IGBT 모듈용 액체 냉각판

1. IGBT 모듈이란 무엇입니까?

전기 자동차, 신재생 에너지 발전, 철도 운송 및 산업 자동화 분야에서 IGBT 모듈은 고출력 밀도, 소형화 및 높은 접합 온도로 진화하고 있습니다. 그러나 칩의 출력 밀도가 증가함에 따라 사용 가능한 냉각 공간은 급격히 줄어듭니다. 연구에 따르면 열 문제는 집적 회로 고장의 50% 이상을 차지하며, 전력 전자 장치의 경우 IGBT 고장의 약 55%가 온도와 관련이 있습니다. 기존의 공랭식 냉각은 대류 열전달 계수가 제한적이고(최대 약 37W/cm²) 부피가 커서 차세대 전력 모듈에 적합하지 않습니다. 액체 냉각판 기술은 고출력 칩 열 관리를 위한 핵심 솔루션으로 부상하고 있습니다.

2. IGBT의 열적 문제점 및 기존 냉각 방식의 한계

IGBT 모듈은 상당한 열을 발생시킵니다. 효율이 98%인 100kW 인버터의 경우, 약 2kW의 열을 열 관리 시스템을 통해 제거해야 합니다. 더욱이 열 분포는 균일하지 않으며, 칩 표면의 특정 지점은 평균 온도보다 훨씬 높을 수 있습니다. 이러한 고온 지점은 동적 성능과 수명을 저하시킵니다.

온도는 IGBT 고장과 밀접한 관련이 있습니다. 2003년부터 2017년까지 23개국에서 발생한 풍력 터빈 고장에 대한 통계 연구에 따르면, IGBT 모듈 고장이 계획되지 않은 컨버터 가동 중단의 22%를 차지했으며, 이는 풍력 시스템에서 가장 고장 발생률이 높은 부품 중 하나입니다. 차량의 잦은 가속/감속은 심각한 전력 사이클링과 온도 변화를 유발하여 본드 와이어 피로, 솔더 박리 및 기타 열 피로 고장으로 이어집니다. 열 폭주는 전기 자동차에서 전력 손실을 일으켜 심각한 안전 위험을 초래할 수 있습니다.

열 저항 관점에서 IGBT의 열 방출은 다층 구조의 직렬 열 저항 문제입니다. 계면 열 저항은 전체 열 저항의 60% 이상을 차지하여 주요 병목 현상입니다. 접합부와 케이스 사이의 저항 중에서 DBC(직접 접합 구리) 세라믹 기판이 가장 큰 비중(75% 이상)을 차지합니다. 기존의 공랭식 냉각 방식은 낮은 열 전달 계수, 국부적인 과열 지점 제거 능력 부족, 그리고 시스템 소형화와 상충되는 큰 시스템 부피라는 세 가지 주요 한계를 가지고 있습니다.

3. 어떻게 액체 냉각판 일과 그 분류

액체 냉각판(냉각판, 액체 냉각판 또는 수냉판이라고도 함)은 강제 액체 대류를 이용하여 열을 제거합니다. 작동 원리는 간단합니다. IGBT 모듈에서 발생하는 열이 열 인터페이스를 통해 냉각판 바닥으로 전달된 후, 내부 채널을 통해 흐르는 냉각수에 의해 제거됩니다. 가열된 냉각수는 열교환기로 순환하여 냉각된 후 다시 돌아옵니다.

제조 공정 및 구조 형태를 기준으로 오늘날 엔지니어링 분야에서는 크게 네 가지 유형의 IGBT 냉간압축판이 사용됩니다.

3.1 전통적인 액체 냉각판

기존 설계 방식에는 드릴링, 조립, 용접 및 튜브형이 있습니다. 이러한 방식은 공정이 간단하고 비용이 저렴하며 저전력에서 중전력 밀도의 IGBT 모듈에 적합합니다. 그중에서도 튜브형 냉각판(또는 튜브형 액체 냉각판)은 알루미늄 베이스 플레이트의 홈에 구리 또는 스테인리스 스틸 튜브를 삽입하고 브레이징 또는 에폭시로 고정합니다. 이는 기본적인 드릴링 플레이트보다 우수한 열 성능과 수명을 제공합니다.

3.2 튜브 액체 냉각판

튜브형 액체 냉각판(수냉식 냉각판 또는 튜브형 냉각판이라고도 함)은 알루미늄 베이스 플레이트에 구리 또는 스테인리스강 튜브를 냉각 채널로 사용하고 열 접착제 또는 브레이징으로 고정합니다. 이러한 냉각판의 장점으로는 간단한 제조 공정, 저렴한 비용, 그리고 IGBT의 열 분포에 맞춘 유연한 튜브 배치(예: 뱀 모양 또는 U자형)가 있습니다. 중전력 밀도의 비용에 민감한 산업용 드라이브 및 태양광 인버터에 적합합니다. 일반적인 튜브 직경은 6~12mm이며, 작동 압력은 일반적으로 0.5MPa 미만입니다.

