KR20230160459A - 파워모듈용 냉각기 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 열전도도를 가지면서도 이종재질 접합문제를 해결할 수 있는 파워모듈용 냉각기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 구리소재의 금속을 단조 성형하여 냉각핀을 제작하는 단계, 냉각핀을 주조 금형에 인서트로 삽입하여 장착하는 단계, 상기 주조 금형에 상기 알루미늄합금을 포함하는 용탕을 주입하여 상기 냉각핀의 외측면에 상기 접합체를 주조하는 단계 및 주조된 결과물을 상기 알루미늄합금을 포함하는 상기 케이스에 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명은 구리소재의 금속을 단조 성형하여 냉각핀을 제작하는 단계, 냉각핀을 주조 금형에 인서트로 삽입하여 장착하는 단계, 상기 주조 금형에 상기 알루미늄합금을 포함하는 용탕을 주입하여 상기 냉각핀의 외측면에 상기 접합체를 주조하는 단계 및 주조된 결과물을 상기 알루미늄합금을 포함하는 상기 케이스에 접합하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 파워모듈용 냉각기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전기차용 인버터는 전력변환을 위한 파워모듈이 핵심이 되는 부품으로써 작동 시 많은 열을 발산하기 때문에 파워모듈의 냉각방안이 중요하다.
상기 인버터는 냉각이 적절히 이뤄지지 않는 경우, 파워모듈의 온도가 일정 수준을 넘어가면 오작동 또는 고장이 발생하게 되는 심각한 문제를 발생할 수 있다.
따라서, 상기 인버터는 사용 온도가 고온조건이 될 경우, 고온 내구성이 더 우수한 고가의 칩(Chip)을 적용하여야 하며, 만약 냉각효율을 개선할 수 있다면 파워모듈의 안전성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 칩의 단가를 낮춤으로써 원가절감 효과도 기대할 수 있다.
최근 EV 및 HEV의 고효율/고성능화에 따라 파워모듈에 대한 열적인 부하가 증가함에 따라 더 높은 효율의 냉각기 개발이 요구되었다.
이에, 종래에는 인버터는 냉각을 위해 Al 압출재 냉각기, Al 단조냉각기 및 Cu 단조 냉각기 등이 사용되고 있다.
하지만, 상기 Al 압출재 냉각기의 경우, 제조방법이 용이하고 원가 측면에서도 유리하나 유로부 형상에 대한 제약으로 인해 고효율의 냉각효과를 얻기 힘들다는 단점이 있다.
그리고, Al 단조냉각기는 기존의 압출재 냉각기보다 더 높은 냉각효율을 확보하기 위한 목적으로 개발이 되었고, 단조 공법을 통해 높은 밀집도의 냉각핀을 구현하였다. 이를 통해, Al 단조냉각기는 냉각수와 접촉할 수 있는 면적을 증대시키고 냉각핀의 형상 및 배치를 통해 냉각수의 유동을 조정하여 냉각효율 증대가 가능하다. 하지만, 상기 단조냉각기는 냉각핀을 단조로 제작하고 이를 케이스에 접합하여 유로를 형성해야 하기 때문에 케이스와의 접합공정이 매우 중요하다.
그리고, Cu 단조냉각기는 Al보다 열전도도가 2배 이상 높은 Cu재질을 적용함으로써 동일 형상의 냉각핀이라 하더라도 더 높은 냉각효율을 얻는 것이 가능하다. 하지만, 상기 Cu 단조냉각기는 Al재질로 이루어진 케이스와 접합 시 Cu와 Al의 열전도도, 열팽창계수의 차이로 인하여 접합강도 및 접합품질 확보에 아직 많은 어려움이 발생한다.
