DE3130896A1 - Arrangement for a double-sided cooling of disc-type semiconductors - Google Patents

Arrangement for a double-sided cooling of disc-type semiconductors

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Abstract

This arrangement uses the shaft type of construction for forced cooling over heat sinks, the coolant remaining separate from the voltage-conducting parts of the semiconductors. To combine the cooling advantages of the double-sided cooling with the space advantages in the case of unilateral cooling and taking into consideration ease of maintenance of the devices and low smoothed constructional height, it is proposed that the heat sinks of both sides of the disc-type semiconductor (1) are arranged in a common cooling duct (9), one side of the disc-type semiconductor (1) being directly connected to the associated heat sink (2) and the other side of the disc-type semiconductor (1) being raised indirectly via a U-shaped cooling rail (3), which can be adapted to the spatial conditions and on the side legs (4) of which other heat sinks (5, 6) can be mounted, to the cooling duct level. <IMAGE>

Description

Anordnung für eine doppelseitige Kühlung von Scheiben-Arrangement for double-sided cooling of disc

halbleitern Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.semiconductors The invention relates to an arrangement according to the Preamble of claim 1.

Es ist bekannt, Scheibenzellenhalbleiter zwischen einem die Wärme abführenden und gleichzeitig als Stromanschluß dienenden Kühlkörper sowie einer Anschluß schiene mittels Bolzen und Federplatten zu verspannen. Bei diesen Kühlkörperanordnungen wird der Scheibenhalbleiter nur einseitig gekühlt. Bei höheren Leistungen kann eine solche einseitige Kühlung manchmal unzureichend werden. Reicht die Kühlleistung somit für einen Halbleiter nicht aus, muß man entweder a) die Strombelastung der Ventile durch Parallelschaltung herabsetzen oder aber b) bei schon forcierter Kühlung die Kühlflächen weiter erhöhen.It is known that disk cell semiconductors between one the heat dissipative and at the same time serving as a power connection heat sink and a Clamp the connection rail by means of bolts and spring plates. With these heat sink arrangements the disk semiconductor is only cooled on one side. For higher performance, a such one-sided cooling can sometimes be inadequate. The cooling capacity is sufficient thus not sufficient for a semiconductor, one must either a) the current load of the Reduce the valves by connecting them in parallel or b) if the cooling is already forced further increase the cooling surfaces.

Bei a) ergibt sich ein erhöhter Aufwand, um gleiche Stromverteilungen zu erreichen, z.B. durch paarweise Selektionen der Halbleiter oder Drosselbeschaltung.With a) there is an increased effort to equal power distributions can be achieved, e.g. by selecting the semiconductors or choke circuits in pairs.

Bei b) werden vorteilhaft zweiseitig gekühlte Zellen eingesetzt, dwhe Zellen, die beidseitig Kühlkörper tragen Eine solche Anordnung ist z.B0 in der DE-OS 28118O2 beschrieben. Bei dieser Ausführung bedient man sich der Schac bauweise, bei der die spannungs führenden Teile und eigentlichen Halbleiterelemente völlig gekapselt und getrennt sind von den ggf. verschmutzten Kühlmittel, d.h.In b), cells that are cooled on both sides are advantageous used, dwhe cells with heat sinks on both sides Such an arrangement is e.g. 0 in the DE-OS 28118O2 described. In this version you use the Schac construction in which the live parts and actual semiconductor elements are completely encapsulated and separated from the possibly contaminated coolant, i.e.

nur die Kühlkörper sind dem Kühlmittel ausgesetzt. Daß zwei Kühlkanäle (oben und unten) notwendig werden, macht diese Bauweise aufwendig und vergrößert die Bauhöhe oft unerwünscht. Es bestehen darüberhinaus auch nur geringe Anpaßmöglichkeiten an bestehende RaumverhEltnisseç Zweck der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen, mit der Aufgabe die Kühivorteile der doppelseitigen Kühlung mit denen der Raumvorteile einseitiger Kühlung zu kombi nieren, wobei die Wartungsfreundlichkeit der Geräte und eine geringe vergleichmäßigte Bauhöhe im Vordergrund stehen, Diese Aufgabe wird für eine Anordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.only the heat sinks are exposed to the coolant. That two cooling channels (above and below) become necessary, this construction makes complex and enlarged the overall height is often undesirable. In addition, there are only a few options for adaptation to existing space conditions. The purpose of the invention is to eliminate these disadvantages, with the task of combining the cooling advantages of double-sided cooling with those of the space advantages one-sided cooling to combine, whereby the ease of maintenance of the devices and a low, uniform height are in the foreground, this task is for an arrangement of the type mentioned according to the invention by the characterizing Features of claim 1 solved.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unter ansprüchen entnehmbar. Anhand eines schematischen Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im nachstehenden näher erläu tert.Further advantageous refinements can be found in the subclaims. The invention is described below with the aid of a schematic exemplary embodiment explained in more detail.

