DE1978284U

DE1978284U - Kuehlkoerper mit kuehlrippen fuer halbleiterbauelemente.

Info

Publication number: DE1978284U
Application number: DEB73196U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1967-10-25
Filing date: 1967-10-25
Publication date: 1968-02-08

Description

608'(06-25.10.6/

BROWN, BOVER! & CIE AG

MANNHEIM

■Mannheim-, den 18. Oktober 196? Pat.Hz/Mi

Mp.-Ur. 653/67

Kühlkörper mit Kühlrippen für Halbleiterbauelemente

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper mit Kühlrippen für Halbleiterbauelemente.

Die.leistungsmäßig hohe Ausnutzung von Halbleiterbauelementen, wie z.B. Siliziumgleichrichterzellen und Thyristoren, erfordert die Abführung der im Inneren der Zelle entstehenden Wärme. Hierzu werden üblicherweise Kühlkörper verwendet. Diese haben verschiedene Pormen, bestehen aus verschiedenen Materialien und sind auf verschiedenen Wegen hergestellt. Die weitaus meisten Kühlkörper sind mit Kühlrippen ausgestattet. Von der Wärmequelle, der Halbleiterzelle, über den Kühlkörper mit seinen Kühlrippen wird die Wärme an die Umgebung durch Konvektion abgegeben. Dies kann in sogenannter lufteigen- oder Luftfremdkühlung geschehen*

Aufgabe der Erfindung 1st es, einen Kühlkörper mit einem Profil bereitzustellen, der bei kleinstmöglichen äußeren Abmessungen einen minimalen Wärmewiderstand besitzt» Ebenso soll der Luftwiderstand, insbesondere bei Luftfremdkühlung, möglichst niedrig ■und der Materialverbrauch gering sein. ■

Diese· Auf gäbe, wird· erfindungsgem.äß dadurch gelöst, daß der Kühl-. •körper'ein Ή-förmiges Grundprofil mit zwei etwa parallelen flanschen und einem sie verbindende! kürzeren Steg besitzt und daß der Steg auf beiden Seiten und die Plansche auf ihrer Außenseite -Kühlrippen tragen und die Stegrippen höher sind als die Planschrippen. ■

Das 'erfindungsgemäße H-förmige Grundprofil ist dadurch unsymmetrisch, daß die vom Steg in verschiedene Eichtungen abgehenden Flanschteile ungleich lang sind. Durch diese Maßnahme wird für •den Einbau der Halbleiterneile mit-ihren Anschlüssen- oberhalb ,'des.. Stages'- der . notwendige .Platz .freigelassen. " ·;.·^:·.

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Um genügend Auflagenfläche für die Stromzuführung zu haben, und u.a. eine Befestigungsmöglichkeit für den Kühlkörper in einem Gestell zu schaffen, sind an die vier Enden der etwa parallelen Plansche Befestigungs- bzw. Anschlußfüße zur Stromzuführung zum Halbleiterbauelement, vorzugsweise quaderförmig,' angeformt.

Aus Gründen der Materialersparnis und um dem Wärmeleitwert des verwendeten Materials bestmöglichst auszunutzen, ebenso wie den zum Einbau des Kühlkörpers verwendeten Platz, verlaufen die Innenseiten der Plansche vom Steg zu den Püßen hin leicht profilweitend und die Grate aller Planschrippen liegen zusammen mit den Außenkanten der quaderförmigen Püße auf einer Linie.

Der Kühlkörper mit dem erfindungsgemäßen Profil kann vorteilhafterweise durch Strangpressen oder Gießen hergestellt werden. Es ergeben sich bei diesen beiden Herstellungsverfahren spezifisch mit ihnen verbundene Eigenschaften, die das Charakteristische und Grundlegende der Erfindung jedoch nicht betreffen.

Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wird das erfindungsgemäße Kühlkörperprofil näher beschrieben* Es zeigen:

Pig. 1 das H-förmige Grundprofil der Erfindung bei einem stranggepreßten Kühlkörper,

Pig. 2 das H-förmige Grundprofil der Erfindung bei einem Gußkühikörper,

Pig» 3 Ansicht des in Pig. 2 dargestellten Gußkühlkörpers von oben,

Pig. 4 Ansicht des in Pig. 2 dargestelltenGußkühikörpers von unten,

Pig. 5 Schnittbild entlang des Schnittes A-B in Pig. 3.