따라서, 상기와 같은 배경 하에, 최근 EV 및 HEV의 고효율/고성능화에 따라 파워모듈에 대한 열적인 부하가 증가함에 따라 더 높은 효율의 냉각기 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 Cu 단조냉각기와 같은 높은 열전도도를 가지면서도 Al 재질의 케이스와의 이종재질 접합문제를 해결할 수 있는 파워모듈용 냉각기 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기는 구리소재의 금속으로 구성되어있으며, 판상의 형태인 몸체부 및 상기 몸체부의 외측면에 돌출 형성된 돌출부를 포함하는 냉각핀, 알루미늄합금 소재로 구성되어있으며, 상기 돌출부의 형상과 대응되는 내측면을 구비하여 상기 돌출부와 상기 내측면이 결합된 접합체 및 상기 알루미늄합금과 동일한 소재로 구성되어있으며, 상기 접합체의 외측면과 상면이 접합되고 내부에 수용공간이 형성된 케이스를 포함한다.
상기 몸체부는 상면에 복수개의 제1 돌기가 일정 간격으로 돌출 형성될 수 있다.
상기 돌출부는 외측면의 하측에서 상기 몸체부의 둘레를 따라 전체적으로 돌출 형성될 수 있다.
상기 돌출부는 단면이 사각형이 되도록 돌출 형성될 수 있다.
상기 돌출부는 하면에 하나 이상의 제2 돌기가 형성될 수 있다.
상기 돌출부는 하면에 복수개의 제2 돌기가 일정 간격으로 형성될 수 있다.
상기 돌출부는 하면의 일부가 일정 깊이가 함입된 형태의 굴곡면이 형성될 수 있다.
상기 접합체는 상기 냉각핀의 외측면을 감싸는 구조일 수 있다.
상기 구리소재의 금속은 구리(Cu) 99.9 질량％ 이상, 인(P) 0.004 질량％ 이하로 이루어진 합금일 수 있다.
상기 알루미늄합금은 구리(Cu) 1.5 ~ 3.5 질량％, 규소(Si) 9.6 ~ 12.0 질량％, 마그네슘(Mg) 0.3 질량％이하, 아연(Zn) 1.0 질량％ 이하, 철(Fe) 1.3 질량％이하, 망간(Mn) 0.5 질량％이하, 니켈(Ni) 0.5 질량％이하, 주석(Sn) 0.3 질량％ 이하 및 잔량의 알루미늄(Al)로 이루어진 합금일 수 있다.
상기 냉각핀은 열전도도가 400 ~ 500 W/mK 일 수 있다.
상기 파워모듈용 냉각기는 상기 수용공간에 상기 제1 돌기가 수용되는 것일 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 제조방법은 상기 냉각기의 제조방법으로서, 상기 구리소재의 금속을 단조 성형하여 상기 냉각핀을 제작하는 단계, 상기 냉각핀을 주조 금형에 인서트로 삽입하여 장착하는 단계, 상기 주조 금형에 상기 알루미늄합금을 포함하는 용탕을 주입하여 상기 냉각핀의 외측면에 상기 접합체를 주조하는 단계 및 주조된 결과물을 상기 알루미늄합금을 포함하는 상기 케이스에 접합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 단조 성형은 단조 금형의 온도를 200 ~ 300 ℃로 예열하고, 단조 압력을 500ton 이상으로 가하여 수행할 수 있다.
상기 주조하는 단계는 다이캐스팅 공법을 사용할 수 있다.
상기 주조하는 단계는 150 ℃ 이상의 온도로 상기 냉각핀을 가열시킨 후 수행될 수 있다.
상기 주조하는 단계는 상기 주조 금형의 온도를 200 ~ 300℃로 예열하고, 주조압력을 500 ton 이상으로 가하여 수행될 수 있다.
상기 케이스를 접합하는 단계는, 브레이징 또는 레이저 용접을 사용할 수 있다.
상기 케이스를 접합하는 단계는 상기 브레이징이 470 ~ 480 ℃ 온도에서 수행될 수 있다.
상기 케이스를 접합하는 단계는 상기 레이저 용접이 출력 2.8 ~ 4.5 kW 에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기는 높은 열전도도를 갖는 냉각핀을 사용함으로써 냉각효율 증대시켜 파워모듈의 작동온도 감소시킴으로써, 파워모듈 개수 축소 또는 사양 Down Grade를 통한 원가절감 효과 기대할 수 있다.
