DE2825582A1

DE2825582A1 - Waermeabfuehreinrichtung fuer halbleitermodul

Info

Publication number: DE2825582A1
Application number: DE19782825582
Authority: DE
Inventors: Armand Pasquale Ferro; Jun John Davis Harnden; Michael Herbert Mclaughlin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-06-13
Filing date: 1978-06-10
Publication date: 1978-12-21
Also published as: SE7806388L; FR2428916A1; FR2428916B1; GB1592143A; DE2825582C2; JPS5417675A; NL7806395A; SE437199B; US4145708A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mittel zum Abführen von Wärmeenergie von einer Quelle und insbesondere auf ein neues getrenntes Leistungsglied-Substrat, das von einer zusammenhängenden Wärmerohr- oder Thermosyphon-Einrichtung gekühlt wird und auf dem sich eine Kombination von hiermit verbundenen wärmeerzeugenden Halbleitergliedern befindet.

Es ist bekannt, Hochleistungs-Halbleiterglieder dadurch zu kühlen, daß ein oder mehrere solche Glieder auf Kühlkörpern (heat sinks) angebracht werden, wie großen Aluminium-Strangpreßprofilen und dergleichen, wobei der vergrößerte Oberflächenbereich des stranggepreßten Kühlkörpers dafür sorgt, daß große Wärmeenergiemengen von den Halbleitergliedern abgeleitet werden. Wenn derartige stranggepreßte Kühlkörper für Hochleistungshalbleiteranwendungen benutzt werden, haben die aus dem Glied und dem Kühlkörper bestehenden Module allgemein eine relativ große Abmessung und ein großes Gewicht, wodurch diese Module nicht leicht von einer einzelnen Person ausgetauscht werden können, wobei insbesondere das gegenseitige Ausrichten von Modulen an der Stelle eines bestimmten Moduls innerhalb einer Anlage relativ kritisch ist. Es ist bekannt,

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zum Kühlen von Hochleistungshalbleitergliedern ein Wärmerohr (eine Flüssigkeit-Dampf-Phasenaustauscheinrichtung unter Anwendung eines Dochtgebildes, das im wesentlichen oder vollständig die innere Oberfläche der Einrichtung abdeckt) oder einen Thermosyphon zu benutzen (eine andere Flüssigkeit-Dampf-Phasenaustauscheinrichtung ohne ein Dochtmaterial an der inneren Oberfläche, wobei die Funktion dieser Einrichtung auf einer Schwerkraftrückführung von aus dem erhitzten Dampf kondensierter Flüssigkeit zu einem Flüssigkeitsbehälter beruht, der an die die zu entfernende Wärmeenergie erzeugende Quelle angrenzt). Typische Wärmerohr- und/oder Thermosyphon-Einrichtungen sind in den US-Patenten 3 826 957, 3 852 803, 3 852 804, 3 852 805 und 3 852 806 beschrieben. Bei allen zuvor erwähnten Patenten ist es erforderlich, daß ein Halbleiterglied an einer Wärmeübertragungsvorrichtung angeklemmt oder in anderer Weise im wesentlichen dauerhaft befestigt wird, wobei diese Vorrichtung an jede Seite eines zu kühlenden Halbleitergliedes angrenzt. Somit ist ein relativ schnelles Austauschen von Halbleitergliedern bezüglich einer bestimmten Wärmerohr-/Thermosyphon-Kühlexn.Lichtung besonders schwierig und zeitraubend; die Wärmegrenzfläche zwischen dem Glied und der Wärmeaustauscheinrichtung (Wärmerohr oder Thermosyphon) ist keineswegs ideal und hängt allgemein in höchstem Maße von dem mechanischen Druck ab; und zwischen den Anschlüssen eines in einer solchen Einrichtung angebrachten einzelnen Halbleitergliedes ist eine elektrische Trennung schwer zu erzielen. Es ist extrem schwierig, eine Mehrzahl von Halbleitergliedern, die entweder miteinander verbunden oder elektrisch vollständig voneinander unabhängig sind, auf einer gemeinsamen Wärmeaustauscheinrichtung der bisher bekannten Art anzubringen.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine preiswerte Wärmeaustauscheinrichtung zu schaffen, die eine Mehrzahl von Hochleistungshalbleitergliedern kühlen kann.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer neuen Wärmeaustauscheinrichtung, die ein relativ schnelles Austauschen von daran angebrachten Halbleitergliedern ermöglicht.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer neuen Wärmeaustauscheinrichtung, die es er-

