DE2951521A1

DE2951521A1 - Fluessigkeitsgekuehlte halbleitereinrichtung

Info

Publication number: DE2951521A1
Application number: DE19792951521
Authority: DE
Inventors: Jun William Kessler
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1979-12-20
Publication date: 1980-06-26
Also published as: GB2038555A; JPS5588363A; US4258383A; SE7909789L

Description

RCA 72,217

US-Ser.No. 972,406 ₁₂

Filed: December 22, 1978 _RCA _m]7 RCA Corporation New York N.Y. (V.St.A.)

nUssigkeitsgekühite Halbleitereinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Halbleitereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere eine sogenannte transkalente Halbleitereinrichtung.

Halbleitereinrichtungen für hohe Leistungen, die ein integrales Kühlsystem enthalten, sind bekannt und werden auch als transkalente Halbleitereinrichtungen bezeichnet. Diese Einrichtungen sind so gebaut, daß der Wärmewiderstand zwischen einer aus Silicium oder Germanium bestehenden Halbleiterscheibe, die den aktiven Teil der Einrichtung darstellt, und dem Ort("Wärmesenke"), wo die Wärme letztlich vom System abgeführt wird, möglichst gering ist. Bei der Halbleitereinrichtung kann es sich z.B. um einen Thyristor, einen gesteuerten Siliciumgleichrichter oder einen Leistungstransistor handeln. Alle diese Einrichtungen erzeugen verhältnismäßig große Wärmemengen, die effektiv abgeführt werden müssen, um ein Versagen oder eine Zerstörung der Einrichtung zu vermeiden. Man hat hierfür verschiedene Arten von Kühlvorrichtungen verwendet. Bei einem Typ wird eine an der Halbleiterscheibe angebrachte Wärmeröhre verwendet. Bei einem anderen Typ, zu dem auch die vorliegende Halbleitereinrichtung gehört, wird die Wärme durch eine Kühlflüssigkeit abgeführt, die in einem Kreislauf nahe an der Halbleiter-

030026/0849

-5-scheibe vorbei geleitet wird.

Bei einer flüssigkeitsgekühlten Einrichtung, die z.B. mit Wasser als Kühlmittel arbeitet, kann eine heiße Fläche typischerweise auf eine tiefere Temperatur gekühlt werden, als es mit Wärmeröhren, die Wasser als Arbeitsmittel enthalten und die gleiche Leistung abführen, möglich ist. Dies macht flüssigkeitsgekühlte Einrichtungen besonders geeignte für Anwendungen, bei denen die Einrichtungen große Leistungsimpulse bei relativ kleinen Kraftverhältnissen oder Stromflußwinkeln führen müssen.

Es ist bekannt, daß die abgerührte Wärmemenge mit der Strömungsgeschwindigkeit des flüssigen Kühlmittels zunimmt. Ein Problem bei der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels besteht in den dabei entstehenden Druckverlusten. Die konstruktiven Bedingungen der Einrichtung haben gewöhnlich zur Folge, daß die Strömungswege nicht ideal sind und in der durch die Einrichtung strömenden Flüssigkeit erhebliche Druckverluste auftreten. Mit zunehmendem Druckabfall steigt aber auch die Leistung, die erforderlich ist, um die Flüssigkeit durch das Kühlsystem zu pumpen. Bei Anwendungen, in denen die Pumpleistung begrenzt ist, muß man bei der Kühlung der Einrichtung einen Kompromiß zwischen der größtmöglichen Strömungsgeschwindigkeit (Durchsatz) und dem kleinstmöglichen Druckabfall eingehen.

Außer auf die mit dem Druckabfall zusammenhängenden Probleme muß man auch auf einen gleichmäßigen Wärmeübergang über die Wärmeübertragungs- oder Wärmeaustauschfläche achten. Es ist einleuchtend, daß die Funktionsfähigkeit der Kühlvorrichtung durch den höchsten Wärmefluß begrenzt ist, der im Bereich der niedrigtsten Wärmeabfuhr oder Flüssigkeitsgeschwindigkeit abgeführt werden kann. Es ist daher bei einem Kühlsystem erwünscht, daß die Geschwindigkeitsverteilung der Kühlflüssigkeit auf der erhitzten Oberfläche einen im wesentlichen gleichmäßigen Abtransport der Wärme bewirkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitereinrichtung mit integralem Flüssigkeitskühlsystem anzugeben, die eine möglichst effektive Kühlung gewährleistet, ins-

030026/0849

-6-besondere eine gleichmäßige Kühlung bei niedrigem Druckabfall.

