DE1955647A1 - Heat sink for semiconductor cooling - Google Patents

Heat sink for semiconductor cooling

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Description

Wärmesenke für Halbleiterkühlung. Heat sink for semiconductor cooling.

Die Erfindung betrifft die Kühlung von Halbleitern.The invention relates to the cooling of semiconductors.

Bei der Verwendung von Halbleitern wie gesteuerte Siliziumgleichrichter, Siliziumdioden und Leistungstransistoren nimmt mit der Zunahme der Grösse der Einheiten die erzeugte Wärmemenge ebenfalls infolge von inneren Verlusten zu. Damit diese Einrichtungen für eine lange Zeit zufriedenstellend arbeiten können, ist es wesentlich, dass die Temperatur des Halbleiterübergangs unter einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Dementsprechend ist es wünschenswert, Mittel zur Kühlung dieser Einrichtungen zu schaffen, wenn immer sie bei wesentlichen Leistungs anforderungen verwendet werden.When using semiconductors such as silicon controlled rectifiers, Silicon diodes and power transistors increase with the increase in the size of the units the amount of heat generated also increases as a result of internal losses. So that these Facilities can work satisfactorily for a long time, it is essential that that the temperature of the semiconductor junction is kept below a predetermined value will. Accordingly, it is desirable to have means for cooling these devices whenever they are used for essential performance requirements.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, eine mit einer Flüssigkeit wie Freon gefüllte Kammer mit dem Halbleiter zu verbinden, um ihn dauernd zu kühlen.It has already been suggested one with a liquid like To connect the freon-filled chamber to the semiconductor in order to keep it cool.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Wärmesenke zu schaffen/ die eine verdampfbare Flüssigkeit wie Freon benutzt und die elektrisch gegen den Halbleiter isoliert ist, die ferner relativ billig und einfach im Aufbau ist und die die Lebensdauer der Halbleiter wirksam vergrössert-und die schliesslich mit im Handel erhältlichen Halbleitern verwendet werden kann.The object of the invention is to create a heat sink / the one Used vaporizable liquid such as freon and which is electrically opposed to the semiconductor is insulated, which is also relatively cheap and simple in construction and which has the service life the semiconductor effectively enlarges and which ended up with im Commercially available semiconductors can be used.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen: Fig. 1 eine teilweise schematische Ansicht eines Systems, das die Erfindung verkörpert; Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Wärme senke, die die Erfindung verkörpert; Fig. 3 eine Teilansicht eines Teils der in Fig. 2 dargestellten Wärmesenke in vergrössertem Maßstab; Fig 4 eine Aufsicht auf die in Fig. 2 dargestellte Wärme senke in verkleinertem Maßstab; Fig. 5 eine alternative Ausführung der in Fig. 2 dargestellten Wärmesenke; Fig. 6 einen Teilquerschnitt durch eine abgeänderte Form der Wärmesenke; Fig 7 eine perspektivische Ansicht der Wärmesenke; Fig. 8 einen Teilquerschnitt entlang der Linie 7-7 der Fig. 6; Fig. 9 einen Teilquerschnitt ähnlich der Fig. 6, der eine abgeänderte Form der Erfindung zeigt.The invention is described below with reference to the accompanying drawings described; 1 shows a partially schematic view of a system, that embodies the invention; Fig. 2 is a longitudinal section through a heat sink, embodying the invention; FIG. 3 is a partial view of part of the circuit shown in FIG shown heat sink on an enlarged scale; 4 shows a plan view of the in Fig. 2 heat sink shown on a reduced scale; Fig. 5 shows an alternative Execution of the heat sink shown in FIG. 2; 6 shows a partial cross-section by a modified form of the heat sink; 7 is a perspective view of FIG Heat sink; Figure 8 is a partial cross-sectional view taken along line 7-7 of Figure 6; Fig. 9 is a partial cross-section similar to FIG. 6 showing a modified form of the invention shows.

Die in Fig. 1 dargestellte Wärme senke, die die Erfindung verkörpert, ist geeignet, zusammen mit einem elektronischen Chassis 10 verwendet zu werden, in dem eine Vielzahl von Halbleitern, wie gesteuerten Siliziumgleichrichtern, Siliziumdioden und Leistungstr ansistoren angeordnet ist. Die Wärmesenke 11 ist mit allen Nalbleitereinrichtungen verbunden.The heat sink shown in Fig. 1, which embodies the invention, is suitable to be used in conjunction with an electronic chassis 10 in which a variety of semiconductors, such as silicon controlled rectifiers, silicon diodes and power transistors is arranged. The heat sink 11 is with all semiconductor devices tied together.

