DE2208937A1 - Waermerohr-kuehlanordnung fuer flache halbleiterbauelemente - Google Patents

Waermerohr-kuehlanordnung fuer flache halbleiterbauelemente

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Description

  • Wärmerohr-Kühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente Gegenstand des Patents - $ (Patentanmeldung P 22 04 589.2) ist eine Kühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente, insbesondere für Sche'ibenzelle#I-Thyristore#, bestehend aus zwei Kühlkörpern aus gUt wb½itieleiteMem Materials zwischen denen ein Haible 1 terbaue lement wärmekontaktschlüssig eingespannt ist, und aus jeweils in einigem Abstand parallel zueinander angeordneten Kühlblechen, welche mIt einem der beiden Kühlkörper in thermischer Verbindung stehen, wobei jeder Kühlkörper mit mindestens einer länglichen Ausnehmung versehen ist, wobei 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 wobei die Kühlbleche auf dem herausragenden Teil des Wärmerohres quer zu dessen Achse wärmekontaktschlüssig befestigt sind.
  • Das Wärmerohr kann dabei endseitig in die Ausnehmung im Kühlkörper eingeführt sein. Die Anordnung kann auch so getroffen sein, daß die Ausnehmung im Kühlkörper durchgehend geführt ist, daß das Wärmerohr durch die Ausnehmung hindurchgeführt ist, und daß die Kühlbleche beidseitig des Kühlkörpers auf das Wärmerohr aufgeschoben sind. Das Wärmerohr wird in die Ausnehmung vorzugsweise eingelötet, eingeschrumpft oder eingeschraubt.
  • Bei dieser vorgeschlagenen Kühlanordnung wird die vom Halbleiterbauelement entwickelte und an die Kühlkörper abgegebene Verlustwärme im wesentlichen über das Arbeitsfluid und zu einem geringen Anteil auch über die Wand des Wärmerohres an die Kühlbleche weitergegeben und von dort durch Luftkonvektion oder mit Hilfe eines Gebläses abgeführt. Die Kühlanordnung erfordert gegenüber anderen bekannten Einrichtungen zur Kühlung von Halbleiterbauelementen einen geringeren Materialaufwand für die beiden Kühlkörper, die z.B. aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Sie kann daher bei gleicher Kühlleistung leichter und kostengünstiger hergestellt werden.
  • In der Patentschrift . . . . . . h t . . . . (Patentanmeldung P 22 04 589.2)wird bereits ausgeführt, daß die Ausnehmung eine Bohrung sein kann, welche parallel zu der sich zwischen Halbleiterbauelement und Kühlkörper befindlichen Kontaktfläche in den Kühlkörper eingelassen ist. Eine solche Bohrung runden Querschnitts besitzt den Vorteil, daß sie auf einfache Weise im Kühlkörper angebracht werden kann. Es kann dann ein Rohr von gleichfalls rundem Querschnitt eingesetzt werden, welches als sogenanntes Rippenrohr mit bereits aufgesetzten Kühlblechen, jedoch ohne eingeführten Docht und ohne eingefülltes Arbeitsfluid, im Handel erhältlich ist.
  • Im allgemeinen Fall wird man bei dieser leicht realisierbaren Konstruktion mit einer einzigen Bohrung und einem einzigen runden Wärmerohr pro Kühlkörper nicht auskommen können. Um einen guten Wärmeübergang vom Halbleiterbauelement zum Arbeitsfluid im Wärmerohr zu erreichen, müßte das Wärmerohr einen relativ großen Durchmesser besitzen. Sein Durchmesser müßte mit dem Durchmesser des Halbleiterbauelements vergleichbar sein. Mit einem großen Rohrdurchmesser würde man den Nachteil in Kauf nehmen, daß der Kühlkörper parallel und senkrecht zur Kontaktfläche eine große Ausdehnung erhält und damit wiederum recht schwer wird.
