DE2003393B2

DE2003393B2 - Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE2003393B2
Application number: DE2003393A
Authority: DE
Inventors: Nikolaus 7141 Aldingen Laing
Original assignee: THERMO-BAUELEMENT AG MURTEN (SCHWEIZ)
Current assignee: THERMO-BAUELEMENT AG MURTEN (SCHWEIZ)
Priority date: 1969-02-03
Filing date: 1970-01-26
Publication date: 1974-09-26
Also published as: DE2003393A1; DE2003393C3; AT310811B; GB1304282A

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente, die eine Substanz enthält, welche unterhalb der maximalen Betriebstemperatur des Halbleiters unter Änderung ihrer Phase Wärme aufnimmt oder abgibt.

Halbleiterelemente, wie Dioden, Transistoren.

Tyristoren usw. setzen dem elektrischen Strom einen richtungsabhängigen Widerstand entgegen, so daL< bei Stromdurchgang durch das Halbleiterelement Wärme frei wird und das Halbleiterbauelement sich im Betrieb rasch erwärmt. Bei höheren Verlustleistungen, z. B. bei Verlustleistungen über 1 Watt,

würde die freiwerdende Wärme zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Halbleiterelements führen.

In solchen Fällen wird das Halbleiterbauelement

mit einer Kühlvorrichtung kombiniert. Gewöhnlich werden hierfür sog. Kühlkörper verwendet, das sind Körper aus einem Metall mit relativ großer Oberfläche, die mit dem Halbleiterelement in wärmeleitender Verbindung stehen.

Es sind weiter Kühlvorrichtungen für Halbleiterelemente mit Dampfkühlung bekannt, in denen die die Kühlung bewirkende Flüssigkeit im Betrieb durch die von dem Halbleiterelement abgegebene Verlustwärme verdampft wird und dieser Dampf durch Wärmeabgabe an die Umgebung wieder kondensiert

so wird, so daß das Kondensat erneut Wärme von dem Halbleiterelement unter Verdampfung aufnehmen kann.

Bei einer weiteren bekannten Kühlvorrichtung füir ein Halbleiterbauelement ist dieses von einem Hohlraum umgeben, in dem sich ein Metall befindet, dan unterhalb der höchstzulässigen Betriebstemperatur des Halbleiterbauelements schmilzt. Diese Art von Kühlung hat sich nicht bewährt, da die Wärmekapazität von niederschmelzenden Metallen sehr klein ist (bei den in der bekannten Kühlvorrichtung verwendeten Metallen Wismut-Indium beträgt sie 6 cal/g, Wismut-Blei-Zinn 5,5 cal/g und Cesium 4 cal/g), während die Wärmeleitfähigkeit sehr groß ist, so daCl das mit dem schmelzbaren Teil in wärmeleitender Verbindung stehende Halbleiterbauelement seines optimale Betriebstemperatur erst dann erreicht, wenn die gesamte Metallmasse auf eine Temperatur bis nahe ihrem Schmelzpunkt erwärmt worden ist. Wäh-

rend der Zeit, in der das Kühlmetall fühlbare Wärme aufnimmt, steigt die Temperatur des Halbleiterbauelements relativ langsam an, so daß sich sein Widerstand stetig verändert. Dieses Verhalten ist besonders von Nachteil, wenn das Halbleiterbauelement in einem elektronischen Gerät mit relativ geringer Einschalldauer und großer Einschalthäufigkeit verwendet wird. Hier kommt es darauf an, daß das Halbleiterbauelement schnell seine optimale Betriebstemperatur annimmt und auf dieser gehalten J₀ wird.

Diesen Nachteil der langsamen Erwärmung des Halbleiterbauelements durch Aufnahme von fühlbarer Wärme durch die Kühlvorrichtung haben auch die oben genannten luft- und flüssigkeitsgekühlten Halbleiteranordnungen, so daß sich diese praktisch nur für den Dauerbetrieb eignen. Die luftgekühlten Halbleiteranordnungen benötigen darüber hinaus sehr große Bauabmessungen, während die wassergekühlten einen sehr großen Konstruktionsdufwand erfordern.