본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기는 특정한 형상을 통하여 냉각핀과 케이스 사이의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 제조방법은 단조 성형하여 구리를 포함하는 냉각핀을 제작하고, 상기 냉각핀의 외측면에 상기 알루미늄을 포함하는 접합체를 인서트 주조한 후, 주조된 결과물을 알루미늄을 포함하는 케이스에 접합하는 공정을 통하여 Cu 단조냉각기와 Al 재질의 케이스에서의 이종재질 접합문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기를 개략적으로 도시한 모습이다.
도 2는 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 단면 모식도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 돌출부의 형상을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 제조방법을 보여주는 플로우 차트이다.
도 5는 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 제조방법을 각 단계 별로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 단면 모식도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 돌출부의 형상을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 제조방법을 보여주는 플로우 차트이다.
도 5는 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 제조방법을 각 단계 별로 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 발명은 파워모듈용 냉각기에 관한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 여기서, 도 1은 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기를 개략적으로 도시한 모습이다. 그리고, 도 2는 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 단면 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기(100)의 구성에 대해 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기(100)는 구리소재의 금속으로 구성되어있으며, 판상의 형태인 몸체부 및 상기 몸체부의 외측면에 돌출 형성된 돌출부를 포함하는 냉각핀(10), 알루미늄합금 소재로 구성되어있으며, 상기 돌출부의 형상과 대응되는 내측면을 구비하여 상기 돌출부와 상기 내측면이 결합된 접합체(20) 및 상기 알루미늄합금과 동일한 소재로 구성되어있으며, 상기 접합체의 외측면과 상면이 접합되고 내부에 수용공간(31)이 형성된 케이스(30)를 포함한다.
도 2 및 도 3a를 참고하면, 상기 냉각핀(10)은 몸체부(11) 및 돌출부(12)를 포함할 수 있다. 여기서, 도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 A부분을 확대한 것이다. 구체적으로, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 돌출부의 형상을 개략적으로 도시한 것이다.
상기 냉각핀(10)은 구리소재의 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 구리소재의 금속은 구리(Cu) 99.9 질량％ 이상, 인(P) 0.004 질량％ 이하로 이루어진 합금일 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 구리소재의 금속으로 순도가 높은 Cu1100 합금을 사용할 수 있다.
상기 구리소재의 금속은 열전도도가 400 ~ 500 W/mK 일 수 있으며, 이에 따라 상기 냉각핀(10)은 열전도도가 400 ~ 500 W/mK 일 수 있다.
상기 몸체부(11)는 판상의 구조로 형성될 수 있다. 상기 몸체부(11)는 판상구조의 상면에 복수개의 제1 돌기(111)가 일정 간격으로 돌출 형성될 수 있다.
상기 돌출부(12)는 상기 몸체부(11)의 외측면에 돌출 형성된 것이다.
상기 돌출부(12)는 외측면의 하측에서 상기 몸체부(11)의 둘레를 따라 전체적으로 돌출 형성될 수 있다.
상기 냉각핀(10)은 상기 제1 돌기(111)의 반대쪽인 몸체부(11) 하면에 파워모듈이 부착될 수 있다. 본 발명은 상기 냉각핀(10) 방향에 흐르는 부동액과의 열교환을 통해 파워모듈이 냉각되는 것으로서, 파워모듈과의 열교환 효율이 높아짐에 따라 냉각성능 향상이 가능하다.
본 발명에서는 상기 돌출부(12)가 이종 재질 간의 결합력을 증대하기 위해 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
구체적으로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 돌출부(12)는 단면이 사각형이 되도록 돌출 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 돌출부(12)는 하면에 하나 이상의 제2 돌기(121)가 형성될 수 있다. 이때, 상기 돌출부(12)는 하면에 복수개의 제2 돌기(121)가 일정 간격으로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 돌출부(12)는 하면의 일부가 일정 깊이가 함입된 형태의 굴곡면(122)이 형성될 수 있다.
