DE2624593A1

DE2624593A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2624593A1
Application number: DE19762624593
Authority: DE
Inventors: Hans Ing Grad Peukert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-06-01
Filing date: 1976-06-01
Publication date: 1977-12-08
Also published as: FR2353958A1; JPS52147072A; IT1079228B; SE7706258L; BE855136A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen

Berlin und München Ty 76 P 3 O 9 ft BRD

Halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem scheibenförmigen Halbleiterbauelement, das zwischen zwei Kühlkörpern federnd gehalten ist, von denen einer für Flüssigkeits- oder Gaskühlung ausgelegt ist. Die scheibenförmigen Halbleiterbauelemente können Scheibenthyristoren oder Scheibendioden, beispielsweise in Flat-pack-Ausführung oder mit eingezogenem Boden sein.

Solche Halbleiteranordnungen sind beispielsweise aus der Siemens-Zeitschrift 48 (1974), Heft 10, Seiten 791 bis 798 bekannt.

Die bei den bekannten Halbleiteranordnungen als Halbleiterbauelemente benutzten Scheibenzellen ermöglichen mit ihren beiden Kontaktflächen eine zweiseitige Wärmeableitung und damit eine bessere Kühlwirkung. Bei höheren Leistungen wird dies mit sogenannter zweiseitiger Kühlung ausgenutzt. Bei geringer Auslastung des Halbleiterbauelements oder bei Impulsbetrieb genügt häufig eine einseitige Kühlung, die wirtschaftlich Weniger aufwendig ist. Bei einseitiger Kühlung muß die Kühlanordnung Jedoch immer so ausgelegt sein, daß bei Wechselbelastung die gesamte Verlustleistung von der Kühlan-Ordnung aufgenommen werden kann und daß bei Dauerbelastung erhöhte Stoß- bzw. Kurzzeitbelastungen aufgefangen werden können, ohne daß eine Schädigung des Halbleiterbauelements eintritt. Dies führt auch bei einseitiger Kühlung zu einer Überdimensionierung des Kühlmittelkreislaufs.

Es besteht die Aufgabe, eine Halbleiteranordnung der eingange genannten Art so auszubilden, daß bei Wechselbelastung des Halbleiterbauelements oder bei erhöhter Stoßbelastung eine ausreichende Wärmeabfuhr mit einfachen Mitteln sichergestellt ist.

VPA 76 E 3030

Soe 21 Met / 11. 5. 1976

709849/0478

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der zweite Kühlkörper ein Körper mit großer Wärmeeindringzahl ist. Die Wärmeeindringzahl ist mit b »\JX . c . $ (λ Wärmeleitzahl, c spezifische Wärmekapazität, j> Dichte) definiert. Sie ist ein Maß für die Wärmespeicherfähigkeit eines Körpers. Unter großer Wärmeeindringzahl wird hier eine GröÄe von ungefähr

[k cal 1
γρί $nd mehr verstanden. Ein Körper mit einer m^<d.grd.h^i/'- J

großen Wärmeeindringzahl wird im folgenden mit Wärmespeicher bezeichnet. Bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ist der Kühlkörper an der einen Seite des Halbleiterbauelements ein Wärmespeicher, der praktisch keine eigene Wärmeabfuhr besitzt, wenn man von seiner gegenüber dem fremdgekühlten Kühlkörper sehr geringen Wärmeabfuhr durch Konvektion absieht, der sich an der anderen Seite des Halbleiterbauelements befindet. Damit erhält man die wirtschaftlichen Vorteile einer einseitigen Kühlung.

Darüber hinaus wird vom Wärmespeicher Wärm· aufgenommen, die bei Wechselbelastung in der Pausenzeit oder bei kurzzeitigen Stoßbelastungen in der Zeit normaler bzw, verminderter Belastung über das Halbleiterbauelement an den fremdgekühlten Kühlkörper abgeführt wird. Der fremdgekühlte Kühlkörper kann daher sowohl bei Wechsel- als auch bei Scoßbelastungen im Dauerbetrieb für eine geringere Kühlleistung ausgelegt werden, was die an sich bereits wirtschaftliche, einseitige Kühlung weiter vereinfacht und verbilligt. Als Material für den Wärmespeicher eignet sich jedes Material alt hoher spezifischer Wärmekapazität und großem Wärmeleitvermögen. Vorzugsweise können Kupfer (b « 515) oder Aluminium (b ■ 338) für den Wärmespeicher verwendet werden. Die Masse das Wärmespeichers und damit seine Größe sind in Abhängigkalt von speziellen Anwendungszwecken so zu wählen, daß bei Wechselbelastung ein wesentlicher Teil der als Wärme abzuführenden Verlustleistung und bei Stoßbelastungen im Dauerbetrieb fast die gesamte der durch die Stoßbelastung bedingten Wärme vom Wärmespeicher aufgenommen wird.

