DE2449433A1 - Waermerohrgekuehlte leistungshalbleitervorrichtungsanordnung - Google Patents

Waermerohrgekuehlte leistungshalbleitervorrichtungsanordnung

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DE2449433A1
DE2449433A1 DE19742449433 DE2449433A DE2449433A1 DE 2449433 A1 DE2449433 A1 DE 2449433A1 DE 19742449433 DE19742449433 DE 19742449433 DE 2449433 A DE2449433 A DE 2449433A DE 2449433 A1 DE2449433 A1 DE 2449433A1
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Steven Joseph Brzozowski
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General Electric Co
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    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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Description

  • Wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine wärmerohrgekühlte Leistungshalbieitervorrichtungsanordnung unter Verwendung einer einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdamp fungs oberflächen-Einheit.
  • Halbleitervorrichtungen der verschiedenen Arten werden fortwährehd 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 eines gerippten Wärmesumpfes 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 Wärme-Übergangs 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 in das 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 ist die Wärmerohrkühlung von Leistungshalbleitervorrichtungen ebenfalls in einem Bericht mit dem Titel APPLICATION OF HEAT PIPES TO THE COOLING OF POWER SEMICONDUCTORS von Edward J.
  • Kroliczek der Dynatherm Corporation of Cockeysville, Md., erwähnt.
  • Dieser Bericht beschreibt das Befestigen einer Leistungshalbleiter.-vorrichtung 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 Dynatherm-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.
  • Eine gleichzeitige parallele Patentanmeldung desselben Anmelders und mit demselben Titel bezieht sich auf eine Wärmerohrkühlung von Leistungshalbleitervorrichtungen unter Verwendung dochtfreier Wärmerohre vom Schwerkraftrückführungstyp. Dabei ist jedoch die Halbleitervorrichtung zwischen zwei relativ großen Druckplatten unter hohem Druck eingeklemmt, um Druckgrenzflächen bzw. -schichten zu erzielen, die zu einem relativ kleinen thermischen Dauerzustandswiderstand wie auch zur Abnahme des transienten Temperaturverhaltens bei Langzeitwärmeüberlastungen führen. Während zwar die Erfindung der oben beschriebenen parallelen Patentanmeldung vollständig zufriedenstellend ist, gibt es Anwendungen, bei denen es erwünscht ist, die Halbleitervorrichtung und ihre Stützanordnung als dünnere einteilige Einheit auszubilden, die keine Druckgrenzschicht erfordert, um das Zeitverhalten zu verbessern sowie den thermischen Dauerzustandswiderstand weiter zu vermindern.
  • Kurz zusammengefaßt wird nach der vorliegenden Erfindung zur weiteren Verbesserung der genannten Anordnungen eine wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung vorgeschlagen, bei der eine Leistungshalbleitervorrichtung einteilig mit dünnen becherartigen Gliedern ausgebildet ist, die die Verdampfungsoberflächen von zwei dochtfreien Wärmerohren mit Schwerkraftrückführung in einer doppelseitig gekühlten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten. Diese einteilige Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit weist keine Druckgrenzschichten auf, da der Körper aus Halbleitermaterial mittels der dünnen becherartigen Glieder mit den Verdampfungsoberflächen der Wärmerohre in irgendeiner Weise verbunden ist. Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Seiten der dünnen, einteiligen Einheit, die auch eine vergrößerte Kriechwegeinrichtung enthält, mehr oder weniger dauerhaft mit der Wandung der Wärmerohre verbunden, und es ist keine Klemmkraft oder dergleichen erforderlich. Bei einer zweiten Ausführungsform sind die Seiten der dünnen, einteiligen Einheit durch O-Ringe gegenüber den Wärmerohren abgedichtet, und es ist eine geringe Klemmkraft erforderlich, um die zwei Wärmerohre sowie die einteilige Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit in einer Anordnung zu halten, wobei die einteilige Einheit leicht austauschbar ist. Die Verdampfungsoberflächen der Wärmerohre können jeweils einen dünnen porösen metallischen Aufbau haben, der auf die Hauptoberfläche des dünnen becherartigen Gliedes aufgesintert ist, welches seinerseits mit der Hauptoberfläche des Körpers aus Halbleitermaterial verbunden ist. Alternativ kann die Verdampfungsoberfläche eine dünne, unregelmäßige Oberfläche darstellen, die aus einer Anzahl metallischer Glieder gebildet ist, wie aus schmalen Rippen oder Pfosten bzw. Stempeln, die mit der Hauptoberfläche des dünnen becherartigen Gliedes verbunden sind.
  • Aufgrund der dünnen Ausbildung der einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdampfung.soberflächen-Einheit und des Fehlens irgendwelcher Druckgrenzschichten werden der thermische Dauerzustandswiderstand wie auch das zeitliche bzw. Übergangsverhalten der dünnen einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberf lächen-Einheit bedeutend verbessert, um hierdurch eine verbesserte Verdampfungskühlung der Halbleitervorrichtung zu bilden.
  • Der Aufbau und die Funktion der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert, in der ähnliche Teile in verschiedenen Figuren mit denselben Hinweis zahlen belegt sind. Es zeigen: Figur 1 - in teilweise geschnittener Aufsicht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen wärmerohrgekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung, bei der eine einteilige Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit mehr oder weniger dauerhaft mit den Wandungen der Wärmerohre verbunden ist, Figur 2 - in teilweise geschnittener Aufsicht einen Teil der Anordnung aus Figur 1 zur Darstellung der einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit in einer zweiten Ausführungsform, bei der die Einheit leicht austauschbar ist, Figur 3 - eine vergrößerte Schnittdarstellung längs der Linie 3-3 aus Figur 1 zweier Arten vqn vergrößerten Verdampfungsoberflächen, die mit dem ein Ende eines jeden Wärmerohres bildenden becherartigen Glied verbunden werden können, und Figur 4 - eine Schnittansicht der einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit.