접합체(20)는 상기 알루미늄합금을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 알루미늄합금은 구리(Cu) 1.5 ~ 3.5 질량％, 규소(Si) 9.6 ~ 12.0 질량％, 마그네슘(Mg) 0.3 질량％이하, 아연(Zn) 1.0 질량％ 이하, 철(Fe) 1.3 질량％이하, 망간(Mn) 0.5 질량％이하, 니켈(Ni) 0.5 질량％이하, 주석(Sn) 0.3 질량％ 이하 및 잔량의 알루미늄(Al)로 이루어진 합금일 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 알루미늄합금으로 ADC12 합금을 사용할 수 있다.
상기 접합체(20)는 상기 돌출부(12)의 형상과 대응되는 내측면을 구비하여 상기 돌출부(12)와 상기 상기 접합체(20)의 내측면이 결합될 수 있다.
여기서 결합은 후술되는 인서트 주조에 의하여 이종재질의 결합이 구현될 수 있다.
상기 접합체(20)는 상기 냉각핀(10)의 외측면을 감싸는 구조일 수 있다.
상기 접합체(20)는 상기 냉각핀(10)을 고정함과 상이한 재질의 케이스(30)와 접합이 되는 부위이다.
케이스(30)는 상기 알루미늄합금과 동일한 소재로 구성된다. 구체적으로, 상기 알루미늄합금은 구리(Cu) 1.5 ~ 3.5 질량％, 규소(Si) 9.6 ~ 12.0 질량％, 마그네슘(Mg) 0.3 질량％이하, 아연(Zn) 1.0 질량％ 이하, 철(Fe) 1.3 질량％이하, 망간(Mn) 0.5 질량％이하, 니켈(Ni) 0.5 질량％이하, 주석(Sn) 0.3 질량％ 이하 및 잔량의 알루미늄(Al)로 이루어진 합금일 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 알루미늄합금으로 ADC12 합금을 사용할 수 있다.
상기 케이스(30)는 내부에 수용공간(31)이 형성될 수 있다. 상기 수용공간(31)은 상기 제1 돌기(111)가 수용되는 것일 수 있다.
상기 케이스(30)는 상기 접합체(20)의 외측면과 상면이 접합될 수 있다. 여기서 접합이 브레이징 또는 레이저 용접을 공정에 의해서 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기(100)는 상기 접합체(20)에 의해 상기 케이스(30)와 상기 냉각핀(10)이 결합됨으로써, 상기 수용공간(31)과 상기 복수개의 제1 돌기(111) 사이에 냉각 유로가 형성된 것일 수 있다.
다른 관점에서, 본 발명은 파워모듈용 냉각기의 제조방법에 관한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 상기 제조방법에서, 상기 냉각핀(10), 상기 접합체(20) 및 상기 케이스(30)에 관한 구성은 파워모듈용 냉각기(100)에서 전술한 것과 동일한 구성에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 제조방법을 보여주는 플로우 차트이다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 제조방법은 상기 냉각기의 제조방법으로서, 상기 구리소재의 금속을 단조 성형하여 상기 냉각핀을 제작하는 단계(S10), 상기 냉각핀을 주조 금형에 인서트로 삽입하여 장착하는 단계(S20), 상기 주조 금형에 상기 알루미늄합금을 포함하는 용탕을 주입하여 상기 냉각핀의 외측면에 상기 접합체를 주조하는 단계(S30) 및 주조된 결과물을 상기 알루미늄합금을 포함하는 상기 케이스에 접합하는 단계(S40)를 포함한다.
본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 제조방법의 각 단계에 대해서 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 5는 파워모듈용 냉각기의 제조방법을 각 단계 별로 도시한 것이다.
먼저, S10 단계에서는 도 5의 (A)에 도시된 바와 같이, 상기 구리소재의 금속을 준비한다. 여기서 상기 구리소재의 금속은 구리(Cu) 99.9 질량％ 이상, 인(P) 0.004 질량％ 이하로 이루어진 합금일 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 구리소재의 금속으로 순도가 높은 Cu1100 합금을 사용할 수 있다.
