DE3908996A1 - Fluessigkeitskuehlkoerper und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Fluessigkeitskuehlkoerper und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitskühl
körper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf
Verfahren zu seiner Herstellung. Die Erfindung kann vor
zugsweise bei leistungsstarken Stromrichtergeräten zur
Kühlung der Halbleiterbauelemente verwendet werden.
Ein solcher Flüssigkeitskühlkörper ist beispielsweise
aus der DE-OS 36 01 140 bekannt.
Es sind allgemein Kühleinrichtungen bekannt, bei denen
elektrisch und thermisch gut leitende Kühlplatten, soge
nannte Kühldosen, mit Kühlkanälen, die vom Kühlmittel
durchströmt werden, zwischen Halbleiterbauelementen an
geordnet sind. Hierbei wird ein ausreichend elektrisch
isolierendes Kühlmittel, z.B. Öl, verwendet. Wird Wasser
als Kühlmittel angewendet, müssen üblicherweise im Kühl
mittelkreislauf Vorrichtungen zur Entionisierung vorge
sehen werden, um einen ausreichend hohen spezifischen
elektrischen Widerstand des Wassers sicherzustellen.
Falls zur Vereinfachung der Anordnung nichtentionisier
tes Wasser zur Anwendung kommen soll, muß zwischen dem
zu kühlenden Halbleiterbauelement und dem Wasserkreis
lauf eine elektrische Isolation vorgesehen werden. Es
sind Ausführungen bekannt, bei denen entweder die Kühl
kanäle in metallischen Kühldosen mit einer Isolier
schicht versehen sind (siehe DE-OS 36 01 140) oder bei
denen zwischen den metallischen Kühldosen und den zu
kühlenden Halbleiterbauelementen Zwischenlagen aus einem
elektrisch isolierenden Werkstoff angeordnet sind (siehe
DE-OS 37 40 233).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssig
keitskühlkörper der eingangs genannten Art anzugeben,
der sehr einfach aufgebaut ist, ein gutes thermisches
Übergangsverhalten und eine gute elektrische Isolations
fähigkeit aufweist und für den Betrieb mit einer elek
trisch nicht isolierenden Flüssigkeit geeignet ist. Des
weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung der
Flüssigkeitskühlkörper angegeben werden.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Kühlkörpers in Verbin
dung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß
durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange
gebenen Merkmale gelöst.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens alternativ
durch die in den Ansprüchen 13 und 14 gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins
besondere darin, daß vorzugsweise unbehandeltes Wasser
als Kühlmittel einsetzbar ist, obwohl ein konstruktiv
sehr einfach aufgebauter Flüssigkeitskühlkörper
vorliegt. Die Kühlkanäle oder der Kühlkörper selbst
müssen nicht zusätzlich in aufwendiger Art und Weise
isoliert werden,
da der Flüssigkeitskühlkörper selbst aus einem elek
trisch isolierenden Material besteht. Vorzugsweise wird
ein keramischer Werkstoff, insbesondere Aluminiumnitrid,
verwendet. Durch geeignete Anschlußstutzen, die mit den
Kühlkanälen verbunden werden, ist eine sichere Abdich
tung erzielbar und es wird ein Austreten von Kühlmittel
sicher verhindert. Dabei müssen die Anschlußstutzen vor
teilhaft nicht isolierend ausgebildet sein. Das Verfah
ren zur Herstellung eines Flüssigkeitskühlkörpers nimmt
vorteilhaft auf die speziellen Verarbeitungsprobleme bei
keramischen Werkstoffen Rücksicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeich
nungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform
eines elektrisch isolierenden Flüssigkeits
kühlkörpers für Halbleiterbauelemente,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungs
form eines Flüssigkeitskühlkörpers,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform
eines Anschlußstutzens,
Fig. 4 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungs
form eines Anschlußstutzens,
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer aus Flüssigkeits
kühlkörpern und Halbleiterbauelementen beste
henden Baugruppe,
Fig. 6 einen aus zwei Hälften zusammengesetzten Flüs
sigkeitskühlkörper.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine erste Ausführungs
form eines elektrisch isolierenden Flüssigkeitskühlkör
pers für Halbleiterbauelemente dargestellt. Es handelt
sich um einen quaderförmigen Kühlkörper 1, in dessen In
neren eine Vielzahl von Kühlkanälen, im Ausführungsbei
spiel sechs Kühlkanäle 2 bis 7, verlaufen. Der Kühlkör
per besteht aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff,
der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, vorzugsweise
aus Kunststoff oder Keramik, insbesondere aus Aluminium
nitrid (AlN) oder Berylliumoxid (BeO). Die Kühlkanäle 2
bis 7 können beispielsweise durch Bohren eines massiven
plattenförmigen, keramischen Körpers im Grünzustand her
gestellt werden. Anschließend wird der Kühlkörper gesin
tert.
