AT391774B - Anordnung zur siedekuehlung stapelbarer, scheibenfoermiger halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

Nr. 391 774

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Siedekühlung zwischen zwei Wärmeableitem eingespannter, stapelbarer, scheibenförmiger Halbleiterbauelemente, die vollständig von einer Siedekühlflüssigkeit umgeben ist, bei der der Kontaktbereich der Kühleinrichtung mit den Halbleiterbauelementen ebenflächig ausgebildet ist und bei der eine in Form eines gleichseitigen Dreiecks ausgebildete Spannvorrichtung 5 im Teilungswinkel von 120° Führungsvomchtungen für drei symmetrisch zueinander angeordnete Zugbolzen aufweist, deren Spannkraft auf die Halbleiterbauelemente übertragen wird. Eine derartige Anordnung ist durch die DE-OS 29 07 780 bekannt.

Bei dieser Anordnung bestehen die Wärmeableiter für die im Halbleiterbauelement erzeugte Wärme aus zwei zylindrischen, als Kathode und Anode dienenden massiven Metallblöcken, deren Durchmesser kleiner als der der 10 Halbleiterscheibe ist. Bei einem hochbelasteten Halbleiterbauelement besteht beim Einsatz der bekannten Anordnung die Schwierigkeit, ausreichende Mengen der Siedekühlflüssigkeit möglichst dicht an die Wärmequelle (Halbleiterbauelement) zu bringen.

Bei einer durch das DE-GM 75 03 996 bekannten Anordnung bestehen die Wärmeableiter ebenfalls aus einem massiven, das Halbleiterbauelement überdeckenden Verdampfer und an diesen seitlich angeschlossene 15 plattenformige, zum Teil mit einer Siedekühlflüssigkeit gefüllte, den Kondensationsraum bildende Körper. Auf der dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite des Verdampfers ist unter Vergrößerung der Oberfläche zur Verwirbelung und besseren Blasenbildung bei der Verdampfung der Siedekühlflüssigkeit eine Ringnut vorgesehen. Auch kann die Oberfläche aufgerauht, geriffelt oder gekordelt sein. Die plattenförmigen Kühlkörper weisen zusätzlich zum verbesserten Wärmeübergang Noppen und Ausformungen auf. Zum einen ist mit einer 20 derartigen Anordnung eine kompakte Bauweise bei einem größeren Stapel von massiven Verdampfern jeweils zwischengeschichteten Halbleiterbauelementen trotz der erwähnten Oberflächengestaltung wegen der benötigten großen Oberfläche nicht möglich, zum anderen besteht hier infolge von nur zwei Zugbolzen und einer unsymmetrischen Anlage der plattenförmigen Kühlkörper die Gefahr des Ausbrechens einzelner Elemente aus der Spannachse. Auch ist der Aufwand der Herstellung der Kühlkörper in Verbindung mit den Verdampfern 25 verhältnismäßig groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art Wärmeableiter anzugeben, die den Wärmeübergang der Siedekühlflüssigkeit bei ausreichend großer Oberfläche optimal nahe am Halbleiterbauelement ermöglichen und dabei im Stapel bei mehreren zwischen zwei Wärmeableitem angeordneten Halbleiterbauelementen eine kompakte, leicht montierbare und in der Längsachse stabile Spannmöglichkeit 30 gewährleisten. Außerdem soll über die Wärmeableiter eine einfache elektrische Verschaltung einzelner im Stapel angeordneter Halbleiterbauelemente möglich sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß beide Wärmeableiter auf der dem Kontaktbereich mit dem Halbleiterbauelement jeweils abgewandten Seite im Teilungswinkel von 120° angeordnete Zapfen aufweisen, über die die Spannkraft der Zugbolzen auf das Halbleiterbauelement übertragen wird, die 35 druckübertragenden Zapfen benachbarter Wärmeableiter innerhalb eines Stapels stets aufeinanderliegen, die Zwischenräume zwischen den Zapfen so groß ausgelegt sind, daß hier der Siedeprozeß ungehindert ablaufen kann, beide Wärmeableiter in Form eines gleichseitigen, das Halbleiterbauelement jeweils voll überdeckenden Dreiecks ausgebildet sind, in dessen Eckbereichen jeweils ein Führungsloch für einen der Zugbolzen vorgesehen ist und der Abstand zwischen zwei Zugbolzen größer ist als der Scheibendurchmesser der Halbleiterbauelemente. 40 Auf vorteilhafte Weise wird durch die angeformten Zapfen einerseits eine ausreichend große Oberfläche für die

