DE3342104C2 - Anordnung zur Siedekühlung eines zwischen zwei Wärmeableitern eingespannten scheibenförmigen Halbleiterbauelements - Google Patents

Abstract

Bei einer Anordnung zur Siedekühlung eines über Zugbolzen (15, 16, 17) zwischen zwei Wärmeableitern (91 bis 95) eingespannten scheibenförmigen, hochbelasteten Halbleiterbauelements (10, 11, 12) soll erreicht werden, daß der Wärmeübergang zur Kühlflüssigkeit bei ausreichend großer Oberfläche optimal nahe am Halbleiterbauelement (10, 11, 12) erfolgt. Gleichzeitig soll gewährleistet sein, daß bei einem Stapel von Halbleiterbauelementen, die jeweils zwischen zwei Wärmeableitern eingespannt sind, eine kompakte, leicht montierbare und in der Längsachse stabile Spannmöglichkeit vorhanden ist. Dazu sind gemäß der Erfindung bei der Anordnung, die vollständig von einer Siedekühlflüssigkeit umgeben ist, beide Wärmeableiter (91 bis 95), die jeweils ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement (10, 11, 12) zwischen sich tragen, auf der dem Kontaktbereich (2) mit dem Halbleiterbauelement (10, 11, 12) abgewandten Seite (3) mit Zapfen (4) versehen, die im Teilungswinkel von 120° angeordnet sind. Über die Zapfen (4) wird die Spannkraft dreier symmetrisch zueinander angeordneter Zugbolzen (15, 16, 17) auf das Halbleiterbauelement (10, 11, 12) übertragen. Die Wärmeableiter (91 bis 95) sind in Form eines gleichseitigen Dreiecks ausgebildet, in dessen Eckbereichen jeweils ein Führungsloch (1) für einen der Zugbolzen (15, 16, 17) vorgesehen ist. enerator (4) angeschlossen sind. Der Analysator enthält auch eine Einheit zur a

Description

2. Anordnung nach Anspruch ΐ, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen zwei Zugbolzen (15, 16, 17) größer ist ais der Scheibendurchmesser des Halbleiterbauelements (10,11,12).

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Wärmeableiter (91 bis 95) im ebenflächigen Kontaktbereich eine Zentrierbohrung (18) für einen Spannstift vorgesehen ist

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. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wärmeabieiter (91 bis 95) an jeder Dreieckseite mit tangential zum Außenumfang des scheibenförmigen Halbleiterbauelements (10,11,12) verlaufenden Gewindebohrun- gen (7,8) versehen ist, von denen zwei für elektrische Hauptanschlüsse und eine für einen elektrischen Hilfsanschluß vorgesehen sind.

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Siedekühlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Anordnung ist durch die DS-OS 07 780 bekannt.

Bei dieser Anordnung bestehen die Wärmeableiter für die im Halbleiterbauelement erzeugte Wärme aus zwei zylindrischen, als Kathode und Anode dienenden massiven Metallblöcken, deren Durchmesser kleber als der der Halbleiterscheibe ist Bei einem hochbelasteten Halbleiterbauelement besteht beim Einsatz der bekannten Anordnung die Schwierigkeit, ausreichende Mengen der Siedekühlflüssigkeit möglichst dicht an die Wärmequelle (Halbleiterbauelement) zu bringen.

Bei einer durch das DE-GM 75 03 996 bekannten Anordnung bestehen die Wärmeableiter ebenfalls aus einem massiven, das Halbleiterbauelement überdeckenden Verdampfer und an diesen seitlich angeschlossene plattenförmige, zum Teil mit einer Siedekühlflüssigkeit gefüllte, den Kodensationsraurn bildende Körper. 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 aufgeraut, geriffelt oder gekordelt sein. Die plattenförmigen Kühlkörper weisen zusätzlich zum verbesserten Wärmeübergang Noppen und Ausformungen auf. Zum einen ist mit einer derartigen Anordnung 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 hier 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 der Herstellung der Kühlkörper in Verbindung mit den Verdampfern verhältnismäßig groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Anordnung der eingangs beschriebenen Art Wärmeableiter anzugeben, die den Wärmeübergang zur Siedekühiflüssigkeit 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 Ausführungsbeispiels im folgenden erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 die Darstellung eines Stapels von Wärmeableitern mit Halbleiterbauelementen und

F i g. 2a bis F i g. 2c die Ausbildung eines Wärmeableiter nach der Erfindung.

In F i g. 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 /"aufbringt

In den F i g. 2a bis c ist die spezielle Ausbildung einesder 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 isciierten Zugbolzen vorgesehen. Eine Seite des Wärmeabieiters 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 120° 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 120° 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 zuvor beschriebenen 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 Siedeflüssigkeit führt

Durch die symmetrisch angeordneten Führungslöcher 1 und die dadurch vorgegebene Lage der Zugbolzen 15,16, YI 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 Fühmngslöcher 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 120° 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 Hilfsan- so schluß (z. B. für eine Anoden-Kathoden-Bedämpfung eines Halbleiterbauelements). Mit diesen Anschlüssen ist innerhalb einer Säule eine einfache (in F i g. 1 nicht näher gezeigte) elektrische Verschaltung der einzelnen Halbleiterbauelemente 10,11,12 möglich. es

Im Stapelverband liefen die Stirnflächen der Zapfen 4 benachbarter Wärmeableiter direkt aufeinan-' _>r 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 Gesenkschmiedeteii 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 HaJbleitergehäuses befindet sich eine Zentrierbohrung 18 für einen (nicht gezeigten) Spannstift, der das Halbleiterbauelement bei der Montage fixiert

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Siedekühlung eines zwischen zwei Wärmeableitern eingespannten scheibenförmigen Halbleiterbauelements,

— die vollständig von einer Siedekühlflüssigkeit umgeben ist,

— bei der der Kontaktbereich der Kühleinrichtung zum Halbleiterbauelement ebenflächig ausgebildet ist und

— bei der eine in Form eines gleichseitigen Dreiecks ausgebildete Spannvorrichtung im Teilungswinkel von 120° Führungsvorrichtungen für drei symmetrisch zueinander angeordnete Zugbolzen aufweist, deren Spannkraft auf das Halbleiterbauelement übertragen wird, dadurch gekennzeichne t, daß

— beide Yiärmeableiter (91, 92; 93, 94) auf der dem Kontaktbereich mit dem Halbleiterbauelement (10, 11, 12) abgewandten Seite im Teilungswinkel von 120° angeordnete Zapfen (4) aufweisen, über die die Spannkraft (P) der Zugbolzen (15,16,17) auf das Halbleiterbauelement (10,11,12) übertragen wir-Jund

— 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 Fühiungsloch (1) für einen der Zugbolzen (15,16,17) vorgesehen ist.