Diese Aufgabe wird bei einer Halbleitereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Kühlvorrichtung der Halbleitereinrichtung gemäß der Erfindung hat eine solche Konstruktion, daß sich ein geringer Druckabfall in der zwischen dem Flanschteil und der Bodenwand strömenden Kühlflüssigkeit ergibt, gleichzeitig ist ein gleichmäßiger Wärmeabtransport über die ganze Fläche der Bodenwand und damit von der Halbleiterscheibe gewährleistet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer Halbleitereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Teiles der Kühlvorrichtung der Einrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der Kühlvorrichtung gemäß Fig. 2.

In Fig. 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine flüssigkeitsgekühlte Halbleitereinrichtung 10 dargestellt, welche einen Thyristor enthält, der durch zwei Flüssigkeitskühlsysteme gekühlt ist, die einen im wesentlichen gleichmäßigen Wärmeabtransport gewährleisten und nur verhältnismäßig niedrige Pump- oder Förderdrücke benötigen, also einen geringen Druckabfall im Kühlmittelkreislauf erzeugen. Der Thyristor selbst kann beispielsweise entsprechend den Lehren der US-PS 37 39 235 aufgebaut

030026/0849

sein und enthält einen Halbleiterkörper in Form einer Halbleiterscheibe 12, welche schichtförmige Zonen aus dotiertem Halbleitermaterial enthält, die eine npnp-Struktur ergeben. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, befindet sich auf der einen Seite der Halbleiterscheibe 12 eine Kathodenelektrode 14 in Form einer elektrisch leitfähigen Schicht und auf der entgegengesetzten Seite der Halbleiterscheibe eine Anodenelektrode 16 in Form einer elektrisch leitfähigen Schicht. An den Elektroden 14 und 16 sind zur beidseitigen Flüssigkeitkeitskühlung der Halbleiterscheibe 14 zwei Kühlkammern 18 bzw. 20 (Fig. 1) angebracht. Die Halbleiterscheibe 12 hat im wesentlichen die Form einer Kreisscheibe. Die hier beschriebenen Kühlsysteme und Gehäusestrukturen können selbstverständlich auch für andere Halbleitereinrichtungen als Thyristoren verwendet werden, z.B. für Transistoren oder Gleichrichter. Die Scheibe 12 ist daher ohne elektrische Anschlüsse oder Verdrahtung dargestellt, da diese vom jeweiligen Typ der Einrichtung abhängt.

Bei allen diesen Einrichtungen sind die Anschlußleitungen, die hohe Ströme führen, mit entsprechenden Anschlußbolzen 32 und 33 verbunden, die sich an den beiden Enden des Gehäuses befinden.

Um einen guten thermischen Kontakt zu gewährleisten, sind die beiden Kühlkammern 18 und 20 vorzugsweise direkt mit den entgegengesetzten Hauptflächen der Scheibe 12 verbunden. Die Kühlkammern können jedoch auch so angeklemmt sein, daß sich ein guter Wärmekontakt ergibt, wie es z.B. in der US-PS 41 26 879 beschrieben 1st. Die Kühlkammern 18 und 20 werden durch zwei geschlossenen Zylinder 22 bzw. 24 gebildet, die vorzugsweise aus Kupfer bestehen, so daß sich eine gute Wärme- und Stromleitung, ein gutes Korrosionsverhalten und ein minimaler Spannungsabfall durch die zu bzw. von der Halbleiterscheibe fließenden hohen Ströme ergeben. An das eine offene Ende jedes Zylinders 22 bzw. 24 1st eine kreisförmige Bodenwand 26 bzw. 28 aus Metall hart angelötet. Die Bodenwände bestehen aus
einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Molybdän, und sind verhältnismäßig dünn, z.B. 0,762 mm, d.h. etwa 0,75 mm, um den Wärmewiderstand
durch die Wände zur Halbleiterscheibe 12 möglichst klein zu halten. Die
Zylinder 22 und 24 sind elektrisch leitend mit den jeweiligen Elektrodenschichten 14 bzw. 16 verbunden, z.B. durch Hartlöten. Ferner sind alle

