DE1514511C3

DE1514511C3 - Arrangement with electrically forced cooled semiconductor components

Info

Publication number: DE1514511C3
Application number: DE1965S0098331
Authority: DE
Inventors: Friedrich 8000 Muenchen Scherbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-07-21
Filing date: 1965-07-21
Publication date: 1979-03-22
Also published as: DE1514511A1; DE1514511B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit elektrisch zwangsgekühlten Halbleiterbauelementen, wobei die einzelnen Halbleiterbauelemente in einer Reihenanordnung mit einer Tragschiene verbunden sind, in der von einer ihrer Oberflächen aus benachbart dem Sitz der in mindestens einer räumlichen Reihenanordnung befestigten Halbleiterbauelemente eine oder mehrere Aussparungen eingearbeitet sind, welche den Verbindungsstellen zwischen den Halbleiterbauelementen und der Tragschiene möglichst nahe benachbart liegen, und mit Kühlmittelführungsrohren, die in die Aussparungen eingelegt sind.The invention relates to an arrangement with electrically forcibly cooled semiconductor components, the individual semiconductor components are connected in a series arrangement with a mounting rail, in which of one of its surfaces from adjacent the seat of the mounted in at least one spatial array Semiconductor components one or more recesses are incorporated, which the connection points are as closely adjacent as possible between the semiconductor components and the mounting rail, and with coolant guide tubes that are inserted into the recesses.

Eine derartige Anordnung ist aus der DE-PS 9 67 450 bekannt. Hierbei wird in Aussparungen eines metallischen Kühlkörpers zur Verhinderung der Korrosion ein Schlauch eingelegt, der der Führung des Kühlmittels dient. Damit wird die Korrosion des Kühlkörpers durch das Kühlmittel unterbunden, allerdings um den Preis eines schlechten Wärmeübergangs zwischen Kühlkörper und Kühlmittel. In einer weiteren Ausführungsform wird das Kühlmittel direkt in Aussparungen des Kühlkörpers geleitet, wobei allerdings die Kühlkanäle einen Schutzbelag aus einem korrosionsfesten Material tragen. Damit ist wohl der Wärmeübergang verbessert, jedoch ist die Auftragung des Schutzüberzuges sehr aufwendig. Ferner treten Dichtungsprobleme bei der Abdeckung der durch die Aussparungen gebildeten Kanäle auf.Such an arrangement is known from DE-PS 9 67 450. In this case, a metallic To prevent corrosion, a hose is inserted into the heat sink to guide the coolant serves. This prevents corrosion of the heat sink by the coolant, but at a cost poor heat transfer between the heat sink and coolant. In another embodiment the coolant is fed directly into recesses in the heat sink, although the cooling channels wear a protective covering made of a corrosion-resistant material. This probably improves the heat transfer, however, the application of the protective coating is very complex. Furthermore, sealing problems occur in the Covering the channels formed by the recesses.

Ferner sind aus der US-PS 30 18 424 und dem DE-GM 17 88 551 wassergekühlte Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen das Kühlmittel in Kanälen eines als Tragelement dienenden Kühlkörpers geführt ist. Die Kanäle werden durch die Abdeckung von durchgehenFurthermore, from US-PS 30 18 424 and DE-GM 17 88 551 water-cooled semiconductor devices known, in which the coolant is guided in channels of a cooling body serving as a support element. the Channels will go through the cover of

den Aussparungen in den Kühlkörpers gebildet. Auchthe recesses formed in the heat sink. Even

hierbei treten Dichtungs- und Korrosionsprobleme auf.sealing and corrosion problems arise here.

.v. In der US-PS 29 92 372 ist eine flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranordnung beschrieben, bei der einschraubbare Halbleiterbauelemente in einer Reihe auf einer Stromschiene angeordnet sind, wobei die Stromschiene zu beiden Seiten der Halbleiterbauelemente zur Führung des Kühlmittels röhrenförmige aufgeweitet ist..v. In US-PS 29 92 372 is a liquid-cooled Semiconductor arrangement described in the screw-in semiconductor components in a row on one Busbar are arranged, the busbar on both sides of the semiconductor components for Guide the coolant tubular is expanded.

Diese Lösung ist wenig raumökonomisch. FernerThis solution is not very economical in terms of space. Further

ίο besteht in den röhrenförmigen Aufweitungen der Stromschiene eine beträchtliche Korrosionsgefahr.ίο consists in the tubular widenings of the Busbar a considerable risk of corrosion.

