KR101459857B1 - 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드차, 전기차, 연료전지차 등과 같은 환경차에 사용되는 인버터의 파워모듈에 관한 것이다.
본 발명은 압출공법으로 제작한 히트싱크를 사용하는 양면 직접 냉각 방식을 채택함으로써, 냉각 효율을 극대화시킬 수 있고, 인버터 구조를 간단하게 구성하여 인버터 제작비용을 절감할 수 있는 한편, 여러 개의 파워모듈을 연결하여 조합할 수 있는 파워모듈 연결기를 채택함으로써, 전체 파워모듈의 평면도를 확보할 수 있는 등 평면도 관리 문제로 인한 별도의 공정을 삭제할 수 있는 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈을 제공한다.

Description

히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈{Heat sink one body type power module}
본 발명은 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드차, 전기차, 연료전지차 등과 같은 환경차에 사용되는 인버터의 파워모듈에 관한 것이다.
일반적으로 전기차, 하이브리드차, 연료전지차에는 구동수단으로 영구자석형 모터가 적용되며, 이렇게 자동차에 구동수단으로 적용되는 모터는 제어기의 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 의해 직류전압을 3상 전압으로 변환시키는 인버터로부터 전력 케이블을 통해 전달되는 상전류에 의해 구동된다.
그리고, 상기 인버터에는 배터리로부터 DC 전원을 공급받아 모터 구동용 전원을 공급하는 파워모듈이 조립된다.
보통 파워모듈은 6개 또는 3개의 상을 하나의 패키지로 통합한 형태로 이루어지며, 이러한 파워모듈은 전원공급으로 인해 발열이 발생되므로, 안정적인 작동을 위해 발열을 냉각시켜주는 다양한 적용된다.
일 예로서, 상기 파워모듈에는 스위칭시 IGBT 및 다이오드 칩에서 발생되는 열을 발생시키기 위해 히트싱크가 적용된다.
이러한 히트싱크를 적용한 파워모듈은 일본공개특허 2010-0010504호, 일본공개특허 2008-0124430호, 일본공개특허 2006-0140217호, 일본공개특허 2009-0177038호 등에 다양한 형태의 것들이 개시되어 있다.
도 1은 종래 단면 직접냉각 방식의 파워모듈을 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 파워모듈은 케이스 타입 단면 직접 냉각 방식으로 되어 있고, 일체형 블레이징 히트싱크 위에 파워모듈을 구성한 구조로 이루어진다.
여기서, 도면부호 100은 칩, 110은 DBM(Direct Bonding Material), 120은 히트싱크, 130은 솔더를 각각 나타낸다.
그리고, 상기 DBM(Direct Bonding Material)은 크게 DBC(Copper), DBA(Aluminum)이 쓰이고 있다.
그러나, 상기 파워모듈은 일체형 브레이징 히트싱크 제작이 어렵고 고가이며, 히트싱크의 평면도 관리가 어려운 단점이 있다.
또, 양면 냉각에 비해 냉각 효율이 떨어지는 단점이 있다.
도 2는 종래 양면 간접냉각 방식의 파워모듈을 나타내는 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 파워모듈은 양면 간접 냉각 방식으로서, 파워모듈 양면에 써멀 그리스를 도포한 다음, 세라믹을 부착하여 양면에 히트싱크를 통해 냉각되는 구조로 이루어진다.
여기서, 도면부호 100은 칩, 120은 히트싱크, 130은 솔더, 140은 써멀 그리스, 150은 세라믹, 160은 히트 스프레더, 170은 몰드를 각각 나타낸다.
그러나, 상기 파워모듈은 히트싱크로 냉각하기 위해 여러 개 파워모듈의 양면을 평행하게 구성하기가 어렵고, 파워모듈, 세라믹, 히트싱크가 별개이므로 각각을 결합하는 인버터 구성이 어려우며, 조립이 복잡하여 관리 및 제작에 어려움이 있다.
또, 간접 냉각 방식이므로 양면 직접 냉각에 비해 냉각효율이 떨어지는 단점이 있다.