030026/0849

korrespondierenden Oberflächenbereiche der entsprechenden Bodenwände 26 und 28 mit den Elektrodenschichten 14 bzw. 16 der Halbleiterscheibe 12 hart oder weich verlötet, um eine sowohl thermisch als auch elektrisch gut leitende Verbindung zwischen diesen Teilen zu bilden.

Beiden Seiten der Halbleiterscheibe 12 wird ein geeignetes flüssiges Kühlmittel, wie Wasser, durch Einlaßkanäle 30 und 31 zugeführt. Das flüssige Kühlmittel wird von einer nicht dargestellten äußeren Quelle, die eine Pumpe enthalten kann, geliefert, zirkuliert in den Kammern 18 und 20 und tritt anschließend durch Auslaßkanäle 34 bzw. 35 aus. Wenn z.B. der Auslaßkanal 34 mit dem Einlaßkanal 31 verbunden ist, muß das Kühlmittel ausreichend isolieren, also dielektrisch sein, und einen spezifischen elektrischen Widerstand über 1 Megohm haben. Eine solche Flüssigkeit ist z.B. entionisiertes Wasser oder ein Silikatester, wie er unter dem Handelsnamen Coolanol 25 von der Firma Monsanto Industrial Chemical Company, New York, N.Y., V.St.A. erhältlich ist. Solche Kühlmittel können aber auch verwendet werden, wenn die Einlaßkanäle 30 und 31 der Einrichtung unabhängig voneinander mit einer externen Kühlmittelquelle verbunden sind. Die interne Kühlmittelzirkulation wird anhand von Fig. 2 näher erläutert.

In Fig. 2 ist die Kühlkammer 18 genauer dargestellt. Die Kühlkammer 20 ist entsprechend aufgebaut. Der Einlaßkanal 30 wird durch ein Rohr gebildet, das dicht durch den Zylinder 22 geführt ist und sich im Inneren 23 der Kammer 18 zu einem Kanal 36 erstreckt, der vorzugsweise durch ein zylindrisches Rohrstück gebildet wird, mit dem der Einlaßkanal 30 verbunden ist. Der Kanal 36 verläuft vorteilhafterweise im wesentlichen entlang der Mittelachse des Zylinders 22. An der Verbindung mit dem Einlaßkanal 30 ist eine Öffnung 38 vorgesehen, durch die das Kühlmittel 1n das Innere des Kanales 36 strömen kann. Die Kühlkammer 18 ist durch eine im wesentlichen kreisförmige Metallplatte 40 geschlossen, die mit dem Zylinder 22 hart verlötet ist. Der Kanal 36 ist an der Platte 40 befestigt und dadurch mechanisch gehaltert, er endet in der Kammer 18 mit einem Flanschteil 42. Der Flanschteil 42 ist im wesentlichen rund und erstreckt sich nahezu über die ganze Oberfläche der Bodenwand 26, so daß nur ein schmaler Spalt

030026/0849

44 von etwa 0,5 mm Breite (bei einem praktischen Ausführungsbeispiel betrug die Breite 0,508 mm) zwischen der zylindrischen Innenwand 46 des Zylinders 22 und der Peripherie 48 des Flanschteiles 42 verbleibt. Der Flanschteil 42 befindet sich in der Kammer 18 relativ nahe bei der Bodenwand 26; der Abstand liegt typischerweise in der Größenordnung von 0,5 mm und betrug bei dem erwähnten praktischen Ausführungsbeispiel 0,508 mm.

