CS196823B1

CS196823B1 - Semiconductor unit

Info

Publication number: CS196823B1
Application number: CS711177A
Authority: CS
Inventors: Petr Novak; Michal Pellant; Pavel Reichel; Pavel Kafunek
Original assignee: Petr Novak; Michal Pellant; Pavel Reichel; Pavel Kafunek
Priority date: 1977-11-01
Filing date: 1977-11-01
Publication date: 1980-04-30

Description

P0L0VID0Č0VÁ JEDNOTKAP0L0VID0Č0VÁ UNIT

Vynález se týká polovodičové jednotky obsahující alespoň jednu oboustranně chlazenou polovodičovou součástku, umístěnou společně s kapalinovými chladiči v přitlačovací konstrukci.The present invention relates to a semiconductor unit comprising at least one bilaterally cooled semiconductor component placed together with liquid coolers in a pressurized structure.

V minulosti se jen velmi zřídka používalo pro chlazení výkonových polovodičových součástek kapalinových chladičů, protože chlazení vzduchem při poměrně nízkých ztrátových výkonech součástek byla daleko jednodušší. Vzhledem k neustále se zvyšujícímu nároku na odvod ztrátového tepla narůstaly rozměry vzduchových chladičů, takže v současné době jsou zařízeni používající jako chladivá vzduchu nesrovnatelně větší než zařízení s kapalinovými chladicími systémy.In the past, it has rarely been used for cooling power semiconductor components of liquid coolers, since air cooling at relatively low power dissipation rates has been much simpler. Due to the ever-increasing demand for heat dissipation, the dimensions of the air coolers have increased, so that at present devices using air cooling systems are incomparably larger than those with liquid cooling systems.

Konstruktéři zařízení s polovodičovými součástkami začínají používat kapalin jako chladicích médií, protože poskytují daleko větší rezervu chladicího výkonu, než je tomu u chlazení vzduchem a bezpečně se navíc vyrovnávají s nárazovými a přechodnými stavy vzhledem k tomu, že jejich tepelné setrvačnost umožňuje absorbovat krátké tepelné impulsy pouze s nepatrným nárůstem teploty.Semiconductor device designers are starting to use fluids as coolants because they provide much greater cooling capacity than air-cooled and safely cope with impact and transient states, as their thermal inertia allows short heat pulses to be absorbed only with a slight increase in temperature.

Kapalinové chlazení také podstatně omezuje hlučnost, která bývá průvodním jevem u vzduchem chlazených zařízení, protože hluk je možno snadnoLiquid cooling also greatly reduces the noise that is an accompanying phenomenon in air-cooled equipment because noise can be easily

196823 - 2 zmenšit nebo dokonce zcela odstranit umístněním výměníku tepla a čerpadla mimo prostor obsluhy zařízení. Uvedené výhody jsou částečně zmenšeny poměrně velkou složitosti systémů s kapalinovým chlazením a z toho vyplývající potřebu údržby, která se projevuje na zvýšených provozních nákladech. I přes tyto komplikace je kapalinové chlazení s nuceným oběhem chladivá bezesporu perspektivní technikou chlazení výkonových polovodičových součástek.196823 - 2 Reduce or even eliminate by placing the heat exchanger and pump outside the operator's area. These advantages are partially diminished by the relatively high complexity of the liquid-cooling systems and the resulting need for maintenance, which results in increased operating costs. Despite these complications, forced-cooling liquid cooling is undoubtedly a perspective technique for cooling power semiconductor devices.