도 3은 종래 양면 직접냉각 방식의 파워모듈을 나타내는 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 상기 파워모듈은 몰드타입 양면 직접 냉각방식으로서, 파워모듈의 양면에 절연시트를 부착하여 박스형 히트싱크에 고정시키느느 구조로 이루어진다.
여기서, 도면부호 100은 칩, 120은 히트싱크, 130은 솔더, 160은 히트 스프레더, 170은 몰드, 180은 절연시트를 각각 나타낸다.
그러나, 상기 파워모듈은 파워모듈에 절연시트를 부착하여 박스형 히트싱크와 결합하는데 이 경우 절연시트에 의해 냉각효율이 떨어지는 단점이 있다.
또, 절연시트를 강제 압입하는 과정에서 박리가 발생할 가능성이 있으며, 이 경우 절연에 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 압출공법으로 제작한 히트싱크를 사용하는 양면 직접 냉각 방식을 채택함으로써, 냉각 효율을 극대화시킬 수 있고, 인버터 구조를 간단하게 구성하여 인버터 제작비용을 절감할 수 있는 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 여러 개의 파워모듈을 연결하여 조합할 수 있는 파워모듈 연결기를 채택함으로써, 전체 파워모듈의 평면도를 확보할 수 있는 등 평면도 관리 문제로 인한 별도의 공정을 삭제할 수 있는 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈은 다음과 같은 특징이 있다.
상기 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈은 차량용 인버터에 사용되는 파워모듈로서, 상부와 하부에 각각 히트싱크가 배치되고, 상기 상하부의 히트싱크 사이에 적층되는 것으로서 가운데의 칩과 상기 칩의 위아래에 적층배치되는 DBM을 포함하며, 특히 히트싱크, 칩 및 DBM 간의 접하는 면은 솔더에 의해 접합되는 동시에 상기 칩과 DBM의 전체 둘레는 몰드부로 마감처리되는 구조로 이루어진 것이 특징이다.
여기서, 상기 히트싱크는 압출방식으로 제작되며 내부에는 냉각수가 흐를 수 있는 다수의 홀이 구비될 수 있는데, 예를 들면 히트싱크는 양쪽 단면이 일방향으로 연통되는 구조의 케이스로 이루어지고, 케이스 내부에는 연통되는 방향으로 나란한 다수 개의 격벽이 형성되어, 격벽 사이 공간이 홀로 조성될 수 있다.
그리고, 상기 몰드부 및 위아래의 히트싱크로 이루어진 모듈은 모듈 연결기에 의해 여러 개가 연결될 수 있으며, 이때의 모듈 연결기는 히트싱크의 내부와 통하는 동시에 서로 이웃하는 히트싱크의 각 단부를 수용하는 양편으로 수용하는 연결기 몸체와, 상기 히트싱크에 형성되어 있는 홈 내에 걸림 및 해제가능한 걸쇠 및 이것을 조작하기 위한 걸쇠 이동기를 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 모듈 연결기의 연결기 몸체에는 히트싱크측과의 연접부위를 따라 설치되는 가스켓을 구비하여 냉각수가 누출되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제공하는 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈은 다음과 같은 장점이 있다.
1. 원가 절감
본 발명은 양면 냉각 파워모듈의 히트싱크를 압출공법으로 제작함으로써, 직접 냉각을 위한 pin-fin 가공 공정을 제거할 수 있으므로, 기존 대비 히트싱크 제작비용을 50% 이상 절감할 수 있다.
본 발명은 냉각효율을 향상시킴으로써, 기존 간접 단면냉각 대비 반도체 칩의 크기를 절반 이하로 감소시킬 수 있어 파워모듈 원가를 20% 이상 절감할 수 있다.
본 발명은 파워모듈 양면 간접냉각 대비, 파워모듈을 결합하기 위해 발생되는 구조의 복잡성을 제거할 수 있으므로, 인버터 제조 비용을 크게 절감할 수 있다.
2. 성능 향상
본 발명은 양면 직접 냉각을 가능하게 함으로써, 냉각 효율을 기존 단면 간접냉각 대비 60% 이상, 양면 간접냉각 대비 20% 이상 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 이러한 냉각성능 향상을 통해 기존 대비 2배 이상의 출력 증대가 가능하다.