  • In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei der zwei dochtfreie Wärmerohre vom Schwerkraftrückführungstyp, die als Ganzes durch die Hinweiszahlen lo und 20 belegt sind, zur Erzielung einer doppelseitigen Kühlung einer Leistungshalbleitervorrichtung 11 benutzt werden. Die letztere stellt eine Vorrichtung dar, die eine thermische Dichte von 2 zumindest 15,5 Watt/cm2 (loo Watt/sq in) an ihren Oberflächen erzeugt. Sie enthält einen Körper aus Halbleitermaterial mit ersten sowie zweiten flachen, parallelen Hauptoberflächen lla und leib, die den Halbleitermaterialkörper zwischen sich begrenzen. Die zerbrechliche Siliziumübergangszone des Körpers 11 würde in üblicher Weise gegen thermische und mechanische Belastungen dadurch geschützt werden, daß eine der Hauptoberflächen in Druckkontakt mit einer Stützplatte steht, die beispielsweise aus Wolfram oder Molybdän hergestellt ist. Die zweite Hauptoberfläche ist an einer zweiten Stützplatte angelötet oder in anderer Weise mit dieser verbunden, wie es auch im Fall der beiden obigen Patentanmeldungen zutrifft. Eine solche übliche Anordnung verhindert ein Zerbrechen oder eine andere Zerstörung des Halbleiterkörpers, was aufgrund der thermischen Ausdehnungsbelastung- auftreten könnte, die durch die übergangszonentemperatur während eines übergangsbetriebes begründet werden kann, die in der Größenordnung von 2000C liegen kann. Ferner wird die in der obigen Patentanmeldung beschriebene Vorrichtung aus einer Stützplatten-Halbleiterkörper-Schichtung in hohem Druckkontakt zwischen zwei Druckplatten gehalten, die zum Aufbringen eines hohen Druckes 2 in der Größenordnung von 140,62 kp/cm (2000 lb/sq in) in gleichförmiger Weise auf die Leistungshalbleitervorrichtung zusammengeklemmt werden. Ein derartig hoher Druck führt zu geringen thermischen und elektrischen Druckgrenzschichtwiderständen in der Größenordnung von o,o970C-cm2/Watt (o,ol5°C-inch2/Watt) und 20 x 1o-60hm.
  • Typische Abmessungen des oben beschriebenen Druckgrenzschichtteils einer wärmerohrgekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung lauten wie folgt: Der Halbleitermaterialkörper hat eine Dicke von o,25 mm (lo mils) und einen Durchmesser von So,8 mm (2000 mils) bei einer Halbleitervorrichtung für 700 Ampere und 1200 Volt, während die Stützplatten jeweils eine Dicke von 1,o2 mm (40 mils) und die Druckplatten Dicken von jeweils 2,54 bis 7,62 mm (loo bis 300 mils) haben. Die Druckplatten haben aufgrund ihrer Größe beträchtliche Wärmespeicherungsfähigkeiten, und sie begründen ein Dämpfen von auftretenden Wärmeübergängen bzw. -einschwingvorgängen. Jedoch werden infolge der Anwesenheit von Druckgrenzflächen zwischen den Druckplatten sowie den Stützplatten und zwischen einer der Stützplatten sowie dem Halbleiterkörper die gesamten thermischen und elektrischen Widerstände von der Siliziumübergangszone zur Umgebung hinsichtlich ihres in der oben beschriebenen wärmerohrgekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung erreichbaren Minimums beschränkt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Ausschaltung solcher Druckgrenzschichten bzw. -flächen.
  • Im Unterschied zu dem oben beschriebenen Druckgrenzschichtteil der wärmerohrgekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung werden die Druckgrenzschichten nach der vorliegenden Erfindung in der folgenden Weise ausgeschaltet. Die Hauptoberflächen lla und llb des Halbleiterkörpers 11 sind mit den äußeren Bodenoberflächen zweier sehr dünner, becherähnlicher Glieder 12 und 13 verlötet oder in anderer Weise verbunden. Die Becherglieder sind aus thermisch und elektrisch gu#t leitendem, hochfestem Material hergestellt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen demjenigen des Halbleitermaterials entspricht. Im Fall eines Siliziumhalbleiterkörpers können die becherartigen Glieder 12, 13 aus Molybdän oder Wolfram bestehen, um zwei typische Metalle zu nennen. Im Fall der oben beschriebenen Halbleitervorrichtung für 700 Ampere sowie 1200 Volt liegt die Dicke eines jeden becherähnlichen Gliedes 12 und 13 im allgemeinen im Bereich von o,o5 bis o,l5 mm (2 bis 6 mils). Diese geringe Dicke führt dazu, daß sich keine thermischen Ausdehnungsbelastungen an den Halbleiterkörper-Becherglied-Grenzschiqhten aufbauen können, wodurch es möglich ist, Bindungen statt Druckgrenzschichten zu verwenden. Die Verdampfungsflächenfunktion (oder die Unterstützung hinsichtlich einer verstärkten bzw. vergrößerten Oberfläche) dieser becherartigen Glieder stellt einen gleichermaßen wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung dar und wird nach der Beschreibung der dochtfreien Wärmerohre mit Schwerkraftrückführung erläutert.
  • Die äußeren Seitenwandungsteile der becherartigen Glieder 12 und 13 bilden eine Stütze für eine Kriechwegverlängerungseinrichtung 14, die aus einem Gummi- bzw. Kautschuk-, einem Keramik- oder einem anderen elektrisch isolierenden Material besteht, das im wesentlichen längs der ganzen Höhe der Seitenwandungen der Becherglieder 12 und 13 ausgeformt ist, um den Kriechweg über die Halbleitervorrichtung 11 zu vergrößern. Die Kriechwegverlängerungseinrichtung 14 kann eine Keramikzusammensetzung oder eine Silikonkautschukzusammensetzung haben, beispielsweise entsprechend dem von der General Electric Company erzeugten Typ RTV. Die Kriechwegverlängerungseinrichtung ist vorzugsweise mit einer unregelmäßigen Außenfläche versehen, um zur Vermeidung von Lichtbogenüberschlägen zwischen den becherartigen Gliedern einen noch größeren Kriechweg zu schaffen.