Das dem Einlaßkanal 30 zugeführte flüssige Kühlmittel strömt durch das Innere 37 des Kanals 36 zu der thermisch gut leitfähigen Bodenwand 26. Das Kühlmittel wird dann zwischen den Flanschteil 42 und die Bodenwand 26 gedrückt, wobei der Flanschteil das Kühlmittel im wesentlichen über die ganze Oberfläche der Bodenwand 26 leitet. Das Kühlmittel tritt dann durch den Spalt 44 in das Innere 23 der Kammer 18 ein, von der es durch den Auslaßkanal 34 abströmt. Dieser Strömungsverlauf ist in Fig. 2 durch Pfeile dargestellt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die der Bodenwand 26 zugewendete Oberfläche 50 des Flanschteiles kegel Stumpfmantelförmig, wobei das Ende kleineren Durchmessers der kegelstumpfförmigen Oberfläche 50 mit dem Innendurchmesser 37, also mit dem unteren Ende der Bohrung des Kanals 36 zusammenfällt. Es ist vorteilhaft, wenn der größere Durchmesser der Oberfläche 50 im wesentlichen mit der Peripherie 48 des Flanschteiles 42 zusammenfällt. Die konische Oberfläche 50 ist vorgesehen, um einen im wesentlichen gleichmäßigen Druck über die gesamte Oberfläche der Bodenwand 26 zu erzeugen und aufrecht zu erhalten, so daß sich auf der ganzen Oberfläche der Bodenwand 26 und damit über die ganze Halbleiterscheibe 12 ein sehr gleichmäßiger Wärmeübergang ergibt, wie noch genauer erläutert werden wird.

Bei den bekannten flüssigkeitsgekühlten Einrichtungen dieser Art wird eine Struktur verwendet, die der beschriebenen Struktur entspricht mit der Ausnahme, daß der Kanal, durch den die Flüssigkeit der Bodenwand zugeführt wird, in einem Flansch endet, der im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Bodenwand verläuft. Wenn die Flüssigkeit in die Verengung zwi-

030026/0849

schen der Bodenwand und dem parallel zu dieser verlaufenden Flansch der bekannten Struktur eintritt, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit zuerst plötzlich zu und verringert sich dann wieder allmählich, während die Flüssigkeit von der Mitte des Kanals radial nach außen zur Peripherie des Flansches strömt. Diese Änderung der Strömungsgeschwindigkeit hat ihre Ursache hauptsächlich darin, daß der Strömungsquerschnitt für die radial nach außen strö-■ende Flüssigkeit laufend zunimmt. Eine solche Änderung der Strömungsgeschwindigkeit hat jedoch die unerwünschte Folge, daß ein erheblicher Druckabfall entsteht und daß der Wärmeübertragungskoeffizient absinkt, während die Flüssigkeit unter dem Flansch nach außen strömt.

Die kegelstumpfmantelförmige Oberfläche 50 der vorliegenden Kühlvorrichtung, die in Fig. 3 genauer dargestellt ist, ergibt bessere Strömungs- und Kühl Verhältnisse als die bekannten Einrichtungen. Hinsichtlich des Druckabfalles dient die kegelstumpfmantelförmige Oberfläche 50 zwei Zwecken: Erstens wird der Obergang der Strömung vom Kanal 36 in den verengten Bereich zwischen dem Flanschteil 42 und der Bodenwand 26 gleichmäßiger und zweitens wird der Druckabfall in der Flüssigkeit gesteuert, während diese unterhalb des Flanschteiles 42 von seinem inneren Durchmesser d. zu seinem äußeren Durchmesser dp strömt.

Der Druckabfall einer durch eine Röhre oder einen Kanal ströaenden Flüssigkeit kann durch die bekannte Gleichung

<», - V₁)²
PP-K

ausgedrückt werden, wobei

K der Verlustkoeffizient der durch die Röhre strömenden Flüssigkeit,

g die Gravidationskonstante,

V. die Eintrittsgeschwindigkeit und V₂ die Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit

sind. Das flüssige Kühlmittel, das zwischen der konischen Oberfläche 70 und der Bodenwand 26 hindurchgedrückt wird, kann als Flüssigkeit betrachtet

030026/0849

werden, die durch ein Rohr oder einen Kanal strömt. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung wird der Druckabfall in der von d, nach d radial nach außen strömenden FlUs-

