DE4210643A1 - Cooling appts. with conductive medium for semiconductor devices - has thermally highly conductive insulators between coolant and devices and externally insulated container - Google Patents
Cooling appts. with conductive medium for semiconductor devices - has thermally highly conductive insulators between coolant and devices and externally insulated containerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Halb leiter-Bauelement, insbesondere zum Kühlen einer Vielzahl von Halbleiter-Bauelementen, wobei in einen Kühlkörper, der zwi schen der Vielzahl von Halbleiter-Bauelementen über einen Verbindungsleiter für diese angeordnet ist, ein Kühlmittel gefüllt ist.The invention relates to a cooling device for a half conductor component, in particular for cooling a variety of Semiconductor components, wherein in a heat sink, the zwi the large number of semiconductor components over one Connection conductor for this is arranged, a coolant is filled.
Beispiele von konventionellen Kühlvorrichtungen für ein Halb leiter-Bauelement sind in JP-A-58-37 482 (1983) beschrieben und in den Fig. 11 und 12 gezeigt.Examples of conventional cooling devices for a semiconductor device are described in JP-A-58-37 482 (1983) and shown in Figs. 11 and 12.
Bei der Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement gemäß Fig. 11 ist zwischen jeweiligen Halbleiter-Bauelementen 1 ein metallischer Kühlkörper 2 angeordnet, ein Wärmestrahlungskör per 4 ist mit dem Kühlkörper 2 über Isolierrohre 26 verbun den, und Kühlmittel mit guter Verdampfungseigenschaft ist in den Kühlkörper 4 und den Wärmestrahlungskörper 2 eingefüllt. In the cooling apparatus for a semiconductor device shown in FIG. 11 is a metallic heat sink 2 is disposed between the respective semiconductor devices 1, a Wärmestrahlungskör per 4 is verbun with the cooling body 2 via insulating pipes 26, and all other coolant having good vaporization characteristic is in the heat sink 4 and filled the heat radiation body 2 .
Bei der in Fig. 12 gezeigten Kühlvorrichtung für ein Halblei ter-Bauelement ist ein Kühlkörper 2 zwischen jeweiligen Halb leiter-Bauelementen über einen Verbindungsleiter 6 angeord net, der als Anschlußelement dient, eine Isolierplatte 5 ist zwischen dem Verbindungsleiter 6 und dem Kühlkörper 2 ange ordnet, und der Kühlkörper 2 ist so ausgebildet, daß er mit einem Wärmestrahlungskörper 4 über ein Rohr 7 in Verbindung steht.In the cooling device for a semiconductor component shown in FIG. 12, a heat sink 2 is arranged between respective semiconductor components via a connecting conductor 6 , which serves as a connecting element, and an insulating plate 5 is arranged between the connecting conductor 6 and the heat sink 2 , and the heat sink 2 is designed so that it is connected to a heat radiation body 4 via a tube 7 .
Wenn bei diesen Kühlvorrichtungen für Halbleiter-Bauelemente von den Halbleiter-Bauelementen aufgrund eines Stromflusses Wärme erzeugt wird, wird die Wärme auf das in dem Kühlkörper 2 enthaltene Kühlmittel übertragen, das Kühlmittel wird im Kühlkörper verdampft, und die Dampfblasen gelangen in den Wärmestrahlungskörper 4, in dem sie gekühlt und verflüssigt werden, und das verflüssigte Kühlmittel wird wiederum zum Inneren des Kühlkörpers 2 rückgeführt, um die Halbleiter- Bauelemente 1 zu kühlen. Bei diesen Konstruktionen schließt der gemeinsame Wärmestrahlungskörper 4 die jeweiligen Halb leiter-Bauelemente 1 niemals kurz, weil der gemeinsame Wär mestrahlungskörper 4 gegenüber den jeweiligen Halbleiter- Bauelementen 1 durch die Isolierrohre 26 oder die Isolier platte 5 elektrisch isoliert ist.When these semiconductor device cooling devices generate heat from the semiconductor devices due to a current flow, the heat is transferred to the coolant contained in the heat sink 2 , the coolant is evaporated in the heat sink, and the vapor bubbles enter the heat radiation body 4 , in which are cooled and liquefied, and the liquefied coolant is in turn returned to the interior of the heat sink 2 in order to cool the semiconductor components 1 . In these designs, the common heat radiation member 4 never closes the respective semiconductor devices 1 short, because the common Wär mestrahlungskörper 4 opposite to the respective semiconductor devices 1 through the insulating tubes 26 or the insulating plate 5 is electrically insulated.