Die in Fig. 2 dargestellte Wärmesenke 11 besteht aus einem Körper 12 mit einem langgestreckten zylindrischen Mittelteil 13 mit offenen Enden. Das eine Ende des zylindrischen Teils 13 ist durch einen Endstopfen 14 verschlossen, der bei 15 angeschweisst ist. Das andere Ende der oeffnung in dem zylindrischen Körper ist durch einen Endstopfen 16 verschlossen, der in den Isolator 17 eingeschraubt ist, welcher seinerseits in den Teil 13 eingeschraubt ist.The heat sink 11 shown in Fig. 2 consists of a body 12 with an elongated cylindrical central part 13 with open ends. That one end of the cylindrical part 13 is closed by an end plug 14, which is welded at 15. The other end of the opening in the cylindrical one The body is closed by an end plug 16 which is screwed into the insulator 17 which in turn is screwed into part 13.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist der Isolator 17 aus elektrisch nichtleitendem Material wie Tetrafluoräthylen hergestellt und besteht aus einem ersten Teil 18 mit dem Aussengewinde 19 und dem Innengewinde 20, aus einem zweiten sich seitlich erstreckenden Teil 21 und einem sich axial erstreckenden Flanschteil 22, der vom zweiten Teil 21 ausgeht. Wenn der Isolator 17 in den Körperteil 13 eingeschraubt wird, kommt der zweite Teil 21 mit den ringförmigen Rippen 23 am unteren Ende des zylindrischen Teils 13 in Eingriff.As can be seen from Fig. 3, the insulator 17 is made of electrically non-conductive Made of material such as tetrafluoroethylene and consists of a first part 18 with the external thread 19 and the internal thread 20, from a second laterally extending part 21 and an axially extending flange part 22 extending from the second part 21 goes out. When the insulator 17 is screwed into the body part 13 comes the second part 21 with the annular ribs 23 at the lower end of the cylindrical part 13 in engagement.

Der Endstopfen 16 hat das Gewinde 24, das mit dem Gewinde 20 und den ringförmigen Rippen 25 in Eingriff kommt, die mit dem Flansch 21 in Eingriff kommen. Der Endstopfen 16 weist ferner eine ringförmige Oberfläche 26 auf, die mit dem Inneren des Flansches 22 in Eingriff kommt.The end plug 16 has the thread 24 with the thread 20 and the annular ribs 25 which come into engagement with the flange 21 in engagement. The end plug 16 also has an annular surface 26 that communicates with the interior of the flange 22 comes into engagement.

Der Stopfen weist ferner ringförmige Kerben 27 auf, die dem Inneren der Kammer 28 zugewandt sind, welche durch Schliessen der Enden der Bohrung des Körperteils 13 gebildet wird. Die Kerben 27 haben die Tendenz, das gleichmässige Sieden durch Schaffen einer vergrösserten Oberfläche zu fördern.The plug also has annular notches 27, the interior facing the chamber 28, which by closing the ends of the bore of the Body part 13 is formed. The notches 27 have the tendency to be uniform To promote boiling by creating an enlarged surface.

Das Halbleiterelement 30 wird in eine mit Gewinde versehene Bohrung 29 eingeschraubt, die sich axial im Endstopfen erstreckt. Wie dargestellt, hat der Halbleiter herkömmlichen Aufbau und besteht aus einem Metallkörper 31, einem keramischen Gehäuse 32, den Schichten 33 und 34 und Drähten, die durch das Gehäuse 32 führen.The semiconductor element 30 is threaded into a bore 29 screwed, which extends axially in the end plug. As shown, the Semiconductor conventional structure and consists of a metal body 31, a ceramic Housing 32, layers 33 and 34, and wires running through housing 32.

Die Kammer 28 ist so eingerichtet, dass sie mit einer flüchtigen elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit, wie Freon gefüllt werden kann.The chamber 28 is arranged to be exposed to a volatile electrical non-conductive liquid such as freon can be filled.

Der Körper ist mit radialen Rippen 35 versehene die in sich in Längsrichtdng erstreckenden radialen Ebenen lieen ierner tnit einem Aufbauflansch 36, in dem die Bohrung 37 vorgesehen ist, um Luft zwischen den Rippen 35 nach oben durchzulassen. Eine Ummantelung 38 bei forcierter Konvektionskühlung erstreckt sich vom Flansch 36 um die Enden der Rippen 35 nach oben, wobei bei natürlicher Konvektionskühlung keine Ummantelung vorgesehen ist. Das Chassis 10 kann mit einem (nicht dargestellten) Ventilator versehen sein, der die Luft nach oben durch die Bohrungen 37 zwingt, um die Rippen 35 zu kühlen.The body is provided with radial ribs 35 in the longitudinal direction Extending radial planes can also be combined with one Mounting flange 36, in which the bore 37 is provided, to air between the ribs 35 upwards to let through. A jacket 38 with forced convection cooling extends from the flange 36 around the ends of the ribs 35 upwards, with natural convection cooling no sheathing is provided. The chassis 10 can be equipped with a (not shown) Be provided with a fan that forces the air up through the holes 37, to cool the ribs 35.