Die Erfindung bezweckt eine Kühlvorrichtung für ein Halbleiterbauelement, die einerseits ermöglicht, daß dieses Halbleiterbauelement im Betrieb sich schnell auf seine optimale Betriebstemperatur erwärmt und andererseits eine große Wärmekapazität bei dieser Betriebstemperatur hat.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß die die Kühlung bewirkende Substanz ein Kristalle bildender Stoff ist, dessen Bindungskräfte zum überwiegenden Teil Ionenbindungen oder v. d. Waal-Bindungen sind und der eine Phasenumwandlung bei einer Temperatur erfährt, die praktisch bei der optimalen Betriebstemperatur des Halbleiters liegt. Bevorzugte Substanzen sind Ionenkristalle bildende Stoffe, deren Kationen ein Alkalimetall, Erdalkalimetall und/oder die Ammoniumgruppe enthalten und deren Phasenänderungsenthalpie bei der optimalen Betriebstemperatur des Halbleiterbauelements größer als 40 cal/g ist, z. B. MgCb · 6H2O, Al (HN4)2 (SOo)₂ · I2H2O, Mg(NOa)₂ · 6H2O.

Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe ist das Halbleiterbauelement, das mit diesen Stoffen in wärmeleitender Verbindung steht, anfangs praktisch als thermisch isoliert anzusehen und heizt sich auf Grund seiner kleinen Eigenmasse praktisch bis auf seine optimale Betriebstemperatur auf. Diese Betriebstemperatur fällt gemäß der Erfindung mit der Phasenänderungstemperatur des lonenkristalle bildenden Stoffs zusammen, so daß die unmittelbar an das Halbleiterbauelement angrenzende Schicht dieses Stoffs geschmolzen, bzw. umkristallisiert wird, wenn das Halbleiterbauelement die Umwandlungstemperatur erreicht hat, während die weiter von dem Halbleiterbauelement entfernten Schichten praktisch noch auf Außentemperatur liegen. In einer Kühlvorrichtung nach der Erfindung erfolgt die Aufnahme von fühlbarer Wärme so langsam, daß in den dem Halbleiterelement benachbarten Bereichen bereits latente Wärme bei Umwandlungstemperatur aufgenommen wird, während ein nur kleiner Wärmestrom in Form von fühlbarer Wärme iangsam die restliche Kühlsubstanz auf die Umwawdlungstemperatur aufheizt und Schicht für Schicht dieser Kühlsubstanz umkristallisiert oder geschmolzen wird.

Wenn die die Kühlung bewirkende Substanz bei ihrer Phasenänderung im Bereich der Betriebstemperatur des Halbleiterbauelements schmilzt, kann in Abhängigkeit von der Masse der Substanz und der Viskosität der Salzschmelze innerhalb derselben ein Konvektionsstrom auftreten. Sofern dieser zu einem störenden vorzeitigen Wärmeentzug führt, wird die die Kühlung bewirkende Substanz erfindungsgemäß mit einem eindickenden Material, z. B. Siliciumdioxydktistallen oder Magnesiumoxydkristallen versetzt, so daß jeder Wärmetransport durch Konvektion unterbunden wird. Gleichzeitig wird durch diese Materialien verhindert, daß aus dem Behälter einer evtl. beschädigten Kühlvorrichtung korrosionsgefährdende Flüssigkeiten austreten können.

Als Substanzen eignen sich für Halbleiter auf Germaniumbasis Hydrate der anorganischen Salze von Alkali- oder Erdalkalimetallen, ferner die Eutektika der Leichtmetallchloride, -nitrate, -acetate oder -ammoniakate. Außer der Schmelzen'halpie läßt sich erfindungsgemäß auch die Umv.;ndlungsenthalpie zwischen zwei kristallinen polymorphen Phasen von Substanzen nach der Erfindung ausnutzen. Schließlich sieht die Erfindung auch die Ausnutzung der Enthalpie einer polymorphen Phasenumwandlung für die Kühlung und der Schmelzenthalpie als Sicherheit gegen Zerstörung des Halbleiterbauelements vor. So hat beispielsweise NHjNOj einen polymorphen Umwandlungspunkt bei 125° C. Diese Temperatur fällt mit der optimalen Betriebstemperatur fast aller Silicium-Halbleiterbauelemente zusammen. Bei 170° C schmilzt dieses Salz und schützt unter weiterer Aufnahme latenter Wärme das Halbleiterelement vor Zerstörung.