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möglicht, daß eine Mehrzahl von Halbleitergliedern für Kühlzwecke darauf angebracht werden kann, wobei alle Halbleiterglieder voneinander und von der Kühleinrichtung elektrisch getrennt sind.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer neuen Wärmeaustauscheinrichtung, die für ein Abführen von Wärmeenergie von jeder eines Paares von entgegengesetzten Seiten eines Halbleitergliedes sorgt, wobei zwischen diesen Seiten eine elektrische Trennung beibehalten wird.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hat ein Leistungsglied bzw. -modul eine Wärmeaustauscheinrichtung vom Flüssigkeit-Dampf-Phasenaustauschtyp mit einem Reservoir bzw. Behälter, der teilweise durch eine Platte abgeschlossen ist, die an der inneren Oberfläche ein sich in das Kühlfluid erstreckendes Dochtgebilde zum Verstärken der Siedewärmeübertragung (boiling heat transfer) in das Fluid hat. An der entgegengesetzten Außenseite, also entgegengesetzt zum Dochtgebilde, hat die Platte isolierende Mittel zum Anbringen von zumindest einem wärmeerzeugenden Halbleiterglied. Das zumindest eine Halbleiterglied ist durch Entfernen der Verschlußplatte mit dem daran befestigten Dochtgebilde für ein schnelles Auswechseln austauschbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das isolierende Glied zum Bilden einer ausreichenden Festigkeit und Wärmeleitungskapazität aus Berylliumoxid (BeO) hergestellt, und bei dem Dochtgebilde handelt es sich um ein Volumen aus Filz-Metall-Docht matefial. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das aus Berylliumoxid bestehende isolierende Glied direkt mit dem Reservoir bzw. Behälter als hierfür dienendes teilweises Verschlußmittel verbunden, wobei das Plattengebilde entfallen kann.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Verdampfungsoberfläche als eine profilierte (structured) Siederippenfläche mit einer vergrößerten Fläche für eine gesteigerte Wärmeübertragung ausgebildet.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von wärmeerzeugenden Halbleiterkomponenten auf dem isolierenden Gebilde angebracht, und zwar unter Abstandsbeziehung zum Bilden einer elektrischen Trennung. Zuleitungsmittel, die an einem von dem isolierenden Glied am weitesten entfernten Ende des HaIb-

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leitergliedes befestigt sind, sind jeweils an leitenden Kissen bzw. Polstern befestigt, die voneinander und von den Halbleiterkomponenten getrennt sind, damit von dem Halbleiterglied ausgehende Wärmeenergie durch zugeordnete Zuleitungen zu dem Dochtgebilde geleitet wird, und zwar für eine zweiseitige Kühlung eines jeden Halbleitergliedes.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungform ist eine Elektrode eines jeden Gliedes einer Mehrzahl von Halbleitergliedern an einem leitenden Kissen bzw. Polster angebracht, das mit dem isolierenden Glied verbunden ist. Jede verbleibende Elektrode eines jeden Halbleitergliedes ist mit anderen Kissen bzw. Polstern verbunden, die auf einem anderen isolierenden Glied ausgebildet sind. Dieses Glied verschließt teilweise einen Behälterabschnitt einer zusätzlichen Wärmeaustauscheinrichtung. Hierdurch wird das Abführen von großen Wärmeenergiemengen von zwei entgegengesetzten Seiten einer Mehrfachgliedschaltung erleichtert.

Demgemäß wird die Verdampfungsfläche eines Wärmerohroder Thermosyphon-Verdampfers als das Kühlmittel für eine Seite eines elektrisch getrennten Substrates benutzt, an dessen entgegengesetzter Seite ein oder mehrere Leistungshalbleiter und gegebenenfalls andere zu kühlende Komponenten angebracht und eventuell miteinander verbunden sind. Beide Seiten von an dem isolierenden Substrat angebrachten Halbleitergliedern können gekühlt werden, während vielfältige verschiedene Kombinationen von elektrischen Gliedern und/oder Verbindungen erzielt werden können.