Die Grösse der Bohrungen 37 kann so eingerichtet werden, dass die Kühlluftverteilung an jede Einrichtung geändert wird. Wenn eine natürliche Konvektionskühlung verwendet wird, so wird im Gegensatz zur forcierten Konvektionskühlung die Ummantelung 38 weggelassen.The size of the bores 37 can be set up so that the Cooling air distribution to each facility is changed. When a natural convection cooling is used, in contrast to forced convection cooling, the jacket is used 38 omitted.

Im Betrieb wird die Wärme, die in der Halbleitereinrichtung erzeugt wird, über einen kurzen Weg zur flüssigen Phase in der hermethisch abgeschlossenen Kammer 28 geleitet. Die an die Flüssigkeit abgegebene Wärme bewirkt, dass diese teilweise verdampft und in der Kammer 28 hochsteigt. Der Dampf kondensiert dann an der verhältnismässig kalten Wand der Kammer und gibt seine Wärme ab. Die bei der Kondensation an der Wand abgegebene Wärme wird dann durch die Rippen nach aussen geleitet und durch Konvektion und Strahlung an die Umgebungs atmo sphäre abgegeben. Die kondensierte Flüssigkeit läuft an den Wänden herunter zur Flüssigkeit im Boden der Kammer.In operation, the heat generated in the semiconductor device is, via a short path to the liquid phase in the hermetically sealed Chamber 28 passed. The heat given off to the liquid causes it partially evaporated and rises in the chamber 28. The steam then condenses on the relatively cold wall of the chamber and gives off its heat. The at The heat given off by the condensation on the wall is then passed out through the ribs guided and released into the ambient atmosphere by convection and radiation. The condensed liquid runs down the walls to the liquid in the bottom the chamber.

Dieser Prozess dauert an, so dass die Wärme fortlaufend von der Halbleiter einrichtung abgezogen wird.This process continues, so the heat continues from the semiconductor device is withdrawn.

Es wurde festgestellt, dass die Verwendung der Einrichtung einen Betrieb des Halbleiters mit grösserer Leistungskapazität, aber niedrigerer Temperatur erlaubt, wodurch eine grössere Lebensdauer entsteht.It was found that the use of the facility is an operation of the semiconductor with greater power capacity, but lower temperature allowed, which results in a longer service life.

Wenn gewünscht wird, die Wärmesenke mit einem anderen Winkel als demjenigen zu betreiben, bei dem die Kammer 28 senkrecht steht und der Halbleiter sich am Boden befindet, wird in der Kammer 28 ein durchlöcherter Schirm 50 vorgesehen, wie er in Fig. 5 dargestellt ist. Der Schirm 50 hat kapillare Zwischenräume derart, dass die Flüssigkeit nach der Kondensation an den Wänden der Kammer zu dem Gebiet am Endstopfen 16 zurückkehrt, so dass der fortlaufende Kondensations -Verdampfungs - Zyklus entsteht.If desired, the heat sink at a different angle than that to operate in which the chamber 28 is vertical and the semiconductor is on the ground is located, a perforated screen 50 is provided in the chamber 28, as he is shown in FIG. The screen 50 has capillary spaces such that the liquid after condensation on the walls of the chamber to the area on End plug 16 returns so that the condensation evaporation continues - Cycle arises.

