JP2013247354A - 電力モジュール用放熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力モジュールから発生される熱を効率的に放出することができる電力モジュール用放熱システムを提供する。
【解決手段】本発明の電力モジュール用放熱システムは、流入口及び排出口を含み、ノズル部材１２０と接する面が開口して形成されたマニホールド１１０と、マニホールド１１０の上部に形成され、マニホールド１１０の流入口を介して流入された冷却媒体が通過する傾斜した形状のノズルを含むノズル部材１２０と、ノズル部材１２０の上部に形成され、ノズル部材１２０から離隔した離隔空間を形成するノズルチャンバ１３０と、を含むものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力モジュール用放熱システムに関する。

現在、発熱量が多いパワー素子（例えば、ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｍｏｄｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ダイオードなど）の放熱のため、放熱システム上にサーマルグリース（ｔｈｅｒｍａｌ ｇｒｅａｓｅ）またはメタル間の接合方式によりパワー素子を接着している。

これにより、パワー素子から発生する熱は、底面に付着した放熱システムを介して熱を放出する。

前記放熱システムは、特許文献１のように、アルミニウムヒートシンクやヒートスプレッダまたはヒートパイプを用いた空冷方式または水冷方式が適用されている。

米国特許出願公開第２０１１／００１７４９６号明細書

本発明は前記従来技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の一側面は、電力モジュールから発生される熱を効率的に放出させるための電力モジュール用放熱システムを提供することを目的とする。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムは、流入口及び排出口を含み、ノズル部材と接する面が開口して形成されたマニホールドと、前記マニホールドの上部に形成され、前記マニホールドの流入口を介して流入された冷却媒体が通過する傾斜した形状のノズルを含むノズル部材と、前記ノズル部材の上部に形成され、前記ノズル部材から離隔した離隔空間を形成するノズルチャンバと、を含むものである。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムのマニホールドは、前記排出口に連結され、前記冷却媒体を流動させる経路部をさらに含むことが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムのマニホールドは、前記経路部を挟んで両側に対向して形成された複数の隔壁をさらに含むことが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムのノズル部材は、前記マニホールドの経路部に連結されるように前記ノズル部材を厚さ方向に貫通する形で形成され、前記ノズルを介して噴射された冷却媒体を前記マニホールドの経路部に流動させる放出口をさらに含むことが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムのノズルは複数のノズル列を含み、前記複数のノズル列は前記放出口を挟んで互いに対向して形成されることが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムの複数のノズル列は、ノズル列内のそれぞれのノズルが他のノズル列のノズルと互いにずらして配置するように形成されることが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムのノズルは、ノズルチャンバ上に形成される半導体素子の実装領域に向かって傾斜した形状を有することが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムのノズルチャンバは、離隔空間内の側面が傾斜して形成されることが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムのノズルチャンバは、金属材質からなることが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムの冷却媒体は、冷却水、冷媒または気体であることが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムは、ノズルチャンバ上に形成された絶縁層と、前記絶縁層上に形成された半導体素子と、をさらに含むことが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムは、絶縁層と前記半導体素子との間に形成されたソルダ層をさらに含むことが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムは、半導体素子の実装領域に向かって傾斜したノズルを含み、冷却媒体を前記ノズルを介して噴射するものである。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムのノズルは、複数のノズル列を含み、前記複数のノズル列は、ノズル列内のそれぞれのノズルが他のノズル列のノズルと互いにずらして配置するように形成されることが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムのノズルは、半導体素子の実装領域に向かって傾斜した形状を有することが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムの冷却媒体は、冷却水、冷媒または気体であることが好ましい。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムは、半導体素子の実装領域に向かって傾斜したノズルを介して冷却媒体を噴射するため、半導体素子を始め電力モジュールから発生される熱を効率的に放出することができるという効果が期待できる。

また、本発明の実施例によると、ノズルが傾斜した形であるため、噴射される冷却媒体が半導体素子の実装領域に接触する際に最初の噴射力を維持することができ、放熱効果を増大することができる。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムの構成を詳細に示す図面である。 図１のＡ−Ａ´に沿って切断した電力モジュール用放熱システムの構成を示す断面図である。 図１のＢ−Ｂ´に沿って切断した電力モジュール用放熱システムの構成を示す断面図である。 本発明の実施例によるノズル部の構成を詳細に示す図面である。 本発明の実施例によるノズル部の構成を詳細に示す図面である。 本発明の実施例によるノズル部の構成を詳細に示す図面である。 本発明の実施例によるノズルチャンバの構成を詳細に示す図面である。 本発明の実施例によるノズルチャンバの構成を詳細に示す図面である。 本発明の実施例によるノズルチャンバの構成を詳細に示す図面である。 本発明の実施例によるノズル部及びノズルチャンバの結合状態を説明するための図面である。 本発明の実施例によるノズル部及びノズルチャンバの結合状態を説明するための図面である。