Der Aufbau und die Betriebsweise dieser neuen Leistungsglieder bzw. -module mit getrennten Substraten, die durch eine zusammenhängende Wärmeenergieabführungseinrichtung gekühlt werden, ergeben sich klarer aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen: Figur 1 - in einer geschnittenen Seitenansicht eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Leistungsmoduls mit einem durch eine zusammenhängende Wärmeenergieabführungseinrichtung gekühlten getrennten Substrat,

Figur 2 - in einer geschnittenen Seitenansicht einen Teil eines zweiten Leistungsmoduls, wobei eine andere bevorzugte Ausführungsform eines getrennten Substrates und insbe-

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sondere Mittel zum Kühlen beider Seiten eines daran angebrachten Halbleitergliedes dargestellt sind und Figur 3 - in einer geschnittenen Seitenansicht einen Teil eines anderen Leistungsmoduls unter Anwendung von isolierenden Gliedern, die zum Verschließen des Behälterteils eines jeden eines Paares von Wärmeabführungsmitteln direkt verbunden bzw. angebracht sind, wobei diese Ausführungsform ein doppelseitiges Kühlen eines Leistungsmoduls erleichtert.

Gemäß Figur 1 weist ein Leistungsmodul bzw. -glied 1o eine Wärmeenergieabführungseinrichtung 11 auf, wobei es sich um eine oder mehrere Thermosyphon-Einrichtungen (für höhere Leistungsdichten bevorzugt) oder Wärmerohre (heat-pipes) handeln kann. Die Einrichtung 11 hat ein Reservoir 12, wie den dargestellten hohlen Block aus wärmeleitendem Material, und zumindest ein hohles Glied 14, dessen Innenraum 14a mit dem Innenraum 12a des Reservoirs bzw. Behälters über Öffnungen 12b in dem letzteren in Strömungsverbindung steht. Jedes hohle Glied 14 ist an dem am weitesten von dem Behälter 12 entfernten Ende 14b verschlossen, wie durch ein Abdeckungsglied 15. Wenn es erforderlich ist, kann eine Vielzahl von strukturierten Gliedern 16, wie von ringförmigen Kühlrippen und dergleichen, an der äußeren Oberfläche der Glieder 14 hinzugefügt werden, um die wirksame Wärmeableitungsfläche zu vergrößern. Hierdurch kann ein in Pfeilrichtung A gelangender Luftstrom zusätzliche Wärmeenergie von den äußeren Oberflächen der Glieder 14 abführen. Der Behälter 12 ist teilweise mit einem Kühlmittelfluid 18 gefüllt, das beim Aufnehmen von Wärmeenergie aus dem flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand umgesetzt wird und vertikal durch den inneren Bohrungsraum 14a der Glieder in Pfeilrichtung B aufsteigt. Der Kühlmitteldampf berührt schließlich die kühleren Innenwandungen des Gliedes 14, um diesen einen Teil seiner Wärmeenergie zu übergeben, was ausreicht, um einen Phasenübergang zu der flüssigen Phase zu begründen. Daraufhin kehrt das nunmehr flüssige Kühlmittel durch Schwerkraft in der Pfeilrichtung C zu dem Behälter des Kühlmittels 18 zurück.

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Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Wärmeenergieabführungseinrichtung 11 um einen dochtfreien Thermosyphon mit Schwerkraftführung, obwohl Dochtmaterial teilweise oder vollständig längs der inneren Oberfläche der hohlen Glieder 14 hinzugefügt werden kann, um eine Wärmerohr-Einrichtung zu realisieren, die auch unter einer anderen als einer vertikalen Ausrichtung der Bohrungsräume 14a angeordnet werden kann, wobei das Dochtgebilde (nicht dargestellt) in bekannter Weise ein ohne Schwerkraft arbeitendes Mittel zum Zurückführen der Flüssigkeitströpfchen in den Behälter bildet.

In Übereinstimmung mit der Erfindung liegt eine Dichtungsplatte 2o aus einem Material mit einer großen Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer und dergleichen, an der äußeren Oberfläche des Behältergliedes 12 an, wobei sich die Dichtungsplatte 2o vollständig über einer durch die Bodenseite 12d geführten Öffnung 12c befindet. Die Platte ist an der äußeren Oberfläche 12d des Behältergliedes durch Dichtungsmittel 22 ^, wie eine Lötraupe, eine Schweissung, eine kühlmitteldichte Dichtung sowie Schraubbefestigungsglieder usw., um in irgendeiner bekannten Weise ein Austreten von Kühlmittel 18 aus dem Behälter zu vermeiden· /abgedichtet Vorzugsweise ermöglicht das Dichtungsmittel ein relativ schnelles Abnehmen der Platte 2o von dem Behälter 2, um ein Austauschen zu erleichtern; so kann ein kühlmitteldichter Dichtring 24 (Figur 2) geeignet in ausgerichtete Kanäle 2 5b (in der äußeren Oberfläche des Behältergliedes 12) und 25a (in der zugehörigen Oberfläche der Platte 2o im Ümfangsringbereich der Behälteröffnung 12c) gedrückt werden, wobei der Klemm- bzw. Preßdruck von einer Mehrzahl von Befestigungsmitteln 26 aufgebracht wird, wie von Gewindeschrauben und dergleichen, die durch öffnungen 2oa in der Platte geführt sind und in mit Gewinde versehene Sacklöcher 28 in den Behälterwandungen eingreifen.