In den vorstehend beschriebenen konventionellen Kühlvorrich tungen für Halbleiter-Bauelemente wird als Kühlmittel in großem Umfang Trichlortrifluorethan (Flon 113) eingesetzt, aber das Chlor im Kühlmittel zerstört die Ozonschicht in der Stratosphäre, so daß weltweit die Herstellung solcher Kühl mittel verboten wurde und ihr Ersatz durch chlorfreie Kühl mittel rasch fortschreitet. Wasser wird zwar als eines der chlorfreien Kühlmittel in Betracht gezogen, aber das norma lerweise verfügbare Wasser ist elektrisch leitfähig, so daß, wenn das Wasser vorher aufbereitet werden muß, um es elek trisch isolierend zu machen, die Kühlvorrichtung groß sein muß und damit als Kühlvorrichtung etwa für ein Halbleiter- Bauelement, das sehr klein sein soll, ungeeignet ist. In the conventional cooling devices for semiconductor devices described above, trichlorotrifluoroethane (Flon 113 ) is widely used as the coolant, but the chlorine in the coolant destroys the ozone layer in the stratosphere, so that the production of such coolants has been banned worldwide and their replacement by chlorine-free coolant progresses rapidly. Although water is considered as one of the chlorine-free coolants, the water normally available is electrically conductive, so that if the water needs to be treated beforehand to make it electrically insulating, the cooling device must be large and therefore a cooling device For example, for a semiconductor device that is said to be very small, is unsuitable.
Daher wird außerdem in Betracht gezogen, das elektrisch leit fähige Wasser in seinem natürlichen Zustand als Kühlmittel einzusetzen; wenn aber solches Wasser in der Kühlvorrichtung von Fig. 11 für Halbleiter-Bauelemente verwendet wird, ist der Kühlkörper 2 mit dem Wärmestrahlungskörper 4 durch das Wasser im Isolierrohr 26 elektrisch verbunden, und die Halb leiter-Elemente sind kurzgeschlossen. Wenn solches Wasser in der Kühlvorrichtung von Fig. 12 für Halbleiter-Bauelemente verwendet wird, wird zwar die elektrische Isolation zwischen den jeweiligen Halbleiter-Bauelementen 1 durch die Kriechweg länge aufrechterhalten, die sich durch die Isolierplatte 5 ergibt, die zwischen einem Paar von Verbindungsleitern 6 und dem Kühlkörper 2 angeordnet ist. Gemäß JEM-1103 (Japanese Electrical Machine Industry Standard betreffend den Isola tionsabstand für Steuereinrichtungen) ist für einen Schalt kreis mit einer Nennspannung von 1500 V ein Isolationsabstand von mehr als 30 mm erforderlich, und ein 1,5facher Isola tionsabstand, also mehr als 45 mm, ist für den gleichen Schaltkreis unter kontaminierenden Umgebungsbedingungen verlangt. Wenn eine Isolationsplatte, die die genannte Bedingung erfüllt, eingebaut ist, wird die Größe der Kühl vorrichtung, in der das elektrisch leitfähige Kühlmittel verwendet wird, größer als die konventionelle Kühlvorrich tung, die das elektrisch isolierende Kühlmittel verwendet.Therefore, it is also considered to use the electrically conductive water in its natural state as a coolant; However, when such water is used in the cooling device of Fig. 11 for semiconductor devices, the heat sink 2 is electrically connected to the heat radiation body 4 through the water in the insulating tube 26 , and the semiconductor elements are short-circuited. When such water is used in the cooling device of FIG. 12 for semiconductor devices, the electrical insulation between the respective semiconductor devices 1 is maintained by the creepage distance, which results from the insulating plate 5 , which is between a pair of connecting conductors 6 and the heat sink 