3.3 fsw 액체 냉각판

FSW(마찰 교반 용접) 액체 냉각판은 회전하는 교반 핀을 사용하여 마찰열을 발생시켜 재료를 가소화하고 커버와 홈이 있는 베이스 플레이트 사이에 고체 상태 용접을 형성합니다. 이 공정은 기공, 균열 및 용가재를 생성하지 않아 높은 용접 강도, 우수한 밀봉성 및 유로 변형 방지를 제공합니다. FSW 냉각판은 장기적인 신뢰성이 중요한 전기 자동차 트랙션 인버터 및 철도 운송 변환기에 이상적입니다. 일반적인 유로 폭은 4~10mm이며, 내압성은 1.5~2.0MPa에 달할 수 있습니다.

3.4 압출 액체 냉각판

압출식 액체 냉각판(또는 알루미늄 냉각판)은 특수 금형을 사용하여 알루미늄을 압출하여 한 번에 여러 개의 평행 유로를 형성한 후 절단, 밀봉 및 가공합니다. 주요 이점은 높은 생산 효율성과 낮은 단가, 그리고 일관된 채널 치수로 대량 표준화 생산에 이상적이라는 점입니다. 그러나 채널은 일반적으로 직선형이므로 핀 최적화에 제약이 있습니다. 이러한 냉각판은 전력 밀도가 낮은 범용 인버터 및 전기차 충전 모듈에 사용됩니다. 일반적인 유압 직경은 2~5mm입니다.

3.5 브레이징 액체 냉각판

브레이징 액체 냉각판(또는 브레이징 냉각판)은 스탬핑된 유로형 베이스 플레이트를 커버 플레이트에 진공 또는 제어 분위기 브레이징 방식으로 접합하여 제작됩니다. 이 방식을 통해 핀 핀, 경사 핀, 터뷸레이터와 같은 복잡한 내부 핀 구조를 구현할 수 있습니다. 브레이징은 설계 자유도가 매우 높아 컴팩트한 크기에서도 우수한 밀봉성과 낮은 잔류 응력을 유지하면서 열 전달 효율을 향상시킬 수 있습니다. 브레이징 액체 냉각판은 고출력 밀도의 IGBT 및 SIC 모듈에 가장 적합한 소재로, 고급 전기차 메인 드라이브, 풍력 변환기, 고성능 산업용 전원 공급 장치 등에 널리 사용됩니다. 유로형 구조의 크기는 1~3mm 정도로 매우 작을 수 있으며, 핀 핀을 사용하면 압출 또는 튜브형보다 열 저항이 현저히 낮습니다. 진공 브레이징은 가장 신뢰성이 높은 공정입니다.

3.6 다양한 냉각판 구조 간의 열 저항 및 구조 비교

엔지니어링 선택을 지원하기 위해 표 1에서는 4가지 IGBT 냉각판(기존 튜브형을 기준으로 함)의 주요 열 및 구조적 매개변수를 비교합니다.

표 1: 다양한 액체 냉각판 구조의 열 저항 및 구조 비교

4. 성능 최적화: 유로 및 마이크로핀 설계

콜드 플레이트 냉각 시스템의 냉각 성능은 내부 유로 및 핀 설계에 크게 좌우됩니다. 현재 연구는 다음과 같은 영역에 집중하고 있습니다.

핀 구조: 산업용 모터 드라이브에 사용되는 3개의 IGBT 모듈에 대한 액체 냉각 연구에서 직선형, 지그재그형 핀, 경사형 핀을 비교하여 복잡한 핀 구조가 대류를 향상시킨다는 것을 확인했습니다. 또한, 경사형 핀이 있는 미세 규모 적층 유동 액체 냉각판은 동일한 유량 조건에서 직사각형 마이크로 채널 냉각판에 비해 열전달 계수가 3배 증가하고, 칩 최고 온도가 1.4°C 감소하며, 온도 균일성이 37.8% 향상되고, 유동 저항이 15% 이상 감소하여 800W 칩의 안정적인 냉각이 가능했습니다.

위상 최적화: IGBT 냉각판에 대한 이중 목표 위상 최적화(최대 열 전달, 최소 유동 저항)를 사용한 연구에 따르면 직선 채널 냉각판과 비교했을 때 위상 최적화된 냉각판은 압력 강하가 26.3% 낮고, 열 저항이 64.7% 낮으며, 열 전달 계수가 16.3% 높은 것으로 나타났습니다.

