DE3138521A1 - Method of cooling semiconductor components and cooling device for performing the method - Google Patents

Method of cooling semiconductor components and cooling device for performing the method

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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Abstract

To cool semiconductor components (2), a gas, for example air, is compressed, cooled and passed through cooling devices (1). The cooling devices (1) have a cooling channel with an expanding cross section, so that the gas is able to absorb more heat as a result of the expansion. The cooling channel is expediently of spiral construction and consists of two parts, which substantially facilitates production. Either an open or a closed circuit can be used, and the air can also be replaced by, for example, SF6 or nitrogen. A gas having a phase transition is also suitable. <IMAGE>

Description

Verfahren zur Kühlung von Halbleiterelementen und KühlerProcess for cooling semiconductor elements and coolers

zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kühlung von Halbleiterelementen mit Kühlern, durch die das Kühlmedium geleitet wird, und auf einen Kühler zur Durchführung des Verfahrens.for carrying out the method The invention relates to a Process for cooling semiconductor elements with coolers through which the cooling medium is passed, and on a cooler to carry out the process.

Ein Verfahren und ein Kühler der eingangs genannten Art ist schon z.B. aus der DE-OS 26 40 000 bekannt. Als Kühlmedium rechnet man mit Transformatorenöl und der Kühler, in dieser Schrift als Kühldose bezeichnet, weist in seinem Innenraum im Strömungsweg der Kühlflüssigkeit senkrecht zu den Dosenböden orientierte Zapfen auf.A method and a cooler of the type mentioned above is already e.g. from DE-OS 26 40 000 known. Transformer oil is expected as the cooling medium and the cooler, referred to in this document as a cooling box, has in its interior in the flow path of the cooling liquid perpendicular to the can bottoms oriented pins on.

Dieses Verfahren ist nur für geschlossenen Kreislauf geeignet und die Temperatur der Kühlflüssigkeit steigt wesentlich während der Leitung durch den Kühler, so dass die Temperatur des Kühlers nicht gleichmässig ist.This method is only suitable for closed circuits and the temperature of the coolant rises significantly while it is being passed through the Cooler, so that the temperature of the cooler is not uniform.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Kühlverfahren und einen Kühler für Halbleiterelemente zu schaffen, bei welchen mit einfachen Mitteln wirksame und gleichmässige Kühlung jedes Halb- leiterelementes gesichert wird, und zwar auch bei mehreren, an dieselbe Kühlmediumquelle angeschlossenen Halbleiterelementen.The invention aims to provide a remedy here. The invention as it is in the claims is characterized, solves the problem of a cooling method and a To create coolers for semiconductor elements, in which effective with simple means and even cooling of every half ladder element secured even with several semiconductor elements connected to the same cooling medium source.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesertlichen darin zu sehen, dass die Kühler durch das komprimierte Gas gleichmässig gekühlt werden, wobei durch die Entspannung das Gas sehr#viel Wärme aufnehmen kann. Durch die stetige Vergrdsserung des Kühlkanals- entsteht eine fraktionierte Expansion, womit die Steigerung der Temperatur des Gases durch die Wärmeübertragung aus dem Halbleiterelement kompensiert werden kann. Man kann ebenfalls Gase mit Phasenübergang verwenden.The advantages achieved by the invention are essentially therein to see that the coolers are evenly cooled by the compressed gas, whereby the gas can absorb a lot of heat through the expansion. Through the steady Enlargement of the cooling channel results in a fractional expansion, with which the increase the temperature of the gas is compensated by the heat transfer from the semiconductor element can be. It is also possible to use gases with a phase transition.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.In the following the invention is based on two exemplary embodiments explained in more detail.

Es zeigt Fig. 1 eine beispielsweise erfindungsgemässe Gesamtanordnung mit acht Kühlern, Fig. 2 einen Schnitt, in welchem rechts eine Variante A mit glatten Wänden und links eine Variante B mit Querrippen eines erfindungsgemässen Kühlers dargestellt ist und Fig. 3 den Schnitt III-III aus Fig. 2, in dem die Vergrösserung des Querschnittes des Kühlkanals sichtbar ist.1 shows an overall arrangement according to the invention, for example with eight coolers, Fig. 2 is a section in which a variant A with smooth Walls and on the left a variant B with transverse ribs of a cooler according to the invention and FIG. 3 shows the section III-III from FIG. 2, in which the enlargement of the cross section of the cooling channel is visible.

