DE2107319A1

DE2107319A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2107319A1
Application number: DE19712107319
Authority: DE
Inventors: Gunnar Bylund Per Aake Vasteraas Mellgren (Schweden) P HOIl 7-44
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1970-02-24
Filing date: 1971-02-16
Publication date: 1971-09-09
Also published as: US3739234A; SE354943B; NO129650B; CA926519A; RO56432A

Description

DiPL-INa HELMUT MISSLING es giessen, 15.2.1971

_ RlPUARn C=OMI Ρ="!=· BISMARCKSTRASSEu₃

3. RICHARD SCHLtE telefon= toe*«73»βο

PATENTANWÄLTE i^li/Sn 10.651

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolar;et, Västeras /Schweden

halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem für μ doppelseitige kühlung vorgesehenen Halbleiterelement, wie z.B. einer Diode oder einem Thyristor, und einem in wärmeleitender Verbindung mit dem Halbleiterelement angeordneten Wärmeaustauscher zur Abgabe von Wärme an ein in Kontakt mit dem Wärmeaustauschorgan stehendes Kühlmittel. Halbleiteranordnungen dieser Art sind bekannt, z.B. durch die CH-PS 431 731, bei der zwei mit Flanschen versehene Kühlkörper in direkten elektrischen und thermischen Kontakt mit den gegenüberliegenden Flächen eines Halbleiterelementes stehen. Daher ist der Abstand zwischen Teilen mit verschiedenem elektrischen Potential relativ klein, sowohl direkt ' zwischen den Kühlkörpern als auch an den üblichen Isiierungsringen, so daß starke Verschmutzung oder Hasse zu Überschlagen führen kann. Die Halbleiterelemente mit Kühlkörpern sind zwar gewöhnlich in i'-ühlluftschächten oder -trommeln angeordnet, so daß bei normaler Reinheit der Kühlluft im allgemeinen keine Probleme entstehen, aber bei gewissen Ausrüstungen, besonders solchen für Fahrzeugantrieb, enthält die Kühlluft oft so viel Staub, Eisenpartikel von Bremsbacken, Kohlenpartikel von Stromabnehmern usw.,

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dab Betriebsstörungen auftreten können, besonders in ,inter kann es zu Schwierigkeiten kommen, wenn mit der Kühlluft Schnee angesaugt wird.

Um der Verschmutzungsgefahr zu begegnen, liegt es nahe, züri strecken und Isolationsabstand zu verlängern. Dieser Weg ist aber nicht gangbar, da or das i'emperaturgefälle im Kühlkörper zwischen halbleiterelement und ijühlluft vergrößert, lis ist aber v/ichtig, dieses uefälle so klein wie möglich zu halten. Aufgabe der Erfindung ist, die genannten Nachteile zu vermeiden, ohne aie kühlung und damit die Belastbarkeit der xlalbleiterelemente zu verschlechtern.

Eine Anordnung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement in einem von dem ioihliaittel getrennten Raum angebracht ist und ein wärmeleitendes Rohr (heat pipe) mit einer. Ende in thermischem Kontakt mit dem Halbleiterelement und mit seinem anderen Ende in thermischem P^ontakt mit dem Wärmeaustauscher angeordnet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung mit zwei wärmeleitenden Rohren und zv/ei Kühlkörpern ge Halbleiterelement,

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BADORiGlNAL

Fig. 2 eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine Ausführungsform mit einem für ein oder mehrere iialbleiterelemente gemeinsamen kühlkörper und mit einem wärmeleitenden Rohr je halbleiterelement.

Die Funktion eines wärmeleitenden Rohres, im folgenden kurz j Y/ärnerohr genannt ("heat pipe"), ist in der oS-Fvi 2350 340 beschrieben, es ist bekannt, daß ein solches ;tohr mit niedrigem Tenrperaturgefälle einen großen Wärmefluß übertragen kann.

In Fig. 1 besteht das Halbleiterelement aus einer ϊ-ialbleiterscheibe 1 und einer aus Ixetalideckeln 2, 3 und einem Lerarnikring 4 gebildeten ^apsel. An beiden Seiten des jüeineiites liegen die Stirnflächen zweier schematisch gezejgter Wärmerohre 5, 6 fest.

Der Anpreßdruck wird durch Bolzen 9> 10 erzeugt, die Löcher zv/eier an den Rohren 5, ό angeordneter Flansche 7, β durchsetzen. Da die Betriebsspannung des Elementes zwischen den Rohren 5 und 6 liegt, muß die Anordnung so ausgeführt sein, daß die bolzen 9, 10 das Element nicht kurzschließen. Dies kann auf an und für sich bekannte, aber nicht gezeigte Art, z.B. durch isolierende Scheiben, erreicht werden.

