DE2814809A1 - Fluessigkeitskuehlkoerper, insbesondere zum kuehlen von leistungshalbleiterbauelementen - Google Patents

Description

• Flüssigkeitskühlkörper, insbesondere zum Kühlen von Leistungs-
• halbleiterbauelementen Gegenstand der Erfindung ist ein Flüss igkeitskühlkörper, insbesondere zum Kühlen von Leistungshalbleiterbauelementen.
• In der Vergangenheit wurden zum Kühlen von Leistungshalbleiterbauelementen nur sehr selten Flüssigkeitskühlkörper verwendet, denn Luftkühlung war bei den verhältnismäßig niedrigen Verlustleistungen der Bauelemente viel einfacher. Infolge der stetig steigenden Ansprüche bezüglich der Abführung der Verlustwärme vergrößerten sich auch die Abmessungen der Luftkithlkörper, so daß zur Zeit Einrichtungen, bei denen als Kühlmittel Luft angewendet wird, unvergleichlich größer als Einrichtungen mit Kühlsystemen auf Basis von Flüssigkeiten sind.
• Die Konstrukteure von Einrichtungen mit Halbleiterbauelementen beginnen, als Kühlmittel Flüssigkeiten anzuwenden, denn diese bieten eine viel größere Reserve der Kühlleistung, als dies bei der Luftkühlung der Fall ist, und sie finden sich noch dazu mit Sicherheit mit stoß- und übergangsartigen Zuständen ab, was darauf zurückzuführen ist, daß ihre Wärmeträgheit es ermöglicht, kurze Wärmeimpulse nur mit einem geringen Temperaturanstieg zu absorbieren.
• Eine Begleiterscheinung bei luftgekühlten Einrichtungen ist, daß diese sehr geräuschvoll sind; die Flüssigkeitskühlung ist imstande, diese unerwünschte Begleiterscheinung bedeutend herabzusetzen, denn der lärm kann leicht durch die Anbringung des Wärmeaustauschers und der Pumpe außerhalb des Bedienungsraumes der Anlage herabgesetzt oder vollständig entfernt werden. Die angeführten Vorzüge werden teilweise durch die ziemlich große Kompliziertheit der Systeme mit Flüssigkeitskühlung und die daraus resultierende Notwendigkeit einer Wartung verringert, was sich in erhöhten Betriebskosten auswirkt. Trotz dieser Komplikationen ist die Flüssigkeitskühlung mit Zwangsumlauf des KUhlmittels zweifellos eine vielversprechende Kühltechnik bei Leistungshalbleiterbauelementen.
• Die bekannten Flüssigkeitskühlkörper sind besonders wegen der einfachen Herstellungstechnologie größtenteils mit direkten Kanälen der inneren Rohrräume gebaut, In diesen Kanälen, die in einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, geschaffen wurden, bildet sich an den Rohrwänden eine Laminarschicht, die den Wärmeübergang aus dem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, in das Grundmaterial des Kühlkörpers herabsetzt, und der Kühlkörper weist dann einen etwas höheren Wärmewiderstand auf. Es sind ebenfalls Ausführungen von FlüssigkeitskUhlkörpern bekannt, wo an einem mit konzentrischen kreisförmigen Rillen für die Kühlflüssigkeitszuführung versehenen flachen Verbindungsstück von einer oder von beiden Seiten kreisförmige Scheiben mit radialen Rillen (US-PS 3 823 771) anliegen. Diese Ausführungen sind technolotisch betrachtet, einfach, sie ermöglichen jedoch mit Hinsicht auf die ungenügende Turbulenz der Strömung der Kühlflüssigkeit nicht das Erreichen der gewünschten Kühlleistung, und zwar wegen des bebauten Volumens in bestimmten Anwendungsfällen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitskühlkörper, insbesondere zum beiderseitigen Kühlen eines Halbleiterbauelements der mit Zuleitungen des flüssigen Kühlmittels versehen ist, derart auszubilden,#daß er einen möglichst einfachen Aufbau mit einem guten Wärmeübergang und einem geringen Raumbedarf kombiniert.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß seine Basis mit dem Kühlraum und einer Trennwand in einem schüsselförmigen Gehäuse so angebracht ist, daß die von den Kopfabflachungen von Kühlstiften gebildete Fläche der Basis mit dem Boden des Gehäuses verbunden ist, während die kompakte Außenfläche der Basis die Auflagefläche für das gekühlte Halbleiterbauelement bildet.