이어서, 도 5의 (B)에 도시된 바와 같이, 상기 구리소재의 금속을 단조 성형하여 냉각핀(10)을 제작한다. 상기 단조 성형은 단조 금형의 온도를 200 ~ 300℃로 예열하고, 단조 압력을 500ton 이상으로 가하여 수행할 수 있다.
여기서, 단조 성형은 종래로부터 공지된 방법인 것으로 이에 대한 구체적인 방법은 생략하기로 한다.
계속해서, S20 단계에서는 상기 냉각핀을 주조 금형에 인서트로 삽입하여 장착한다.
이어서, S30 단계에서는 먼저, 150 ℃ 이상의 온도로 상기 냉각핀(10)을 가열시킨다. 이어서, 상기 주조 금형에 상기 알루미늄합금을 포함하는 용탕 주입하여 접합체(20)를 주조한다. 이때, 상기 주조 금형의 온도를 200 ~ 300℃로 예열하고, 주조압력을 500 ton 이상으로 가하여 수행될 수 있다. 여기서 상기 알루미늄합금은 구리(Cu) 1.5 ~ 3.5 질량％, 규소(Si) 9.6 ~ 12.0 질량％, 마그네슘(Mg) 0.3 질량％이하, 아연(Zn) 1.0 질량％ 이하, 철(Fe) 1.3 질량％이하, 망간(Mn) 0.5 질량％이하, 니켈(Ni) 0.5 질량％이하, 주석(Sn) 0.3 질량％ 이하 및 잔량의 알루미늄(Al)로 이루어진 합금일 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 알루미늄합금으로 ADC12 합금을 사용할 수 있다.
구체적으로, 도 5의 (C)에 도시된 바와 같이, 상기 냉각핀(10)의 외측면에 상기 접합체(20)를 주조시킬 수 있다.
본 발명에서 상기 고압의 주조 공정은 종래의 공지된 방법으로서, 구체적으로는 다이캐스팅 공법을 사용할 수 있다.
마지막으로, S40 단계에서는 주조된 결과물을 응고시킨 후, 상기 케이스에 접합한다. 상기 케이스는 상기 알루미늄합금을 포함하는 것이다. 여기서, 상기 알루미늄합금은 구리(Cu) 1.5 ~ 3.5 질량％, 규소(Si) 9.6 ~ 12.0 질량％, 마그네슘(Mg) 0.3 질량％이하, 아연(Zn) 1.0 질량％ 이하, 철(Fe) 1.3 질량％이하, 망간(Mn) 0.5 질량％이하, 니켈(Ni) 0.5 질량％이하, 주석(Sn) 0.3 질량％ 이하 및 잔량의 알루미늄(Al)로 이루어진 합금일 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 알루미늄합금으로 ADC12 합금을 사용할 수 있다.
구체적으로, 도 5의 (D)에 도시된 바와 같이, 상기 접합체(20)에 의해 상기 케이스(30)와 상기 냉각핀(10)이 결합시킬 수 있다.
이때, 접합 공정은 종래로부터 공지된 방법으로서, 구체적으로 브레이징 또는 레이저 용접을 사용할 수 있다.
상기 단계에서는 브레이징 공정을 사용하는 경우, 470 ~ 480 ℃ 온도에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 단계에서는 레이저 용접 공정을 사용하는 경우, 출력 2.8 ~ 4.5 kW 에서 수행될 수 있다.
상기 단계는 동일한 재질의 접합체(20)와 케이스(30)를 접하는 공정으로서, 종래의 이종 재질의 접합에 비하여 양질의 접합품질 확보가 가능하고 접합강도도 우수하다는 장점이 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
먼저, Cu1100 빌렛을 단조공법을 통해 Cu냉각핀을 제조하고, 이를 주조 금형에 인서트로 삽입 후, ADC 12합금 주입을 통해 고압주조 하여 Al-Cu형태의 복합재질 냉각핀을 제조하였다.
여기서, 상기 사용된 Cu1100 빌렛 및 ADC 12합금의 조성은 표 1과 같다.
