DE19932441A1 - Vorrichtung zur Entwärmung von Halbleiterbauelementen beim Auftreten von Belastungsspitzen - Google Patents
Vorrichtung zur Entwärmung von Halbleiterbauelementen beim Auftreten von BelastungsspitzenInfo
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zur Erwärmung eines Halbleiterbauelementes, welche ein Halbleiterbauelement und einen ersten mit diesem kontaktierten Kühlkörper aufweist, ist der erste Kühlkörper mit einem Medium mit niedrigem Schmelzpunkt versehen. Dieses schmilzt bei einer Erhöhung der Temperatur, wobei während des Schmelzvorganges keine weitere Temperaturerhöhung stattfindet. Dadurch wird die Zeit bis zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterelementes verlängert. Dies ist insbesondere in der Motoranlaufphase von Vorteil, wenn das Halbleiterelement als Motorschaltelement dient.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entwärmung eines
Halbleiterbauelementes, welche ein Halbleiterbauelement und
einen ersten, mit dem Halbleiterbauelement kontaktierten
Kühlkörper aufweist.
Beim Schalten eines Elektromotors treten für die verwendeten
Schaltorgane, bei denen es sich um elektromechanische oder
Halbleiterbauelemente handeln kann, je nach Betriebszustand
unterschiedliche Belastungszustände auf. Während des Motoran
laufes kann der Motorstrom denjenigen Strom, der bei Nennbe
trieb fließt, um ein Vielfaches überschreiten. Je nach Motor
typ, -leistungsklasse und -betriebsart liegt der Anlaufstrom
um das etwa Vier- bis Zwölffache über dem Dauernennstrom. Die
Zeitdauer der Anlaufphase kann im Bereich von circa einer Se
kunde bis zu 30 Sekunden betragen. Weitere kurzzeitige Bela
stungsspitzen können auch während des normalen Betriebes auf
treten. Diese erhöhten Strombelastungen führen zu einer er
höhten Wärmeentwicklung innerhalb der Schaltorgane.
Bei elektromechanischen Schalt- bzw. Überlasterfassungsele
menten wird dem beschriebenen Umstand durch eine geeignete
Dimensionierung und technische Ausgestaltung der betroffenen
Geräteelemente Rechnung getragen. In diesem Zusammenhang kön
nen beispielsweise Bimetall-Überlastauslöser verwendet wer
den, die den Anforderungen für die Betriebsart "Class 10"
oder "Class 20" gerecht werden. Dabei wird der Effekt der
thermischen Trägheit genutzt. Es entsteht zwar während des
Anlaufvorganges ein erhöhter Strom und dadurch bedingt auch
eine kurzzeitige Erwärmung der Bauteile, doch werden diese
nicht zerstört. Bei Nennbetrieb kühlen die Bauteile wieder
ab.
Bei elektronischen Schaltelementen, beispielsweise Thyristo
ren, liegen die thermischen Betriebsgrenzen enger zusammen.
Hier ist es schwer, die Betriebsanforderungen "Class 10" oder
gar "Class 20" zu realisieren, da ein kurzzeitig erhöhter
Stromfluß schnell zu einer starken, die Halbleiterschicht
zerstörenden Erwärmung führt. Um dennoch brauchbare Geräte
funktionsgrenzen erreichen zu können, nutzt man die Wärmeka
pazität eines verwendeten Kühlkörpers aus. Dabei werden beim
Motoranlauf durch den erhöhten Strom die im Halbleiterbau
element entstehenden Wärmespitzen an einen zunächst kalten
Kühlkörper abgegeben, bei dem es sich um einen Metallblock
oder um einen mit Kühlrippen versehenen Kühlkörper handeln
kann.
Dies ist in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht, die den
Stand der Technik zeigen.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Entwärmung eines Halblei
terbauelementes, welche ein Halbleiterbauelement 1 und einen
mit diesem kontaktierten Kühlkörper 2 aufweist, der als Me
tallblock realisiert ist. Das Halbleiterbauelement 1 weist
ein Chipgehäuse 1b auf, in welchem beispielsweise ein Thyri
stor enthalten ist. Aus dem Chipgehäuse 1b ragen nach unten
Stromanschlüsse 1a heraus. Die Rückseite des Halbleiterbau
elements 1 wird von einem Metallplättchen 1c gebildet, wel
ches zur verbesserten Wärmeableitung aus dem Chipgehäuse 1b
an den mit dem Metallplättchen 1c kontaktierten Kühlkörper 2
dient. Zur sicheren Kontaktierung von Halbleiterbauelement 1
und Kühlkörper 2 ist das Halbleiterbauelement mittels einer
nicht gezeichneten Schraube, die durch eine Schraubenbohrung
1d im Metallplättchen 1c geführt ist, am Kühlkörper 2 befe
stigt.
