DE2364773C2

DE2364773C2 - Einrichtung zum Kühlen von Leistungs-Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE2364773C2
Application number: DE2364773A
Authority: DE
Inventors: Pavel Praha Kafunek; Pavel Dipl.-Ing. Reichel; Bohuslav Dipl.-Ing. Voboril
Original assignee: Ckd Praha Op Praha Cs
Current assignee: Ckd Praha Op Praha Cs
Priority date: 1972-12-28
Filing date: 1973-12-27
Publication date: 1982-06-24
Also published as: JPS5422875B2; JPS4998584A; CS159563B1; GB1413922A; DD108173A5; SE394344B; FR2327640A1; US3952797A; CH565453A5; DE2364773A1; FR2327640B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Kühlen von Leistungs-Halbleiterbauelementen. welche nach dem Prinzip eines die Abdampfwärme einer Kühlflüssigkeit nützenden geschlossenen Wärmekreises arbeitet und eine an das Leistungs-Halbleiterbauelement angrenzende Kondensationskammer enthält, in deren Innenraum sich ein Körper aus porösem Material befindet, der teilweise in der unter geeignetem Druck in der Kondensationskammer eingeschlossenen Kühlflüssigkeit versenkt ist.

Die Ableitung der beim Betrieb von Leistungs-Halbleiterbauelementen entstehenden Wärme ist ein sehr schwer f.u lösendes technisches Problem. Leistungs-Halbleiterbauelemente sind gewöhnlich auf massiven Kühlkörpern aus Werkstoffen mit guter Wärmeleitfähigkeit, z. B Kupfer bzw. Aluminium, angebracht. Die Kühlkörper sind mit Kühlrippen versehen, welche eine Vergrößerung der beispielsweise durch einen Luftstrom gekühlten Fläche ermöglichen. Diese Kühlkörper sind oft mit eingelegten Kupferbolzen zum Erzielen eines besseren Wärmeübergangs vom Leistungs-Halbleiter' bauelement zum Kühlkörper versehen.

Eine andere Anordnung sieht Kühlkörper vor, die zum Kühlen mittels eines flüssigen Mediums bestimmt sind, welches durch einen in diesem Kühlkörper hergestellten Hohlraum strömt

Diese Lösungen weisen große Kühlkörperabmessungen sowie einen großen Materialverbrauch und die damit verbundenen Probleme hinsichtlich der Unterbringung der mit diesen Kühlkörpern ausgerüsteten Leistungs-Halbleiterbauelemente in den Einrichtungen und Anlagen auf. Bei den flüssigkeitsgekühlten Leistupgs-Halbleiterbauelementen kommt dazu noch das Problem des gegenseitigen Isolierens der durch die Kühlkörper strömenden flüssigen Medien, d^ sich die erwähnten Kühlkörper auf verschiedenem elektrischen Potential befinden.

Ein bedeutender Fortschritt gegenüber den oben angeführten Konstruktionen liegt in der Verwendung von Kühlkörpern, in denen ein geschlossener Wärme-

i's kreis ausgebildet ist. Im Hohlraum dieser Kühlkörper wird die Kühlflüssigkeit an der warmen Stelle verdampft und an einer kalten Stelle koi Jensiert.

So sind aus der DE-OS 20 15 518 und der DE-AS 20 5b 805 Einrichtungen der eingangs genannten Art bekannt, bei denen ein direkter Kontakt zwischen Kühlflüssigkeit und Leistungs-Halbleiterbauelement herrscht und der Körper aus porösem Material die ganze Wand oder mindestens einen überwiegenden Teil der Wand der Kondensationskammer bedeckt. Dieser hohe Bedeckungsgrad führt dazu, daß sich eine bedeutende Verschlechterung des Wärmeüberganges zwischen kondensierender Kühlflüssigkeit und Kondensationskammer ergibt. Die komplizierte Form der Kondensationskammer stellt außerdem einen einschränkenden Faktor für die Anwendung des geeigneten porösen Materials dar.

