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Wärmerohrgekühlte Leistungshalbleitervorrichtungsanordnung Die Erfindung
bezieht sich auf eine wärmerohrgekühlte Leistungshalbieitervorrichtungsanordnung
unter Verwendung einer einteiligen Halbleitervorrichtung-Verdamp fungs oberflächen-Einheit.
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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.
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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.
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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.
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Die Verwendung von Wärmerohren zum Kühlen von Leistungshalbleitervorrichtungen
wurde kürzlich bekannt. Die erste Anwendung einer Wärmerohrkühlung von Leistungshalbleitervorrichtungen
dürfte durch die Heat-Pipe Corporation of America of Westfield, New Jersey, erfolgt
sein, da die Verkaufsunterlagen dieser Firma allgemein darauf
hinweisen,
daß Wärmerohre zum Wärmetransport bzw. zur Wärmeabführung von elektrischen Motoren,
Halbleitern, Bremsen und Kupplungen sowie anderen wärmeerzeugenden Vorrichtungen
benutzt wurden.
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Eine von der RCA Corporation at Lancaster, Pa., vorbereitete Veröffentlichung
als abschließender technischer Bericht vom Oktober 1972 beschreibt wärmerohrgekühlte
Halbleiterthyristorvorrichtungen. Diese Anordnung hat jedoch nicht die erfindungsgemäße
Fähigkeit im Zusammenhang mit dem Abnehmen der Halbleitervorrichtung, da beim Abnehmen
bzw. Austauschen derselben das Wärmerohr wegen der einteiligen Ausbildung mit dem
Docht auch verlorengeht. Die Benutzung eines mit Docht versehenen Wärmerohres in
der RCA-Anordnung führt zu großen thermischen Verlusten, und die Dochtpumpverluste
steigen mit der Länge, wodurch die Länge des wirksam verwendbaren Wärmerohres beschränkt
ist. Demgegenüber wird nach der vorliegenden Erfindung- ein dochtfreies Wärmerohr
benutzt. Und schließlich 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.
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Kroliczek der Dynatherm Corporation of Cockeysville, Md., erwähnt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ferner befinden sich zwischen den Flanschenden und der einteiligen
Halbleitervorrichtung-Verdampfungsoberflächen-Einheit O-Ringdichtungen
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(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.
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Die Metallschrauben bzw. -bolzen sind mit geeigneten, elektrisch isolierenden
Ummantelungen 23a versehen, um einen elektrischen Kurzschluß an den Wärmerohrenden
über die Schrauben zu vermeiden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- Patentansprüche -