Es ist weiterhin vorgesehen, gemischte Systeme zu verwenden, die zwei Umwandlungspunkte aufweisen, oder aber auch zwei Salze unterschiedlicher Schmelztemperatur in getrennten Räumen so anzuordnen, daß die außenliegende Schicht erst dann schmilzt, wenn die darunterliegende bei geringer Temperatur schmelzende Schicht in vollem Umfange in den flüssigen Zustand übergegangen ist.

Die die Kühlung bewirkenden Substanzen nach der Erfindung können nicht nur in Behältern vorgesehen sein, die mit den Halbleitern Einheiten bilden, sondern sie können auch durch Anordnungen in Gehäusen oder Trägerrahmen wirksam werden.

Soweit die die Kühlung bewirkenden Salze auf die Metalle für die Behälter korrosiv wirken, sieht die Erfindung die Verwendung von Behältern aus Kunststoff vor. Als vorteilhaft hat sich ein Einschluß der Masc^ in Folienschläuche, z. B. aus PE oder PPN, erwiesen, die anschließend in einen Kanal des Gerätegehäuses eingelegt werden.

Nicht nur zum Zwecke der Gleichrichtung oder Verstärkung eingesetzte Halbleiter, sondern auch Peltierelemente lassen sich mit Vorrichtungen nach der Erfindung kühlen. Von besonderer Bedeutung ist dies in thermischer Reihenschaltung mit gleichrichtenden oder verstärkenden Halbleiterbauelementen. Wenn beispielsweise zur Konstanthaltung der Temperatur ein thermisch empfindliches Element z. B. ein Verstärkerhalbleiter bei Raumtemperatur gehalten werden soii, so wird erfindungsgemäß dieses wärmeleitende Element mit der kalten Seite eines Peltierelements wärmeleitend verbunden, während die warme Seite des Peltierelements mit einer Kühlsubstanz nach der Erfindung wärmeleitend verbunden wird.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert.

F i g. I zeigt eine mit einer Vorrichtung nach der Erfindung gekühlte Diode teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht.

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine mit einer Vorrichtung nach der Erfindung gekühlte Triode im Schnitt.

F i g. 4 zeigt ein mit einer Speichersubstanz gekühltes Peltierelement nach der Erfindung im Schnitt.

F Ί g. 5 zeigt einen mit einer Speichersubstanz gekühlten Transistor nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt eine Halbleiterdiode 1 mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, welche aus zwei ringförmigen Schalen 5 und 6 besteht, die zwischen sich einen ringförmigen Hohlraum 3 freilassen, der mit Speichersubstanz, z. B. Mg(NÜ3)2 · 6H2O gefüllt ist. Zur Verbesserung der Wärmeübergangsverhältnisse sind spiralig sich entwickelnde Rippen 4 vorgesehen. Zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche zwischen Kühlkörper und Luft sind vorzugsweise kegelig nach außen gerichtete Kühlbleche 2 vorgesehen.

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Kühlkörper gemäß F i g. 1 bei Verwendung der gleichen Bezugsziffern.

F i g. 3 zeigt eine Triode, bei der das Speichergehäuse 30 gleichzeitig eine Elektrode bildet, die über die Lasche 31 elektrisch leitend mit einem tragenden Konstruktionselement verbunden wird, während die restlichen Pole 32 und 33 aus einem Kunststoffkörper 34 herausragen. Das Innere des Körpers 30 ist mit Speichersubstanz 35 gefüllt. Die Abdeckung 36 lauft in ein Rohr 37 aus, welches ebenfalls mit Speichersubstanz 35 gefüllt ist und dessen Ende niemals die Haltetcmperatur erreicht, so daß dort immer Kristalle verbleiben, die die isomorphe Impfung der Speichersubstanz einleiten.