  • Im Fall einer Silikonkautschukzusammensetzung 14 füllt diese gemäß Figur 2 vollständig den Raum zwischen den becherartigen Gliedern 12 sowie 13 aus, um hierdurch eine schmutzfreie Dichtung um die Leistungshalbleitervorrichtung 11 zu bilden. Die Kautschukzusammensetzung verläuft längs der äußeren Seitenoberflächen der becherartigen Glieder zum Vergrößern des Kriechweges zwischen den Bechergliedern und über die Halbleitervorrichtung. Im Fall einer Keramikzusammensetzung 14 gemäß Figur 1 muß das keramische Material nicht den gesamten Raum zwischen den becherartigen Gliedern 12 und 13 ausfüllen, und es kann einen geraden Innenbohrungsdurchmesser aufweisen. Der zwischen den becherartigen Gliedern verbleibende Raum 14a wird vorzugsweise mit einem Inertgas, wie Stickstoff, gefüllt, wobei stattdessen auch als Füllung Silikonkautschuk verwendet werden kann. Die vergrößerte Kriechwegeinrichtung 14, die becherartigen Glieder 12 und 13 (mit der nachfolgend noch zu beschreibenden Verdampfungsoberflächenverstärkungseinri und die Leistungshalbleitervorrichtung 11 bilden so einen dünnen, einteiligen Aufbau (in Figur 4 separat dargestellt), der nachfolgend als die einteilige Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit beschrieben wird. Die Notwendigkeit des Vergrößerns des Kriechweges zwischen den becherartigen Gliedern 12 und 13 ergibt sich aufgrund der geringen Dicke der einteiligen Einheit, die bei den oben beschriebenen Abmessungen (Becherdicke von jeweils o,o5 mm bzw. 2 mils) und bei typischen Anoden-Kathoden-Potentialen der Halbleitervorrichtung von 1200 Volt nur 0,36 mm (14 mils) betragen kann.
  • Die Wärmerohre lo und 20 stellen jeweils eine abgedichtete Kammer bzw. ein Rohr dar, das einen sich in Kontakt mit der Wärmequelle (der zu kühlenden Halbleitervorrichtung) befindlichen Verdampfungsabschnitt und einen Kondensationsabschnitt aufweist, welcher sich am gegenüberliegenden Ende der Kammer befindet und einen Abstand bis zu einigen Fuß haben kann. Ein zweiphasiges Fluidkühlmittel befindet sich in den Wärmerohren und bewirkt die Wärmeübertragung durch Verdampfung einer flüssigen Phase des Kühlmittels, und zwar infolge einer Wärmeleitung von der Leistungshalbleitervorrichtung 11 durch die becherartigen Glieder 12 und 13 zu den Verdampfungsabschnitten der Wärmerohre. Der Verdampfungsabschnitt eines jeden Wärmerohres empfängt daher 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. Dieser arbeitet als Oberflächenkondensator, wobei der Dampf an dieser Stelle kondensiert und das Kondensat zum Verdampfungsabschnitt zurückkehrt, um erneut verdampft zu werden und so den Wärmeübertragunszyklus zu wiederholen. Der Kondensationsabschnitt eines jeden Wärmerohres hat eine relativ große thermische Masse infolge des großen Oberflächenbereiches, und er ist vorzugsweise mit einem gerippten Wärmeaustauscher versehen, um als luftgekühlter Oberflächenkondensator zu arbeiten, der die Wärme an die den Kondensationsabschnitt umgebende Luft zurückführt. Zum Zwecke einer wirkungsvolleren Abführung der Wärme an die Umgebungsluft wird ein Gebläse oder eine andere Einrichtung benutzt, mittels derer eine erzwungene Luftkühlung durch Entwickeln einer ausreichenden Luftgeschwindigkeit der die Kühlrippen gemäß den Pfeilen in Figur 1 passierenden Luft erzielt wird.
  • In herkömmlichen Wärmerohren wird ein Kapillarpumpaufbau oder Docht mit der flüssigen Phase des Kühlmittels getränk#und dazu benutzt, das Kondensat durch Kapillarwirkung zum Verdampfungsabschnitt des Wärmerohres zu pumpen.
  • Ein Docht ist jedoch nicht wesentlich für einen Betrieb eines Wär--merohres vom schwerkraftbetriebenen Typ, das heißt, wenn das Wärmerohr unter einem Winkel gegenüber der Horizontalen ausgerichtet ist, der nicht den extremen Fall von 900 gemäß Figur 1 annehmen muß. Übliche Wärmerohre sind so ausgebildet, daß sie horizontal ausgerichtet und innerhalb eines Winkelbereiches von der Horizontalen arbeiten. Alle in den obigen Veröffentlichungen beschriebenen Wärmerohre sind in horizontaler Ausrichtung dargestellt, so daß sie einen Docht zum Pumpen der kondensierten Flüssigkeit aus dem Kondensationsabschnitt zum Verdampferabschnitt benötigen. Im schwerkraftbetriebenen Wärmerohr kehrt die Flüssigkeit durch Schwerkraft zum Verdampfungsabschnitt zurück. Das Fehlen des sich längs der verschiedenen Innenflächen des Wärmerohres erstreckenden Dochtmaterials führt zu einer Verminderung des thermischen Widerstandes, da der Docht eine weitere thermische Widerstands- (Verlust) Komponente in das System einführt. Ferner wird die wirksame, noch verwendbare Länge des Wärmerohres durch Benutzung eines Dochtes beschränkt, da die mit dem Docht verbundenen Pumpverluste mit der Wärmerohrlänge ansteigen. Aus diesen Gründen wird erfindungsgemäß in beiden Ausführungsformen gemäß Figuren 1 und 2 ein Wärmerohr mit Schwerkraftrückführung benutzt, was zu einer wirkungsvolleren Kühlung führt.
