WO2023096336A1 - 발열소자 냉각구조체 및 이의 제조방법 - Google Patents

발열소자 냉각구조체 및 이의 제조방법 Download PDF

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WO2023096336A1
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WO
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upper plate
heating element
cooling structure
lower plate
element cooling
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PCT/KR2022/018597
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이강현
김형석
조향현
이종민
장재호
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주식회사 케이엠더블유
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F1/00—Details not covered by groups G06F3/00 - G06F13/00 and G06F21/00
    • G06F1/16—Constructional details or arrangements
    • G06F1/20—Cooling means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes

Definitions

  • the present disclosure relates to a heating element cooling structure and a manufacturing method thereof.
  • Electronic devices such as computers, servers, and high-performance antennas include electronic components such as IC chips, CPUs, and transceivers.
  • electronic components such as IC chips, CPUs, and transceivers.
  • 'heating elements' electronic components
  • the heat generating element that generates heat is not cooled, its performance is remarkably degraded or, in some cases, is damaged, making it difficult to operate. Accordingly, the heating element needs to be cooled effectively.
  • a heat pipe type or vapor chamber type cooling device provided to circulate while changing a phase of a refrigerant according to a temperature difference of the surroundings is widely used.
  • a heat pipe type or vapor chamber type cooling device is a capillary, which is a porous body inside a pipe-shaped (or panel) body tube (or body panel) in which a hollow (or internal space) is formed and made of a thermally conductive material.
  • a capillary wick (capillary wick) is manufactured by a sintering method.
  • a heat pipe type or vapor chamber type cooling device has a complicated manufacturing process because it connects various components such as an upper plate and a lower plate as well as a capillary structure and a pillar structure using a method such as brazing. And there is a problem of increasing cost.
  • the productivity of the product can be improved by forming the capillary wick part using a laser.
  • the heat generating element cooling structure and its manufacturing method by bonding the upper plate, the lower plate and the column part using a laser, productivity and economic efficiency of the product can be improved through a simple manufacturing process.
  • the process of manufacturing an upper plate including a plurality of column units (column unit) using a press mold method Manufacturing a lower plate using the press mold method; forming a wick unit on at least one of an inner surface of the upper plate and an inner surface of the lower plate using a laser; And it provides a method of manufacturing a heating element cooling structure comprising a process of bonding the upper plate and the lower plate.
  • the lower plate an upper plate connected to an inner surface of the lower plate to form an inner space; a column part concave on the outer surface of the upper plate and protruding from the inner surface of the upper plate; and a wick formed on at least one of an inner surface of the upper plate and an inner surface of the lower plate to move the refrigerant.
  • the heating element cooling structure and its manufacturing method have an effect of improving product productivity by forming a capillary wick part using a laser.
  • the heating element cooling structure and its manufacturing method have the effect of improving product productivity and reducing production cost by simplifying the manufacturing process by bonding the upper plate, the lower plate and the column part using a laser. .
  • FIG. 1 is a flowchart of a manufacturing method of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a perspective view of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG 3 is an exploded perspective view of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a diagram showing a line interval using a laser irradiator for a wick part of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a view showing a pattern shape of a wick part of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • symbols such as first, second, i), ii), a), and b) may be used. These codes are only for distinguishing the component from other components, and the nature or sequence or order of the corresponding component is not limited by the codes. In the specification, when a part is said to 'include' or 'include' a certain component, it means that it may further include other components, not excluding other components unless explicitly stated otherwise. .
  • FIG. 1 is a flowchart of a manufacturing method of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a perspective view of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG 3 is an exploded perspective view of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • the manufacturing method of the heating element cooling structure 200 includes a process of manufacturing an upper plate (210) and a lower plate (220) It includes (S101).
  • the upper plate 210 and the lower plate 220 may be manufactured using a press mold method.
  • the upper plate 210 may include a column unit 211 , an inner space 212 and an inlet 213 .
  • the upper plate 210 may be manufactured using a press mold method so that the column portion 211 is integrally formed with the upper plate 210 .
  • the column part 211 may be formed to be concave on the outer surface of the upper plate 210 and to protrude from the upper plate 210 in a direction joined to the lower plate 220 .
  • the upper plate 210 may include a plurality of column parts 211 regularly arranged at regular intervals. However, the arrangement of the plurality of column parts 211 is not limited thereto, and the plurality of column parts 211 may be arranged irregularly.
  • the upper plate 210 forms an inner space 212 between the upper plate 210 and the lower plate 220 to be filled with a refrigerant.
  • a refrigerant may be manufactured to have a predetermined thickness.