Většina výrobců výkonových polovodičových součástek nabízí ke svým součástkám kotoučového, respektive diskového tvaru oboustranné kapalinové chladiče, umožňující zatěžovat součástky nejvyššími výkony. Aplikétor dostává tedy do rukou kapalinový chladič s přítlačnou konstrukcí vyvozující provozně nutný přítlak, ovšem již při výchozích úvahách v případě skutečné aplikace odpovídající určitému zapojení zjistí, že chladič dodávaný výrobcem neumožňuje snadné spojování do potřebných zapojení, že totiž použití těchto chladičů vyžaduje poměrně složitých spojů, které mají být pružné, aby nezpůsobovaly mechanické namáhání chladiče, respektive polovodičové součástky. Nevýhodou polovodičových jednotek obsahujících polovodičové součástky s kapalinovými chladiči v přítlačných sestavách je nesnadné jejich přizpůsobování určitým daným aplikacím v závislosti na proudovém zatížení, obtížné unifikace jednotlivých dílů způsobují vyšší výrobní náklady a spotřebu drahých surovin, např. mědi a ovlivňující mimo jiné nepříznivě výběr dalších komponent Chladicího systému, např. Čerpadel.Most power semiconductor manufacturers offer double-sided liquid coolers for their disk-shaped or disk-shaped components, making it possible to load components with the highest performance. Thus, the applicator receives a liquid cooler with a pressurized structure that produces the necessary downforce, but at initial consideration for a real application corresponding to a particular connection, it will find that the cooler supplied by the manufacturer does not allow easy connection to the necessary connections. which are to be resilient so as not to cause mechanical stress on the heat sink or the semiconductor components, respectively. The disadvantage of semiconductor units containing semiconductor components with liquid coolers in thrust assemblies is the difficulty of adapting them to certain applications depending on the current load; system, eg Pump.

Polovodičová jednotka podle vynálezu odstraňuje uvedené nevýhody a řeší daný úkol v podstatě tak, že polovodičová součástka přiléhá svou spodní hlavní elektrodu přes první kapalinový chladič k prvnímu přívodu elektrického proudu vloženému do prostoru první izolační opěrky, která je spojená s nosníkem profilu C a plochou výztužnou podložkou, kde v dutině nosníku je umístěn alespoň jeden upevňovací kámen s průchozími otvory pro připevnění k aplikačnímu zařízení, horní hlavní elektroda polovodičové součástky přiléhá přes druhý kapalinový chladič, ke druhému přívodu elektrického proudu vloženému do prostoru druhé izolační opěrky s horní kovovou sférickou opěrnou plochou přiléhající k pružnému členu, který je prostřednictvím opěrné podložky ve styku s příčníkem profilu I, přičemž příčníkem a nosníkem procházejí stahovací svorníky.The semiconductor unit of the present invention eliminates these disadvantages and solves the problem essentially by the semiconductor component abutting its lower main electrode through the first liquid cooler to the first power supply inserted into the first insulating support space which is connected to the C-profile support and flat reinforcing pad. wherein at least one mounting stone is provided in the cavity of the beam with through holes to be attached to the applicator device, the upper main electrode of the semiconductor component abuts through the second liquid cooler, to a second power supply inserted into the second insulating support with the metal upper spherical abutment a resilient member which is in contact with the crossbeam of the I-profile by means of a support washer, wherein the crossbars and the beam pass through the clamping bolts.

