CH627026A5

CH627026A5 - Liquid-cooling appliance for cooling a semiconductor component, especially a power semiconductor component

Info

Publication number: CH627026A5
Application number: CH93378A
Authority: CH
Inventors: Michael Pellant; Jaroslav Zuna; Petr Novak; Zdenek Zavazal; Jindrich Kratina; Pavel Reichel; Pavel Kafunek
Original assignee: Ckd Praha
Priority date: 1977-05-04
Filing date: 1978-01-27
Publication date: 1981-12-15
Also published as: DE2814809C2; CS191622B1; PL115439B2; SE7802067L; DE2814809A1; PL206554A1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Flüssigkeitskühlvorrichtung zum Kühlen eines Halbleiterbauelementes mit einer Zu- und einer Ableitung für ein flüssiges Kühlmittel. The present invention relates to a liquid cooling device for cooling a semiconductor component with an inlet and an outlet for a liquid coolant.

Für das Kühlen von Leistungshalbleiterbauelementen wurden bisher nur sehr selten Flüssigkeitskühlvorrichtungen verwendet, da eine Luftkühlung bei den verhältnismässig niedrigen Verlustleistungen der Bauelemente bisher viel einfacher ist. Infolge der stetig steigenden Ansprüche bezüglich einer Ableitung der Verlustwärme vergrösserten sich auch die Abmessungen der Luftkühlvorrichtungen, so dass zurzeit Einrichtungen, bei denen als Kühlmittel Luft verwendet wird, unvergleichbar grösser sind als Einrichtungen mit Kühlsystemen auf der Basis von Flüssigkeiten. Liquid cooling devices have hitherto been used very rarely for cooling power semiconductor components, since air cooling has hitherto been much simpler given the comparatively low power losses of the components. As a result of the steadily increasing demands for dissipating the heat loss, the dimensions of the air cooling devices also increased, so that devices using air as the coolant are currently incomparably larger than devices with cooling systems based on liquids.

Die Konstrukteure von Einrichtungen mit Halbleiterbauelementen verwenden deshalb vermehrt als Kühlmittel Flüssigkeiten, da diese eine viel grössere Reserve der Kühlleistung bieten als dies bei der Luftkühlung der Fall ist. Zudem ertragen diese viel besser Stoss- und Übergangsbelastungen, was darauf zurückzuführen ist, dass deren Wärmeträgheit es ermöglicht, kurze Wärmeimpulse nur mit einem geringen Temperaturanstieg zu absorbieren. The designers of devices with semiconductor components therefore increasingly use liquids as coolants, since these offer a much greater reserve of the cooling capacity than is the case with air cooling. In addition, they can withstand shock and transient loads much better, which is due to the fact that their thermal inertia makes it possible to absorb short heat impulses with only a slight increase in temperature.

Eine Begleiterscheinung bei luftgekühlten Einrichtungen ist, dass diese sehr geräuschvoll sind; die Flüssigkeitskühlung ist imstande, diese Wirkung bedeutend herabzusetzen, da hier der Lärm leicht durch die Anbringung von Wärmeaustauschern und der Pumpe ausserhalb des Bedienungsraumes der Anlage herabgesetzt oder vollständig entfernt werden kann. Die angeführten Vorzüge werden durch die ziemlich grosse Kompliziertheit der Systeme mit Flüssigkeitskühlung und die daraus resultierende Notwendigkeit einer Wartung verringert, was sich in erhöhten Betriebskosten zeigt. Trotz dieser Komplikationen ist die Flüssigkeitskühlung mit Zwangsumlauf des Kühlmittels zweifellos eine zukunftsreiche Kühltechnik für Leistungshalbleiterbauelemente. A side effect of air-cooled facilities is that they are very noisy; Liquid cooling is able to significantly reduce this effect, since here the noise can easily be reduced or completely removed by installing heat exchangers and the pump outside the operating room of the system. The advantages mentioned are reduced by the rather great complexity of the liquid cooling systems and the consequent need for maintenance, which is reflected in increased operating costs. Despite these complications, liquid cooling with forced circulation of the coolant is undoubtedly a future-oriented cooling technology for power semiconductor components.

