DE3501732C2

DE3501732C2 -

Info

Publication number: DE3501732C2
Application number: DE19853501732
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. 2000 Hamburg De Hars; Dieter Dipl.-Ing. 2000 Schenefeld De Staudt; Volker Dipl.-Ing. 2000 Wedel De Leisten
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1984-01-19
Filing date: 1985-01-19
Publication date: 1989-04-13
Also published as: DE3501732A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß die Belastbarkeit von Halbleiterkristallen im we sentlichen durch die thermischen Verhältnisse bestimmt wird. Die wirk samsten zur Zeit ausgeführten Kühlsysteme arbeiten nach dem Siedekühl prinzip 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 Siede kühlsystem erfordert einen diskreten Wärmetauscher und gegebenenfalls eine Einrichtung zur Erhöhung der Dampfgeschwindigkeit, um das Volumen des Wärmetauschers herabzusetzen. Es ist somit eine umfangreiche Infra struktur erforderlich. Derartige Kühlsysteme sind überall dort nicht einsetzbar, wo aus Raum- und Gewichtsgründen die Unterbringung des Wärmetauschers nicht möglich ist. Hinzu kommt, daß das verwendete Kühl medium zur Erzielung einer genügend hohen elektrischen Festigkeit hoch rein und damit ein elektrischer Isolator sein muß. Um diesen Reinheits grad bei Benutzung von Wasser als Kühlflüssigkeit zu gewährleisten, ist ein erheblicher Aufwand wie Ionenaustauscher, Filter und Überwachungs einrichtungen erforderlich.

Die aufwendige Rückkühlperipherie des herkömmlichen Kühlsystems kann, wie aus der DE-OS 33 02 840 bekannt ist, 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 Rückkühler in das Gehäuse integriert wird. Durch Ausnutzung der Blasenturbulenz wird die Kondensation erheblich verbessert. Dadurch verbessert sich das Lei stungsvolumen und das Leistungsgewicht der elektronischen Bauelemente wesentlich. Ein besonders ökonomisches System wird erzielt, wenn Wasser zur Rückkühlung zur Verfügung steht. Wenn auch mit diesem Wärmetauscher system 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 Vor teile wegen der notwendigen und aufwendigen Infrastruktur zur Aufrecht erhaltung der Isolationsfähigkeit wieder verloren.

Aus der DE-OS 27 05 476 ist eine flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranord nung bekannt, bei der auf beiden Seiten einer Halbleiterscheibe flüssig keitsdurchströmte Kühldosen 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 Kühldosen, die zur Vergrößerung der inneren Oberfläche mit Stegen versehen sind. Dadurch wird die Wärmeabfuhr effek tiver. Der wesentliche Mangel dieser Anordnung ist ebenfalls darin zu sehen, daß eine elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit zu verwenden ist, die wiederum eine umfangreiche Infrastruktur erfordert.

Es ist auch eine Gleichrichteranordnung mit Gleichrichterzellen für hohe Ströme mit einem einkristallinen Halbleiterkörper bekanntgeworden (DE-OS 15 14 551). Der Halbleiterkörper ist in einem scheibenförmigen Gehäuse angeordnet und mit einer Kühleinrichtung versehen, die auf mindestens einer Flachseite des Zellengehäuses einen Kühlkörper enthält und Verdampfungskühlung anwendet. Beispielsweise ist eine Gleichrichterzelle für hohe Stromstärken von beispiels weise 1000 A und mehr zwischen zwei elektrisch leitenden flachen Körpern angeordnet, die als Hauptstromelektroden dienen sollen und zu diesem Zweck mit Anschlußklemmen versehen sind. Die Elektroden sind zwischen zwei Kühl körpern eingeklemmt und jeweils durch eine Zwischenlage aus einem gut wärmeleitenden, jedoch elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise einem keramischen Körper, insbesondere Berylliumoxyd, von den Kühlkörpern getrennt. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges können die Auflageflächen der Elek troden der Zwischenlage sowie der Kühlkörper zusätzlich mit einem Über zug aus einem gut wärmeleitenden und schmiegsamen Material, beispiels weise Indium, versehen sein. Den Kühlkörpern, die als Hohlkörper ausge bildet sind, wird von einem Verteiler jeweils ein Kühlmittel zugeführt, das in den Hohlräumen der Kühlkörper verdampft, wobei es Verdampfungs wärme aus der Gleichrichterzelle aufnimmt. Es können handelsübliche Kühlmittel, die bis zu verhältnismäßig tiefen Temperaturen dampfförmig sind, verwendet werden. Das sind beispielsweise Difluordichlormethan (CF₂Cl₂) oder Difluormonochlormethan (CHF₂Cl).