Der Prinzip, wärmekontaktschlüssige Verbindungen durch Druck und Materialverformung herzustellen, ist aus der FR-PS 13 37 484 und der FR-PS 12 44 077 bekannt.The principle of producing thermally bonded connections through pressure and material deformation is from FR-PS 13 37 484 and FR-PS 12 44 077 known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß mit geringem fertigungstechnischen Aufwand eine hochwertige Kühlung erreichbar ist, ohne daß Dichtungs- und Korrosionsprobleme auftreten.The invention is based on the object of designing an arrangement of the type mentioned at the outset in such a way that that a high-quality cooling can be achieved with little manufacturing effort, without Sealing and corrosion problems occur.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlmittelführungsrohre durch Verformung ihrer Außenmantelfläche in den Aussparungen der r> Tragschiene wärmekontaktschlüssig befestigt sind. ,The object is achieved according to the invention in that the coolant guide tubes are deformed their outer surface in the recesses of the r> Mounting rail are fastened with thermal contact. ,

Durch die Verformung der Kühlmittelführungsrohre wird ein enger thermischer Kontakt zwischen diesen und der Tragschiene gewährleistet, so daß eine wirksame Kühlung der auf der Tragschiene befestigten Halbleiterbauelemente gesichert ist. Gleichzeitig wird bei hoher Fertigungsfreundlichkeit ein kompakter Aufbau der Anordnung ermöglicht. Durch geeignete Werkstoffwahl für die Kühlmittelführungsrohre sind Korrosionsschäden leicht auszuschließen. Auch Dichtungsprobleme treten bei einer derartigen Anordnung nicht mehr auf.The deformation of the coolant guide tubes creates close thermal contact between them and the mounting rail ensured, so that an effective cooling of the fastened on the mounting rail Semiconductor components is secured. At the same time, a more compact one is made with high manufacturing friendliness Allows construction of the arrangement. By choosing a suitable material for the coolant ducts Corrosion damage can easily be ruled out. Sealing problems also arise with such an arrangement no longer open.

Durch einen solchen Aufbeu gelingt es, eine nach wie vor auch unter mechanischen Gesichtspunkten stabile Tragschiene und Stromschiene zu schaffen, die ausreichende Querschnitte als elektrische Sammelschiene aufweist, an welcher aber nunmehr gleichzeitig die Kühlmittelführungsrohre diejenige Verlustwärme, die von den Halbleiterbauelementen auf die Tragschiene übergegangen ist, bereits nach einem relativ kurzen Weg in der Tragschiene übernehmen und an das sie „With such a bulge, it is possible to achieve a stable, also from a mechanical point of view, as before Support rail and busbar to create the adequate cross-sections as an electrical busbar has, but now at the same time the coolant guide tubes that heat loss that has passed from the semiconductor components to the mounting rail, after a relatively short time Take over the path in the mounting rail and to which you "

durchströmende Kühlmittel abgeben. *vJRelease coolant flowing through. * vJ

Es ist vorteilhaft, wenn die Jochform der Aussparungen in der Tragschiene der Umfangsform des einzusetzenden Kühlmittelführungsrohres angepaßt ist. Dadurch wird eine möglichst großflächige Kontaktfläehe zwischen Kühlmittelführungsrohr und Aussparung ermöglicht.It is advantageous if the yoke shape of the recesses in the mounting rail of the circumferential shape of the is adapted to be used coolant guide tube. This creates the largest possible contact area between the coolant pipe and the recess.

Es ist vorteilhaft, wenn nach dem Einsetzen der Kühlmittelführungsrohre in die Aussparungen jeweils ein Abschlußstück für jede Aussparung in diese eingebracht und gegen das zugehörige Kühlmittelführungsrohr festgespannt ist. Damit bleiben die Kühlmittelführungsrohre zuverlässig — auch bei Auftreten von Schock- oder Rüttelbelastungen — in ihrer Ruhelage, so daß auch unter schwierigen Einsatzbedingungen eine hohe Lebensdauer der Anordnung sichergestellt ist.It is advantageous if, after the coolant guide tubes have been inserted into the recesses, in each case a terminating piece for each recess placed in this and against the associated coolant guide tube is clamped. This means that the coolant ducts remain reliable - even if Shock or vibration loads - in their rest position, so that even under difficult operating conditions a long service life of the arrangement is ensured.

Es liegt im Rahmen der-Erfindung, in die Tragschiene von einer Oberfläche oder den über die Dicke der Schiene einander gegenüberliegenden Oberflächen aus Halbleiterbauelementen an der Tragschiene zu befestigen. An der gleichen Fläche der Tragschiene können dabei erfindungsgemäß auch mehrere parallel zueinander liegende Reihen von Halbleiterbauelementen vorgesehen sein, die dabei gegebenenfalls in verschiede-It is within the scope of the invention, in the mounting rail from one surface or the opposing surfaces across the thickness of the rail To attach semiconductor components to the mounting rail. Can on the same surface of the mounting rail in this case, according to the invention, a plurality of rows of semiconductor components lying parallel to one another are also included be provided, which may be in different