An jedem Ende 8 bzw. 9 eines jeden Kühlkanals 2 bis 7
ist ein Anschlußstutzen 10 eingesteckt. An diese An
schlußstutzen 10 können externe Anschlußleitungen zur
Kühlmittelzufuhr und -abfuhr angeschlossen werden. Als
Kühlmittel wird vorzugsweise unbehandeltes Wasser ver
wendet, wobei vorteilhaft keine Vorrichtungen zur Entio
nisierung vorgesehen werden müssen, um einen ausreichend
hohen spezifischen elektrischen Widerstand des Wassers
sicherzustellen.
Die Kühlkanal-Anschlußflächen, in die die Enden 8 bzw. 9
der Kühlkanäle 2 bis 7 münden, sind mit 11 bzw. 12 be
zeichnet. Die externen Anschlußleitungen können in ver
schiedenen Varianten mit den Anschlußstutzen 10 verbun
den werden. Es ist z.B. möglich, alle Anschlußstutzen 10
der Anschlußfläche 11 mit einer gemeinsamen Kühlmittel
zufuhrleitung sowie alle Anschlußstutzen 10 der An
schlußfläche 12 mit einer gemeinsamen Kühlmittelabfuhr
leitung zu verbinden. Bei dieser Variante werden alle
Kühlkanäle 2 bis 7 parallel vom Kühlmittel durchströmt.
Es ist desweiteren möglich, die Kühlkanäle 2 und 3, 4
und 5, 6 und 7 jeweils mittels an der Anschlußfläche 12
angeordneter externer Anschlußbögen miteinander zu ver
binden. Desweiteren werden die Kühlkanäle 3 und 4, 5 und
6 mittels an der Anschlußfläche 11 angeordneter, exter
ner Anschlußbögen miteinander verbunden. An den freien
Anschlußstutzen 10 des Kühlkanals 2 werden eine Kühlmit
telzufuhrleitung und an den freien Anschlußstutzen 10
des Kühlkanals 7 eine Kühlmittelabfuhrleitung ange
schlossen. Bei dieser Variante werden jeweils benach
barte Kühlmittelkanäle 2 bis 7 antiparallel vom Kühl
mittel durchströmt.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine zweite Ausführungs
form eines Flüssigkeitskühlkörpers dargestellt. Es han
delt sich um einen quaderförmigen Kühlkörper 13 mit nur
einem einzigen Kühlkanal 14, dessen eines Ende 15 in der
Anschlußfläche 17 und dessen weiteres Ende 16 in der
Anschlußfläche 18 mündet. Der Kühlkanal 14 spaltet sich
im Inneren des Kühlkörpers am Ende 15 T- oder Y-förmig
in zwei parallelliegende interne Kanäle auf, die jeweils
S-förmig das Innere des Kühlkörpers durchlaufen und sich
am weiteren Ende 16 vereinen. In die Enden 15, 16 sind
wiederum Anschlußstutzen 10 eingesteckt.
Die externe Kühlmittelzufuhrleitung wird beispielsweise
an den Anschlußstutzen 10 der Anschlußfläche 17 und die
externe Kühlmittelabfuhrleitung an den Anschlußstutzen
10 der Anschlußfläche 18 angeschlossen. Die internen
Kanäle des Kühlkörpers 13 werden teilweise parallel und
teilweise antiparallel vom Kühlmittel durchströmt.
Bei der Ausführungsform eines Kühlkörpers gemäß Fig. 2
aus einem keramischen Werkstoff ist es besonders vor
teilhaft, den Kühlkörper 13 aus zwei spiegelsymmetrisch
aufgebauten Kühlkörperhälften 13 a, 13 b mit einer Teilung
entsprechend der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 herzu
stellen, wobei die beiden, die internen Kanäle enthal
tenden Kühlkörperhälften 13 a, 13 b im Grünzustand zusam
mengesetzt und danach gesintert werden.