  • Da der Verdampfungsabschnitt (Siedeabschnitt) eines jeden erfindungsgemäßen Wärmerohres relativ klein im Vergleich zum großen Oberflächenbereich im Kondensationsabschnitt ist, ist es erwünscht, diesen Siede-(Verdampfungs-)Oberflächenbereich zu vergrößern und/ oder die örtlichen Fluidströmungsmuster bzw. -verhältnisse zu ändern, um eine größere maximale Wärmeabführungsrate von den becherartigen Gliedern 12 und 13 (und daher auch von der Halbleitervorrichtung 11) zu erzielen. Daher sind zum Zwecke der Verstärkung (Vergrößerung) der Verdampfungsrate in den erfindungsgemäßen Wärmerohren längs der inneren Bodenfläche eines jeden das Ende eines Wärmerohres bildenden becherartigen Gliedes 12 und 13 Mittel zum Vergrößern der Verdampfungsoberfläche des Verdampfungsabschnittes der Wärmerohre vorgesehen. Diese Siedeflächenvergrößerungseinrichtung kann ein Schichtaufbau 15 allgemein gleichförmiger Dicke im Bereich von o,25 bis 1,27 mm (lo bis 50 mils) sein und aus einem porösen metallischen Material wie FOAMETAL bestehen. Dieses stellt ein Produkt der Hogen Industries, Willoughby, Ohio, dar und besteht beispielsweise aus Nickel mit einer ausgewählten Porösität im Bereich von etwa 60 - 95 %. Dieses Material ist gemäß Darstellung auf die innere Bodenfläche des becherartigen Gliedes 12 aufgesintert oder in anderer Weise mit dieser Fläche verbunden, um die örtlichen Fluidströmungsverhältnisse zu ändern. Die Schicht 15 kann auch aus porösem Kupfer oderkorrosionsbeständigem Stahl bestehen, wobei das letztgenannte Metall natürlich nicht benutzt wird, wenn das Kühlmittel Wasser ist. Alternativ ist diese Verdampfungsoberflächenverstärkungseinri chtung eine dünne unregelmässige Oberfläche 16, die aus einer Anzahl von schmalen, festen, metallischen Gliedern, wie aus Zylindern 16a oder Quadratstempeln 16b (auch in Figur 3 dargestellt) oder schmal gerippten Oberflächen (kurz gerippter Aufbau) besteht, wobei diese Glieder in geeigneter Weise mit den inneren Bodenoberflächen des becherartigen Gliedes 13 zum Vergrößern des Verdampfungsflächenbereiches verbunden sind. Selbstverständlich wird im allgemeinen dieselbe Verdampfungsoberflächenverstärkungseinrichtung in beiden Wärmerohren gemäß Figur 4 verwendet, und die Darstellung zweier unterschiedlicher Verstärkungseinrichtungen in den Figuren 1 und 2 soll lediglich verdeutlichen, daß zwei typische Arten verwendbar sind. Die unregelmäßige Oberfläche 16 in Form der verschiedenartigen vorstehenden Glieder 16a, 16b oder der kurzen Rippen kann aus denselben Metallen bestehen, wie sie im Fall des Schichtaufbaues 15 benutzt werden, also im Fall typischer Beispiele aus Nickel, Kupfer oder korosionsbeständigem Stahl. Auch kann die unregelmäßige Oberfläche aus denselben oder anderen Metallen hergestellt werden, wie sie bei den becherartigen Gliedern 12, 13 verwendet werden. Solche metallischen Glieder mit unregelmäßiger Oberfläche werden im allgemeinen getrennt hergestellt und dann mit der Oberfläche des becherartigen Gliedes durch Sintern, Löten bei niedriger Temperatur oder durch pulvermetallurgische Techniken verbunden, um drei Beispiele zu nennen. Die unregelmäßige Oberfläche des becherartigen Gliedes kann auch einteilig hergestellt werden. In einem typischen Dimensionierungsbeispiel der unregelmäßigen Oberflächenglieder haben diese eine Höhe von 3,8 mm (o,15 inch), 2,5 mm im Quadrat (o,lo inch im Quadrat) längs der oberen (äußeren) Oberfläche und einen Mittenabstand zwischen angrenzenden Gliedern von 3,8 mm (0,15 inch). Die Glieder bedecken im allgemeinen die gesamten inneren Bodenflächen der becherartigen Glieder.
  • Da bei den Wärmerohren nicht die Wärmeleitung als Wärmeübertragungsvorgang benutzt wird (mit Ausnahme der Übertragung der Wärme in die Wärmerohrwandungen und aus diesen heraus), stellt der Wärmeübergang über die Länge eines jeden Wärmerohres einen weitgehend isothermen Vorgang einer Verdampfung und Kondensation dar, wobei sich der Kondensationsabschnitt des Wärmerohres im wesentlichen auf derselben Temperatur wie der Verdampfungsabschnitt befindet. Dieser Wärmeübertragungsvorgang ist auch als Dampfphasenwärmeübertragung bekannt. Das unterschiedlichste Merkmal des Wärmerohres gegenüber einem herkömmlich luftgekühlten sowie gerippten oder wassergekühlten Kühlkörper besteht in der Fähigkeit, die Wärme im wesentlichen ohne Temperaturänderung zu übertragen, wodurch dieser Vorgang in seiner Kühlfähigkeit wesentlich wirksamer als ein herkömmlicher Kühlkörper ist.
