DE3501732A1 - Einrichtung zur verlustwaermeabfuhr von halbleiterelementen - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Verlustwärmeabfuhr von Halbleiterelementen
• Die Erfindung befaßt sich mit einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Es ist bekannt, daß die Belastbarkeit von Haibleiterkristallen im wesentlichen durch die thermischen Verhältnisse bestimmt wird. Die wirksamsten zur Zeit ausgeführten Kiihlsysteme arbeiten nach dem Siedekühlprinzip bzw. mit Kühldosen und Wasser als Kühlmedium. Ein Siedekühl-System ist in der Zeitschrift "Bull. SEV/VSE" 72 (1981) 5, Seiten 239 ff beschrieben worden. Die zu kühlenden Bauelemente befinden sich in einer Siedekühlflüssigkeit, die ein Gehäuse bis auf einen Dampfraum füllt.
• Dieser steht über eine Leitung mit einem Wärmetauscher in Verbindung, der die Verlustwärme auf ein anderes Kühlmedium überträgt. Das Siedekühlsystem erfordert einen diskreten Wärmetauscher und gegebenenfalls eine Einrichtung zur Erhöhung der Dampfgeschwindigkeit, um das Volumen des Wärmetauschers herabzusetzen. Es ist somit eine umfangreiche Infrastruktur erforderlich. Derartige Kühlsysteme sind überall dort nicht einsetzbar, wo aus Raum- und Gewichtsgriinden die Unterbringung des Wärmetauschers nicht möglich ist. Hinzu kommt, daß das verwendete Kühl- medium zur Erzielung einer genügend hohen elektrischen Festigkeit hochrein und damit ein elektrischer Isolator sein muß. Um diesen Reinheitsgrad bei Benutzung von Wasser als kiihlflüssigkeit zu gewährleisten, ist ein erheblicher Aufwand wie Ionenaustauscher, Filter und Überwachung6~ einrichtungen erforderlich.
• Die aufwendige Riickkühlperipherie des herkömmlichen Kühlsystems kann, wie in der deutschen Patentanmeldung P 33 02 840.0 beschrieben wird, vermieden und damit eine kühleinrichtung mit geringen Bauabmessungen erzielt werden, wenn das die zu kühlenden elektronischen Bauelemente aufnehmende Gehäuse vollständig mit der Siedekühlflüssigkeit ausgefüllt und der Ru#ckkühler in das Gehäuse integriert wird. Durch Ausnutzung der Blasenturbulenz wird die Kondensation erheblich verbessert. Dadurch verbessert sich das Leistungsvolumen und das Leistungsgewicht der elektronischen Bauelemente wesentlich. Ein besonders ökonomisches System wird erzielt, wenn Wasser zur Rückkühlung zur Verfügung steht. Wenn auch mit diesem Wärmetauschersystem mit Siedekühlung ein kompaktes Aggregat erzielt wurde, so ist nach wie vor eine Flüssigkeit mit hoher elektrischer Festigkeit erforderlich, sei es eine inerte Flüssigkeit oder hochreines Wasser. Bei Einsatz von Wasser gehen, wie schon eingangs ausgeführt, einige der erzielten Vorteile wegen der notwendigen und aufwendigen Infrastruktur zur Aufrechterhaltung der Isolationsfähigkeit wieder verloren.
• Aus der DE-OS 27 05 476 ist eine flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranordnung bekannt, bei der auf beiden Seiten einer Halbleiterscheibe flüssigkeitsdurchströmte Euhldosen andrückbar angeordnet sind. Diese Anordnung ist in ein elektrisch isolierendes Gehäuse integriert, welches Anschlüsse für die Zu- und Abführung der Kühlflüssigkeit besitzt. Die Flüssigkeit durchströmt die Hohlräume der Kiihldosen, die zur Vergrößerung der inneren Oberfläche mit Stegen versehen sind. Dadurch wird die Wärmeabfuhr effektiver. Der wesentliche Mangel dieser Anordnung ist ebenfalls darin zu sehen, daß eine elektrisch isolierende Kuhlflüssiskeit zu verwenden ist, die wiederum eine umfangreiche Infrastruktur erfordert.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zu schaffen, die trotz hoher elektrischer Potentialdifferenzen die Verwendung von elektrisch leitfähigen Euhlmedien zuläßt.
• Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelost.
