DE1614521C3 - Kühlvorrichtung für Halbleiterkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung, bei der Halbleiterkörper mit ihrem Träger in Öffnungen eines als Kühlmittelleitung dienenden Tragkörpers eingesetzt sind und eine Kühlmittelzuleitung und -ableitung zu den Trägern der Halbleiterkörper innerhalb des Tragkörpers so geführt sind, daß Austrittsöffnungen in der Kühlmittelzuleitung jeweils einem Träger der Halbleiterkörper gegenüberliegen.

Bei einer bekannten Gleichrichteranordnung (DT-AS 11 64 572) sind Gleichrichterscheiben abwechselnd mit scheibenförmigen Kühlblechen und Abstandshaltern auf einem Rohr aufgereiht. Zwischen den einzelnen Gleichrichterelementen ist das Rohr mit Öffnungen zum Durchtritt eines Kühlmittels versehen. Ein in das Rohr eingeführter Luftstrom kann durch die öffnungen in der Wandung des Rohres hindurch jeweils in die Räume zwischen benachbarten Gleichrichterelementen an den Kühlscheiben radial nach außen strömen. Bei einer abgewandelten Ausführung sind die Gleichrichterelemente nicht von einem zentral durch die Gleichrichterscheiben geführten Rohr, sondern durch zwei seitlich angeordnete Rohre getragen, von denen das eine als Zulaufrohr und das andere als Ablaufrohr für das Kühlmittel dient. Dabei ist der Raum zwischen je zwei Gleichrichterelementen als geschlossene Tasche (Dose) ausgebildet. Die als Kühlmittel in das Zulaufrohr eingeführte Luft strömt durch die öffnungen in die einzelnen Taschen zwischen den Gleichrichtern und wird durch Öffnungen im zweiten Rohr wieder abgeführt. Auf diese Weise wird ein geschlossener Kreislauf des Kühlmittels bewerkstelligt. Bei dieser Ausbildung der Kühlvorrichtung sind die Gleichrichterelemente nur sehr schwer zugänglich. Ist ein einzelnes Gleichrichterelement schadhaft, so müssen meist mehrere Gleichrichterelemente demontiert werden, um das schadhafte Element auszuwechseln.

Durch die britische Patentschrift 8 72 894 ist ferner eine Kühlvorrichtung für Halbleiterkörper bekannt, bei der die Kühlmittelzu- und -ablaufe als parallele Kanäle in einem Block angeordnet sind. Zwischen den parallelen Kanälen sind in gewissen Abständen Öffnungen vorgesehen, in welche die Halbleiterkörper mit ihrem Träger eingesetzt sind. Dieser Träger besitzt eine zentrale, mit einem kegelförmigen Boden versehene Öffnung, in die ein Metalleinsatz mit zwei Bohrungen so eingeschraubt ist, daß zwischen Metalleinsatz und Boden ein freier Raum verbleibt. Dieser Raum ist mit dem zu kühlenden Boden auf der einen Seite über eine enge Bohrung mit dem Kühlmittelzulauf und auf der anderen Seite mit einer ebenso engen Bohrung mit dem Kühlmittelablauf verbunden. Hier ist zwar eine Parallelschaltung mehrerer Halbleiterbauelemente im Kühlmittelstrom mittels parallelgeschalteter Kühlmittelzu- und -ablaufe vorgesehen, jedoch strömt die Kühlflüssigkeit seitlich auf die zu kühlende Bodenfläche des Halbleiterträgers, so daß unsymmetrische Kühlverhältnisse herrschen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gleichmäßigere und wirksamere Kühlung der Halbleiterkörper bei Erzielung eines einfachen Aufbaus zu erzielen. Die Lösung besteht erfindungsgemäß darin, daß die Kühlmittelzuleitung als Rohr ausgebildet ist, das mit seinen Austrittsöffnungen in der Kühlmittelableitung derart angeordnet ist, daß das Kühlmittel senkrecht und zentral auf eine glockenförmige Vertiefung des Trägers der Halbleiterkörper gespült wird und daß der Querschnitt des Kühlmittelablaufes größer bemessen ist als der Zulaufquerschnitt. Auf diese Weise wird gegenüber dem Bekannten die Effektivität der Kühlung gesteigert, da das Kühlmittel an die wärmste Stelle am Träger für den Halbleiterkörper herangeführt und durch den Sprüheffekt die Bodenfläche ständig mit frischem Kühlmittel beaufschlagt wird, wobei das Kühlmittel nur kurzzeitig an der Bodenfläche verweilt. Ferner ergibt sich ein günstigerer Strömungswiderstand und damit eine kleinere Pumpenleistung für den Kühlmittelumlauf.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Kühlvorrichtung für Thyristoren,