Ein Gebilde 3o, wie ein Filzmetalldocht (feit metal wick) oder dergleichen, ist an einer Oberfläche der Dichtungsplatte 2o im wesentlichen in ihrem Zentrum und an einem Bereich befestigt, der durch die Behälteröffnung 12c eingeführt wird. Dieses dient zum Erleichtern einer wirksamen Wärmeübertragung von der Platte zu dem Kühlmittelfluid 18. Vorzugsweise wird ein Ständer bzw. Bolzen 32 zwischen dem Zentrum der Dichtungsplatte 2o und der entgegenge--

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setzten Wandung des Behältnisgliedes 12 benutzt, und zwar als ein Mittel zum Verhindern eines Zusammenfallens des Behältnisses während des Entfernens von anderem Material als dem Kühlmittel (noncoolant material), was durch Mittel (nicht dargestellt) in einem der Endkappenglieder 15 nach dem Installieren der Dichtungsplatte 2o durchgeführt werden kann.

Ein Halbleiterglied 4o, wie eine passend dotierte Siliziumdiode und dergleichen, hat eine erste Elektrode 41, auf der eine Schicht aus höchst leitfähigem Material, wie Kupfer und dergleichen, ausgebildet ist, wobei mit dieser ersten Schicht eine erste Elektrodenleitung 42 aus ähnlichem Material verbunden ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß bei dieser bestimmten Ausführungsform die Querschnittsfläche der ersten Zuleitung 42 so gewählt ist, daß nicht nur die passenden elektrischen Betriebsbedingungen für das Halbleiterglied 4o vorgesehen werden, sondern daß auch eine ausreichende Fläche gebildet wird, damit ein Teil der Wärmeenergie durch die erste Elektrode 4 1 geleitet und abgeführt wird. Eine zweite Elektrode 44 ist mit der entgegengesetzten Fläche bzw. Seite des Halbleitergliedes 4o verbunden; die zweite Elektrode 44 muß aus einem höchst wärmeleitfähigen Material hergestellt sein, wie aus Kupfer, Wolfram und dergleichen. Eine zweite Elektrodenleitung 46 ist mit der Seite der zweiten Elektrode 44 verbunden, die am weitesten von dem Halbleiterglied 4o entfernt ist. Ein Glied 48 aus einem isolierenden Material mit großer Wärmeleitfähigkeit, wie aus Berylliumoxid (BeO) und dergleichen, befindet sich zwischen den zweiten Elektrodenleitungsmitteln 46 und der äußeren Oberfläche der Dichtungsplatte 2o, wobei es mit diesen Teilen verbunden ist. Somit sorgt das isolierende Glied 48 für ein elektrisches Isolieren der zweiten Elektrode 44 und seiner zugeordneten Leitungsmittel 46 gegenüber der leitenden Dichtungsplatte 2o und dem Behälterglied 12, während ein Pfad mit kleinem Wärmewiderstand in Verbindung mit der zweiten Elektrode 44, den Leitungsmitteln 46, der Dichtungsplatte 2o und dem Dochtglied 3o gebildet wird, um Wärme von dem Halbleiterglied 4o in das Kühlmittelf luid 18 abzuführen, wodurch dieses verdampft und Wärme von dem Halbleiterglied abgeleitet werden. Auf diese Weise kann ein Hochleistungs-Halbleiterglied integrierend auf einer zugeordneten Wär-