  • the manufacturing method of the heating element cooling structure 200 may include forming a wick unit 230 on the inner surface of the upper plate 210 and/or the lower plate 220 (S103).
  • the wick unit 230 may be formed on inner surfaces of the upper plate 210 and/or the lower plate 220 using a laser irradiator.
  • the wick portion 230 may be formed by applying heat to the inner surface of the upper plate 210 and/or the lower plate 220 by using high-integrated laser energy and scratching or nicking the upper plate 210 and/or the lower plate 220 to a predetermined depth or more.
  • the wick unit 230 may be formed on an inner surface of the upper plate 210 and/or an inner surface of the lower plate 220 except for a portion where the upper plate 210 and the lower plate 220 are joined to each other.
  • the wick portion 230 may not be formed on the joint portion 211a and the joint surface 215 of the column portion 211 bonded to the lower plate 220 among the inner surfaces of the upper plate 210 .
  • the wick part 230 may not be formed on the bonding surface 225 of the lower plate 220 that is bonded to the bonding surface 215 of the column part 211 and the upper plate 210 among the inner surfaces of the lower plate 220. .
  • the manufacturing method of the heating element cooling structure 200 may include a process of bonding the upper plate 210 and the lower plate 220 (S105).
  • the upper plate 210 and the lower plate 220 may be joined using laser welding.
  • a laser beam may be irradiated perpendicularly to the upper plate 210 from the top of the upper plate 210, but the laser beam may penetrate the upper plate 210 but not penetrate the lower plate 220.
  • the manufacturing method of the heating element cooling structure 200 may include a process of bonding the column part 211 and the lower plate 220 (S107).
  • the column part 211 and the lower plate 220 may be joined using laser welding.
  • a laser beam may be irradiated from an upper portion of the upper plate 210 perpendicular to the upper plate 210 and toward the concave column portion 211 on the outer surface of the upper plate 210 .
  • the laser beam may pass through the column portion 211 but not pass through the lower plate 220 .
  • a refrigerant may be injected into the inner space 212 and the heating element cooling structure 200 may be sealed (S109).
  • a refrigerant may be filled inside the heating element cooling structure 200 and the internal pressure may be optimized using a vacuum pump or the like. Thereafter, airtightness can be maintained by sealing the heating element cooling structure 200 by bonding the inlet 213 using a separate facility. After sealing, the inlet 213 may be cut if necessary.
  • the heating element cooling structure 200 is a heat dissipation component capable of applying a heat dissipation method of a concept that excludes the induction of a phase change of a refrigerant by a compressor. It is designed to cool the heating element that generates heat by being electrically driven by transferring heat while causing a phase change only by heat supplied from the outside in an atmospheric pressure state without using a compressor. (heat pipe) and heat sink.
  • the heating element cooling structure 200 may include an upper plate 210 and a lower plate 220 .
  • the upper plate 210 may include a column portion 211 , an inner space 212 , an inlet 213 , and a bonding surface 215 .
  • the upper plate 210 and the lower plate 220 may include a wick part 230 on inner surfaces.
  • a refrigerant may be filled and flowed in the inner space 212 .
  • the inner surface of the upper plate 210 has different heights so that an inner space 212 is formed between the upper plate 210 and the lower plate 220. It may include a bonding surface 215 . At this time, the height of the bonding surface 215 and the column part 211 may be the same so that the upper plate 210 and the lower plate 220 can be bonded.
  • the column part 211 may be integrally formed with the upper plate 210 .
  • the upper plate 210 may be manufactured using a press mold method so that the column part 211 is integrally formed with the upper plate 210 .
  • the column part 211 may be formed to be concave on the outer surface of the upper plate 210 and protrude from the upper plate 210 in a direction in contact with the lower plate 220 .
  • the upper plate 210 may include a plurality of column parts 211 regularly arranged at regular intervals. However, the arrangement of the plurality of column parts 211 is not limited thereto, and the plurality of column parts 211 may be arranged irregularly.
  • the column portion 211 is formed to protrude from the inner surface of the upper plate 210 in a columnar shape, and may include a joint portion 211a and an inclined portion 211b.
  • the inclined portion 211b may be formed to form a predetermined angle rather than perpendicular to the inner surface of the upper plate 210 .
  • the angle between the inclined portion 211b and the upper plate 210 may be 45 degrees. This is because it is difficult to form the wick portion 230 on the inclined portion 211b when the inclined portion 211b is perpendicular to the inner surface of the upper plate 210 .
  • the upper plate 210 and the inclined portion 211b of the column portion 211 are formed at a predetermined angle, and the inclined portion 211b also has a wick portion 230
  • the capillary phenomenon is increased to improve the mobility of the refrigerant filled therein, and as a result, the cooling effect of the heating element can be maximized.