• Die Basis mit dem Kühlraum ist zweckmäßig am äußeren Umfang ihrer kompakten Außenfläche mit dem schüsselförmigen Gehäuse verbunden.
• Die Flanken der Kühlstifte werden vorteilhaft von zwei gegenüberliegend parallelen Flächen gebildet, während die restlichen zwei gegenüberliegenden Flächen von Teilen zylinderförmiger Flächen gebildet werden. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 bis 7 gekennzeichnet.
• Beim erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlkörper ergibt sich eine hohe Turbulenz der strömenden Kühlflüssigkeit, und dadurch treten höhere Koeffizienten des Wärmeübergang aus dem Kühlmittel in das Kühlkörpermaterial in Erscheinung. Mit Hinsicht auf das kleine bebaute Volumen des Kühlkörpers wird das Kühlkörpermaterial gut ausgenützt, bei dem es sich um das teuere und als Mangelware bekannte Kupfer handelt. Von den weiteren Vorzügen des erfindungsgemäßen FlüssigkeitskUhlkörpers können beispielsweise die große Kühlleistung und die einfache Technologie seiner Herstellung (Bohren, Drehen und Schneiden, gegebenenfalls Druckgießen), welche in einem automatisierten Herstellungsprozeß erfolgen kann, genannt werden.
• In den Fig. 1 und 2 isthSin Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Flüssigkeit^sikörpers dargestellt. In Fig. 1 ist dieser Flüssigkeitskühlkörper im Teilschnitt-Grundriß und in Fig. 2 im Teilschnitt-Aufriß gezeigt.
• Der Flussigkeitskühlkörper in Fig. 1 und 2 besteht aus der Basis 2 mit Kühlraum und Trennwand 8, befindlich in einem mit Kühlmittelzuleitungen 3, 4 versehenen schüsselförmigen Gehäuse 1. Die Basis 2 ist mit Kühlstiften 6 versehen, zwischen welchen der Kühlraum 5, abgegrenzt ist. Die von den Kopfabflachungen der Kühlstifte 6 gebildete Fläche der Basis 2 ist mit dem Boden des Gehäuses 1 beispielsweise durch eine Lotschicht 11, eventuell durch eine Klebstoffschicht verbunden. Die kompakte Außenfläche der Basis 2 bildet die Anlagefläche für ein gekühltes Halbleiterbauelement und ist an ihrem äußeren Umfang 10 auf geeignete Weise (Löten, Verschweißen, Kaltverformen oder Kleben) mit dem schüsselförmigen Gehäuse 1 verbunden. Die Basis 2 ist aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, Aluminium u. ä. Das Gehäuse 1 kann aus Metall, aber auch aus Isoliermaterial, beispielsweise aus Kunststoff sein. Falls das Gehäuse 1 und die Basis 2 aus Kupfer sind, ist es günstig, sie beispielsweise durch Lot Ag 72 ffi - Cu zu verbinden. Das Gehäuse 1 und die Basis 2 können aus Aluminium oder Magnesium, eventuell aus deren Legierungen sein, und in diesem Falle ist ihre Oberfläche mit einem Chromatüberzug versehen.
• Die Flanken der Kühlstifte 6 sind in Fig. 1 von zwei gegenüberliegenden parallelen Flächen gebildet, während die zwei übrigen gegenüberliegenden Flächen von Teilen zylinderförmiger Flächen gebildet werden. Die Länge und Breite der Kopfabflachungen der Kühlstifte 6 stehen zueinander vorzugsweise im Verhältnis 2:1. Die Kühlstifte 6 in der Basis 2 sind durch Bohren von Öffnungen, beispielsweise mit einer Koordinatenbohrmaschine und nachfolgendes Schneiden, ggf. Fräsen hergestellt, so daß zwischen ihnen ein Kühlraum 5, 7 entsteht. Alternativ können diese Kühlstifte 6 beispielsweise durch Druckgießen hergestellt werden.
• Die kompakte Außenfläche der Basis 2 ist mit einer zum genauen Aufbri#######g#d######## abgebildeten) aufliegenden gekühlten Halbleiterbauelementes bestimmten Zentrieröffnung 9 versehen. Diese kompakte Außenfläche ist mit Vorzug mit Räumen versehen, die für ein sich bei Betriebstemperatur des gekühlten Halbleiterbauelementes in flüssigem Aggregatzustand befindliches Material bestimmt sind. Diese Speicher, beispielsweise in Form von Rillen oder Ritzen ermöglichen die Bildung einer Schicht des erwähnten Metalls mit einer Dicke im Bereich von 0,01 bis 2 mm.
