DE2827523A1 - Heat sink for semiconductor device - has reduced thermal resistance and includes metallic socket with component mounting, flange and insulating foil - Google Patents
Heat sink for semiconductor device - has reduced thermal resistance and includes metallic socket with component mounting, flange and insulating foilInfo
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Abstract
Description
Kühleinrichtung für HalbleiterCooling device for semiconductors
Es handelt sich im Folgenden um eine Kühleinrichtung für Halbleiter und andere Festkörperbauelemente, mit einem Kühlrippen tragenden, zur Abführung der im Halbleiter erzeugten Verlustwärme dienenden Kühlkörper.The following is a cooling device for semiconductors and other solid-state components, with a cooling fins supporting, for discharge the heat sinks that are used to generate heat loss in the semiconductor.
Halbleiter- und Festkörperbauelemente besitzen sehr kleine Abmessungen, sodaß es erhebliche Schwierigkeiten bereitet, die bei ihrem Betrieb anfallende Verlustwärme abzuführen. Damit die zulässigen Betriebstemperaturen nicht überschritten werden, sind bei Halbleitern ab einer gewissen Größe, insbesondere bei Leistungstransistoren ebenso wie bei Leistungswiderständen, besondere KUhlungsmaßnahmen erforderlich.Semiconductor and solid state components have very small dimensions, so that it causes considerable difficulties, the heat loss resulting from their operation to dissipate. So that the permissible operating temperatures are not exceeded, are in semiconductors from a certain size, especially in power transistors As with power resistors, special cooling measures are required.
Es ist bekannt, zur KUhlung von Halbleitern und anderen Festkörperbauelementen diese möglichst innig mit einem Kühlkörper in Berührung zu bringen, der die nahezu punktförmig anfallende Wärme an eine große Kühlfläche überträgt, von wo aus dann der Wärmeübergang an die Luft oder an ein anderes Medium erfolgt.It is known to cool semiconductors and other solid-state components to bring this as intimately as possible into contact with a heat sink that almost transfers the point-like heat to a large cooling surface, from where then the heat is transferred to the air or to another medium.
In vielen Fällen ist es nun unumgänglich, daß aus schaltungstechnischen Gründen der Halbleiter elektrisch auf einem anderen Potential liegen muß als der Kühlkörper. Es ist dann erforderlich, den Halbleiter vom Kühlkörper zu isolieren, und es ist bekannt, hierzu zwischen Halbleiter und Kühlkörper ein Isoliermaterial anzuordnen. Da die Potentialunterschiede gering sind und meistens in der Grössenordnung von nur einigen Volt liegen, genügt es, eine sehr dünne Glimmerscheibe oder eine Kunststoffolie vorzusehen, durch welche der Wärmeübergang jedoch nur geringfügig beeinträchtigt wird.In many cases it is now inevitable that from circuit engineering Reasons the semiconductor must be electrically at a different potential than the Heat sink. It is then necessary to isolate the semiconductor from the heat sink, and it is known to use an insulating material between the semiconductor and the heat sink for this purpose to arrange. Because the potential differences are small and mostly of the order of magnitude of only a few volts, it is sufficient to use a very thin mica disk or a Provide plastic film, through which the heat transfer, however, only slightly is affected.
Wird nun aus Sicherheitsgründen eine hohe Spannungsisolation zwischen Halbleiter und Kühlkörper gefordert (Prüfspannung beispielsweise 2000 Volt), dann müßte die Isolierung zwischen beiden ganz erheblich verstärkt werden, was zur Verwendung recht dicker Isoliermaterialien zwänge.For safety reasons, there is now a high voltage isolation between Semiconductors and heat sinks required (test voltage for example 2000 volts), then the insulation between the two would have to be considerably reinforced, which is to use quite thick insulation materials.