Die Fig. 2 zeigt eine weitere bekannte Vorrichtung zur Ent
wärmung eines Halbleiterbauelementes. Diese unterscheidet
sich von der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung lediglich durch
die Ausgestaltung des verwendeten Kühlkörpers. Der in der
Fig. 2
dargestellte Kühlkörper 3 ist auf seiner vom Halblei
terbauelement 1 abgewandten Seite mit Kühlrippen 3a versehen.
Aufgrund dieser Kühlrippen ist die Kontaktfläche zwischen dem
Kühlkörper 3 und der Umgebung vergrößert, so daß die im Halb
leiterbauelement entstehende Wärme besser an die Umgebung ab
geführt werden kann.
Beim Auftreten hoher Stromspitzen und damit schnell steigen
der Erwärmung des Halbleiterbauelementes arbeiten die in den
Fig. 1 und 2 gezeigten bekannten Vorrichtungen allerdings
relativ träge. Das Halbleiterbauelement wird unzulässig
schnell heiß, da die entstehende Wärmemenge nicht schnell ge
nug abgeführt und an die Umgebung weitergeleitet werden kann.
Weiterhin ist die vom Kühlkörper aufnehmbare Wärmemenge durch
die Kühlkörpermasse und -gestaltung begrenzt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Entwärmung eines
Halbleiterbauelementes anzugeben, bei der die Entwärmung beim
Auftreten von Belastungsspitzen verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch
1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen An
sprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß
der zeitlich begrenzt auftretende hohe Wärmestrom aus dem
Halbleiter zunächst zur Aufschmelzung eines Mediums mit nied
rigem Schmelzpunkt verwendet wird, welches direkt oder indi
rekt mit dem zu kühlenden Halbleiterbauelement kontaktiert
ist. Während dieses Aufschmelzvorganges steigt die Temperatur
der Schmelze nicht weiter an, da die zugeführte Wärme zu
nächst lediglich zum Aufschmelzen weiterer Materialbereiche
des genannten Mediums verwendet wird. Die Wärmemenge wird in
Schmelzwärme umgesetzt. Dieser Effekt hält solange an, bis
das gesamte Medium aufgeschmolzen ist. Erst danach steigt die
Temperatur im Halbleiterelement weiter an. Bis zu diesem
Zeitpunkt, der wesentlich später auftritt als bei bekannten
Vorrichtungen, muß die erhöhte Wärmezufuhr im Halbleiter be
endet sein, um dessen Zerstörung zu verhindern.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich
aus der Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Fi
guren.
Es zeigt:
Fig. 1 eine erste bekannte Vorrichtung zur Entwärmung eines
Halbleiterbauelementes,
Fig. 2 eine zweite bekannte Vorrichtung zur Entwärmung eines
Halbleiterbauelementes,
Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung
zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der
Erfindung,
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung
zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der
Erfindung,
Fig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung
zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß der
Erfindung,
Fig. 6 eine Skizze zur Veranschaulichung der Vorrichtung ge
mäß der Fig. 5, und
Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkung einer
Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Fig. 3 zeigte ein erstes Ausführungsbeispiel für eine
Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß
der Erfindung. Die dargestellte Vorrichtung weist ein zu ent
wärmendes Halbleiterbauelement 1 auf. Dieses ist mit einem
Chipgehäuse 1b versehen, aus dessen Unterseite Stromanschlüs
se 1a herausgeführt sind. Die Rückseite des Halbleiterbauele
mentes wird von einem Metallplättchen 1c gebildet, welches
zur verbesserten Wärmeableitung aus dem Chipgehäuse 1b an den
mit dem Metallplättchen 1c kontaktierten Kühlkörper 5 dient.
Das Halbleiterbauelement 1 ist mittels einer Schraube 4 am
Kühlkörper 5 befestigt, welcher beispielsweise aus Aluminium
besteht und ein metallisches Gehäuse bildet. Dieses weist in
seinem Innenbereich einen Hohlraum auf, in welchen ein Medium
6 mit niedrigem Schmelzpunkt eingebracht ist. Der genannte
Schmelzpunkt liegt vorzugsweise im Bereich von 50°C bis
130°C. Beim Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt kann es sich
beispielsweise um Woodsches Metall, welches einen Schmelz
punkt von 60°C besitzt, um Rosesches Metall, welches einen
Schmelzpunkt von 94°C aufweist, um ein Wachs oder um ein
Salz handeln.