Polovodičová jednotka podle vynálezu představuje novou a zlepšenou kompaktní a univerzální polovodičovou jednotku. Tato jednotka se vyznačuje malým zastavěným prostorem, značnou tuhostí konstrukce, snadnou montáží a možností výměny elektrických přívodů podle proudového zatížení. Umožňuje použití libovolného chladícího prvku v přítlačné konstrukci v závislosti na proudovém zatížení chlazené výkonové polovodičové součástky, například chladiče s větším tepelným odporem a malou hydraulickou ztrátou, čímž je možno použít čerpadla o menším výkonu. Jednotka je tvořena kombinací běžně vyráběných a cenově přístupných elementů a je výrobně jednoduchá. Konstrukce polovodičové jednotky podle vynálezu umožňuje snadnou výměnu elektrických přívodů podle proudového zatížení chlazené součástky, čímž vznikají úspory drahé a nedo3-. 196823 statkové mědi. Použitím optimálně tvarovaných nosníků a příčníků, které jsou tuhé a mají přitom nízkou hmotnost, je dosaženo potřebné tuhosti a malých zastavovacích rozměrů jednotky. Vzhledem k tomu, že přívody elektrického proudu se nekříží se stahovacími svorníky, je dosahováno zvýšené elektrické pevnosti sestavy. Jednotka se dále vyznačuje statickou určitostí přítlaku a možností kontroly nastavené přítlačné síly. V sestavě jednotky podle vynálezu je možno umístit výkonové polovodičové součástky s přímým kapalinovým chlazením, kdy kapalinové chladiče jsou integrální součástí hlavních elektrod součástky.The semiconductor unit of the invention is a new and improved compact and versatile semiconductor unit. This unit is characterized by a small built-in space, considerable rigidity of the structure, easy installation and the possibility of changing the electrical connections according to the current load. It allows the use of any cooling element in the thrust structure depending on the current load of the cooled power semiconductor component, for example a heat sink with greater thermal resistance and low hydraulic loss, so that pumps of less power can be used. The unit consists of a combination of commercially available and affordable elements and is simple to manufacture. The construction of the semiconductor unit according to the invention makes it possible to easily replace the electrical wires according to the current load of the cooled component, thereby producing costly and unnecessary savings. 196823 farmyard copper. By using optimally shaped beams and crossbars that are rigid and yet light in weight, the required stiffness and small stop dimensions of the unit are achieved. Since the electrical connections do not interfere with the tightening bolts, increased electrical strength of the assembly is achieved. The unit is further characterized by the static certainty of the downforce and the possibility of controlling the set downforce. In the assembly of the unit according to the invention it is possible to place power semiconductor components with direct liquid cooling, where the liquid coolers are an integral part of the main electrodes of the component.

Na připojených obr. 1 a 2 je zobrazen příklad provedení polovodičové jednotky podle vynálezu, kde na obr. 1 je tato jednotka v čelním pohledu v částečném řezu a dále v půdorysu a na obr. 2 v bočním pohledu v částečném řezu.1 and 2 show an exemplary embodiment of a semiconductor unit according to the invention, in which FIG. 1 is a front view in partial cross-section and a plan view, and FIG. 2 is a side view in partial cross-section.

Polovodičová součástka 21 je umístěna mezi dvěma kapalinovými chladiči 20, 2Q' a přiléhá svou spodní elektrodou přes první kapalinový chladič 20 k prvnímu přívodu elektrického proudu g' obdélníkového průřezu, který je vložen do vytvarovaného prostoru první izolační opěrky 10. Tato izolační opěrka 10 je upevňovacími šrouby 12 připevněna k nosníku 2 profilu Ca k ploché výztužné podložce 11 umístěné v dutině nosníku 2. Uvedené upevňovací šrouby 12 vymezují polohu první izolační operky 10. V dutině nosníku 2 jsou dále umístěny dva upevňovací kameny 15 s průchozími otvory se závity pro připevnění celé polovodičové jednotky k aplikačnímu zařízení, například tyristorovému měniči.The semiconductor component 21 is disposed between two liquid coolers 20, 20 'and abuts with its lower electrode over the first liquid cooler 20 to a first rectangular cross-sectional electric current g' which is inserted into the shaped space of the first insulating support 10. screws 12 fixed to the beam 2 of the Ca profile to a flat reinforcing washer 11 located in the cavity of the beam 2. Said fastening screws 12 define the position of the first insulating support 10. Further, in the cavity of the beam 2 there are two fastening blocks 15 with through holes with threads for fastening the semiconductor. units to an application device, for example a thyristor transducer.