3. 상품성 향상
본 발명은 파워모듈 사이즈 축소를 통해 인버터 전체 크기를 축소하여, 차량 패키지 유연성을 확보할 수 있으므로, 엔진룸 상품성을 대폭 향상시킬 수 있다.
본 발명을 통해 파워모듈에 히트싱크(냉각모듈)를 일체화시킴으로써, 파워모듈 냉각을 위해 별도의 다이캐스팅 냉각 채널이 불필요하고, 따라서 인버터 제작을 쉽게 할 수 있으며, 몰드 모듈 조립시 써멀 그리스 도포, 절연시트 부착 등의 공정을 제거하게 함으로써, 인버터 제작 공정을 간소화시킬 수 있다.
몰드 모듈 여러 개를 동시에 히트싱크에 부착하는 경우, 냉각효율을 향상시키기 위해서는 반드시 냉각 모듈의 평면도를 관리해야 하는데, 기존에는 양면 모듈의 평면도를 관리하기 위해 별도의 가공공정이 필요하였으나, 본 발명에서는 몰드 모듈 양면에 히트싱크를 직접 결합할 수 있는 방안을 제시함으로써, 평면도 관리문제로 인한 별도 공정을 제거할 수 있다.
도 1은 종래 단면 직접냉각 방식의 파워모듈을 나타내는 단면도
도 2는 종래 양면 간접냉각 방식의 파워모듈을 나타내는 단면도
도 3은 종래 양면 직접냉각 방식의 파워모듈을 나타내는 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈을 나타내는 평면도
도 5는 도 4의 A-A 선 단면도
도 6은 도 4의 B-B 선 단면도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈을 여러 개 연결시킨 상태를 나타내는 평면도
도 8은 도 7의 C-C 선 단면도
도 9는 도 7의 D-D 선 단면도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 4 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명은 파워모듈에 히트싱크를 일체화시키고 그 연결방법을 새롭게 개선함으로써 가볍고 저렴하며 신뢰성이 높은 파워모듈을 구현할 수 있다.
이를 위하여, 상부와 하부에 각각 배치되는 히트싱크(12a,12b)가 마련되고, 상기 상하부의 히트싱크(12a,12b) 사이에서는 가운데의 칩(10)을 사이에 두고 위아래에 DBM(11a,11b)이 적층 배치되면서 솔더(13)에 의해 일체 접합되고, 이렇게 접합되는 칩(10)과 DBM(11a,11b)의 전체 둘레가 몰드부(17)에 의해 몰딩되어 마감된다.
이때, 상기 히트싱크(12a,12b)의 내측면과 DBM(11a,11b) 간에 접하는 면도 솔더(13)에 의해 접합된다.
따라서, 칩(10)과 DBM(11a,11b)을 포함하는 몰드부(17)와 위아래의 히트싱크(12a,12b)의 일체로 이루어진 모듈(18)이 완성된다.
여기서, 상기 칩(10)은 IGBT와 다이오드를 포함하느 반도체 칩이고, 상기 솔더(13)는 칩(10)과 DBM(11a,11b)를 접합시키는 동시에 DBM(11a,11b)을 접합시키는 역할을 한다.
그리고, 상기 몰드부(17)는 모듈 전체를 수지로 몰딩하는 부분으로서, 이렇게 칩 등이 몰드부(17)에 의해 밀봉되므로서, 모듈의 신뢰성이 향상될 수 있게 된다.
특히, 상기 히트싱크(12a,12b)는 압출방식으로 제작되며, 알루미늄 케이스의 내부에 냉각수를 흘릴 수 있는 다수의 홀(14)이 구비된다.
예를 들면, 상기 히트싱크(12a,12b)는 서로 마주보는 양쪽 단면이 일방향으로 연통되는 구조의 사각 케이스(15)로 이루어지고, 이때의 케이스(15)의 내부에는 연통되는 방향(좌우 길이방향)을 따라 나란한 동시에 전후 폭방향을 따라 일정간격을 유지하는 다수 개의 격벽(16)이 형성된다.