Aus dem DE-GM 17 14 910 ist andererseits ein elektrisch unsymmetrisch leitendes System bekannt, bei dem ein Kühlflüssigkeitsbehälter Wellungen aufweist, damit die etwaige unterschiedliche Wärmedehnung der durch die Behälterwand zu einer Gegenelektrode geführten starren Zuleitung berücksichtigt wird. Das Leistungs-Halbleiterbauelement ist auf einer besonderen Platte am Boden im Inneren des Behälters innerhalb der Kühlflüssigkeit angebracht, wobei innerhalb des Behdlicrs ein kleinerer Behäl'er mit Wellungen angeordnet sein kann, der auf dem Leistungs-Halbleiterbauelement aufsitzt und als Strumzuführung zur Gegenelektrode dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß der Wärmetransport von dem /u kühlenden Leistungs-Halbleiterbauelement zur Kor,-densationskamme/ verbessert wird und unabhängig von deren form in jedem Fall das geeignetste poröse Körpermaterial verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein elastisches Innenglied gleichzeitig den Körper aus porösem Material an die Innenseite einer nachgebenden Wand der Kondensationskammer und diese nachgebende Wand an das Leistungs- Halbleiterbauelement andrückt.

Der Körper aus porösem Material ist an seiner an der nachgebenden Wand anliegenden Fläche mit Kanälen bzw. Ritzen versehen.

Die nachgebende Wand ist an ihrem Umfang zweckmäßig mit einem steifen Körper verbunden, mit dem gleichfalls der Mantel der Kondensationskammer verbunden ist, wobei in dem steifen Körper die mit ihrem entgegengesetzten Ende den Körper aus porösem Material an die nachgebende Wand drückende Feder verankert ist.
Schließlich sieht eine Ausgestaltung der Erfindung

vor, daß der steife Körper und die nachgebende Wand an ihrem Umfang mit durchgehenden öffnungen versehen sind, durch welche vom steifen Körper und von der nachgebenden Wand durch Isolierglieder getrennte Klemmbolzen geführt sind.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert:

Die Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung der Kühleinrichtung; und die

F i g. 2 zeigi ein Ausführungsbeispiel im einzelnen.

An das Leistungs-Halbieiterbauelement 1 ist nach Fig. 1 die Kondensationskammer 10 durch die Kraft F mit ihrer nachgebenden Wand 2 angedrückt. Im Innenraum der Kondensationskammer 10 befindet sich der wenigstens teilweise in die Kühlflüssigkeit 12 versenkte Körper 3 aus porösem Material, welcher durch das elastische Innenglied i6 an die nachgebende Wand 2 der Kondensationskammer 10 angepreßt wird. Der Mantel der Kondensationskammer 10 ist mit Kühlrippen 13 versehen. Das abgebildete Leistungs-Halbieiterbauelement ist einseitig gekühlt.

In Fig. 2 ist ein doppelseitig gekühltes Leistungs-Halbieiterbauelement 1 in Scheibenausführung abgebildet, welches an die nachgebende Wand 2 der Kondensationskammer 10 angepreßt ist. Diese nachgebende Wand 2, die beispielsweise aus Kupfer besteht, ist an ihrem Umfang mit dem steifen Körper 5, der beispielsweise aus Stahl gebildet ist, durch Hartlöten verbunden.

Mit dem steifen Körper 5 ist der mit Kühlrippen 13 versehene Mantel der Kondensationskammer 10. beispielsweise durch eine vakuumdichte Widerstandsschweißnaht, verbunden. Der Mantel der Kondensationskammer 10 ist kegelförmig; in der Spitze des Kegels ist ein Füll- und Schöpfröhrchen 11 untergebracht. Im Innenraum der Kondensationskammer 10 befindet sich der wenigstens teilweise in die Kühlflüssigkeit 12 versenkte Körper 3 aus porösem Material, der beispielsweise aus Keramik besteht und an die nachgebende Wand 2 durch eine im steifen Körper 5 verankerte Feder 8 angedrückt wird. Zwischen dem Körper 3 aus porösem Material und der nachgebenden Wand 2 kann eine den Wärmeübergang von der nachgebenden Wand 2 zum Körper 3 aus porösem Material verbessernde Materialschicht 4 angebracht werden. Diese Schicht 4 kann beispielsweise eine Metallfolie bzw. Amalgan oder Kontaktvaseline sein.