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meenergieabführungseinrichtung angebracht, schnell hiervon abgenommen und wiederum aufgebracht werden, wobei eine elektrische Trennung von der Wärmeenergieabführungseinrichtung besteht. Diese kann nunmehr auf elektrischem Massepotential gehalten werden, um die Gefahr einer Schlagbeeinflussung einer Person zu reduzieren, wobei kein Verlust bezüglich des Grades der Halbleitergliedkühlung in Kauf genommen werden muß. Dieser Aufbau ist besonders vorteilhaft für Halbleiterglieder, bei denen große Wärmeenergiemengen entstehen; vorzugsweise ist die zweite Elektrode 44 aus Wolfram hergestellt, um einem Halbleiterglied mit einem großen Oberflächenbereich die entsprechende mechanische Festigkeit zu erteilen und, was besonders wichtig ist, um eine Schicht aus einem Material vorzusehen, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der weitgehend demjenigen des für das Glied 4o benutzten Halbleitermaterials entspricht. Auf diese Weise wird das bimetallische Biegen des Teils '46a des zweiten Elektrodenleitungsmittels, das im Bereich zwischen der zweiten Elektrode 44 und dem isolierenden Glied 48 angeschlossen ist, verringert, wenn das Halbleiterglied und der zugeordnete Aufbau einem Anstieg der Betriebstemperatur unterworfen werden. Für Halbleiterglieder mit Durchmessern von weniger als etwa 12,7 mm (o,5 Zoll) und mit hieran durch Weichlot befestigten Elektroden 41 sowie 44 kann für die zweite Elektrode 44 Kupfer verwendet werden, da das Weichlot in einem ausreichenden Ausmaß einen Bruch des Halbleitergliedes verhindert, wenn die Elektroden einer Wärmeausdehnung unterliegen.

In Figur 2, wo ähnliche Hinweiszahlen für ähnliche Elemente benutzt werden, ist eine andere bevorzugte Ausführungsform der Wärmeenergieabführungseinrichtung 1ο¹ dargestellt. Diese Einrichtung benutzt ein Glied 5o mit einer gerippten Oberfläche, wie Siederippen (boiling fins) 51 und dergleichen, statt des Filzmetall-Dochtgliedes 3o (Figur 1), um den erforderlichen großen Oberflächenbereich zum Überführen der Wärmeenergie in das Bad der Kühlmittelflüssigkeit 18 zu erzielen.

Eine Mehrzahl von Kissen bzw. Polstern 54a, 54b aus einem Material mit großer Wärmeleitfähigkeit, wie aus Kupfer und dergleichen, ist an der nach außen weisenden Oberfläche 48a der isolierenden Schicht 48 ausgebildet, um entsprechend jeweils eine

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erste Elektrode eines zugeordneten Hochleistungshalbleitergliedes 55a, 55b aufzunehmen. Somit wird im Zusammenhang mit dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung eine Elektrode 56 von jedem von zumindest einem Halbleitergebilde 55 gekühlt, wie die Anodenelektrode einer Hochleistung-Halbleiterdiode oder die Kollektorelektrode eines Hochleistung-Halbleitertransistors, und zwar durch hiervon erfolgendes Abführen von Wärmeenergie durch den mit einer kleinen thermischen Impedanz ausgebildeten Serienaufbau, der eines der Kissen bzw. Polster 54, das Glied 48, die Platte 2o und das Docht- bzw. Rippengebilde 51 in dem Kühlmittelfluid 18 aufweist. In Übereinstimmung mit einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist jede übrige Elektrode 56' eines jeden der Halbleiterglieder 55a und 55b an die äußere Schaltungsanordnung (nicht dargestellt) über entsprechende Zuleitungen 57a und 57b angekoppelt, von denen jeweils ein Ende an den zugeordneten Elektrodenbereichen des zugeordneten Halbleitergliedes befestigt ist. Jedes der Zuleitungsinittel 57a, 57b ist aus einem höchst wärmeleitfähigen Material und mit ausreichend großen körperlichen Abmessungen hergestellt, um ein Ableiten eines bedeutenden Anteils der von dem zugeordneten Halbleiterglied erzeugten gesamten Wärmeenergie von dem Ende des Halbleitergliedes zu erleichtern, das am weitesten von dem isolierenden Glied 48 entfernt ist. Ein Kissen bzw. Polster 59 aus höchst wärmeleitfähigem Material ist für jedes der Zuleitungsmittel 57 auf der Oberfläche 48a des isolierenden Gliedes ausgebildet. Jedes der Kissen 59 ist von den anderen Kissen und von dem Anbringungskissen 54 aller Halbleiterglieder unter Abstand angeordnet. Jedes Zuleitungsmittel 57 ist in passender Weise mit dem zugeordneten Kissen 59 verbunden, und zwar mit einem kleinen Wärmewiderstand zwischen diesen Teilen. Somit sind die Kissen, die einer jeden einer Mehrzahl von Elektroden eines jeden Halbleitergliedes zugeordnet sind, elektrisch von den anderen und von den elektrisch leitenden Teilen der Wärmeaustauscheinrichtung getrennt. Von beiden Enden 56, 56' des Halbleitergliedes wird Wärme abgeführt, um die Übergangszonentemperaturen der Halbleiterglieder zu vermindern, und zwar im Vergleich zu dem bei bekannten Einrichtungen erreichten Leistungsabführungspegel im Zusammenhang mit ähnlichen Gliedern.