Die Rohre 5, 6 sind um yO abgebogen und tragen auf ihren vom Element abgesandten 'x'eilen kühlkörper 11, 12, die z.U. auf die

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BAD ORfGlNAT

Rohre aufgeschrumpft sind. Jeder kühlkörper hat mehrere Kühlflansche und kann aus Aluminium, einer Leichtmetallegierung oder aus Kupfer bestehen. Die kühlkörper sind mit Stromabnehmern 13, 14 versehen, an denen Anschlußleitungen für den Belastungsstrom befestigt vierden können. Zwischen den Kühlkörpern 11 und 12 ist eine Scheibe 15 aus isolierendem material angeordnet. Um eine gute Steifheit des Systems "Kühlkörper-Wärmerohr-Kalbleiterelement" zu erreichen, sind an den äußersten Kühlflanschen Ösen 16, 17 mit einem Bolzen 18 angebracht, der die Kühlkörper gegen die Scheibe 15 drückt, um zu vermeiden, daß der Bolzen 18 die Arbeitsspannung kurzschließt, wird er zweckmäßigerweise wie die Bolzen 9, 10 mit isolierenden Scheiben (nicht gezeigt) versehen. Ein Kühlluftschacht hat drei Wände 19» zweckmäßigerweise aus einem isolierenden Material. Die4'/ände können alternativ aus Metall oder mit isolierenden Schienen versehen sein, so daß die Kühlkörper 11, 12 nicht mit den Metallwänden in Berührung kommen, was sonst zur Folge haben würde, daß die Belastungsspannung durch die Wände' des Schachtes kurzgeschlossen wird.

Die fertigmontierte Einheit "ioihlkörper-Wärmerohr-iialbleiterelement" wird von der Seite (von oben in Fig. 1) in den Luftschacht eingeführt und fixiert, dessen vierte Wand dabei von den Kühlflanschen 11«, 11", 12', 12» gebildet wird. Eventuell können zwischen den Flanschen 11", 12" und den Wänden des Kühlluftschachtes Dichtungsstreifen angebracht v/erden, um zu vermeiden, daß Kühlluft aus dem Schacht in den Raum dringt, in dem das Halbleiterelement angeoidiet ist.

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Bei Bedarf kann der Kühlluftschacht verlängert werden (rechtwinklig zu der Zeichenebene der Fig. 1) und eine beliebige Anzahl Halbleiterelemente mit dazugehörigen Kühlkörpern und Wärmerohren werden nacheinander in Längenrichtung des Schachtes angeordnet. Ein Luftstrom wird in den Schacht geleitet, zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Ventilators, Wenn mehrere Halbleiterelemente nacheinander montiert sind, kann der Luftstrom so geleitet werden, daß er in einer Hälfte des Schachtes in einer Richtung (z.B. an Kühlkörper 11 vorbei) fließt und durch die J andere HyIfte (an Kühlkörper 12 vorbei) zurückfließt. Piierdurch erreicht man, daß alle Halbleiterelemente gleich gut gekühlt werden.

Natürlich können mehrere Kühlluftschächte auf zweckmäßige Weise nebeneinander gesetzt werden, oder es können zwei oder mehrere Halbleiterelemente mit Kühlkörpern nebeneinander in demselben Schacht gestellt werden.

um zu vermeiden, daß die Wärmerohre und Kühlkörper unter elektrischer Spannung stehen, können elektrisch isolierende Platten aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit, z.B. üerylliurnoxyd, zwischen dem Halbleiterelement, und dem einen oder beiden tfärmerohren angebracht v/erden, wobei das Halbleiterelement mit besonderen Anschlüssen für den Arbeitsstrom versehen werden muß. Bei dieser Ausführungsforra brauchen keine haßnahmen ergriffen zu v/erden, um die Wärmerohre und die Kühlkörper voneinander elektrisch zu isolieren.

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Vie aus der Zeichnung und Beschreibung hervorgeht, ist der kühliuftstrorn vollständig von dem tiaum getrennt, in dem das Kalbleiterelement angeordnet ist. In der xühlluft enthaltene Schrnutzpartikel, Schnee, i«ässe etc. können daher nicht zu einer Senkung der überschlagfestigkeit des Elementes führen. Die isolierende Scheibe 15 verhindert überschlage zv/ischen aen Kühlkörpern.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der das halbleiterelement mit angrenzenden !'eilen der Wärmerohre 5, 6 in einem !-.asten oder einem Schacht 20 aus isolierendem iiaterial oder mit isolierenden Teilen zum /ermeiden von kurzschlüssen angeordnet ist. Die kühlkörper befinden sich außerhalb des ί-astens und v/erden durch Eigenkonvektion oder bei einem Fahrzeug, vom Fahrtwind gekühlt.