이때, 상기 단조 공법은 단조 금형의 온도를 200 ~ 300℃ 예열하고, 단조 압력을 500ton 이상으로 가한 것이다.
또한, 고압주조 성형은 150 ℃이상의 온도로 상기 냉각핀을 가열시킨 후, 주조 금형의 온도를 200 ~ 300 ℃로 예열하고, 주조압력을 500 ton 이상으로 가한 것이다.
이어서, 제조된 상기 복합재질의 냉각핀을 ADC12재질의 케이스에 레이져용접 또는 브레이징 접합을 통해 일체화시켰다. 이때, 최종적으로 케이스 내부가 냉각핀에 의해 냉각수 유로가 존재하는 파워모듈 냉각기를 제조하였다.
여기서, 접합 조건은 브레이징인 경우, 470 ~ 480 ℃ 온도에서 수행될 수 있고, 레이저 용접인 경우 2.8 ~ 4.5 kW 출력으로 수행된 것일 수 있다.
| 성분 | Cu | Si | Mg | Zn | Fe | Mn | Ni | Sn | P | Al |
| Cu1100 | 99.9 이상 | - | - | - | - | - | - | - | 0.004 이하 | - |
| ADC12 | 1.5 ~3.5 | 9.6 ~12.0 | 0.3 이하 | 1.0 이하 | 1.3 이하 | 0.5 이하 | 0.5 이하 | 0.3 이하 | - | 나머지 |
비교예
종래의 A1060 재질의 단조 냉각핀를 제조 후, ADC12 재질의 케이스와 결합시킴으로써, 최종적으로 케이스 내부가 냉각핀에 의해 냉각수 유로가 존재하는 파워모듈 냉각기를 제조하였다.
이어서, 실시예와 비교예의 냉각효율을 각각 측정하였다.
측정 결과, Al단조 냉각핀을 사용한 비교예에 비하여 실시예는 냉각효율을 단면 냉각 시 14%, 양면 냉각 시23%로 개선시킬 수 있다.
이는 약 190W/mK 열전도도를 갖는 A1060 재질을 사용한 단조냉각핀 대비 약 400W /mK 열전도도를 갖는 Cu1100 재질을 사용한 냉각핀에 의하여 냉각효율이 증대된 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기는 높은 열전도도를 갖는 냉각핀을 사용함으로써 냉각효율 증대시켜 파워모듈의 작동온도 감소시킴으로써, 파워모듈 개수 축소 또는 사양 Down Grade를 통한 원가절감 효과 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 파워모듈용 냉각기의 제조방법은 단조 성형하여 구리를 포함하는 냉각핀을 제작하고, 상기 냉각핀의 외측면에 상기 알루미늄을 포함하는 접합체를 인서트 주조한 후, 주조된 결과물을 알루미늄을 포함하는 케이스에 접합하는 공정을 통하여, 파워모듈 냉각기에서 냉각핀과 케이스를 동종재질의 접합으로 변경함으로써 접합품질 확보할 수 있는 효과가 있다.
이상, 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 냉각핀
11: 몸체부 111: 제1 돌기
12: 돌출부 121: 제2 돌기 122: 굴곡면
20: 접합체
30: 케이스 31: 수용공간
100: 냉각기
11: 몸체부 111: 제1 돌기
12: 돌출부 121: 제2 돌기 122: 굴곡면
20: 접합체
30: 케이스 31: 수용공간
100: 냉각기
Claims (20)
- 구리소재의 금속으로 구성되어있으며, 판상의 형태인 몸체부; 및 상기 몸체부의 외측면에 돌출 형성된 돌출부;를 포함하는 냉각핀;
알루미늄합금 소재로 구성되어있으며, 상기 돌출부의 형상과 대응되는 내측면을 구비하여 상기 돌출부와 상기 내측면이 결합된 접합체; 및
상기 알루미늄합금과 동일한 소재로 구성되어있으며, 상기 접합체의 외측면과 상면이 접합되고 내부에 수용공간이 형성된 케이스;를 포함하는 파워모듈용 냉각기.
