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Wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Befestigungsanordnung für eine Leistungshalbleitervorrichtung,
die in Verbindung mit einer Wärmerohrkühlung benutzt wird.
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Halbleitervorrichtungen der verschiedenen Arten werden fortwährend
für Leistungszwecke im Unterschied zu reinen Signalanwendungen größer ausgebildet.
Die größere Ausbildung der Vorrichtung und der höhere Strom sowie die Leistungsrate
erfordern eine wirksame Einrichtung zum Abführen der in der Vorrichtung erzeugten
Wärme, um diesen Betrieb innerhalb der veranschlagten Dauerzustands- und Übergangstemperaturgrenzen
zu halten. Da der Zukunftstrend unzweifelhaft in einer Vergrößerung der Leistungsrate
von Halbleitervorrichtungen sogar über die zur Zeit verwendete besteht, ergibt es
sich, daß eine wirkungsvollere Kühleinrichtung für derartige Leistungsvorrichtungen
vorgesehen werden muß.
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Herkömmliche Kühlsysteme für Leistungshalbleitervorrichtungen sind
allgemein in Form einer gerippten Wärme#senke oder Kühlkörpers ausgebildet, der
einen Leitungswärmeübergang innerhalb des Kühlkörpers als Mittel zum Übertragen
bzw. Abführen der Wärme von der Halbleitervorrichtung ausnutzt. Eine Beschränkung
der üblichen gerippten Kühlkörperausbildung ergibt sich aufgrund der Unwirksamkeit
im Wärmeleitungsübergang, wenn die Wärmeübertragungslänge (Länge des gerippten Abschnitts
und die Rippenhöhe) vergrößert wird. Der thermische Widerstand von der Halbleitervorrichtung
zur Umgebung besitzt eine derartige Leitungsgrenze, daß bei einer festen Kühlluftströmgeschwindigkeit
ein Zufügen eines stärker gerippten
Oberflächenbereiches durch
Vergrößern der gerippten Länge bzw. der Rippenhöhe oder bei einer festen Geometrie
ein Vergrössern der Kühlluftströmgeschwindigkeit nicht zu einer weiteren Abnahme
des thermischen Widerstandes führt.
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Wärmerohre sind bekannte Vorrichtungen zum Bewirken eines Wärmeübergangs
durch Verdampfen einer flüssigen Phase eines zweiphasigen Fluidkühlmittels, das
in einer abgedichteten Kammer oder einem Rohr enthalten ist, und zwar durch Aufbringen
von Wärme auf einen Verdampfungs- bzw. Verdunstungsabschnitt der Kammer. Der Verdampfungsabschnitt
des Wärmerohres nimmt daher die Wärme von der zu kühlenden Vorrichtung auf, und
der sich unter einem vergleichsweise höheren Dampfdruck befindliche erwärmte Dampf
bewegt sich zum Bereich geringeren Druckes im Kondensationsabschnitt der Kammer
oder des Rohres durch einen im wesentlichen isothermen Vorgang. Hierbei kondensiert
der Dampf, und das Kondensat kehrt zum Verdampferabschnitt zwecks erneuter Verdampfung
zurück, wobei der Wärmeübergangszyklus wiederholt wird. Der Kondensationsabschnitt
des Wärmerohres stellt tatsächlich einen luftgekühlten Oberflächenkondensator dar,
durch den die Wärme an die Umgebungsluft zurückgeführt wird. Ein längs im wesentlichen
der gesamten Innenfläche des Wärmerohres angeordnetes Dochtmaterial wird gewöhnlich
dazu benutzt, das Kondensat durch Kapillarwirkung zum Verdampferabschnitt des Wärmerohres
zu pumpen. Da das Wärmerohr keine Wärmeleitung als Wärmeübergangsvorgang benutzt
(mit Ausnahme der Wärmeübertragung indas und aus dem Wärmerohr), werden die den
herkömmlichen gerippten Kühlkörpern anhaftenden Beschränkungen aufgrund der mit
vergrößerter Pfadlänge verminderten Wirksamkeit des Wärmeleitungsübergangs überwunden,
was darauf hinweist, daß das Wärmerohr eine günstigere Vorrichtung zum Verwenden
beim Kühlen von Leistungshalbleitervorrichtungen darstellt.
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Die Verwendung von Wärmerohren zum Kühlen von Leistungshalbleitervorrichtungen
wurde kürzlich bekannt. Die erste Anwendung einer Wärmerohrkühlung von Leistungshalbleitervorrichtungen
dürfte durch die Heat-Pipe Corporation of America of Westfield, New Jersey, erfolgt
sein, da die Verkaufsunterlagen dieser Firma allgemein darauf
hinweisen,
daß Wärmerohre zum Wärmetransport bzw. zur Wärmeabführung von elektrischen Motoren,
Halbleitern, Bremsen und Kupplungen sowie anderen wärmeerzeugenden Vorrichtungen
benutzt wurden.
