DE2034892A1

DE2034892A1 - Verfahren und Anordnung zum Kuhlen von Halbleitern

Info

Publication number: DE2034892A1
Application number: DE19702034892
Authority: DE
Inventors: Henry Ervin Johanneshov IsIo (Schweden) P
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1969-07-25
Filing date: 1970-07-14
Publication date: 1971-02-04
Also published as: US3682237A; FR2056295A5

Description

203Λ892

Patentanwalt
Dipl.-Ing. H. Strohschänk

8 München 60 -1''-.7-.197Q-S

Musäusstraße 5 19O-04OF

AGA AKTIEBOLAG, Lidingö 1 (Schweden)

Verfahren und Anordnung zum Kühlen von Halbleitern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kühlen von ilalbleitern, bei dem die von den Halbleitern entwickelte Wärme in Verdampf ungswärme für die Halbleiter umgebende Flüssigkeit umgesetzt und durch verdampfte Flüssigkeit unter deren erneuter Kondensation an aer Oberfläche eines Wärmetauschern abgegeben wird, sowie auf Anordnungen zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Zum Kühlen von Halbleitern verwendet man bisher Kühlfahnen aus einem Letall mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium, auf denen der betreffende Halbleiter befestigt wird und die mit einem Kühlmittel in Verbindung stehen.

Als solches Kühlmittel dient meistens Luft, mit der es jedoch mitunter nicht gelingt, die Halbleiter bei höheren Strombelastungen in einem gewünschten Temperaturbereich zu halten.

Es sind daher auch schon Kühlanordnungen entwickelt worden, bei denen die mit den zu kühlenden Halbleitern verbundenen Kühlfahnen in eine Flüssigkeit eintauchen, die durch ihre Verdampfung den Wärmetransport übernimmt. Beispiele für Kühlanordnungen dieser Art finden sich in der DT-AÖ 1 093 022 und in der DT-PS 1 151 88O.

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Diese Kühlanordnungen vermögen zwar mehr Wärme abzuführen als Kühlanordnungen, die Luft als Kühlmittel verwenden, völlig befriedigen kann aber auch die mit ihrer Hilfe erzielbare Kühlwirkung nicht. Insbesondere eignen sie sich nicht zum Kühlen von Halbleitern wie . Thyristoren und Dioden, die in Stromquellen etwa für Schweißgeräte oder anderen Stromquellen mit Gleichrichtern eingesetzt werden sollen und für die das Uberhitzungsproblem von ganz besonderer Bedeutung ist, da die bei den verlangten hohen Strömen entwickelte Wärme im Bereich einiger Hundert Watt liegt.

Ein wesentlicher Grund für die unbefriedigende Kühlleistung bei den bisher bekannten mit Flüssigkeit als Kühlmittel arbeitenden Kühlanordnungen dürfte darin liegen, daß diese Anordnungen geschlossene Behälter von unveränderlicher Größe für die Kühlflüssigkeit und den sich aus dieser entwickelnden Dampf enthalten-, so daß mit zunehmender Temperatur von Flüssigkeit und Dampf auch der Druck in dem zugehörigen Behälter steigt, was sich ungünstig auf die Siedekinetik für die Kühlflüssigkeit auswirkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Anordnungen zum Kühlen von Halbleitern zu entwickeln, die unter Vermeidung der den bisher bekannten Verfahren und Anordnungen anhaftenden Mangel weit höhere Wärmemengen abzuführen vermögen als diese und sich daher auch stärksten Strombelastungen gewachsen zeigen.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der Wärmetransport in einem unter atmosphärischem Druck stehenden System vorgenommen wird.

Dabei beruht die Erfindung auf der Erkenntnis der Anmelderin, daß sich durch die Einhaltung konstanter Druckbedingungen Siedeverhältnisse an der Oberflüche der zu kühlenden Halbleiter erzielen lassen, die eine Wärmeabfuhr über die latente Verdampfungswärme von Kühlflüssigkeiten besonders begünstigen, und das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, an der Halbleiteroberfläche ständig einen als

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"partikuläre Verdampfung" anzusprechenden Siedezustand der Kühlflüssig-, keit aufrechtzuerhalten, worunter hier eine Verdampfung bzw. ein Sieden mit von Xianpfkeimen ausgehender Bläschenbildung, also der der Ausbildung eines stabilen Dampf filmet; kinetisch vorausgehende diedezustand verstanden werden soll.

Eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugte Kühlanordnung, bei der-an einen Tank für die zu kühlenden Halbleiter ur^ebende Flüssigkeit uindeetenu ein Viurmetaascher ange^chlosj"3:. ir-t, kennzeichnet sich dadurch, dall der 'Wärmetauscher mit einer Einrichtung zum Aufrechterhalten eines unveränderlichen Druckes innerhalb der Anordnung versehen ist.