¹ 2
sigkeit dadurch auf einen Minimalwert gebracht, daß die Geschwindigkeiten des Kühlmittels beim Eintritt und Austritt gleich gemacht werden. Dies kann durch eine solche Formgebung der kegel stumpfförmigen Oberfläche 50 erreicht werden, daß der Strömungsquerschnitt bei d< gleich dem Strömungsquerschnitt bei uy ist. Die Eintritts- und Austrittsfläche sind gleich, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist:

^d1 ^S2

Dabei bedeuten

s. den Abstand zwischen der Oberfläche 50 und derßodenwand 26 beim Durchmesser d. des Kanals 36 und

s_? den Abstand zwischen der Oberfläche 50 und der Bodenwand 26 beim Durchmesser d_ an der Peripherie 48 des Flansches 42.

Der Wärmeübertragungs- oder Wärmetransportkoeffizient h einer turbulent durch eine Röhre oder einen Kanal strömenden Flüssigkeit ist gemäß dem Buch von F. Kreith, "Principles of Heat Transfer", zweite Auflage, International Textbook Co., 1965, Seiten 379 bis 386 durch die folgende Gleichung gegeben:

^ho°e

wobei bedeuten:

D_fi äquivalenter Durchmesser der Röhre
k Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit
μ Viskosität der Flüssigkeit

030026/0849

ORIGINAL INSPECTED

C spezifische Wärme der Flüssigkeit
V Geschwindigkeit der Flüssigkeit
ρ Dichte der Flüssigkeit.

Es kann mittels der Gleichung 3 gezeigt werden, daß wenn man die Eintritts- und Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit unterhalb des Flanschteiles 23 gleichmacht, um den Druckabfall so klein wie möglich zu halten, der Wärmeübertragungskoeffizient über diese Fläche nicht ganz, aber nahezu gleichförmig ist. Wenn man annimmt, daß sich die Eigenschaften der mit relativ hoher Geschwindigkeit unter den Flanschteil 42 hindurchströmenden Flüssigkeit wenn überhaupt nur wenig ändern, kann das Verhältnis der Wärmeübertragungskoeffizienten am Einlaß und Auslaß auf eine Funktion der Geschwindigkeiten und Durchmesser am Einlaß und Auslaß reduziert werden. Wenn die Geschwindigkeiten V. und V„ gleich sind, d.h. beim Zustand minimalen Druckabfalles, läßt sich das Verhältnis der Wärmeübertragungskoeffizienten durch folgende Gleichung ausdrücken:

Dies bedeutet, daß wenn der Durchmesser d_ des Flanschteiles 42 ungefähr dreimal so groß ist wie der Durchmesser d. des Kanales 36, der Wärmeübertragungskoeffizient d„ rechnerisch etwa 80% desjenigen bei d. beträgt oder wenn d_? sechsmal größer als d.ist, der Wärmeübertragungskoeffizient bei d„ etwa 70% des Wärmeübertragungskoeffizienten bei d sein wird. Der Wärmeübertragungskoeffizient an der Peripherie eines in bekannter Weise parallel verlaufenden Flansches ist im Vergleich hierzu nur etwa 33% des Wärmeübertragungskoeffizienten am Einlaß, wenn der Flanschdurchmesser das Dreifache des Durchmessers des Zuführungskanal es beträgt und nur etwa 16%, wenn das Durchmesserverhältnis 6 : 1 ist. Bei einem Kühlsystem, das für einen mini-

030026/0849

malen Druckabfall ausgelegt ist, stellt also ein Flansch mit einer kegelstumpf förmigen Oberfläche im Vergleich zum Stand der Technik auch eine wesentliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Wärmeableitung dar.

