DE2402606C2 - Flüssigkeitskühleinrichtung für scheibenförmige Halbleiterelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranordnung mit einer scheibenförmigen Halbleiterzelle und an beiden Stirnflächen der Halbleiterzelle direkt anliegenden Kühlkörpern, die in der an dem Zellengehäuse anliegenden Oberfläche mit Ausnehmungen versehen sind, welche zusammen mit den stehenbleibenden Stegen Kühlkanäle für die Kühlflüssigkeit bilden, wobei die Ausnehmungen im Kühlkörper zur Halbleiterzelle hin offen ausgebildet sind, und mit mindestens einem Sammelkanal, in den die Kühlkanäle einmünden, sowie mit mindestens je einem Anschluß für die Kühlmittelzufuhr bzw. Abfuhr. Eine solche Einrichtung ist z. B. aus der DE-AS 21 60 001 und der DE-OS 09 993 bekannt.

Die zulässige Verlustleistung einer Halbleiteranordnung im Dauerbetrieb ist direkt proportional der Übertemperatur und umgekehrt proportional dem Wärmewiderstand. Der Wärmewiderstand ist die Summe aus Halbleiter-, Kühlkörper- und Übergangswiderstand zwischen beiden Elementen. Die Übertemperatur ist die Differenz aus der zulässigen Temperatur des Halbleiterkristalls, die typenabhängig ist, und der des Kühlmediums. Die Verlustleistung setzt sich zusammen aus Durchlaßverlusten, Sperr- und Blockierverlusten, Schaltverlusten und beim Thyristor noch aus den Steuerverlusten. Sie alle stehen in bezug zum Durchlaßstrom.

Die Belastbarkeit (Durchlaßstrom) eines Halbleiters ist damit abhängig von der Größe des Wärme Widerstandes und der Übertemperatur. Da die Übertemperatur bei gegebenem Halbleitertyp nur noch von der Temperatur des Kühlmediuais abhängig ist Dieses jedoch stark von den Umweltbedingungen geprägt wird, ist ein Ansatz zu einer spürbaren Leistungsvergrölierung (Durchlaßstrom) im wesentlichen durch eine Verringerung des Gesamtwärmewiderstandes realisierbar.

ίο Wird der Wärmewiderstand des Halbleiterelementes als gegeben angenommen, sind nur noch der Wärmewiderstand des Kühlkörpers und der des Überganges zwischen ihm und dem Halbleiterelement beeinflußbar. Der Wärmewiderstand des Kühlkörpers setzt sich zusammen aus dem der Wärmeleitung und dem des Wärmeüberganges vom Kühlkörper zum Kühlmedium. Der Widerstand des Wärmeüberganges ist umgekehrt proportional der Wärmeübergangsfläche und dem Wärmeübergangswert. Großflächige Kühler sind deshalb die Folge kleiner Übergangswerte. Der Wärmeübergangswert, in den vorliegenden Fällen nur bezogen auf Konvektion, ist von verschiedenen Faktoren abhängig. So von der kinematischen Zähigkeit und dem Strömungszustand in der Grenzschicht des KUhlmediums. Daraus resultiert die Überlegenheit der Flüssigkeitskühlung gegenüber einer Gaskühlung. Großflächige Kühler bilden deshalb auch das Charakteristikum der Luftkühlung. Daraus ergibt sich dann wieder eine Vergrößerung des Widerstandes durch Wärmeleitung, denn er ist direkt proportional einem mittleren Wärmestrompfad, und umgekehrt proportional einer mittleren Wärmeleitfläche und der Wärmeleitfähigkeit, resultierend aus der Konfiguration und dem Material des Kühlkörpers.

Bei einer bekannten Kühlanordnung erfolgt ein Einbau des gesamten Halbleiterbauelementes einschließlich Kühlkörper in einen mit einer Flüssigkeit, z.B. Öl, gefüllten Behälter (DE-OS 22 28 900). Eine maßgebende Herabsetzung des Wärmewiderstandes ist bei dieser bekannten Anordnung jedoch nicht möglich. Nachteilig ist hierbei weiterhin die schlechte Zugänglichkeit der Halbleiterbauelemente, die die Wartung und Auswechselung defekter Elemente erschwert

Bei einer weiteren bekannten Anordnung (CH-PS 4 14 871) sind die Halbleiterbauelemente auf isolierenden Platten angeordnet, die die eine Seite eines leitenden, mit der Kühlflüssigkeit gefüllten Behälters bilden. Bei dieser bekannten Anordnung ist zwar eine Zugänglichkeit der Halbleiterbauelemente sichergestellt, jedoch erfolgt auch bei dieser keine ausreichende Verminderung des Wärmewiderstandes zwischen Halbleiterelement und Kühlmittel.