Der in Pig. 1 und Pig. 2 dargestellte Kühlkörper mit dem erfindungsgemäßen H-förmigen Grundprofil ist aus zwei in etwa parallelen Planschen 1 und 2 und einem sie verbindenden Steg 3 aufgebaut. Dieser Steg 3 trägt auf seinen beiden Seiten Kühlrippen. Die unterhalb des Steges 3 liegende Reihe von Stegrippen ist mit 4 bezeichnet und füllt den Raum zwischen den Planschen T

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und 2 aus, die oberhalb liegende mit _5, die den entsprechenden Raum zwischen den Flanschen 1 und 2 weitgehend ausfüllt. Die Flansche 1 und 2 tragen erfindungsgemäß an ihren Außenseiten eine größere Anzahl, von Rippen, die in ihrer Gesamtheit mit j5 bzw. 2 bezeichnet werden. Der Steg 3 verbindet die Plansche 1 und. 2 in einer solchen Art, daß die vom Steg in verschiedene Richtungen abgehenden Planschteile ungleich lang sind. Es ergibt sich dadurch, daß der obere Raum, in den die Stegrippen 5_ reichen, größer ist als der untere, der von den Stegrippen 4, nahezu vollständig ausgefüllt wird. Der Raum oberhalb des Steges 3 ist in der beschriebenen Art einmal zur Aufnahme des Halbleiterbauelementes und des dafür benötigten Montageplatzes und zum anderen zur optimalen Positionierung der Wärmequelle im Mittelpunkt des kühlenden Profils· größer gestaltet. Gemäß, der Erfindung sind die Stegrippen 4, und 5. höher als die Planschrippen S und ?_· .. -Durch die Aufbringung von Kühlrippen auf die Flansche 1 und 2 wird die Oberfläche des Kühlkörpers beträchtlich gesteigert und der vorhandene Raum, beispielsweise in Gestelleinschüben, guns tig ausgenutzt.

An die Enden der Flansche ΐ und 2 sind vorteilhafterweise Befestigungsfüße 9 zum Befestigen des Kühlkörpers auf einem Träger bzw. Anschlußfüße 10 zur Stromzuführung zum Halbleiterbauelement angeformt. Diese Füße haben eine quaderformige Gestalt. Die Innenseiten der Flansche 1 und 2 sind zweckmäßigerweise so geformt, daß· sie-vom Steg 3 zu den Füßen 9 bzw. 10 hin leicht divergierend verlaufen.. Die Grate aller Plansehrippen 6_ und 7. liegen, zusammen mit den Außenkanten-der quaderf örmigen ,Füße .9 und 10 auf .einer Verbindungslinie. Hierdurch wird- der Raum zwischen den Flanschen und den ausladenden Füßen günstig für die Fl ans. ehr ipp en ausgenutzt

Die Höhe der beiden Reihen 4 und .5, der Stegrippen ist-in Fig. 1 gleich. Bei dem Gußkühlkörper, der Fig. 2 ist die ,obere Reihe _5 der Stegrippen höher als die untere Reihe 4 und außerdem reichen "■ bei der Reihe j5 noch zwei Stegrippen, die dem Flansch 1 benachbart sind, fast bis zur Verbindungslinie der Anschlußfüße 10. Die obere Reihe _5 der Stegrippen ist demnach ungleich hoch. .

