DE2204589A1 - Kuehlanordnung fuer flache halbleiterbauelemente - Google Patents
Kuehlanordnung fuer flache halbleiterbauelementeInfo
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Description
SIEMENS AKTIM(JESELLSCHa-PT Erlangen, ° '
Berlin und München Werner-von-Siemens-Str. 50
Unser Zeichen:
VPA 72/3014 Nm/Rat 2204589
Kühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente
Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente,
insbesondere für Scheibenzellen-Thyristoren, bestehend aus zwei Kühlkörpern aus gut wärmeleitendem
Material, zwischen denen ein Halbleiterbauelement wärmekontaktsehlüssig
eingespannt ist, und aus jeweils in einigem Abstand parallel zueinander angeordneten Kühlblechen, welche
mit einem der beiden Kühlkörper in thermischer Verbindung stehen.
Derartige Kühlanordnungen, insbesondere für Seheibenzellen-Thyristoren,
bei denen der Thyristor an beiden Seiten durch je einen Kühlkörper gekühlt wird, sind im Handel erhältlich.
Die beiden Kühlkörper bestehen entweder aus Kupfer oder aus Aluminium. Sie sind auf ihrer Rückseite mit parallel zueinander
angeordneten Kühlblechen versehen. Die Kühlbleche sind dabei quer zur Kontaktfläche.zwischen Thyristor und Kühlkörper
ausgerichtet. Sie bestehen ebenfalls entweder aus Kupfer oder aus Aluminium. Die vom Thyristor im Betrieb entwickelte
Verlustwärme wird bei diesen Kühlanordnungen durch Wärmeleitung an die Kühlkörper, von dort an die Kühlbleche und
von diesen durch Luftkonvektion an die Umgebung abgegeben.
Die Kühlbleche können dabei auch mit Hilfe eines Gebläses abgekühlt werden.
Pur Luft als Kühlmittel werden bei diesen Kühlanordnungen
viele Kühlbleche benötigt. Der kompakte Teil, also die für die Wärmeleitung zu den Kühlrippen verwendeten Kühlkörper,
wird dementsprechend groß und schwer. Ein zur Kühlung eines Thyristors eingesetztes Kühlkörperpaar aus Kupfer wiegt z.B.
22 kp, ein solches aus Aluminium immerhin noch 14 kp. Ein
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solch hoher Materialaufwand wird aus Kosten-, Platzbedarfs-
und Gewichtsgründen als nachteilig angesehen. Diese Nachteile machen sich z.B. "bei bewegten Fahrzeugen, insbesondere bei
Schienenfahrzeugen, in denen eine größere Anzahl von Halbleiterbauelementen mitgeführt wird, besonders bemerkbar.
Es ist bereits bekannt, z.B. aus der USA-Patentschrift 2 350 348 oder aus der Zeitschrift "Chemie-Ingenieur-Technik",
39. Jahrgang, 1967, Heft 1, Seiten 21 bis 26, auf dem Gebiet der Kühltechnik sogenannte Wärmerohre einzusetzen. Ein solches
Wärmerohr besteht aus einem beidseitig geschlossenen Rohr, dessen Innenwand mit einem Docht kapillarer Struktur
bedeckt ist. Der Docht ist mit einem flüssigen Arbeitsfluid
gesättigt, z.B. mit Preon, Methanol, Äthanol, Azeton oder Benzol. Wird der eine Teil des Wärmerohres beheizt, so daß
dort das Arbeitsfluid aus dem Docht verdampft, so strömt der Dampf in Richtung des Temperaturgefälles. Er kondensiert am
anderen Teil, wobei er die Verdampfungswärme abgibt. Im Docht
wird das verflüssigte Arbeitsfluid durch die Kapillarkräfte zum beheizten Teil des Wärmerohres zurückgefördert. Bei geeigneter
Dimensionierung des Wärmerohres kann das Arbeitsfluid auch gegen die Schwerkraft arbeiten.