  • In Figur 1 sind schwerkraftbetriebene Wärmerohre lo und 20 jeweils vertikal ausgerichtet (obwohl, wie zuvor erwähnt wurde, die Aus-0 richtung auch sehr viel kleiner als 90 gegenüber der Horizontalen sein kann), und die abgedichteten Kammern der Wärmerohre werden von Seitenwandungen loa, 20a, ferner den becherartigen Gliedern 12, 13 als eine Endwandung an den Verdampfungsabschnitten und von einem geeigneten Stöpsel bzw. Einsteckglied an jedem Verdampferabschnittsende begrenzt. Das Wärmerohr kann im Querschnitt beispielsweise kreisförmig, quadratisch oder rechteckig sein. Im Fall eines im Querschnitt quadratischen oder rechteckigen Wärmerohres können Leistungs- bzw. Starkstromleiter 17 und 18 leicht mit entsprechenden Oberflächen der Wärmerohre lo und 20 in Angrenzung an die Verdampferabschnittsenden verlötet oder in anderer Weise verbunden sein, um die elektrischelleistung zur Halbleitervorrichtung 11 zu leiten. Die Seitenwandung eines jeden Wärmerohres besteht aus einem Metall mit großer thermischer Leitfähigkeit, wie Kupfer, und hat eine Dicke in der Größenordnung von 1 mm (40 mils). In einem typischen Beispiel einer Leistungshalbleitervorrichtung mit einer elektrischen Dauerzustandsstromrate von 700 Ampere hat jedes Wärmerohr eine Länge von 203 mm (8 inch) und eine Querschnittsfläche von 9,68 cm2 (1,5 sq in). Der Stöpsel bzw.das Einsteckglied kann aus einem verträglichen Material wie Kupfer hergestellt und in geeigneter Weise mit dem Kondensatorabschnittsende des Wärmerohres durch Löten, Schweißen oder irgendeinen anderen bekannten Metallverbindungsvorgang verbunden sein, der eine dichte Kammer im Wärmerohr sicherstellt. Die Seitenwandungen loa und 20a der Wärmerohre sind ebenfalls gelötet, geschweißt oder in anderer Weise mehr oder weniger dauerhaft mit den inneren Seitenwandungen der becherartigen Glieder 12 und 13 verbunden, um eine geeignete Dichtung hiermit zu bilden. Die Seitenwandungen können mit elektrisch isolierenden Kragen lob, 20b in Angrenzung an#die Verdampferabschnittsenden der Wärmerohre versehen sein, um die gerippten Kondensationsabschnitte der Wärmerohre gegenüber den Spannungen zu isolieren, die durch die Leiter 17, 18 über die angrenzenden untersten Teile der Seitenwandungen zur Halbleitervorrichtung 11 geleitet werden. Daher ist jede Seitenwandung loa, 20a durch den Isolierkragen lob, 20b allgemein in zwei (oder mehr) Abschnitte unterteilt. Im Fall von Wärmerohren mit rechteckigem (oder auch quadratischem) Querschnitt ist der das Verdampfungsoberflächenglied 15 oder 16 umschließende unterste Teil loc, 20c eines jeden Wärmerohres vorzugsweise kreisförmig im Querschnitt und horizontal ausgerichtet. Dieser kreisförmige Endteil loc, 20c des Wärmerohres ist längs der Kanten einer kreisförmigen öffnung in der größer dimensionierten Seite des Wärmerohres in Angrenzung an den rechteckigen (oder quadratischen) Querschnittsgrundteil des Wärmerohres verlötet oder in anderer Weise verbunden.
  • Der gerippte Wärmeaustauscher an der Oberfläche des Kondensationsabschnittes eines jeden Wärmerohres besteht aus großen Rippen lod, 20d, die vom Faltenrippen- oder Plattenrippentyp sein können und aus einem thermisch hochleitfähigen Material wie Kupfer hergestellt sind. Die Rippen erstrecken sich von den Seitenwandungen eines jeden Wärmerohres um eine Distanz im Bereich des o,5 bis l,o-fachen der Abmessung zwischen gegenüberliegenden Wandungen, mit denen sie verbunden sind, nach außen. Aus Gründen einer einfachen Herstellung ist das Wärmerohr oftmals im Querschnitt rechteckig, und die Kühlrippen entsprechen hinsichtlich ihrer Länge der langen Seite des Wärmerohres und sind längs dieser angebracht.
  • Das Flüssigkeitsvolumen loe des zweiphasigen Fluidkühlmittels ist klein und hat lediglich eine ausreichende Tiefe im Verdampferabschnitt eines jeden Wärmerohres, um den 'erhitzten' Teil der Siedeoberflächenverstärkungseinrichtung 16 (oder 15) auf den becherartigen Gliedern 12, 13 vollständig einzutauchen. Das Kühlmittel loe kann Wasser oder ein Freonkühlmittel sein, um zwei typische Beispiele zu nennen. Im Betrieb wird die von der Leistungshalbleitervorrichtung 11 erzeugte Wärme durch die becherartigen Glieder 12 und 13 zur Verdampferoberflächenverstärkungseinrichtung 16 (oder 15) geleitet, wo ein Verdampfen des flüssigen Kühlmittels loe erfolgt. Das dampfförmige Kühlmittel bewegt sich dann aufgrund eines Dampfdruckunterschiedes zum Kondensatorabschnitt, um dort zu kondensieren, wobei das Kondensat bzw. das Kühlmittel im flüssigen Zustand unter der Schwerkraftwirkung zum Verdampferabschnitt zurückkehrt. Die Kondensationswärme wird von den Kondensationsabschnittswandungen des Wärmerohres absorbiert, die -aufgrund des grossen Oberflächenbereichs eine große thermische Masse haben. Die Wärme wird zu dem gerippten Wärmeaustauscher lod und schließlich an die Umgebungsluft geleitet, die dadurch mit dem Ergebnis einer erzwungenen Luftkühlung der Rippen relativ schnell strömt.
  • In Figur 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese bezieht sich auf eine nicht dauerhafte Verbindung der einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit mit den Seitenwandungen loc, 20c der Wärmerohre. Deshalb bilden gemäß Figur 2 Klemmittel eine kleine Klemmkraft in der Größenordnung von 4,5 kp (lo lb) zum Halten der zwei kreisförmigen Endteile loc, 20c der beiden Wärmerohre. Diese Klemmkraft führt selbstverständlich nicht zu irgendwelchen Druckgrenzflächen in der einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit. Die Verdampfungsabschnittsenden der Wärmerohre (das heißt die Enden der kreisförmigen Teile in Angrenzung an die einteilige Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit) sind mit Flanschen versehen, und zwei scheibenähnliche Glieder 21*werden längs der äußeren Schulterteile der Flanschenden des Wärmerohres zusammengeklemmt.
  • Ferner befinden sich zwischen den Flanschenden und der einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit O-Ringdichtungen 22 (in kleinen in den Flanschenden ausgebildeten Nuten), um eine hermetische Abdichtung für die Halbleitervorrichtung 11 zu bilden. Die Klemmittel für die zwei Flanschenden der Wärmerohre bestehen in einem Beispiel aus einer Anzahl metallischer Mutter-Schrauben-Anordnungen 23, die mit geeigneten elektrisch isolierenden Scheiben 24 versehen sind, wobei jede Schraube bzw. jeder Bolzen durch ausgerichtete öffnungen geführt ist, die in den scheibenähnlichen Gliedern 21 gemäß Figur 2 ausgebildet sind. Alternativ können die scheibenähnlichen Glieder 21 einteilig mit den Flanschenden der Wärmerohre ausgebildet sein, wobei diese Anordnungen dann mittels der Mutter-Schrauben-Anordnungen zusammengeklemmt werden.