Siedekühlung bereitgestellt, andererseits wird aber auch die die Anordnung vollständig umgebende Siedekühlflüssigkeit möglichst nahe an das Halbleiterbauelement herangeführt. Trotzdem ist infolge der druckübertragenden Zapfen eine kompakte Bauweise bei Stapeln möglich, wobei durch die drei symmetrisch versetzten Zugbolzen ein Ausbrechen auch längerer Säulen aus der Spannachse verhindert wird. 45 Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Anordnung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Wärmeableiter im ebenflächigen Kontaktbereich eine Zentrierbohrung für einen Spannstift vorgesehen ist Durch das Eingreifen des Spannstiftes in diese Zentrierbohrung ist es auf optimale Weise möglich, die Halbleiterbauelemente bei der Montage jeweils zu fixieren.

Ferner läßt sich die Anordnung der Erfindung vorteilhaft dadurch ausgestalten, daß jeder Wärmeableiter am 50 Umfang an zwei seiner Dreieckseiten mit elektrischen Hauptanschlüssen und auf der dritten Dreieckseite mit einem Hilfsanschluß ausgerüstet ist, deren Gewindebohrungen tangential zum Außenumfang der scheibenförmigen Halbleiterbauelemente verlaufen. Mit diesen Anschlüssen ist innerhalb einer gestapelten Säule eine einfache elektrische Verschaltung der einzelnen Halbleiterbauelemente möglich.

Die Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden erläutert 55 werden. Es zeigen

Fig. 1 die Darstellung eines Stapels von Wärmeableitem mit Halbleiterbauelementen und

Fig. 2a bis Fig. 2c die Ausbildung eines Wärmeableiters nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Stapels scheibenförmiger Halbleiterbauelemente (10,11,12) dargestellt, die jeweils zwischen zwei Wärmeableitem (91) bis (95) angeordnet sind. Die Wärmeableiter (91) bis (95) dienen 60 der Wärmeabfuhr von den elektrisch hoch belasteten Halbleiterbauelementen (10,11,12) an eine den gesamten Stapel vollständig umgebende Siedekühlflüssigkeit.

Zur Herstellung eines ausreichenden elektrischen Kontaktdrucks ist eine für alle Bauelemente gemeinsame -2-

Claims (3)