Fig.2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,

F i g. 3 einen weiteren Schnitt entlang der Linie II1-III der F i g. 1,

F i g. 4 eine weitere Ausführungsform einer Kühlvorrichtung an der Kühlstelle eines Thyristors und

F i g. 5 einen Querschnitt einer Kühlvorrichtung für zwei in einer Querschnittsebene angeordnete Halbleiterkörper.

In den F i g! 1 und 2 ist eine Kühlvorrichtung dargestellt, bei der eine Halbleiterscheibe 1 auf einem Metallträger 2 mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise auf einem Kupferträger angeordnet ist. Zur Abführung der in den Halbleiterkörpern entwickelten Wärme wird über eine mit Öffnungen 6 versehen Zuleitung 5 flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel an den Träger 2 für die Halbleiterkörper geleitet. Durch einen Ablauf 7 wird das erwärmte Kühlmittel wieder abgeführt. Bei der Kühlvorrichtung sind die Halbleiterkörper 1 mit ihrem Träger 2 in Öffnungen eines als Ablauf ausgebildeten Tragkörpers 8 eingesetzt. Das Zuführungsrohr 56 der Zuleitung 5 ist an seinen Öffnungen 6 mit rohrförmigen Ansätzen 9 versehen und innerhalb des Tragkörpers 8 so angeordnet, daß jedem Träger 2 der Halbleiterkörper 1 die Mündung eines Rohransatzes 9 gegenüberliegt. Auf diese Weise gelangt das Kühlmittel zentral an die wärmste Stelle am Träger 2 für die Halbleiterkörper 1.

Als Träger 2 sind für die Halbleiterkörper 1 Schraubstutzen verwendet, deren Gewindestutzen 10 mit einer glockenförmigen Vertiefung 11 versehen ist. In diese Vertiefung U ist zur Führung des Kühlmittelstromes ein Rohrstück 12 mit Zentrierflügeln 13a und einem Kranz 136 eingesetzt (Fig. 3). Durch die Form der Vertiefung 11 wird das Kühlmittel so nahe als möglich an die Halbleiterzelle herangeführt, so daß man praktisch ohne Kühlkörper auskommt. Damit wird der innere Wärmewiderstand erheblich verkleinert.

Die Halbleiterscheiben 1 können z. B. Thyristoren sein. Um die einzelnen Thyristoren auf einfache Weise potenlialmäßig voneinander zu trennen, ist es vorteilhaft den als Ablauf dienenden gemeinsamen Tragkörper 8 für die Thyristoren und das Zuführungsrohr 56 aus Isolierstoff, insbesondere aus Polyesterharz mit Glasfasern zu pressen. In den Isolierstoffträger 8 sind mit elektrischen Anschlußschienen 14a versehene Gewindebuchsen 4 eingegossen, eingeklebt oder eingepreßt. Ein weiterer elektrischer Anschluß 146 für die Thyristoren sowie eine Steuerleitung 14c sind von oben durch ein Gehäuse zum Thyristor 1 geführt.

Zweckmäßigerweise hat der Tragkörper 8 einen ekkigen Querschnitt. Dadurch wird das Anbringen und Abdichten der die Thyristoren tragenden Schraubstutzen erleichtert (F i g. 2). Der Querschnitt des Kühlmittelablaufes 7 wird größer bemessen als der Zulaufquerschnitt, so daß keine Überdrücke im Tragkörper 8 auftreten. Zusätzliche Dichtungen an den Einschraubstellen des Trägers 2 für die Halbleiterkörper können damit entfallen.

Zur Vermeidung einer Wirbelbildung des Kühlmittels zwischen dem Rohrstück 9 und dem Rohrstück 12 ist es zweckmäßig, den Rohransatz 9 so zu bemessen, daß er an das Rohrstück 12 herangeführt ist (Fig.4). Dabei kann das Rohrstück 12 mit den Zentrierflügeln 13a in der glockenförmigen Vertiefung 11 gehalten werden.