Bei der oben erwähnten bekannten Halbleiteranordnung (DE-AS 21 60 001) ist der Halbleiterkörper jeweils in einem scheibenförmigen Gehäuse in Gestalt einer Kontakttablette angeordnet, auf denen gekühlte elektrische Anschlußkörper unter Druck aufliegen. Die Anschlußkörper sind schienenförmig ausgebildet und mit parallel verlaufenden Kühlkanälen versehen, durch welche das Kühlmittel zugeführt wird. Zwischen den innenliegenden elektrischen Anschlußkörpern und dem scheibenförmigen Gehäuse der Halbleiterbauelemente sind Durchtrittsöffnungen für das Kühlmittel vorgesehen, so daß diese Anschlußkörperteile vom zurückströmenden Kühlmittel umspült werden. Das Kühlmittel wird durch eine seitliche Öffnung des Gehäuses abgeführt. Das Kühlmittel strömt also in parallelen Bahnen in Gegenrichtung zu den bereits erwähnten

Kühlrohren durch den Anschlußkörper.

Bei einer weiteren bekannten Halbleiteranordnung (DE-OS 22 09 993) sind mehrere Halbleiterkörper in scheibenförmiger Bauweise mit beidseitig angeordneten Kontaktkörpern in Paketform vorgesehen und in einem Kühlkanal untergebracht Die Partien der scheibenförmigen Gehäuse der Halbieiterkörpei. weiche außerhalb der Kontaktkörper liegen, werden dabei direkt von dem Kahlmittel umspült und gekühlt.

Es ist fernerhin bekannt, die Stromzufuhr- und Abführungskörper als Rotationskörper auszubilden, und dievc mit einer konzentrischen Bohrung zu versehen und in dieser Bohrung em zu dieser konzentrisch angeordnetes Rohr vorzusehen. Durch dieses Rohr wird das Kühlmittel eingeführt und strömt durch den Hohlraum zwischen Bohrung und den äußeren Wänden des Rohres wieder zurück (US-PS 28 15 473 und US-PS 34 00 543).

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die bekannten Kühlanordnungen für scheibenförmige Halbleiterelemente in bezug auf die Wärmeabfuhr zu verbessern und einen Kühlkörper zu schaffen, bei dem sowohl der eigene Wärmewiderstand als auch der des Überganges zu dem Halbleiterelement herabgesetzt wird, so daß eine bessere Ausnutzung, also eine höhere Strombelastung des Halbleiterelementes zugelassen werden kann. Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht bei der eingangs erwähnten Anordnung erfindungsgemäß darin, daß die Ausnehmungen ein Muster sich kreuzender Kanäle bilden, daß die Tiefe der Ausnehmungen im Peripheriebereich des axialsymmetrischen Kühlkörpers kleiner ist als im Zentralbereich und daß die Tiefe der Ausnehmungen sich in solcher Weise ändert, daß die miteinander verbundenen Bodenflächen der Ausnehmungen eine — von der Halbleiterzellenoberfläche aus gesehen — konkave Verschneidungsflächen bilden würden, und daß der Kühlkörper eine axialsymmetrische, mit einem KOhlmittelanschluß in Strömungsverbindung stehende Bohrung aufweist, von der weitere achsenparallele Bohrungen kleineren Durchmessers in die Kühlkanäle münden, und daß der andere Kühlmittelanschluß eine Bohrung ist, die in einen den Peripheriebereich des Kühlkörpers umgebenden den Sammelkanal bildenden Ringkanal mündet