  • Im Interesse der Material- und Gewichtsersparnis am Kühlkörper wird man daher im allgemeinen Fall die Verwendung von zwei oder mehr Wärmerohren geringeren Durchmessers pro Kühlkörper der Verwendung eines einzigen Wärmerohres großen Durchmessers vorziehen. Eine solche konstruktive Durchführung ist bei der Produktion geringerer Stückzahlen und bei Sonderanfertigungen zweifellos angebracht. Bei der Produktion größerer Stückzahlen iet man jedoch bestrebt, die Anzahl der Wärmerohre pro Kühlkörper zu reduzieren. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß je~ des Wärmerohr in Handarbeit vorbereitet und eingesetzt werden muß und daher einen beachtlichen Kostenfaktor darstellt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Kühlanordnung derart#weIterzubilden, daß für ihre Herstellung eine besonders geringe Materialmenge für Kühlkörper und Wärmerohre benötigt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in jedem Kühlkörper parallel zur Kontaktfläche zwischen Halbleiterbauelement und Kühlkörper eine einzige längliche Ausnehmung für mindestens ein Wärmerohr vorgesehen ist, daß der Querschnitt der Ausnehmung in einer Richtung eine größere Breite aufweist als senkrecht dazu, und daß die Dimensionierung und Querschnittsform der Ausnehmung dem Querschnitt des eingeführten Wärmerohres angepaßt ist. Im Interesse eines guten Wärmeübergangs kann es vorteilhaft sein, daß die Ausnehmung quer zu ihrer Längsrichtung und senkrecht zur Kontakt fläche eine größere Breite aufweist als parallel zur Kontaktfläche. Die Ausnehmung und das Wärmerohr können z.B. einen ovalen oder rechteckigen Querschnitt besitzen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigt Figur 1 eine Kühlanordnung mit zwei Wärmerohren in einem seitlichen Schnitt, Figur 2 einen Blick von oben auf die in Figur 1 dargestellte Kühlanordnung, und Figur 3 zwei Kühlkörper mit je einem Wärmerohr, dessen größte Querschnittsachse senkrecht zur Kontaktfläche angeordnet ist.
  • In Figur 1 ist ein handelsüblicher Scheibenzellen-Thyristor 2 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 scheibenförmigen Kühlkörpers 7 bzw. 8, welcher aus Kupfer oder aus Aluminium besteht. Die beiden Kühlkörper 7 und 8 werden durch zwei seitliche Schraubverbindungen, die aus Schrauben 9, Federn 10 und Muttern 11 bestehen, unter hohem Druck gegen den Thyristor 2 gedrückt.
  • Dadruch ergibt sich an den Kontaktflächen 13 und 14 zwischen dem Thyristor 2 und den beiden Kühlkörpern 7 und 8 ein guter Wärmeübergang für die Verlustwärme, welche beim Betrieb des Thyristors 2 entsteht.
  • Jeder der beiden Kühlkörper 7 und 8 ist mit einer einzigen durchgehenden Ausnehmung 15 bzw. 16 (vergl. Figur 2) versehen, welche parallel zu den Kontaktflächen 13 bzw. 14 angeordnet sind. Bei Betrieb des Thyristors 2 sind die Ausnehmungen 15 und 16 vorzugsweise horizontal ausgerichtet. Die Wand, welche die Ausnehmungen 15 und 16 einfaßt, kann auch nach außen hin durchbrochen sein.
  • Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß die beiden Ausnehmungen 15 und 16 verschiedene Querschnittsform besitzen. Der Querschnitt der Ausnehmung 15 ist rechteckig ausgebildet, während die Ausnehmung 16 einen ovalen Querschnitt aufweist. Der Form beider Ausnehmungen 15 und 16 ist jedoch gemeinsam, daß sie quer zu ihrer senkrecht auf der Papierebene (Figur 1) stehenden Längsrichtung und parallel zu den Kontaktflächen 13 und 14 eine größere Breite aufweisen als senkrecht dazu. Die Breite der Ausnehmungen 15 und 16 ist betragsmäßig vergleichbar mit dem Durchmesser des Thyristors 2. Abweichend von der Darstellung in Figur 1 werden die beiden Ausnehmungen 15 und 16 im allgemeinen dieselbe Querschnittsform besitzen.
  • Durch jede der Ausnehmungen 15 und 16 ist ein relativ dünnwandiges, beidseitig geschlossenes Wärmerohr 17 bzw. 18 hindurchgeführt. Die Dimensionierung und Querschnittsform jedes der beiden Wärmerohre 17 und 18 ist dem Querschnitt der zugehörigen Ausnehmung 15 bzw. 16 angepaßt. Die Wärmerohre 17 und 18 sind in die Ausnehmungen 15 bzw. 16 eingelötet, so daß ein guter Wärmekontakt zwischen ihrer Außenwand und den Kühlkörpern 7 bzw. 8 besteht. Jedes Wärmerohr 17 und 18 ist innen mit einem Docht 19 bzw. 20 von kapillarer Struktur, z.B. mit einer Gaze aus Metall, ausgekleidet. Die Dochte 19 und 20 sind in ein Arbeitsfluid getränkt. Dieses kann z.B.