In Fig. 6 ist ein derartiger, aus zwei Kühlkörperhälften
13 a, 13 b zusammengesetzter Flüssigkeitskühlkörper ge
zeigt. Die Trennungslinie zwischen beiden Hälften 13 a,
13 b ist gestrichelt dargestellt. Es sind die Kühlkanal-
Anschlußflächen 17, 18 sowie zwei sich gegenüberliegende
thermische Kontaktflächen 38, 39 zur Kontaktierung
druckkontaktierter Halbleiterbauelemente zu erkennen.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine erste Ausführungs
form eines Anschlußstutzens dargestellt. Es ist ein Ende
8, 9, 15, 16 eines Kühlkanals 2 bis 7, 14 mit einem An
schlußstutzen 103 zu erkennen. Der Anschlußstutzen 103
ist als dünnwandiges Rohr ausgebildet und besteht bei
spielsweise aus Kupfer oder einem anderen lötbaren Me
tall. Das Ende 8, 9, 15, 16 ist mit einer lötfähigen
Metallisierung 19 beschichtet. Der sich zwischen Außen
wandung des Anschlußstutzens 103 und Innenwandung des
Kühlkanalendes ergebende Spalt 20 wird während des Löt
prozesses durch Lot 21 ausgefüllt. Zur Erleichterung des
Lötprozesses ist die Mündung des Kühlkanalendes mit ei
ner Anfasung 22 versehen.
Alternativ zur vorstehend ausgeführten Möglichkeit des
Einlötens des Anschlußstutzens 103 ist es auch möglich,
den Anschlußstutzen direkt in das Ende 8, 9, 15, 16 der
Kühlkanäle 2 bis 7, 14 einzukleben, wobei der Spalt 20
mit abdichtendem Klebstoff ausgefüllt wird.
In Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine zweite Ausführungs
form eines Anschlußstutzens dargestellt. Es ist wiederum
ein Ende 8, 9, 15, 16 eines Kühlkanals 2 bis 7, 14 zu
erkennen. Der in das Ende eingesteckte, röhrenförmige
Anschlußstutzen 104 besteht vorzugsweise aus Kunststoff
oder Metall und weist einen an der Kühlkanal-Anschluß
fläche des Kühlkörpers aufsitzenden Bund 23 auf. Das in
das Kühlkanalende einzuführende Teilstück des Anschluß
stutzens 104 weist zwei Nuten 24, 25 auf, in die jeweils
O-Ringe 26, 27 aus Gummi eingelegt sind. Zur Verbesse
rung der Dichtwirkung kann der Zwischenraum 28 zwischen
Außenwandung des Anschlußstutzens 104 und Innenwandung
des Kühlkanalendes sowie insbesondere zwischen den
O-Ringen 26, 27 mit einer Fettfüllung versehen sein. Zur
Erleichterung des Einführens des mit O-Ringen versehenen
Anschlußstutzens 104 ist die Mündung des Kühlkanales
kegelförmig abgeschrägt.
In Fig. 5 ist ein Ausschnitt aus einer aus Flüssigkeits
kühlkörpern und Halbleiterbauelementen bestehenden Bau
gruppe dargestellt. Es ist ein druckkontaktiertes Halb
leiterbauelement zu erkennen, das mit seinen Hauptan
schlußflächen zwischen zwei Kühlkörpern 131, 132 einge
spannt ist. Da die Hauptanschlußflächen auch bezüglich
des elektrischen und nicht nur bezüglich des thermischen
Anschlusses zu kontaktieren sind, sind zur Stromführung
geeignete, elektrisch und thermisch gut leitende An
schlußlaschen 30 bzw. 31 zwischen Kühlkörper 131 und
Halbleiterbauelement 29 bzw. zwischen Halbleiterbauele
ment 29 und Kühlkörper 132 vorgesehen. Die Anschlußla
schen 30, 31 bestehen vorzugsweise aus Kupfer.
Die Kühlmittelzufuhr erfolgt beispielsweise über den
Anschlußstutzen der Kühlkanal-Anschlußflächen 181 des
Kühlkörpers 131, während die Kühlmittelabfuhrleitung mit
dem Anschlußstutzen der Kühlkanal-Anschlußfläche 182 des
Kühlkörpers 132 verbunden ist. Die Anschlußstutzen der
Anschlußfläche 171 des Kühlkörpers 131 sowie der An
schlußfläche 172 des Kühlkörpers 132 sind über ein Ver
bindungsstück 32 miteinander verbunden.