  • a cross-sectional shape of the junction 211a may be circular or polygonal.
  • the shape of the column part 211 composed of the joint part 211a and the inclined part 211b may be a truncated cone shape or a polygonal truncated shape.
  • the shape of the column part 211 is not limited thereto, and may have various shapes capable of performing the same function as the disclosed column part 211 .
  • a wick unit 230 may be formed on inner surfaces of the upper plate 210 and/or the lower plate 220 .
  • the wick part 230 may be formed by applying heat to the inner surface of the upper plate 210 and/or the inner surface of the lower plate 220 by using high-integrated laser energy, and scratching or scratching to a certain depth or more.
  • the wick unit 230 may be formed to allow the refrigerant filled in the inner space 212 to flow using a capillary action.
  • the refrigerant filled in the heating element cooling structure 200 undergoes a phase change by the transferred heat can do.
  • the phase-changed refrigerant moves in the direction of the upper plate 210 through the wick part 230 by surface tension and/or capillary force to transfer heat, and the heat transferred to the upper plate 210 is transferred to the outside may be released.
  • the wick part 230 may be formed on a portion of the inner surface of the upper plate 210 and/or the inner surface of the lower plate 220 where the upper plate 210 and the lower plate 220 are not joined to each other.
  • the wick unit 230 may be formed on an inner surface of the upper plate 210 except for a portion joined to the lower plate 220 .
  • the wick portion 230 is not formed on the bonding surface 215 of the upper plate 210 and the bonding portion 211a of the column portion 211, and the inner surface of the upper plate 210 and the inclined portion of the column portion 211 are not formed.
  • a wick part 230 may be formed on (211b) or the like.
  • the wick unit 230 may be formed on an inner surface of the lower plate 220 except for a portion joined to the upper plate 210 .
  • the wick portion 230 is not formed on the bonding surface 225 of the lower plate 220 that is bonded to the upper plate 210 .
  • a plurality of bonding surfaces 225 may be formed between the wick parts 230 of the lower plate 220 to correspond to the plurality of column parts 211 .
  • the plurality of bonding surfaces 225 may be regularly arranged at regular intervals corresponding to the plurality of column parts 211 .
  • the arrangement of the plurality of bonding surfaces 225 is not limited thereto, and the plurality of bonding surfaces 225 may be irregularly arranged corresponding to the plurality of column parts 211 .
  • FIG. 5 is a diagram showing a line interval using a laser irradiator for a wick part of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a view showing a pattern shape of a wick part of a heating element cooling structure according to an embodiment of the present disclosure.
  • an interval d of a line through which a laser beam is irradiated may be at least 0.01 mm. This is because if the line spacing (d) is too wide, the capillary force disappears and the water path does not exist, so anti-gravity characteristics cannot be realized. When the capillary force is small between the upper plate (210, see FIG. 2, etc.) and the lower plate (220, see FIG. 2, etc.) and the wick portion (230, see FIG.
  • the temperature inside the heating element cooling structure 200 Considering the flow of the refrigerant according to the change, there is a design restriction that the heat source must always be located at a low position and the heat dissipation part must always be located at a high position. Therefore, it is preferable to limit the line spacing d irradiated by the laser beam to the limit where capillary force occurs.
  • the wick part 230 formed by the laser irradiator may be processed in one or more patterns of a cross pattern (FIG. 6(a)) and a block pattern (FIG. 6(b)). In addition, although not shown in the drawing, it may be processed into a pattern shape having an 'e' shape so as to continuously extend from the heat source to the heat dissipation part.
  • the wick unit 230 may be precisely and quickly formed using a laser irradiator.
  • the heating element cooling structure 200 may irradiate a laser beam by fixing the upper plate 210 and/or the lower plate 220 on a processing lathe and installing a laser irradiator on the processing lathe.
  • the moving speed and moving direction of the laser irradiator may be set according to the pattern shape of the wick unit 230 .
  • an appropriate mark speed may be set to 300 mm/s. If the mark speed of the laser beam is too high, the amount of heat transferred to the upper plate 210 and/or the lower plate 220 in the form of a laser beam is too small, so that the wick portion 230 of a desired pattern cannot be formed. If the mark speed is too slow, the amount of heat transferred to the upper plate 210 and/or the lower plate 220 in the form of a laser beam is too large, so that the size of the wick part 230 is deformed larger than the size of the required wick part 230 problems can arise.
  • the oscillation frequency of the laser beam is set within the range of 20 to 40 kHz, and the laser beam can be oscillated in pulse mode.
