DE3740233C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühldose zum Abführen der Verlustwärme von Halbleiterelementen, insbesondere Lei­ stungsgleichrichtern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Kühldose zum Abführen der Verlustwärme von Halbleiterelementen ist aus dem DE-GM 19 98 171 bekannt. Dort wird ein Flüssigkeitskühlkörper für eine Gleichrichterzelle beschrieben, wobei zwischen einem von der Kühlflüssigkeit durchströmten Teil des annähernd zylindrisch ausgebildeten Kühlkörpers und einem am Gleichrichterzellengehäuse anliegenden Teil des Kühlkörpers eine elektrisch isolierende, jedoch gut wärmeleitende Zwischenlage angeordnet ist und die beiden Kühlkörperteile lösbar und elektrisch isoliert miteinander verbunden sind. Die Zwischenlage kann aus Oxidkeramik, insbesondere Berylliumoxid oder Aluminiumoxid bestehen. Die beiden Kühlkörperteile können mittels eines Profilringes aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise Kunststoff, gegeneinander gelagert sein.

Aus der DE-AS 21 60 302 ist eine Kühldose zum Einbau in Scheibenzellenstapel bekannt, die aus zwei schalenförmigen Kühltöpfen mit im Inneren der Schalen vorgesehenen Strömungshindernissen für die Kühlflüssigkeit besteht.

Aus der DE 34 36 545 A1 ist ein Kühlkörper für die Flüssigkeitskühlung eines Leistungshalbleiterbauelementes bekannt, bei dem Strömungshindernisse im Inneren des Kühlkörpers vorgesehen sind.

Aus der DE 33 07 703 A1 ist eine Dosen-Siedekühleinrichtung für Leistungshalbleiterbauelemente bekannt, bei der als Material für Dampfsammelleitungen Guß-Polyamid dient, u. a. aufgrund der hohen Kriechstromfestigkeit dieses Materials.

Aus der DE 31 43 336 A1 ist eine Halbleitergleichrichterbaueinheit bekannt, bei der ein Stromleiterteil (Kontaktplatte) unmittelbar mit einer vorzugsweise aus einem thermisch gut leitenden Metalloxid bestehenden, elektrisch isolierenden Zwischenschicht (Isolierplatte) und über diese elektrisch isoliert mit einem für den Durchfluß eines Kühlmittels geeigneten Kühlbauteil vorzugsweise durch Löten fest verbunden ist.

Aus der DE-OS 15 14 468 ist eine Gleichrichteranordnung bekannt, bei der zwischen einem Flüssigkeitskühlkörper und einer Gleichrichterzelle eine Zwischenlage aus gut wärmeleitendem und elektrisch isolierendem Material, z. B. eine Oxidkeramik, wie Berylliumoxid oder Aluminiumoxid, vorgesehen ist. Zwischen der Flachseite des Gleichrichterzellengehäuses und der isolierenden Zwischenlage kann ein Druckkörper aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material angeordnet sein.

Für die Kühlung von Leistungshalbleiterelementen mit Wasser ist in vielen Fällen eine elektrisch neutrale Kühldose erwünscht. Die bekannten Ausführungen, bei denen zwischen Kühldose und Halbleiter bzw. Kontaktplatte eine Isolation eingebracht wird, weisen zwei Nachteile auf. Sie zeigen in thermischer Hinsicht nicht die gewünschten Werte und haben außerdem eine geringe Glimmspannungsfestigkeit. Auch ist die Isolation praktisch nicht lunkerfrei auf die Kühldose bzw. die vorgeschaltete Kontaktplatte aufzubringen, was ein Einsetzen des Glimmens bei relativ kleinen Spannungen bedeutet. Die Isolation solcher Kühldosen muß nicht nur in Durchschlagsrichtung bestehen, sondern es muß auch eine ausreichende Kriechstrecke vorhanden sein. Bei der Erfül­ lung dieser Forderungen kommt man bei den bekannten Kühldosen zu großflächigen Ausführungen, die einer kompakten Bauweise von Stromrichtern nicht förderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühldose zum Abführen der Verlustwärme von Halbleiterelementen der eingangs genannten Art anzugeben, die mit Brauchwasser gekühlt werden kann, kompakt aufgebaut und spannungsfrei ist und dauerhaft eine hohe Spannungsfestigkeit garantiert, ohne daß Glimmentladungen auftreten.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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

Die gesamte Dose wird bis auf die Kontaktflächen und die hydraulischen Anschlüsse mit Kunststoff ummantelt, 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 Aluminiumoxid vorzuziehen, das mit der erreichbaren Dünne recht gute Werte ergibt. Diese werden durch die Wärmespreizung dadurch erzielt, daß die Kontaktplatte mit ihrem kleineren Durchmesser an dem Halbleiter anliegt und mit dem größeren Durchmesser mit der Isolierplatte 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 Gestaltung der Kühlrippen mit äußeren und inneren Durch­ brüchen 4, 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 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 Stiften, 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 (6)

1. Kühldose zum Abführen der Verlustwärme von Halb­ leiterelementen, insbesondere Leistungsgleichrichtern, mit einer aus zwei Teilen bestehenden metallenden Schale, mit einem oder zwei Stutzen zum Zu- und Abführen der Kühlflüssigkeit und mit mindestens einer metallenen Kontaktplatte zur Aufnahme der von dem Halbleiterelement abgegebenen Wärme und deren Verteilung an die Kühlflüssigkeit, wobei zur Verwendung von Brauchwasser als Kühlflüssigkeit eine Isolierplatte aus anorganischem Isoliermaterial zwischen der Kontaktplatte und der Schale angeordnet ist, deren Durchmesser größer als der Durchmesser der Kontaktplatte ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühldose aus zwei Schalen (1) mit im Inneren der Schalen vorgesehenen Strömungshindernissen (Kühlrippen) zusammengesetzt ist, daß der Durchmesser der stoffschlüssig mit der Schale und der Kontaktplatte verbundenen Isolierplatte (13) größer ist als der Durchmesser der Schale, daß die Kühldose zur Kriechwegerhöhung bis auf die Kontaktfläche und die hydraulischen Anschlüsse mit Kunststoff (23) ummantelt ist, und daß diese isolierende Ummantelung (23) eine stoffschlüssige Anbindung an die Metallteile (16, 1) und die Isolierplatte (13) aufweist.

2. Kühldose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 Kontaktplatte (16) entspricht.

3. Kühldose nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche der Kontaktplatte (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 verkleinert ist.

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

5. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.

6. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser in zwei paral­ lelen, mäanderförmigen Strömen (6) geführt ist.