Dies hätte aber zur Folge, daß der Wärmeübergang ganz erheblich verschlechtert und die Wärmeabfuhr so stark verringert würden, daß der betreffende Halbleiter nicht mehr mit seiner Nennbelastung betrieben werden könnte. Es ist bekannt, statt dessen den Halbleiter zusammen mit dem Kühlkörper in einem Gehäuse berührungssicher unterzubringen, jedoch ist diese Maßnahme sehr kosten- und platzaufwendig, wenn eine ausreichende Luftbewegung innerhalb des Gehäuses gewährleistet sein soll.However, this would have the consequence that the heat transfer deteriorated quite considerably and the heat dissipation would be reduced so much that the semiconductor in question would not could be operated more with its nominal load. It is known instead to accommodate the semiconductor together with the heat sink in a housing that is safe to touch, however, this measure is very costly and space consuming if sufficient Air movement within the housing should be guaranteed.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Neuerung, eine Kühleinrichtung für Halbleiter der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß bei kleinem Gesamtaufwand ein geringer Wärmewiderstand zwischen Halbleiter und Kühlkörper bei gleichzeitiger hoher Spannungsisolation erzielt wird.It is the task of the present innovation, a cooling device to be designed for semiconductors of the type mentioned in such a way that with little overall effort a low thermal resistance between semiconductor and heat sink with simultaneous high voltage isolation is achieved.
Diese Aufgabe wird bei einer Kühleinrichtung mit einem Kühlrippen tragenden Kühlkörper gelöst durch einen wenigstens einen Fuß aufweisenden und mittels dieses Fußes am Kühlkörper befestigten, einen Elementträger aufweisenden Metallsockel sowie eine zwischen dem Fuß und dem Kühlkörper vorgesehenen Isolierplatte. Dieser Metallsockel gestattet es, mit Hilfe seines Fußes eine so erhebliche Vergrößerung der am Wärmeübergang beteiligten Flächen durchzuführen, daß die durch die Verstärkung der elektrischen Isolation bedingte Behinderung der Abfuhr der von dem auf dem Elementträger direkt befestigten Halbleiter erzeugten Verlustwärme voll kompensiert werden kann.This task is performed in a cooling device with a cooling fins supporting heat sink released by at least one foot having and means this foot attached to the heat sink, an element carrier having metal base and an insulating plate provided between the foot and the heat sink. This Metal base allows such a significant enlargement with the help of its foot of the surfaces involved in the heat transfer to carry out that by the reinforcement the electrical insulation-related obstruction of the discharge of the on the element carrier directly attached semiconductors generated heat loss can be fully compensated.
Zwischen dem Elementträger und dem Halbleiter kann eine dünne Folie aus Isoliermaterial angeordnet sein. Diese Folie ermöglicht es, mehrere Halbleiter auf dem Metallsockel anzuordnen, deren Gehäuse auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegen.A thin film can be placed between the element carrier and the semiconductor be arranged from insulating material. This film enables multiple semiconductors to be arranged on the metal base, its housing at different electrical potentials lie.
Zweckmäßig ist der Elementträger mit einer Ausnehmung und/oder Durchführungen für die Anschlüsse des Halbleiters versehen.The element carrier with a recess and / or feedthroughs is expedient for the connections of the semiconductor.
Vorzugsweise weist der Metallsockel im Querschnitt die Form eines U-Bügels auf. Bei dieser Ausgestaltung besitzt der Metallsockel zwei Füße, die einen hervorragenden Wärmeübergang an den Kühlkörper gewährleisten.The metal base preferably has the shape of a cross-section U-bracket on. In this embodiment, the metal base has two feet, one ensure excellent heat transfer to the heat sink.
Es kann aus konstruktiven oder aus Platzgründen von Vorteil sein, wenn der Metallsockel im Querschnitt Z-förmig ausgebildet ist oder eine L-Form besitzt.For structural reasons or for reasons of space, it can be advantageous when the metal base is Z-shaped in cross section or has an L-shape.
Vier Ausführungsbeispiele der vorgeschlagenen Kühleinrichtung sind in der beigefügten Zeichnung dargestellt, die im Folgenden näher erläutert wird. Es zeigen Figur 1 eine Kühleinrichtung mit einem im Schnitt U-förmig ausgebildeten Metallsookel, in einem Querschnitt; Figur 2 eine Kühleinrichtung mit einem ebenen Metallsockel, in einer Seitenansicht; Figur 3 eine Kühleinrichtung mit einem L-förmigen Metallsockel, ebenfalls in Seitenansicht; Figur 4 eine Kühleinrichtung mit einem im Querschnitt Z-förmig ausgebildeten Metallsockel, wiederum in einer Seitenansicht.Four embodiments of the proposed cooling device are shown in the accompanying drawing, which is explained in more detail below. FIG. 1 shows a cooling device with a U-shaped section Metal hook, in a cross section; Figure 2 shows a cooling device with a flat Metal base, in a side view; Figure 3 shows a cooling device with an L-shaped Metal base, also in side view; Figure 4 shows a cooling device with a Metal base with a Z-shaped cross-section, again in a side view.