Es sind weiterhin sogenannte Rippenrohre im Handel erhältlieh.
Das sind Rohre runden Querschnitts, auf die jeweils in einigem Abstand parallel zueinander angeordnete Kühlbleche wärmekontaktschlüssig
aufgeschoben sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten K. zuteile
der eingangs genannten Kühlanordnung zu beheben, insbesondere deren Gewicht zu verringern und deren Kühlwirkung
zu erhöhen.
Die Erfindung geht dabei aus von der Erkenntnis, daß sich bei einer Kühlanordnung mit zwei Kühlkörpern für flache Halbleiterbauelemente
ein Wärmerohr einsetzen läßt, sofern die Kühlanordnung in spezieller Weise ausgestaltet wird.
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Die Aufgabe wird demzufolge dadurch, gelöst, daß jeder Kühlkörper
mit mindestens einer länglichen Ausnehmung versehen ist, daß in die Ausnehmung ein Teil eines beidseitig geschlossenen,
innen mit einem Docht ausgekleideten und teilweise mit einem verdampfbaren Arbeitsfluid gefüllten Wärmerohres
wärmekontaktschlüssig eingeführt ist, und daß die Kühlbleche auf dem herausragenden Teil des Wärmerohres quer
zu dessen Achse wärmekontaktschlüssig befestigt sind.
Im Gegensatz zu der bekannten Kühlanordnung wird hier die vom Halbleiterbauelement im Betrieb entwickelte und an die Kühlkörper
abgegebene Terlustwärme nicht direkt an die Kühlbleche weitergegeben. Die Kühlbleche stehen vielmehr über das Arbeitsfluid
und die Wand des Wärmerohres mit dem betreffenden Kühlkörper in Wärmekontakt. Die Zwischenschaltung des Wärme-:
rohrs führt zu dem Vorteil, daß unabhängig von der verfügbaren Oberfläche des einzelnen Kühlkörpers beliebig viele Kühlbleche
zur Weitergabe der Wärme an die umgebende Luft vorgesehen sein können; das Wärmerohr muß nur entsprechend lang gewählt
sein. Die Oberfläche und damit das Gewicht jedes Kühlkörpers kann folglich klein gehalten werden.
Die schweren Metallkörper, die bei der bekannten Kühlanordnung die Wärmeleitung von dem Halbleiterbauelement zu den
Kühlblechen besorgen, werden also durch solche von geringerer Masse ersetzt und durch Wärmerohre von vergleichsweise geringfügigem
Gewicht ergänzt. Das Gewicht der gesamten Kühlanordnung, bei der die Kühlkörper ebenfalls aus Kupfer oder
Aluminium bestehen können, erniedrigt sich auf diese Weise bis auf etwa ein Fünftel des Gewichts der bekannten Kühlanordnung.
Hinzu kommt, was als wesentlicher Vorteil angesehen wird, daß die Wärme über das Wärmerohr weitergeleitet wird,
ohne daß ein erhebliches Temperaturgefälle zwischen Kühlkörper und Kühlblechen bestehen muß. Daher kann die Kühlanordnung
und damit auch das Halbleiterbauelement höher belastet werden als bei der früher üblichen Konstruktion.
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Bei der konstruktiven Ausführung sollte darauf geachtet werden,
daß die Ausnehmung, die den einen Teil des Wärmerohres aufnimmt, möglichst nahe an der Kontaktfläche zwischen dem
Halbleiterbauelement und dem Kühlkörper angeordnet ist. Der Abstand der Ausnehmung von der Kontaktfläche wird, sofern
zwei oder mehr Wärmerohre pro Kühlkörper vorgesehen sind, durch die Flächengröße der Kühlbleche bestimmt. TJm auch in
diesem Fall einen geringen Abstand zwischen Wärmerohr und Kontaktfläche einzuhalten, können die Kühlbleche des einen
Wärmerohrs in die Lücken des Kühlblechpakets am parallel dazu angeordneten anderen Wärmerohr eingreifen. Die Wärmerohre
können aber auch außerhalb des Kühlkörpers auseinandergebogen sein, so daß sich ihre Kühlblechpakete nicht gegenseitig
behindern.