Es ist vorteilhaft, die mit einer Kühlmittelpumpe verbundene Leitung 5a des Zulaufs und die Ableitung 7 so auszubilden, daß sie von dem gemeinsamen Tragkörper 8 schnell entkuppelt werden können (F i g. 1). Hierzu ist der gemeinsame Tragkörper 8 mit einer Steckmuffe 15 versehen, auf die ein Kopf 16 mit seiner Bohrung 17 aufgeschoben ist. In die Bohrung 17 mündet die Ableitung 7 ein. Der Kopf 16 hat eine weitere axial mit der ersten Bohrung 17 fluchtende Bohrung 18, in die einerseits das in den Tragkörper 8 gehalterte Zuführungsrohr 5b axial eingesteckt ist und andererseits die Zuleitung 5a einmündet. Zwischen dem Ende des axial eingesteckten Rohres 5b und dem Kopf 16 mit der Bohrung 18 sowie zwischen der Steckmuffe 15 und der Bohrung 17 sind Dichtringe, z. B. Simmerringe bzw. O-Ringe 19, 20, angeordnet. Der Kopf 16 kann über einen Bajonettverschluß, über einen Schnappverschluß, über ein Gewinde od. dgl. an den gemeinsamen Tragkörper 8 lösbar angeschlossen sein, um einen schnellen Ausbau einzelner Teile zu ermöglichen. Der Kopf 16 ermöglicht eine einfache Gestaltung des Tragkörpers 8.

Wie die F i g. 5 zeigt, kann die innerhalb des Tragkörpers 8 untergebrachte Kühlmittelleitung 56 auch mit zwei oder mehr in einer Querschnittsebene angeordneten Rohrstücken 9 versehen sein. Diese Rohrstücke 9 sind zweckmäßigerweise so bemessen, daß sie in die Vertiefung 11 des Gewindestutzens 10 ragen. Dabei ist ein Ende der Rohrstücke mit einem Gewinde versehen, und die Rohrstücke sind durch die Öffnung für den Träger 2 des Thyristors 1 hindurch in die Zuleitung 56 eingeschraubt.

Um mit einer besonders kleinen Kühlmittelmenge auszukommen, können die Rohrstücke 9 auch als Düsen 9a ausgebildet sein. Wird in einer Querschnittsebene nur ein Halbleiterkörper angeordnet (Fig. 1), so kann das in F i g. 5 gezeigte Zuführungsrohr 56 aus einem Stück mit dem Rohransatz 9 gefertigt sein. Es braucht dann lediglich dafür gesorgt zu werden, daß beim Entkuppeln nach Abnahme des Kopfes 16 das Zuführungsrohr 56 abgesenkt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung, bei der Halbleiterkörper mit ihrem Träger in Öffnungen eines als Kühlmittelleitung dienenden Tragkörpers eingesetzt sind und eine Kühlmittelzuleitung und -ableitung zu den Trägern der Halbleiterkörper innerhalb des Tragkörpers so geführt sind, daß Austrittsöffnungen in der Kühlmittelzuleitung jeweils einem Träger der Halbleiterkörper gegenüberliegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzuleitung als Rohr (5i>) ausgebildet ist, das mit seinen Austrittsöffnungen (6) in der Kühlmittelableitung (7) derart angeordnet ist, daß das Kühlmittel senkrecht und zentral auf eine glockenförmige Vertiefung (11) der Träger (2) der Halbleiterkörper (1) gespült wird und daß der Querschnitt des Kühlmittelablaufes größer bemessen ist als der Zulaufquerschnitt.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurph gekennzeichnet, daß die Kühlmittelzuleitung (5£>) an ihren Austrittsöffnungen. (6) mit rohrförmigen Ansätzen (9) versehen ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Vertiefung (11) des Trägers (2) für die Halbleiterkörper ein Rohrstück (12) mit Zentrierflügeln (13a) eingesetzt ist.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Tragkörper (8) geführte Kühlmittelleitungen (5a, 7) in einen vom Tragkörper (8) entkuppelbaren Kopf (16) eingeführt sind.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zuführungsrohr (5b) fluchtend mit der Längsachse des Tragkörpers (8) angeordnet und nach Art einer Steckmuffe in eine Öffnung (18) des Kopfes für den Zulauf des Kühlmittels eingeschoben ist.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Ansätze (9) so lang bemessen sind, daß sie in die Vertiefung (11) des Gewindestutzens (10) der Halbleiterkörper (1) ragen.