- 제1항에 있어서,
상기 몸체부는 상면에 복수개의 제1 돌기가 일정 간격으로 돌출 형성된 것인 파워모듈용 냉각기.
- 제1항에 있어서,
상기 돌출부는 외측면의 하측에서 상기 몸체부의 둘레를 따라 전체적으로 돌출 형성되는 것인 파워모듈용 냉각기.
- 제1항에 있어서,
상기 돌출부는 단면이 사각형이 되도록 돌출 형성된 것인 파워모듈용 냉각기.
- 제1항에 있어서,
상기 돌출부는 하면에 하나 이상의 제2 돌기가 형성된 것인 파워모듈용 냉각기.
- 제1항에 있어서,
상기 돌출부는 하면에 복수개의 제2 돌기가 일정 간격으로 형성된 것인 파워모듈용 냉각기.
- 제1항에 있어서,
상기 돌출부는 하면의 일부가 일정 깊이가 함입된 형태의 굴곡면이 형성된 파워모듈용 냉각기.
- 제1항에 있어서,
상기 접합체는 상기 냉각핀의 외측면을 감싸는 구조인 것인 파워모듈용 냉각기. - 제1항에 있어서,
상기 구리소재의 금속은 구리(Cu) 99.9 질량％ 이상, 인(P) 0.004 질량％ 이하로 이루어진 합금인 것인 파워모듈용 냉각기.
- 제1항에 있어서,
상기 알루미늄합금은 구리(Cu) 1.5 ~ 3.5 질량％, 규소(Si) 9.6 ~ 12.0 질량％, 마그네슘(Mg) 0.3 질량％이하, 아연(Zn) 1.0 질량％ 이하, 철(Fe) 1.3 질량％이하, 망간(Mn) 0.5 질량％이하, 니켈(Ni) 0.5 질량％이하, 주석(Sn) 0.3 질량％ 이하 및 잔량의 알루미늄(Al)로 이루어진 합금인 것인 파워모듈용 냉각기.
- 제1항에 있어서,
상기 냉각핀은 열전도도가 400 ~ 500 W/mK인 것인 파워모듈용 냉각기.
- 제2항에 있어서,
상기 수용공간에 상기 제1 돌기가 수용되는 것인 파워모듈용 냉각기.
- 청구항 1에 기재된 상기 냉각기의 제조방법으로서,
상기 구리소재의 금속을 단조 성형하여 상기 냉각핀을 제작하는 단계;
상기 냉각핀을 주조 금형에 인서트로 삽입하여 장착하는 단계;
상기 주조 금형에 상기 알루미늄합금을 포함하는 용탕을 주입하여 상기 냉각핀의 외측면에 상기 접합체를 주조하는 단계; 및
주조된 결과물을 상기 알루미늄합금을 포함하는 상기 케이스에 접합하는 단계;를 포함하는 파워모듈용 냉각기의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 단조 성형은 단조 금형의 온도를 200 ~ 300 ℃로 예열하고, 단조 압력을 500ton 이상으로 가하여 수행하는 것인 파워모듈용 냉각기의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 주조하는 단계는 다이캐스팅 공법을 사용하는 것인 파워모듈용 냉각기의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 주조하는 단계는 150 ℃ 이상의 온도로 상기 냉각핀을 가열시킨 후 수행되는 것인 파워모듈용 냉각기의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 주조하는 단계는
상기 주조 금형의 온도를 200 ~ 300℃로 예열하고, 주조압력을 500 ton 이상으로 가하여 수행하는 것인 파워모듈용 냉각기의 제조방법.
- 제13항에 있어서,
상기 케이스를 접합하는 단계는, 브레이징 또는 레이저 용접을 사용하는 것인 파워모듈용 냉각기의 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 케이스를 접합하는 단계는 상기 브레이징이 470 ~ 480 ℃ 온도에서 수행되는 것인 파워모듈용 냉각기의 제조방법.
- 제18항에 있어서,
상기 케이스를 접합하는 단계는 상기 레이저 용접이 출력 2.8 ~ 4.5 kW 에서 수행되는 것인 파워모듈용 냉각기의 제조방법.
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