Es zeigen: Figur 1 eine erfindungsgemäße Kühl anordnung in Ansicht z.T im Schnitt und aufgebrochen Figur 2 Ansicht unter die Figur 1 (amerikanische Projektion) In den Figuren ist mit 1 der zu- kühlende Scheibenhalbleiter9 z.B. eine Diode oder Thyristor, bezeichnet. Der Scheibenhalbleiter 1 wird einerseits gegen einen Kühlkörper 2 und andererseits gegen eine Kühl schiene 3 größeren Querschnittes gepreßt. Die Kühlschiene 3, sie soll vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen, weist eine U-förmige Gestalt auf, mit kurzen Seitenschenkeln 4, auf deren Stirnflächen links und rechts Kühlkörper 5 und 6 durch Schrauben lo befestigt sind. Die Seitenschenkel 4 ragen dabei jeweils durch Durchbrüche 8 in eine Trennplatte 7 aus z.B. faserverstärktem Kunststoff. Die Trennplatte 7 dient der abdichtenden Trennung der Kühlkörper 2, 5, 6, von den elektrischen (hier darunterliegenden)Teilen der Anordnung.The figures show: FIG. 1 a view of a cooling arrangement according to the invention partly in section and broken away Figure 2 View below Figure 1 (American Projection) In the figures, 1 is the wafer semiconductor 9 to be cooled, e.g. a Diode or thyristor. The disk semiconductor 1 is on the one hand against a heat sink 2 and on the other hand against a cooling rail 3 larger cross-section pressed. The cooling rail 3, it should preferably consist of copper or aluminum, has a U-shaped shape, with short side legs 4, on their end faces left and right heat sinks 5 and 6 are attached by screws lo. The side thighs 4 each protrude through openings 8 in a partition plate 7 made of, for example, fiber-reinforced Plastic. The separating plate 7 is used for the sealing separation of the heat sinks 2, 5, 6, of the electrical (here below) parts of the arrangement.

Sie bildet dabei eine Wand des Kühlschachtes 9 für forcierte Kühlung mit Luft oder Wasser oder anderen Medien und ist gleichzeitig Träger für die gesamte Halbleiteranordnung.It forms a wall of the cooling shaft 9 for forced cooling with air or water or other media and is at the same time the carrier for the whole Semiconductor device.

Beim Verschrauben legen sich die Kühlkörper 5 und 6 abdichtend gegen die Trennplatte 7. Der mittlere Kühlkörper 2 wird durch eine Spannvorrichtung festgelegt. Diese besteht aus 3 Spannbolzen 11,12,13, die in Verbindung mit einer Dreieckfederscheibe 14 und einen sich gegen die untere Seite der Kühlschiene 3 abstützenden Isolierkörper 15 den Kühlkörper 2 mit der Scheibenzelle 1 gegen die obere Seite der Kühlschiene3pressen. Eine umlaufende Dichtung 16 sorgt in Verbindung mit Schrauben 13 auch hier für hermetische Abdichtung des unteren elektrischen Teils gegenüber dem oberen Kühlschacht 9. Die Spannbolzen 11, 12, 13 sind mit Isolierumhüllungen 17 versehen. 12 und 13 führen seitlich (vgl. auch Figur 2) an der Kühlschiene 3 vorbei.When screwing, the heat sinks 5 and 6 lie against each other in a sealing manner the partition plate 7. The middle heat sink 2 is fixed by a clamping device. This consists of 3 clamping bolts 11, 12, 13, which are in connection with a triangular spring washer 14 and an insulating body supported against the lower side of the cooling rail 3 15 press the heat sink 2 with the disk cell 1 against the upper side of the cooling rail 3. A circumferential seal 16, in conjunction with screws 13, ensures hermetic properties here as well Sealing of the lower electrical part against the upper cooling duct 9. The Clamping bolts 11, 12, 13 are provided with insulating sheaths 17. 12 and 13 lead laterally (cf. also FIG. 2) past the cooling rail 3.