Ein beiderseitig gekühltes Leistungshalbleiterbauelement mit Kühlkörpern nach dem Prinzip der Wärmerohre, bei dem diese Wärmerohre durch ein thermisch oder elektrisch leitendes flüssiges Medium in thermischem und elektrischem Kontakt mit der Halbleiterscheibe sind, ist in der DE-OS 25 25 652 be schrieben. Ein Isolierglied, beispielsweise aus Keramik, ist an seinen entgegengesetzten Flächen mit Ansätzen versehen, von denen mindestens einer ein Innengewinde aufweist, in das eines der beiden Wärmerohre eingeschraubt ist. Das Stirnteil des Wärmerohres liegt auf einem Ring, beispielsweise aus Kutschuk, auf, welcher auf den Umfang des Halbleitersystems bzw. der Halbleiterscheibe aufgesteckt ist, wobei auf der Innenfläche des An satzes ein auf dem anderen Wärmerohr hergestellter Versatz aufliegt. Die Wärmerohre sind an den in den Ansätzen befestigten Enden hermetisch durch einen elastischen Boden abgeschlossen. Der durch die Wand des Wärme rohres, die elastischen Böden, den Kautschukring und die Halbleiterscheibe begrenzte Raum ist mit einem thermisch und elektrisch leitenden flüssigen Medium, beispielsweise Quecksilber, Natrium-Kalium-Legierung NaK-77, eventuell Natrium-Kalium-Cäsium-Legierung u. ä. gefüllt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zu schaffen, die trotz hoher elektrischer Potentialdifferenzen die Verwendung von elek trisch leitfähigen Kühlmedien zuläßt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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 Kühlmedium mit beliebigen elektrischen Eigenschaften verwendet werden können. Es wird somit eine Verringerung des Bauvolumens der pe ripheren 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 zeigt

Fig. 1 ein Halbleiterelement mit integrierter Kühleinrichtung und

Fig. 2 eine Variante des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 mit kleiner thermischer Zeit konstante.

Nach Fig. 1 wird ein Halbleiterelement 1 durch zwei Elemente 2 elektrisch kontaktiert, die gleichzeitig die Funktion von Kühlkörpern und elastischem Ausgleichsrand erfüllen. Die Kühlwirkung wird dadurch erreicht, daß in die Elemente 2 von einem Kühlmedium 4 durchströmte Kühlrohre 3 eingelassen und thermisch leitend mit ihnen verbunden sind, so daß sich gute Wärmeüber gänge ergeben. Wird beispielsweise Quecksilber oder ein Lot als wärme übertragender Stoff 7, der gleichzeitig elektrisch leitfähig ist, einge setzt, so erweist es sich als Vorteil, die z. B. aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Kühlrohre 3 zu metallisieren. Als keramischer Werk stoff kann Aluminiumoxyd (AL₂O₃) 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 Halbleiterelements bein haltet. Die Zwischenwand 5 kann entfallen, wenn handelsübliche Bauelemente verwendet werden. Bei geeigneter konstruktiver Ausführung dieser Anordnung kann eine definierte Strömung des Kühlmediums 4 in unmittelbarer Nähe der Wärmequelle, des Halbleiterelements, erfolgen. Fügespalte, die den Wärme widerstand erhöhen, entfallen bis auf die Kontaktierung an der Seite des Steueranschlusses 6. Auf diese Weise können kleine Wärmewiderstände rea lisiert werden, so daß das Halbleiterelement 1 höher als bei herkömm lichen Kühlverfahren ausgelastet werden kann. Bei verschiedenen Ausdehnungs koeffizienten von Kühlrohrmaterial 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 Flüssig keit.