Horní hlavní elektroda polovodičové součástky 21 přiléhá přes druhý kapalinový chladič 20 * ke druhému přívodu elektrického, proudu £ obdélníkového průřezu, který je vložen do vytvarovaného prostoru druhé izolační opěrky 8. V tělese této izolační opěrky 8 je umístěna vyčnívající kovová vložka, které tvoří horní sférickou opěrnou plochu přiléhající k pružnému členu £. Pružný člen £ je tvořen soustavou paralelně řezaných listových pružin respektive pružnic, což přispívá ke zmenšení zastavěného objemu jednotkou. Listové pružiny se opírají prostřednictvím opěrné podložky 4 o příčník 1, který je tvořen vzhledem k požadované tuhosti konstrukce a nízkému zastavěnému objemu profilem tvaru I. Příčníkem i a nosníkem 2 procháze-, jí stahovací svorníky £, na nichž jsou umístěny podložky g se sférickou opěrnou plochou a matice 6. Na svorníky £ jsou rovněž navlečeny izolační trubičky ££.The upper main electrode of the semiconductor component 21 abuts the second liquid cooler 20 * to a second electrical supply of rectangular cross-section which is inserted into the shaped space of the second insulating support 8. A protruding metal insert is placed in the insulating support body. a support surface abutting the resilient member 6. The resilient member 6 is formed by a system of parallel cut leaf springs or springs, which contributes to the reduction of the built-up volume by the unit. The leaf springs are supported by means of a supporting washer 4 on a crossbeam 1, which is formed by the shape of the I-shaped profile due to the required rigidity of the structure and the low built-up volume. and nuts 6. Insulating tubes 60 are also threaded onto the bolts.

K horní ploše pružného členu £ přiléhá ukazatel přítlačné síly 18 tvořený indikačním čípkem s rozšířenou dosedací plochou a distanční pružinou 19. procházející otvorem v příčníku 1. Pro usnadnění montáže, respektive demontáže jednotky jsou příčník 1, pružný člen £ a druhá izolační opěrka 8 spojeny šrouby 17. které současně fixují ukazatel přítlačné síly 18 s distanční pružinou 19.Adjacent to the upper surface of the resilient member 6 is a thrust indicator 18 formed by an indicator pin with an extended bearing surface and a spacer spring 19 extending through an opening in the crossmember 1. To facilitate assembly or disassembly of the unit, the crossmember 1, resilient member 8 and second insulating support 8 are bolted 17 which simultaneously fix the pressure force indicator 18 with the spacer spring 19.

196823 .- 4 Přívody elektrického proudu <£, g/, izolační operky g, JO, kapalinové chladiče 20. 20^ a polovodičová součástka 21 jsou v jednotce podle vynálezu etředěny pomocí středících kolíků 14. Na druhém přívodu elektrického proudu g je dále umístěna připojovací svorkovnice 22. řídícího a pomocného vývodu výkonové polovodičové součástky 21.The power supply lines 20, 20, the insulating supports 20, the liquid coolers 20, 20 and the semiconductor component 21 are diluted in the unit according to the invention by means of centering pins 14. On the second electrical supply g there is also a connection connection. terminal board 22 of the power and semiconductor power control and auxiliary terminals 21.

Kapalinové chladiče 20. 20^Λ jsou s výhodou rozebíratelně spojeny pomocí upevňovacích šroubů 13 s přívody elektrického proudu g, g*, což přispívá k unifikaci dílů polovodičové jednotky podle vynálezu. Znamená to, že se ; mění v podstatě pouze přívody elektrického proudu a propoje, takže je možno snadno vytvářet běžně ee vyskytující zapojeni jako n-fázové můstky hvězdy, antiparalelní zapojení a podobně. Dimenzování přívodů elektrického proudu ve formě pásnic je prováděno vždy podle proudového zatížení dané aplikace, přičemž je využíváno širokého rozměrového sortimentu běžně vyráběných paenic a dochází tak k významným úsporám drahé a nedostatkové mědi.Liquid cooler 20 ^Λ 20 are preferably removably connected by fixing screws 13 with electric current feeds G, G *, which contributes to the unification of parts of a semiconductor device of the invention. It means that; basically, only the electrical connections and the connections are changed, so that commonly occurring wiring such as star n-phase bridges, antiparallel wiring and the like can be easily formed. The dimensioning of the power supplies in the form of flanges is always carried out according to the current load of the application, utilizing a wide dimensional assortment of conventionally manufactured fences and thus significant savings of expensive and scarce copper occur.