  • ein Freon, Methanol, Äthanol, Benzol oder auch Wasser sein.
  • Aus Figur 2 läßt sich entnehmen, daß die beiden Wärmerohre 17 und 18 ein ganzes Stück beidseitig aus den Ausnehmungen 15 bzw. 16 herausragen. Auf die herausragenden Teile sind beidseitig der Kühlkörper 7 und 8 rechteckige Kühlbleche 21 und 22, die z.B. aus Aluminium bestehen, formschlüssig aufgoschoben.
  • Die Kühlbleche 21 und 22 sind in einigem Abstand parallel zueinander und quer zur Achse des betreffenden Wärmerohres 17 bzw. 18 angeordnet. Damit ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist, können sie auch mit den Wärmerohren 17 bzw. 18 unlösbar verbunden sein. Die Kühlbleche 21 und 22 werden durch freie Luftkonvektion gekühlt.
  • Die Ausnehmungen 15 und 16, die den jeweils von Kühlblechen 21 bzw. 22 freien Teil des Wärmerohres 17 bzw. 18 aufnehmen, sollten möglichst nahe an der betreffenden Kontaktfläche 13 bzw. 14 angeordnet sein. Sofern keine gekrümmten, sondern gerade Wärmerohre 17 und 18 verwendet werden sollen, sofern die Kühlbleche 21 und 22 mittig aufgeschoben und sofern ein Ineinandergreifen des Paktes der Kühlbleche 21 am einen Wärmerohr 17 in die Lücken des Paketes der Kühlbleche 22 am anderen Wärmerohr 18 vermieden werden soll, ist der Mindestabstand der Ausnehmungen 15 bzw. 16 von der zugehörigen Kontaktfläche 13 bzw. 14 durch die Flächengröße der Kühlbleche 21 bzw. 22 bestimmt.
  • Eine Kühlanordnung entsprechend den Figuren 1 und 2, bei der allerdings beide Ausnehmungen 15 und 16 einen ovalen Querschnitt besitzen, läßt sich auf einfache Weise mit im Handel erhältlichen Rippenrohren verwirklichen. Diese Rippenrohre sind Rohre ovalen Querschnitts, auf die jeweils in einigem Abstand parallel zueinander angeordnete Kühlbleche wärmekontaktschlüssig aufgeschoben sind. In jede oval ausgebildete Ausnehmung 15 und 16 wird von beiden Seiten je ein solches Rippenrohr, von dessen Ende einige Kühlbleche entfernt werden, eingeführt und vakuumdicht eingelötet. Danach wird jeweils ein Docht 19 bzw.
  • 20 eingelegt. Nach Evakuierung und Füllen mit dem Arbeitsfluid werden die beiden nach außen ragenden Enden der Rippenrohre vakuumdicht verschlossen.
  • Es ist ferner zu bemerken, daß die beiden Wärmerohre 17 und. 18 jeweils aus zwei getrennten Teilrohren vorgefertigt sein können.
  • In jede Seite einer Ausnehmung wird dann jeweils eines dieser bereits vakuumdicht verschlossenen Teilrohre eingesetzt und anschließend eingelötet. Die Endseiten der beiden Teilrohre können sich dabei in der Mitte der Ausnehmung 15 bzw. 16 berühren.
  • In Figur 1 ist angedeutet, daß der Kühlkörper 7 aus zwei Teilen bestehen kann, die durch Schrauben 23 miteinander fest verbunden sind. Im oberen der beiden Teile ist eine kanalartige Vertiefung von U-förmigem Profil eingearbeitet, die durch den unteren Teil, der als Deckel dient, nach unten hin abgeschlossen wird. Die Ausnehmung 15 von rechteckigem Querschnitt wird also durch die Flächen von zwei auf einfache Weise herzustellenden Bauteilen gebildet. Entsprechend kann man bei der Herstellung der ovalen Ausnehmung 16 im Kühlkörper 8 verfahren.
  • Im Gegensatz zu bekannten Kühlanordnungen wird die vom Uhyristor 2 im Betrieb entwickelte und an die Kühlkörper 7 und 8 abgegebene Verlustwärme nicht direkt an die Kühlbleche 21 bzw.