  • the oscillation frequency of the laser beam of the laser irradiator for forming the wick part 230 is most appropriate in the range of 20 to 40 kHz described above.

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Abstract

[요약] 발열소자 냉각구조체 및 이의 제조방법을 개시한다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 프레스 금형 방식을 이용하여 복수의 칼럼부(column unit)를 포함하는 상부 플레이트를 제조하는 과정; 상기 프레스 금형 방식을 이용하여 하부 플레이트를 제조하는 과정; 레이저를 이용하여 상기 상부 플레이트의 내면 및 상기 하부 플레이트의 내면 중 적어도 하나에 윅부(wick unit)를 형성하는 윅부형성과정; 및 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트를 접합하는 과정을 포함하는 발열소자 냉각구조체의 제조방법을 제공한다. [대표도] 도 2

Description

발열소자 냉각구조체 및 이의 제조방법
본 개시는 발열소자 냉각구조체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
컴퓨터, 서버 및 고성능 안테나 등의 전자장치는 IC 칩，CPU 및 송수신 소자 등의 전자부품을 포함한다. 이러한 전자장치가 작동함에 있어서, 전자부품(이하, '발열소자')으로부터 많은 양의 열이 발생한다. 열을 발생시키는 발열소자가 냉각되지 않는 경우 그 성능이 현저하게 저하되거나, 경우에 따라서는 손상되어 작동이 어려울 수 있다. 그에 따라, 발열소자는 효과적으로 냉각될 필요가 있다.
최근의 전자장치는 슬림화, 고집적화 및 고성능화 등으로 인해 부품 간의 간격이 좁아지고, 발열 부하가 증가되고 있는 실정이다. 이에, 발열소자의 냉각은 필수적이며, 대부분의 전자장치에는 발열소자를 냉각시키기 위한 냉각장치가 설치되고 있다.
주변의 온도차에 따라 냉매가 상변화하면서 순환하도록 구비된 히트 파이프(heat pipe) 타입 또는 베이퍼 챔버(vapor chamber) 타입의 냉각장치가 많이 활용되고 있다.
히트 파이프 타입 또는 베이퍼 챔버 타입의 냉각장치는, 중공(또는 내부 공간)이 형성되고, 열전도성 재질로 구비된 파이프 형상(또는 패널)의 바디 튜브(또는 바디 패널)의 내부에 다공성체인 캐필러리 윅부(capillary wick, 모세관 심지부)가 소결(sintering)방식으로 제조된다.
캐필러리 윅부가 소결 방식으로만 제조되는 경우, 소결 과정 및 소결 조건 등에 제약이 있으므로 제품의 생산성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 히트 파이프 타입 또는 베이퍼 챔버 타입의 냉각장치는 상부 플레이트 및 하부 플레이트뿐만 아니라 캐필러리 구조물 및 기둥(pillar) 구조물 등의 여러 구성을 브레이징(brazing) 등의 방식을 이용해 접합하므로 생산공정이 복잡하고 비용이 증가하는 문제가 있다.
일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체 및 이의 제조방법에 의하면, 레이저를 이용하여 캐필러리 윅부를 형성함으로써, 제품의 생산성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체 및 이의 제조방법에 의하면, 상부 플레이트, 하부 플레이트 및 칼럼부를 레이저를 이용하여 접합함으로써, 간단한 제조공정을 통해 제품의 생산성 및 경제성을 향상시킬 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 프레스 금형 방식을 이용하여 복수의 칼럼부(column unit)를 포함하는 상부 플레이트를 제조하는 과정; 상기 프레스 금형 방식을 이용하여 하부 플레이트를 제조하는 과정; 레이저를 이용하여 상기 상부 플레이트의 내면 및 상기 하부 플레이트의 내면 중 적어도 하나에 윅부(wick unit)를 형성하는 윅부형성과정; 및 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트를 접합하는 과정을 포함하는 발열소자 냉각구조체의 제조방법을 제공한다.
본 개시의 다른 실시예에 의하면, 하부 플레이트; 상기 하부 플레이트의 내면과 접합되어 내부공간이 형성되도록 구성되는 상부 플레이트; 상기 상부 플레이트의 외면에 오목하고 상기 상부 플레이트의 내면으로 돌출되도록 형성되는 칼럼부; 및 상기 상부 플레이트의 내면 및 상기 하부 플레이트의 내면 중 적어도 하나에 형성되어 상기 냉매를 이동시키도록 구성되는 윅부를 포함하는 발열소자 냉각구조체를 제공한다.
