에, 특히 컷 아웃(50, 52)으로부터 멀어지는 외측 알루미늄 시트(20, 24)의 주 표면 상에 위치하며, 솔더층(36)에 의해 알루미늄 시트(24)에 연결된 니켈 금속 시트(90)가 있다. 솔더층(30 내지 36)은 경질 솔더층이고, 일반적인 용융 공정에서 퍼니스 안에서 생성될 수 있다.
니켈 금속 시트(90)는 알루미늄 시트(20-24)로부터 멀어지게 향하는 실장 표면(92)을 형성한다. 이 실장 표면(92)은 니켈 금속 시트(90)의 상부 측, 특히 솔더층(70)이 형성된 니켈 금속 시트(90)의 표면에 의해 형성된다. 솔더층(70)은 특히 연질 솔더를 포함한다. 냉각될 전자 또는 전기 부품들은 상기 실장 표면 상에 실장될 수 있다.
본 발명에 따른 냉각 요소(10) 외에, 도 1은 실장 표면(92) 상에 위치하는 인쇄 회로 기판(60)을 보여준다. 따라서, 본 발명에 따른 냉각 요소(10) 외에도 도 1은 냉각 요소(10)를 포함하고 또한 전력 회로를 형성하는 전력 회로를 보여준다. 인쇄 회로 기판(60)은 양면에 제1 도전층(62) 및 제2 도전층(64)이 도포된 인쇄 회로 기판이다. 제1 도전층(62)은 연질 솔더층(70)에 의해 니켈 금속 시트(90)에 연결되어 인쇄 회로 기판(60)은 제1 도전층(62)에 의해 냉각 요소(10)의 실장 표면에 연결된다. 대향하는 제2 도전층(64)은, 또한 다른 전기 또는 전자 부품, 특히 전력 부품을 나타내는 반도체(80)를 실장하는 역할을 한다.
층(70)과 같이 연질 솔더층으로 형성된 솔더층(72)은 반도체(80)를 냉각 요소(10)로부터 멀어지게 향하는 제2 도전층(64)에 연결한다. 반도체(80)는 비수용 반도체, 예를 들어 트랜지스터, 특히 IGBT 또는 MOSFET이다. 반도체(80)는 인쇄 회로 기판(60) 상에 실장될 수 있는 다수의 부품을 나타내는 단순히 하나의 예시이다.
보다 양호한 도시를 위해, 인쇄 회로 기판(60)은 도 1의 니켈 금속 시트보다 좁은 것으로 도시되어 있지만, 인쇄 회로 기판은 다른 실시예에서는 솔더층을 넘어 또한 냉각 장치(10)를 넘어 연장될 수 있다. 특히, 발산될 열을 생성하는 전력 반도체 또는 전력 부품들은 여기서 발산될 열을 위한 열전도 경로가 짧게 유지되도록 실장 표면(92) 상에 배치되어 것이 바람직하다.
냉각 요소(10)는 또한 일 측에 니켈 금속 시트(90) 및 실장 표면(92)을 구비할 뿐만 아니라, 양측에 니켈 금속 시트를 구비할 수도 있다. (알루미늄층(20 내지 24)에 의해 형성된) 알루미늄 요소의 대향 층 상의 니켈 금속 시트(90)에 대향되게 위치하는 선택적인 니켈 금속 시트(90')가 예로서 여기에 도시된다. 이 두 번째 니켈 금속 시트(90')는 또한 부품 또는 인쇄 회로 기판이 열을 방출하기 위하여 실장될 수 있는 실장 표면(92')을 갖는다. 니켈 금속 시트(90)와 마찬가지로, 니켈 금속 시트(90')는 경질 솔더층(36')에 의해 알루미늄 냉각 요소에(즉, 알루미늄 시트에) 연결된다. 이미 언급한 바와 같이, 알루미늄 냉각 요소는 적용가능한 터뷸레이터(40)를 포함하여 알루미늄 시트들(20, 22, 24)과 이들 사이에 놓인 솔더층(30, 32)에 의해 형성된다. 다른 실시예들(도시 생략)에서, 알루미늄 냉각 요소는 또한 중단된 알루미늄 시트들 이외의 방식으로, 예를 들어 연속 알루미늄 요소 또는 냉각 채널들이 통합된 알루미늄 요소로써 예시될 수 있다. 내부 냉각 채널들 외에, 알루미늄 냉각 요소는, 특히 알루미늄 냉각 요소의 표면 상에 냉각 핀을 구비할 수 있어서, 대안적으로 또는 추가적으로 열은 (또한 냉각 채널을 통해서만이 아니라) 냉각 요소의 표면을 통해 방출될 수 있다.