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Eine von der RCA Corporation at Lancaster, Pa., vorbereitete Veröffentlichung
als abschließender technischer Bericht vom Oktober 1972 beschreibt wärmerohrgekühlte
Halbleiterthyristorvorrichtungen. Diese Anordnung hat jedoch nicht die erfindungsgemäße
Fähigkeit im Zusammenhang mit dem Abnehmen der Halbleitervorrichtung, da beim Abnehmen
bzw. Austauschen derselben das Wärmerohr wegen der einteiligen Ausbildung mit dem
Docht auch verlorengeht. Die Benutzung eines mit Docht versehenen Wärmerohres in
der RCA-Anordnung führt zu großen thermischen Verlusten, und die Dochtpumpverluste
steigen mit der Länge, wodurch die Länge des wirksam verwendbaren Wärmerohres beschränkt
ist. Demgegenüber wird nach der vorliegenden Erfindung ein dochtfreies Wärmerohr
benutzt. Und schließlich befindet sich bei der RCA-Anordnung der Docht in direktem
Kontakt mit der Halbleitervorrichtung, wodurch keine beträchtliche Wärmespeicherung
während der Wärmeübergänge zugelassen wird. Daher dürfte die RCA-Anordnung während
eines Wärmeübergangs nicht den sich ergebenden Temperaturanstieg vermindern können,
da die Dochttemperatur in weitgehend gleichem Maße wie der Wärmeübergang ansteigt,
was sicher zu einem Austrocknen des Dochtmaterials führt. Erfindungsgemäß wird eine
Druckplatte als Grenzschicht zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Verdampferabschnitt
des Wärmerohres zur Erzielung einer Wärmespeicherung während der Wärmeübergänge
benutzt. Und schließlich ist die Wärmerohrkühlung von Leistungshalbleitervorrichtungen
ebenfalls in einem Bericht mit dem Titel APPLICATION OF HEAT PIPES TO THE COOLING
OF POWER SEMI-CONDUCTORS von Edward J. Kroliczek der Dynatherm Corporation of Cockeysville,
Md., erwähnt. Dieser Bericht beschreibt das Befestigen einer Leistungshalbleitervorrichtung
an einem Wärmerohr, das sich von der vorliegenden Erfindung darin unterscheidet,
daß in der Dynatherm-Anordnung ein mit Docht versehenes Wärmerohr benutzt wird.
Auch verwendet die Dynatherm-Anordnung für eine einseitige Kühlung zwei Wärmerohre,
von denen jedes einen kleinen Querschnitt und einen flachen Aufbau hat, was auch
den thermischen Widerstand beträchtlich vergrößert. Die Orientierung der schmalen
Wärmerohre
relativ zu den großen Kühlrippen in der Dynathe#rm-Anordnung
führt auch zu einer schlechten Wärmeverteilung, da bei dem Wärmeleitungsübergang
die Wärme seitlich von den Kanten der Wärmerohre zu den äußeren Teilen der Rippen
übertragen werden muß.
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Nach der vorliegenden Erfindung sollen die vorstehenden Nachteile
vermieden werden. Kurz zusammengefaßt ist erfindungsgemäß eine wärmerohrgekühlte
Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung vorgesehen, bei der zwei Druckplatten an
gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung befestigt und miteinander verschraubt
sind, um dadurch Wärmespeicherungs- und Druckgrenzschichten zu bilden. Die Leistungshalbleitervorrichtung
kann einseitig gekühlt sein, wobei nur eine der-Druckplatten als Grund- und Verdampferoberfläche
eines dochtfreien Wärmerohres vom Schwerkraftrückführungstyp fungiert. Im Fall einer
doppelseitigen Kühlung der Vorrichtung wird die zweite Druckplatte ebenfalls als
Grund- und Verdampferoberfläche eines zweiten dochtfreien Wärmerohres mit Schwerkraftrückführung
verwendet. Die Wärmeübertragungsfähigkeit der Druckplattenverdampferoberfläche wird
durch Aufsintern eines porösen metallischen Materials auf die Innenfläche oder durch
Aufbringen einer schmalen Rippenfläche verstärkt, um zwei Beispiele zu nennen. Die
die Leistung zur Leistungshalbleitervorrichtung führenden elektrischen Leiter können
herkömmlich an den Druckplatten angebracht sein, die durch Mutter-Schrauben-Anordnungen
zusammengeklemmt werden, um auf die Leistungshalbleitervorrichtung einen ausreichenden
Druck zur Erzielung eines guten thermischen und elektrischen Kontaktes aufzubringen.