Bei der Form der Erfindung die in den Fig 6-8 dargestellt ist, ist die Wärmesenke 55 so eingerichtet, dass sie an einer senkrechten Wand 56 eines elektronischen Chassis angebracht werden kann. Die Wärmesenke 55 besteht aus einem Spritzguss oder Gußstück 57 mit einer sich senkrecht erstreckenden, im allgemeinen rechteckigen Öffnung oder Kammer 58, deren oberes Ende durch eine integrierte Wand 59 oder durch eine Wand verschlossen ist, die angeschweisst oder hartgelötet ist. Von der einen Wandseite und von den Endwänden des Körpers 57 gehen die senkrechten Rippen-60 und 61 aus, die die Wärme vom Körper abstrahlen oder durch Konvektion ableiten. Das untere Ende der Öffnung 58 ist durch ein Stopfengußstück 62 verschlossen das mit dem Körper 57 verschweisst-ist und das waagerechte, mit Gewinde versehene Bohrungen 63 aufweiset, um eine Vielzahl von Halbleitern 64 aufzunehmen. Die mit Gewinde versehenen Bohrungen 63 sind senkrecht zu der Öffnung 58 ausgerichtet, wobei der obere Teil 64 des Gußstücks 62 vorstehende Teile 65 aufweist, die der Flüssigkeit in der Kammer im Körper ausgesetzt sind. Die gesamte innere Oberfläche der Kammer kann mit einem durchlöcherten Material 66 verkleidet sein.In the form of the invention illustrated in Figures 6-8 the heat sink 55 is set up so that it is attached to a vertical wall 56 of an electronic Chassis can be attached. The heat sink 55 consists of an injection molding or Casting 57 having a vertically extending, generally rectangular opening or chamber 58, the upper end of which by an integrated wall 59 or by a Wall is closed, which is welded or brazed. From one side of the wall and from the end walls of the body 57 extend the vertical ribs -60 and 61, which radiate heat from the body or dissipate it by convection. The lower end the opening 58 is closed by a plug casting 62 that connects to the body 57 is welded and has horizontal, threaded bores 63, to accommodate a plurality of semiconductors 64. The threaded holes 63 are oriented perpendicular to the opening 58, the upper part 64 of the casting 62 has protruding parts 65 which are exposed to the liquid in the chamber in the body are. The entire inner surface of the chamber can be covered with a foraminous material 66 be disguised.

Im Betrieb arbeitet die Wärme senke 55 in der Weise der vorher beschriebenen Wärmesenke, um eine im wesentlichen gleichförmige Entfernung der Wärme von den Halbleitern zu schaffen.In operation, the heat sink 55 operates in the manner previously described Heat sink to ensure a substantially uniform removal of heat from the semiconductors to accomplish.

Die in Fig. 9 dargestellte Form der Erfindung gleicht im wesentlichen der Form der Fig. 6-8, abgesehen davon dass zwischen das untere Ende des Gußstücks 57' und dem Gußstück 62' ein Isolator 70 eingeschoben ist. Der Isolator ist aus elektrisch nichtleitendem Material wie Tetrafluoräthylen hergestellt, und besteht aus einem ersten Teil 71, der sich nach oben erstreckt, einem zweiten Teil72, der sich allgemein waagerecht entlang des unteren Endes des Gußstücks 571 erstreckt und einem dritten Teil 73, der sich allgemein senkrecht erstreckt.The form of the invention shown in Fig. 9 is essentially the same 6-8, except that between the lower end of the casting 57 'and the casting 62', an insulator 70 is inserted is. Of the Insulator is made of electrically non-conductive material such as tetrafluoroethylene, and consists of a first part 71 extending upward, a second Part 72 extending generally horizontally along the lower end of casting 571 and a third part 73 which extends generally perpendicularly.

Bei dieser Form weist der Stopfen oder das Gußstück 62' die Bohrungen 74 auf, die ganz durch das Gußstück führen und nicht mit Gewinde versehen sind. Der mit Gewinde versehene Teil des Halbleiters 64 erstreckt sich ganz durch die Bohrung 74> wobei eine Mutter 75 aufgeschraubt ist, um den Halbleiter auf dem Gußstück 62' in engem Wärmekontakt mit der Mutter 75 und dem Körper des Halbleiters zu halten.In this form, the plug or casting 62 'has the bores 74, which lead all the way through the casting and are not threaded. The threaded portion of the semiconductor 64 extends entirely through the Bore 74> with a nut 75 screwed on to the semiconductor Casting 62 'in intimate thermal contact with nut 75 and the body of the semiconductor to keep.

Claims (14)