F i g. 4 zeigt ein als Peltierelement ausgebildetes Halbleiterbauelement, dessen erste Seite 40 mit wärmeleitenden Elementen 41 ausgerüstet ist, die den umgebenden Raum oder ein Element kühlen und/oder heizen, währen die zweite Seite 42 mit einem Hohlkörper 43 in gut wärmeleitendem Kontakt steht. Dieser Hohlkörper 43 ist mit einer Speichersubstanz 44 gefüllt und vorzugsweise durcäi eine Isolation 45 thermisch von der Umgebungsluft isoliert. Die Haltetemperatur ist durch geeignete Stoffwahl

^ao so gelegt, daß für eine Heiz- oder Abkühlperiode genügend Wärme gespeichert werden kann. Diese fließt über die Halbleiterelemente 46 zu den Wärmetauschern 41 zurück, wenn der Strom unterbrochen ist oder umgepolt wird.

Γ i g. 5 zeigt einen Transistor 51, bei dem die Kappe 50 zusammen mit dem Flansch des Transistors einen Ringraum bildet, der mit Speichermasse gefüllt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung für ein Halbleiterbauelement, die eine Substanz enthält, welche unterhalb der maximalen Betriebstemperatur des Halbleiters unter Änderung ihrer Phase Wärme aufnimmt oder abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Substanz ein Kristalle bildender Stoff ist, dessen Kristalle zum überwiegenden Teil Ionenbindung oder v. d. Waal-Bindung aufweisen, der ferner eine Phasenumwandlung bei einer Temperatur erfährt, die praktisch der optimalen Betriebstemperatur des Halbleiterbauelements entspricht.

2. Kühlvorrichtung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katiwien des lonenkristalle bildenden Stoffs Elemente der Gruppe der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, und/oder die Ammoniumgruppe enthalten.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenänderungsenthalpie des lonenkristalle bildenden Stoffs bei der optimalen Betriebstemperatur des Halbleiterbauelements größer als 40 cal/g ist.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der lonenkristalle bildende Stoff aus dem Hydrat eines Salzes oder eines Metallhydroxids besteht.

5. Kühlvorrichtung nacl· einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der lonenkristalle bildende Stoff mit gerüstbildenden oder quellbaren Stoffen vermischt ist, so daß die Kühlung des Halbleiterbauelements bewirkende Substanz auch bei höheren Temperaturen als der Umwandlungstemperatur im festen oder gelförmigen Zustand verbleibt.

6. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei lonenkristalle bildende Substanzen mit unterschiedlichen Umwandlungstemperaturen Verwendung finden, von denen eine eine Phasenumwandlung bei der optimalen Betriebstemperatur und die andere eine Phasenumwandlung etwas unterhalb der Zerstörungstemperatur des Halbleiterbauelements erfährt.

7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der lonenkristalle bildende Stoff bei der optimalen Betriebstemperatur des Halbleiters eine polymorphe Phasenumwandlung erfährt und kurz unterhalb der Zerstörungstemperatur des Halbleiterbauelements schmilzt.

8. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kühlung bewirkende Substanz in dem Hohlkörper (43) mit der wärmeabgebenden Elektrode (42) eines Peltierelements (46) wärmeleitend verbunden ist, während die wärmeaufnehmende Elektrode (40) dieses Peltierelements mit dem zu kühlenden Element, z. B. Halbleiterbauelement in wärmeleitender Verbindung steht.

9. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kühlung bewirkende Substanz in einer Kappe (50), vorzugsweise aus Kunststoff, angeordnet ist, die das Halbleiterbauelement (51) einschließt.

10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Speichermasse gefüllte Raum (30) mit einem mit Speichennasse gefüllten Raum (37) kommuniziert, wobei das Ende des Hohlkörpers (37) von der Speichermasse (45) eine so große Entfernung hat, daß in diesem Bereich des Hohlraums (37) die Schmelztemperatur der Speichermasse (35) betriebsmäßig nicht erreicht wird.

11. Kühlvorrichtung für eine extrudierte Platte zur Aufnahme von Halbleiterbauelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageplatte Kanäle enthält, in welche Speichennasse eingelagert ist.

12. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 und insbesondere Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermasse in luftdicht verschlossenen Folienschläuchen angeordnet ist.