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Der stranggepreßte Kühlkörper gemäß der Erfindung und nach dem in Pig. 1 dargestellten Ausführungsbeispielen hat in manchen Einzelheiten eine andere Gestalt, als der in Fig. 2 dargestellte Gußkühlkörper. Der stranggepreßte Kühlkörper nach Fig.-1 besitzt ..glatte Rippen. Die Tiefe der Flanschrippeneinschnitte, der Einschnitte zwischen den Rippen der Reihen 6_ und Ί_ nimmt von etwa der Höhe der Oberkante 8 des Steges 3 in Richtung auf die Befestigungsfüße 9 bzw. die Anschlußfüße 10 hin ab. Zusammen mit dem divergierenden Verlauf der Innenseiten der Flansche 1 und 2 wird damit erreicht, daß die Materialstärke der Flansche vom Steg zu den Füßen hin abnimmt, wie es auch dem. Wärmegefälle entspricht und für den Materialverbrauch günstig ist. Etwa in Höhe'der Oberkante 8 des Steges 3 ist auf jedem Flansch 1 und 2 ge ein Flanschrippeneinschnitt 11 bzw. 12 eingebracht, der tiefer ist als die benachbarten Einschnitte. Diesen beiden Flanschrippeneinschnitten 11 und 15 sind zwei Stegrippeneinschnitte 13 und 14 oberhalb des Steges 3 benachbart, die nicht so tief sind wie die anderen Stegrippeneinschnitte. Durch diese Formgebung ergibt sich eine günstige Oberflächenvergrößerung auf den Flanschen in der Uähe der Wärmequelle, Durch die geringere Tiefe der Stegrippeneinschnitte 13 und 14 bleibt die für die Wärmeableitung in die Flansche 1 und 2 notwendige Materialstärke: am Übergang Steg-Flansch oberhalb des Steges 3 erhalten. Ein Wärmestau durch Querschnittsverengung wird dadurch, vermieden. Eine weitere Ausgestaltung des stranggepreßten Kühlkörpers besteht im Weglassen der Flanschrippen unmittelbar in der lähe der Befestigungsfüße 9 Tozw* Anschlußfüße 10. Dadurch ist Raum geschaffen, beispielsweise für das Anziehen der Muttern von. Befestigungsschrauben, die durch Bohrungen in den Füßen durchgeV steckt sind, mit Schraubenschlüsseln. Die zwischen dem Montage- V, 'raum bei den Befestigungsfüßen 9 und den Flanschrippeneinschnitteii· 11 und 12 liegenden Flanschrippen haben einen größeren Innenradius als die übrigen Flanschrippen. Die Anzahl dieser unteren Flanschrippen beträgt je Flansch 4 und oberhalb der Flanschrippeneinschnitte sind sieben Flanschrippen auf jedem Flansch 1 bzt?. 2 angebracht.

Die besondere Formgebung des erfindungsgemäßen H-förmigen Profils bei dem Gaskühlkörper zeigt die Fig. 2; sie ist weitgehend schon

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im vorigen beschrieben worden. Die Planschrippen _6 und ]_ erstrecken sich über die gesamte Planschlänge zwischen den Befestigungsfüßen und den Stromzufuhrungsfußen 10. Die Püße 9 und 10 sind mit Gewinden für die Montageschrauben versehen. Es wird hier also die gesamte Außenseite des Plansches als Träger für die Kühlrippen be-' nutzt. Die Tiefe der Planschrippeneinschnitte nimmt von etwa der Höhe der Stegoberfläche 8 in Richtung auf die Püße hin zu. Zusammen mit den in gleicher Richtung divergierend, d.h. profilweitend, verlaufenden Innenseiten der Plansche 1 und 2 ergibt sich eine starke Verringerung der Materialstärke der Plansche von dem Steg zu den Füßen hin. Diese Formgebung entspricht dem Wärmegefälle und sorgt für einen möglichst geringen Materialverbrauch. Direkt neben dem Plansch 1 und oberhalb des Steges 3 sind zwei benachbarte Stegrippen 15 und 16 länger ausgeführt als die übrigen Stegrippen der Reihe _5. Diese beiden Stegrippen 15 und 16 reichen bis an den Profilrand heran, der von der Verbindungslinie der Anschlußfüße 10 gegeben ist. Dadurch wird auch der Raum oberhalb des Steges 3 soweit wie möglich.zur Kühlung ausgenutzt. Der Raum über den Stegrippen, die nicht bis zu dieser Verbindungslinie reichen, dient zu Verdrahtüngszwecken des Halbleiterbauelementes. Die Stegrippen unterhalb des Steges füllen den gesamten Raum aus.