2 is arranged. According to JEM-1103 (Japanese Electrical Machine Industry Standard regarding the insulation distance for control devices), an insulation distance of more than 30 mm is required for a circuit with a nominal voltage of 1500 V, and a 1.5 times insulation distance, i.e. more than 45 mm , is required for the same circuit under contaminating environmental conditions. If an insulation plate that meets the above condition is installed, the size of the cooling device in which the electroconductive coolant is used becomes larger than the conventional cooling device using the electrically insulating coolant.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer kleinen Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement unter Verwen dung eines elektrisch leitfähigen Kühlmittels.The object of the invention is to provide a small one Cooling device for a semiconductor device using an electrically conductive coolant.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement vorgesehen, wobei ein Kühlkörper zwischen einer Mehrzahl von Halbleiter-Bauelementen über einen Verbindungsleiter angeord net ist, ein Wärmestrahlungskörper mit dem Verbindungsteil des Kühlkörpers verbunden ist und der Kühlkörper, der Ver bindungsteil und der Wärmestrahlungskörper mit Kühlmittel ge füllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein elektrisch leitfähiges Kühlmittel eingesetzt ist, daß ein Isolator mit guter Wärmeleitfähigkeit an dem dem Verbindungs leiter zugewandten Teil des Kühlkörpers angeordnet ist und daß der Außenumfang des Kühlkörpers, der zwischen einem Paar der Verbindungsleiter liegt, mit einem Isolator abgedeckt ist.According to a first aspect, the solution to this problem is the Invention a cooling device for a semiconductor device provided, wherein a heat sink between a plurality of Semiconductor components arranged over a connecting conductor net is a heat radiation body with the connecting part the heat sink is connected and the heat sink, the Ver binding part and the heat radiation body with coolant ge fills, characterized in that as a coolant electrically conductive coolant is used that a Insulator with good thermal conductivity on the connection part of the heat sink facing the conductor is arranged and that the outer circumference of the heat sink, which is between a pair the connecting conductor is covered with an insulator is.
Ferner ist zur Lösung der genannten Aufgabe gemäß einem zwei ten Aspekt der Erfindung eine Kühlvorrichtung für ein Halb leiter-Bauelement vorgesehen, wobei der Kühlkörper zwischen einer Mehrzahl von Halbleiter-Bauelementen über einen Verbin dungsleiter angeordnet ist, ein Wärmestrahlungskörper mit dem Verbindungsteil des Kühlkörpers verbunden ist und der Kühl körper, der Verbindungsteil und der Wärmestrahlungskörper mit Kühlmittel gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein elektrisch leitfähiges Kühlmittel eingesetzt ist und daß der Kühlkörper von einem Isolator mit guter Wär meleitfähigkeit gebildet ist.Furthermore, in order to achieve the stated object, two th aspect of the invention, a cooling device for a half conductor component provided, the heat sink between a plurality of semiconductor devices via a connector is arranged, a heat radiation body with the Connection part of the heat sink is connected and the cooling body, the connecting part and the heat radiation body with Coolant are filled, characterized in that as Coolant an electrically conductive coolant is used and that the heat sink from an insulator with good heat conductivity is formed.