Patent ansprüche Patent claims (öl. Wärmesenke für einen Halbleiter, gekennzeichnet durch einen Körper mit einer langgestreckten Bohrung im Körper Mittel zum Verschliessen des einen Endes der Bohrung, einem Endstopfen, der das andere Ende der Bohrung verschliesst, Mittel um den Halbleiter an der Wärmesenke anzubringen und eine Menge verdampfbarer Flüssigkeit in dem Raum, der durch die verschlossene Bohrung definiert ist.(Oil. Heat sink for a semiconductor, characterized by a body with an elongated bore in the body means for closing one end the bore, an end plug that closes the other end of the bore, means to attach the semiconductor to the heat sink and a lot of vaporizable liquid in the space defined by the closed bore. 2. Wärmesenke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Rippen auf dem Körper enthält. 2. Heat sink according to claim 1, characterized in that it has a Includes a plurality of radially extending ribs on the body. 3. Wärmesenke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen in Längs ebenen ausserhalb der Bohrung liegen. 3. Heat sink according to claim 2, characterized in that the ribs lie in longitudinal planes outside the bore. 4. Wärmesenke nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Ummantelung aufweist, welche die Rippen umgibt. 4. Heat sink according to one of claims 2 and 3, characterized in that that it has a sheath surrounding the ribs. 5. Wärmesenke nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Flansch enthält der sich von dem Körper nach aussen zur Ummantelung erstreckt, wobei der Flansch eine Vielzahl von im Abstand angeordneten Bohrungen aufweist. 5. Heat sink according to one of claims 2-4, characterized in that that it includes a flange that extends outwardly from the body to the shell, wherein the flange has a plurality of spaced apart bores. 6. Wärmesenke nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Isolator enthält, der im anderen Ende der Bohrung angeordnet ist, wobei der Isolator den Endstopfen elektrisch gegen den Körper isoliert.6. Heat sink according to one of claims 1-5, characterized in that that it contains an insulator which is arranged in the other end of the bore, wherein the insulator electrically isolates the end plug from the body. 7. Wärmesenke nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator in das andere Ende der Bohrung eingeschraubt ist.7. Heat sink according to claim 6, characterized in that the insulator is screwed into the other end of the hole. 8. Wärmesenke nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Endstopfen in den Isolator eingeschraubt ist und dass er Teile aufweist, die dem Raum innerhalb der Bohrung zugewandt sind.8. Heat sink according to claim 7, characterized in that the end plug is screwed into the isolator and that it has parts that correspond to the space within facing the bore. 9. Wärmesenke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator einen ersten Teil enthält, der indiz Bohrung eingeschraubt ist, ferner einen-zweiten Teil, der sich seitwärts nach aussen erstreckt und der mit dem Ende des Körpers in Eingriff kommt, und schliesslich einen Flanschteil, der axial von dem zweiten Teil ausgeht.9. Heat sink according to claim 8, characterized in that the insulator contains a first part which is screwed into an indiz bore, and a second part Part that extends sideways outwards and that with the end of the body comes into engagement, and finally a flange portion axially from the second Part runs out. 10. Wärmesenke nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Endstopfen einen ersten Teil enthält, der in den ersten Teil des Isolators eingeschraubt ist, ferner einen zweiten Teil, der so eingerichtet ist, dass er mit dem zweiten Teil des Isolators in Eingriff kommt, und schliesslich einen dritten Teil, der mit dem Flansch des Isolators in Eingriff kommt.10. Heat sink according to claim 9, characterized in that the end plug contains a first part screwed into the first part of the isolator, furthermore a second part which is adapted to be connected to the second part of the insulator comes into engagement, and finally a third part, which with the Flange of the isolator comes into engagement. 11. Wärmesenke nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine durchlöcherte Hülse in der Bohrung enthält, die Zwischenräume von kapillarer Grösse aufweist.11. Heat sink according to one of claims 1-10, characterized in that that it contains a perforated sleeve in the bore, the gaps of having capillary size. 12. Wärmesenke nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Anbringen des Halbleiters an dem Endstopfen aus Gewinden auf dem Endstopfen bestehen.12. Heat sink according to one of claims 1-11, characterized in that that the means for attaching the semiconductor to the end plug of threads the end plug. 13. Wärmesenke nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass der Korper eine Öffnung aufweist, die sich allgemein in senkrechter Richtung erstreckt, wobei der Endstopfen das untere Ende der Offnung verschliesst und wenigstens eine sich in waagerechter Richtung erstreckende Bohrung aufweist, welche das Mittel definiert, in das der Halbleiter eingesetzt ist.13. Heat sink according to one of claims 1-12, characterized in that that the body has an opening that is generally perpendicular extends, wherein the end plug closes the lower end of the opening and at least has a horizontally extending bore which the means in which the semiconductor is inserted. 14. Wärmesenke nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass der Endstopfen eine Vielzahl von im Abstand angeordneten waagerechten Bohrungen zur Aufnahme von Halbleitern aufweist.14. Heat sink according to one of claims 1-13, characterized in that that the end plug has a plurality of spaced-apart horizontal bores for receiving semiconductors. L e e r s e i t eL e r s e i t e
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6052882A (en) * 1997-09-19 2000-04-25 Saturn Tool Company, Llc Insertion device for inserting spacers
US6061888A (en) * 1998-09-15 2000-05-16 Campbell; Printess Severing and insertion device for inserting spacers

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