• Dieses Metall ist beispielsweise eine Legierung von Wismut, Blei, Zinn und Kadmium mit dem Schmelzpunkt von 0 70 OCJ wobei im allgemeinen Legierungen mit der Zusammensetzung von 40 bis 55 % Wismut, 10 bis 40 % Blei,2 bis 15 % Zinn und 0 bis 10 % Kadium geeignet sind. Legierungen mit O % Kadmium können 10 bis 20 % Indium enthalten. Diese Legierungen sind eutektisch mit einem niedrigen Schmelzpunkt und weisen nur eine kleine Volumenänderung beim Ubergang vom festen in den flüssigen Aggregatzustand auf. Es ist auch möglich, eine der nicht eutektischen Legierungen von Wismut, Blei, Zinn und Kadmium zu verwenden, und zwar die, welche in einem bestimmten Temperaturbereich schmelzen, der sich innerhalb des Betriebstemperaturbereiches des gekühlten Halbleiterbauelementes befindet. Diese Legierungen können 35 bis 51 % Wismut, 27 bis 37 % Blei, 9 bis 20 % Zinn und 3 bis 10 ffi Kadmium enthalten.
• Das Kühlmittel, z. B. Wasser, kommt durch die Zuleitung 3 in den Kühlraum der Basis 2, wo es gegen die Wände der Kühlstifte 6 fällt, und aufgewirbelt wird und diese turbulente Flüssigkeit umfließt die Trennwand 8 und verläßt den Kühlkörper durch die Zuleitung 4. Die hochgradig turbulente Strömung der Kühlslüssigkeit, welche durch die geeignete Form der Kühlstifte und deren Geometrie in der Basis 2 ermöglicht wird, verhindert die Bildung einer Laminarschicht an den Wänden des Kühlraumes und ermöglicht eine Steigerung des Wärmeüberganges aus der Flüssigkeit in das Kühlkörpermaterial.
• Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlkörpers ermöglicht mit Hinsicht auf die beträchtlich vollkommenere Verlustwärmeabfuhr eine bedeutende Steigerung der Strombelastbarkeit von gekühlten Halbleiterbauelementen, wodurch sich der Bereich ihrer Verwendungsmöglichkeiten erweitert. Diese Konstruktion ermöglicht eine Steigerung des Nutzwertes von Leistungshalbleiterbauelementen und führt deshalb durch ihre Anwendung zu bedeutenden Einsparungen elektrischer Energie. Da der erfindungsgemäße Flüssigkeitskühlkörper universal ist, ist er für breite Anwendungsmöglichkeiten insbesondere im Bereich der Leistungselektronik und in anderen Einsatzfällen, in denen Übertragungen großer Wärmeenergiedichten erreicht werden sollen} gut geeignet.

Claims (7)

1. Patentansprüche g Flüssigkeitskühlkörper, insbesondere zum beiderseitigen Kühlen eines Halbleiterbauelementes, der mit Zuleitungen des flüssigen Kühlmittels versehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß seine Basis (2) mit dem Kühlraum und einer Trennwand (8) in einem schüsselförmigen Gehäuse (1) so angebracht ist, daß die von Kopfabfiachungen von Kühlstiften (6) gebildete Fläche der Basis (2) mit dem Boden-des Gehäuses (1) verbunden ist, während die kompakte Außenfläche der Basis (2) die Anlagefläche für das gekühlte Halbleiterbauelement bildet.
2. 2. Flüssigkeitskiihlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (2) mit dem Kühlraum am äußeren Umfang der kompakten Außenfläche mit dem schüsselförmigen Gehäuse (1) verbunden ist.
3. 3. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der Kühlstifte (6) von zwei gegenüberliegenden parallelen Flächen gebildet werden, während die zwei übrigen gegenüberliegenden Flächen von Teilen zylinderförmiger Flächen gebildet werden.
4. 4. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und Breite der Kopfabflachungen der Kühistifte (6) zueinander im Verhältnis 2:1 stehen.
5. 5. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kompakte Außenfläche der Basis (2) mit einer Zentrieröffnung (9) versehen ist.
6. 6. Flüssigkeitskörper nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß die kompakte Außenfläche der Basis (2) mit Räumen für ein Metall, welches bei Betriebstemperatur des gekUhlten Halbleiterbauelements in flüssigem Zustand ist, versehen ist.
7. 7. Flüssigke itskühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (2) und/oder das schüsselförmige Gehäuse (1) aus einem leichten, mit einem Chromatübereug versehenen Metall, z. B. Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen, bestehen.