Gemäss Fig. 1 sind vier Halbleiterelemente 2 zwischen je zwei Kühlern 1 eingespannt. Mit der Bezugsziffer 4 ist ein Kompressor bezeichnet, in dem Luft auf hohen Druck komprimiert wird und danach in an sich bekannter Weise, z.B.According to FIG. 1, there are four semiconductor elements 2 between two coolers each 1 clamped. Reference number 4 denotes a compressor in which air compressed to high pressure becomes and then in itself better known Way, e.g.

mittels Rohrschlangen oder mit Hilfe eines verrippten Druckkessels gekühlt. Ueber die Luftzuführungen 3 und 3' wird die komprimierte Luft durch die Kühler 1 geleitet.by means of pipe coils or with the help of a ribbed pressure vessel chilled. About the air inlets 3 and 3 ', the compressed air is through the Condenser 1 passed.

Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtungen der Kühlluft.The arrows show the flow directions of the cooling air.

In allen Zeichnungen sind dieselben Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.In all drawings the same parts are given the same reference numbers Mistake.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Kühler 1 gezeigt, der Varianten A und B enthält. Spiralförmige Wände 5 bilden einen Kühlkanal 6. Die Variante A zeigt glatte Wände 5, bei der Variante B sind die Wände 5 mit Querrippen 7 versehen, die die Oberfläche des Kühlkanals 6 vergrössern und den Weg der Kühlluft verlängern. Die Kühlluft wird in das Zentrum des Kühlers 1 durch die Luftzuführung 3 geleitet und strömt spiralförmig bis zu der Austrittsöffnung 8. In der Mitte ist ein Zentrierstift 9 angeordnet.2 shows a section through a cooler 1, the variants A and B contains. Spiral walls 5 form a cooling channel 6. Variant A shows smooth walls 5, in variant B the walls 5 are provided with transverse ribs 7, which enlarge the surface of the cooling channel 6 and lengthen the path of the cooling air. The cooling air is directed into the center of the cooler 1 through the air supply 3 and flows in a spiral up to the outlet opening 8. In the middle is a centering pin 9 arranged.

Weil der Kanal 6 spiralförmig, der Kühler 1 jedoch kreisförmig sind, bleibt ein getrennter Raum 10, der kein Bestandteil des Kanals 6 bildet.Because the channel 6 is spiral-shaped, but the cooler 1 is circular, a separate space 10 remains, which does not form part of the channel 6.

In Fig. 3 sieht man, dass sich die Breite des Kanals 6 vergrössert, womit auch selbstverständlich der Querschnitt des Kanals 6 grösser wird und die Entspannung der Luft in der Strömungsrichtung ermöglicht wird. Der Kühler 1 besteht aus herstellungstechnischen Gründen aus dem linken Teil 12 und dem rechten Teil 1". Die Trennfläche ist mit der Ziffer 12 bezeichnet. Die gegenseitige Lage der beiden Teile 1?, 1" sichert der schon erwähnte Zentrierstift 9. Der getrennte Raum 10 weist eine Bohrung 11 auf, durch die Druckänderungen der Luft im Raum 10 ausgeglichen werden kennen.In Fig. 3 it can be seen that the width of the channel 6 increases, which of course also increases the cross-section of the channel 6 and the Relaxation of the air in the direction of flow is made possible. The cooler 1 consists for manufacturing reasons from the left part 12 and the right part 1 ". The interface is marked with the number 12. The mutual position of the both parts 1 ?, 1 "are secured by the already mentioned centering pin 9. The separate space 10 has a bore 11 through which changes in pressure of the air in space 10 are compensated will know.

Seitenflächen 13 des Kühlers 1 sind mit erhöhten Auflageflächen 14 für die Halbleiterelemente 2 versehen.Side surfaces 13 of the cooler 1 have raised bearing surfaces 14 for the semiconductor elements 2 provided.

In diesem Beispiel ist also als Kühlmedium Druckluft in offenem Kreislauf verwendet. Man kann selbstverständlich auch andere Gase verwenden, wobei man aus wirtschaftlichen Gründen geschlossenen Kreislauf wählen kann.In this example, compressed air is used as the cooling medium in an open circuit used. You can of course also use other gases, with one off can choose a closed cycle for economic reasons.

Die dargestellte Form des Kühlers ist besonders zweckmässig, weil bei den Auflageflächen 14 grössere Massen des Kühlers 1 vorhanden sind. Man kann selbstverständlich auch andere Formen wählen als dargestellt.The shape of the cooler shown is particularly useful because at the bearing surfaces 14 larger masses of the cooler 1 are present. One can of course, choose other shapes than those shown.

