DE1439146A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kuehlung von Halbleiterelementen,insbesondere Transistoren - Google Patents

Description

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SOOIlTl ANONYME DES USINlS CHAUSSON

Verfahren und Torrichtung zur Kühlung von Halbleiterelementen, insbesondere !Transistoren

Bekanntlich entwickeln die in zahlreichen Zweigen der Industrie benutzten Halbleiterelemente Wärme, wenn sie unter Spannung gesetzt werden.

Ss ist ferner bekannt, dass die Lebensdauer eines Transistors und seine Benutzungsgrenze von der Temperatur der Grenzschicht .Baeis-Kollektor abhängen, welche., der Teil der An-Ordnung ist, in welcher die Wärmeentwicklung am stärksten ist.

Um diesem Nachteil abzuhelfen, sind bereits Kuhlelemente vorgeschlagen worden, welche durch Hetallkorper gebildet werden, im allgemeinen Metallzylinder, welche an ihrem Umfang mit seitlichen Rippen versehen sind, deren Abmessungen so gewählt sind, dass sie das Gehäuse des Transistors so um-

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ge Den, dass ihr unterer Seil auf dem Boden des Transistors ruht« Diese Anordnungen gestatten₈ den Wirkungsgrad der Translatoren etwas zu verbessern, ihre Wirkung ist jedoch beschrankt, und aussordem sind sie sperrig und in, Anbetracht ihrer geringen Wirkung teuer«

Me Erfindung hilft diesen Nachteiles durch Schaffung eines neuen Verfahrene zur Kühlung von Halbleitern, insbesondere Transistoren^ ab©

Hierfür werden erfindiingsgemass stir Kühlung der Halbleiter, insbesondere Transistoren₉ wenigstens gewisse Teile derselben mit einem Kältemittel in flistiger i&ss^ in, Berührung gebracht ₉ welehes sich in einer gescklosseaes. Kas&asis? "befindet, Ton der wenigstens ein Seil lii Wisaekoatakt iii >-Ia©s Wärmeaus« tauscher steht·

■ Di© Βτ-fimäwMß hat feraer sin© T©s?2r-ichtumg zur Ausübung des ©Mgeift ?arfe.M?eßs zum §eg©astanä_s welch® dadurch gekeaassisfcrst ie*5 e.ass el© eiaä-& ^rsieaustsia-sciier aiif¥©ist₉ w@le.aeE¹ ©iae gesclilots^a® Säumer abgrensii, walshe eine Kaltemit-feelmenge enthält, izmd ausas^äem th©i?mi8ela mit' den Teilen wenigstens ©ines Halbleiterelemente varfenMes, ist, in walchen die Unterspannungsetzung des Halbleiterteils öle Eatwiekliang · von Warme bewirkt.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Pig. 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemassen Kuhlelements für Haltleiter.

Pig. 2 bis 5 sind schematische geschnittene Seitenansichten, welche verschiedene Ausführungsabwandlungen zeigen·

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Tig· 6 zeigt schematisch die gleichzeitige erfindungsgem&sse Kühlung mehrerer Halbleiterelemente durch ein gemeinsames Element·

Yig. 7 let eine echematisohe geschnittene Seitenansicht •iner anderen Ausführung.

ftemäss dem erfindungsgemassen Verfahren zur Temperaturbegrenzung in elektrischen Halbleiterelementen, insbesondere Transistoren, werden wenigstens die Teile des Halbleiters, in welchen wahrend des Arbeitens die meiste Warme entwickelt wird (bei eines Transistor insbesondere die Umgebung der Grenzschicht Basis-Kollektor) in innige Berührung mit einem Kältemittel mit verhältnisaassig niedriger Terdampfungstemperatur gebracht, insbesondere einem der unter dem Famen E12 oder H22 oder auch Freon 12 oder Freon 22 bekannten Kältemittel.

Die wahrend des Arbeitens an dem Halbleiterelement entwickelte Warme wird so unmittelbar auf das Kältemittel in flussiger Phase übertragen, welches in dem Halbleiter* strömt oder diesen teilweise umspült, wobei das Kältemittel, damit es trotz seiner Berührung mit den heissen Stellen des Halbleiters flussig bleibt, in eine dichte Kammer eingeschlossen ist, in welcher eich der Druck entsprechend der von dem Halbleiter entwickelten Warme und auch der Umgebungstemperatur, in welcher sich der Halbleiter und die das Kältemittel enthaltende geschlossene Kammer befinden, ändert.