Eine neuerungsgemäße Kühleinrichtung besteht aus einem Kühlkörper 1, einem Metallsockel 2, einer Isolierplatte 3 und einer Folie 4 (vgl. Figur 1).A cooling device according to the innovation consists of a heat sink 1, a metal base 2, an insulating plate 3 and a foil 4 (see FIG. 1).
Der Kühlkörper 1 besteht aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus stranggepreßtem Aluminium.The heat sink 1 consists of a metal of high thermal conductivity, for example made of extruded aluminum.
Er weist an seiner Rückseite eine Anzahl von Kühlrippen 5 auf.It has a number of cooling fins 5 on its rear side.
Der Metallsockel 2 besteht ebenfalls aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Aluminium, und ist durch Strangpressen, Biegen, Ziehen oder Gießen hergestellt. Dieser im Querschnitt U-förmig ausgebildete Metallsockel 2 weist zwei Füße 6 sowie einen Elementträger 7 auf.The metal base 2 is also made of a material of high thermal conductivity, preferably made of aluminum, and is produced by extrusion, bending, drawing or casting manufactured. This metal base 2, which is U-shaped in cross section, has two Feet 6 and an element carrier 7.
Unter Zwischenlage der Isolierplatte 3 und Zuhilfenahme von Kopfschrauben 8,z.B. aus Isolierstoff, ist der Metallsokkel 2 mittels seiner beiden Füße 6 isoliert am Kühlkörper 1 befestigt.With the interposition of the insulating plate 3 and the aid of cap screws 8, e.g. made of insulating material, the metal base 2 is insulated by means of its two feet 6 attached to the heat sink 1.
Auf dem Elementträger 7 ist ein Halbleiter 9 in Gestalt eines Leistungstransistors befestigt. Dieser Halbleiter 9 besitzt zwei Anschlüsse 10, welche durch Durchführungen 11 im Elementträger 7 nach außen ragen. Zwischen dem Elementträger 7 und dem Halbleiter 9 befindet sich die dünne Folie 4 aus Isoliermaterial, beispielsweise aus Glimmer oder aus einem geeigneten, wärmebeständigen Kunststoff.On the element carrier 7 is a semiconductor 9 in the form of a power transistor attached. This semiconductor 9 has two connections 10, which through bushings 11 protrude outward in the element carrier 7. Between the element carrier 7 and the semiconductor 9 is the thin film 4 made of insulating material, for example made of mica or from a suitable, heat-resistant plastic.
Der Halbleiter 9 und die Folie 4 können am Elementträger angeschraubt, angeklemmt, angeklebt oder auf andere Weise so befestigt sein, daß zwischen benachbarten Teilen ein inniger, den Wärmeübergang begünstigender Kontakt besteht.The semiconductor 9 and the foil 4 can be screwed to the element carrier, clamped, glued or otherwise attached so that between adjacent Share there is an intimate contact that promotes heat transfer.
Die Isolierplatte 3 besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden und hervorragend elektrisch isolierenden Kunststoff, ihre Dicke richtet sich nach der elektrischen Spannung, welche zwischen dem Halbleiter 9 bzw. dem Metallsockel 2 und dem Kühlkörper 1 herrscht Wird eine hohe Spannungsisolation (beispielsweise 2000 Volt und mehr) verlangt, muß eine ents#prechend dicke Isolierplatte 3 verwendet werden, wobei die dadurch bedingte Verschlechterung des Wärmeüberganges durch eine-Vergrößerung der Füße 6 ohne weiteres leicht ausgeglichen werden kann.The insulating plate 3 is preferably made of a highly thermally conductive and excellent electrically insulating plastic, their thickness depends on the electrical voltage which is generated between the semiconductor 9 and the metal base 2 and the heat sink 1 there is high voltage isolation (e.g. 2000 volts and more) is required, a correspondingly thick insulating plate 3 must be used the deterioration of the heat transfer caused by an increase the feet 6 can be easily compensated for without further ado.