I« folgenden wird die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung beispielhaft anhand der Figur näher erläutert.

VPA 76 E 3030

709849/0478

Die Figur zeigt ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement 1, das ein Scheibenthyristor oder eine Scheibendiode sein kann. An der einen Seite des Halbleiterbauelements 1 liegt ein fremdgekühlter Kühlkörper 2 an, der für Luftkühlung ausgelegt ist. Als fremdgekühlter Kühlkörper kann auch ein flUssigkeitsgekühlter Kühlkörper verwendet werden, wie er beispielsweise in der obengenannten Literaturstelle beschrieben ist. An der anderen Seite 1b des Halbleiterbauelements 1 Hegt als Wärmespeicher ein Materialstück 3 an, das beispielsweise quaderförmig ausgebildet sein kann. Das Mate rialstück 3 besteht aus einem Material hoher spezifischer Wärme kapazität und großer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise kann es aus Kupfer oder Aluminium gefertigt sein. Das Halbleiterbauelement 1, der Kühlkörper 2 und der Wärmespeicher 3 sind in ein Gestell eingespannt, das im wesentlichen mit isolierenden Schraubboleen 4, die im Kühlkörper 2 verschraubt sind, einer Spannplatte 5 und Federelementen 6 besteht. Bezüglich des Aufbaue dieser Spannvorrichtung, mit der der erforderliche Anpreßdruck zwischen den Kühlkörper 2 und 3 und dem Halbleiterbauelement 1 erzeugt wird, ist ebenfalls auf die obengenannte Literaturstelle zu verweisen. Der

Kühlkörper 2 und der Wärmespeicher 3 können gleichzeitig als

elektrische Anschlüsse benutzt werden, was mit den Stromanschlüssen 7 und 8 schematisch gekennzeichnet ist.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung wird Im folgenden anhand der Annahme geschildert, daß das Halbleiterbauelement 1 im Impulsbetrieb betrieben wird und damit einer Wech-βelbelastung ausgesetzt ist. Vor der ersten Belastung des Halbleiterbauelements, d.h. bei Verlustleistung Null und eingeschalteter Kühlung nehmen die Sperrschicht der Halbleiterplatte der Kühlkörper 2 und der Wärmespeicher 3 Kühlmitteltemperatur an. Bei Belastung des Halbleiterbauelements 1 verteilt sich der Wärmefluß über die beiden mit Pfeilen a und b gekennzeichneten Wäreewege. Die Sperrschichttemperatur des Halbleiterbauelements 1 steigt entsprechend dem sich einstellenden Temperaturgefälle, den Widerständen der beiden Wärmewege a und b und der Aufladung von Wärmekapazitäten an. Da im Wärmeweg b nur Wärme an den Wärmespeicher 3 abgeführt wird, ist nur solange ein Wärmefluß vorhanden, bis der Wärmespeicher 3 Sperrschichttemperatur angenommen hat. Ib stationären Zustand bei Dauerbelastung fließt daher aus-

VPA 76 E 3030 7G9849/0478

schließlich Wärme über den Wärmestromweg a und den Kühlkörper 2 an das Kühlmittel ab. Wird die Belastung des Halbleiterbauelements 1 beendet und damit die Erzeugung von Verlustleistung unterbrochen, so wirkt der Wärmespeicher 3 als Wärmequelle und seine Wärme fließt über das Halbleiterbauelement 1 zum Kühlkörper 2 und wird von diesem an das Kühlmittel abgegeben. Diese Wärmeabgabe dauert an, bis das Halbleiterbauelement 1 und der Wärmespeicher 3 sich wieder auf Kühlmitteltemperatur befinden.