Je zřejmé, že v sestavě jednotky podle vynálezu je možno použít i větší počet nad sebou řazených polovodičových součástek. Tyto součástky mohou mít přitom kapalinové chladiče integrálními součástmi hlavních elektrod, takže dochází k odstranění kontaktního povrchu mezi elektrodami a chladiči, a tím k výrazně dokonalejšímu odvodu ztrátového tepla, podstatnému zvýšeni proudové zatížitelnosti polovodičové součástky a rozšíření rozsahu jejího aplikačního využiti. V polovodičová jednotce podle vynálezu je možno samozřejmě použít na místo kapalinových chladičů i vzduchové chladiče.It will be appreciated that a plurality of superimposed semiconductor devices may be used in the assembly of the unit of the invention. The components may have liquid coolers integral with the main electrodes, thereby removing the contact surface between the electrodes and the heatsinks, thereby significantly dissipating the heat loss, substantially increasing the current carrying capacity of the semiconductor component, and extending its application range. Of course, air coolers may also be used in place of liquid coolers in the semiconductor unit of the invention.

Podélná oea přívodů elektrického proudu g, g* je kolmá k podélné oee pružného členu g. Tato konstrukční úprava umožňuje zvýšení elektrické pevnosti polovodičové jednotky a současně i její spolehlivosti.The longitudinal o a of the power supply g, g * is perpendicular to the longitudinal o e of the resilient member g. This design allows the electrical strength of the semiconductor unit to be increased and its reliability to be increased.

Polovodičová jednotka podle vynálezu je určena pro chlazení výkonových polovodičových součástek o průměru křemíkové polovodičové destičky 60 mm a více, které jsou v sestavě umístěny pod přítlakem přibližně 30 kN. Tato jednotka tedy umožňuje přímé aplikační využití vysokovýkonových polovodičových součástek představujících kvalitativní přínos v oblasti výkonové polovodičové elektroniky.The semiconductor unit according to the invention is intended for cooling power semiconductor devices with a silicon semiconductor wafer diameter of 60 mm or more, which are placed in the assembly under a thrust of approximately 30 kN. This unit thus enables the direct application of high-power semiconductor devices that represent a qualitative benefit in power semiconductor electronics.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION

A semiconductor unit comprising at least one bilaterally cooled power semiconductor component disposed in a liquid cooler in a pressurized structure comprising a cross-member, a beam, leaf springs and tightening bolts, characterized in that the semiconductor component (21) abuts its lower main electrode over the first liquid cooler (20). ) to a first electrical supply (9 *) inserted into the space of the first insulating support (10), which is connected by a C-profile beam (2) and a flat reinforcement pad (11), wherein at least

- 5 196823 one mounting stone (15) with through holes for attachment to the applicator device, the upper main electrode of the semiconductor component (21) adjoins through the second liquid cooler (20 ') to the second power supply (9) inserted into the second insulating support space ( 8) with an upper metal spherical abutment surface adjacent to the resilient member (3), which is in contact with the cross-member (1) of the I-section by means of the supporting washer (4), the cross-section (1) and the C-beam bolts (5) ·

2. Semiconductor unit according to claim 1, characterized in that the liquid coolers (20, 20 ') are integral parts of the main electrodes of the semiconductor component (21).

3. The semiconductor unit according to claim 1 or 2, characterized in that the power supply lines (9, 9 *) are detachably connected to the liquid coolers (20, 20 *) of the semiconductor component (21).

4. Semiconductor unit according to claim 1, characterized in that the resilient member (3) is a parallel set of springs.

A semiconductor unit according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the upper surface of the resilient member (3) is adjacent to an indicator of a thrust force (18) formed by an indicator pin with an extended bearing surface and a distance spring (19) passing through an aperture in the crossbeam (1). ) profile I.

6. The semiconductor unit according to claim 1, characterized in that the longitudinal axis of the power supply lines (9, 9 *) is perpendicular to the longitudinal axis of the resilient member (3).