Die Leistungshalbleitervorrichtung ist leicht durch Entfernen der Druckplatten-Klemmschrauben
austauschbar. Eine derartige Lage der Verdampferoberfläche des Wärmerohres in relativ
großer Nähe der wärmeabgebenden Leistungshalbleitervorrichtung führt zu einer Abnahme
des thermischen Widerstandes im Dauerzustand wie auch des Übergangswärmeanstiegs
für langzeitige Wärmeüberlastungen, wodurch eine verbesserte Verdampfungskühlung
der Vorrichtung erfolgt. Wenn das Halbleitermaterial in der Leistungshalbleitervorrichtung
nicht passiviert ist, erstreckt sich um eine solche Halbleitervorrichtung eine geeignete
hermetische Abdichtung.
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Die Erfindung wird sowohl hinsichtlich ihrer Einrichtung als auch
Betriebsweise unter Bezug auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den
Zeichnungen näher erläutert, wobei ähnliche Teile in den verschiedenen Figuren mit
denselben Hinweiszahlen belegt sind. Es zeigen: Figur 1 - eine teilweise geschnittene
Aufsicht einer einseitig wärmegekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung
nach der vorliegenden Erfindung, Figur 2 - eine teilweise geschnittene Aufsicht
einer doppelseitig wärmerohrgekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung nach
der vorliegenden Erfindung und Figur 3 - eine fragmentarische Ansicht der Leistungshalbleitervorrichtung
und einer der Druckplatten, deren Verdampferoberfläche eine schmal gerippte Anordnung
zum Vergrößern der maximalen Wärmeübertragungsrate von der Halbleitervorrichtung
zum Wärmerohr aufweist.
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In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, bei der ein einziges dochtfreies Wärmerohr vom Schwerkraftrückführungstyp
als Ganzes mit der Hinweis zahl lo belegt ist und zur Erzielung einer einseitigen
Kühlung einer insgesamt mit 11 bezeichneten Leistungshalbleitervorrichtung benutzt
wird. Die Einzelheiten der Leistungshalbleitervorrichtung 11 sind in Figur 3 dargestellt,
nach der die Vorrichtung als geschichteter Körper ein Halbleitermaterial lla mit
ersten sowie zweiten flachen, parallelen Hauptoberflächen llb und llc enthält, die
den dazwischen befindlichen Körper aus Halbleitermaterial begrenzen. Die zerbrechlichen
Siliziumübergangszonen sind gegen thermische und mechanische Belastungen geschützt,
indem die erste Hauptoberfläche llb an eine Stützplatte lld angelötet bzw. -geschweißt
oder mit dieser in anderer Weise verbunden ist, wobei die Stützplatte aus Wolfram
oder Molybdän als zwei typische Metalle hergestellt ist. Die zweite Hauptoberfläche
llc des Halbleiterkörpers ist nicht mit der Stützplatte lle verbunden, sondern wird
bloß hiermit in Druckkontakt gehalten, um ein Brechen oder ein anderes Zerstören
des Halbleiterkörpers zu verhindern, was aufgrund der thermischen Ausdehnungsbelastungen
im Verlauf der Übergangszonentemperatur während des Übergangsbetriebes
auftreten
könnte, der in der Größenordnung von 2000C liegen kann. Das Material der Stützplatten
11d und ile muß eine gute elektrische sowie thermische Leitfähigkeit aufweisen und
eine hohe Festigkeit sowie einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der
im wesentlichen gleich demjenigen des Halbleitermaterials ist. Der Halbleiterkörper
bleibt immer mit der bestimmten Stützplatte verbunden, die sich auf der Seite befindet,
mit der das Wärmerohr im Fall von einseitig gekühlten Vorrichtungen verbunden wird.
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Die Leistungshalbleitervorrichtung stellt vorliegend eine Vorrichtung
dar, die eine thermische Dichte von zumindest 15,5 Watt pro cm2 (loo Watt pro Zoll
längs ihrer Oberflächen entwickelt. Die Leistungshalbleitervorrichtung wird zwischen
einem Paar von Druckplatten loa und 12 gehalten, die zum Aufbringen eines Drucks
in der 2 Größenordnung von etwa 140,62 kp/cm (2000 lbs. pro sq in) auf die Leistungshalbleitervorrichtung
zusammengeklemmt werden. Ein Druck dieser Größe bildet Druckgrenzschichten zwischen
der Druckplatte loa und der Stützplatte lld, zwischen dem Körper des Halbleitermaterials
11a und der Stützplatte lle und zwischen der letzteren und der Druckplatte 12, die
eine gute thermische sowie elektrische Qualität hat. Daher befinden sich die flachen
Oberflächen in gleichförmig ausreichendem Druckkontakt mit vernachlässigbaren Leerräumen
dazwischen, wodurch die thermischen sowie elektrischen Widerstände 2 auf sehr kleine
Werte in der Größenordnung von o,o970C - cm2/Watt (o,ol5°C-inch2/Watt) und 20 x
lo 6 Ohm reduziert werden. Als typisches Beispiel für die Abmessungen des Druckgrenzschichtteils
der vorliegenden wärmerohrgekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsan ordnung weist
der Körper des Halbleitermaterials lla eine Dicke von o,25 mm (lo mils) und einen
Durchmesser von 50,8 mm (2000 mils) bei einer Halbleitervorrichtung mit 700 Ampere
und 1200 Volt auf. Die Stützplatten 11d sowie 11e haben jeweils eine Dicke von etwa
1,o2 mm (40 mils), während die Dicke der Druckplatten loa sowie 12 jeweils 2,54
bis 7,62 mm (loo bis 300 mils) beträgt. Die Druckplatten loa sowie 12 sind aus einem
Material mit guten elektrischen und thermischen Leitfähigkeitseigenschaften, wie
beispielsweise aus Kupfer, hergestellt. Die Klemmeinrichtung für die Druckplatten
loa und 12 besteht aus einer Anzahl von metallischen Mutter-Schrauben-Anordnungen
13,
die mit geeigneten elektrischen Isolierscheiben 14 versehen sind. Jede Schraube
greift durch ausgerichtete Öffnungen bzw.