이때, 상기 격벽 간의 간격은 압출이 가능한 최소 간격으로 하여 방열 성능을 최대화할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 케이스(15)의 내부에 형성되는 격벽(16) 사이 공간은 냉각수가 흐를 수 있는 홀(14)로 자연스럽게 조성될 수 있게 된다.
물론, 이때의 홀 단면 형태는 사각형 이외에도 원형, 타원형 등으로 이루어질 수 있게 된다.
또한, 상기 모듈(18)의 히트싱크(12a,12b)에는 몰드부(17)의 양편으로 연장된 부분의 안쪽 위치에 홈(21)이 형성되며, 이때의 홈(21)은 후술하는 모듈 연결기(19)의 걸쇠(22)에 있는 돌기(27)를 끼울 수 있는 용도로 사용될 수 있게 된다.
그리고, 상기 모듈(18)에는 고전압 단자(28)와 시그널 단자(29)가 구비되며, 이때의 고전압 단자(28)는 파워모듈의 고전압 단자로서 고전압 (+), (-), 출력단으로 구성되고, 또 상기 시그널 단자(29)는 파워모듈을 구동하기 위한 게이트 시그널과 온도, 전류 센서 등을 포함한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈을 여러 개 연결시킨 상태를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 7 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 여기서는 모듈 연결기(19)를 사용하여 몰드부(17) 및 히트싱크(12a,12b)로 이루어진 여러 개의 모듈(18)을 일렬로 연결시킨 구조를 보여준다.
이를 위하여, 상기 모듈 연결기(19)는 양쪽 측면에 모듈(18)의 히트싱크(12a,12b)의 단부를 수용할 수 있는 모듈 안착홈(25)을 가지는 연결기 몸체(20)와, 모듈(18)의 연결기측 연결상태를 록킹 및 해제하는 조작수단으로서의 걸쇠(22) 및 걸쇠 이동기(23)를 포함한다.
그리고, 상기 연결기 몸체(20)의 내부, 즉 양편의 모듈 안착홈(25)을 이어주는 부분의 내부에는 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수 통로(26)가 형성되며, 이때의 냉각수 통로(26)는 모듈 연결기(19)의 양편으로 히트싱크(12a,12b)가 접하면서 연결될 때 이때의 히트싱크(12a,12b)의 내부 홀(14)과 통하게 된다.
이에 따라, 한쪽의 히트싱크(12a,12b)의 홀(14)에 흐르는 냉각수가 연결기 몸체(20)의 냉각수 통로(26)를 거쳐 반대쪽의 히트싱크(12a,12b)의 홀(14)로 보내져 계속 흐를 수 있게 된다.
특히, 상기 연결기 몸체(20)에는 히트싱크측과의 연접부위의 둘레를 따라 가스켓(24)이 구비되어 있어서, 연결기 몸체측과 히트싱크측 간의 연결부위에서 냉각수가 누출되는 것을 방지할 수 있게 된다.
그리고, 상기 모듈 연결기(19)와 모듈(18) 간의 연결 및 해제를 위한 수단으로 걸쇠(22)와 이 걸쇠(22)의 끝에 일체 형성되는 조작부위인 걸쇠 이동기(23)가 마련된다.
본 발명에서는 모듈 연결기(19)의 양측단의 전후 1쌍씩 총 4쌍의 걸쇠(22) 및 걸쇠 이동기(23)를 구비한 예를 제공한다.
상기 걸쇠(22)는 띠 모양의 부재로서 한쪽 끝이 연결기 몸체(20)에 연결됨과 더불어 걸쇠 이동기(23)가 있는 끝을 자유단으로 하면서 탄력적으로 젖힘 및 복원가능한 형태로 이루어진다.
이러한 걸쇠(22)에는 돌기(27)가 형성되고, 이때의 돌기(27)가 모듈(18)에 있는 홈(21), 즉 히트싱크(12a,12b)의 안쪽면에 있는 홈(21) 내에 걸려지거나 빠져나옴에 따라, 모듈 연결기(19)와 모듈(18)를 일체식으로 연결할 수 있게 되고, 또 모듈 연결기(19)로부터 모듈(18)를 분리할 수 있게 된다.