Das Wärmerohr kann endseitig in die Ausnehmung im Kühlkörper eingeführt sein. Die Anordnung kann aber auch so getroffen
sein, daß das Wärmerohr durch die Ausnehmung hindurchgeführt ist, und daß die Kühlbleche beidseitig des Kühlkörpers auf
das Wärmerohr aufgeschoben sind.
TJm ein Arbeiten gegen die Gravitationskraft zu vermeiden, sollte die Ausnehmung bei Betrieb des Halbleiterbauelements
horizontal ausgerichtet sein. Das Wärmerohr kann in die Ausnehmung eingelötet, eingeschrumpft oder eingeschraubt sein.
Ferner kann die Ausnehmung als Bohrung ausgebildet sein, welche parallel zu der sich zwischen Halbleiterbauelement und
Kühlkörper befindlichen Kontaktfläche eingelassen ist. Als Material für die Kühlrippen kann Aluminium oder ein anderes
leichtes,gut wärmeleitendes Metall vorgesehen sein.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß nur auf ein Ende des aus dem Kühlkörper herausragenden
Teils des Wärmerohres Kühlbleche aufgeschoben sind. Diese Ausbildung wird nicht nur dann zu wählen sein, wenn in unmittelbarer
Nähe der Kühlkörper weitere, in funktionellem Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelement stehende Bauteile anzuordnen
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sind, sondern auch dann, wenn die Kühlung durch Luft weiter entfernt von den Kühlkörpern erfolgen soll. In diesem Fall
kann .das Wärmerohr durch eine Trennwand derart hindurchgeführt,
sein, daß sich der Kühlkörper auf der einen Seite und die Kührbleche auf der anderen Seite "befinden. Dabei kann
das gesamte Wärmerohr aus einem gut wärmeleitenden Material, z.B. aus Kupfer, "bestehen. Bs können aber auch nur der in den
Kühlkörper eingeführte Teil und das äußere Ende des Wärmerohres
aus einem gut wärmeleitenden Material, z.B. Kupfer, bestehen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in zwei Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Für
gleichartige Bauteile werden dabei dieselben Bezugszeichen verwendet. Es zeigt:
Figur 1 eine Kühlanordnung mit vier Wärmerohren in einem seitlichen
Schnitt, und
Figur 2 einen Blick von oben auf die in Figur 1 dargestellte Kühlanordnung.
In Figur 1 ist ein handelsüblicher Scheibenzellen-Thyristor dargestellt, der auf seinen Flachseiten mit Vertiefungen 3 und
4 versehen ist. In jede Vertiefung 3 und 4 ragt der konische Absatz 5 bzw. 6 eines Kühlkörpers 7 bzw. 8, welcher aus Kupfer
oder aus Aluminium besteht. Wie später anhand der Figur 1 und 2 noch näher erläutert wird, werden die beiden Kühlkörper 7
und 8 unter hohem Druck gegen den Thyristor 2 gepreßt, wodurch sich an den Kontaktflächen 9 und 10 ein guter Wärmeübergang
für die bei Betrieb des Thyristors 2 entstehende Verlustwärme ergibt.
Jeder der beiden Kühlkörper 7 und 8 ist mit zwei durchgehenden, parallel zueinander angeordneten Längsbohrungen 11 bzw. 12
versehen, welche parallel zu den Kontaktflächen 9 bzw. 10 angeordnet sind. Bei Betrieb des Thyristors 2 sind die Längsbohrungen
11 und 12 vorzugsweise horizontal ausgerichtet. Die
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beiden Längsbohrungen 12 können - abweichend von der Darstellung - auch um 90° gegen die Vertikale 13 gedreht angeordnet
sein. Weiterhin kann die Wand 14 nach außen hin durchbrochen sein.