Das Halbleiterelement 1 wird durch zwei Elemente 2 elektrisch kontaktiert, die gleichzeitig die Funktion von Siedekühlkörper, elastischem Ausgleichs rand und elektrischer Schirmung übernehmen. Dadurch kann der Siedeprozeß in unmittelbarer Nähe der Wärmequelle erfolgen. Auch hier können Füge spalte bis auf die Kontaktierung auf der Seite des Steueranschlusses 6 entfallen, so daß sich die denkbar kleinsten Wärmewiderstände realisieren lassen. Das Halbleiterelement 1 kann bedeutend höher als mit herkömm lichen Anordnungen ausgelastet werden. Ein elektrisches Feld wird nur zwischen den Elementen 2 aufgebaut, wenn alle in den Kammern liegenden Flächen mit elektrisch leitendem Material beschichtet sind, 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 von Bedeutung.

Die Elemente 2 sind z. B. durch Lötung mit einem Rückkühler 3 hermetisch dicht verbunden, der von einem Kühlmedium 4 durchströmt wird und gleich zeitig die Trennung der spannungsführenden Elemente übernimmt. Wird für die Gehäuseteile 8 ein elektrisch leitender Werkstoff eingesetzt, kann der Rückkühler 3 dergestalt ausgeführt werden, daß die außenliegenden Kriechstrecken bedeutend verlängert werden. Durch das Aufsetzen von zwei Gehäusehälften 8 entstehen zwei galvanisch getrennte Kammern, die im ein fachsten Fall durch O-Ringe 9 nach außen abgedichtet sind. Durch eine solche Anordnung werden die zum Betrieb des Halbleiterelements 1 von außen aufzubringenden Anpreßkräfte nicht behindert. Durch die voll ständige elektrische Trennung der Flüssigkeitsvolumina können elektrisch leitende Siedeflüssigkeiten, z. B. Wasser eingesetzt werden, was aufgrund der hohen Verdampfungswärme und der sehr guten Wärmeübergänge vom wärme technischen Standpunkt aus gesehen, sehr vorteilhaft ist. Aus dem gleichen Grund sind mit der Einrichtung hohe Potentialdifferenzen zu beherrschen, ohne daß an die Siedeflüssigkeit besondere Qualitätsansprüche gestellt werden müssen (im Falle von Wasser nur entkalkt, um Ablagerungen zu ver meiden). 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 ein wirken, 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 11 da durch aufgebracht werden, daß in die Vorkammern 12 ein bestimmtes Gas volumen eingeschlossen wird.

Claims

1. Einrichtung nach dem Flüssigkeitskühlprinzip zur Verlustwärmeabfuhr und Verbesserung der Stromausnutzung von Halbleiterelementen, bei der das Halbleiterelement, diese kontaktierende, stromführende Elemente und ein ein Kühlmedium führender Rückkühler baulich vereinigt sind, dadurch ge kennzeichnet, daß der das Kühlmedium (4) aufnehmende Rückkühler (3) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht, daß jeweils zwischen dem Rückkühler (3) und den kontaktierenden Elementen (2) ein thermisch leitfähiger Stoff (7) eingebracht ist, wobei sichergestellt ist, daß durch den leit fähigen Stoff (7) zwischen den kontaktierenden Elementen (2) keine elektrisch leitende Verbindung vorhanden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Stoff (7) ein Lot ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Stoff (7) eine Flüssigkeit ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der leitfähige Stoff (7) Quecksilber ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkühler (3) aus einem metallbeschichteten Aluminiumoxyd (Al₂O₃) besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit zwei Kammern ausfüllt, die durch zwei galvanisch voneinander getrennte Gehäusehälften (8) gebildet werden und nach außen dicht sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse hälften (8) mit den Elementen (2) und dem Rückkühler (3) thermisch lei tend verbunden sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Bauteile (2, 3, 5, 8) zur Bildung einer kompakten Einheit unlösbar mitein ander verbunden sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 6, 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.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die volumen veränderlichen Elemente (10) derart ausgeführt sind, daß sie Volumenände rungen ober- und unterhalb des Festpunkts der Flüssigkeit aufzunehmen vermögen.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Elemente (10) einwirkenden Kräfte (11) durch einen in die Elemente (10) um gebende Vorkammern (12) einmalig eingebrachten Gasdruck realisiert sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wand (5) zwischen den Gehäusehälften (8) und die Rohre des Rück kühlers (3) aus einem Stück gefertigt sind.