DE3221423A1

DE3221423A1 - Kuehlkoerper zur fluessigkeitskuehlung von leistungshalbleiterelementen

Info

Publication number: DE3221423A1
Application number: DE19823221423
Authority: DE
Inventors: Xaver Ennetturgi Aargau Vogel
Original assignee: Bbc AG Brown Boveri & Cie 5401 Baden Aargau; BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1982-05-13
Filing date: 1982-06-07
Publication date: 1983-11-17
Also published as: CH659735A5; DE3221423C2

Description

Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung
von Leistungshalbleiterelementen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung von Leistungshalbleiterelementen, wobei der Kühlkörper wenigstens einen Anschlusskanal aufweist und mit wenigstens einer ebenen Halbleiterauflagefläche versehen ist.
Seit längerer Zeit gehören verschiedene Kühlkörper der obengenannten Art zum Stand der Technik. So ist z.B. in der DE-OS 26 40 000 eine Kühldose für flüssigkeitsgekühlte Leistungshalbleiterbauelemente und ein Verfahren zur Herstellung derselben beschrieben. Die Kühldose gemäss dieser DE-OS hat in ihrem Innenraum senkrecht zu den Dosenböden orientierte und mit diesen Dosenböden stoffschlüssig verbundene Zapfen. Diese Zapfen und die Profile dieser Zapfen beeinflussen die Strömung der Kühlflüssigkeit in der Kühldose und erhöhen somit den Wirkungsgrad der Kühlung der angeschlossenen druckkontaktierten Leistungshalbleiterbauelemente.
Als Kühlmedium wird vor allem Oel verwendet. Die Kühldose hat eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für die Kühlflüssigkeit, sonst ist sie geschlossen. Die Auflagekontaktflächen dieser Kühldose sind also aus vollem Material ausgebildet und die Kühlflüssigkeit berührt die zu kühlenden Flächen der Halbleiterelemente nicht.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper so auszubilden, dass der Kühleffekt der Kühlflüssigkeit wesentlich verbessert wird, wobei die konstruktive Ausgestaltung möglichst einfach sein soll.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss bei einem Kühlkörper der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass in der wenigstens einen Halbleiterauflagefläche Kühlschlitze ausgebildet sind, die mit dem wenigstens einen Anschlusskanal für die Kühlflüssigkeit verbunden sind.
Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass die Kühlflüssigkeit, z.B. Silikonöl oder Freon, die zu kühlenden Flächen der Halbleiterelemente direkt berührt, so dass sie einen grossen Teil der Verlustwärme übernehmen kann. Die restlichen Teile der Halbleiterauflagefläche des Kühlkörpers führen ebenfalls die Verlustwärme der Halbleiterelemente ab und diese Wärme wird weiter mittels der Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkörper entfernt.
Zweckmässig sind die Kühlschlitze mit dem wenigstens einem Anschlusskanal mittels wenigstens eines Verbindungsschlitzes oder mittels wenigstens einer Verbindungsbohrung verbunden.
Durch den Anschlusskanal wird die Kühlflüssigkeit in die einzelnen Kühlschlitze geleitet, sie fliesst weiter in den Kühlschlitzen in direktem Kontakt mit der zu kühlenden Fläche und am Ende der Schlitze fliesst sie aus dem Kühlkörper heraus.
Es ist vorteilhaft, die Kühlschlitze mit rechteckigem Profil auszuführen. Dieses Profil ist herstellungstechnisch sehr einfach. Gemäss einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind die Kühlschlitze mit einem von der rechteckigen Form abweichenden Profil ausgebildet, z.B. dreieckig, mit halbrundem Boden oder trapezförmig.
Das Profil der Kühlschlitze kann also praktisch beliebig den jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Kühlschlitze in der Halbleiterauflagefläche gegenseitig parallel ausgebildet sind. Diese Lage der Kühlschlitze weist den Vorteil auf, dass die erwärmte Kühlflüssigkeit in verhältnismässig kleinen Bereichen aus dem Kühlkörper ausfliesst, Wenn man die erwärmte Kühlflüssigkeit z.B. durch Rohre in einen Sammelbehälter führen will, ist die vorgenannte Lösung insbesondere geeignet.
Die Kühlschlitze können geradlinig sein, sie können jedoch auch andere Formen aufweisen, z.B. eine Serpentine- oder Evolventenform.
Die Serpentine- oder Evolventenform ist insbesondere dann zweckmässig, wenn die Kühlschlitze von der parallelen gegenseitigen Lage abweichen, z.B. radial angeordnet sind.
Die radiale Anordnung der Kühlschlitze ist für eine zylindrische Form des Kühlkörpers geeignet, wobei selbstverständlich der Durchmesser des zylindrischen Kühlkörpers dem Durchmesser der zu kühlenden Fläche angepasst ist.
Für normale Funktionsweise reicht ein konstantes Profil der Kühlschlitze aus. Es ist in einigen Fällen zweckmässig, die Kühlschlitze mit einem sich erweiternden Profil aus zu bilden. Durch die Veränderung der Profilgrösse verändert man auch die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit.
Die Erfindung wird anhand einiger schematisch dargestellter Beispiele näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine erste beispielsweise erfindungsgemässe Ausführungsform des Kühlkörpers, wobei in diesem Bei- spiel parallele Kühlschlitze in einem rechteckig ausgebildeten Kühlkörper hergestellt sind, Fig. 2 den Schnitt II-II aus Fig. 1, Fig. 3 den Schnitt III-III aus Fig. 1, Fig. 4 einen Teilschnitt durch einen anderen Kühlkörper gemäss der Erfindung, wobei die Kühlschlitze mit verschiedenen Profilen gezeigt werden und Fig. 5 einen erfindungsgemässen zylindrischen Kühlkörper, bei dem in vier Segmenten vier verschiedene Ausbildungsvarianten der Kühlschlitze gezeigt sind.
Gemäss den Figuren 1 bis 3 ist ein Kühlkörper 1 mit zwei Halbleiterauflageflächen 2 versehen. In jeder dieser Halbleiterauflageflächen 2 sind mehrere geradlinige parallele Kühlschlitze 3 ausgeführt, die in diesem Beispiel ein rechteckiges Profil aufweisen; das Profil der Kühlschlitze 3 ist gut in der Fig. 3 sichtbar. Zwischen und seitlich der Kühlschlitze 3 bleibt die freie Halbleiterauflagefläche 2, die selbstverständlich eben ausgebildet ist. Die Kühlschlitze 3 sind mittels zweier Verbindungsschlitze 4 mit einem Anschlusskanal 7 verbunden. Mit der Bezugsziffer 5 ist ein Zentrierloch bezeichnet, eine Bohrung 6 dient für elektrischen Anschluss des Kühlkörpers. In Fig. 2 ist der Verlauf des Anschlusskanals 7 sichtbar, dessen Ende mit einem Gewinde 8 versehen ist. In dieser Fig. 2 ist auch der Anschluss der Verbindungsschlitze 4 an den Anschlusskanal 7 gut sichtbar. Dass die Verbindungsschlitze 4 mit den Kühlschlitzen 3 verbunden sind, ist sowohl aus der Fig. 1 als auch aus der Fig. 3 ersichtlich.
Fig. 4 zeigt beispielsweise Ausführungsmöglichkeiten der Profile der Kühlschlitze 3. Ein Kühlschlitz 3.1 weist ein rechteckiges Profil, ein Kühlschlitz 3.2 ein dreieckiges Profil und ein Kühlschlitz 3.3. ist mit einem halbrundem Boden ausgebildet. Ein Kühlschlitz 3.4 weist ein trapezförmiges Profil auf. Die Ausgestaltung gemäss der Fig. 4 entspricht jedoch im wesentlichen derjenigen gemäss Fig. 3.
Ein zylindrischer Kühlkörper 1 gemäss Fig. 5 ist schematisch in vier Quadrante aufgeteilt. Die Kühlschlitze 3 sind in zwei Fällen radial und in weiteren zwei Fällen im wesentlichen radial geführt. Sie sind mit dem, in dieser Fig. 5 nicht dargestellten Anschlusskanal 7 mittels Verbindungsbohrungen 9 verbunden. Wie ersichtlich, wird die Flüssigkeit in das Zentrum des Kühlkörpers 1 geführt, wovon sie dann zu dem äusseren Rand des Kühlkörpers 1 fliesst. Ein Kühlschlitz 3.5 ist geradlinig ausgebildet, ein weiterer Kühlschlitz 3.6 weist einen sich nach aussen erweiternden Querschnitt auf, ein Kühlschlitz 3.7 ist serpentineartig ausgeführt und ein Kühlschlitz 3.8 weist eine Evolventenform auf. Die zwei letztgenannten Kühlschlitze 3.7, 3.8 werden selbstverständlich mit weiteren ähnlich ausgebildeten Kühlschlitzen kombiniert, die regelmässig über die Halbleiterauflagefläche 2 verteilt sind.
Es ist selbstverständlich, dass der Erfindungsgegenstand auf das in den Zeichnungen Dargestellte nicht beschränkt ist.
Es können andere Profile und Formen der Kühlschlitze 3 verwendet werden. Der Kühlkörper 1 kann auch nur einseitig mit den Kühlschlitzen 3 versehen sein, wenn es sich um einen Kühlkörper 1 handelt, der nur ein Halbleiterelement kühlen soll. Der Kühlkörper 1 kann auch andere Formen aufweisen, als dargestellt. Als Material für den Kühlkörper 1 kann man z.B. Aluminium, Kupfer oder deren Legierungen verwenden. Leerseite