Das Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt kann in Form von
Platten, Stangen oder Kugeln in den Kühlkörper 5 eingebracht
sein.
Die vom Halbleiterbauelement 1 abgelegene Seite des Kühlkör
pers 5 ist mit einem weiteren Kühlkörper 7 kontaktiert, der
an seiner Rückseite mit Kühlrippen 7a versehen ist.
Das Halbleiterbauelement 1 ist beispielsweise ein Thyristor,
der als Schaltelement zum Schalten eines Elektromotors vorge
sehen ist. Während des Motoranlaufes treten für einen be
grenzten Zeitraum hohe Anlaufströme auf, die den im Nennbe
trieb des Motors fließenden Strom weit übersteigen. Dies
führt zur einer Erwärmung des Thyristors, die ohne geeignete
Gegenmaßnahmen zu einer Zerstörung des Thyristors führen
würde.
Die Entwärmung des Thyristors geschieht wie folgt:
Die im Thyristor entstehende Wärme wird über das Metallplätt chen 1c an den ersten Kühlkörper 5 weitergegeben, in welchem das Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt eingebracht ist. Er reicht die entstehende Temperatur den Schmelzpunkt des Medi ums, dann beginnt dieses aufzuschmelzen. Während dieses Auf schmelzvorganges steigt die Temperatur der Schmelze und bei hinreichend guter thermischer Kopplung auch die des Halblei ters nicht weiter an. Die zugeführte Wärme führt lediglich zum Aufschmelzen weiterer Materialbereiche, wobei die vor handene Wärmemenge in Schmelzwärme umgesetzt wird. Erst wenn das gesamte Material aufgeschmolzen ist, steigt die Tempera tur weiter an. Die gebildete Wärme wird über die Rückseite des ersten Kühlkörpers 5 dem weiteren Kühlkörper 7 zugeführt und über dessen Kühlrippen 7a an die Umgebung abgegeben.
Die im Thyristor entstehende Wärme wird über das Metallplätt chen 1c an den ersten Kühlkörper 5 weitergegeben, in welchem das Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt eingebracht ist. Er reicht die entstehende Temperatur den Schmelzpunkt des Medi ums, dann beginnt dieses aufzuschmelzen. Während dieses Auf schmelzvorganges steigt die Temperatur der Schmelze und bei hinreichend guter thermischer Kopplung auch die des Halblei ters nicht weiter an. Die zugeführte Wärme führt lediglich zum Aufschmelzen weiterer Materialbereiche, wobei die vor handene Wärmemenge in Schmelzwärme umgesetzt wird. Erst wenn das gesamte Material aufgeschmolzen ist, steigt die Tempera tur weiter an. Die gebildete Wärme wird über die Rückseite des ersten Kühlkörpers 5 dem weiteren Kühlkörper 7 zugeführt und über dessen Kühlrippen 7a an die Umgebung abgegeben.
Der wesentliche Vorteil einer derartigen Vorrichtung besteht
darin, daß die Zeit bis zum Erreichen der thermischen Zer
störgrenze des Halbleiterbauelements 1 verlängert ist. In
vielen Anwendungsfällen ist der Anlauf des Motors bereits vor
dem Ablauf dieser Zeit beendet, so daß eine Zerstörung des
Halbleiterbauelements vermieden wird.
Beim Abkühlen der Schmelze wird die zugeführte Energie wieder
frei. Um zu verhindern, daß die freiwerdende Energie in Rich
tung zum Halbleiterbauelement geführt wird, kann der Wärme
strom durch unterschiedlich große Flächen für die Wärmeein
leitung und Wärmeabgabe in Richtung des Kühlkörpers 7 abge
leitet werden.
Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine
Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß
der Erfindung. Die in der Fig. 4 dargestellte Vorrichtung
unterscheidet sich von der in der Fig. 3 gezeigten Vorrich
tung lediglich durch die Ausgestaltung des zwischen dem Halb
leiterbauelement 1 und dem weiteren Kühlkörper 7 angeordneten
Kühlkörpers 8, der das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt auf
weist.
Bei diesem Kühlkörper 8 handelt es sich um einen porösen Trä
gerblock, der beispielsweise aus geschäumtem Aluminium oder
Sintermaterial besteht.
In die Zwischenräume bzw. Poren dieses Trägerblockes ist das
Medium mit niedrigem Schmelzpunkt eingebracht, welches bei
diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein Wachs oder ein
Salz ist und in Form von kleinen Kugeln vorliegt.