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Bohrungen in Flanschteilen von Druckplatten loa und 12, wie es in
Figur 1 dargestellt ist, oder durch ausgerichtete Öffnungen bzw.
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Bohrungen in Außenteilen von ebenen Druckplatten mit einem größeren
Durchmesser gemäß Figur 2. Die zum Aufnehmen der Schrauben bzw.
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Bolzen 13 geeigneten Flanschteile der Druckplatten in Figur 1 können
einteilig mit dem Grundteil ausgebildet sein, wie es hinsichtlich der Druckplatte
12 dargestellt ist. Oder die Flanschteile können getrennt vom Grundteil hergestellt
und dann mit diesem verlötet, verschweißt oder in anderer Weise verbunden sein,
wie es im Zusammenhang mit der Druckplatte loa dargestellt ist. Die Metallschrauben
oder -bolzen sind mit geeigneten elektrischen Isolierummantelungen 13a versehen,
um einen Kurzschluß über die Druckplatten durch die Schrauben oder Bolzen zu vermeiden.
Ein Paar elektrischer Leistungs- bzw. Starkstromleiter 15 und 16 ist mit den Druckplatten
loa und 12 geeignet verbunden, indem die Leiter an Anschlüsse loa' und 12' angelötet
sind. Die Anschlüsse sind mit den Druckplatten verbunden oder als sich von diesen
erstreckende Streifenteile ausgebildet, um zwei Beispiele zu nennen.
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Aufgrund des geringen Abstandes zwischen den Druckplatten loa und
12 (2,29 mm bzw. 90 mils bei den oben beschriebenen Abmessungen) und aufgrund eines
typischen Anoden-Kathoden-Potentials von 1200 Volt, die an die Leiter 15 und 16
angelegt werden, ist eine Einrichtung zum Vergrößern des Kriechweges zwischen den
sich auf den Spannungen bzw. Potentialen der Leiter 15 und 16 befindlichen Druckplatten
loa und 12 zum Verhindern eines Lichtbogens erforderlich. Eine Silikonkautschukzusammensetzung
17, wie der von der General Electric Company hergestellte Typ RTV, kann benutzt
werden, um den Leerraum bzw. die Lücke zwischen den Druckplatten loa und 12 vollständig
zu füllen und hierdurch auch eine hermetische Abdichtung um die Leistungshalbleitervorrichtung
11 zu bilden.
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Eine solche Kautschukzusammensetzung läuft gemäß Figur 1 über die
Seitenflächen der Druckplatten zur Erzielung des vergrößerten Kriechweges zwischen
denselben. Alternativ und gemäß Figur 2 kann ein Gummi bzw. Kautschuk oder eine
Scheibe 17 aus anderem elektrisch
isolierendem Material sowie mit
einem Durchmesser, der beträchtlich größer als der Durchmesser der Druckplatten
ist, in den Spalt zwischen den Druckplatten vor dem Zusammenklemmen derselben eingefügt
werden. Wenn der Innendurchmesser der Scheibe 17 dem Durchmesser der Halbleitervorrichtung
entspricht und wenn das Scheibenmaterial irgendwie nachgiebig ist, kann eine solche
Scheibe ebenfalls eine hermetische Abdichtung hierfür bilden. Alternativ ist der
Innendurchmesser der elektrischen Isolationsscheibe 17 größer als der Durchmesser
der Halbleitervorrichtung, jedoch kleiner als der Durchmesser der Druckplatten,
und eine geeignete 0-Ring-Abdichtung 21 erstreckt sich um die Halbleitervorrichtung
zwischen den'Druckplatten zur Erzielung der hermetischen Abdichtung. Diese Maßnahme
wird vorzugsweise in Verbindung mit der Scheibe 17 in Figur 2 benutzt, um eine hermetische
Abdichtung um die Leistungshalbleitervorrichtung sicherzustellen, da die Scheibe
allein gegebenenfalls nicht die günstige hermetische Abdichtung bildet, die von
dem T-Börmigen Isolationsglied 17 in Figur 1 erzeugt werden kann. Die vorliegende
wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung kann auf einem geeigneten
Arm oder einem anderen Aufbau mittels einer oder mehrerer Bodenteile der Bolzen
oder Schrauben 13 befestigt sein, um ein Beispiel zu nennen.