  • Die Metallschrauben bzw. -bolzen sind mit geeigneten, elektrisch isolierenden Ummantelungen 23a versehen, um einen elektrischen Kurzschluß an den Wärmerohrenden über die Schrauben zu vermeiden.
  • Wenn es erwünscht ist, können die elektrischen Starkstromleiter 17 und 18 alternativ in geeigneter Weise mit den scheibenähnlichen Gliedern 21 verbunden werden, indem sie mit damit verbundenen Anschlüssen oder mit sich hiervon erstreckenden Streifenteilen verlötet oder verschweißt werden, um zwei Beispiele zu nennen. Die Schraubenringanordnung in der Ausführungsform aus Figur 2 ermöglicht somit ein einfaches Entfernen (und Austauschen) der einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdampfungsober flächen-Einheit aus dem Bereich zwischen den beiden Wärmerohren.
  • Wenn es sich um eine Leistungshalbleitervorrichtung vom Dreielektrodentyp handelt, ist-die dritte Elektrode (allgemein als Gate oder Steuerelektrode bezeichnet) mit einem dritten elektrischen Leiter 25 verbunden, der seitlich der Vorrichtung 11 und durch die Kriechwegvergrößerungseinrichtung 14 herausgeführt sein kann.
  • In Figur 3 sind Beispiele für eine oben beschriebene Verdampfungsoberflächenverstärkungseinrichtung in Form einer unregelmäßigen Oberfläche 16 dargestellt. Schmale zylindrische oder quadratische Pfosten bzw. Stempel 16a oder 16b stehen senkrecht auf der Oberfläche des becherartigen Gliedes 13 und ragen von dieser vor. Diese vorstehenden Glieder sind vorzugsweise fest bzw. starr, da in der senkrechten Richtung eine hohe thermische Leitfähigkeit erwünscht ist. Natürlich können auch anders geformte Pfosten oder Stempel benutzt werden, und die vergrößerte Verdampfungsoberfläche kann auch noch unregelmäßiger ausgebildet sein, da sie kein regelmäßiges oder symmetrisches Muster der vorstehenden Glieder gemäß Figur 3 haben muß.
  • Das Verwenden einer einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit führt zu einem thermischen Dauerzustandswiderstand von der (Silizium) übergangszone zur Verdampferoberfläche von o,oo40C/Watt (bei o,15 mm bzw. 6 mils dicken Molybdänbechergliedern) 0 im Vergleich zu einem Widerstand von o,o36 C/Watt bei den in der obigen Patentanmeldung beschriebenen Ausführungsformen. Diese starke Verminderung des thermischen Dauerzustandswiderstandes ergibt sich aus der Ausschaltung der Druckgrenzschichten und dem wesentlich kleineren Metallvolumen-, das in der dünnen einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit benutzt wird. Die geringe Dicke dieser Einheit führt dazu, daß die Verdampfungsoberfläche sehr nahe bei der Übergangszone des Halbleiterkörpers liegt, um die Übergangsansprechzeit der Einheit möglichst klein zu machen und hierdurch ein thermisch schnell ansprechendes System zu schaffen. Natürlich führt die geringe Dicke der Einheit zu einem gewissen Verlust hinsichtlich Kurzzeitwärmeübergängen im Vergleich zu einer andersartigen Einheit, die gleich gute thermische Grenzflächen und ein ausreichendes Volumen von Wärmespeicherungsmaterial hat, da die Wärmespeicherungsfähigkeit der dünnen becherartigen Glieder 12, 13 begrenzt ist. Jedoch ergibt die dünne einteilige Einheit nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu der in der obigen Patentanmeldung beschriebenen Einheit ein besseres Verhalten hinsichtlich der Kurzzeit- und Langzeitübergänge bzw. -einschwingvorgänge wie auch hinsichtlich des Dauerzustandes bzw. eingeschwungenen Zustandes, da die besseren Wärmegrenzflächen und das Fehlen von Druckgrenzschichten in dieser Einheit die beschränkte Wärmespeicherungsfähigkeit mehr als überwindet. Jedoch kann bei becherartigen Gliedern aus Molybdän oder Wolfram deren Dicke nicht wesentlich größer als o,15 mm (6 mils) sein, ohne daß sich thermische Ausdehnungsbelastungen während des Betriebes der Anordnung einstellen, die den Halbleiterkörper zerstören. Doch können die becherartigen Glieder zur Erzielung einer größeren Wärmespeicherungsfähigkeit dicker ausgebildet werden, indem sie aus einem 'weicheren' Metall wie Aluminium oder Kupfer hergestellt werden. In einem solchen Fall kann die Becherdicke sogar o,25 mm (lo mils) betragen, ohne daß aufgrund der thermischen Ausdehnungsbelastungen eine Zerstörungsgefahr für den Halbleiterkörper besteht. Im Fall von becherartigen Gliedern aus Aluminium oder Kupfer können ein Legierungsverbindungs- oder Wärmekompressionsvorgang erforderlich sein, um die erwünschte Bindung zwischen dem Halbleiterkörper 11 und den becherartigen Gliedern 12 und 13 zu erzielen. Ein solcher Legierungsverbindungs- oder Wärmekompressionsvorgang kann auch benutzt werden, wenn die becherartigen Glieder aus den 'steiferen' Metallen Molybdän oder Wolfram hergestellt sind.
  • Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Kühlsystem für Leistungshalbleitervorrichtungen bedeutend besser als herkömmlich gerippte Kühlkörpersysteme ist, und zwar sowohl hinsichtlich des Dauerzustandes bzw. eingeschwungenen Zustandes, als auch hinsichtlich der Übergangs- bzw. Einschwingansprecheigenschaften. Das Fehlen des Dochtes im vorliegenden schwerkraftbetriebenen Wärmerohr führt zu einer Ausschaltung einer unerwünschten Wärmewiderstandsquelle und einer möglichen Beschränkung der gesamten Leistungskapazität, wodurch sich eine wirkungsvollere wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung ergibt. Die dünne einteilige Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit und die Ausschaltung der Druckgrenzschichten führen zu einer Unteranordnung mit wesentlich geringerem thermischem Dauerzustandswiderstand als im Fall der oben erwähnten Patentanmeldung.