  • 22 weitergegeben. Die Kühlbleche 21 bzw. 22 stehen vielmehr über das Arbeitsfluid und die Wand des Wärmerohres 17 bzw. 18 mit den betreffenden Kühlkörpern 7 bzw. 8 in Wärmekontakt. Die Zwischenschaltung des Wärmerohres 17 bzw. 18 führt zu dem Vorteil, daß unabhängig von der verfügbaren Oberfläche des einzelnen Kühlkörpers 7 bzw. 8 beliebig viele Kühlbleche 21 bzw. 22 zur Weitergabe an die umgebende Luft vorgesehen sein können; das Wärmerohr 17 bzw. 18 muß nur entsprechend lang gewählt sein. Die Oberfläche und das Gewicht jedes Kühlkörpers 7 und 8 können folglich klein gehalten werden.
  • Der Vorteil der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Kühlanordnung besteht insbesondere darin, daß sie sehr gedrungen, mit einfachen Mitteln, mit geringen Materialmengen, von leichtem Gewicht und ohne große Kosten hergestellt werden kann.
  • In Figur 3 ist eine Kühlanordnung dargestellt, die weitgehend derjenigen in Figur 1 entspricht. Deshalb werden für entsprechende Teile auch dieselben Bezugszeichen verwendet. Aus Figur 3 geht hervor, daß die Ausnehmungen 25 und 26 in den Kühlkörpern 7*bzw. 8 einen rechteckigen Querschnitt besitzen. In die Ausnehmungen 25 und 26 sind entsprechend geformte Wärmerohre 27 bzw.
  • 28 wärmekontaktschlüssig eingepaßt. Diese sind mit dünnen kapillarartigen Dochten 29 bzw. 30 ausgekleidet. Die Kühlkörper 7 bzw. 8 werden durch eine federnde Verspannung, die aus den Federn 31 und 32 und den Schrauben 9 und Muttern 11 besteht, gegen die Flachseiten des Thyristors 2 gepreßt.
  • Abweichend von der Darstellung in Figur 1 sind in Figur 3 die Ausnehmungen 25 und 26 in Richtung senkrecht zu den Kontaktflächen 13 bzw. 14 breiter ausgebildet als in den Richtungen parallel zu den Kontaktflächen. Die Breite der Ausnehmungen 25 und 26 ist in diesen Richtungen um einiges geringer gewählt als der Durchmesser der Flachseiten des Thyristors 2.
  • Durch diese Konstruktion wird erreicht, daß bei Gewährleistung einer ausreichenden Wärmeabführung die Kühlanordnung besonders schmal ausgebildet werden kann. Ihre Breite entspricht dann etwa dem Durchmesser des Thyristros 2.
  • 5 Patentansprüche 3 Figuren

Claims (5)

  1. Patentansprüche Kühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente, insbesondere für Scheibenzellen-Thvristoren, 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, wobei jeder Kühlkörper mit mindestens einer länglichen Ausnehmung versehen ist, wobei 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 wobei die Kühlbleche auf dem herausragenden Teil des Wärmerohres quer zu dessen Achse wärmekontaktschlüssig befestigt sind, nach Patent . . . . . . . (Patentanmeldung P 22 04 589.2), dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Kühlkörper (7, 8) parallel zur Kontaktfläche (13, 14) zwischen Halbleiterbauelement (2) und Kühlkörper (7, 8) eine einzige längliche Ausnehmung (15, 16) für mindestens ein Wärmerohr (17, 18) vorgesehen ist, daX der Querschnitt der Ausnehmung (15, 16, 25, 26) in einer Richtung eine größere Breite aufweist als senkrecht dazu, und daß die Dimensionierung und Querschnittsform der Ausnehmung (15, 16) dem Querschnitt des eingeführten Wärmerohres (17, 18) angepaßt ist.
  2. 2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (25, 26) quer zu ihrer Längsrichtung und senkrecht zur Kontaktfläche (13, 14) eine größere Breite aufweist als parallel zur Kontaktfläche (13, 14).
  3. 3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (16) und das Wärmerohr (18) einen ovalen Querschnitt besitzen.
  4. 4. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (15, 25, 26) und das Wärmerohr (17, 27, 28) einen rechteckigen Querschnitt besitzen.
  5. 5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (7) aus jeweils zwei Teilen bestehen.
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