Die geschlossene Kammer ist jedoch nicht vollständig mit Kältemittel in flussiger Phase gefüllt, damit die von dem Halbleiter entwickelte Wärme die Verdampfung des Kältemittels bewirkt, dessen latente Verdampfungswärme so zur Kühlung des Halbleiters ausgenutzt wird. Der verdampfte Teil des Kältemit-

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tels wird dann mit einem Wärmeaustauscher in Berührung gebracht, welcher ihn kühlt und daher niederschlagt, damit in der ge* schlossenen Kammer eine ähnliche Wirkung entsteht, wie in dem Stromungekreis eines Kuhlgerats.

Das obige Verfahren kann auf verschiedene Welse ausgeübt werden, und nachstehend sind einige hierfür besonders zweokmässlge erfindungsgemasse Kühlvorrichtungen angegeben·

Uemäss Fig. 1 ist eine dichte Hülle 1 vorgesehen, in welcher der z.B. durch einen Transistor gebildete Halbleiter innerhalb der Hülle vorgesehen ist, welche einen Halter 2 und einen Körperschlussdraht 2a. aufweist, wobei in den Halter der Fortsati 3 des Bodens 4 des im Ganzen mit 5 bezeichneten Transistors eingeschraubt ist, welcher in an sich bekannter Weise über dem Boden 4 ein Gehäuse 6 aufweist, welohes die aktiven Teile des Transistors überdeckt, welche an sich bekannt und mit Elektroden 7, 6 und 2a verbunden sind, welche z.B. dem Emitter, der Basis und dem Kollektor des Transistors entsprechen. Diese Elektroden treten durch die Hülle 1 durch geeignete Durchführungen 9, welche z«B. mit Hilfe von Glasperlen hergestellt sind·

Wie auf der Zeichnung dargestellt, ist die Hülle 1 mit einem Stutzen 10 versehen, weloher gestattet, in der Hülle ein Vakuum zu erzeugen und sie hierauf mit Kältemittel zu füllen, wobei die Ausbildung so getroffen ist, dass der Stutzen ermöglicht, jederzeit genau den mit 11 bezeichneten Pegel des Kältemittels in flüssiger Phase zu erkennen.

Ein Rohr 12 steht mit dem Innern der Hülle 1 über dem Pegel 11 des Kältemittels in Verbindung. Dieses Rohr führt zu einer Kondensatorrohrschlange 13, deren Ausgang durch ein

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Sehr 14 mit dta Innern der Hülle 1 verbunden ist, jedooh in der Iaht dei unteren Abschnitts derselben«

Sa insbesondere bei einem Trane ie tor die stärkste Wärmeentwicklung in der Grenasohioht Äpto-Kollektor auftritt, wird ditte Warme im wesentliohen auf den Boden 4 des Transietore übertragen! weloher ron dem Kältemittel umspült wird und daher kraftig gektfet wird.

Die duroh die Srwärmung des Kältemittels in flüssiger Phase erseugte Zustandsänderung rerdrängt offenbar die Dampfeaule in filohtung auf den Kondensator» und die in diesem über dem Pegel 11 auftretende Kondensation der Kältemitteldämpfe erseugt eine flüssigkeitssäule, deren Gewicht einen schnellen ständigen umlauf des Kältemittels in der gesamten geschlossenen Hülle bewirkt. .

In Pig· 2 enthält die Hülle 1a wie vorher den Transistor 5» die ebenfalls mit einem Tüllstutzen 10 versehene Hülle ist jedoch vollständig geschlossen und an wenigstens einer Seitenwand mit Kühlrippen 15 oder anderen Teilen zur Wärmeabfuhr versehen, wie litzen, miteinander verschlungene oder unverschlungene Drähte, duroh welche die Luft hindurchströmen und somit die entwickelte Wärme abführen kann. Die Arbeitsweise dieser Kühlanordnung entspricht offenbar der oben beschriebenen.