Bei dem Halbleiterelement nach Fig. 3 liegen auf beiden Seiten des Elementes isolierende Scheiben 21, 22 aus Lerylliumoxyd und eventuell zwischen diesen Scheiben und dem Element nicht gezeigte Organe zum Anschließen von Leitungen für den iielastun_:_;sstrom. Ein zweimal um 90° gebogenes Wärmerohr 5 liegt an der Scheibe 22 an und die Scheibe 21 an einen i.upi erblock 23. Wärmerohr hat einen Flansch 1» Bin wetailkasten 25 umschließt das Ganze und hat einen Deckel 24, der mit nilxe von j-olze^ 26 am kasten 25 befestigt ist. iJolzen 10 drücken über den Flansch 7 das Wärmerohr gegen aen Deckel 24, so uak man einen guten Druckkontakt zwischen diesem und der Scheibe 22 und zwischen dem Deckel und Scheibe 25 erhält. Das Wärmerohr hat an seinem

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am weitesten von dem Halbleiterelement entfernt gelegenen Ende einen Flansch 27, durch Bolzen 28 und diesen Flansch kann das V/ärmerohr gegen den Deckel 24 gepreßt werden. Der letzte hat χilhiflansehe zum Ableiten der Verlustwärme des Halbleiterelement es an ein kühlmittel.

Ferti,i::iont:Lert ist der kasten 25 vollkommen geschlossen und dicht und kann unter sehr ungünstigen ümgebungsverhältnissen angewendet werden, oline daß die Über schlagfestigkeit des HaIbleister-Lenentes gefährdet wird. Er kann z.b. unter einem elektrisch getriebenen Schienenfahrzeug angebracht werden, was aus gevichts- und raummäßigen Gründen oft ein geeigneter Platz ist, ohne daß die Betriebssicherheit aufgrund der dort vorkommenden großen Lengen von Schmutz, Schnee, iMässe usw. vermindert wird.

Der Deckel 24 kann alternativ in kontakt mit einer kühlflüssigkeit angeordnet und eventuell mit geschlossenen kanälen für einen lolhlflüssigkeitsstroia versehen werden.

Die Anordnung ist selbstverständlich sowohl zur kühlung von Dioden, als auch£ur kühlung von Thyristoren und anderen halbleiterelementen geeignet.

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Claims

—■ 8 — Patentansprüche:

1. ) Halbleiteranordnung mit einem für doppelseitige kühlung vorgesehenen Halbleiterelement, wie z.B.· einer Diode oder einem Thyristor, und einem in thermischer Verbindung mit dem Halbleiterelement angeordneten Wärmeaustauscher zur Abgabe von Wärme an ein in Kontakt mit dem Wärmeaustauscher stehendes kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (1 bis 4) in einem von dem kühlmittel getrennten Raum angebracht und ein Wärmerohr (5, 6) mit seinem einen Ende in thermischem Kontakt mit dem Halbleiterelement und mit seinem anderen Ende in thermischem Kontakt mit dem Wärmeau&auscher (11, 12) angeordnet ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zv/eiten Wärmeaustauscher (12) zur ügabe von Wärme an das genannte Kühlmittel sowie ein weiteres

■ Wärmerohr (6) in thermischem Kontakt mit dem Halbleiterelement φ (1 bis 4) und dem zweiten Wärmeaustauscher enthält, wobei das erste Wärmerohr (5) und das zweite Wärmerohr (6) in thermischem Kontakt mit den gegenüberliegenden Flächen des Halbleiterelementes stehen.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmeaustauscher (11, 12) nebeneinander angeordnet sind und die Wärmerohr (5, 6) umgebende Kühlkörper mit kühlflanschen bilden, daß die in den Wärmeaustauschern

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liegenden Teile der Wärmerohre parallel zueinander verlaufen und die außerhalb der lirmeaustauscher liegenden Teile um so aufeinander zugebogen sind, daß ihre Stirnflächen mit gegenüberliegenden Flächen des Halbleiterelementes in Kontakt stehen.

4. Kalbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein druckerzeugendes Mittel (7, 8, 9, 10) auf den Wärmerohren (5, 6) zu beiden Seiten des Halbleiterelementes (1) angeordnet ist, das einen auf das Halbleiterelement gerichteten Druck ausübt.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher als Platte (24) ausgebildet ist, deren eine Seite Wärme an ein Kühlmittel abgibt und auf deren anderer Seite das Halbleiterelement (1) so angebracht ist, daß es mit einer Fläche in direktem thermischen Kontakt mit der Platte (24) und mit der anderen Seite mit einer Stirnfläche des Wärmerohres in direktem Kontakt !»steht, das so gebogen ist, daß seine andere Stirnfläche in direktem Kontakt mit der Platte (24) steht.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein druckerzeugendes Organ (7, 10) auf das Wärmerohr (5) und auf den Wärmeaustauscher eine auf das Halbleiterelement (1) gerichtete Druckkraft ausübt.

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7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Scheibe (22) aus einem elektrisch isolierenden material mit guter thermischer Leitfähigkeit zwischen dem Halbleiterelement (1) und dem Wärmeaustauscher (24) angebracht ist.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der V/änneaustauscher (24) eine Wand eines geschlossenen Raumes bildet, der das Halbleiterelement (1 bis 4) aufnimmt.

9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr ganz oder teilweise auf solche Art aus einem elektrisch isolierendem iiaterial hergestellt ist, daß man eine elektrische Isolation zwischen den beiden Enden des Rohres erhält.

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