Alle Kühlrippen des Gußkühlkörpers sind vorteilhafterweise mit sogenannten Verwirbelungsrippen 17 versehen. Diese Rippen sind schmal und in gewissen Abständen vom Grat der Rippen zur Sohle hin senkrecht zur Kühlmittelströmung angebracht. Die vorbeistreichende Kühlluft bildet Wirbel und dadurch erfolgt eine intensive Vermischung der verschiedenen warmen iuftschichten.. Der Wärmeaustausch zwischen Kühlkörper und -luft ist infolgedessen stärker, wodurch insgesamt die Leistung erhöht werden kann. Die Kühlrippen sind in Fig. 2 als doppelte Begrenzungslinie der einzelnen Steg-und Flanschrippen dargestellt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen verschiedene Ansichten des Gußkühlkörpers nach Pig» "2* Fig. 3 zeigt die Ansicht des Kühlkörpers von oben, Pig» 4 von unten. Mitten in dem Gußkühlkörper sind zur Aufnahme des Halbleiterbauelementes die Stegrippen■ 5_ oberhalb des Steges 3 weggelassen. Die so entstandene Montagefläche auf dem Steg ist mit

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18 bezeichnet und hat beispielsweise eine quadratische Form mit ange;f ästen Ecken. Die Montagefläche 18 weist entweder vier Gewindebohrungen 19» etwa für M6-Schrauben, in den Ecken oder ein großes¹ Mittelgewinde 20 auf und ist eben. Das Halbleiterbauelement hat einen flachen. Boden, mit dem es auf die Montagefläche aufgesetzt und entweder mittels einer Spannplatte und den vier Schrauben dort festgeklemmt wird oder es hat einen kreisförmigen Boden mit einem mittleren Gewindezapfen zur Befestigung-auf der Montagefläche 18. Damit entsteht ein inniger Kontakt zwischen .Wärmequelle und Kühlkörper der für Wärme- und Stromübergang erforderlich ist. Die Befestigung des Halbleiterbauelementes auf dem stranggepreßten Kühlkörper nach Jig. 1 erfolgt auf dieselbe Weise.. Hier muß die Montagefläche allerdings erst durch Entfernen von Teilen der oberen Stegrippen geschaffen werden und dann der Steg mit den Befestigungslöchern versehen werden..

Die Pig. 3 und 4 zeigen deutlich, wie die Verwirbelungsrippen 17 versetzt auf den einzelnen Hippen angebracht sind. Die Bohrungen, die zum Befestigen des Kühlkörpers auf einem Träger oder von Stromanschlüssen auf dem Kühlkörper dienen und in die Befestigungsfüße 9 bzw.. Anschlußfüße 10 eingebracht, sind, sind in den Pig. 3 und ebenfalls deutlich.in den Ecken zu-erkennen.

Der Steg 3 des Kühlkörpers mit dem erfindungsgemäßen Profil läßt sich gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Grußkühlkörpers nach der in Pig. 5 gezeigten Art schalenförmig gestalten. Hierdurch wird einmal erreicht,. daß das Halbleiterelement als Wärmequelle optimal in der Mitte des wirksamen Kühlkörpers liegt und zum anderen dafür gesorgt', daß der .Materialverbrauch gering wirddurch'-die dem Wär-megefalle entsprechende Abnahme des Material_r querschnittes. Die Stärke des Steges 3 ist sowohl bei dem strang- ^epreßten Kühlkörper nach Pig. 1 ,. als auch bei dem Gußkühlkörper nach den Pig. 2 bis 5 danach gewählt,, daß der Steg einmal stark genug ist, um die Bohrungen 19 bzw. 20 aufnehmen und den Verlustwärmeanteil in der Stegebene nach allen Eichtungen abführen zu können, zum anderen aber schwach genug, um die unmittelbar unter der Wärmequelle befindlichen Stegrippen auf höchstmöglichem

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Temperaturpotential anzukoppeln, damit diese "besonders effektiv werden. - ,

