DE3740233A1 - Kuehldose zum abfuehren der verlustwaerme von halbleitern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühldose zum Abfüh­ ren der Verlustwärme von Halbleitern, insbesondere Lei­ stungsgleichrichtern, bestehend aus zwei Schalen mit einem oder zwei Stutzen zum Zu- und Abführen der Kühl­ flüssigkeit (Brauchwasser), mit im Inneren der Schalen vorgesehenen Strömungshindernissen (Kühlrippen) und mit Kontaktplatten zur Aufnahme der von dem Halbleiterele­ ment abgegebenen Wärme und deren Verteilung an die Kühl­ flüssigkeit.

Für die Kühlung von Leistungshalbleiterelementen mit Wasser ist in vielen Fällen eine elektrisch neutrale Kühldose erwünscht. Die bekannten Ausführungen, bei de­ nen zwischen Kühldose und Halbleiter bzw. Kontaktplatte eine Isolation eingebracht wird, weisen zwei Nachteile auf. Sie zeigen in thermischer Hinsicht nicht die ge­ wünschten Werte und haben außerdem eine geringe Glimm­ spannungsfestigkeit. Auch ist die Isolation praktisch nicht lunkerfrei auf die Kühldose bzw. die vorgeschalte­ te Kontaktplatte aufzubringen, was ein Einsetzen des Glimmens bei relativ kleinen Spannungen bedeutet. Die Isolation solcher Kühldosen muß nicht nur in Durch­ schlagsrichtung bestehen, sondern es muß auch eine aus­ reichende Kriechstrecke vorhanden sein. Bei der Erfül­ lung dieser Forderungen kommt man bei den bekannten Kühldosen zu großflächigen Ausführungen, die einer kom­ pakten Bauweise von Stromrichtern nicht förderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühldose zu schaffen, die mit normalem Wasser, d.h. mit Brauchwasser gekühlt werden kann und bei der keine Glimmentladungen auftreten und die Kühldosen selbst spannungsfrei sind. Außerdem soll eine kompakte Bauweise der Stromrichter erreicht werden.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß bei der Verwen­ dung von Brauchwasser als Kühlflüssigkeit eine Isolier­ platte aus anorganischem Isoliermaterial zwischen der Kontaktplatte und der Schale angeordnet ist, wobei der Durchmesser der Isolierplatte größer ist als der Durch­ messer der Schale und der Kontaktplatte.

Durch diese Erfindung wird eine Kühldose vorgeschlagen, bei der anorganische Isolation vorgesehen ist und die somit einen relativ guten Wärmeleitwert erreicht. Diese Isolierplatte wird nach einem weiteren Merkmal der Er­ findung stoffschlüssig mit der Schale der Kühldose und der Kontaktplatte verbunden. Auch wenn die Verbindung nicht lunkerfrei sein sollte, kann ein Glimmen nicht schaden bei dieser Art der Isolation.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die ge­ samte Dose bis auf die Kontaktflächen und die hydrauli­ schen Anschlüsse mit Kunststoff umspritzt oder umgossen, damit die erforderlichen Kriechwege hergestellt werden. Mit dieser Dosenbauart kann ein Dosendurchmesser erzielt werden, der dem des zugeordneten Halbleiterelementes entspricht.

Durch die stoffschlüssige Verbindung der Isolierplatte sowohl mit den Schalen als auch mit den mit elektrischen Anschlüssen versehenen Kontaktplatten und das Ummanteln mit Isolierstoff entsteht ein handliches Bauelement, welches direkt mit Halbleiterelementen angeordnet werden kann. Auch schützt diese Bauweise die trotz geringer Dicke immer noch recht spröde Keramik der Isolierplatte vor Bruch.

Das beste Wärmeleitvermögen würde sich mit Berylliumoxyd ergeben, jedoch ist zunächst die Verwendung von Alumi­ niumoxid vorzuziehen, das mit der erreichbaren Dünne recht gute Werte ergibt. Diese werden durch die Wärme­ spreizung, die dadurch erzielt wird, daß die Kontakt­ platte mit ihrem kleineren Durchmesser an dem Halbleiter anliegt und mit dem größeren Durchmesser mit der Iso­ lierplatte verbunden ist.

Die Figuren zeigen ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 Einen Seitenschnitt der Kühldose entlang der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen Aufriß der gleichen Kühldose, ebenfalls geschnitten und zwar entlang der Linie II-II der Fig. 1.