本発明の目的、特定の利点及び新規の特徴は、添付図面に係る以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第１」、「第２」などの用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別するために用いられるものであり、構成要素が前記用語によって限定されるものではない。以下、本発明を説明するにあたり、本発明の要旨を不明瞭にする可能性がある係る公知技術についての詳細な説明は省略する。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。

（電力モジュール用放熱システム）
図１は、本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムの構成を詳細に示す図面であり、図２は、図１のＡ−Ａ´に沿って切断した電力モジュール用放熱システムの断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ´に沿って切断した電力モジュール用放熱システムの断面図であり、図４〜図６は、本発明の実施例によるノズル部の構成を詳細に示す図面であり、図７〜図９は、本発明の実施例によるノズルチャンバの構成を詳細に示す図面であり、図１０及び図１１は、本発明の実施例によるノズル部及びノズルチャンバの結合状態を説明するための図面である。

図１、図４及び図１０に図示したように、電力モジュール用放熱システム１００は、半導体素子の実装領域に向かって傾斜したノズル１２１、１２２、１２３、１２４を含み、冷却媒体をノズル１２１、１２２、１２３、１２４を介して噴射することができる。

この際、冷却媒体は、冷却水、冷媒または気体であることが好ましいが、これに限定されない。

より詳細に説明すると、電力モジュール用放熱システム１００は、マニホールド１１０、ノズル部材１２０、ノズルチャンバ１３０、絶縁層１４０及び半導体素子１５０を含むことができる。

図２及び図３に図示したように、マニホールド１１０は、流入口１１１及び排出口１１２を含み、ノズル部材１２０と接する面が開口して形成することができる。

また、マニホールド１１０は、排出口１１２に連結され、冷却媒体を流動させる経路部１１３をさらに含むことができる。

また、マニホールド１１０は、経路部１１３を挟んで両側に対向して形成された複数の隔壁１１４をさらに含むことができる。

この際、図３のように、隔壁１１４は、多数個であることが好ましい。

また、図３に図示したように、隔壁１１４は、マニホールド１１０の両側面からそれぞれ離隔して形成されるため、流入口１１１を介して流入された冷却媒体がマニホールド１１０の側壁と隔壁との間に流れる。

また、多数個の隔壁１１４は、マニホールド１１０を多数の領域に分ける機能を有するため、マニホールド１１０上に配置されたノズル部材１２０に、冷却媒体を円滑に分散することができる。

即ち、隔壁１１４により、電力モジュール用放熱システム１００内で循環する冷却媒体が、ある一箇所に集中する現象を予め防止することができる。

図４〜図６に図示したように、ノズル部材１２０は、マニホールド１１０の上部に形成され、マニホールド１１０の流入口１１１を介して流入された冷却媒体が通過する傾斜した形状のノズル１２１、１２２、１２３、１２４を含むことができる。

また、ノズル部材１２０は、マニホールド１１０の経路部１１３に連結されるようにノズル部材１２０を厚さ方向に貫通する形で形成され、ノズル１２１、１２２、１２３、１２４を介して噴射された冷却媒体を、マニホールド１１０の経路部１１３に流動させる放出口１２５をさらに含むことができる。

即ち、図２及び図３に図示したように、冷却媒体は、マニホールド１１０の流入口１１１を介して流入され、ノズル部材１２０のノズル１２１、１２２、１２３、１２４を介してノズルチャンバ１３０の離隔空間に噴射された後、放出口１２５、経路部１１３及び排出口１１２の順に流動する。

また、図５に図示したように、ノズル１２１、１２２、１２３、１２４は、複数のノズル列を含み、複数のノズル列は、放出口１２５を挟んで互いに対向して形成されることが好ましい。

また、複数のノズル列は、ノズル列内のそれぞれのノズルが、他のノズル列のノズルと互いにずらして配置するように形成することができる。

上述したノズルの配置は、複数のノズル列が形成された状態で、それぞれのノズルから噴射される冷却媒体同士の経路妨害を予め防止するためであり、噴射された冷却媒体が互いに衝突することなく、冷却媒体が最初の量を維持した状態で、半導体素子の実装領域にまで噴射されるため、放熱効率を向上させることができる。

また、ノズル１２１、１２２、１２３、１２４は、ノズルチャンバ１３０上に形成される半導体素子１５０の実装領域に向かって傾斜した形状を有することができる。

なお、冷却媒体を噴射する際、ノズル１２１、１２２、１２３、１２４の傾斜構造は、垂直構造に比べて摩擦による損失が少ないため、半導体素子１５０からの熱をより効率的に放出できるという効果がある。

図１及び図７〜図９に図示したように、ノズルチャンバ１３０は、ノズル部材１２０の上部に形成され、ノズル部材１２０から離隔した離隔空間１３１を形成することができる。

また、ノズルチャンバ１３０は、離隔空間１３１内の側面（図７のＡ）が傾斜して形成することができる。

これは、ノズル１２１、１２２、１２３、１２４からノズルチャンバ１３０の離隔空間１３１に噴射された冷却媒体が、半導体の実装領域に対応する領域に接触した後、離隔空間１３１の縁領域に停滞する現象を防止することができる。