1. Nr. 391 774 (nicht näher gezeigte) Spannvorrichtung vorgesehen, die über drei symmetrisch angeordnete, isolierte Zugbolzen (15.16.17) eine Spannkraft (P) aufbringt. In den Fig. 2a bis c ist die spezielle Ausbildung eines der Wärmeableiter (91) bis (95) in Einzelheiten gezeigt. Der Wärmeableiter hat die Form eines gleichseitigen Dreiecks, das ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement jeweils voll überdeckt. In den Eckbereichen des gleichseitigen Dreiecks sind drei Führungslöcher (1) zur Führung der isolierten Zugbolzen vorgesehen. Eine Seite des Wärmeäbleiters ist als ebene Fläche (2) zum Kontaktieren mit dem zugeordneten Halbleiterbauelement ausgebildet, die andere, gegenüberliegende Seite ist als Siedefläche (3) gestaltet. Über diese Fläche verteilt, die der Größe des Gehäusebodens des Halbleiterbauelements entspricht, sind in radialem Teilungswinkel von 120° Zapfen (4) angeordnet, die einerseits die Siedefläche vergrößern, andererseits aber auch die für die Halbleiterbauelemente erforderliche Spannkraft (P) übertragen können. Infolge der Anordnung der Zapfen (4) im Teilungswinkel von 120° liegen die druckübertragenden Zapfen benachbarter Wärmeableiter innerhalb eines Stapels stets aufeinander, so daß keine druckverteilende Zwischenscheibe benötigt wird. Die Zwischenräume (5) zwischen den Zapfen (4) sind so groß ausgelegt, daß hier der Siedeprozeß ungehindert ablaufen kann. Mit der zuvor beschriebenen Zusammenfassung von Anpreß- und Siedefläche wird erreicht, daß relativ flache Wärmeableiter verwendet werden können, so daß der Stapel sehr kompakt aufgebaut werden kann. Die abzuführende Wärme erreicht auf kurzem Weg die Oberfläche, wo sie zur Verdampfung der Siedekühlflüssigkeit führt. Durch die symmetrisch angeordneten Führungslöcher (1) und die dadurch vorgegebene Lage der Zugbolzen (15.16.17) eines Stapels von Halbleiterbauelementen wird auch bei längeren Säulen ein gleichmäßiger Druck auf die Halbleiterbauelemente (10,11,12) ausgeübt, so daß ein Ausbrechen aus der Spannachse verhindert wird. Der Teilkreis zur Anordnung der Führungslöcher (1) ist so groß gewählt, daß die Halbleiterbauelemente (10, 11,12) eines Stapels nach Lösen des Spannverbands zwischen zwei Zugbolzen hindurch ausgetauscht werden können, ohne die übrigen Komponenten entstapeln zu müssen. Bei jedem Wärmeableiter ist die mit Zapfen (4) versehene Fläche (3) von einer Wulst umgeben, von der im Winkel von 120° drei Materialverdickungen (6) tangential bis zur Kante verlaufen. In diesen Verdickungen (6) befinden sich Gewindebohrungen (7) für zwei elektrische Hauptanschlüsse und eine Bohrung (8) für einen Hilfsanschluß (z. B. für eine Anoden-Kathoden-Bedämpfung eines Halbleiterbauelements). Mit diesen Anschlüssen ist innerhalb einer Säule eine einfache (in Fig. 1 nicht näher gezeigte) elektrische Verschaltung der einzelnen Halbleiterbauelemente (10,11,12) möglich. Im Stapelverband liegen die Stirnflächen der Zapfen (4) benachbarter Wärmeableiter direkt aufeinander und tragen so dasselbe elektrische Potential. Durch Einfügen einer Isolierscheibe (13, 14) mit gleichen Führungslöchem wird, wenn erforderlich eine Potentialtrennung erreicht Der Wärmeableiter besteht aus thermisch und elektrisch gut leitendem Material, z. B. Kupfer oder einer Aluminiumlegierung und ist als Gesenkschmiedeteil nach DIN 1749 gestaltet. Alle Kontaktstellen werden vorzugsweise mit geringen Rauhtiefen nachgearbeitet, um möglichst kleine thermische und elektrische Übergangswiderstände zu erreichen. In der Fläche 2 zur Kontaktierung des Halbleitergehäuses befindet sich eine Zentrierbohrung (18) für einen (nicht gezeigten) Spannstift, der das Halbleiterbauelement bei der Montage fixiert. PATENTANSPRÜCHE 1. Anordnung zur Siedekühlung zwischen zwei Wärmeäbleitem eingespannter, stapelbarer, scheibenförmiger Halbleiterbauelemente, die vollständig von einer Siedekühlflüssigkeit umgeben ist, bei der der Kontaktbereich der Kühleinrichtung mit den Halbleiterbauelementen ebenflächig ausgebildet ist und bei der eine in Form eines gleichseitigen Dreiecks ausgebildete Spannvorrichtung im Teilungswinkel von 120° Führungsvorrichtungen für drei symmetrisch zueinander angeordnete Zugbolzen aufweist, deren Spannkraft auf die Halbleiterbauelemente übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß beide Wärmeableiter (91, 92; 93, 94) auf der dem Kontaktbereich mit dem Halbleiterbauelement (10,11,12) jeweils abgewandten Seite im Teilungswinkel von 120° angeordnete Zapfen (4) aufweisen, über die die Spannkraft (P) der Zugbolzen (15, 16, 17) auf das Halbleiterbauelement (10, 11, 12) übertragen wird, die druckübertragenden Zapfen (4) benachbarter Wärmeableiter (91, 92 bzw. 93, 94) innerhalb eines Stapels stets aufeinander liegen, die Zwischenräume -3- Nr. 391 774 zwischen den Zapfen (4) so groß ausgelegt sind, daß hier der Siedeprozeß ungehindert ablaufen kann, beide Wärmeableiter (91, 92; 93, 94) in Form eines gleichseitigen, das Halbleiterbauelement (10, 11, 12) jeweils voll überdeckenden Dreiecks ausgebildet sind, in dessen Eckbereichen jeweils ein Führungsloch (1) für einen der Zugbolzen (15,16, 17) vorgesehen ist, und der Abstand zwischen zwei Zugbolzen (15, 16, 17) 5 größer ist als der Scheibendurchmesser der Halbleiterbauelemente (10,11,12).
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Wärmeableiter (91 bis 95) im ebenflächigen Kontaktbereich eine Zentrierbohrung (18) für einen Spannstift vorgesehen ist
3. 3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wärmeableiter (91 bis 95) am Umfang an zwei seiner Dreieckseiten mit elektrischen Hauptanschlüssen (7) und auf der dritten Dreieckseite mit einem Hilfsanschluß (8) ausgerüstet ist, deren Gewindebohrungen tangential zum Außenumfang der scheibenförmigen Halbleiterbauelemente (10,11,12) verlaufen. 15 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -4-