DE3342104A1 - Anordnung zur siedekuehlung stapelbarer, scheibenfoermiger halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

• Anordnung zur Siedekühlung stapelbarer,
• scheibenförm iger Halbleiterbauelemente Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Siedekühlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Anordnung ist durch das DE-GM 75 03 996 bekannt.
• Bei der bekannten Anordnung bestehen die Wärmeableiter aus einem massiven, das Halbleiterbauelement überdeckenden Verdampfer und an diesen seitlich angeschlossene plattenförmige, zum Teil mit einer Siedekühlflüssigkeit gefüllte, den Kondensationsraum bildende Kühlkörper. Auf der dem Halbleiterbauelement abgewandten Seite des Verdampfers ist unter Vergrößerung der Oberfläche zur Verwirbelung und besseren Blasenbildung bei der Verdampfung der Siedekühlflüssigkeit eine Ringnut vorgesehen.
• Auch kann die Oberfläche aufgerauht, geriffelt oder gekordelt sein. Die plattenförmigen Kühlkörper weisen zusätzlich zum verbesserten Wärmeübergang Noppen und Ausformungen auf.
• Bei hochbelasteten Halbleiterbauelementen besteht beim Einsatz der bekannten Anordnung die Schwierigkeit, ausreichende Mengen der Siedekühlflüssigkeit möglichst dicht an die Wärmequelle (Halbleiterbauelement) zu bringen. Zum einen ist eine kompakte Bauweise bei einem größeren Stapel von massiven Verdampfern mit jeweils zwischengeschichteten Halbleiterbauelementen trotz. der erwähnten Oberflächengestaltung wegen der benötigten großen Oberfläche nicht möglich, zum anderen besteht infolge von nur zwei Zugbolzen und einer unsymmetrischen Anlage der plattenförmigen Kühlkörper die Gefahr des Ausbrechens einzelner Elemente aus der Spannachse. Auch ist der Aufwand zur Herstellung der Kühlkörper in - Verbindung mit den Verdampfern verhältnismäßig groß.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art Wärmeableiter anzugeben, die den Wärmeübergang zur Siedekühlflüssigkeit bei ausreichend großer Oberfläche optimal nahe am Halbleiterbauelement ermöglichen und dabei im Stapel bei mehreren zwischen jeweils zwei Wärmeableitern angeordneten Halbleiterbauelementen eine kompakte, leicht montierbare und in der Längsachse stabile Spannmöglichkeit gewährleisten. Außerdem soll über die Wärmeableiter eine einfache elektrische Verschaltung einzelner im Stapel angeordneter Halbleiterbauelemente möglich sein.
• Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
• Auf vorteilhafte Weise wird durch die angeformten Zapfen einerseits eine ausreichend große Oberfläche für die Siedekühlung bereitgestellt, andererseits wird aber auch die die Anordnung vollständig umgebende Siedekühlflüssigkeit möglichst nahe an das Halbleiterbauelement herangeführt. Trotzdem ist infolge der druckübertragenden Zapfen eine kompakte Bauweise bei Stapeln möglich, wobei durch die drei symmetrisch versetzten Zugbolzen ein Ausbrechen auch längerer Säulen aus der Spannachse verhindert wird.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die Erfindung soll anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs beispiels im folgenden erläutert werden. Es zeigen Fig. 1 die Darstellung eines Stapels von Wärmeableitern mit Halbleiterbauelementen und Fig. 2a bis Fig. 2c die Ausbildung eines Wärmeableiters nach der Erfindung.
• In Fig. 1 ist ein- Teil eines Stapels scheibenförmiger Halbleiterbauelemente 10, 11, 12 dargestellt, die jeweils zwischen zwei Wärmeableitern 91 bis 95 angeordnet sind. Die Wärmeableiter 91 bis 95 dienen der Wärmeabfuhr von den elektrisch hochbelasteten Halbleiterbauelementen 10, 11, 12 an eine den gesamten Stapel vollständig umgebende Siedekühlflüssigkeit.
• Zur Herstellung eines ausreichenden elektrischen Kontaktdrucks ist eine für alle Bauelemente gemeinsame (nicht näher gezeigte) Spannvorrichtung vorgesehen, die über drei symmetrisch angeordnete, isolierte Zugbolzen 15, 16, 17 eine Spannkraft P aufbringt.
• In den Fig. 2a bis c ist die spezielle Ausbildung eines der Wärmeableiter 91 bis 95 in Einzelheiten gezeigt. Der Wärmeableiter hat die Form eines gleichseitigen Dreiecks, das ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement jeweils voll überdeckt. In den Eckbereichen des gleichseitigen Dreiecks sind drei Führungslöcher 1 zur Führung der isolierten Zugbolzen vorgesehen.
• Eine Seite des Wärmeableiters ist als ebene Fläche 2 zum Kontaktieren mit dem zugeordneten Halbleiterbauelement ausgebildet, die andere, gegenüberliegende Seite ist als Siedefläche 3 gestaltet. Über diese Fläche verteilt, die der Größe des Gehäusebodens des Halbleiterbauelements entspricht, sind in radialem Teilungswinkel von 1200 Zapfen 4 angeordnet, die einerseits die Siedefläche vergrößern, andererseits aber auch die für die Halbleiterbauelemente erforderliche Spannkraft P übertragen können. Infolge der Anordnung der Zapfen 4 im Teilungswinkel von 1200 liegen die druckübertragenden Zapfen benachbarter Wärmeableiter innerhalb eines Stapels stets aufeinander, so daß keine druckverteilende Zwischenscheibe benötigt wird.