In Pig. 3 wird die das Kältemittel und den Transistor oder andere Halbleiter 5 enthaltene Hülle 1b wenigstens teilweise von einer Bohrschlange 16 umgeben, in welcher ein sekundäres Kühlmittel strömt, z.B. Wasser oder Ql, was sweckmässig ist, wenn ein derartiges sekundäres Kühlmittel verfügbar ist und die die Transistoren oder anderen Halbleiter enthaltende

Anlage ein kleines Volumen haben soll. BAO ORIGINAL

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Tig· 4 zeigt eine andere Aueführung, bei welcher der die Wärme entwickelnde feil des Transistor· oder anderen Halb- ■ leitere 5» bei dem dargestellten Beispiel der Boden 4 des Tran-■letora, innig an einer Sohle 17 befestigt ist, welohe innen Umlaufkanale 18 aufweist, welohe durch leitungen 19 und 20 mit einem Kondensator 21 in Verbindung stehen. Die Kanäle 18 sind dauernd mit Kältemittel in flüssiger Form gefüllt, τοη welchem ein Teil ständig nach Maßgabe der Wärmeentwicklung in dem Halbleiter verdampft wird. Dieser Terdampfte Teil wird gekühlt und , niedergeschlagen, um anechliesaend über einen Vorratsbehälter in die Kanäle 18 zurückgeführt zu werden. Diese besondere Anordnung ist ebenfalls in zahlreichen Fallen zweckmaesig, da die Sohle 17» auf welcher der Halbleiter befestigt ist, bequem so ausgebildet werden kann, dass sie sich der besonderen Form der zu kühlenden Halbleiter eng anpasst« Ferner kann die Sohle- 17 sehr klein ausgeführt werden, was in gewiesen Apparaturen gestattet, Batterien von Transistoren oder anderen Halbleitern mit geringem Platzbedarf herzustellen, da ggfs. der Kondensator 21 τοη der Sohle 17 entfernt angeordnet werden kann.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung, bei welcher das erfindungsgemässe Verfahren unmittelbar in dem Halbleiter selbst, oder genauer in einem Bestandteil desselben verwirklicht wird, nämlich bei einem Transistor in dem Boden 4 desselben, welcher mit Leitungen 2? und 24 in Verbindung stehende Umlaufkanale 22 enthält. Die leitung 24 ist mit einem Kältemittelbehalter 25 verbunden, welcher seinerseits oben über einen Kondensator 26 und ein Bohr 27 mit der Leitung 23 verbunden ist. Die in dem Boden 4 des Transistors ausgebildeten Kanäle 22 sind daher stets mit einem Gemisch aus Kältemittel und Dampf gefüllt, dessen umlauf

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in der unter -Bezugnahme auf Fig· 4 und 1 beschriebenen Weise •iohergeetellt wird.

Vie aus den obigen Ausfuhrungen hervorgeht und in Fig« 6 Aargestellt ist, ist es möglich, eine beliebige Zahl TOA Halbleitern, durch einen einzigen Kühlkreis zu kühlen, vas in eine gross· Zahl τοη Halbleitern enthaltenden Anlagen zweokmaasig ist, sowie in Anlagen, in welchen fur die Halbleiter nur ein beschrankter Platz zur Terfügung steht* Sie Hüllen 1 können naalich durch Leitungen 12, 12a .... 12n mit einem einsigen Kondensator 13a verbunden werden, dessen Ausgang durch

üeitungen 14» 14a 14n mit den rerschiedenen Hüllen rer-

bunden ist, wobei der Kondensator 13a in einer grossen Entfernung τοη s.B. mehreren Metern τοη der Halbleiterbatterie angeordnet werden kann.

Obwohl dies nicht dargestellt ist, können natürlich die Hüllen 1 der Tig· 6 durch die Kanäle 18 der Sohle 17 gemäße Fig. 4 oder durch die Kanäle 22 des Bodens 4 gemäse Fig. 5 er·· setzt werden«

Fig. 7 zeigt eine andere Ausfuhrung, bei welcher der ganze die Hülle 1, das Austrittsrohr 12 und das Rüokfluss rohr 14 enthaltende Stromungskreis mit Flüssigkeit gefüllt ist·

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Ferner sind ein Terformbares Ausdehnungegefass 28 sowie ein Füllteil 10 in dem oberen Abschnitt des Kreises vorgesehen. Bei dieser Ausfuhrung wird der Umlauf der Kühlflüssigkeit durch •in· Theraosiphonwirkung erzeugt, und es können anstelle eines flüchtigen Kältemittels, z.B· der Serie R, Kühlmittel mit hohem Siedepunkt benutzt werden, z.B. öle, was in Sonderfallen vorteilhaft ist, in welchen Kältemittel nicht benutzt werden können«

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Die Erfindung kann abgewandelt werden. So kann insbesondere eine einzige mit Kältemittel gefüllte Hülle eine ganze Halbleiterbatterie enthalten.