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen darin, daß ein Kühlkörperprofil geschaffen ist, das bei kleinstmöglichen äußerön Abmessungen einen minimalen Wärmewiderstand ergibt, möglichst große kühlende Oberfläche besitzt, der Kühlluft einen möglichst geringen Luftwiderstand entgegensetzt und einen geringen Materialaufwand erfordert. Bei dem stranggepreßten Kühlkörper liegen spezifische "Vorteile darin, daß Kühlkörper verschiedener Leistungen durch unterschiedliches Ablängen vom Profil erhältlich sind und die Werkzeugkosten nur einmal anfallen. Die spezifischen Vorteile des Gußkühlkörpers liegen in der Möglichkeit der diffizileren Formgebung, des möglichen größeren Verhältnisses von Rippenhöhe zu Rippenstärke und der einfachen Anbringung der Verwirbelungsrippen. Hierdurch kann der vorhandene Raum noch intensiver zur Kühlung ausgenutzt werden als beim stranggepreßten Kühlkörper, womit eine noch stärkere Leistungssteigerung pro Raumeinheit ermöglicht wird.

Claims

- 8 - 653/67 Schutzansprüche: .

1. Kühlkörper mit Kühlrippen für Halbleiterbauelemente, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper ein H-förmiges Grundprofi^ mit zwei etwa parallelen Flanschen (1,2) und einem sie verbindenden kürzeren Steg (3) besitzt, und daß der Steg (3) auf beiden Seiten und die Plansche auf ihrer Außenseite Kühlrippen tragen, und die Stegrippen (,4,5,) höher sind als die Flanschrippen (6_,2).

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Steg.(3) in verschiedene Richtungen abgehenden Flansch-

■ teile ungleich lang sind.

3» Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die vier Enden der beiden etwa parallelen Flansche (1,2) Bef'estigungs- (9) bzw. Anschlußfüße (10) zur Stromzuführung zum Halbleiterbauelement vorzugsweise quaderförmig angeformt sind. . . . .

4. Kühlkörper nach Anspruch 3>. dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseiten der Flansche (1,2) vom Steg (3) zu den Füßen (9,10) hin leicht divergierend verlaufen und die Grate aller Flanschrippen (£,2) zusammen mit den Außenkaten der quaderförmigen Füße (9»10) auf einer Linie liegen. ·

5. Kühlkörper nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement entweder mittels einer Spannvor-■richtung oder eines mittleren G-ewindezapfens in Höhe der Oberkante (8) des Steges(3) thermisch und gegebenenfalls elektrisch mit dem Kühlkörper verbunden ist.

6. Kühlkörper nach Anspruch 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß die liefe der Flanschrippeneinschnitte etwa von der Höhe der Oberkante des Steges (3) in Mchtung auf die Füße (9,10) hin zu- oder abnimmt.

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7. Kühlkörper nach Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein etwa in Höhe der Oberkante (8) des Steges liegender Planschrippeneinschnitt (11 bzw. 12) tiefer ist als die benachbarten Einschnitte und daß der nächste benachbarte Stegrippenein* schnitt (13 bzw. 14),der oberhalb des, Steges (3) liegt, nicht so tief ist wie die übrigen.

8. Kühlkörper nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß von der mittigen Aussparung (18) zur Aufnahme des Halbleiterbauelementes aus zu den Enden des Kühlkörpers hin die Querschnittsfläche des Steges (3) abnimmt und dieser in Längsrichtung des Kühlkörpers eine schalenartige Form aufweist (Pig. 5).

9. Kühlkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oberhalb des Steges (3) und direkt neben einem Flansch (1) liegende Stegrippen (15»16) höher als die übrigen Stegrippen (5.) sind'und bis zur Verbindungslinie zweier Füße (10) reichen,

10. Kühlkörper nach Anspruch 9V dadurch gekennzeichnet, daß die beiden an die Planschinnenseiten oberhalb des Steges (3) angrenzenden Stegrippeneinschnitte (13,14) nicht so tief sind wie die übrigen.

11. Kühlkörper nach Anspruch 1 .oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (4,,5,,,6,Ί) mit zur Strömungsrichtung der Kühlluft senkrechten Verwirbelungsrippen (17) versehen sind. . :. :