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung gelangt die Kühlflüssigkeit über einen Flüssigkeitsanschluß in die Bohrungen und verteilt sich radial nach außen fließend über die waffelartigen Ausnehmungen und gelangt, die Oberfläche des Halbleiterelements direkt berührend in den ringförmigen Sammelkanal, wo die erwärmte Kühlflüssigkeit abgeführt wird. Dabei wird der größte Teil der Verlustleistung von der Kühlflüssigkeit direkt an der Oberfläche des Halbleiterelementes erfaßt und der Rest muß nur kurze Wärmeleitwege im Kühlkörper bis zum Übertritt in die Kühlflüssigkeit zurücklegen, womit der Wärmewiderstand der Kühleinrichtung sehr klein und die elektrische Strombelastbarkeit des Halbleiterelementes sehr groß wird.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß absolut ebene und parallele Flächen praktisch nicht herstellbar sind. Bei einer Flächenberührung stellt sich nur eine Punktberührung an einigen Stellen ein, deren Anzahl und Größe abhängig sind von der Gestalt und der Güte der Oberflächen, der Anpreßkraft und der Druckfestigkeit der zu paarenden Materialien. Auch bei ebenen Flächen erfolgt also der Übergang des Wärmestromes nur über einige parallele Pfade kleinen Querschnittes. Da weiter die spezifische Pressung bei flächenhaften Kontakten sich nur mit etwa der Hälfte von Oo2-Grenze des weicheren Materials einstellt, reicht dieser Druck nicht aus rein metallische Berührung herzustellen. Die immer vorhandenen Fremdschichten, wie Oxyde, werden damit nicht, oder nur selten durchbrochen. Sogenannte Wärmeleitpaste verbessert zwar die Verhältnisse etwas, stellt jedoch nicht die Werte ein, die bei rein metallischer, großflächiger Berührung möglich wären.

Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt kurze Wärmeleitwege, gute Leitfähigkeit und ist relativ großflächig. Außerdem ermöglicht sie, daß das Kühlmedium zumindest einen Teil der äußeren Fläche der Abdeckbleche des Halbleiterelementes direkt berührt, so daß sich bedingt durch den sehr kleinen Wärmewiderstand eine optimale Kühlwirkung ergibt

Die Kühlflüssigkeit gelangt dabei z. B. über den einen Flüssigkeitsanschiuß in die zentrisch zur Mittelachse des Kühlkörpers verlaufende Bohrung und von dort durch die axialen Bohrungen kleineren Durchmessers in die Kühlkanäle. Durch den konkaven Verlauf der Begrenzung der Kühlkanäle ist eine gleichmäßige Verteilung der Kühlflüssigkeit über die Fläche der Halbleiterscheibe sichergestellt. Die Kühlflüssigkeit gelangt anschließend durch die Kühlkanäle in den im Kühlkörper angeordneten konzentrisch zur Kühlkörperlängsachse verlaufenden ringförmigen Sammelkanal und von dort in den Flüssigkeitsanschluß für die Kühlmittelabfuhr.

Weitere Einzelheilen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt die

F i g. 1 einen Teilschnitt durch eine Scheibenzelle mit beidseitig angeordneten Kühlkörpern und die

F i g. 2 eine Ansicht auf die Kontaktierungsfläche des Kühlkörpers.

Die Halbleiterscheibenzelle 1 besteht aus einem Oxydkeramikgehäuse 2 und den topfförmigen Abschlußblechen 3 und wird beidseitig mit Kühlkörpern 5 und 10 bestückt. Die zum Aufbringen des Kontaktdrucks erforderliche elastische Vorspanneinrichtung ist nicht dargestellt.

Der Kühlkörper 10 besteht aus einem Metall guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. Kupfer, und ist ein um seine Längsachse rotationssymmetrischer Körper. Seine der Scheibenzelle zugewandte Kontaktfläche 11 weist ein waffelartiges Muster auf. Das Waffelmuster wird gebildet durch sich kreuzende Ausnehmungen 13, so daß prismatische Körper 12 stehen bleiben, die im Ausführungsbeispiel jeweils einen quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlänge von etwa 2,5 mm haben. Der Abstand zwischen zwei prismatischen Körpern 12 beträgt etwa 1 mm, so daß sich als Diagonale 14 zwischen den Ecken von zwei in verschiedenen Ebenen liegenden prismatischen Körpern 12 ca. 1,5 mm ergeben. Die Länge der prismatischen Körper 12 nimmt von der Mittelachse nach außen ab, entsprechend einer zur Halbleiterfläche konvexen Verschneidungsfläche 15. Diese Formgebung ist unter Berücksichtigung eines möglichst gleichbleibenden Strömungswiderstandes gewählt. Die Fläche 15 ist so gelegt, daß sie sich mit der Innenwandung 17, jedoch nicht mit der Außenwandung 18 eines Ringkanales 16 schneidet. Vom Ringkanal 16 fü^rt mindestens eine Bohrung 19 nach außen, an der ein Kühlmittelflüssigkeitsanschluß 23 angebracht ist.