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Wenn schließlich die Leistungshalbleitervorrichtung vom Dreielektrodentyp
ist, weist die dritte Elektrode (allgemein als Gate oder Steuerelektrode bezeichnet)
eine Verbindung mit einem dritten elektrischen Leiter 18 durch eine Öffnung 19 auf,
die in der Druckplatte 12 ausgebildet und mit der erwünschten Gate-Elektrode ausgerichtet
ist, wobei der Leiter 18 in geeigneter Weise von der Druckplatte 12 elektrisch isoliert
ist.
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Das Wärmerohr ao ist eine abgedichtete #arnm er oder ein Rohr, das
einen in Kontakt mit der Wärmequelle (der zu kühlenden Halbleitervorrichtung) befindlichen
Verdampferabschnitt und einen Kondensat tionsabschnitt enthält, der sich am gegenüberliegenden
Ende der Kammer befindet und der durch einen Abstand von bis zu einigen Fuß getrennt
sein kann. Ein zweiphasiges Fluidkühlmittel befindet sich innerhalb des Wärmerohres
und bewirkt die Wärmeübertragung durch Verdampfen einer flüssigen Phase des SUhlmlttels
infolge der
Wärmeleitung durch die Druckplatte loa von der Leistungshalbleitervorrichtung
11 zum Verdampferabschnitt des War-merohr~s, Meser empfängt somit die Wärme von
der zu kühlenden Vorrichtung, und der sich unter einem vergleichsweise höheren Dampfdruck
befindliche, erwärmte Dampf bewegt sich zum Niederdruckbereich im Kondensationsabschnitt
des Wärmerohres, das als Oberflächenkondensator fungiert.
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Im Kondensationsabschnitt kondensiert der Dampf, und das Kondensat
kehrt zum Verdampferabschnitt zurück, um erneut verdampft zu werden und somit erneut
den Wärmeübertragungszyklus zu wiederholen.
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Der Kondensationsabschnitt des Wärmerohres hat eine relativ große
thermische Masse infolge seines großen Oberflächenbereiches und ist mit einem gerippten
Wärmeaustauscher ausgebildet, um hierdurch als luftgekühlter Oberflächenkondensator
zu fungieren, der die Wärme an die den Kondensationsabschnitt umgebende Umgebungsluft
zurückführt. Zur Erzielung einer noch wirkungsvolleren Abgabe der Wärme an die Umgebungsluft
wird ein Gebläse oder eine andere Einrichtung für eine erzwungene Luftkühlung benutzt,
indem eine ausreichende Luftgeschwindigkeit der die Kühlrippen gemäß den Pfeilen
in Figur 1 passierenden Umgebungsluft entwickelt wird. In herkömmlichen Wärmerohren
wird ein Kapillarpumpaufbau oder ein Docht mit der flüssigen Phase des Kühlmittels
gesättigt und zum Pumpen des Kondensates durch Kapillarwirkung zum Verdampferabschnitt
des Wärmerohres benutzt.
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Erfindungsgemäß wurde jedoch festgestellt, daß ein Docht für den Betrieb
des Wärmerohres unwichtig ist, wenn es sich hierbei um einen Schwerkraftspeisungstyp
handelt, das heißt, wenn das Wärmerohr unter einem Winkel gegenüber der Horizontalen
ausgerichtet 0 ist, der nicht notwendigerweise den Extremfall von 90 gemäß Figuren
2 und 3 annehmen muß. Herkömmliche Wärmerohre sind im allgemeinen für einen Betrieb
in horizontaler Ausrichtung und innerhalb eines bestimmten Winkelbereiches gegenüber
der Horizontalen bestimmt. Alle die in den obengenannten Veröffentlichungen gezeigten
Wärmerohre befinden sich in einer Horizontalausrichtung, so daß sie den Docht zum
Pumpen des kondensierten Fluids vom Kondensationsabschnitt zum Verdampferabschnitt
erfordern. Im schwerkraftgespeisten Wärmerohr kehrt das kondensierte Fluid durch
Schwert
kraft zum Verdampferabschnitt zurück. Das Fehlen des Dochtmaterials
längs der verschiedenen Innenflächen des Wärmerohres nach der vorliegenden Erfindung
führt zu einem verminderten thermischen Widerstand, da der Docht eine andere thermische
Widerstands-(Verlust-) Komponente in das System einführt. Ferner wird bei Verwendung
eines mit Docht versehenen Wärmerohres die wirksame, noch verwendbare Länge des
Wärmerohres beschränkt, da die mit dem Docht verbundenen Pumpverluste mit der Wärmerohrlänge
ansteigen. Aus diesen Gründen sind beide Ausführungsformen aus Figuren 1 und 2 mit
einem Schwerkraftrückführungs-Wärmerohr versehen, mit dem Ergebnis, daß eine wirkungsvollere
Kühlung im Dauerzustand wie auch bei Wärmeübergangsbedingungen erzielt wird.