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Gemäß Figur 3 weist eine Wärmeenergieabführungseinrichtung 11' ein Paar von Wärmerohr- oder Thermosyphon-Einrichtungen auf, deren Behälterteile 12' und 12'' eine im wesentlichen rechtwinklige Abbiegung haben, so daß die Anbringungsoberflächen 12x' und 12x^l! eines jeden Behälterteils aufeinander zuweisen. Zwischen den unter gegenseitigem Abstand angeordneten, im wesentlichen parallelen Behälterendflächen 12x' und 12x^l! ist ein Leistungsmodul bzw. -glied 6o nach Art einer integrierten Schaltung angebracht. Ein elektrisch isolierendes Glied 48a oder 48b mit großer Wärmeleitfähigkeit ist jeweils direkt mit der zugeordneten Oberfläche 12x' oder 12x^l! verbunden, und jedes Glied 48a oder 48b sorgt für ein teilweises Verschließen des zugeordneten Behälters 18a oder 18b mit Kühlmittelfluid. Vorzugsweise sind jedes der abgewinkelten unteren Enden der Wärmeabführungseinrichtung aus einem Material wie Kupfer und jedes der Glieder 48a sowie 48b aus Berylliumoxid hergestellt, wobei die direkte Bindung zwischen diesen Teilen in Übereinstimmung mit den in den US-Patenten 3 911 533 und 3 993 beschriebenen Verfahren durchgeführt wird, worauf hiermit Bezug genommen wird. Ein Dochtgebilde 3oa oder 3ob ist mit der entsprechenden zugeordneten Oberfläche des Berylliumoxidgliedes 48a oder 48b verbunden, welches als eine Begrenzung für das Kühlmittelfluid fungiert; jedes Dochtgebilde kann an dem zugeordneten Berylliumoxidglied gemäß den Direktverbindungsverfahren der zuvor erwähnten US-Patente befestigt werden.

Zur Erläuterung enthält das Leistungsmodul 6o ein erstes Halbleiterglied 62 und ein zweites Halbleiterglied 64. Ein Kissen 66 aus einem Material mit einer großen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, wie Kupfer, ist auf der übrigen Oberfläche eines isolierenden Gliedes 48a ausgebildet. Eine erste Elektrode 62a und 64a eines jeden Halbleitergliedes ist mit dem leitenden Kissen 66 verbunden, während eine verbleibende Elektrode 62b des Halbleitergliedes 62 mit einem leitenden Kissen 68 verbunden ist, das seinerseits mit dem anderen isolierenden Glied 48b verbunden ist. In ähnlicher Weise ist die verbleibende Elektrode 64b des Halbleitergliedes 64 mit einem anderen leitenden Kissen 7o verbunden, das seinerseits wie das leitende Kissen 68 auch mit derselben Oberfläche des isolierenden Gliedes 48b verbunden ist. Somit sind

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die ersten Elektroden 62a und 64a der ersten und zweiten Halbleiterglieder über das leitende Kissen 66 elektrisch in Reihe geschaltet, während sie jedoch gegenüber der zugeordneten ersten Wärmeabführungseinrichtung 12' elektrisch isoliert sind (die nunmehr auf Massepotential gehalten werden kann, wie mittels einer Masseverbindung 75); die übrigen Elektroden 62b und 64b sind elektrisch voneinander und von der zweiten Wärmeabführungseinrichtung 12'' getrennt (die auch, unabhängig, auf elektrischem Massepotential gehalten werden kann, wie über eine Masseverbindung 76, oder die mit dem Massepotential über ein Glied 78 gekoppelt werden kann, welches die beiden Wärmeabführungseinrichtungen 12" sowie 12*' und somit das dazwischen befindliche integrierte Leistungsmodul 6o mechanisch abstützt). Es ist festzustellen, daß jede hier als Thermosyphon dargestellte Wärmeabführungseinrichtung 12' und 12'' als Wärmerohr ausgebildet und unabhängig mit irgendeinem erwünschten elektrischen Potential verbunden werden kann, obwohl Massepotential aus Sicherheitsgründen bevorzugt ist und zu einer größeren Anpassungsfähigkeit bezüglich einer Bewältigung von durch ungewollte Störungen erzeugten Impulsen und von HF-Störungen führen kann. Es ist darauf hinzuweisen, daß ein oder mehrere leitende Kissen 66, 68 und/oder 7o mit einem elektrischen Potential, beispielsweise Massepotential, verbunden werden können, um kapazitive und Störeffekte noch weiter zu vermindern.

Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, nicht nur weil das Berylliumoxid für eine bevorzugte Anpassung der Wärmeausdehnungseigenschaften zwischen den Siliziumhalbleitervorrichtungen und dem Kupfer sorgt, sondern auch deshalb, weil eine in Verbindung mit den Halbleitergliedern von Leistungsmodulen 6o benutzte gedruckte Schaltungskarte 8o mit einer Logik- und Antriebsbzw. Treiber-Schaltungsanordnung nunmehr körperlich relativ nahe an dem Leistungsmodul angeordnet und hiermit über relativ kurze Zuleitungen 82 verbunden werden kann. Die störende Kapazität zwischen den verschiedenen Elektroden der Leistungsmodule sowie den Wärmerohren wird vermindert, und es liegt keine nachteilige Beeinflussung der Moduleigenschaften vor (insbesondere der Anstiegsund Abfallzeiten der an die Glieder 62 und 64 angekoppelten Signale) , da die Elektroden und ihre zugeordneten Anbringungskissen

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66, 68 und 7ο durch die Berylliumoxidglieder 48 von den leitenden Teilen der Wärmeabführungseinrichtungen getrennt sind. Somit kann Wärmeenergie gleichermaßen von beiden entgegengesetzten Seiten des Leistungsmoduls 6o (mit den Gliedern 48a und 48b verbunden) in den angrenzenden Kühlfluidbehälter 18a und 18b abgeführt werden, während die Leistungsglieder des Moduls (die in der erforderlichen Weise verbunden sind) elektrisch von den Wärmeabführungseinrichtungen getrennt sind, um die Störkapazität zu reduzieren und eine zusätzliche personelle Sicherheit vorzusehen. Während die Ausführungsform aus Figur 3 gemäß der Darstellung zwei Thermosyphon-Einrichtungen hat (mit abgewinkelten und horizontal angeordneten Enden, zwischen denen sich das Halbleitermodul befindet), ist festzustellen, daß ein Thermosyphon mit einem vertikal angeordneten Ende, wie es in Figur 1 dargestellt ist, ein hiermit verbundenes isolierendes Glied, beispielsweise 48a, haben kann. Ein Wärmerohr kann vertikal darunter angeordnet und mit dem übrigen, unteren, isolierenden Glied, beispielsweise 48b, verbunden sein, wobei ein über die volle Länge verlaufendes zusätzliches Dochtgebilde (nicht dargestellt), das charakteristisch für ein Wärmerohr ist, erforderlich ist, um das Kühlfluid entgegen der Schwerkraft nach oben zu einem Behälter zurückzuleiten, der an das an dem unteren isolierenden Glied befestigte vertikal verlängerte Dochtgebilde 3ob angrenzt.

Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ergeben sich für den Fachmann viele Abwandlungen und Modifikationen, die von der vorliegenden Erfindung umfaßt sein sollen.