また、ノズルチャンバ１３０は、金属材質からなることが好ましい。例えば、ノズルチャンバ１３０は、銅またはアルミニウムのように放熱特性に優れた金属材質からなることが好ましいが、これに限定されない。

上述したノズル部材１２０とノズルチャンバ１３０が結合された状態は、図１０及び図１１に図示したとおりである。

また、電力モジュール用放熱システム１００は、ノズルチャンバ１３０上に形成された絶縁層１４０及び絶縁層１４０上に形成された半導体素子１５０を含むことができる。

さらに、電力モジュール用放熱システム１００は、絶縁層１４０と半導体素子１５０との間に形成されたソルダ層１６０をさらに含むことができる。

本発明の実施例による電力モジュール用放熱システムは、水冷式と空冷式の冷却システムの両方に適用することができる。

また、本発明の実施例は、傾斜角度を有して非対称構造で配列されたノズルから高圧及び高速の冷却媒体が噴射され、半導体素子の実装領域に直接傾斜角を有しながら衝突するため、局所的な放熱効果に優れるという効果が期待できる。

以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。

本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。

本発明は、電力モジュールから発生される熱を効率的に放出することができる電力モジュール用放熱システムに適用可能である。

１００ 電力モジュール用放熱システム
１１０ マニホールド
１１１ 流入口
１１２ 排出口
１１３ 経路部
１１４ 隔壁
１２０ ノズル部材
１２１、１２２、１２３、１２４ ノズル
１２５ 放出口
１３０ ノズルチャンバ
１３１ 離隔空間
１４０ 絶縁層
１５０ 半導体素子
１６０ ソルダ層

Claims (16)

1. 流入口及び排出口を含み、ノズル部材と接する面が開口して形成されたマニホールドと、
   前記マニホールドの上部に形成され、前記マニホールドの流入口を介して流入された冷却媒体が通過する傾斜した形状のノズルを含むノズル部材と、
   前記ノズル部材の上部に形成され、前記ノズル部材から離隔した離隔空間を形成するノズルチャンバと、
   を含む電力モジュール用放熱システム。
2. 前記マニホールドは、
   前記排出口に連結され、前記冷却媒体を流動させる経路部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電力モジュール用放熱システム。
3. 前記マニホールドは、
   前記経路部を挟んで両側に対向して形成された複数の隔壁をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の電力モジュール用放熱システム。
4. 前記ノズル部材は、
   前記マニホールドの経路部に連結されるように前記ノズル部材を厚さ方向に貫通する形で形成され、前記ノズルを介して噴射された冷却媒体を前記マニホールドの経路部に流動させる放出口をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電力モジュール用放熱システム。
5. 前記ノズルは、複数のノズル列を含み、
   前記複数のノズル列は前記放出口を挟んで互いに対向して形成されることを特徴とする請求項４に記載の電力モジュール用放熱システム。
6. 前記複数のノズル列は、
   ノズル列内のそれぞれのノズルが他のノズル列のノズルと互いにずらして配置するように形成されることを特徴とする請求項５に記載の電力モジュール用放熱システム。
7. 前記ノズルは、前記ノズルチャンバ上に形成される半導体素子の実装領域に向かって傾斜した形状を有することを特徴とする請求項１に記載の電力モジュール用放熱システム。
8. 前記ノズルチャンバは、
   前記離隔空間内の側面が傾斜して形成されることを特徴とする請求項１に記載の電力モジュール用放熱システム。
9. 前記ノズルチャンバは、金属材質からなることを特徴とする請求項１に記載の電力モジュール用放熱システム。
10. 前記冷却媒体は、冷却水、冷媒または気体であることを特徴とする請求項１に記載の電力モジュール用放熱システム。
11. 前記ノズルチャンバ上に形成された絶縁層と、
    前記絶縁層上に形成された半導体素子と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電力モジュール用放熱システム。
12. 前記絶縁層と前記半導体素子との間に形成されたソルダ層をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の電力モジュール用放熱システム。
13. 半導体素子の実装領域に向かって傾斜したノズルを含み、冷却媒体を前記ノズルを介して噴射する電力モジュール用放熱システム。
14. 前記ノズルは、複数のノズル列を含み、
    前記複数のノズル列は、
    ノズル列内のそれぞれのノズルが他のノズル列のノズルと互いにずらして配置するように形成されることを特徴とする請求項１３に記載の電力モジュール用放熱システム。
15. 前記ノズルは、前記半導体素子の実装領域に向かって傾斜した形状を有することを特徴とする請求項１３に記載の電力モジュール用放熱システム。
16. 前記冷却媒体は、冷却水、冷媒または気体であることを特徴とする請求項１３に記載の電力モジュール用放熱システム。

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