• Die Zwischenräume 5 zwischen den Zapfen 4 sind so groß ausgelegt, daß hier der Siedeprozeß ungehindert ablaufen kann.
• Mit der zuvorsbeschriebenen Zusammenfassung von Anpreß- und Siedefläche wird erreicht, daß relativ flache Wärmeableiter verwendet werden können, so daß der Stapel sehr kompakt aufgebaut werden kann. Die abzuführende Wärme erreicht auf kurzem Weg die Oberfläche, wo sie zur Verdampfung der Siedekühlflüssigkeit führt.
• Durch die symmetrisch angeordneten Führungslöcher 1 und die dadurch vorgegebene Lage der Zugbolzen 15, 16, 17 eines Stapels von Halbleiterbauelementen wird auch bei längeren Säulen ein gleichmäßiger Druck auf die Halbleiterbauelemente 10, 11, 12 ausgeübt, so daß ein Ausbrechen aus der Spannachse verhindert wird.
• Der Teilkreis zur Anordnung der Führungslöcher 1 ist so groß gewählt, daß die Halbleiterbauelemente 10, 11, 12 eines Stapels nach Lösen des Spannverbands zwischen zwei Zugbolzen hindurch ausgetauscht werden können, ohne die übrigen Komponenten entstapeln zu müssen.
• Bei jedem Wärmeableiter ist die mit Zapfen 4 versehene Fläche 3 von einer Wulst umgeben, von der im Winkel von 1200 drei Materialverdickungen 6 tangential bis zur Kante verlaufen. In diesen Verdickungen 6 befinden sich Gewindebohrungen 7 für zwei elektrische Hauptanschlüsse und eine Bohrung 8 für einen Hilfsanschluß (z.B. für eine Anoden-Kathoden-Bedämpfung eines Halbleiterbauelements). Mit diesen Anschlüssen ist innerhalb einer Säule eine einfache (in Fig. 1 nicht näher gezeigte) elektrische Verschaltung der einzelnen Halbleiterbauelemente 10, 11, 12 möglich.
• Im Stapelverband liegen die Stirnflächen der Zapfen 4 benachbarter Wärmeableiter direkt aufeinander und tragen so dasselbe elektrische Potential.
• Durch Einfügen einer Isolierscheibe 13, 14 mit gleichen Führungslöchern wird, wenn erforderlich eine Potentialtrennung erreicht.
• Der Wärmeableiter besteht aus thermisch und elektrisch gut leitendem Material, z.B. Kupfer oder einer Aluminiumlegierung und ist als Gesenkschmiedeteil nach DIN 1749 gestaltet. Alle Kontaktstellen werden vorzugsweise mit geringen Rauhtiefen nachgearbeitet, um möglichst kleine thermische und elektrische Übergangswiderstände zu erreichen.
• In der Fläche. 2 zur Kontaktierung des Halbleitergehäuses befindet sich eine Zentrierbohrung 18 für einen (nicht gezeigten) Spannstift, der das Halbleiterbauelement bei der Montage fixiert.
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Claims (5)

1. Anordnung zur Siedekühlung stapelbarer, scheibenförmiger Halbleiterbauelemente Patentansprüche 1. Anordnung zur Siedekühlung eines über Zugbolzen zwischen zwei Wärm eableitern eingespannten scheibenför m igen Halbleiterbauelements, bei der die Wärmeableiter eine teilweise mit Zapfen versehene Oberfläche und Führungslöcher für die Zugbolzen aufweisen sowie im Kontaktbereich mit dem Halbleiterbauelement ebenflächig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß - die Anordnung vollständig von einer Siedekühlflüssigkeit umgeben ist, - beide Wärmeableiter (91, 92; 93, 94) auf der dem Kontaktbereich (2) mit dem Halbleiterbauelement (10, 11, 12) abgewandten Seite (3) im Teilungswinkel von 1200 angeordnete Zapfen (4) aufweisen, über die die Spannkraft (P) dreier symmetrisch zueinander angeordneter Zugbolzen (15, 16, 17) auf das Halbleiterbauelement (10, 11, 12) übertragen wird und - beide #Wärmeableiter (91, 92; 93, 94) in Form eines gleichseitigen, das Halbleiterbauelement (10, 11, 12) jeweils voll überdeckenden Dreiecks ausgebildet sind, in dessen Eckbereichen jeweils ein Führungsloch (1) für einen Zugbolzen (15, 16, 17) vorgesehen ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei Zugbolzen (15, 16, 17) größer ist als der Scheibendurchmesser des Halbleiterbauelements (10, 11, 12).
3. 3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß bei jedem Wärmeableiter (91 bis 95) im ebenflächigen Kontaktbereich (2) eine Zentrierbohrung (18) für einen Spannstift vorgesehen ist.
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit mehreren, jeweils zwischen zwei Wärmeableitern angeordneten Halbleiterbauelementen, die über die Zugbolzen in einem Stapel verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen aneinandergrenzende Zapfen (4) von Wärmeableitern unterschiedlichen Potentials (94, 95) eine Isolierscheibe (13, 14) eingefügt ist.
5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wärmeableiter (91 bis 95) am Umfang an zwei seiner Dreieckseiten mit elektrischen Hauptanschlüssen (7) und auf der dritten Dreieckseite mit einem Hilfsanschluß (8) ausgerüstet ist, deren Gewindebohrungen tangential zum Außenumfang des scheibenförmigen Halbleiterbauelements (10, 11, 12) verlaufen.