Von der oberen Fläche 20 des Kühlkörpers 10 ist zentrisch zur Mittelachse eine Bohrung 21 eingebracht, deren Tiefe geringer ist als der kleinste Abstand der

gekrümmten Verschneidungsfläche 15 von der ebenen Fläche 20. Im Bereich der Projektion der Bohrung 21 verbinden an den Enden der Diagonalen 14 Bohrungen 22 die Bohrung 21 mit den Kühlkanälen 13.

Die Kühlflüssigkeit tritt von dem Kühlmittelanschluß in die Bohrung 21 ein und fließt über die Bohrungen 22 in die Kühlkanäle 13, umspült die prismatischen Körper 12, benetzt die von diesen nicht abgedeckte Fläche der Scheibenzelle 1 und des Abschlußbleches 3, tritt in den Ringkanal 16 und fließt von dort über die Bohrung 19 aus dem Kühlkörper 10 aus. Die Strömung kann natürlich auch in umgekehrter Richtung verlaufen.

Im Ausführungsbeispiel ist die Bohrung 21 mit einem Stopfen 28 verschlossen und die Kühlflüssigkeit tritt über mindestens eine radial verlaufende Bohrung 23 in die Bohrung 22 ein.

Der Durchmesser des Kühlkörpers 10 ist im unteren Bereich 24 zwischen den Bohrungen 19 und 23 auf einen kleineren Durchmesser im Bereich 25 abgesetzt. An der dadurch entstehenden Ringfläche 26 greift die nicht dargestellte Spannvorrichtung an. Der untere Kühlkörper 5 ist in gleicher Weise wie der Kühlkörper 10 aufgebaut.

Weiter sind von der Fläche 20 aus Gewindebohrungen 27 in den Kühlkörper 10 eingebracht, die mittels Schrauben den Anschluß elektrischer Zuleitungen an den Kühlkörper ermöglichen.

Schließlich ist eine im Ausführungsbeispiel nicht dargestellte Dichtung vorgesehen, die verhindert, daß Kühlflüssigkeit aus dem Verband von Kühlkörper und Halbleiterelement austritt. Hierzu dient z. B. ein O-Ring, der in eine nach innen verlaufende kreisförmige Nut des Abschlußbleches 3 unterhalb des Bereiches 24 hineinragt und zum hochgezogenen Kragen 4 des Abschlußbleches 3 die Dichtung herstellt. Die Abdichtung läßt sich grundsätzlich auch durch den äußeren Aufbau des Gehäuses realisieren.

Der Kühlkörper 5 bzw. iö kann sowohl durch ein spanabhebendes Arbeitsverfahren als auch im Feingußverfahren (z. B. mittels verlorener Form) hergestellt werden, auch kann er als gesintertes Teil hergestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranordnung mit einer scheibenförmigen Halbleiterzelle und an beiden Stirnflächen der Halbleiterzelle direkt anliegenden Kühlkörpern, die in der an dem Zellengehäuse anliegenden Oberfläche mit Ausnehmungen versehen sind, welche zusammen mit den stehenbleibenden Stegen Kühlkanäle für die Kühlflüssigkeit bilden, wobei die Ausnehmungen im Kühlkörper zur Halbleiterzelle hin offen ausgebildet sind, und mit mindestens einem Sammelkanal, in den die Kühlkanäle einmünden, sowie mit mindestens je einem Anschluß für die Kühlmittelzufuhr bzw. Abfuhr, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (13) ein Muster sich kreuzender Kanäle bilden, daß die Tiefe der Ausnehmungen (13) im Peripheriebereich des axialsymmetrischen Kühlkörpers (10) kleiner ist als im Zentralbereich und daß die Tiefe der Ausnehmungen (13) sich in solcher Weise ändert, daß die miteinander verbundenen Bodenflächen der Ausnehmungen (13) eine — von der Halbleiterzellenoberfläche (11) aus gesehen — konkave Verschneidungsfläche (15) bilden würden, und daß der Kühlkörper (10) eine axialsymmetrische, mit einem Kühlmittelanschluß (23) in Strömungsverbindung stehende Bohrung (21) aufweist, von der weitere achscnparallele Bohrungen kleineren Durchmessers (22) in die Kühlkanäle (13) münden, und daß der andere Kühlmittelanschluß eine Bohrung (19) ist, die in einen den Peripheriebereich des Kühlkörpers (10) umgebenden, den Sammelkanal bildenden Ringkanal (16) mündet.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelkanal (16) des Kühlkörpers (10) ringförmig ausgebildet ist.