nen dieser Reihen in der Längsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sein können. Das durch die Kühlmittelführungsrohre für die Zwangskühlung hindurchgeschickte strömende Mittel kann dabei ein flüssiges oder ein gasförmiges Mittel sein. Als flüssige Kühlmittel kommen z. B. in Frage Wasser, Transformatorenöl, Silikonöl oder Chlorhexabutadien, welches auch unter dem Handelsnamen Tripen bekannt geworden ist, als gasförmige Mittel z. B. Wasserstoff oder Schwefelhexafluorid. ι οNEN of these rows can be arranged offset from one another in the longitudinal direction. That through the Coolant guide tubes for forced cooling can flow means sent through it be a liquid or a gaseous agent. As a liquid coolant, for. B. in question water, transformer oil, Silicone oil or chlorhexabutadiene, which is also known under the trade name Tripen has become, as a gaseous agent such. B. hydrogen or sulfur hexafluoride. ι ο

Zur näheren Erläuterung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels wird nunmehr auf die F i g. 1 und 2 der Zeichnung Bezug genommen, die einander entsprechende Risse darstellen.For a more detailed explanation of the invention on the basis of an exemplary embodiment, reference is now made to FIGS. 1 and 2 Reference is made to the drawings, which represent cracks corresponding to one another.

In diesen bezeichnet 1 eine Tragschiene, die z. B. aus Kupfer besteht Diese ist symmetrisch zu ihren Längskanten mit einer Reihe von Gewindebohrungen 2 versehen, in welche jeweils je eines der Halbleiterbauelemente 3, also z. B. eine Siliziumhalbleiterdiode mit ihrem Gewindezapfen 4 eingeschraubt ist Die metallisehe Tragschiene 1 ist außerdem benachbart dieser Reihenanordnung mit je einer der Aussparungen 5 bzw. 6 versehen, welche von derjenigen Fläche aus in die Tragschiene eingearbeitet sind, die derjenigen Fläche der Tragschiene 1 gegenüberliegt, von welcher aus die Halbleiterbauelemente 3 eingeschraubt sind. Diese einzelne Längsaussparung 5 bzw. 6 ist in ihrer Querschnittsform derart gestaltet, daß sie der Umfangsform des jeweiligen Kühlmittelführungsrohres 7 bzw. 8 an ihrer Bodenfläche angepaßt ist. Nachdem das Kühlmittelführungsrohr 7 bzw. 8 in die entsprechende Aussparung 5 bzw. 6 eingepreßt worden ist, wird in jede der Längsaussparungen 5 bzw. 6 noch ein Körper 9 bzw. 10 eingebracht und gegebenenfalls mit den Seitenwänden der jeweiligen Längsaussparungen 5 bzw. 6 mechanisch verstemmt, so daß auf diese Weise ein sicherer Sitz für die Kühlmittelführungsrohre in diesen Längsaussparungen der Schiene 1 gewährleistet ist. In der Zeichnung ist außerdem angedeutet, wie in den eventuell noch verbleibenden freien Räumen zwischen 1, 7 und 9 bzw. 1, 10 und 8 noch zusätzlich Lot für die Herstellung der gegenseitigen Verlötung der Teile vorgesehen sein kann, damit der Wärmeübergang von der Tragschiene 1 zu den Kühlmittelführungsrohren 7,8 noch weiter verbesser wird.In these, 1 denotes a mounting rail which, for. B. is made of copper This is symmetrical to theirs Longitudinal edges provided with a row of threaded holes 2, in each of which one of the semiconductor components 3, e.g. B. a silicon semiconductor diode is screwed with its threaded pin 4 The metallisehe Support rail 1 is also adjacent to this row arrangement, each with one of the recesses 5 or 6 provided, which are incorporated into the mounting rail from that surface, that of that surface the support rail 1 is opposite, from which the Semiconductor components 3 are screwed in. This single longitudinal recess 5 or 6 is in their Cross-sectional shape designed in such a way that it corresponds to the circumferential shape of the respective coolant guide tube 7 or 8 is adapted to their floor area. After the coolant pipe 7 or 8 in the corresponding Recess 5 or 6 has been pressed in, a body 9 or 10 and optionally with the side walls of the respective longitudinal recesses 5 and 6 mechanically caulked, so that in this way a secure fit for the coolant guide tubes in them Longitudinal recesses of the rail 1 is guaranteed. The drawing also indicates how in the any remaining free spaces between 1, 7 and 9 or 1, 10 and 8 still have additional solder for the Manufacture of the mutual soldering of the parts can be provided so that the heat transfer from the support rail 1 to the coolant guide tubes 7, 8 is further improved.