Die grundsätzliche Funktionsweise der in der Fig. 4 gezeig
ten Vorrichtung stimmt mit der Funktionsweise der in der
Fig. 3 gezeigten Vorrichtung überein. Auch hier wird aufgrund
des Umstandes, daß während des Aufschmelzvorganges die Tempe
ratur der Schmelze nicht weiter ansteigt, der Zeitraum bis
zum Erreichen der thermischen Zerstörgrenze verlängert. Da
durch ist in vielen Fällen die Anlaufphase des Motors oder
eine andere zeitbegrenzte Belastungsspitze bereits beendet,
bevor es zu einer Zerstörung des Halbleiterbauelementes ge
kommen ist.
Die Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für eine
Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes gemäß
der Erfindung. Die in der Fig. 5 dargestellte Vorrichtung
unterscheidet sich von der in der Fig. 3 gezeigten Vorrich
tung lediglich dadurch, daß sie ein Wärmeleitblech 9 auf
weist, welches die Wärmeübertragung zwischen dem Halbleiter
bauelement 1 und dem Medium 6 mit niedrigem Schmelzpunkt ver
bessert. Dieses Wärmeleitblech 9 ist mit dem die Rückseite
des Halbleiterbauelementes bildenden Metallplättchen kontak
tiert und umschließt das Halbleiterbauelement 1 an mehreren
Seiten. Dadurch ist die Wärmeübergangsfläche zum Medium 6 mit
niedrigem Schmelzpunkt vergrößert und eine verbesserte Wärme
übertragung möglich.
Die Fig. 6 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Vor
richtung gemäß der Fig. 5, wobei die einzelnen Bauteile der
Vorrichtung in einer Art Explosionsdarstellung gezeigt sind.
Die Fig. 7 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Wir
kung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. In diesem Dia
gramm ist auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate
die Temperatur ϑ aufgetragen. Die parallel zur Abszisse ver
laufende gepunktete Linie bezeichnet den Temperaturwert 61,
welcher der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterbauele
ments entspricht. Die durchgezogene, parabelförmig verlau
fende Kurve ist dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 oder
Fig. 2 zugeordnet. Dabei führt die Erwärmung des Halbleiter
bauelements bereits nach Ablauf der Zeit t1 zum Erreichen der
thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements. Aus der
gestrichelt gezeichneten Kurve, die den Vorrichtungen gemäß
der Erfindung zugeordnet ist, ist ersichtlich, daß die ther
mische Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements erst nach Ab
lauf der Zeit t2 erreicht wird, wobei t2 wesentlich größer
als t1 ist. Im mittleren Teil dieser Kurve ist zu sehen, daß
die Temperatur während des Aufschmelzens des Mediums mit
niedrigem Schmelzpunkt nicht ansteigt, was die bereits ange
sprochene erwünschte Verlängerung der Zeit bis zum Erreichen
der thermischen Zerstörgrenze des Halbleiterbauelements ver
ursacht.
Claims (13)
1. Vorrichtung zur Entwärmung eines Halbleiterbauelementes
mit einem Halbleiterbauelement und einem ersten, mit dem
Halbleiterbauelement kontaktierten Kühlkörper, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Kühlkörper (5, 8) ein
Medium mit niedrigem Schmelzpunkt aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Schmelzpunkt im Bereich von 50°C bis
130°C liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Medium Woodsches Metall,
Rosesches Metall, ein Wachs oder ein Salz ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Medium mit
niedrigem Schmelzpunkt in ein metallisches Gehäuse (5) ein
gebracht ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Medium mit niedrigem Schmelzpunkt in
Form von Platten, Stangen oder Kugeln vorliegt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Medium mit niedrigem Schmelz
punkt in die Zwischenräume eines porösen Trägers (8) einge
bracht ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß der poröse Träger geschäumtes Aluminium
oder Sintermaterial ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kühlkörper
(5, 8) auf seiner vom Halbleiterbauelement (1) abgewandten
Seite mit einem zweiten Kühlkörper (7) kontaktiert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß der zweite Kühlkörper (7) auf seiner vom
ersten Kühlkörper (5, 8) abgewandten Seite mit Kühlrippen
(7a) versehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Wärmeleit
blech (9) aufweist, welches zur Wärmeübertragung vom Halblei
terbauelement (1) zum Medium mit niedrigem Schmelzpunkt
dient.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbau
element ein Schaltelement ist, welches zum Schalten eines
Elektromotors vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Schaltelement ein Thyristor ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie zur Entwärmung des Halbleiter
bauelements während des Motoranlaufes dient.
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