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Da der Verdampfungsabschnitt (Siedeoberfläche) des erfindungsgemässen
Wärmerohres relativ klein im Vergleich zum großen Oberflächenbereich des Kondensatorabschnittes
ist, ist es erwünscht, den Siedeflächenbereich zu vergrößern und/oder die örtlichen
Fluidströmungsmuster bzw. -verhältnisse zu ändern, um eine größere maximale Wärmeabführungsrate
von der Druckplatte loa (und daher auch von der Halbleitervorrichtung 11) zu erreichen.
Deshalb ist zum Verstärken bzw. Verbessern der Verdampfungsrate im erfindungsgemäßen
Wärmerohr längs der Innenfläche der das Ende des Wärmerohres bildenden Druckplatte
loa eine Einrichtung zum Vergrößern der Siedeoberfläche des Verdampfungsabschnittes
vorgesehen. Diese Mittel zum Vergrößern der Siedeoberfläche können ein poröses metallisches
Material lob sein, wie beispielsweise FOAMETAL, das als Produkt der Hogen Industries,
Willoughby, Ohio, Nickel mit einer ausgewählten Porösität im Bereich von etwa 6o-95
% darstellt und gesintert oder in anderer Weise mit der Innenfläche der Druckplatte
loa verbunden ist. Auch können die Mittel eine schmal gerippte Oberfläche 30 gemäß
Figur 3 zum Vergrößern des Siedeflächenbereiches sein. Da das Wärmerohr lo nicht
die Wärmeleitung als Wärmeübertragungsvorgang (mit Ausnahme der Wärmeübertragung
in und aus den W§rmerohrwandungen) ausnutzt, stellt die Wärmeübertragung über die
zwänge des Wärmerohres einen im wesentlichen isothermen Prozeß einer Verdampfung
und Kondensation dar, wodurch sich der Kondensationsabschnitt des Wärmerohres im
wesentlichen auf derselben Temperatur
des Verdampfungsabschnittes
befindet. Dieser Wärmeübertragungsvorgang ist auch bekannt als Dampfphasenwärmeübertragung.
Das unterschiedlichste Merkmal des Wärmerohres in bezug auf einen herkömmlich luftgekühlten
sowie gerippten oder wassergekühlten Kühlkörper besteht in der Fähigkeit, die Wärme
im wesentlichen ohne Temperaturänderung zu übertragen, wodurch sich eine wesentlich
wirkungsvollere Kühlfähigkeit als bei herkömmlichen Kühlkörpern ergibt.
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In Figur 1 ist das erfindungsgemäße schwerkraftbetriebene Wärmerohr
lo als über seine gesamte Länge vertikal ausgerichtetes Gebilde dargestellt (obwohl,
wie bereits erwähnt wurde, diese Ausrichtung auch wesentlich kleiner als 900 gegenüber
der Horizontalen sein kann). Die abgedichtete Kammer des Wärmerohres wird von der
Seitenwandung loc, der Druckplatte loa als eine Endwandung im Bereich des Verdampfungsabschnittes
und einem geeigneten Stöpsel bzw. Zapfen lod am Kondensatorabschnitt begrenzt. Das
Wärmerohr kann im Querschnitt beispielsweise kreisförmig, quadratisch oder rechteckig
sein. Die Seitenwandung loc besteht aus Metall mit einer großen thermischen Leitfähigkeit,
beispielsweise aus Kupfer, und hat eine Dicke in der Größenordnung von 1,o2 mm (40
mils). In einem typischen Beispiel einer Leistungshalbleitervorrichtung mit einer
elektrischen Dauerstromrate von 700 Ampere hat das Wärmerohr as eine Länge von 203
mm (8 inches) und eine Querschnittsfläche von 9,68 cm2 (1,5 sq in). Der Stöpsel
oder Stecker lod kann aus einem verträglichen Material wie Kupfer hergestellt und
in geeigneter Weise mit dem Kondensationsabschnittsende des Wärmerohres durch Löten
oder irgendeinen anderen bekannten Metallverbindungsprozeß verbunden sein, der im
Wärmerohr eine abgedichtete Kammer sicherstellt. Die Seitenwandung loc des Wärmerohres
ist ebenfalls zur Erzielung einer-sicheren Dichtung mit der Druckplatte loa verlötet
oder in anderer Weise verbunden. Die Seitenwandung loc kann mit einem elektrisch
isolierenden Kragen loe versehen sein, und zwar in Angrenzung an das Kondensationsabschnittsende
des Wärmerohres, Um den gerippten Verdampferabschnitt des Wärmerohres gegenüber
der Spannung zu isolieren, die über den Leiter 15 zur Druckplatte loa und den angrenzenden,
untersten Teil der Seitenwandung loc geleitet wird. Daher ist die Seitenwandung
loc im allgemeinen durch den Isolationskragen loe in zwei Abschnitte unterteilt.