일 실시예에 의하면, 발열소자 냉각구조체 및 이의 제조방법은 레이저를 이용하여 캐필러리 윅부를 형성함으로써, 제품의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
일 실시예에 의하면, 발열소자 냉각구조체 및 이의 제조방법은 상부 플레이트, 하부 플레이트 및 칼럼부를 레이저를 이용하여 접합함으로써, 제조공정을 단순화하여 제품의 생산성을 향상시키고, 생산비용을 절감하는 효과가 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 사시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 분해사시도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 단면도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 윅부에 레이저 조사기를 이용하여 라인 간격을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 윅부의 패턴형상을 나타낸 도면이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 사시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 분해사시도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체(200)의 제조방법은 상부 플레이트(upper plate, 210) 및 하부 플레이트(lower plate, 220)를 제조하는 과정을 포함한다(S101). 상부 플레이트(210) 및 하부 플레이트(220)는 프레스 금형(press mold) 방식을 이용하여 제조할 수 있다.
상부 플레이트(210)는 칼럼부(column unit, 211), 내부공간(212) 및 주입구(213)를 포함할 수 있다. 상부 플레이트(210)에 칼럼부(211)가 일체로 형성되도록, 프레스 금형 방식을 이용하여 상부 플레이트(210)를 제조할 수 있다. 칼럼부(211)는 상부 플레이트(210)의 외면에 오목하고, 상부 플레이트(210)로부터 하부 플레이트(220)와 접합되는 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 상부 플레이트(210)는 일정 간격으로 규칙적으로 배열된 복수의 칼럼부(211)를 포함할 수 있다. 다만, 복수의 칼럼부(211)의 배열이 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 칼럼부(211)는 비규칙적으로 배열될 수도 있다.
상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)의 접합 시, 상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)의 사이에 냉매가 충진될 수 있도록 구성된 내부공간(212)이 형성되도록, 상부 플레이트(210)는 소정의 두께를 갖도록 제조될 수 있다.
발열소자 냉각구조체(200)의 제조방법은 상부 플레이트(210) 및/또는 하부 플레이트(220)의 내면에 윅부(wick unit, 230)를 형성하는 과정을 포함할 수 있다(S103). 레이저 조사기를 이용하여 상부 플레이트(210) 및/또는 하부 플레이트(220)의 내면에 윅부(230)를 형성할 수 있다. 윅부(230)는 레이저의 고집적 에너지를 이용하여 상부 플레이트(210) 및/또는 하부 플레이트(220)의 내면에 열을 가하고 일정 깊이 이상으로 긁거나, 상처를 내는 방식으로 형성될 수 있다.
상부 플레이트(210)의 내면 및/또는 하부 플레이트(220)의 내면 중 상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)가 서로 접합되는 부분을 제외한 나머지 부분에 윅부(230)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부 플레이트(210)의 내면 중 하부 플레이트(220)와 접합되는 칼럼부(211)의 접합부(211a) 및 접합면(215) 등에는 윅부(230)를 형성하지 않을 수 있다. 하부 플레이트(220)의 내면 중 칼럼부(211) 및 상부 플레이트(210)의 접합면(215)과 접합되는 하부 플레이트(220)의 접합면(225)에는 윅부(230)를 형성하지 않을 수 있다.
발열소자 냉각구조체(200)의 제조방법은 상부 플레이트(210) 및 하부 플레이트(220)를 접합하는 과정을 포함할 수 있다(S105).
상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)는 레이저 용접(laser weld)을 이용하여 접합될 수 있다. 레이저 빔을 상부 플레이트(210)의 상부에서 상부 플레이트(210)에 수직하게 조사하되, 레이저 빔이 상부 플레이트(210)는 관통하지만 하부 플레이트(220)는 관통하지 않도록 조사할 수 있다. 상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)를 레이저 용접함으로써, 내부공간(212)에 충진된 냉매의 팽창력에도 불구하고, 발열소자 냉각구조체(200)의 인장력 및 기밀성을 유지할 수 있다.
발열소자 냉각구조체(200)의 제조방법은 칼럼부(211) 및 하부 플레이트(220)를 접합하는 과정을 포함할 수 있다(S107).
칼럼부(211)와 하부 플레이트(220)는 레이저 용접을 이용하여 접합될 수 있다. 상부 플레이트(210)의 상부에서 상부 플레이트(210)에 수직하고, 상부 플레이트(210) 외면의 오목한 칼럼부(211)를 향하도록 레이저 빔을 조사할 수 있다. 레이저 빔이 칼럼부(211)는 관통하지만 하부 플레이트(220)는 관통하지 않도록 조사할 수 있다. 칼럼부(211)와 하부 플레이트(220)를 접함함으로써, 내부공간(212)에 충진된 냉매의 팽창에 의해 칼럼부(211)가 상부 플레이트(210)의 외면으로 볼록하게 돌출되는 것을 방지할 수 있다.
