DE2716066A1 - Fluessigkeitsgekuehltes leistungs- halbleiterbauelement in scheibenzellenbauweise, insbesondere mit wasserkuehlung - Google Patents

Description

• "FlUssigkeitsgekühltes Leistungs-Halbleiterbauelement in
• Scheibenzellenbauweise. insbesondere mit Wasserkühlung" Die Erfindung bezieht sich auf ein flüssigkeits-, insbesondere wassergekühltes Leistungs-Halbleiterbauelement in Scheibenzellenbauweise mit Isoliergehäuse und mit elektrischer und thermischer Druckkontaktierung der Halbleiterscheibe, wobei zwei beidseitig der Halbleiterscheibe angeordnete, flüssigkeitsdurch# strömte Kühldosen an deren beide Hauptoberflächen andrückbar sind und zusammen mit der Halbleiterscheibe in das elektrisch isolierende, mit Durchführungen für äußere elektrische Anschlüsse versehene, erweiterte Isoliergehäuse integriert sind, gemeinsame externe hydraulische Anschlüsse für die Zuführung sowie die Abführung der Kühlflüssigkeit besitzen, an die sich ein- und austrittsseitig im Isoliergehäuse nach unten und oben und weiterhin in Höhe der Kühldosen parallel zur Scheibenebene verlaufende, an die Kühl dosen geführte Kanalabschnitte anschließen, und wobei die zur Scheibenebene parallelen, von der Halbleiterscheibe abgewandten Hauptoberflächen der Kühldosen für die Druckkontaktierung freiliegen, nach Patent Nr. .......
• (Patentanmeldung P 27 05 476.8). Sie findet Anwendung auf dem Gebiet der Leistungselektronik.
• Beim Gegenstand der Hauptanmeldung P 27 05 476.8, auf deren Inhalt hiermit ausdrücklich hingewiesen wird, sind die Kühldosen in ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement in Scheibenzellenbauweise, in sogenannter Flat-pack-Ausführung, integriert. Den in verschiedenen Figuren aufgezeigten zwei Ausführungsformen des Gegenstandes der Hauptanmeldung ist gemeinsam, daß sie nur fur die Kühlung mit einer Isolierflüssigkeit einsetzbar sind, weil die Isolierwege zwischen Anode und Kathode relativ kurz sind. Wasser mit seinen guten Kühleigenschaften ist nicht anwendbar, weil es auch in destilliertem Zustand (rein) noch so gute Leitfähigkeit aufweist, daß selbst die bei einer sogenannten 3"-Zelle (76,2 mm-Zelle) erreichbaren Flüssigkeitsstrecken von ca. 60 mm zwischen den zwei Polen, nicht ausreichen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Isolierfestigkeit des Leistungs-Halbleiterbauelementes in Scheibenzellenbauweise zu erhöhen, so daß auch eine nichtisolierende Flüssigkeit, insbesondere Wasser, zur Kühlung verwendet werden kann. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß die Kühlkanäle vom Bereich der ein- und austrittsseitigen Anschlußstellen in Höhe der Kühldosen, zunächst anschlußfrei bezüglich der Kühidosen, in zur zur Scheibenebene senkrechten Mittelachse etwa konzentrischen Kanalbögen mit einem Bogenwinkel kleiner 900 und oben und unten in entgegengesetzter Richtung verlaufen, sich daran nach unten bzw. nach oben führende Kanalteile anschließen, denen unten bzw. oben konzentrische, zur Jeweiligen Anschlußstelle zurückführende, aber nicht an dieselbe angeschlossene Kanalbögen folgen, die schließ#lich über die parallelen und geraden Kühlkanalabschnitte an die Kühldosen angeschlossen und somit miteinander verbunden sind.
• Vorteilhaft sind in die das eigentliche Halbleiterbauelement umfassenden Isolierschalen des Gehäuses längere Kühlkanäle als beim Gegenstand der Hauptanmeldung eingebracht. Mit dieser Ausführung sind beim angeführten Beispiel einer 3"-Zelle Kühlkanäle von einer Länge von 250 mm zwischen den zwei Polen erreichbar, ohne daß die Elementabmessungen vergrößert werden maßen. Das ist möglich, weil bei Wasser als KühlflUasigkeit mit geringeren Mengen gearbeitet werden kann und so die Kanalquerschnitte verkleinert werden können. Eintritts- bzw.
• zuru~hr~~seitig sind die Gehäuse-Halbschalen so ausgebildet, daß vom Bereich des Wassereintrittes aus eine Verteilung wie beim Gegenstand der Hauptanmeldung nach oben und unten erfolgt, das Wasser zunächst aber nicht in die Kühldosen direkt übergeleitet wird, sondern in den konzentrischen Kanälen mit einem Bogenmaß< 900 weitergeführt, dann in senkrechten Kanalteilen nach unten bzw. nach oben geleitet wird, um dann wieder zurück zur Anschlußstelle zu strömen, von wo es erst dann in die Kühldosen eintritt. Der Wasserverlauf nach der Anschlußstelle am Austritt aus den Dosen erfolgt entsprechend in umgekehrter Reihenfolge.
• Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend näher erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung (Grundriß) die Kanalverläufe im Gehäuse des Leistungs-Halbleiterbauelementesi Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A - A (Aufriß) durch Figur 3, Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie B - B (Grundriß) durch Figur 2.
• In Figur 1 sind zwei Ubereinanderliegende Kühldosen mit 1 und 1' bezeichnet. Der Aufbau des Leistungs-Halbleiterbauelementes mit Isoliergehäuse ist in der Hauptanmeldung erläutert. Die Verbindungen und der Verlauf der Kühlkanäle wird nachfolgend zweckmäßig einfach anhand des Strömungsverlaufes beschrieben.
• Vom Wassereintritt 3, der auf der Mitte der Zellendicke seitlich erfolgt, wird das Wasser in einem Kanal 4 nach oben und unten verteilt. Oben (ausgezogene Linie) fließt es dann in einen Kanalbogen 5 im Uhrzeigersinn, unten (gestrichelte Linie) im Gegenuhrzeigersinn in einen Kanalbogen 6, Jeweils eine ° einem Winkels 90 entsprechende Strecke. Dann erfolgt der übertritt von oben nach unten in einen Kanal 7, (durch Pfeilfeder angedeutet) bzw. von unten nach oben in einen Kanal 8, (durch Pfeilspitze angedeutet) und das Wasser strömt zurück zur Anschlußstelle in einem unteren Kanalbogen 9 und einem oberen Kanalbogen 10. Von dort tritt es dann über einen geraden Kanalabschnitt bzw. einfach eine Tülle 11 in die Kühldose 1' und über eine Tülle 12 in die obere Kühldose 1, durchströmt diese, um von dort über eine entsprechende Tülle 11' (obere Kühldose 1), einen oberen Kanalbogen 9', einen senkrechten Kanal 7', einen unteren Kanalsbogen 5' und einen senkrechten Kanal 4', bzw. eine Tülle 12' (untere Kühldose 1'), einen unteren Kanalbogen 10', einen senkrechten Kanal 8', einen oberen Kanalbogen 6' und einen senkrechten Kanal 4' zum Wasseraustritt 3' auf der Mitte der Zellendicke zu fließen.
• Bei der Darstellung ist zu beachten, daß alle Kanäle auf gleichen Radien liegen und nur die Verteilungskanäle 4 und 4' nach außen auf einen größeren Radius gelegt sind, um nicht mit den Tüllen 11 und 12 bzw. 11' und 12' zu kollidieren. -Das Leistungs-Halbleiterbauelement arbeitet nicht lageabhängig, so daß die auf die normale Einbaulage bezogenen Bezeichnungen oben und unten" nur als beispielhafte Orientierung anzusehen sind. - In Fig. 2 und 3 ist die konstruktive Ausführung des mit der Kühleinrichtung kombinierten Halbleiterbauelementes gezeigt.
• Das eigentliche Halbleiterelement, bestehend aus einer Halbleitertablette 20, kontaktiert mit zwei gleichen Kühldosen 1 und 1', mit einem Keramikrohr 21 sowie zwei Membranen 22 und zwei Kragen 23, entspricht der gasdichten Ausführung der Hauptanmeldung. Jede Kühldose 1, 1', ein geschlossener Topf, ist innen mit Zapfen 2 zur Oberflächenvergrößerung und zur Abstützung von Boden und Decke, sowie zwei Öffnungen 24 für den Wasserein- bzw. -austritt versehene Vorzugsweise ist das Isoliergehäuse quer zur Scheibenebene geteilt, d.h. um das Halbleiterelement sind zwei gleiche Halbschalen 30, aus thermoplastischem Kunststoff gelegt, die aus Zylindermantelstücken bzw. Kragen 31 mit Verstärkungswulsten 32, 32', zwei Tüllen 33, 33' sowie einem Anschlußauge 34 bestehen. In die Verstärkungswulste 32, 32' sind die vorbeschriebenen Kanäle eingepreßt. Abgeschlossen sind sie durch ier gleiche, parallel zur Scheibenebene orientierte, halbringförmige Deckel 35, bestehend aus einem Thermoplast, die durch Ultraschallschweißung aufgebracht sind. Die Deckel 35 sind mit nichtdargestellten Rasteinrichtungen zum gegenseitigen Verklammern der Halbschalen 30 und mit einer Bohrung versehen.
• Durch diese Bohrung wird ein plastisches Harz 36 eingespritzt, so daß die Hohlräume zwischen dem Halbleiterelement und den Halbschalen 30 ausgefüllt und die Anschlußtüllen 33, 33' gegenüber den Kühldosenöffnungen 24 abgedichtet sind. Damit kein Harz 36 in die Öffnungen 24 eindringen kann, dichten aus einem Elastomer bestehende Ringe 37 dieselben ab.
• Liegt als Halbleiterelement ein Thyristor vor, dann werden die elektrischen Anschlüsse für die Hilfskathode und die Steuerelektrode in der in der Hauptanmeldung beschriebenen Weise aus den Trennfugen der Halbschalen 30 herausgeführt.
• Es versteht sich auch, daß im Kreislauf für das Wasser in an sich bekannter Weise neben einer Pumpe und einem Wärmetauscher ein Ionentauscher liegen kann, der zur Herabsetzung der Korrosionsgefahr und zur weiteren Erhöhung der Isolierfestigkeit für entionisiertes, hochohmiges Wasser sorgt (Siemens-Zeitschrift 44 (1970), Heft 1, Seite 42).