Wenn der Druckabfall nicht unbedingt einen minimalen Wert haben muß, kann man die kegel Stumpfmantelförmige Oberfläche 50 gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Kühlvorrichtung so formen, daß der Wärmeübertragungskoeffizient bei der Strömung der Flüssigkeit zwischen der Oberfläche 50 und der Bodenwand 26 im wesentlichen gleichmäßig ist. Wenn die Wärmeübertragungskoeffizienten am Einlaß d und Auslaß dp gleichgesetzt werden, läßt sich aus der Gleichung (3) das folgende Verhältnis ableiten:

^S2 (5)

Wählt man die Durchmesser d. und d„ sowie die Abstände s. und s«, so daß die Gleichung 5 erfüllt ist, so erhält man eine kegel stumpfförmige Oberfläche 50, die einen im wesentlichen gleichmäßigen Wärmeübertragungskoeffizienten über die Oberfläche der Bodenwand 26 unterhalb des Flanschteiles 42 ergibt. In diesem Falle sind dann jedoch der Eintritts- und Austritts-Strömungsquerschnitt und damit die Strömungsgeschwindigkeiten nicht gleich. Der Druckabfall zwischen, der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche ist daher nicht minimal. Wenn beispielsweise der Innendurchmesser d* des Kanals 36 gleich 6,86 mm, der Außendurchmesser d^ des Flanschteiles 42 20,96 mm und der Abstand s_ gleich 0,508 mm sind, muß der Abstand s gleich 2,06 mm sein, um die für die Gleichförmigkeit des Wärmeübertragungskoeffizienten geltende Gleichung 5 zu erfüllen. Bei Erfüllung dieser Bedingung sind die Geschwindigkeiten der Flüssigkeit im Eintrittsquerschnitt und Austrittsquerschnitt zwar verschieden, ihr Verhältnis ist jedoch nur etwa 1,3. Beispielsweise ist bei einem Flüssigkeitsdurchsatz von 4wa 2,85 l/min, die, Geschwindigkeit V. am Querschnitt mit dem Durchmesser d. etwa 107 cm/sec. und die Geschwindigkeit V bei d„ etwa 137 cm/sec. Der Wärmewiderstand

030026/0849

zwischen der Halbleiterscheibe 12 und der Kühlflüssigkeit liegt bei diesen Strömungsverhältnissen typischerweise in der Größenordnung von etwa 0,1 ⁰C/ Watt.

Bei einem System dieser Art, das mit einem Silikatester

(Coolanol 25) mit einer Eintrittstemperatur von -37 ⁰C als Kühlmittel ar-

3 -2

beitete, wurde ein Druckabfall von etwa 12,4 χ 10 Nm errechnet. Zum Vergleich hierzu betrug das Geschwindigkeitsverhältnis bei einer bekannten Vorrichtung mit parallelem Flansch desselben Durchmessers wie der kegelstumpfförmige Flanschteil 42, jedoch mit einem konstanten Abstand von 0,508 etwa 3,0. 0er Druckabfall betrug bei diesem bekannten System, wenn es ebenfalls mit dem Silikatester von -37 ⁰C betrieben wurde, etwa 17,2 χ 10³ ton . Man sieht also, daß die kegel stumpfförmige Oberfläche 50, auch wenn sie für eine gleichmäßige Wärmeabfuhr über die ganze Fläche der Bodenwand 26 besessen ist, einen niedrigeren Druckabfall erzeugt als der bekannte parallele Flansch.

Anstatt die Kühlvorrichtung für einen minimalen Druckabfall oder eine im wesentlichen gleichmäßige Wärmeabfuhr zu bemessen, kann die kegelsfaimpfförmige Oberfläche 50 selbstverständlich auch so bemessen werden, daß sich Verhältnisse ergeben, die zwischen diesen beiden Extremen liegen, wenn dies im Hinblick auf die an das Kühlsystem gestellten Forderungen hinsichtlich der Druckgrenze und der Kühlwirkung zweckmäßig ist.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel waren Flüssigkeitskühlkammern 18 und 20 auf beiden Seiten der Halbleiterscheibe 12 vorgesehen, selbstverständlich läßt sich der Erfindungsgedanke auch in Fällen anwenden, wo nur auf einer Seite der Halbleiterscheibe 12 eine Kühlkammer vorgesehen ist. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß das Flüssigkeitskühlsystem zwar vorzugsweise mit radialer Strömung arbeitet und im wesentlichen kreisförmige Komponenten aufweist, daß jedoch auch Kammern, Kanäle und Flansche anderer Formen verwendet werden können. Z.B. kann der Kanal einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt haben und in einem

030026/0849

quadratischen Flansch in einer Kammer mit quadratischem Querschnitt enden. Die der Bodenwand des Behälters oder der Kühlkammer zugewendete Oberfläche des Flansches kann die Form der Mantelfläche eines Pyramidenstumpfes aufweisen. Wie bei der kegel stumpfmantelförmigen Oberfläche laufen dann auch die Pyramidenflächen in Richtung von der Mitte des Kanals nach außen zur Peripherie des Flansches schräg auf die Oberfläche der Bodenwand zu.