Zur Druckbelastung bzw. Verspannung dient eine aus
Spannstäben 33, 34, Druckplatten 35, 36 und Spannmuttern
37 bestehende Spannvorrichtung, wobei vorauszusetzen
ist, daß weitere, nicht dargestellte Halbleiterbauele
mente und Kühlkörper zu einer Säule gestapelt sind. Die
Spannstäbe 33, 34 können durch geeignete Bohrungen oder
Öffnungen in den Kühlkörpern geführt sein, wodurch sich
eine exakte Ausrichtung der einzuspannenden Säule er
gibt. Zweckmäßig sind Federelemente, z.B. Tellerfedern,
in der Spannvorrichtung bzw. der zu spannenden Säule
enthalten, um thermische Ausgleichsvorgänge während des
Betriebes auszugleichen.
Claims (14)
1. Flüssigkeitskühlkörper zur Kühlung eines elek
trischen Bauelementes, insbesondere eines Halbleiterbau
elementes, das den Kühlkörper thermisch gut leitend kon
taktiert, wobei der Kühlkörper mindestens einen mit An
schlußstutzen versehenen Kühlkanal aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1, 13, 131, 132) aus
einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leiten
den Werkstoff in massiver Weise aufgebaut ist.
2. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1, 13, 131, 132) aus
einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leiten
den keramischen Werkstoff besteht.
3. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff Aluminium
nitrid ist.
4. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff Beryllium
oxid ist.
5. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1, 13, 131, 132) aus
einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leiten
den Kunststoff besteht.
6. Flüssigkeitskühlkörper nach wenigstens einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühl
körper nur einen Kühlkanal (14) mit jeweils einem An
schlußstutzen (10, 103, 104) für die Zu- bzw. Abführung
des Kühlmittels aufweist, wobei der Kühlmittel-Volumen
strom im Kühlkörper selbst aufgeteilt wird und die
internen Kanäle in einer Kombination von Parallel- und
Reihenschaltung angeordnet sind.
7. Flüssigkeitskühlkörper nach wenigstens einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden
(8, 9, 15, 16) der Kühlkanäle (2 bis 7, 14) mit einer löt
fähigen Metallisierung beschichtet sind.
8. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anschlußstutzen (103) als mit
den Enden (8, 9, 15, 16) der Kühlkanäle (2 bis 7, 14) ver
lötbare, dünnwandige, metallene Rohre ausgebildet sind.
9. Flüssigkeitskühlkörper nach wenigstens einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die An
schlußstutzen (10) in die Enden (8, 9, 15, 16) der Kühlka
näle (2 bis 7, 14) einklebbar sind.
10. Flüssigkeitskühlkörper nach wenigstens einem
der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Anschlußstutzen (104) mit einem Bund (23) und die in die
Enden (8, 9, 15, 16) der Kühlkanäle (2 bis 7, 14) einführ
baren Teilstücke mit mindestens einer, zur Aufnahme
eines O-Ringes (26, 27) geeigneten Nut (24, 25) versehen
sind.
11. Flüssigkeitskühlkörper nach wenigstens einem
der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mündungen der Kühlkanäle (2 bis 7, 14) kegelförmig abge
schrägt sind.
12. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 10, da
durch gekennzeichnet, daß die Anschlußstutzen (104) zwei
jeweils zur Aufnahme eines O-Ringes (26, 27) geeignete
Nuten (24, 25) aufweisen und der Zwischenraum (28) zwi
schen den O-Ringen mit einer Fettfüllung versehen ist.
13. Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeits
kühlkörpers mit mindestens einem Kühlkanal, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kühlkörper (13) aus zwei aus einem
keramischen Werkstoff bestehenden, spiegelsymmetrisch
aufgebauten, interne Kanäle enthaltenden Kühlkörperhälf
ten (13 a, 13 b) im Grünzustand zusammengesetzt und danach
gesintert wird.
14. Verfahren zur Herstellung eines Flüssigkeits
kühlkörpers mit mindestens einem Kühlkanal, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kühlkanal (2 bis 7) durch Bohren
eines massiven, plattenförmen keramischen Kühlkörpers
(1) im Grünzustand hergestellt und der Kühlkörper danach
gesintert wird.
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