Eei einer solchen Anordnung wird die latente Verdampfungswärme einer Flüssigkeit unter deren partikulärer Verdampfung zum Abführen der Wärme von Thyristoren und Dioden zu wärmeabstrahlenden Oberflächen mit Kondensation benutzt. Auf diese Weise lassen sich von einer kleinen Oberfläche mehrere Hundert Watt an Wärmeenergie abführen, wobei die Oberflächentemperat.ur nicht mehr als ein oder zwei Grad über der Siedetemperatur der Flüssigkeit zu liegen braucht.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels für eine Kühlanordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht, wobei die einzige Figur der Zeichnung einen schematisch gehaltenen Schnitt durch die Kühlanordnung zeigt.

Die dargestellte Kühlanordnung enthält als einen Hauptbestandteil einen Tank 2 aus Metall, der innen mit einem Isoliermaterial ausge·? kleidet ist und einen Deckel 3 besitzt. Der Tank 2 enthält eine Flüssigkeit 5» die bei einer bestimmten Temperatur siedet. In die Flüssigkeit 5 ist ein zu kühlender Halbleiter 1 eingetaucht. Mit dem Tank

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verbunden iet ein Wärmetauscher, der einen oder mehrere Radiatoren enthält. Der Wärmetauscher besitzt ein oder mehrere Luftaustrittsöffnungen k, wobei deren Anzahl davon abhängt, wie die .Radiatoren angeschlossen sind. Von den Luftaustrittsöffnungen k führt eine fiohrleitung 8 zu einem aufblasbaren Balg 9. Wenn die Flüssigkeit 5 an der heißen Oberfläche des Halbleiters 1 zum Sieden kommt, steigt Dampf an den Radiatoren 7 entlang nach oben, kondensiert wieder zu Flüssigkeit, und diese läuft in den Tank 2 zurück. Die Entfernung, die der Dampf 6 entlang· der Radiatoren 7 zurücklegt, hängt von deren Abstrahlungsvermögen pro Flächeneinheit und von der von dem Halbleiter T entwickelten Wärmemenge ab. Wenn diese beiden Faktoren in passender Weise ausgeglichen sind, wird sich der aufsteigende Dampf 6 vollständig v/ib'ior Kondensieren, bevor er die Luftaustrittsöffnungen k erreicht, wenn die Anordnung mit voller Kapazität betrieben wird. Bei seinem Aufsteigen schiebt der Dampf 6 die Luft vor sich her durch die Luftaustrittsöffnungen ^t hindurch aus den radiatoren 7 hinaus und in den Balg S' hinein, 'wird die Anordnung auiier betrieb ^eeetzt, so kondensiert sich der Dampf 6 wieder zu Flüssigkeit 5» und die gleiche verdrängte Luft kehrt wieder in die radiatoren 7 zurück. Dies verhindert ein Ansammeln von Flüssigkeitsdampf in kondensierter Form in der Anordnung.

Die Art und Weise, in der die Radiatoren 7 angeschlossen v/erden, hängt weitgehend von ihrer Konstruktion ab. Die Luftaustrittsöffnungen 4 sollten sich bei Radiatoren 7i in denen der Dampf 6 vom Boden nach oben steigt, am oberen Ende befinden. Im allgemeinen ist der Dampf 6 von größerer Dichte als die Luft, so daß die Luft oben auf dem Dampf 6 schwimmen wird. Wird der Dampf 6 am Boden der Bauiatoren zugeführt, so stellt eich eine gut definierte Grenze zwischen dem Dampf 6 und der Luft ein, die auch aufrechterhalten bleibt.

Statt der dargestellten Parallelanordnung mehrerer Radiatoren 7 können auch Wärmetauscher mit mehreren hintereinandergeschalteten Radiatoren 7 verwendet werden.

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Werden die Radiatoren 7 Mntereinandergeschaltet, so kann sich in Radiatoren, in denen der Dampf 6 von oben nach unten strömt, keine Luftaustrittsöffnung h befinden. In diesem Falle läuft der kondensierte Dampf in flüssiger Form an den kälteren Teilen des Sadiators entlang nach unten und führt zusammen mit der Einfünrung aes schwereren Dampfes am oberen Ende des Radiators zu einem Aufbrechen der gut definierten Grenze zwischen Dampf und Luft im Radiator. Es kommt dann zu einer erheblichen Durchmischung von Luft und Dampf. Befände sich in einen solchen Radiator mit abwärts strömendem Dampf eine Luf taustrittsöffnung, so würde auch Dampf durch diese entweichen.