Die Folie 4 wird dann erforderlich, wenn mehrere Halbleiter 9 auf dem Metallsockel 2 hintereinander angeordnet sindundderen Gehäuse elektrisch voneinander getrennt sein müssen. Dies ist insbesondere bei Transistoren der Fall, deren Basis-Elektrode mit dem Gehäuse elektrisch verbunden ist. Da die Spannungen zwischen den Gehäusen in der Größe von einigen Volt bis etwa 250 Volt liegen, kann die Folie 4 extrem dünn gewählt werden, sodaß sie praktisch den Wärmeübergang vom Halbleiter 9 zum Metallsockel nicht behindert.The film 4 is required when several semiconductors 9 on the metal base 2 are arranged one behind the other and their housings electrically from each other must be separated. This is particularly the case with transistors Case, whose base electrode is electrically connected to the housing. Because the tension between the housings can range in size from a few volts to about 250 volts the film 4 are chosen to be extremely thin, so that they practically the heat transfer from Semiconductor 9 to the metal base not hindered.
Eine konstruktiv anders aufgebaute Kühleinrichtung ist in Figur 2 wiedergegeben. Hier trägt der Kühlkörper 1 eine tiefe Nut 12, und bei dem Metallsockel 2 liegen die.beiden Füße 6 mit dem Elementträger 7 in der selben Ebene, sodaß der Metallsockel 2 die Gestalt einer rechteckigen Platte aufweist. Zwischen jedem Fuß 6 und dem Kühlkörper 1 sitzt eine Isolierplatte 3. Der Elementträger 7 weist eine Ausnehmung 13 auf, durch welche die Anschlüsse 10 des Halbleiters 9 nach außen ragen.A structurally differently constructed cooling device is shown in FIG reproduced. Here the heat sink 1 has a deep groove 12, and in the case of the metal base 2 are die.beiden feet 6 with the element carrier 7 in the same plane, so that the Metal base 2 has the shape of a rectangular plate. Between each foot 6 and the heat sink 1 sits an insulating plate 3. The element carrier 7 has a Recess 13 through which the connections 10 of the semiconductor 9 protrude to the outside.
Bei der Kühleinrichtung nach Figur 3 ist der Metallsokkel 2 L-förmig ausgebildet, wobei der kürzere L-Schenkel den unter Zwischenlage einer Isolierplatte 3 am Kühlkörper 1 angeschraubten Fuß 6, und der längere L-Schenkel den Elementträger 7 bildet, auf dem der Halbleiter 9 befestigt ist.In the cooling device according to FIG. 3, the metal base 2 is L-shaped formed, the shorter L-leg with the interposition of an insulating plate 3 on the heat sink 1 screwed foot 6, and the longer L-leg the element carrier 7 forms on which the semiconductor 9 is attached.
Die Figur 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher der Metallsockel 2 im Querschnitt Z-förmig ist. Der eine Flansch des Z-Querschnittes bildet den am Kühlkörper 1 befestigten und durch die Isolierplatte 3 von ihm elektrisch getrennten Fuß 6, während der andere Z-Flansch den den Halbleiter 9 tragenden Elementträger 7 bildet.Figure 4 shows an embodiment in which the metal base 2 is Z-shaped in cross-section. One flange of the Z cross-section forms the one on the Heat sink 1 attached and electrically separated from it by the insulating plate 3 Foot 6, while the other Z-flange is the element carrier carrying the semiconductor 9 7 forms.
Bei der Ausführungsform nach den Figuren 2, 3 und 4 fehlt die dünne Folie aus Isoliermaterial zwischen Elementträger.In the embodiment according to Figures 2, 3 and 4, the thin one is missing Foil made of insulating material between element carriers.
7 und dem Halbleiter 9, sodaß dessen Gehäuse elektrisch mit dem Elementträger 7 verbunden sind.7 and the semiconductor 9, so that its housing is electrically connected to the element carrier 7 are connected.
Claims (6)
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