• Die Einrichtung nach der Erfindung hat erhebliche Vorteile gegenüber dem Vorbekannten insofern, als ein kompaktes Modul mit integrierter hoch wirksamer Kühlung für den oder die Halbleiterbauelemente geschaffen wird, bei dem Eihlmedien mit beliebigen elektrischen Eigenschaften verwendet werden können. Es wird somit eine Verringerung des Bauvolumens der peripheren Anlagenteile und der Wärmewiderstände mit der Folge einer höheren Strombelastbarkeit der Halbleiter erzielt.
• Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
• In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung schematisch dargestellt.
• Es zeigen Fig. 1 einen Halbleiterkristall mit integrierter Kühleinrichtung und Fig. 2 eine Variante des Prinzips nach Fig.1 mit kleiner thermischer Zeitkonstante.
• Nach Fig. 1 wird ein Halbleiterkristall l durch zwei Elemente 2 elektrisch kontaktiert, die gleichzeitig die Funktion von guhlkörpern und elastischem Ausgleichsrand erfüllen. Die Kilhlwirkung wird dadurch erreicht, daß in die Elemente 2 von einem Kühlmedium 4 durchströmte Euhlrohre 3 eingelassen und thermisch leitend mit ihnen verbunden sind, so daß sich gute Wärmeübergänge ergeben. Wird beispielsweise Quecksilber oder ein Lot als WÄrmeübertragender Stoff 7,der gleichzeitig elektrisch leitfähig ist, eingesetzt, so erweist es sich als Vorteil, die z.B. aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Kühlrohre 3 zu metallisieren. Als keramischer Werkstoff kann Aluminiumoxyd (AL203) verwendet werden. Als Kühlmedium kann elektrisch leitfähiges Wasser eingesetzt werden. Das Material dieser Kühlrohre muß gut wärmeleitend, jedoch elektrisch isolierend sein. Diese Eigenschaften können gleichzeitig z.B. von einigen keramischen Werkstoffen erfüllt werden. Die Trennung der spannungsführenden Elemente 2 wird von einer isolierenden Zwischenwand 5 übernommen, welche die Durchführung für einen eventuell vorhandenen Steueranschluß 6 des Halbleiterkristalls beinhaltet. Die Zwischenwand 5 kann entfallen, wenn handelsübliche Bauelemente verwendet werden. Bei geeigneter konstruktiver Ausführung dieser Anordnung kann eine definierte Strömung des Kuhlmediums 4 in unmittelbarer Nähe der Wärmequelle, des Halbleiterkristalls, erfolgen. Fügespalte, die den Wärmewiderstand erhöhen, entfallen bis auf die Kontaktierung an der Seite des Steueranschlusses 6. Auf diese Weise können kleine Wärmewiderstände realisiert werden, so daß der Halbleiterkristall l höher als bei herkömmlichen Kuhlverfahren ausgelastet werden kann. Bei verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten von Kuhlrohrmaterial und elektrisch leitendem Material der Elemente 2 übernimmt der Stoff 7 zugleich den Ausgleich.
• Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 erfolgt der Energietransport im wesentlichen mittels der latenten Dampfenergie einer siedenden Flüssigkeit.
• Der Halbleiterkristall 1 wird durch zwei Elemente 2 elektrisch kontaktiert, die gleichzeitig die Funktion von Siedekühlkörper, elastischem Ausgleichsrand und elektrischer Schirmung übernehmen. Dadurch kann der Siedeprozess in unmittelbarer Nähe der Wärmequelle erfolgen. Auch hier können Fügespalte bis auf die Kontaktierung auf der Seite des Steueranschlusses 6 entfallen, so daß sich die denkbar kleinsten Wärmewiderstände realisieren lassen. Der Halbleiterkristall 1 kann bedeutend höher als mit herkömmlichen Anordnungen ausgelastet werden. Ein elektrisches Feld wird nur zwischen den Elementen 2 aufgebaut, so daß kapazitive Verschiebeströme (z.B. beim Takten eines Halbleiters) vollkommen von dem Stoff 7, in diesem Beispiel einer Siedeflüssigkeit, ferngehalten werden. Dieser Umstand ist besonders bei hohen Taktfrequenzen (Ic = U w ~ C) von Bedeutung. Zur Verbesserung dieses Effektes können alle in den Kammern liegenden Flächen mit elektrisch leitendem Material beschichtet sein.