Der steife Körper 5 und die nachgebende Wand 2 iind an ihrem Umfang nrt durchgehenden öffnungen versehen, durch welche vom steifen Körper 5 uno von der nachgebenden Wand 2 durch Isolierglieder 6, die beispielsweise aus Keramik bestehen, abgetrennte Klemmbolzen 14 führen. An diesen Isoliergliedern 6 können Metallunterlagen 7 angebracht werden. An der nachgebenden Wand können, uuispielsweise durch Hartlöten, die elektrischen Anschlüsse 15 des Leistungs-Halbleiterbauelementes 1 befestigt werden. Die Innenflächen der Kondensationskammer 10, mit Ausnahme der nachgebenden Wand 2, können mit einer Schicht 9 eines das Kondensieren der Kühlflüssigkeit 12 verursachenden Materials, beispielsweise Tetrafluoräthylen.

υ versehen sein.

Während des Betriebes des L.eistungs-Halbleiter bauelementes 1 wird die sich im Innenraum der Kondensationskammer 10 befindende Kühlflussigken 12. beispielsweise Wasser, durch die Kapillarkraft von dem Körper 3 aus porösem Material zur Kontaktfläch·; des Körpers 3 und der nachgeben .'.-n Wand 2 befördert. Diese nachgebende Wand 2 ist ihre.scis i:i Kuniaki mil der Elektrode des als Wärmequelle wirkenden Leistungs-Halbleiterbduelements 1. Die Kühlflüssigkeit 12 verdampft an dieser Kontaktfläche, und der entstandene Darr if kondensiert dann an den gekühlten Wänden der Kondensationskammer 10. Dieser Prozeß wird durch Bildung von Kanälen bzw. Ritzen auf der sich rr.it der nachgebenden Wand 2 in Kontakt befindlichen Fläche des Körpers 3 aus porösem Materia'« erleichtert. Durch Herstellung eines entsprechenden Druckes im Innenraum der Kondensationskammer 10 kann der Siedepunkt der angewandten Kühlflüssigkeit 12 beeinflußt werden.

Das oben beschriebene Leistungs-Halbleiterbauelement 1 kann aus Silizium bestehen, P-N-Obergänge, Metallelektroden wie Molybdän oder Wolfram aufweisen, und in ein entsprechendes Gehäuse eingebaut sein. Diese Einrichtung kann an ein- oder JoppcJseitig zu kühlende konventionelle Leistungs-Halbleiterbauelemente angebracht werden, wobei die Einrichtung und eis Leistungs-Halbieiterbauelement durch Klemmbolzen aneinander gepreßt sind, so daß ein leichtes Zerlegen des Systems ermöglicht wird. Weiterhin kann die geometrische Form des Körpers aus porösem Material in weiten Grenzen variiert werden, da die Kühlkammer davon unabhängig geformt werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Kühlen von Leistungs-Halbleiterhauelementen, welche nach dem Prinzip eines die Abdampfwärme einer Kühlflüssigkeit nützenden geschlossenen Wärmekreises arbeitet und eine an das Leistungs-Halbleiterbauelement angrenzende Kondensationskammer enthält, in deren Innenraum sich ein Körper aus porösem Material befindet, der teilweise in der unter geeignetem Druck in der Kondensationskammer eingeschlossenen Kühlflüssigkeit versenkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Innenglied (16 bzw. 8) gleichzeitig den Körper (3) aus porösem Material an die Innenseite einer nachgebenden Wand (2) der Kondensationskammer (10) und diese nachgebende Wand (2) an das Leistungs-Halbleiterbauelement (1) andrückt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, :^J,iß der Körper (3) aus porösem Material an seiner an der nachgebenden Wand (2) anliegenden Fläche mit Kanälen bzw. Ritzen versehen ist.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nachgebende Wand (2) an ihrem Umfang mit einem steifen Körper (5) verbunden ist, mit dem gleichfalls der Mantel der Kondensationskamme.- (10) verbunden ist, wobei in dem steifen Körper (5) die mit ihrem entgegengesetzten Ende den Körper (3) aus porösem Material an die nachgebende Wand (2) drückende Feder (8) verankert im.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der steife körper (5) und die nachgebende Wand (2) an ihrem Umfang mit durchgehenden öffnungen ν rsehen sind, durch welche vom steifen Körper (5) und von der nachgebenden Wand (2) durch Isolierglieder (6) getrennte Klemmbolzen (14) geführt sind.