Bekannte Flüssigkeitskühlvorrichtungen sind grösstenteils mit direkten Kanälen in inneren Rohrräumen gebaut, besonders wegen der einfachen Herstellungstechnologie. In diesen Kanälen, die sich in einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit beispielsweise Kupfer, befinden, bildet sich aber an den Rohrwänden eine Laminarschicht, die den Wärmeübergang aus dem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in das Grundmaterial der Kühlvorrichtung herabsetzt und die Kühlvorrichtung weist dann einen etwas höheren Wärmewiderstand auf. Known liquid cooling devices are largely built with direct channels in inner tube spaces, especially because of the simple manufacturing technology. In these channels, which are in a material with good thermal conductivity, for example copper, a laminar layer forms on the tube walls, which reduces the heat transfer from the coolant, for example water, into the base material of the cooling device and the cooling device then has a somewhat higher one Thermal resistance.

Es sind ebenfalls Ausführungsformen von Flüssigkeitskühlvorrichtungen bekannt, wo an ein mit konzentrischen kreisförmigen Rillen für die Kühlflüssigkeitszuführung versehenes flaches Verbindungsstück von einer oder von beiden Seiten kreisförmige Scheiben mit radialen Rillen anliegen. Diese Anordnungen sind von einfacher Bauart, ermöglichen jedoch in bezug auf die ungenügende Turbulenz der Strömung der Kühlflüssigkeit in bestimmten Anwendungsfällen nicht das Erreichen der gewünschten Kühlleistung, und zwar wegen des geringen Raums, den der Kühlkörper einnimmt. Embodiments of liquid cooling devices are also known, in which a flat connection piece provided with concentric circular grooves for the supply of cooling liquid bears circular disks with radial grooves on one or both sides. These arrangements are of simple construction, but, due to the insufficient turbulence of the flow of the cooling liquid in certain applications, do not allow the desired cooling performance to be achieved because of the small space that the cooling element occupies.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Flüssigkeitskühlvorrichtung zum Kühlen eines Halbleiterbauelementes, mit einer Zu- und einer Ableitung für ein flüssiges Kühlmittel zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweist. It is therefore an object of the present invention to provide a liquid cooling device for cooling a semiconductor component with an inlet and an outlet for a liquid coolant, which does not have the aforementioned disadvantages.

Dies wird nun erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass ein abstehende Kühlstifte aufweisender Basiskörper mit einer Trennwand in einem schlüsseiförmigen Gehäuse angebracht ist, wobei die Endflächen der Kühlstifte mit dem Boden des Gehäuses verbunden sind, so dass im Gehäuse zwischen den Kühlstiften ein Raum für die Kühlflüssigkeit gebildet wird, während eine kompakte äussere Fläche des Basiskörpers eine Anlagefläche für das zu kühlende Halbleiterbauelement bildet. This is now achieved according to the invention in that a base body having projecting cooling pins is attached with a partition in a key-shaped housing, the end faces of the cooling pins being connected to the bottom of the housing, so that a space for the cooling liquid is formed in the housing between the cooling pins , while a compact outer surface of the base body forms a contact surface for the semiconductor component to be cooled.

Vorteilhaft kann hierbei die Ausgestaltung so getroffen sein, dass der Basiskörper am äusseren Umfang seiner kompakten Aussenfläche mit dem Gehäuse verbunden ist. In this case, the configuration can advantageously be such that the base body is connected to the housing on the outer circumference of its compact outer surface.

Ferner ist es zweckmässig, wenn die Weiterausbildung so ist, dass die Flanken der Kühlstifte von zwei gegenüberliegenden parallelen Ebenen gebildet sind, während die zwei übrigen gegenüberliegenden Flächen von Teilen von Zylindermantelflächen gebildet sind. Furthermore, it is expedient if the further development is such that the flanks of the cooling pins are formed by two opposite, parallel planes, while the two remaining opposite surfaces are formed by parts of cylindrical jacket surfaces.