Zwei gleiche Schalen 1 aus Kupfer sind mit ihren Rändern 2 und Rippen 3 miteinander hart verlötet. Durch die Ge­ staltung der Kühlrippen mit äußeren 4 und inneren Durch­ brüchen 5 entstehen zwei parallele Kühlpfade 6, die durch Umlenken und Zusammenführen eine turbulente Strö­ mung ergeben. Zu- und abgeführt wird das Wasser durch gleich ausgebildete Stutzen 7 mit Bohrungen 6 und 9, in die z.B. Rohre 10 stoffschlüssig eingeführt sein können.

Die Böden 11 der Schalen 1 besitzen sehr gut geebnete Flächen 12, an denen die Isolierplatten 13 angeordnet sind. Diese Isolierplatten besitzen metallisierte Flä­ chen 14, die dem Durchmesser der Bodenfläche entsprechen und mit diesen verlötet sind. Die auf der anderen Seite der Isolierplatte liegende Fläche 15 ist ebenfalls me­ tallisiert und mit dieser ist die kupferne Kontaktplatte 16 verlötet und zwar mit deren Fläche 17. Die Kontakt­ platten 16 sind mit Anschlußfahnen 18 versehen, diese besitzen Bohrungen 20 zum Anschuß elektrischer Leitun­ gen. Die Anschlußfahnen 18 müssen sich nicht, wie ge­ zeichnet, gegenüberliegen, sie können gegeneinander ver­ dreht sein, nur kann keine Anschlußfahne im Bereich der Anschlußstutzen liegen. Die Flächen 21 dienen zur Aufla­ ge der Halbleiterelemente, die mittels Stifte eingesetzt in die Bohrungen 22 zentriert werden. Zweckmäßigerweise werden alle fünf Lötungen gemeinsam mittels Lötfolien in einer sauerstoffarmen Atmosphäre durchgeführt.

Der Überstand der Isolierplatten 13 über die Ränder von Schalen und Kontaktplatten reicht als Kriechweg allein nicht aus, um eine dauerhafte Festigkeit der auftreten­ den Stromrichterspannungen, die bis zu 3000 Volt betra­ gen können, zu garantieren. Deshalb wird die Kühldose mit einem kriechstromfesten Kunststoff 23 umspritzt oder umgossen. Die Isolierung muß eine stoffschlüssige Anbin­ dung an die Metallteile und die Isolierplatten aufwei­ sen, um Unterwanderungen mit Feuchtigkeit zu verhindern.

Claims (8)

1. Kühldose zum Abführen der Verlustwärme von Halb­ leitern, insbesondere Leistungsgleichrichtern, bestehend aus zwei Schalen mit einem oder zwei Stutzen zum Zu- und Abführen der Kühlflüssigkeit (Brauchwasser), mit im In­ neren der Schalen vorgesehenen Strömungshindernissen (Kühlrippen) und mit Kontaktplatten zur Aufnahme der von dem Halbleiterelement abgegebenen Wärme und deren Ver­ teilung an die Kühlflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von Brauchwasser als Kühlflüssig­ keit eine Isolierplatte (13) aus anorganischem Isolier­ material zwischen der Kontaktplatte (16) und der Schale (1) angeordnet ist, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Schale und der Kontaktplatte.

2. Kühldose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühldose zur Kriechwegerhöhung bis auf die Kontaktfläche und die hydraulischen Anschlüsse mit Kunststoff ummantelt ist.

3. Kühldose nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die anorganische Isolierplatte (13) aus Beryllium- oder Aluminiumoxyd besteht und beidseitig kreisförmige lötbare Metallisierungen (14) aufweist, die kleiner sind als der Außendurchmesser der Isolierplatte und dem Durchmesser der Schale (1) bzw. dem der Kontakt­ platte (16) entspricht.

4. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche der Kon­ taktplatte (16) mit dem Halbleiterelement kleiner ist als die Berührungsfläche der Kontaktplatte mit der Isolierplatte (13), so daß eine Wärmespreizung erfolgt und der thermische Widerstand der Isolierplatte ver­ kleinert ist.

5. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß durch Veränderung der Rippen­ durchbrüche (3, 4) die Strömung des Kühlwassers und somit der thermische Widerstand der Kühldose beeinflußt wird.

6. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ausbildung der Kühlrippen (3, 4) in den Schalen (1) so gewählt ist, daß eine ge­ ringste Durchbiegung der Schalenböden und der Kontakt­ platte beim Aufbringen des Kontaktdruckes erfolgt, so daß ein Bruch der keramischen Isolierplatte verhindert wird.

7. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser in zwei paral­ lelen, mäanderförmigen Strömen (6) geführt ist.

8. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Achsen der Anschlußfahnen (18) bei der Herstellung der Kühldosen entsprechend dem Anwendungszweck eingestellt werden.