DE2449338A1 - Waermerohrgekuehlte leistungshalbleitervorrichtungsanordnung - Google Patents

Waermerohrgekuehlte leistungshalbleitervorrichtungsanordnung

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DE2449338A1 DE19742449338 DE2449338A DE2449338A1 DE 2449338 A1 DE2449338 A1 DE 2449338A1 DE 19742449338 DE19742449338 DE 19742449338 DE 2449338 A DE2449338 A DE 2449338A DE 2449338 A1 DE2449338 A1 DE 2449338A1
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pressure
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James Charles Corman
Michael Herbert Mclaughlin
Gunnar Eric Walmet
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General Electric Co
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Description

  • Wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Befestigungsanordnung für eine Leistungshalbleitervorrichtung, die in Verbindung mit einer Wärmerohrkühlung benutzt wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bohrungen in Flanschteilen von Druckplatten loa und 12, wie es in Figur 1 dargestellt ist, oder durch ausgerichtete Öffnungen bzw.
  • Bohrungen in Außenteilen von ebenen Druckplatten mit einem größeren Durchmesser gemäß Figur 2. Die zum Aufnehmen der Schrauben bzw.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im Kondensationsabschnitt kondensiert der Dampf, und das Kondensat kehrt zum Verdampferabschnitt zurück, um erneut verdampft zu werden und somit erneut den Wärmeübertragungszyklus zu wiederholen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • - Patentansprüche -

Claims (13)