예를 들면, 모듈 연결기(19)의 모듈 안착홈(30) 내에 모듈(18)의 히트싱크(12a,12b)의 단부를 삽입하게 되면, 걸쇠(22)의 돌기(27) 부분이 히트싱크 단부와의 접촉에 의해 젖혀졌다가 재차 복원되면서 홈(21) 내에 끼워지게 되므로서, 모듈 연결기(19)에 모듈(18)이 연결될 수 있게 된다.
또, 분리시에는 위아래에서 마주보고 있는 양쪽의 걸쇠 이동기(23)를 손가락으로 잡고 눌러서 오므리게 되면, 걸쇠(22)가 탄력적으로 젖혀짐과 더불어 돌기(27)가 홈(21)으로부터 빠져나오게 되므로, 모듈(18)이 모듈 연결기(19)로부터 쉽게 분리될 수 있게 된다.
따라서, 여러 개의 모듈(18)이 다수의 모듈 연결기(19)에 의해 연결되므로서, 각 모듈과 모듈 연결기를 경유하는 냉각수의 흐름경로를 확보할 수 있게 되고, 또 모듈 연결기에 의해 각각의 모듈이 일렬로 나란한 동시에 체계적으로 연결되면서 평면을 유지하게 되므로서, 종전과 같이 파워모듈 연결시 평면도를 관리하기 위한 별도의 가공 공정을 삭제할 수 있게 된다.
10 : 칩 11a,11b : DBM
12a,12b : 히트싱크 13 : 솔더
14 : 홀 15 : 케이스
16 : 격벽 17 : 몰드
18 : 모듈 19 : 모듈 연결기
20 : 연결기 몸체 21 : 홈
22 : 걸쇠 23 : 걸쇠 이동기
24 : 가스켓 25 : 모듈 안착홈
26 : 냉각수 통로 27 : 돌기
28 : 고전압 단자 29 : 시그널 단자

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 차량용 인버터에 사용되는 파워모듈로서,
    상부와 하부에 각각 히트싱크(12a,12b)가 배치되고, 상기 상하부의 히트싱크(12a,12b) 사이에 적층되는 것으로서 가운데의 칩(10)과 상기 칩(10)의 위아래에 적층배치되는 DBM(11a,11b)을 포함하며,
    상기 히트싱크(12a,12b), 칩(10) 및 DBM(11a,11b) 간의 접하는 면은 솔더(13)에 의해 접합되는 동시에 상기 칩(10)과 DBM(11a,11b)의 전체 둘레는 몰드부(17)로 마감처리되는 구조로 이루어지고,
    상기 히트싱크(12a,12b)는 압출방식으로 제작되며 내부에는 냉각수가 흐를 수 있는 다수의 홀(14)이 구비되는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 히트싱크(12a,12b)는 양쪽 단면이 일방향으로 연통되는 구조의 케이스(15)로 이루어지고, 케이스 내부에는 연통되는 방향으로 나란한 다수 개의 격벽(16)이 형성되어, 격벽 사이 공간이 홀(14)로 조성될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 몰드부(17) 및 위아래의 히트싱크(12a,12b)로 이루어진 모듈(18)은 모듈 연결기(19)에 의해 여러 개가 연결될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 모듈 연결기(19)는 히트싱크(12a,12b)의 내부와 통하는 동시에 서로 이웃하는 히트싱크(12a,12b)의 각 단부를 수용하는 양편으로 수용하는 연결기 몸체(20)와, 상기 히트싱크(12a,12b)에 형성되어 있는 홈(21) 내에 걸림 및 해제가능한 걸쇠(22) 및 이것을 조작하기 위한 걸쇠 이동기(23)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 모듈 연결기(19)의 연결기 몸체(20)에는 냉각수의 누출을 방지하기 위한 수단으로히트싱크측과의 연접부위를 따라 설치되는 가스켓(24)이 구비되는 것을 특징으로 하는 히트싱크 일체형 양면 냉각 파워모듈.
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