B e z e i c h n u n g -s 1 i s t e 1 = Kühler 1' = linker Teil des Kühlers 1 lt, = rechter Teil des Kühlers 1 2 = Halbleiterelemente 3 = Luft zuführungen 3' = Luftzuführungen für einzelne Kühler 4 = Kompressor und Kühlanordnung 5 = spiralförmige Wände des Kühlers 1 6 = Kühlkanal im Kühler 1 7 = Querrippen 8 = Austrittsöffnung 9 = Zentrierstift 10 = getrennter Raum 11 = Bohrung 12 = Trennfläche 13 = Seitenflächen 14 = Auflageflächen A = Variante mit glatten Wänden 5 B = Variante mit Querrippen 7 LeerseiteD e c io n g -s 1 i s t e 1 = cooler 1 '= left part of the Cooler 1 lt, = right part of the cooler 1 2 = semiconductor elements 3 = air supply 3 '= air supply for individual coolers 4 = compressor and cooling arrangement 5 = spiral-shaped Walls of the cooler 1 6 = cooling duct in the cooler 1 7 = transverse ribs 8 = outlet opening 9 = centering pin 10 = separate space 11 = bore 12 = separation surface 13 = side surfaces 14 = support surfaces A = variant with smooth walls 5 B = variant with transverse ribs 7th Blank page

Claims (10)

P a t e n t a n s p r ü c h e Cl. Verfahren zur Kühlung von Halbleiterelementen (2) mit Kühlern (1), durch die das Kühlmedium geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das aus einem Gas bestehende Kühlmedium komprimiert wird, dass es danach gekühlt wird und dass es danach durch die Kühler (1) der Halbleiterelemente (2) geleitet wird. P a t e n t a n s p r ü c h e Cl. Process for cooling semiconductor elements (2) with coolers (1) through which the cooling medium is passed, characterized in that that the cooling medium consisting of a gas is compressed, that it is then cooled and that it is then passed through the cooler (1) of the semiconductor elements (2) will. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium in geschlossenem Kreislauf geleitet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the cooling medium is conducted in a closed circuit. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Luft verwendet wird und dass die Luft durch die Kühler (1) in offenem Kreislauf geführt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that as a cooling medium Air is used and that the air passes through the cooler (1) in an open circuit to be led. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium SF6 verwendet wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the cooling medium SF6 is used. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Stickstoff verwendet wird.5. The method according to claim 1, characterized in that the cooling medium Nitrogen is used. 6. Kühler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der aus einem wärmeleitenden Material bestehende Kühler (1) wenigstens einen Kühlkanal (6) mit einem sich in der Strömungsrichtung des Kühlmediums erweiternden Querschnitt aufweist.6. cooler for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that the cooler (1) made of a thermally conductive material at least one cooling channel (6) with one extending in the direction of flow of the cooling medium Has widening cross-section. 7. Kühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kühlkanal (6) spiralförmig ausge bildet ist.7. Cooler according to claim 6, characterized in that the at least a cooling channel (6) is formed in a spiral shape. 8. Kühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er eine kreisrunde Form aufweist, wobei die Kühlmediumzuführung (3') in das Zentrum des Kühlers (1) geführt und dort an den Kühlkanal (6) angeschlossen ist und dass sich die Austrittsöffnung (8) am äusseren Umfang des Kühlers (1) befindet. 8. Cooler according to claim 6, characterized in that it is circular Has shape, the cooling medium supply (3 ') in the center of the cooler (1) out and there is connected to the cooling channel (6) and that the outlet opening (8) is located on the outer circumference of the cooler (1). 9. Kühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er aus zwei Teilen (1', 1") besteht, wobei sich die Trennfläche (12) zwischen den zwei Teilen (1', 1') des Kühlers (1) durch den Kühlkanal (6) in seiner ganzen Länge erstreckt. 9. Cooler according to claim 6, characterized in that it consists of two Parts (1 ', 1 ") consists, wherein the separating surface (12) is between the two parts (1 ', 1') of the cooler (1) extends through the cooling duct (6) over its entire length. 10. Kühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Wände (5) des Kühlkanals (6) mit. Querrippen (7) versehen sind.10. Cooler according to claim 6, characterized in that walls (5) of the cooling channel (6) with. Cross ribs (7) are provided.
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