10: 냉각 장치
20, 22, 24: 알루미늄 시트
26: 알루미늄 냉각 요소
30, 32, 36: 솔더층, 특히 경질 솔더층
34: 터뷸레이터를 실장하기 위한 경질 솔더층
40: 터뷸레이터
50, 52: 알루미늄 시트 또는 알루미늄 냉각 요소(26)의 컷 아웃
60: 인쇄 회로 기판
62, 64: 인쇄 회로 기판(60)의 도전층
70, 72: 솔더층, 특히 연질 솔더층
80: 반도체(바람직하게는, 비수용)
90, 90': 니켈 금속 시트
92, 92': 실장 표면

Claims (11)

  1. 냉각 장치(10)로서,
    알루미늄 냉각 요소(26)와, 솔더층(36)에 의해 상기 알루미늄 냉각 요소(26)에 연결된 적어도 하나의 니켈 금속 시트(90, 90')를 포함하되, 상기 냉각 장치(10)는 실장 목적 및 열 흡수의 목적으로, 니켈 금속 시트(90)의 알루미늄 냉각 요소(26)로부터 멀어지게 향하는 측면에 의해 형성되는 실장 표면(92, 92')을 구비하는, 냉각 장치(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 니켈 금속 시트(90, 90')는 솔더층(36)에 의해 상기 알루미늄 냉각 요소(26)에 직접 연결된, 냉각 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 냉각 요소(26)는 서로 적층되고 연결된 복수의 알루미늄 시트들(20, 22, 24)에 의해 형성되고, 적어도 하나의 알루미늄 시트(22)는 상기 알루미늄 시트(20, 24) 중 적어도 하나에 의해 덮인 냉각 채널을 형성하는 컷 아웃(50)을 구비하는, 냉각 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 알루미늄 시트들은 솔더층(30, 32)에 의해 서로 연결되는, 냉각 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 알루미늄 시트(20 내지 24)는 압연 알루미늄 시트로서, 경질 솔더에 의해 솔더링될 수 있는, 냉각 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 니켈 금속 시트(90, 90')는 적어도 70질량%, 85질량% 및 바람직하게는 95질량%, 98질량% 또는 99질량%의 니켈을 함유하고, 또는 상기 니켈 금속 시트는 금속 코어와 상기 금속 코어를 둘러싸면서 적어도 70질량%, 85질량% 및 바람직하게는 95질량%, 98질량% 또는 99질량%의 니켈을 함유하는 니켈층을 구비하는, 냉각 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 니켈 금속 시트(90, 90')는 적어도 200, 500 또는 800㎛의 두께를 갖는, 냉각 장치.
  8. 제1항의 냉각 장치(10)를 제조하는 방법으로서,
    (a) 적어도 하나의 알루미늄 시트(20, 22, 24)의 연결 표면에 솔더 재료를 도포하는 단계;
    (b) 상기 솔더 재료가 도포된 상기 적어도 하나의 알루미늄 시트를 포함하는 알루미늄 시트들(20, 22, 24)을 적층하는 단계;
    (c) 상기 알루미늄 시트(20, 22, 24)를 솔더 재료와 함께 가열함으로써 상기 솔더 재료를 용융시켜 상기 알루미늄 시트들 사이에 적어도 하나의 솔더층(30, 32)을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 알루미늄 냉각 요소(26)는 적층된 알루미늄 시트 구조로서 생성되며, 상기 방법은,
    (d) 상기 니켈 금속 시트(90, 90')를 상기 알루미늄 생각 요소(26)의 바깥 면을 형성하는 상기 알루미늄 시트(24) 중의 하나 위에 배치하는 단계를 더 포함하되, 상기 솔더 재료는 상기 니켈 금속 시트(90)와 상기 알루미늄 시트(24) 사이에 위치하고, 상기 니켈 금속 시트(90)와 알루미늄 시트(24) 사이에 위치하는 상기 솔더 재료는 상기 니켈 금속 시트(90, 90')와 상기 알루미늄 냉각 요소(26) 사이에 솔더층(36)을 형성하기 위한 (c) 단계의 가열 과정에 의해 용융되는, 냉각 장치의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적층 과정 전에, 상기 적층 과정의 결과로서 상기 적어도 하나의 알루미늄 시트(22)가 펀칭되어 주위 알루미늄 시트(20, 24)에 의해 냉각 채널을 형성하는, 냉각 장치의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 냉각 장치(10)를 포함하는 전력 회로로서,
    상기 전력 회로는 양면에 도전층(62, 64)이 형성된 인쇄 회로 기판(60)을 더 포함하되, 상기 인쇄 회로 기판은 솔더층(70)에 의해 니켈 금속 시트(90)에 연결되고, 그리고 상기 전력 회로는, 상기 인쇄 회로 기판(60) 상에서, 상기 인쇄 회로 기판(60)의 니켈 금속 시트(90)로부터 멀어지게 향하는 면 상에 실장된 적어도 하나의 반도체(80)를 더 포함하는, 전력 회로.
  11. 제10항에 있어서, 상기 반도체(80)는 연질 솔더층(62)에 의해 상기 인쇄 회로 기판 상에 실장되는 비수용 반도체(unhoused semiconductor) 형태의 전력 반도체인, 전력 회로.
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