Claims (1)

1. Patentanspruch: Flussigkeitsgekuhltes, insbesondere wassergekUhltes Leistungs-Halbleiterbauelement in Scheibenzellenbauweise mit Isoliergehäuse und mit elektrischer und thermischer Druckkontaktierung der Halbleiterscheibe, wobei zwei beidseitig der Halbleiterscheibe angeordnete, flUssigkeitsdurchströmte Kühidosen an deren beide Hauptoberflächen andrückbar sind und zusammen mit der Halbleiterscheibe in das elektrisch isolierende, mit Durchführungen für äußere elektrische Anschlüsse versehene, erweiterte Isoliergehäuse integriert sind, gemeinsame externe hydraulische AnschlUsse für die Zuführung sowie die Abführung der Kühlflüssigkeit besitzen, an die sich ein- und austrittsseitig im Isoliergehäuse nach unten und oben und weiterhin in Höhe der Kühidosen parallel zur Scheibenebene verlaufende, an die Kühldosen geführte Kanalabschnitte anschließen, und wobei die zur Scheibenebene parallelen, von der Halbleiterscheibe abgewandten Hauptoberflächen der Kühldosen für die Druckkontaktierung freiliegen, nach Patent Nr. ............ (Patentanmeldung P 27 05 476.8), dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle vom Bereich der ein- und austrittsseitigen Anschlußstelle in Höhe der Kühldosen (1, 1'), zunächst anschlußfrei bezüglich der Kühldosen, in zur zur Scheibenebene senkrechten Mittelachse etwa konzentrischen Kanalbögen (5,6;5',6') mit einem Bogenwinkel kleiner 900 und oben und unten in entgegengesetzter Richtung verlaufen, sich daran nach unten bzw.

   nach oben fUhrende Kanalteil (7 bzw. 8; 7' bzw. 8') anschließen, denen unten bzw. oben konzentrische, zur jeweiligen Anschlußstelle (4; 4') zurUckfUhrende, aber nicht an dieselbe angeschlossene Kanalbögen (9, 10; 9', 10') folgen, die schließlich Uber die parallelen und geraden KUhlkanalabschnitte (11, 12; 11', 12') an die Kühldosen (1; 1') angeschlossen und somit miteinander (11 - 12'; 11' - 12) verbunden sind.