상부 플레이트(210)와 칼럼부(211)를 하부 플레이트(220)에 접합한 후, 내부공간(212)에 냉매를 주입하고 발열소자 냉각구조체(200)를 밀폐할 수 있다(S109). 발열소자 냉각구조체(200)의 내부에 냉매를 충진하고 진공펌프 등을 이용하여 내부압력을 최적화 할 수 있다. 이후 별도의 설비를 이용하여 주입구(213)를 접합하여 발열소자 냉각구조체(200)를 밀폐함으로써, 기밀성을 유지할 수 있다. 밀폐 후, 필요에 따라 주입구(213)를 절단할 수도 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체(200)는 압축기에 의한 냉매의 상변화 유도를 제외하는 개념의 방열 방식을 적용할 수 있는 방열 부품이다. 압축기를 이용하지 않고, 대기압 상태에서 오로지 외부로부터 공급되는 열에 의하여 상변화를 일으키면서 열을 전달함으로써, 전기적으로 구동에 의해 발열되는 발열소자를 냉각시키도록 설계되어 베이퍼 챔버(vapor chamber), 히트 파이프(heat pipe) 및 히트 싱크(heat sink) 등에 적용될 수 있다.
도 2 내지 도 4를 다시 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체(200)는 상부 플레이트(210) 및 하부 플레이트(220)를 포함할 수 있다. 상부 플레이트(210)는 칼럼부(211), 내부공간(212), 주입구(213) 및 접합면(215)을 포함할 수 있다. 상부 플레이트(210) 및 하부 플레이트(220)는 내면에 윅부(230)를 포함할 수 있다.
내부공간(212)에는 냉매가 충진되어 유동될 수 있다. 상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)가 접합될 때, 상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)의 사이에 내부공간(212)이 형성되도록, 상부 플레이트(210)의 내면은 높이가 다른 접합면(215)을 포함할 수 있다. 이때, 상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)가 접합 가능하도록 접합면(215)과 칼럼부(211)의 높이는 동일할 수 있다.
칼럼부(211)는 상부 플레이트(210)에 일체형으로 형성될 수 있다. 칼럼부(211)가 상부 플레이트(210)에 일체형으로 형성되도록 프레스 금형 방식을 이용하여 상부 플레이트(210)를 제조할 수 있다. 칼럼부(211)는 상부 플레이트(210) 외면에 오목하고, 상부 플레이트(210)로부터 하부 플레이트(220)와 접하는 방향으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 상부 플레이트(210)는 일정 간격으로 규칙적으로 배열된 복수의 칼럼부(211)를 포함할 수 있다. 다만, 복수의 칼럼부(211)의 배치가 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 칼럼부(211)는 비규칙적으로 배열될 수도 있다.
칼럼부(211)는 상부 플레이트(210)의 내면으로부터 기둥 모양으로 돌출되도록 형성되어 접합부(211a) 및 경사부(211b)를 포함할 수 있다. 경사부(211b)는 상부 플레이트(210) 내면에 수직하지 않고 소정의 각도를 이루도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 경사부(211b)와 상부 플레이트(210)의 각도는 45도(degree)일 수 있다. 경사부(211b)가 상부 플레이트(210) 내면에 수직한 경우, 경사부(211b)에 윅부(230)를 형성하기 어렵기 때문이다. 즉, 본 개시에 따른 발열소자 냉각구조체(200)는 상부 플레이트(210)와 칼럼부(211)의 경사부(211b)가 소정의 각도를 이루도록 형성되고, 경사부(211b)에도 윅부(230)가 형성됨으로써, 모세관 현상을 증대시켜 내부에 충진된 냉매의 이동성을 향상시키고, 결과적으로 발열소자의 냉각효과를 극대화할 수 있다.
접합부(211a)의 단면 형상은 원형 또는 다각형일 수 있다. 접합부(211a) 및 경사부(211b)로 이루어진 칼럼부(211)의 형상은 원뿔대 및 다각뿔대 형상일 수 있다. 다만, 칼럼부(211)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 개시된 칼럼부(211)와 동일한 기능을 수행할 수 있는 다양한 형상을 가질 수 있음을 밝혀둔다.