Die Kühlmittelführungsrohre 7 und 8 brauchen nicht für sich selbständige Stücke zu sein, sondern sie können auch bereits einer Einheit angehören, also z. B. einem entsprechenden U-förmigen Rohr, welches sich dann mit seinen Schenkeln in die Längsaussparungen 5 bzw. 6 an der Tragschiene 1 einlegen läßt. Bei einer solchen Anordnung ist dann wieder gewährleistet, daß das durch die Kühlmittelführungsrohre hindurchgeschickte Kühlmittel auf der einen Seite der Reihenanordnung der Halbleiterbauelemente in der einen Richtung der Tragschiene verläuft und auf der entgegengesetzten Seite einen Strömungsweg in umgekehrter Richtung zurücklegt. Durch die einzelnen Halbleiterbauelemente ergibt sich dabei auch eine entsprechende anteilig gleichmäßige Kühlung, wie ohne weiteres aus einer entsprechenden Überlegung über die Wirksamkeit der Kühlmittelführungsrohre mit ihrem Kühlmittel für die Kühlung der Halbleiterbauelemente sich ergibtThe coolant guide tubes 7 and 8 do not need to be separate pieces, but they can already belong to a unit, e.g. B. a corresponding U-shaped tube, which is then can be inserted with its legs in the longitudinal recesses 5 and 6 on the mounting rail 1. With such a Arrangement is then again ensured that the coolant sent through the coolant guide tubes on one side of the series arrangement of the semiconductor components in one direction of the Support rail runs and on the opposite side a flow path in the opposite direction covered. The individual semiconductor components also result in a corresponding proportion uniform cooling, as readily apparent from a corresponding consideration of the effectiveness of the Coolant guide tubes with their coolant for cooling the semiconductor components results

Bei dem Ausführungsbeispiel könnte in die vorgesehenen Gewindebohrungen 2 auch von beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen der Tragschiene 1 aus je ein Halbleiterbauelement mit seinem Gewindezapfen eingeschraubt sein.In the exemplary embodiment, the threaded holes 2 provided could also be from both of one another opposite surfaces of the mounting rail 1 each from a semiconductor component with its threaded pin be screwed in.

Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt daß nur beiderseits der Reihenanordnung der Halbleiterbauelemente je ein solches Kühlmittelführungsrohr benutzt wird, sondern es könnten ebensogut mehrere solche Kühlmittelführungsrohre auf jeder Seite der Reihenanordnung der Halbleiterbauelemente vorgesehen werden.However, the application of the invention is not limited to that only on both sides of the row arrangement the semiconductor components ever use such a coolant duct, but it could just as well a plurality of such coolant guide tubes are provided on each side of the series arrangement of the semiconductor components will.

Es brauchten auch die Kühlmittelführungsrohre nicht nur in der Längsrichtung an der Tragschiene zu verlaufen, sondern es könnten auch ein oder mehrere solche Kühlmittelführungsrohre in der Reihenanordnung der Halbleiterbauelemente in dem Raum zwischen je zwei oder mehreren in der Reihenanordnung aufeinanderfolgenden Halbleiterbauelementen anteilig verlegt werden. In diesem Sinne würde es auch im Rahmen der Erfindung liegen, wenn gegebenenfalls ein Kühlmittelführungsrohr von z. B. mäanderförmiger Gestalt benutzt werden würde, welches in eine entsprechende Aussparung der Tragschiene eingelegt und in dieser befestigt wird, so daß ζ. Β. jedes der Halbleiterbauelemente bzw. dessen Befestigungsstelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schenkeln der Mäanderform liegt.The coolant ducts did not only need to be attached to the support rail in the longitudinal direction run, but there could also be one or more such coolant guide tubes in the series arrangement of the semiconductor components in the space between two or more in the series arrangement successive semiconductor components are proportionally laid. In this sense it would also be in the The scope of the invention are if, if necessary, a coolant duct of z. B. meander-shaped Shape would be used, which is inserted into a corresponding recess in the mounting rail and is attached in this so that ζ. Β. each of the semiconductor components or its fastening point lies between two successive legs of the meander shape.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Arrangement with electrically forcibly cooled semiconductor elements, the individual semiconductor components are connected in a series arrangement with a support rail, in which from one of its surfaces adjacent to the seat of the in one or more semiconductor components attached to at least one spatial row arrangement Recesses are incorporated, which are the connection points between the semiconductor components and are as close as possible to the mounting rail, and with coolant guide tubes, which are inserted into the recesses, characterized in that the coolant guide tubes (7, 8) fixed by deformation of their outer jacket surface in the recesses (5, 6) of the support rail (1) with thermal contact are.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the yoke shape of the recesses (5,6) in the mounting rail (t) the manner in which the coolant duct (7, 8) to be used is handled is adapted.

3. Arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that after insertion of the coolant guide tubes (7,8) in the recesses (5, 6) each have a terminating piece (9, 10) for each Recess (5,6) made in this and clamped against the associated coolant guide tube (7, 8) is.