11 wird durch eine Bohrung 18 in der Kühlschiene 3 geführt.11 is guided through a bore 18 in the cooling rail 3.

Damit bei einem Auswechseln des Scheibenhalbleiters 1 der Kühlkörper 2 nicht verrutschen kann, was eine spätere Montage erschwert, ist dieser durch 4 Schrauben 19 in seiner Lage gesichert. Eine Lagesicherung ist ebenfalls für den Isolierkörper 15 durch ein Sicherungsblech 20 vorgesehen, das mit diesem über eine Schraube 21 verbunden ist. Mit 22 und 23 sind noch Trennisolierwände im Kühl schacht 9 angedeutet. Sie trennen die äußeren Kühlkörper 5,6 vom inneren Kühlkörper 2, der auf unterschiedlichen Potential liegt.Thus, when replacing the disk semiconductor 1, the heat sink 2 cannot slip, which makes subsequent assembly more difficult, this is due to 4 Screws 19 secured in place. A position security is also for the Insulating body 15 provided by a locking plate 20, which is connected to this via a Screw 21 is connected. At 22 and 23 there are still insulating walls in the cooling shaft 9 indicated. They separate the outer heat sink 5,6 from the inner heat sink 2, the is at different potential.

Die Kühlschiene 3 kann länger oder kürzer gehalten werden, ebenso sind die Seitenschenkel variabel gestaltbar und so kann eine Anpassung an gegebene Raumverhältnisse vorgenommen werden. Die Kühlkörper 5 und 6 können darüberhinaus breiter gehalten ggf. als Schiene ausgeführt werden, In Figur 1 wird die Kühlluft aus der Darstellungsebene heraus oder in diese hinein geführt Hierzu wird auch auf die Pfeile in Figur 2 verwiesen. Weitere gleichartige Kühlvorrichtungen mit zu kühlenden Scheibenzellen sind in der Luftführung davor oder dahinter angeordnet. Der elek trische Anschluß erfolgt entweder generell an den Kühlkörpern, die dazu mit Anschlußbohrungen versehen sind, oder an Kühlkörper 2 und Kühlschiene 3. Bei letzterer z.B. an den Schrauben ao, Durch Variation der Kühl schiene 3 lassen sich leicht Anpassungen an verschiedene gegebene Raumgestaltungen vornehmen. Die Kühl schiene 3 hat zweckmäßig einen kräftigen Querschnitt und dient als Wärmeübertrager an die Eußeren Kühlkörper 5 und 6. Günstige Anwendungen ergeben sich z.B.The cooling rail 3 can be kept longer or shorter, as well the side legs are variably designed and so an adaptation to given Spatial relationships are made. The heat sinks 5 and 6 can also held wider if necessary as a rail. In Figure 1, the cooling air out of or into the display level. This is also shown on refer to the arrows in FIG. Other similar cooling devices with to be cooled Disc cells are arranged in front of or behind the air duct. The elek trical connection is made either generally to the heat sinks, which are provided with connection holes or on heat sink 2 and cooling rail 3. In the case of the latter, e.g. on the Screws ao, by varying the cooling rail 3, adjustments can be made easily to make various given room designs. The cooling rail 3 is useful a strong cross-section and serves as a heat exchanger to the outer heat sink 5 and 6. Favorable applications result e.g.

bei Gleichstromstellern (Choppern) und Triebfahrzeugene Durch die Erfindung werden die gesteckten Ziele voll erreicht0in the case of direct current choppers and traction vehicles through the Invention, the set goals are fully achieved0

Claims (7)