Durch jede der Längsbohrungen 11 und 12 ist ein relativ dünnwandiges,
beidseitig geschlossenes Wärmerohr 15 bzw. 16 aus Kupfer hindurchgeführt. Die Wärmerohre 15 und 16 sind in die
Längsbohrungen 11 bzw. 12 eingelötet, so daß ein guter Wärmekontakt
zwischen ihrer Außenwand und den Kühlkörpern 7 bzw. besteht. Jedes der Wärmerohre 15 und 16 ist innen mit einem
Docht 17 von kapillarer Struktur, z.B. mit einer Gaze aus Metall, ausgekleidet. Der Docht 17 ist in ein Arbeitsfluid
getränkt. Versuche haben ergeben, daß als Arbeitsfluid neben den oben erwähnten Flüssigkeiten wie Preon auch Wasser verwendet
werden kann.
In Figur 2 ist ein Blick von oben auf die Kühlanordnung dargestellt.
Daraus läßt sich entnehmen, daß die Wärmerohre 15 und 16 ein ganzes Stück beidseitig aus den Längsbohrungen 11
bzw. 12 herausragen. Auf die herausragenden Teile sind beidseitig der Kühlkörper 7 und 8 rechteckige Kühl bleche 18 bzw.
19 z.B. aus Aluminium formschlüssig aufgeschoben. Die Kühlbleche 18 und 19 sind in einigem Abstand parallel zueinander
und quer zur Achse des betreffenden Wärmerohres 15 bzw. 16 angeordnet. Damit ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist,
können sie auch festgeschweißt sein. Zum Schutz gegen mechanische Beschädigung können die vier Ecken der Kühlbleche "1^
bzw. 19 eines jeden Wärmerohrteils auch mit (nicht darge^-eilten)
Kanten z.B. aus Kunststoff in ihrer Lage gehalten werden. Die Kühlbleche 18 und 19 werden durch freie Luftkonvektion
gekühlt.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Kühlanordnung mit vier Wärmerohren 15 und 16 läßt sich auf einfache Weise mit den im
Handel stangenweise erhältlichen Rippenrohren verwirklichen.
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In jede Längsführung 11 und 12 wird von beiden Seiten je ein
Rippenrohr, von dessen Ende einige Kühlbleche entfernt wurden, eingeführt und vakuumdicht eingelötet. Danach wird ein Docht
17 eingelegt. Nach Evakuierung und Pullen mit einem Arbeitsfluid
werden die "beiden nach außen ragenden Enden der Rippenrohre vakuumdicht verschlossen.
Wie bereits ausgeführt, werden die beiden Kühlkörper 7 und 8 unter hohem Druck mit ihren konischen Ansätzen 5 und 6 gegen
den Thyristor 2 gedrückt. Dazu ist eine Schraubverbindung zwischen den beiden Kühl körpern 7 und 8 vorgesehen. Aus Figur
2 ist ersichtlich, daß an den Kühlkörper 7 zwei Befestigungslaschen 21 und 22 angearbeitet sind, die mit vertikalen
Bohrungen 23 bzw. 24 versehen sind. Die Befestigungslaschen
21 und 22 sind zwischen den beiden Wärmerohren 15 angeordnet. In Figur 1 ist die unterhalb der dargestellten Schnittebene
befindliche Befestigungslasehe 21 ebenso wie ihre Bohrung 23
gestrichelt eingezeichnet. Entsprechend sind auch an den Kühlkörper 8 zwei Befestigungslaschen mit vertikal verlaufenden
Bohrungen angearbeitet. In Figur 1 ist die unterhalb der dargestellten Schnittebene gelegene Befestigungslasche gestrichelt
eingezeichnet und mit 25 bezeichnet. Ihre Bohrung, die mit der Bohrung 23 fluchtet, ist mit dem Bezugszeichen
26 versehen. Die beiden Befestigungslaschen 21 und 25 sind durch eine hindurchgeführte Sehraube und eine Gegenmutter, die
der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind, miteinander verbunden. Die Befestigung kann auch über ein
Joch erfolgen, das die Befestigungslaschen 21 und 22 überspannt. Eine entsprechende Schraubverbindung ist zwischen den
beiden übrigen Verbindungslaschen vorgesehen. Der elektrische Anschluß des Thyristors 2 erfolgt über die beiden Kühlkörper
7 und 8, die mit Gewindebohrungen zur Befestigung von Anschlußklemmen versehen sind. In Figur 2 ist eine solche Gewindebohrung
27 an dem oberen Kühlkörper eingezeichnet.