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Claims (1)

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   1J Terfahren tür Kühlung το* Halbleitern» laabeeoa~ 4*re transistoren, 4a4uf«h gekeaaaelohnet, Am· weniget«ne ge~ «1··· fell· 4·· Kalbleiters alt elnea in einer geeehlossenen !«■Mr tatfealtenea KÜteeittel la flüssiger Rum· ia Berührung gebraaat werdea» ro» welohe* venig atuis ein f «11 ia Viratkoatakt ■it tiAM WlatifohT steht·

   2·) ?topfahrea amoa Anepruoh 1₉ daduroh gtktA&Miohiwt« Uam Um xSltmltt«l draft ·1η KEXt««itt«l «tr Strlt X₉ iasto-MAd«r« 1 12 ο*·* λ 22» fibiUit wir*.

   3·) T«vri«htttag mir Aueüteune 4·· Y«rfahr#ne naoh Ineprueh t und 2₉ g«ktiine*loho«t duroh ·1η·η wSra«Aiwt«ittofa«r (13), w»l©hir alt «ia«r ti*· KaUt«^tt«l««ag· (11) tath*lt«nd*n Ι···&1ο···β·Β Bdl· (1) Torband·» 1st, wtloh· «aaetrd·« ta«r» mlioh alt d«a Τ·11·η wtnlgeten· tin·· Halbleiter· (4) Y«rbua4«n let, ia welolwa IMi d«r Vat«npaaBiiag«etmag 4·· H*lbl«it«r-•!•■•at· VSra« «atwlok«lt wird.

   4·) YorrleattiBf aaon Aaeprueh 3# f«k«aas«ieha«t duroh «la· rSu· (i), weloh· «in· Kalteeitteliitng· «thalt, la welcher eieh da· Halbleltereleeiejit (6) wenig·*·!» tellwei·· •efladet» wobei deren dl· Hölle Stromleiter (7t 8) treten und die Rolle «it eine« londeaeetor (15) yerbunden let, 4eeaea liagaae (12) b«w, Aoeganf (14) la den oberen b»w. unteren 1b« »ennltt der BSlIe «Üaden.

   5·) Torriehtun« naoh Anepruoh ?, daduroh gekenn- »lohnet, d*ee die Hülle (1a) auf wenigeten· elaer SeltenflSohe alt WSr«e*u*t*ueoher«le»enten (15) vereehen let, ι.B. Kuhlrippen·

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   • ίο · ■ .

   β.) Vorrichtung n*eh Aaapruoh 3§ 6aiuroh ««kenn-μlohnet» 4a«· Al· Hull· (Ib) wenigeten& teilweise Ton einer Kohrechlange (16) uugeben wirä* ta weletiev ein sekundSree Eöhleittei etiUBf f inebteooderi Wsseer oder öl«

   7«) Torrlehtuüi ar^it ^nspsuoh 3» gek#iuui#iohntt durob XanSl· (18),wtloht in eiJKsr gu', wS3nwl«lt«adl«n Sohle (1? bildet «i£.i₆ w»l@int 9i®L· ««Mgst«ii9 Sem feil (4) des •X«aont·, iß %reloh«m «lic Wins« c

   welMi die iTf^Slf (i|j) alt im «te» 'VSnwaaetm«oh»r (11) A«n Iieitttng®E (19) ii& ?*ybs.aÄvus4 mit KSltvnittel in flüeeiger PhmB·

   ,8·) ?®rri@htttag IKc.^ Maprußli 5ο (Saieyeli ■•lohnet, dae@ der l!mll»l«if©r ,..) ■■': ircr. ®£ata f?ansie%or gebildet wird« äessen Miss _t4) Eaml® (22) #MlSlt_f welche mit eiaeia Warmears ässisgilws¹ (26} in w'*_;vrbii^ü.^r:^ ®^»h®M«& Bin»

   9·) yorrlttkium aaoh Anspruch ^ htm 6„ dadurch gekenttBeichaet, ä&@» ^ut einzig?, KoMeüeetox· C13a) fur Sa« v«rdejipft' SEltAsitt«! an eius Batterie elf eitler beliebigem Sahl ▼on Halbleitereleraenten angenahloseen

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