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Der gerippte Wärmeaustauscher an der Außenfläche des Kondensationsabschnittes
des Wärmerohres besteht aus großen Rippen lof, die vom Faltenrippen- oder Plattenrippentyp
sein können und aus einem thermisch hochleitfähigen Material wie Kupfer hergestellt
sind. Die Rippen lof erstrecken sich von den Seitenwandungen loc des Wärmerohres
nach außen, und zwar über eine Distanz im Bereich des o,5 bis l,o-fachen der Abmessung
zwischen den gegenüberliegenden Seitenwandungen, mit denen sie verbunden sind. Zur
Vereinfachung der Herstellung ist das Wärmerohr vielfach im Querschnitt rechteckig,
und die Länge der Kühlrippen entspricht der langen Wärmerohrseite, längs derer sie
angebracht sind.
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Der flüssige Zustand log des zweiphasigen Fluidkühlmittels umfaßt
ein kleines Volumen, das lediglich ausreicht, um die Siedeflächenvergrößerungseinrichtung
lob auf der Druckplatte loa gemäß der Ausführungsform in Figur 1 vollständig unterzutauchen.
Das Kühlmittel log kann Wasser oder ein Freonkühlmittel sein, um typische Beispiele
zu nennen. Im Betrieb wird die in der Leistungshalbleitervorrichtung 11 erzeugte
Wärme zu den Druckplatten loa und 12 geleitet, welche beträchtliche Wärmespeicherungsfähigkeiten
haben.
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Daher dämpfen die Druckplatten loa und 12 im Fall von Wärmeübergängen
bzw. -sprüngen den Übergangsvorgang und vermindern den Temperaturanstieg in der
Halbleitervorrichtung auf einen Wert unterhalb desjenigen Spitzenwertes, der bei
Fehlen der Druckplatten auftreten würde. Die Wärme wird dann von der Druckplatte
loa (und 12 im Fall einer zweiseitigen Kühlung) zur Verdampferoberflächenvergrößerungseiflrichtung
lob (oder 30) geleitet, wo das flüssige Kühlmittel log verdampft wird. Das dampfförmige
Kühlmittel bewegt sich dann aufgrund des Differenzdampfdrucks zum Kondensationsabschnitt
des Wärmerohres, wo es kondensiert und im flüssigen Zustand unter der Schwerkraft
zum Verdampferabschnitt zurückkehrt.
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Die Kondensationswärme wird von den Kondensationsabschnittswandungen
des Wärmerohres absorbiert, die aufgrund des großen Oberflächenbereiches eine große
thermische Masse haben. Die Wärme wird dann zu dem gerippten Wärmeaustauscher lof
und schließlich an die Umgebungsluft geleitet, die dadurch mit relativ großer Geschwindigkeit
strömt, um eine erzwungene Luftkühlung der Rippen zu erzielen.
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In Figur 2 ist eine doppelseitig wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung
nach der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform mit doppelseitiger Kühlung
sind die Halbleitervorrichtung 11 und die Druckplattenanordnung loa, 12 vertikal
ausgerichtet, während die Wärmerohre in ihrem Verdampferabschnittsende jeweils eine
Biegung aufweisen, so daß der Hauptteil eines jeden Wärmerohres vertikal ausgerichtet
ist (obwohl die Hauptteile wiederum auch unter einem kleineren Winkel als 900 gegenüber
der Horizontalen ausgerichtet sein können). Diese Anordnung stellt somit einen schwerkraftbetriebenen
Typ dar. Aufgrund dieser Konfiguration der Wärmerohre muß der Flüssigkeitspegel
des zweiphasigen Fluidkühlmittels log im Verdampferabschnitt des Wärmerohres ausreichen,
um den 'erhitzten' Teil der Siedeflächenvergrößerungseinrichtung vollständig einzutauchen,
die wiederum ein poröses metallisches Material lob oder einen kurz gerippten Aufbau
30 auf den Wärmerohrendflächen der Druckplatten darstellen kann.
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In der Ausführungsform aus Figur 2 fungiert auch die zweite Druckplatte
12 als Einrichtung zum Leiten der Wärme von der Leistungshalbleitervorrichtung 11
zur Verdampfer- oder Siedefläche des zweiten Wärmerohres 20. In allen Punkten kann
das Wärmerohr 20 dem Wärmerohr lo aus Figur 2 entsprechen. So können auch elektrisch
isolierende Kragen lod nahe dem Verdampferabschnittsende eines jeden Wärmerohres
wie in der Ausführungsform aus Figur 1 angeordnet sein.