• Die Elemente 2 sind z.B. durch Lötung mit einem Rückkühler 3 hermetisch dicht verbunden, der von einem Kühlmedium 4 durchströmt wird und gleichzeitig die Trennung der spannungsfiihrenden Elemente übernimmt. Wird für die Gehäuseteile 8 ein elektrisch leitender Werkstoff eingesetzt, kann der Rückkühler 3 dergestalt ausgeführt werden, daß die außenliegenen Kriechstrecken bedeutend verlängert werden. Durch das Aufsetzen von zwei Gehäusehälften 8 entstehen zwei galvanisch getrennte Kammern, die im einfachsten Fall durch O-Ringe 9 nach außen abgedichtet sind. Durch eine solche Anordnung werden die zum Betrieb des Halbleiterkristalls 1 von außen aufzubringenden Anpresskräfte nicht behindert. Durch die vollständige elektrische Trennung der Flüssigkeitsvolumina können elektrisch leitende Siedeflüssigkeiten, z.B. Wasser eingesetzt werden, was aufgrund der hohen Verdampfungswärme und der sehr guten Wärmeübergänge vom wärmetechnischen Standpunkt aus gesehen, sehr vorteilhaft ist. Aus dem gleichen Grund sind mit der Einrichtung hohe Potentialdifferenzen zu beherrschen, ohne daß an die Siedefliissigkeit besondere Qualitätsansprüche gestellt werden müssen (im Falle von Wasser nur entkalkt, um Ablagerungen zu vermeiden). Der bei der Siedekühlung entstehende Dampf nimmt ein größeres Volumen als die äquivalente Siedeflüssigkeitsmenge ein. Deshalb und wegen der Temperaturabhängigkeit des Volumens der Siedeflüssigkeit sind die Kammern mit volumenveränderlichen Elementen 10 verbunden, welche eine Volumendifferenz zumindest teilweise aufnehmen können, da sonst der Kammerdruck und damit der Betriebspunkt unzulässig verändert werden kann.
• Wenn auf die volumenveränderlichen Elemente 10 definierte Kräfte 11 einwirken, kann der Betriebspunkt je nach Anwendungsfall beliebig gewählt bzw. während des Betriebes geändert werden, so daß die Wärmeübertragungs mechanismen des Siedeprozesses immer optimal genutzt werden können. Werden die Elemente 10 in Vorkammern 12 eingesetzt, so können die Kräfte l1 dadurch aufgebracht werden, daß in die Vorkammern 12 ein bestimmtes Gasvolumen eingeschlossen wird.
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Claims (12)

1. Patentansprüche Einrichtung nach dem Flüssigkeitskühlprinzip zur Verlustwärmeabfuhr und Verbesserung der Stromausnutzung von lialbleiterelementen, bei der das Halbleiterelement, diese kontaktierende, stromführende Elemente und ein ein Kühlmedium führender RUclckühler baulich vereinigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der das Kühlmedium (4) aufnehmende Riickkühler (3) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht, daß zwischen dem Rückkühler (3) und den kontaktierenden Elementen (2) ein elektrisch leitfähige Stoff (7), der zugleich den Wärmetransport übernimmt, eingebracht ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (2) zugleich die elektrische Schirmung übernehmen, wobei durch zwei Gehäusehälften (8) zwei galvanisch getrennte, nach außen abgedichtete Kammern entstehen, die mit einer Flüssigkeit als elektrisch leitfähigen Stoff (7) gefüllt sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrisch leitfähiger Stoff (7) Quecksilber verwendet wird.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitfähige Stoff (7) ein Lot ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkühler (3) aus einem metallbeschichteten Aluminiumoxyd (AL203) besteht.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern mit volumenveränderlichen, ebenfalls flüssigkeitsgefüllten Elementen (10) verbunden sind, auf die von außen definierte Kräfte (11) zur Einstellung des Kammerdruckes einwirken.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusehälften (8) mit den Elementen (2) und dem Rückkühler (3) thermisch leitend verbunden sind.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bauteile (2, 3, 5, 8) zur Bildung einer kompakten Einheit unlösbar miteinander verbunden sind.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch ein handelsüblicher Halbleiter (1) verwendbar ist.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die volumenveränderlichen Elemente (io) derart ausgeführt sind, daß sie Volumenänderungen ober- und unterhalb des Gefrierpunkts der Flüssigkeit aufzunehmen vermögen.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zwischenwand (5) und die Rohre des Rückkühlers (3) aus einem Stück gefertigt sind.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Elemente (10) einwirkenden Kräfte (11) durch einen in Vorkammern (12) einmalig eingebrachten Gasdruck realisiert sind.