13 Patentansprüche
2 Figuren
2 Figuren
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Claims (1)
- PatentansprücheKühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente, insbesondere für Scheibenzellen-Thyristoren, bestehend aus zwei Kühlkörpern aus gut wärmeleitendem Material, zwischen denen ein Halbleiterbauelement wärmekontaktschlüssig eingespannt ist, und aus jeweils in einigem Abstand parallel zueinander angeordneten Kühlblechen, welche mit einem der beiden Kühlkörper in thermischer Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kühlkörper (7, 8) mit mindestens einer länglichen Ausnehmung (11, 12) versehen ist, daß in die Ausnehmung (11, 12) ein Teil eines beidseitig geschlossenen, innen mit einem Docht ausgekleideten und teilweise mit einem verdampfbaren Arbeitsfluid gefüllten Wärmerohres (15, 16) wärmekontaktschlüssig eingeführt ist, und daß die Kühlbleche (18, 19) auf dem herausragenden Teil des Wärmerohres (15, 16) quer zu dessen Achse wärmekontaktschlüssig befestigt sind.Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (15, 16) endseitig in die Ausnehmung (11, 12) eingeführt ist.Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (11, 12) im Kühlkörper (7, 8) durchgehend geführt ist, daß das Wärmerohr (15, 16) durch die Ausnehmung (11, 12) hindurchgeführt ist, und daß die Kühlbleche (18, 19) beidseitig des Kühlkörpers (7, 8) auf das Wärmerohr (15, 16) aufgeschoben sind.Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (11, 12) bei Betrieb des Halbleiterbauelements (2) horizontal ausgerichtet ist.-9-309833/0564-9™ VPA 72/30145. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (15» 16) in die Ausnehmung (11: '2) eingelötet, eingeschrumpft oder eingeschraubt ist.6. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, daduroh gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (11, 12) eine Bohrung ist, welche parallel zu der sich zwischen Halbleiterbauelement (2) und Kühlkörper (7, 8) befindlichen Kontaktfläche (9, 10) eingelassen ist.7. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (7, 8) aus Alumimium oder Kupfer besteht.Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlbleche (18, 19) aus Aluminium bestehen.9. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nur auf dem Ende des aus άβΜ Kühlkörper (7, 8) herausragenden Teils des Wärmerohres (15, 16) KuhlMeche (18, 19) aufgeschoben sind.10. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 99 dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Wärmerohr ("15, 16) aus einem gut wärmeleitenden Material, z.B. Kupfer, besteht.11. Kühlanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nur der in den Kühlkörper- (7, 8) eingeführte Teil und das äußere Ende des Wärmerohres (15, 16) aus einem gut wärmeleitenden Material, z.B, aus Kupfer, bestehen.12. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (15, 16) durch eine Trennwand, derarb hindurchgsfuhrt ist;, daß sich der Kühlkörper (7, 8) auf der einen Seite und die Kühlblech© (18, 19) auf der anderen Seite befinden. ^n309833/0564-10- VPA 72/3014Kühlanordiiung naoh einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß daa Arbeitefluid Wasser ist.308833/0564Leerseite
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