Durch diese Massnahmen kann nunmehr eine hohe Turbulenz der strömenden Kühlflüssigkeit auftreten und dadurch können höhere Koeffizienten des Wärmeübergangs aus dem Kühlmittel in das Kühlkörpermaterial erzielt werden. Dadurch ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad für die Anordnung, die zudem vergleichsweise ohne Schwierigkeiten und mit einfachsten Mitteln hergestellt werden kann. As a result of these measures, high turbulence of the flowing cooling liquid can now occur, and as a result higher coefficients of heat transfer from the coolant to the heat sink material can be achieved. This results in a high efficiency for the arrangement, which can also be produced comparatively easily and with the simplest means.

Eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. An example embodiment of the subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.

Es zeigen: Show it:

Figur 1 eine Flüssigkeitskühlvorrichtung im Teilschnitt und im Grundriss und Figure 1 shows a liquid cooling device in partial section and in plan and

Figur 2 im Teilschnitt und im Aufriss die Anordnung gemäss Figur 1. Figure 2 in partial section and in elevation, the arrangement according to Figure 1.

Die Flüssigkeitskühlvorrichtung gemäss den Figuren 1 und 2 umfasst einen Basiskörper 2 mit einem Kühlraum und einer Trennwand 8, welcher Basiskörper in einem, mit Kühlmittelzuleitungen 3 und 4 versehenem schüsseiförmigen Gehäuse 1 The liquid cooling device according to FIGS. 1 and 2 comprises a base body 2 with a cooling space and a partition 8, which base body in a bowl-shaped housing 1 provided with coolant supply lines 3 and 4

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

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untergebracht ist. Der Basiskörper 2 ist mit Kühlstiften 6 verse- len oder Ritzen, ermöglichen die Bildung einer Schicht des hen, zwischen welchen ein Kühlraum 5,7 abgegrenzt ist. Die genannten Metalls mit einer Dicke im Bereich von 0,01 bis is housed. The base body 2 is stranded with cooling pins 6 or cracks, enable the formation of a layer of the hen, between which a cooling space 5, 7 is delimited. The metal mentioned with a thickness in the range of 0.01 to

Endflächen der Kühlstifte 6 sind mit dem Boden des Gehäuses 2 mm- Dieses Metall ist beispielsweise eine Legierung von Wis- End faces of the cooling pins 6 are 2 mm with the bottom of the housing. This metal is, for example, an alloy of wis

1 durch beispielsweise eine Lötschicht 11, eventuell durch eine mut>Ble'.zinn und Kadmium, mit einem Schmelzpunkt von 1 by, for example, a solder layer 11, possibly by a mut> Ble'.zinn and cadmium, with a melting point of

Klebstoffschicht verbunden. Die kompakte Aussenfläche des 5 70 °C, wobei im allgemeinen Legierungen mit der Zusammen- Adhesive layer connected. The compact outer surface of 5 70 ° C, whereby alloys with the

Basiskörpers 2 bildet die Auflagefläche für ein hier nicht Setzung von 40 bis 55% Wismut, 10 bis 40% Blei, 2 bis 15% Zinn gezeigtes, zu kühlendes Halbleiterbauelement. Hierbei ist diese u°d ® b's '®% Kadmium geeignet sind. Legierungen mit 0% Base body 2 forms the contact surface for a semiconductor component to be cooled, not shown here, of 40 to 55% bismuth, 10 to 40% lead, 2 to 15% tin. Here this u ° d ® b's' ®% cadmium are suitable. Alloys with 0%