온도 균일성: 난징 정보과학기술대학교 연구팀은 뱀 모양 채널, 강화된 핀, 그리고 엇갈린 터뷸레이터를 갖춘 혁신적인 액체 냉각판을 제안했습니다. 실험 결과, 냉각수 유량을 증가시키면 장치의 최고 온도가 약 22K 감소하고, 특정 유량 범위에서 안정적인 열 성능을 유지하는 것으로 나타났습니다.

냉각 성능과 펌핑 동력 간의 상충 관계: 콜드 플레이트 냉각 시스템에서 유량을 증가시키면 열 전달은 향상되지만 펌프 동력 소비도 비선형적으로 증가합니다. 전기 자동차의 경우, 10kPa의 추가적인 압력 강하는 수 와트에서 수십 와트에 이르는 펌프 동력 손실을 초래할 수 있으며, 이는 시스템 동력 예산에 반드시 포함되어야 합니다.

5. 아키텍처 진화: 간접 냉각 방식에서 내장형/DBC 통합형 액체 냉각판으로

기존 냉각 아키텍처에서 IGBT 모듈은 "칩 - DBC - 베이스플레이트(구리 또는 ALSIC) - 콜드플레이트"의 다층 구조로 되어 있으며, 각 층은 열 저항을 추가합니다. 앞서 언급했듯이 인터페이스 열 저항은 전체 열 저항의 60%를 초과합니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 혁신적인 아키텍처인 임베디드 또는 DBC 통합 액체 냉각판이 등장했습니다. 이 아이디어는 고온 공정을 사용하여 구리와 세라믹(Al₂O₃ 또는 AlN)을 단일 구조로 접합하여 DBC 기판을 냉각판에 직접 통합하는 것입니다. 냉각수 채널은 칩 바로 아래에 배치되며 DBC에 의해서만 분리되어 열 전도 경로를 획기적으로 단축합니다.

세 가지 주요 이점: (1) 베이스 플레이트와 외부 열을 제거하여 전체 열 저항을 크게 줄입니다. (2) 0.3mm까지의 채널 해상도와 높은 전도성 구리를 결합하여 우수한 등온 성능을 달성합니다. (3) 고전력 밀도 소형 레이아웃과 양면 부품 장착을 지원합니다. 이 통합 방식의 주요 재료 매개변수는 표 2에 나와 있습니다.

표 2: dbc 통합 액체 냉각판의 주요 재료 매개변수 (출처: 전자 냉각, 2025)

이러한 통합 추세는 직접 냉각 방식 IGBT 모듈의 시장 성장과 맥락을 같이합니다.

6. 재료 선정 및 냉각 기술

냉각판 재료 선택은 열전도율, 가공성 및 비용의 균형을 고려해야 합니다. 가장 일반적인 선택은 열전도율이 약 180~230w/(m·k)인 알루미늄 합금 6063입니다. 구리는 약 401w/(m·k)의 열전도율을 제공하지만 밀도가 알루미늄의 3배에 달하고 비용이 훨씬 높기 때문에 엄격한 냉각 요구 사항을 충족해야 하는 고급 응용 분야에만 사용됩니다.

냉각수는 열 전달에 있어 매우 중요한 역할을 합니다. 응용 열공학(Applied Thermal Engineering)에 발표된 한 연구에서는 탈이온수, 정제수, 20% 에틸렌 글리콜-물 용액, 그리고 HFE7100을 비교했습니다. 압력 re = 1400에서 탈이온수의 전반적인 성능 평가 기준(PEC)은 정제수, 20% 에틸렌 글리콜, 그리고 HFE7100보다 각각 9.3%, 24.5%, 163.9% 더 높았습니다. 압력 re = 1400(유속 ~0.5–0.6 m/s)은 낮은 압력 강하를 위한 최적의 작동 범위로 확인되었습니다. 실제 시스템에서는 동결 방지 및 우수한 열전도율을 제공하는 50% 에틸렌 글리콜-물 혼합액이 널리 사용됩니다.

7. 제조 공정 및 신뢰성 테스트

액체 냉각판의 용접/밀봉은 장기적인 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 주요 유형으로는 튜브형(튜브 매립 + 브레이징 또는 프레스), 마찰교반용접(FSW), 압출형(압출 + 단부 밀봉), 브레이징형(진공 또는 대기압 브레이징)의 네 가지가 있습니다. 진공 브레이징과 FSW는 고신뢰성 냉각판 제작에 널리 사용되는 공정입니다.

일반적인 용접 결함에는 기공, 과도한 퍼짐, 내부 미세 균열, 불량한 접합 및 유로 막힘이 포함됩니다. 마찰교반용접(FSW) 및 브레이징 냉간판의 경우 용접 밀봉 및 내부 청결도를 주의 깊게 검사해야 합니다.