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Leerseife

Claims

Ansprüche

Wärmeenergieabführungseinrichtung für ein Modul mit zumindest einem Halbleiterglied, gekennzeichnet durch Mittel (11, 11') mit einer Oberfläche (12d, 12x', 12x^l!) zum Abführen von Wärmeenergie von dieser Oberfläche, durch ein Glied (48; 48a, 48b) aus einem elektrisch isolierenden sowie höchst wärmeleitfähigen Material mit einer ersten Oberfläche, die sich in Wärmeaustauschbeziehung mit der Oberfläche (12d, 12x", 12x") der Wärmeabführungsmittel (11, 11·) befindet, und mit einer zu der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche, und durch Mittel (54a, 54b; 66, 68, 7o) zum Bilden eines Anbringungskissens bzw. -polsters, mit dem eine Elektrode (46; 56, 56¹; 62a, 62b, 64a, 64b) von zumindest einem der Halbleiterglieder (4o; 55a, 55b; 62, 64) des Moduls verbunden wird, wobei jedes dieser Kissenbildungsmittel auf der zweiten Oberfläche des isolierenden Gliedes (48; 48a, 48b) angebracht und von jedem anderen Kissenbildungsmittel unter Abstand angeordnet ist, um die zumindest eine, hiermit verbundene Elektrode (46; 56, 56'; 62a, 62b) von allen anderen Elektroden und von dem Wärmeabführungsmittel (11, 11') elektrisch zu trennen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeabführungsmittel (11) eine Platte (2o) aus einem höchst wärmeleitfähigen Material enthält, wobei diese Platte einen Teil der Oberfläche (12d) bildet und das Glied (48) mit der Platte (2o) verbunden ist, und daß Mittel zum wahlweisen Anbringen der Platte (2o) an der Oberfläche (12d) sowie zum Abnehmen hiervon vorgesehen sind.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabführungsmittel ferner einen Behälter (12) mit Kühlmittelfluid (18) enthalten und daß die Platte (2o) außerdem Mittel (22) aufweist, die für eine fluiddichte Abdichtung sorgen, wenn die Platte (2o) an der Oberfläche (12d) befestigt ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß die Wärmeabführungsmittel (11) ein Wärmerohr sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabführungsmittel (11) ein Thermosyphon sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabführungsmittel (11) einen hohlen Behälter (12) enthalten, daß die Oberfläche (12d) an einer Außenwandung des Behälters (12) ausgebildet ist, daß die eine Außenwandung eine hindurchgeführte Öffnung (12c) hat, die durch die Platte (2o) abgedichtet ist, und daß ferner an der zum isolierenden Glied (48) entgegengesetzten ersten Oberfläche der Platte (2o) ein Wärmedochtglied (3o, 51) befestigt ist, das sich durch die Öffnung (12c) in den Behälter (12) erstreckt.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmedochtglied (3o) aus einem Filz-Metall Dochtmaterial hergestellt ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmedochtglied (51) ein geripptes Siederippenglied ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (2o) aus Kupfer hergestellt ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied (48; 48a, 48b) aus Berylliumoxid hergestellt ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch eine andere Schicht, die nur zwischen der zweiten Oberfläche des

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Gliedes (48) und jedem der Kissenbildungsmittel (54a, 54b) angeordnet ist, wobei diese andere Schicht aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt ist, der entsprechend gewählt ist, um bei einer Änderung der Temperatur der Platte (2o) Spannungen an dem zugeordneten Halbleiterglied (4o; 55a, 55b) zu verringern.
12. Einrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch zusätzliche Mittel (59a, 59b) zum Bilden von zumindest einem zusätzlichen Kissen bzw. Polster, das zumindest einem der an dem Glied (48) angebrachten Halbleiterglieder (55a, 55b) zugeordnet ist, wobei jedes zusätzliche Kissenbildungsmittel (59a, 59b) auf der zweiten Oberfläche des isolierenden Gliedes (48) und unter Abstand von allen anderen Kissenbildungsmitteln ausgebildet ist, um dazwischen eine elektrische Trennung zu erreichen, und durch Zuleitungsmittel (57a, 57b), die jedes zusätzliche Kissenbildungsmittel (59a, 59b) und eine andere Elektrode des zugeordneten Halbleitergliedes (55a, 55b) verbinden, wobei die Zuleitungsmittel (57a, 57b) aus einem ausgewählten Material mit entsprechenden physikalischen Eigenschaften hergestellt ist, um dafür zu sorgen, daß Wärmeenergie von dem zugeordneten Halbleiterglied (55a, 55b) auch über diese Zuleitungsmittel (57a, 57b) zu den Wärmeabführungsmitteln (11) abgeleitet wird.
13. Einrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch zusätzliche Mittel (12·, 12¹¹), mit einer Oberfläche (12x', 12x'') zum Abführen von Wärmeenergie von dieser Oberfläche, durch ein aus einem elektrisch isolierenden und höchst wärmeleitfähigen Material bestehendes anderes Glied (48a, 48b) mit einer ersten Oberfläche in Wärmeaustauschbeziehung mit der Oberfläche (12x', 12x'') der zusätzlichen Wärmeabführungsmittel (12', 12¹'), und mit einer zu der ersten Oberfläche entgegengesetzten zweiten Oberfläche, und durch an der zweiten Oberfläche des anderen Gliedes (48a, 48b) ausgebildete Mittel (66, 68, 7o) zum Bilden eines Anbringungskissens für ein hiermit erfolgendes Verbinden von zumindest einer anderen Elektro-

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de (62a, 62b, 64a, 64b) von zumindest einem der Halbleiterglieder (62, 64) des Moduls, wobei das andere Glied (48a, 48b) von dem Glied (48b, 48a) mit dem dazwischen befindlichen Modul unter Abstand angeordnet ist und wobei die Anbringungskissenmittel (66, 68, 7o) des Gliedes (48b, 48a) sowie des anderen Gliedes (48a, 48b) elektrisch voneinander getrennt sind.

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