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Im Fall einer Leistungshalbleitervorrichtung 11 vom Dreielektrodentyp
kann der dritte Leiter 18 an der Seite der Vorrichtung 11 herausgeführt sein, um
eine bequemere Verbindung zu erzielen, als es beim Durchführen durch eine der Druckplatten
und die Seitenwandung des Wärmerohres der Fall ist, was bei dem Vorgehen aus Figur
1 erforderlich ist.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Kühlsystem
für Leistungshalbleitervorrichtungen beträchtlich besser als herkömmliche Kühlkörpersysteme
ist, und zwar sowohl hinsichtlich des Dauerzustands bzw. eingeschwungenen Zustands,
als auch hinsichtlich des Übergangsverhaltens. Durch Ausschalten des Dochtes in
dem oder den schwerkraftbetriebenen Wärmerohren werden eine Quelle un#
erwünschten
thermischen Widerstandes und eine mögliche Beschränkung der gesamten Leistungskapazität
unterbunden, um hierdurch eine wirkungsvollere wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung
zu erzielen. Der Wärmerohrübergang bzw. die Grenzschicht zur Leistungshalbleitervorrichtung
wird im Fall einer einseitigen Kühlung durch eine Druckplatte und im Fall einer
doppelseitigen Kühlung durch zwei Druckplatten erreicht. Die zwischen den Druckplatten
und der Halbleitervorrichtung gebildeten Druckgrenzschichten sorgen für einen guten
thermischen und elektrischen Leitungsweg. Die Lage der verstärkten Verdampferoberfläche
lob oder 30 in unmittelbarer Nähe der wärmeemittierenden Leistungshalbleitervorrichtung
(der Abstand entspricht der Dicke der Druckplatte) führt ebenfalls zu einer Abnahme
des thermischen Dauerzustandswiderstandes wie auch des Temperaturübergangs- bzw.
-sprunganstieges bei thermischen Langzeitüberlastungen. Insgesamt ergibt sich dadurch
eine verbesserte Verdampfungskühlung der Leistungshalbleitervorrichtung. Aufgrund
der Verminderung des thermischen Dauerzustandswiderstandes im Kondensationsabschnitt
des Wärmerohres ist eine Übertragung der Wärme an die Umgebungsluft mit größerem
Wirkungsgrad als bei herkömmlich gerippten Kühlkörpern oder anderen wärmerohrgekühlten
Leistungshalbleitervorrichtungsanordnungen möglich, die in den obigen Veröffentlichungen
aufgezählt sind. Dieser verminderte thermische Widerstand beruht auch auf der Tatsache,
daß die Druckplatte eine relativ dünne Abmessung im Vergleich zu bisher benutzten,
herkömmlichen Kupferkühlkörpern wesentlich größerer Dikke hat. Die Abnahme des zeitlichen
Temperaturanstieges wird auch dadurch erzielt, daß die Wandungen des Wärmerohres
und das Fluidkühlmittel bei einer Verdampfung des zweiphasigen Fluids im Verdampferabschnitt
die Wärme speichern können, wodurch die Wärmerohrwandungen und das Fluid ebenfalls
eine Dämpfung der Temperaturanstiege bezüglich des Einschwing- oder Übergangsverhaltens
bilden. Ferner führt die Mutter-Schrauben-Anordnung zum Zusammenklemmen der Druckplatten
zu einer sehr geeigneten Maßnahme zum Entfernen der Leistungshalbleitervorrichtung,
und diese Austauschbarkeit stellt ebenfalls einen wesentlichen Aspekt der vorliegenden
Erfindung dar. Der Verdampfungsoberflächenverstärkungsaufbau bzw. die Schicht lob
aus porösem Material hat eine gleichförmige
Dicke im Bereich von
o,25 bis 1,27 mm (lo bis So mils). Und schließlich ermöglichen es der oder die elektrisch
isolierenden Kragen loe, daß der luftzwangsgekühlte Teil der erfindungsgemässen
Anordnung außerhalb eines Gehäuses bzw. Abschnittes liegt, in dem die Halbleitervorrichtung
11 und die Druckplatten befestigt sein können. Außerdem ist der gerippte Teil lof
daher gegenüber der dem Halbleiterkörper zugeführten hohen Spannung elektrisch isoliert.
Auch können die Kühlrippen lof infolge der elektrisch isolierenden Kragen schmutziger
Luft ausgesetzt sein, ohne daß die Möglichkeit einer verstärkten Oberflächenleitung
längs des Kriechweges um den Halbleiterkörper besteht, was bei herkömmlich gerippten
Kühlkörpern oder Wärmerohren der Fall ist, die keine derartige Kragen haben und
in verunreinigter Luft betrieben werden.
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- Patentansprüche -