Claims

Patentansprüche ; Ö Kühlkörper (1) zur Flüssigkeitskühlung von Leistungshalbleiterelementen, wobei der Kühlkörper (1) wenigstens einen Anschlusskanal (7) aufweist und mit wenigstens einer ebenen Halbleiterauflagefläche (2) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Halbleiterauflagefläche (2) Kühlschlitze (3) ausgebildet sind, die mit dem wenigstens einen Anschlusskanal (7) für die Kühlflüssigkeit verbunden sind.
2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Küh].schlitze (3) mit dem wenigstens einem Anschlusskanal (7) mittels wenigstens eines Verbindungsschlitzes (4) oder mittels wenigstens einer Verbindungsbohrung (9) verbunden sind.
3. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze (3) mit rechteckigem Profil (3.1) ausgeführt sind.
4. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze (3) mit einem von der rechteckigen Form (3.1) abweichenden Profil ausgebildet sind, z.B.

dreieckig (3.2), mit halbrundem Boden (3.3) oder trapezförmig (3.4).
5. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze (3) in der Halbleiterauflagefläche (2) gegenseitig parallel ausgebildet sind.
6. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze (3) in der Halbleiterauflagefläche (2) geradlinig (3, 3.1 bis 3.5) ausgebildet sind.
7. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze (3) eine von der Geraden abweichende Form aufweisen, z.B. eine Serpentine- (3.7) oder Evolventenform (3.8).
8. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze (3) von der parallelen gegenseitigen Lage abweichen und z.B. radial (3.5 bis 3.8) angeordnet sind.
9. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze (3) ein konstantes Profil (3, 3.1 bis 3.5, 3.7, 3.8) aufweisen.
10. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschlitze (3) ein sich erweiterndes Profil (3.6) aufweisen.