상부 플레이트(210) 및/또는 하부 플레이트(220)의 내면에는 윅부(230)가 형성될 수 있다. 윅부(230)는 레이저의 고집적 에너지를 이용하여 상부 플레이트(210)의 내면 및/또는 하부 플레이트(220)의 내면에 열을 가하고, 일정 깊이 이상으로 긁거나 상처를 내는 방식으로 형성될 수 있다. 윅부(230)는 내부공간(212)에 충진된 냉매를 모세관 현상을 이용하여 유동시키도록 형성될 수 있다.
하부 플레이트(220)의 외부에 배치된 발열소자로부터 발열소자 냉각구조체(200)로 열이 전달되면, 발열소자 냉각구조체(200)의 내부에 충진된 냉매는 전달되는 열에 의하여 상변화(phase change)할 수 있다. 상변화한 냉매는 표면장력 및/또는 모세관력(capillary force)에 의하여 윅부(230)를 통해 상부 플레이트(210) 방향으로 이동하여 열을 전달하고, 상부 플레이트(210)로 전달된 열은 외부로 방출될 수 있다.
윅부(230)는 상부 플레이트(210)의 내면 및/또는 하부 플레이트(220) 내면 중에서 상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)가 서로 접합되지 않는 부분에 형성될 수 있다. 상부 플레이트(210) 내면 중 하부 플레이트(220)와 접합되는 부분을 제외한 나머지 부분에 윅부(230)가 형성될 수 있다. 상부 플레이트(210)의 접합면(215) 및 칼럼부(211)의 접합부(211a)에는 윅부(230)가 형성되지 않고, 이를 제외한 상부 플레이트(210)의 내면 및 칼럼부(211)의 경사부(211b) 등에 윅부(230)가 형성될 수 있다.
하부 플레이트(220) 내면 중 상부 플레이트(210)와 접합되는 부분을 제외한 나머지 부분에 윅부(230)가 형성될 수 있다. 상부 플레이트(210)와 접합되는 하부 플레이트(220)의 접합면(225)에는 윅부(230)가 형성되지 않는다. 하부 플레이트(220)의 윅부(230) 사이에는 복수의 칼럼부(211)에 대응하여 맞닿는 복수의 접합면(225)이 형성될 수 있다. 복수의 접합면(225)은 복수의 칼럼부(211)에 대응하여 일정 간격으로 규칙적으로 배열될 수 있다. 다만, 복수의 접합면(225)의 배열이 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 접합면(225)은 복수의 칼럼부(211)에 대응하여 비규칙적으로 배열될 수도 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 윅부에 레이저 조사기를 이용하여 라인 간격을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체의 윅부의 패턴형상을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 레이저 빔이 조사되는 라인(line)의 간격(d)은 최소 0.01 mm일 수 있다. 라인 간격(d)이 너무 벌어지면 모세관력이 사라지고 물길이 존재하지 않아 Anti-Gravity 특성을 구현할 수 없기 때문이다. 상부 플레이트(210, 도 2 등 참조) 및 하부 플레이트(220, 도 2 등 참조)와 윅부(230, 도 2 등 참조) 사이에 모세관력이 작을 경우에는, 발열소자 냉각구조체(200) 내부의 온도 변화에 따른 냉매의 유동을 고려하여 열원을 항상 낮은 위치에 위치시켜야 하고 방열 부분은 항상 높은 위치에 위치시켜야 하는 설계상의 제한이 생긴다. 따라서, 레이저 빔에 의하여 조사되는 라인 간격(d)은 모세관력이 발생하는 한도로 제한 설계함이 바람직하다.
레이저 조사기에 의하여 형성되는 윅부(230)는 Cross 패턴(도 6의 (a)) 및 Block 패턴(도 6의 (b)) 중 하나 이상의 패턴으로 가공될 수 있다. 또한, 도면에 도시되지 않았으나 열원으로부터 방열 부분까지 연속적으로 이어지도록 'e'자 모양을 가진 패턴 형상으로 가공될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 발열소자 냉각구조체(200)는 레이저 조사기를 이용하여 정밀하고 신속하게 윅부(230)를 형성할 수 있다. 발열소자 냉각구조체(200)는 상부 플레이트(210) 및/또는 하부 플레이트(220)를 가공 선반 위에 고정시키고, 가공 선반 위에서 레이저 조사기를 설치하여 레이저 빔을 조사할 수 있다.
윅부(230)의 패턴 형상에 따라 레이저 조사기의 이동 속도 및 이동 방향을 설정할 수 있다. 예를 들어, 적절한 마크 스피드는，300 mm/s로 설정될 수 있다. 레이저 빔의 마크 스피드가 너무 빠르면 레이저 빔 형태로 상부 플레이트(210) 및/또는 하부 플레이트(220) 전달되는 열량이 너무 적어 원하는 패턴의 윅부(230)를 형성할 수 없다. 마크 스피드가 너무 느리면 레이저 빔 형태로 상부 플레이트(210) 및/또는 하부 플레이트(220) 전달되는 열량이 너무 크므로, 윅부(230)의 크기가 요구되는 윅부(230)의 크기보다 더 크게 변형되는 문제점이 발생할 수 있다.