  • Dieser verminderte thermische Dauerzustandswiderstand führt dazu, daß der Kondensationsabschnitt der vorliegenden Wärmerohre die Wärme mit größerer Wirksamkeit an die Umgebung abführen kann, als es mit#herkömmlich gerippten Kühlgliedern oder mit den anderen wärmerohrgekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsanordnungen möglich ist, die in den obigen Veröffentlichungen und der Patentanmeldung beschrieben sind. Daraus ergibt sich eine geringere Arbeitstemperatur der Halbleitervorrichtung. Da die einteilige Leistungsh,albleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit eine Kriechwegvergrößerungseinrichtung enthält, sind geringere Kosten erforderlich, wenn ein Wärmerohr in der Ausführungsform aus Figur 2 ausgetauscht werden muß. Und schließlich ermöglichen es die elektrisch isolierenden Kragen lob, 2ob, daß die durch Luft zwangsgekühlten Teile der vorliegenden Anordnung außerhalb eines Gehäuses oder Bereiches liegen, in dem die einteilige Leistungshalbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit befestigt sein kann. Die gerippten Teile lod, 20d können damit von der dem Halbleiterkörper zugeführten hohen Spannung elektrisch isoliert sein. Auch können die Kühlrippen lod aufgrund der elektrisch isolierenden Kragen einer verunreinigten Luft ausgesetzt werden, ohne daß die Möglichkeit einer vergrößerten Oberflächenleitung längs des Kriechweges um den Halbleiterkörper besteht, was jedoch bei herkömmlich gerippten Kühlgliedern oder bei Wärmerohren ohne derartige Kragen beim Betrieb in verunreinigter Luft auftreten kann.
  • Nachdem verschiedene Ausführungsformen einer doppelseitigen wärmerohrgekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung beschrieben wurden, wird darauf hingewiesen, daß eine Modifikation und Veränderung dieser spezifischen Ausführungsformen leicht vom Fachmann vorgenommen werden können. Beispielsweise kann die Anordnung leicht als einseitig gekühlte Anordnung verwendet werden, indem eines der Wärmerohre entfernt wird.
  • - Patentansprüche -

Claims (26)

  1. Patentansprüche 9 ärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung, gekennzeichnet durch eine druckgrenzschichtfreie einteilige Leistungshalbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit mit einer Leistungshalbleitervorrichtung (11), die aus einem Körper (lla) aus Halbleitermaterial besteht, welcher von ersten und zweiten flachen, parallelen Hauptoberflächen begrenzt ist, ersten sowie zweiten dünnen becherähnlichen Gliedern (12, 13), deren äußere Bodenoberflächen mit ersten sowie zweiten flachen ,parallelen Oberflächen des Körpers (lla) aus Halbleitermaterial verbunden sind, so daß die Leistungshalbleitervorrichtung-Bechergliedeinheit druckgrenzschichtfrei ist, wobei die becherartigen Glieder aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material hergestellt sind, und mit einer Kriechwegverlängerungseinrichtung (14) längs den äußeren Seitenwandungsteilen der becherartigen Glieder (12, 13) zum Vergrößern des Kriechweges über der Leistungshalbleitervorrichtung, die eine thermische Dichte von zumindest 15,5 Watt pro cm Oberfläche (loo Watt/sq in) entwickelt, ferner durch ein erstes langes, dochtfreies Wärmerohr (lo) mit Schwerkraftrückführung, dessen offenes Verdampfungsabschnittsende von dem ersten becherähnlichen Glied (12) verschlossen und mit diesem längs seines Seitenwandungsteils über hochdruckfreie Mittel verbunden ist, wobei die innere Bodenfläche des ersten becherähnlichen Gliedes als Verdampfungsoberfläche im Verdampfungsabschnittsende des ersten Wärmerohres arbeitet und wobei dieses erste dochtfreie Wärmerohr mit Schwerkraftrückführung eine wesentlich größere Länge und verbesserte Kühleigenschaften als bei Wärmerohren mit einem Docht hat, die aufgrund der Dochtpumpverluste in ihrer Länge beschränkt sind, während die einteilige Leistungshalbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit ferner mit der inneren Bodenoberfläche des ersten becherähnlichen Gliedes (12) verbundene Mittel (15, 16) zum Vergrößern der Verdampfungsoberfläche und dadurch der Wärmeübertraguhgsrate vom ersten becherähnlichen Glied zu einem im ersten Wärmerohr befindlichen flüssigen Kühlmittel (los) aufweist, das verdampft wird, wobei der geringe Abstand zwischen der Verdampfungsoberfläche und der wärmeemittierenden Leistungshalbleitervorrichtung infolge der geringen Dicke des ersten becherähnlichen Gliedes und des Fehlens irgendeiner Druckgrenzschicht in der einteiligen Leistungshalbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit zu einer Abnahme des thermischen Dauerzustandswiderstandes wie auch zum Verbessern des Übergangs- bzw. Einschwingansprechverhaltens der Wärmerohrgekühlten Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung führt, mit dem Ergebnis einer verbesserten einseitigen Verdampfungskühlung der Vorrichtung.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites langes, dochtfreies Wärmerohr (20) mit Schwerkraftrückführung und einem offenen Verdampfungsabschnittsende, das durch das zweite becherähnliche Glied (13) verschlossen und mit diesem längs seines Seitenwandungsteiles über hochdruckfreie Mittel verbunden ist, wobei die innere Bodenfläche des zweiten becherähnlichen Gliedes als Verdampfungsoberfläche im Verdampfungsabschnittsende des zweiten Wärmerohres arbeitet, während die einteilige Leistungshalbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit ferner längs der inneren Bodenfläche des zweiten becherähnlichen Gliedes angebrachte Mittel (15, 16) zum Vergrößern der Verdampfungsoberfläche und dadurch der Wärmeübertragungsrate von dem zweiten becherähnlichen Glied zu einem flüssigen Kühlmittel in dem zweiten Wärmerohr aufweist, das mit dem. Ergebnis einer verbesserten doppelseitigen Verdampfungskühlung der Vorrichtung verdampft wird.