  1. Patentansprüche ffii. Wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung, bei der eine Leistungshalbleitervorrichtung einen von ersten und zweiten flachen, parallelen Hauptoberflächen begrenzten Halbleitermaterialkörper und erste sowie zweite Stützplatten enthält, deren erste Hauptoberflächen Grenzschichten bzw. -flächen mit den ersten sowie zweiten flachen, parallelen Oberflächen des Körpers aus Halbleitermaterial bilden, wobei die Stützplatten aus einem elektrisch leitenden hochfesten Material bestehen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient weitgehend demjenigen des Halbleitermaterials entspricht, wobei ferner die erste Stützplatte mit dem Halbleitermaterialkörper längs ihrer ersten Oberfläche verbunden ist, während sich die zweite Stützplatte ohne Bindung mit dem Halbleitermaterial nur in bloßem Druckkontakt hiermit befindet, um eine Zerstörung des Halbleitermaterials aufgrund von Belastungen zu verhindern, die durch thermische Ausdehnungen beider Stützplatten und des Halbleitermaterialkörpers auftreten würden, wenn die Halbleitervorrichtung unter normalen Bedingungen betrieben wird und beide Stützplatten sowie der Halbleitermaterialkörper zwecks Bildung eines einstückigen Körpers verbunden sind, und wobei die Leistungshalbleitervor-2 richtung eine thermische Dichte von zumindest 15,5 Watt pro cm des Oberflächenbereiches (loo Watt/sq in) entwickelt, gekennzeichnet durch erste und zweite relativ dünne Druckplatten (loa, 12) aus thermisch leitendem Material, deren erste Hauptoberflächen sich in Druckkontakt mit zweiten Hauptoberflächen der ersten sowie zweiten Stützplatten (lld, 1le) befinden, wobei die Druckplatten jeweils eine Dicke im Bereich von 2,54 bis 7,62 mm (loo bis 300 mils) haben, eine Einrichtung (13) zum Zusammenklemmen der ersten und zweiten Druckplatten (loa, 12) zum Aufbringen eines Drucks in 2 der Größenordnung von 140,62 kp/cm2 (2000 lb/sqin) auf die Halbleitervorrichtung (11) sowie zur Erzielung einer leichten Entfernbarkeit der Halbleitervorrichtung von der Anordnung, eine Einrichtung (loa', 12') zum Anschließen eines Paares elektrischer Leiter (15, 16) an die Druckplatten (loa, 12) zum Zuführen elektrischer Leistung zur Leistungshalbleitervorrichtung (11), ein erstes langes, dochtfreies, schwerkraftbetriebenes Wärmerohr (lo) mit einem offenen Verdampferabschnittsende, das durch eine zweite Hauptoberfläche der ersten Druckplatte (loa) verschlossen und mit dieser verbunden ist, wobei die erste Druckplatte als Verdampfungsoberfläche des ersten Wärmerohres arbeitet und sich in unmittelbarer Nähe der wärmeemittierenden Leistungshalbleitervorrichtung (11) befindet, um den thermischen Dauerzustandswiderstand wie auch den transienten Temperaturanstieg bei Langzeit-Wärmeüberlastungen zu senken und eine verbesserte Verdampfungskühlung der Vorrichtung zu erzielen, die besser als diejenige ist, die mit herkömmlich gerippten Kühlkörpern oder mit Dochtwärmerohren erzielbar ist, ein zweites langes, dochtfreies, schwerkraftbetriebenes Wärmerohr (20)-mit einem offenen Verdampfungsabschnittsende, das durch eine zweite Hauptoberfläche der zweiten Druckplatte (12) verschlossen und mit dieser verbunden ist, wobei die zweite Druckplatte als Verdampfungsoberfläche des zweiten Wärmerohres arbeitet und sich in unmittelbarer Nähe der Halbleitervorrichtung befindet, um eine verbesserte doppelseitige Verdampfungskühlung der Vorrichtung zu erzielen, eine nur an den zweiten Hauptoberflächen der Druckplatten (loa, 12) angebrachte Einrichtung (lob, 30) zum Verstärken bzw.
    Vergrößern ihrer Verdampferoberflächen und zum Vergrößern der Wärmeübertragungsrate von den Druckplatten zu einem verdampfbaren flüssigen Kühlmittel in den Wärmerohren (lo, 20), wobei die ersten und zweiten dochtfreien Wärmerohre (lo, 20) mit Schwerkraftrückführung jeweils eine geschlossene, längliche, hohle Kammer mit einem Verdampfungsabschnitt an einem ersten und von den Druckplatten (loa, 12) begrenzten Ende und mit einem Kondensationsabschnitt an einem vom ersten Ende entfernten zweiten Ende enthalten, ferner ein sich innerhalb jeder Kammer befindendes zweiphasiges Fluidkühlmittel (log), dessen Flüssigkeitsvolumen ausreicht, um zumindest den erhitzten Teil der Verdampfungsoberflächenverstärkungseinrichtung (lob, 30) in das flüssige Kühlmittel einzutauchen, wobei zumindest ein weitgehender Teil eines jeden ersten und zweiten Wärmerohres unter einem Winkel größer als o# in bezug auf die Horizontale ausgerichtet ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine sich mit den ersten und zweiten Druckplatten (loa, 12) in Kontakt befindende Einrichtung (17) zum Bilden einer hermetischen Abdichtung um den Halbleitermaterialkörper (lla).
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste dochtfreie Wärmerohr (lo) mit Schwerkraftrückführung eine geschlossene, längliche, hohle Kammer mit einem Verdampferabschnitt an einem ersten sowie von der ersten Druckplatte (loa) gebildeten Ende und mit einem Kondensationsabschnitt an einem vom ersten Ende entfernten zweiten Ende aufweist, ferner eine auf der zweiten Hauptoberfläche der ersten Druckplatte ausgebildete Einrichtung (lob, 30) zum Verstärken bzw. Vergrößern der Verdampferoberfläche durch Vergrößerung der Wärmeübertragungsrate, und ein in der Kammer enthaltenes zweiphasiges Fluidkühlmittel (log) mit ausreichendem Flüssigkeitsvolumen, um zumindest den erhitzten Teil der Verdampfungsoberflächenverstärkungseinrichtung vollständig in das flüssige Kühlmittel einzutauchen.
  4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein wesentlicher Teil des ersten Wärmerohres (lo) unter einem Winkel von größer als o° gegenüber der Horizontalen ausgerichtet ist.
  5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen dritten elektrischen Leiter (18), der mit einer der ersten und zweiten Oberflächen des Halbleitermaterialkörpers (lla) verbunden ist.
  6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensationsabschnitt der Kammer mit längs der Außenoberfläche angeordneten Kühlrippen (lof) zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsrate an die die Anordnung umgebende Luft versehen ist.
  7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung zumindest zwei Mutter-Schrauben-Anordnungen (13) zum Zusammenschrauben der ersten und zweiten Druckplatten (loa, 12) enthält.
  8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsoberflächenverstärkungseinrichtung einen porösen metallischen Aufbau (lob) darstellt, der auf die zweite Hauptoberfläche der ersten Druckplatte (loa) aufgesintert ist.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse metallische Aufbau (lob) eine gleichförmige Dicke im Bereich von o,25 bis 1,27 mm (lo bis So mils) hat und daß sein Metall Nickel ist.
  10. lo. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsoberflächenverstärkungseinrichtung (30) eine auf der zweiten Hauptoberfläche der ersten Druckplatte (loa) ausgebildete unregelmäßige Oberfläche zum Vergrößern des Oberflächenbereiches ist.
  11. 11. Anordnung nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die unregelmäßige Oberfläche aus schmalen Rippen (30) besteht, die aus wärmeleitendem Material auf der zweiten Hauptoberfläche der ersten Druckplatte (loa) ausgebildet sind.
  12. 12 Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch elektrische Isolationsmittel (17) zwischen den ersten und zweiten Druckplatten (loa, 12), wobei die Isolationsmittel die Neben- oder Seitenoberflächen der Leistungshalbleitervorrichtung (11) zum Vergrößern des Kriechweges vollständig umgeben.
  13. 13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen elektrisch isolierenden Kragen (loe) zwischen dem Kondensationsabschnitt und dem Verdampferabschnitt des dochtfreien Wärmerohres (lo, 20) mit Schwerkraftrückführung zum elektrischen Isolieren des gerippten Teils des Wärmerohres gegenüber der Leistungshalbleitervorrichtung (11).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2825582A1 (de) * 1977-06-13 1978-12-21 Gen Electric Waermeabfuehreinrichtung fuer halbleitermodul

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DE2825582A1 (de) * 1977-06-13 1978-12-21 Gen Electric Waermeabfuehreinrichtung fuer halbleitermodul

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