Untersuchungen, die mit einer mit einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung auegerüsteten MIG-Schweißstromquelle angestellt wurden, führten zu folgenden Ergebnissen. Das Gerät wurde mehr als vier Stunden lang (Zwei Stunden Betrieb - eine halbe Stunde Pause - zweieinhalb Stunden Betrieb) bei 3OO Ampere und 100 56~iger Belastung ohne eine Abweichung von einer Betriebstemperatur von 7^,5°G und ohne sonstige Schwierigkeiten betrieben. Aus den Untersuchungen ergab sich, daß die Basis der Thyristoren auch unter voller Belastung eine Temperatur von 75°C niemals überschritt. So läßt sich ein mit einer solchen Kühlanordnung ausgestattetes Gerät über den gesamten Strombereich der Thyristoren mit 100 %-iger Betriebsleistung betreiben.

Zur Erzielung eines noch höheren Wirkungsgrades kann man in die Kühlanordnung einen Ventilator einbeziehen, der Kühlluft um den Wärmetauscher herumbläst. Auch kann man den Wärmetauscher außen mit einer Kühlflüssigkeit wie etwa Wasser umgeben. Die Auswahl der Flüssigkeit 5 im Tank 2 nängt von der Temperatur ab, bei der die Anordnung arbeiten soll. Bei den oben erwähnten Untersuchungen wurde 1,1,1-Tri-•chloräthan (01,C-CH,) verwendet. Diese Flüssigkeit ist vollkommen unbrennbar und ungiftig. *

Ein und derselbe Tank 2 kann zur Kühlung vieler Halbleiter 1 benutzt werden, wobei sich lediglich deren Trennung durch dünne Trennwände aus Phenolformaldehydharzen, wie sie unter dem Handelsnamen Bakelit bekannt sind, empfiehlt.

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Der Wärmetransport muß in einem System stattfinden, das unter atmosphärischem Druck steht. Die oben beschriebene bevorzugte Anordnung stellt ein geschlossenes System dar, es besteht also keine Verbindung zwischen ihrem Inneren und der sie umgebenden At/r.osphäre. Das dargestellte System kann jedoch in der Weise abgewandelt werden, daß der Balg 9 abgenommen wird und lie Rohrleitung 3 ins Freie mündet. Für eine derartige Systemabwandlung ist Voraussetzung, daß die umgebende Atmosphäre absolut trocken ist, damit die Flüssigkeit im System nicht zerstört wird. Zum Schütze eines an der Rohrleitung 8 offenen Systems gegen das Eindringen von Feuchtigkeit kann ein wasserabsorbierendes Filter an die Rohrleitung 8 angeschlossen werden.

Das erfindungsgemaße Verfahren und die zugehörige Anordnung sind oben zum Teil in Verbindung mit Schweißgeräten beschrieben worden. Die Erfindung ist jedoch ganz allgemein zum Kühlen von Halbleitern wie zum Beispiel in elektrischen Anlagen in Zügen anwendbar.

Patentansprüche:

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BAD

Claims

Patentansprüche

Γ "!^//erfahren zum Kühlen von ilalbieitern.,- bei dem die von den Halbleitern entwickelte Wärme in Verdampf ungawär.'ne für die Halbleiter umgebende Flüssigkeit uir.geset::t und durch verdampfte Flüssigkeit unter deren erneuter Kondensation an der Oberfläche eines Wärmetauschers abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daf: der Wärme trän sport in einem unter ' atmosphärischem Druck stehenden system vorgenommen wird.

... Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dati der Wärinetransj ort in einem geschlossenen Syetcn unter Austausch von Luft zwischen de.:. Wärme tauscher und einem aufblasbaren BaIf; vorgenommen wird.

?. Kühlanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, tei. der an einen Tank für die zn kunlendeu Halbleiter umgebende Flüssigkeit jr.indestens ein Wärmetauscher anrc^culossen ist, dadurch gekennzeichnet , da.: der Wärmetauscher t?) cit einer einrichtung (?) zua Aufrechterhalten eines unveränderlichen Druckes iuneriuilb der Anordnung verseilen ist.

*»-.--Kühlanordnung-nach Ans; ruch 3i rekennzeichnet aurch einen an den ».armetauscher (?) angeschlossenen aufblasbaren teig. (r)_f der gemeinsam cit dem Tank (.'ΐ ei;: geschlossenes Systerr. Lüdet.

*J>· Kühlanordnung nach Anspruch ; oder ^, dadurch gekennzeichnet» dai; der Tnnk (2) sit dem roden des Wärmetauschers (?) verbunden und der aufblasbare Balg (y) an eint- Luftausla;.leitung (w an: oberen Ende des WUr'netauschers (7) anreschlosset; ist.

b. Kühlanordr.unc nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel der Flüssigkeit i;0 im Tank (2) etwas höher liegt als der Boden voe Kärcetauscher (?) und Verbindungsieitung zwischen Wärjaetauscher (?) und Tank (2).

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BAD OBiQiNAL

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γ. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (5) im Tank (2) Trichloräthan ist.

8. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, d'af: außerhalb des "Wärmetauschers (7) ein Ventilator angeordnet ist, der einen von außen auf den Wärmetauscher gerichteten Kuhlluftctron: erzeugt.

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