Bei einer Wechselbelastung des Halbleiterbauelements 1 muß daher der Wärmespeicher 3 so ausgelegt sein, daß er einen Teil der als Wärme anstehenden Verlustleistung während jeder Impulsdauer aufnehmen kann, um diese Wärme dann während der anschließenden Impulslücke, in der das Halbleiterbauelement 1 nicht eingeschaltet ist, an den Kühlkörper 2 abzuführen. Der Kühlkörper 2 kann damit für eine wesentlich geringere Kühlleistung ausgelegt werden, womit, wie bereits betont wurde, die Wirtschaftlichkeit der einseitigen Kühlung weitgehend verbessert wird.

Es wurde oben bereits betont, daß im stationären Betrieb d.h. im Dauerbetrieb sich der Wärmespeicher 3 auf Sperrschichttemperatur befindet. Bei einer plötzlich auftretenden Stoßbelastung nimmt daher auch im Dauerbetrieb der Wärmespeicher 3 einen Teil der Wärme auf und gibt sie nach Beendigung der Stoßbelastung über das Halbleiterbauelement 1 wieder an den Kühlkörper 2 ab. Auch in diesem Fall kann daher die Kühlleistung des Kühlkörpers 2 nur für die Dauerbelastung ausgelegt werden, die größere Verlustleistung während der Stoßbelastung wird zumindest zum Teil vom Wärmespeicher 3 aufgenommen und damit eine Schädigung des Halblei- terbauelements 1 vermieden.

Zusammenfassend ist daher festzustellen, daß bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ein Teil der als Wärme anstehenden Verlustleistung über den fremdgekühlten Kühlkörper abfließt, der zweite Teil der Wärme wird ausschließlich im Wärmespeicher gespeichert. Je nach Größe und Verhältnis der Wärmewege a und b zueinander kanu, zu Beginn auch der größere Teil der Wärme über den Wärmeweg b fließen. Der Wärmefluß zum Wärmespeicher 3 nimmt mit der Zeit ab, bis der Wärmespeicher die Temperatur der Wärme-

VPA 76 E 3030

7038A9/0A78

quelle, d.h. Sperrschichttemperatur erreicht hat. Der transiente Gesamtwärmewiderstand entspricht dabei für kürzere Zeit dem der bei beidseitiger Kühlung erreichbar ist und geht dann in den der einseitigen Kühlung über. Da die einzelnen wärmeaufnehmenden Schichten des Wärmespeichers geringeren Abstand zur Wärmequelle, d.h. zum Halbleiterbauelement haben können, als bei einem Kühlkörper möglich ist, sind trotz kleinerem Gewichts kurzzeitig auch geringere Wärmewiderstände erreichbar als bei zweiseitiger Kühlung. Dieses Verhalten kann sowohl bei einer Wechselbelastung als auch für eine Stoß- bzw. Kurzzeitbelastung ausgenutzt werden. Der erreichbare transiente Wärmewiderstand ist wie bereits betont, vom Material, von der Größe und von der Form des Wärmespeichers und von der Länge der Wärmewege im Wärmespeicher abhängig. Diese Größen müssen an den speziellen Anwendungsfall angepaßt werden, um eine letzte Optimierung zu erreichen. In Jedem Fall wird Jidoch der Aufbau der Halbleiteranordnung einfacher und billiger, da z.B. bei Luftkühlung für den als Wärmespeicher ausgebildeten Kühlkörper der einen Seite Kühlrippen, Luftführung und anteilige Luftmenge entfallen und bei Flüssigkeitskühlung die Halbleiterbauelemente 1 z.B. auf Kühlschienen montiert werden können, die gleichzeitig auch Strom führen, während für die Kühlung der anderen Seite des Halbleiterbauelements die relativ teueren Kühldosen und deren Verschlauchung durch einfache Kupfer- oder Aluminiumklötze als Wärmespeicher ersetzt werden können.

1 Figur

1 Patentanspruch

VPA 76 E 3030

7 09849/0478

Claims

Halbleiteranordnung mit eine» scheibenförmigen Halbleiterbauelement, das zwischen zwei Kühlkörpern federnd gehalten ist, von denen einer für Flüssigkeits- oder Gaskühlung ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kühlkörper ein Körper (3) mit großer Wärmeeindringzahl ist.

VPA 76 E 3030

709849/ΓΗ7Η OBJSiNAL INSPECTED