030026/0849

Claims

!"ATi:\TA\WÄI.TK DIi m κτ κ it ν. i::izoi..i ΙΙ1Ι·1.. lN<f. ΓΚΤΕΗ SCHTTZ U IX*J- WO1J'<»AN«J IIHUSLKH MAIIIA'TUKHKSU »TllliW« ** 1'ItNTPAt1H KDIXIWt It-NO(M) MUHM'IIiiX NO TSLBFON tm»l4*9*<m ·Τ«Μ1· TRLKX UHU TSLSQiIAMM «OMIH RCA 72,217 US-Ser.tto. 972,406 Filed: Oecenber 22, 1978 12.Dezember 1979 RCA 72217 Dr.v.B/E RCA Corporation New York N.Y. (V.St.A.) FlUssigkeitsgekühlte Halbleitereinrichtung Patentansprüche

1.Halbleitereinrichtung mit einer Halbleiterscheibe und einer Kühlvorrichtung, weiche zum Kühlen mindestens einer Seite der Halbleiterscheibe durch ein flüssiges Kühlmittel dient und eine Kühlkammer mit einem relativ dünnen, wärmeleitfähigen und in Wärmekontakt mit der Halbleiterscheibe stehenden Bodenwand sowie eine zum Zuführen des Kühlmittels zur Bodenwand dienende Zuführungsvorrichtung mit einem Kanal, der in einem sich in der Kühlkammer relativ nahe bei der Bodenwand befindenden Flanschteil endet, das das Kühlmittel im wesentlichen über die ganze Fläche der Bodenwand leitet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die der Bodenwand (26) zugewendete Oberfläche (50) des Flanschteiles (42) im wesentlichen vom Kanal (36) bis zur Peripherie (48) des Flanschteiles (42) einen schragen, zur Bodenwand hin geneigten Verlauf hat.

030026/0849

roMTH«:ur.< κ μΓνγιικν nh. ihm «h «<mi · iunhkomii iivi-iiiianh mP.nciikn um/, timijih) im um. mi «nun τ» τη hwii'T ηϊπμικμμ

ORIGINAL INSPECTED

2. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung zwei Kühlkammern (18, 20) und eine Anordnung, durch die das Kühlmittel beiden Seiten der Halbleiterscheibe (12) zuführbar ist, enthält.

3. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (18, 20) und der Flanschteil (48) im wesentlichen kreisförmig sind; daß der Kanal durch eine Röhre (36) mit vorgegebenem Innendurchmesser (dj) gebildet ist und daß die schräge Oberfläche (50) die Form eines Kegel stumpfmaηteIs hat, dessen kleinerer Durchmesser mit dem Innendurchmesser des Rohrs (36) zusammenfällt.

4. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß der größere Durchmesser (d₂) der kegel Stumpfmantelförmigen Fläche im wesentlichen mit der Peripherie (48) des Flanschteiles (42 ) zusammenfällt.

5. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (S₁) zwischen der Bodenwand (26) und dem Ende kleineren Durchmessers (d.) sowie der Abstand s„ zwischen der Bodenwand (26) und dem Ende größeren Durchmessers (dp) der der Bodenwand zugewendeten Oberfläche des Flanschteiles (50) im wesentlichen der Gleichung:

⁼ Ii

genügen.

6. Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (s.) zwischen der Bodenwand (26) und dem Ende kleineren Durchmessers (d.) sowie der

030026/0849

Abstand (s₂) zwischen der Bodenwand (26) und dem Ende größeren Durchmessers (d₂) der der Bodenwand zugewendeten Oberfläche (50) des Flanschteiles 1m wesentlichen der Gleichung:

Ί genügen.

0,8 d,

030026/0849