Fläche an ihrem äusseren Umfang 10 auf geeignete Weise, Kadmium können 10 bis 21 % Indium enthalten. Diese Legierun- Surface on its outer circumference 10 in a suitable manner, cadmium can contain 10 to 21% indium. This alloy

etwa durch Löten, Verschweissen, Kaltverformen oder Kleben, Sen sind eutektisch mit einem niedrigen Schmelzpunkt und wei- for example by soldering, welding, cold forming or gluing, sen are eutectic with a low melting point and white

mit dem schüsseiförmigen Gehäuse 1 verbunden. Der Basiskör- io sen nur eine kleine Volumenveränderung beim Übergang vom per 2 ist aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, bei- festen in den flüssigen Aggregatzustand auf. Es ist auch mög- connected to the bowl-shaped housing 1. The basic body only a small change in volume at the transition from per 2 is made of a material with good thermal conductivity, which solidifies into the liquid state. It is also possible

spielsweise Kupfer, Aluminium oder dergleichen. Das Gehäuse 'iÇh'eine der n>cht eutektischen Legierungen von Wismut, Blei, for example copper, aluminum or the like. The casing is one of the non eutectic alloys of bismuth, lead,

1 kann aus Metall, aber auch aus Isoliermaterial, beispielsweise Zinn und Kadmium zu verwenden, und zwar jene, welche in aus Kunststoff, sein. Falls das Gehäuse 1 und der Basiskörper 2 einem bestimmten Temperaturbereich schmelzen, der sich aus Kupfer bestehen, ist es günstig, diese beispielsweise durch is innerhalb des Betriebstemperaturbereiches des zu kühlenden ein Lot Ag 72% - Cu zu verbinden. Das Gehäuse 1 und der Halbleiterbauelementes befindet. Diese Legierungen können 1 can be made of metal, but also of insulating material, for example tin and cadmium, namely those that are made of plastic. If the housing 1 and the base body 2 melt a certain temperature range, which consist of copper, it is advantageous to connect them, for example, within the operating temperature range of a solder Ag 72% - Cu to be cooled. The housing 1 and the semiconductor component is located. These alloys can

Basiskörper 2 können aus Aluminium oder Magnesium, even- 35 bis 51 % Wismut, 27 bis 37% Blei, 9 bis 20% Zinn und 3 bis tuell aus deren Legierungen sein und in diesem Falle ist ihre Kadmium enthalten. Base body 2 can be made of aluminum or magnesium, even 35 to 51% bismuth, 27 to 37% lead, 9 to 20% tin and 3 to 3 parts of their alloys and in this case their cadmium is contained.

Oberfläche mit einem Chromatüberzug versehen. Pas Kühlmittel, beispielsweise Wasser, kommt durch die Die Flanken der Kühlstifte 6 sind gemäss Figur 1 von zwei 20 Zuleitung 3 in den Kühlraum des Basiskörpers 2, wo es gegen gegenüberliegenden parallelen Ebenen gebildet, während die die Wände der Kühlstifte 6 fällt und aufwirbelt. Diese turbu-zwei übrigen gegenüberliegenden Flächen von Teilen der lente Flüssigkeit umfliesst die Trennwand 8 und verlässt die zylinderförmigen Flächen gebildet werden. Die Länge und Kühlvorrichtung durch die Ableitung 4. Die hochgradig turbu-Breite der Endflächen der Kühlstifte 6 stehen zueinander vor- lente Strömung der Kühlflüssigkeit, welche durch die geeignete zugsweise im Verhältnis von 2:1. Die Kühlstifte 6 im Basiskör- 25 Form der Kühlstifte und deren Geometrie im Basiskörper 2 per 2 sind durch Bohren von Öffnungen, beispielsweise mit ermöglicht wird, verhindert die Bildung einer Laminarschicht einer Koordinatenbohrmaschine und nachfolgendes Schnei- an den Wänden des Kühlraumes und ermöglicht eine Steigeden, eventuell Fräsen, hergestellt, so dass zwischen ihnen der run§ des Wärmeübergangs von der Flüssigkeit in das Kühlkör-Kühlraum 5,7 entsteht. Alternativ können diese Kühlstifte 6 permaterial. Coat the surface with a chromate coating. Pas coolant, for example water, comes through. The flanks of the cooling pins 6 are, according to FIG. 1, from two supply lines 3 into the cooling space of the base body 2, where it forms against opposite parallel planes, during which the walls of the cooling pins 6 fall and swirl. This turbu-two remaining opposite surfaces of parts of the lent liquid flows around the partition 8 and leaves the cylindrical surfaces to be formed. The length and cooling device through the discharge line 4. The high turbu width of the end faces of the cooling pins 6 are mutually present flow of the cooling liquid, which is due to the suitable, preferably in a ratio of 2: 1. The cooling pins 6 in the base body shape of the cooling pins and their geometry in the base body 2 per 2 are made possible by drilling openings, for example, prevents the formation of a laminar layer of a coordinate drilling machine and subsequent cutting on the walls of the cooling room and enables climbing, possibly milling, manufactured so that between them the continuity of the heat transfer from the liquid into the cooling body cooling space 5, 7 arises. Alternatively, these cooling pins 6 can be permaterial.