  3. 3. Anordnung nach -Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten dochtfreien Wärmerohre (lot 20) mit Schwerkraftrückführung erstqund zweite geschlossene, längliche, hohle Kammern haben, deren Verdampfungsabschnitte an ersten und von den ersten und zweiten dünnen becherähnlichen Gliedern (12, 13) begrenzten Enden liegen, während die Kondensationsabschnitte an zweiten und von den ersten Enden entfernten Enden liegen, daß ferner ein zweiphasiges Fluidkühlmittel (loe) in den Kammern enthalten ist und ein ausreichendes Flüssigkeitsvolumen hat, um zumindest den erhitzten Teil der Verdampfungsoberflächenvergrösserungsmittel (15, 16) in das flüssige Kühlmittel einzutauchen, und daß erste und zweite elektrische Leiter (17, 18) mit der Anordnung verbunden sind, um elektrische Leistung zur Leistungshalbleitervorrichtung (11) zu leiten.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein wesentlicher Teil eines jeden der ersten und zweiten Wärmerohre (lo, 20) unter einem Winkel von mehr als o° in bezug auf die Horizontale ausgerichtet ist.
  5. 5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter elektrischer Leiter (25) an eine Leistungshalbleitervorrichtung (11) vom Dreielektrodentyp angeschlossen ist.
  6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnett daß die Kondensationsabschnitte der Kammern längs deren Außenflächen mit Kühlrippen (lod, 20d) zum Vergrößern der Wärmeübertragungsrate zu der die Anordnung umgebenden Luft versehen sind.
  7. 7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die becherähnlichen Glieder (12, 13) jeweils eine Dicke im Bereich von o,o5 bis o,25 mm (2 bis lo mils) haben.
  8. 8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die becherähnlichen Glieder (12, 13) aus einem aus der Gruppe von Kupfer und Aluminium ausgewählten Metall hergestellt sind.
  9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die becherähnlichen Glieder (12, 13) jeweils eine Dicke im Bereich von 0,05 bis o,15 mm (2 bis 6 mils) haben.
  10. lo. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 sowie 9, dadurch gekennzeichnet, daß die becherähnlichen Glieder (12, 13) aus einem Metall hergestellt sind, das aus der Gruppe von Wolfram und Molybdän ausgewählt ist.
  11. 11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsoberflächenvergrößerungsmittel (15) ein Paar poröser metallischer Schichtaufbauten darstellen, die auf die innere Bodenoberfläche der becherähnlichen Glieder (12, 13) aufgesintert sind.
  12. 12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen metallischen Schichtaufbauten (15) jeweils eine weitgehend gleichförmige Dicke im Bereich von ,25 bis 1,27 mm (lo bis So mils) haben.
  13. 13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen metallischen Aufbauten (15) jeweils aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe von Kupfer, Nickel und korosionsbeständigem Stahl ausgewählt ist.
  14. 14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsoberflächenvergrößerungsmittel (16) eine auf den inneren Bodenoberflächen der becherähnlichen Glieder (12, 13) ausgebildete unregelmäßige Oberfläche zum Vergrößern des Oberflächenbereichs darstellen.
  15. 15. Anordnung nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, daß die unregelmäßige Oberfläche (16) aus schmalen sowie aus einem wärmeeitenden Material gebildeten Rippen bestehen.
  16. 16. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die unregelmäßige Oberfläche (16) aus einer Anzahl von schmalen, festen, metallischen Gliedern besteht, die mit den inneren Bodenoberflächen der becherähnlichen Glieder (12, 13) verbunden sind.
  17. 17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen, festen, metallischen Glieder (16) im Querschnitt kreisförmig sind.
  18. 18. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen, festen, metallischen Glieder (16) im Querschnitt quadratisch sind.
  19. 19. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen, festen, metallischen Glieder (16) jeweils eine Höhe von etwa 3,81 mm (o,15 inch) haben.
  20. 20. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalen, festen, metallischen Glieder (16) aus einem Metall hergestellt sind, das aus der Gruppe von Aluminium, Kupfer, Nickel, korosionsbeständigem Stahl, Molybdän und Wolfram ausgewählt ist.
  21. 21. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 20, gekennzeichnet durch einen elektrisch isolierenden Kragen (lob, 20b) zwischen dem Kondensationsabschnitt und dem Verdampfungsabschnitt eines jeden der dochtfreien Wärmerohre (lo, 20) mit Schwerkraftrückführung zum elektrischen Isolieren des gerippten Teils der Wärmerohre gegenüber der Leistungshalbleitervorrichtung (11).
  22. 22. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kriechwegverlängerungsmittel (14) eine unitäre Schicht aus elektrisch isolierendem Material aufweist, das längs der äußeren Seitenoberflächen der ersten und zweiten becherähnlichen Glieder (12, 13) ausgebildet ist.
  23. 23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die unitäre Schicht (14) eine Keramikzusammensetzung hat und eine hermetische Abdichtung um die Leistungshalbleitervorrichtung (11) bildet.
  24. 24. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die unitäre Schicht (14) eine Gummi- bzw. Kautschukzusammensetzung hat und den gesamten Leerraum zwischen den ersten und zweiten becherähnlichen Gliedern (12, 13) ausfüllt.
  25. 25. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Seitenwandungsoberflächen der ersten und zweiten becherähnlichen Glieder (12, 13) entsprechend mit den Verdampfungsabschnittsenden der ersten und zweiten Kammern verbunden sind, so daß die gesamte wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung frei von irgendwelchen Druckgrenzschichten ist.
  26. 26. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 24, gekennzeichnet durch Dichtungsmittel (22) zwischen den inneren Seitenwandungsoberflächen der ersten und zweiten becherähnlichen Glieder (12, 13) und den äußeren Seitenoberflächen der Verdampferabschnittsenden der ersten und zweiten Kammern und durch Klemmittel (23) zum Zusammenhalten der ersten und zweiten Wärmerohre (lo, 20) in einem einzigen Verband, wobei die Klemmittel nur eine kleine Klemmkraft erzeugen, mit dem Ergebnis, daß die einteilige Leistungshalbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit eine leicht entfernbare und austauschbare Komponente darstellt und dennoch frei von irgendwelchen Druckgrenzschichten ist.
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