Patentansprüche Anordnung für eine doppelseitige Kühlung von Scheibenhalbleitern, unter Anwendung der Schachtbauweise für forcierte Kühlung über Kühlkörper, wobei das Kühlmedium von den spannungsführenden Teilen der Halbleiter getrennt bleibt, dadurch gekennzeichnet. daß die Kühlkörper beider Seiten des Scheibenhalbleiters (1) in einem gemeinsamen Kühlkanal (9) angeordnet sind, wobei die eine Seite des Scheibenhalbleiters (1) direkt mit dem zugeordneten Kühlkörper (2) in Verbindung steht und die andere Seite des Scheibenhalbleiters (1) indirekt über eine an die Raumverhältnisse anpaßbare U-förmige Kühlschiene (3), auf deren Seitenschenkel (4) weitere Kühlkörper (5),(6) befestigbar sind, auf die Kühlkanalebene angehoben ist.Claims arrangement for double-sided cooling of wafer semiconductors, using the shaft design for forced cooling via heat sinks, whereby the cooling medium remains separated from the live parts of the semiconductors, characterized. that the heat sinks on both sides of the wafer semiconductor (1) are arranged in a common cooling channel (9), one side of the Disk semiconductor (1) directly with the associated heat sink (2) in connection stands and the other side of the wafer semiconductor (1) indirectly via one to the U-shaped cooling rail (3), adaptable to the spatial conditions, on the side legs (4) further heat sinks (5), (6) can be fastened, is raised to the cooling channel level. 2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet1 daß die Trennung der spannungs führenden Teile vom Kühlmedium durch eine Trennplatte (7) erfolgt, die eine Wandung des Kühlkanals (9) bildet und als Träger für die Kühlschiene (3) dient, und daß die Trennplatte (7) mit Durchbrüchen (8), (8a) für den Durchgriff der Seitenschenkel (4) der Kühlschiene (3) sowie eine Aufnahme des Scheibenhalbleiters (1) versehen ist. 2. Arrangement according to claim 1 characterized1 that the separation the live parts of the cooling medium are carried out through a separating plate (7), the forms a wall of the cooling channel (9) and serves as a support for the cooling rail (3), and that the partition plate (7) with openings (8), (8a) for the passage of the side legs (4) of the cooling rail (3) and a receptacle for the wafer semiconductor (1) is. 3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet. daß auf den Stirnflächen der Seitenschenkel (4) die Kühlkörper (5 , 6), für indirekte Kühlung über die Kühlschiene (3) mittels Schrauben (mio) befestigt sind.3. Arrangement according to claims 1 or 2, characterized. that on the end faces of the side legs (4) the heat sinks (5, 6), for indirect Cooling via the cooling rail (3) using screws (mio) are attached. 4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß über den mittleren Kühlkörper (2) für direkte Kühlung des Scheibenhalbleiters (1) sowie eine Spannvorrichtung der Kühlkörper (2) selbst befestigt, der Scheibenhalbleiter (1) zwischen Kühlkörper (2) und Kühlschiene (3) klemmkontaktiert und die Kühlschiene (3) an der Trennplatte (7) gehaltert wird.4. Arrangement according to claims 1 to 3, characterized in that Via the middle heat sink (2) for direct cooling of the disk semiconductor (1) and a clamping device attached to the heat sink (2) itself, the disk semiconductor (1) clamped between heat sink (2) and cooling rail (3) and the cooling rail (3) is held on the partition plate (7). 5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (2) mittels Spannbolzen befestigt ist, die die Kühlschiene (3) durchgreifen (11) bzw. umgreifen (12),(13) und die mit einer eine Vorspannung aufbringenden gemeinsamen Dreieckfeder (14) verbunden sind, die sich zentral über einen Isolierkörper (15) an der abgewandten Seite der Kühlschiene (3) abstützt.5. Arrangement according to claims 1 to 4, characterized in that the heat sink (2) is fastened by means of clamping bolts that reach through the cooling rail (3) (11) or encompass (12), (13) and the common with a pretensioning application Triangular spring (14) are connected, which are centrally located via an insulating body (15) on the opposite side of the cooling rail (3). 6. Anordnung nach den Ansprüchen 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kühlkörper (2) und der Trennplatte (7) eine umlaufende Dichtung (i6) angeordnet ist, die im Bereich des Durchbruchs (8a) über die Spannbolzen (11),(12),(13) zusammengepresst wird.6. Arrangement according to claims 4 or 5, characterized in that that between the heat sink (2) and the partition plate (7) a circumferential seal (i6) is arranged in the area of the opening (8a) about the Clamping bolts (11), (12), (13) are pressed together. 7. Anordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet.7. Arrangement according to claim 6, characterized. daß weitere Schrauben (19) zwischen Trennplatte (7) und Kühlkörper (2) der Lagesicherung des Kühlkörpers (2) bei einem Lösen der Spannbolzen (11), (12), (13) dienlich sind. that further screws (19) between the separating plate (7) and the heat sink (2) securing the position of the heat sink (2) when the clamping bolts (11) are loosened, (12), (13) are useful.
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