beispielsweise durch Druckgiessen hergestellt werden. 30 Die Konstruktion der vorbeschriebenen Flüssigkeitskühl- for example, be produced by die casting. 30 The construction of the liquid cooling

Die kompakte Aussenfläche des Basiskörpers 2 ist mit einer Vorrichtung ermöglicht im Hinblick auf die ausgezeichnete zum genauen Aufbringen eines Halbleiterbauelementes Verlustwärmeabfuhr eine bedeutende Steigerung der Strombe-bestimmten Zentrieröffnung 9 versehen. Diese kompakte Aus- lastbarkeit der zu kühlenden Halbleiterbauelemente, wobei senfläche ist mit Vorzug mit Räumen versehen, die für ein, sich sich ein grosser Anwendungsbereich ergibt. Zudem ist eine bei Betriebstemperatur des betreffenden Halbleiterbauelemen- 35 Steigerung der Belastung von Leistungshalbleiterbauelementes in flüssigem Aggregatzustand befindliches Material ten möglich, was eine bedeutende Einsparung elektrischer bestimmt sind. Diese Speicher, beispielsweise in Form von Ril- Energie gestattet. The compact outer surface of the base body 2 is provided with a device, in view of the excellent dissipation of heat dissipation for the precise application of a semiconductor component, a significant increase in the current-determined centering opening 9. This compact capacity of the semiconductor components to be cooled, whereby the surface is preferably provided with spaces that result in a large area of application. In addition, at the operating temperature of the semiconductor component in question, an increase in the load of power semiconductor components in the liquid state is possible, which means significant electrical savings. This storage, for example in the form of Ril energy, is permitted.

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

627026 PATENT CLAIMS

1. Liquid cooling device for cooling a semiconductor component with an inlet and an outlet for a liquid coolant, characterized in that a base body (2) having projecting cooling pins (6) is attached with a partition (8) in a bowl-shaped housing (1), the end faces of the cooling pins (6) being connected to the bottom of the housing (1), so that a space for the cooling liquid is formed in the housing (1) between the cooling pins (6), while a compact outer surface of the base body (2) forms a contact surface for the semiconductor component to be cooled.

2. Liquid cooling device according to claim 1, characterized in that the base body (2) is connected to the housing (1) on the outer circumference of its compact outer surface.

3. Liquid cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the flanks of the cooling pins (6) are formed by two opposite parallel planes, while the two remaining opposite surfaces are formed by parts of cylindrical surface areas.

4. Liquid cooling device according to claim 3, characterized in that the length and the width of the end faces of the cooling pins (6) are in a ratio of 2: 1.

5. Liquid cooling device according to claim 3, characterized in that the compact outer surface of the base body (2) is provided with a centering opening (9).

6. Liquid cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the compact outer surface of the base body (2) is provided with spaces which are intended for a metal which is in the liquid state at the operating temperature of the semiconductor component to be cooled.

7. Liquid cooling device according to claim 1 or 2, characterized in that the base body (2) and / or the housing (1) are / is provided from a light metal such as aluminum, magnesium or their alloys provided with a chromate coating.