평탄도 또한 중요한 요소입니다. 헤르츠 접촉 이론에 따르면, 거시적으로 평평해 보이는 표면에도 미세한 요철이 존재하며, 실제 접촉 면적은 명목상 면적보다 훨씬 작습니다. 마이크론 수준의 평탄도 편차는 계면 열 저항을 급격히 증가시킬 수 있습니다. 콜드 플레이트 냉각 시스템의 일반적인 허용 기준은 다음과 같습니다.

• 기밀성: 헬륨 누출 시험, 누출량 ≤ 1×10⁻⁶ pa·m³/s 또는 ≤ 0.05 ml/min @ 0.5–2.0 mpa

• 압력 저항: 유압 파열 시험 ≥ 작동 압력의 3배 (일반적으로 ≥ 3.0 MPa)

• 평탄도: 100mm당 0.05mm 이하 (전체 0.1mm 이하)

• 청결도: 입자상 물질 ≤ 10 mg/m²

8. IGBT 응용 분야에서 액체 냉각판의 가치

전기 자동차: 액체 냉각판은 트랙션 인버터에서 발생하는 열을 처리하여 모터 출력에 직접적인 영향을 미칩니다. SIC 모듈은 기존 IGBT보다 2~3배 높은 전력 밀도를 가지며, 효율적인 튜브형, FSW형 또는 브레이징형 액체 냉각판은 국부적인 과열 지점을 효과적으로 제거하여 전기차의 주행 거리와 신뢰성을 향상시킵니다.

풍력 및 태양광 인버터: IGBT 모듈은 장기간 고부하 상태에서 작동하므로 냉각 시스템은 수명이 길고 유지보수가 적어야 합니다. 콜드 플레이트는 접합부 온도를 안정적으로 낮추고 온도 변동폭을 줄여 가혹한 환경에서도 신뢰성을 크게 향상시킵니다.

철도 운송: 전철화로 냉방 수요가 증가합니다. 능동 액체 냉각(펌프 구동 방식)은 자연 대류나 강제 공기 냉각보다 더 정밀한 온도 제어를 제공하여 극한 환경에서 신뢰성을 향상시킵니다.

(전자제품용 유사한 냉각판은 고성능 프로세서용 CPU 냉각판, 전기차 배터리 팩용 액체 냉각판, 고전압 절연용 절연 냉각판 설계 등에도 사용됩니다.)

9. 시장 전망 및 기술 동향

QYResearch에 따르면, 전 세계 IGBT 방열판 기판 시장은 다음과 같은 규모에 도달했습니다. 2024년 7억 2천만 달러 규모였던 IGBT 시장은 2031년까지 11억 6천 5백만 달러에 이를 것으로 예상되며, 연평균 성장률(CAGR)은 7.7%입니다. 이러한 성장의 핵심 동력은 액체 냉각판, 특히 브레이징 및 FSW 방식의 냉각판입니다. 직접 액체 냉각 방식의 IGBT 모듈은 17.9%라는 높은 CAGR을 기록하며 IGBT 기판 전체의 7.7% 성장률을 크게 웃돌고 있는데, 이는 액체 냉각 기술의 빠른 보급을 보여줍니다.

IEEE 학회에서 발표된 1000W TDP용 다중 노즐 제트 충돌 액체 냉각판(MJILCP)이라는 첨단 개념은 기존의 밀링 채널 냉각기 냉각판에 비해 열 저항이 14.3% 낮고 펌핑 동력이 19.3% 낮은 것으로 나타났습니다. 0.0236°C/W의 열 저항을 달성하기 위해 MJILCP는 펌프 동력을 48% 절감했습니다.

미래의 진화는 세 가지 방향에 초점을 맞추고 있습니다.

1. 심층 통합: 간접 냉각에서 내장형 DBC 통합에 이르기까지 열 저항을 더욱 줄입니다.

2. 지능형 설계: AI 기반 설계, 위상 최적화 및 적층 제조를 활용한 맞춤형 유동 채널(맞춤형 액체 냉각판, 맞춤형 냉각판).

3. 다양한 시나리오에 대한 적응성: 800V 고전압 플랫폼, 고고도 환경 등에 맞춘 맞춤형 솔루션을 제공하며, 극한의 냉각 요구 사항을 충족하기 위해 액체 질소 냉각판을 포함할 수도 있습니다.

지역 제조업이 발전하고 신에너지 혁명이 심화됨에 따라 액체 냉각판은 보조 부품에서 IGBT 및 더 넓은 범위의 전력 전자 장치에서 전력 밀도와 신뢰성을 구현하는 핵심 요소로 발전할 것입니다.