레이저 빔의 발진 주파수는 20 내지 40kHz 범위 내로 설정하고 ，레이저 빔은 pulse mode로 발진될 수 있다. 모재인 상부 플레이트(210) 및 하부 플레이트(220)가 알루미늄 소재로 채택된 경우, 윅부(230)의 형성을 위한 레이저 조사기의 레이저 빔의 발진 주파수는 상술한 20 내지 40kHz의 범위가 가장 적절하다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[부호의 설명]
200: 발열소자 냉각구조체
210: 상부 플레이트
211: 칼럼부
220: 하부 플레이트
230: 윅부
[CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIOIN]
본 특허출원은, 본 명세서에 그 전체가 참고로서 포함되는, 2021년 11월 24일자로 한국에 특허 출원한 특허출원번호 제10-2021-0163821호 및 2022년 11월 18일자로 한국에 특허 출원한 특허출원번호 제10-2022-0155784호에 대해 우선권을 주장한다.

Claims (15)

  1. 프레스 금형 방식을 이용하여 복수의 칼럼부(column unit)를 포함하는 상부 플레이트를 제조하는 과정;
    상기 프레스 금형 방식을 이용하여 하부 플레이트를 제조하는 과정;
    레이저를 이용하여 상기 상부 플레이트의 내면 및 상기 하부 플레이트의 내면 중 적어도 하나에 윅부(wick unit)를 형성하는 윅부형성과정; 및
    상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트를 접합하는 과정
    을 포함하는 발열소자 냉각구조체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 칼럼부를 상기 하부 플레이트에 접합하는 과정을 더 포함하는 발열소자 냉각구조체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 플레이트를 제조하는 과정은,
    상기 칼럼부가 상기 상부 플레이트의 외면에 오목하고 상기 상부 플레이트의 내면으로 돌출되도록 형성하는 과정을 포함하는 발열소자 냉각구조체의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 윅부형성과정은,
    상기 상부 플레이트의 내면 중 상기 하부 플레이트와 접합되는 부분을 제외한 나머지 부분에 상기 윅부를 형성하는 과정을 포함하는 발열소자 냉각구조체의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 윅부형성과정은,
    상기 상부 플레이트의 내면 중 상기 칼럼부와 상기 하부 플레이트가 접합되는 접합부를 제외한 나머지 부분에 상기 윅부를 형성하는 과정을 포함하는 발열소자 냉각구조체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 윅부형성과정은,
    상기 하부 플레이트의 내면 중 상기 상부 플레이트와 접합되는 접합면을 제외한 나머지 부분에 상기 윅부를 형성하는 과정을 포함하는 발열소자 냉각구조체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발열소자 냉각구조체에 냉매를 주입하고, 상기 발열소자 냉각구조체를 밀폐시키는 과정을 더 포함하는 발열소자 냉각구조체의 제조방법.
  8. 하부 플레이트;
    상기 하부 플레이트의 내면과 접합되어 내부공간이 형성되도록 구성되는 상부 플레이트;
    상기 상부 플레이트의 외면에 오목하고 상기 상부 플레이트의 내면으로 돌출되도록 형성되는 칼럼부; 및
    상기 상부 플레이트의 내면 및 상기 하부 플레이트의 내면 중 적어도 하나에 형성되어 상기 냉매를 이동시키도록 구성되는 윅부
    를 포함하는 발열소자 냉각구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 칼럼부는,
    상기 하부 플레이트의 내면에 접합되는 발열소자 냉각구조체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 칼럼부는,
    상기 상부 플레이트와 일체로 형성되는 발열소자 냉각구조체.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 윅부는,
    상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트가 접합되는 부분을 제외한 상기 상부 플레이트의 내면 및 상기 하부 플레이트의 내면에 형성되는 발열소자 냉각구조체.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트는 레이저를 이용하여 접합되는 발열소자 냉각구조체.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 하부 플레이트는 외면이 발열소자에 밀착되도록 배치되는 발열소자 냉각구조체.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 윅부는 모세관 현상을 이용하여 상기 냉매를 이동시키도록 구성되는 발열소자 냉각구조체.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 칼럼부는 레이저 용접을 이용하여 상기 하부 플레이트의 내면에 접합되는 발열소자 냉각 구조체.
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