Bei der Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist an dem einander zugewand ten Teil des Verbindungsleiters und des Kühlkörpers und an dem zwischen einem Paar von Verbindungsleitern liegenden Außenumfang des Kühlkörpers ein Isolator angeordnet, und die elektrische Isolation zwischen dem Herausführungsteil des Verbindungsleiters und dem Kühlkörper ist nicht durch die Kriechweglänge wie bei den konventionellen Vorrichtungen, sondern durch die Dicke, d. h. die dielektrische Durch schlagsfestigkeit, des Isolators bestimmt, der den entspre chenden Teil des Kühlkörpers abdeckt, so daß eine kleine Kühlvorrichtung erhalten wird. Außerdem sind die Halbleiter- Bauelemente gegenüber dem Kühlkörper über den gleichen Isola tor elektrisch isoliert, um Kurzschlüsse zwischen Anschluß elementen der Halbleiter-Bauelemente auch dann zu verhindern, wenn ein elektrisch leitfähiges Kühlmittel wie etwa Wasser, das leicht verfügbar und für die Umwelt unschädlich ist, in der Kühlvorrichtung eingesetzt wird. According to the cooling device for a semiconductor component the first aspect of the invention is facing each other part of the connecting conductor and the heat sink and on that between a pair of connecting conductors An insulator is arranged on the outer circumference of the heat sink, and the electrical insulation between the lead-out part of the Connection conductor and the heat sink is not through that Creepage distance as with conventional devices, but by the thickness, d. H. the dielectric through impact resistance, determined by the insulator that corresponds to the covering part of the heat sink, so that a small Cooling device is obtained. In addition, the semiconductor Components opposite the heat sink over the same isola gate electrically isolated to prevent short circuits between connection to prevent elements of the semiconductor components even if an electrically conductive coolant such as water, that is readily available and harmless to the environment, in the cooling device is used.
Bei der Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist der Kühlkörper aus einem Isolator gebildet, und es entstehen keine Stromkreise, die zu Kurzschlüssen an den Anschlußelementen der Halbleiter-Bau elemente über den Kühlkörper führen könnten, auch wenn die gesamte Kühlvorrichtung klein gebaut ist. Bei Anwendung die ses Merkmals kann ferner ein elektrisch leitfähiges Kühlmit tel wie Wasser verwendet werden, das leicht verfügbar sowie für die Umwelt unschädlich ist.According to the cooling device for a semiconductor component In the second aspect of the invention, the heat sink is made of one Isolator formed, and there are no circuits that too Short circuits on the connection elements of the semiconductor construction could lead elements over the heat sink, even if the entire cooling device is built small. When using the This feature can also be an electrically conductive coolant tel like water that is readily available as well is harmless to the environment.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:The invention is also described below with respect to others Features and advantages based on the description of exec examples and with reference to the enclosed Drawings explained in more detail. The drawings show in:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement gemäß der Erfindung; Figure 1 is a vertical section through an embodiment of the cooling device for a semiconductor device according to the invention.
Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel der Kühlvorrichtung; Fig. 2 is a vertical section through another example of the cooling device;
Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch ein drittes Ausfüh rungsbeispiel der Kühlvorrichtung; Fig. 3 is a vertical section through a third embodiment of the cooling device;
Fig. 4 einen Vertikalschnitt durch ein viertes Ausfüh rungsbeispiel der Kühlvorrichtung; Fig. 4 is a vertical section through a fourth embodiment of the cooling device;
Fig. 5 eine abgewickelte Perspektivansicht eines wesent lichen Teils des Ausführungsbeispiels von Fig. 1; FIG. 5 is a developed perspective view of an essential part of the embodiment of FIG. 1;
Fig. 6 einen vergrößerten Querschnitt eines Hauptteils eines weiteren Ausführungsbeispiels der Kühlvor richtung gemäß der Erfindung; Fig. 6 is an enlarged cross section of a main part of another embodiment of the Kühlvor direction according to the invention;
Fig. 7 einen vergrößerten Querschnitt eines Hauptteils eines anderen Ausführungsbeispiels der Kühlvor richtung nach der Erfindung; Fig. 7 is an enlarged cross section of a main part of another embodiment of the Kühlvor direction according to the invention;
Fig. 8 einen vergrößerten Querschnitt eines Hauptteils eines weiteren Ausführungsbeispiels der Kühlvor richtung nach der Erfindung; Fig. 8 is an enlarged cross section of a main part of another embodiment of the Kühlvor direction according to the invention;
Fig. 9 einen vergrößerten Querschnitt eines Hauptteils eines weiteren Ausführungsbeispiels der Kühlvor richtung nach der Erfindung; Fig. 9 is an enlarged cross section of a main part of another embodiment of the Kühlvor direction according to the invention;
Fig. 10 einen vergrößerten Querschnitt eines Hauptteils eines anderen Ausführungsbeispiels der Kühlvor richtung nach der Erfindung; Fig. 10 is an enlarged cross section of a main part of another embodiment of the cooling device according to the invention;
Fig. 11 eine Perspektivansicht einer konventionellen Kühl vorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement; und Fig. 11 is a perspective view of a conventional cooling apparatus for a semiconductor device; and
Fig. 12 einen Vertikalschnitt durch eine weitere konventio nelle Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bau element. Fig. 12 is a vertical section through a further conventional cooling device for a semiconductor device.
Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt eines Ausführungsbeispiels der Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement, wobei eine Mehrzahl von Halbleiter-Bauelementen 1 jeweils Verbindungs leiter 6 an beiden Enden sowie zwischen den Verbindungslei tern 6 einen Kühlkörper 2 aufweisen, dessen Inneres mit einem elektrisch leitfähigen Kühlmittel gefüllt ist. Die Außenflä che des Kühlkörpers 2 ist von einem Isolator 8 abgedeckt, der mit Ausnahme des zu einer Leitung 7 führenden Verbindungs teils 2a gute Wärmeleitfähigkeit hat. Der Kühlkörper 2 ist ferner über die Leitung 7 mit einem Wärmestrahlungskörper 4 verbunden. Als Isolator 8 kann Bornitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Berylliumoxid und Siliziumcarbid verwendet werden. Fig. 1 is a vertical section of an embodiment of the cooling device for a semiconductor device, wherein a plurality of semiconductor devices 1 each connecting conductor 6 at both ends and between the connecting lines 6 have a heat sink 2 , the interior of which is filled with an electrically conductive coolant is. The outer surface of the heat sink 2 is covered by an insulator 8 which, with the exception of the connection part leading to a line 7, 2 a has good thermal conductivity. The heat sink 2 is also connected via the line 7 to a heat radiation body 4 . Boron nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, beryllium oxide and silicon carbide can be used as insulator 8 .
Bei der beschriebenen Konstruktion wird die elektrische Iso lation zwischen dem Verbindungsleiter 6 und dem Kühlkörper 2 durch die dielektrische Durchschlagsfestigkeit des Isolators 8 aufrechterhalten, so daß die Kühlvorrichtung dieses Ausfüh rungsbeispiels gegenüber der konventionellen Kühlvorrichtung von Fig. 12, deren dielektrische Durchschlagsfestigkeit von der Kriechweglänge der Isolatorplatte 5 abhängt, klein gebaut ist.In the construction described, the electrical insulation between the connecting conductor 6 and the heat sink 2 is maintained by the dielectric breakdown strength of the insulator 8 , so that the cooling device of this exemplary embodiment compared to the conventional cooling device of FIG 5 depends, is built small.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5, die eine abgewickelte Perspek tivansicht eines Hauptteils der Kühlvorrichtung des vorlie genden Ausführungsbeispiels ist, wird nun eine spezielle Konstruktion des Isolators 8, der den Kühlkörper 2 abdeckt, beschrieben.Referring to Fig. 5, the tivansicht a developed perspec of a main part of the cooling device is of the vorlie constricting embodiment, a special construction is now of the insulator 8, which covers the heat sink 2 is described.
Der Kühlkörper 2 hat Zylinderform mit einer kurzen axialen Länge in Richtung der parallelen Stapelrichtung der Halb leiter-Bauelemente, die beiden axialen Enden des zylindri schen Körpers sind geschlossen, und am oberen Teil des Kühlkörpers 2 ist ein zylindrischer Verbindungsteil 2a vorgesehen, der in Radialrichtung verläuft und mit der Leitung 7 verbindbar ist, wie Fig. 1 zeigt. Der Isolator 8 besteht aus scheibenförmigen Isolatorelementen 9, die an beiden axialen Enden des Kühlkörpers 2 angeordnet sind und geringfügig größeren Durchmesser als der zylindrische Kühl körper 2 haben, einem umgebenden Isolatorelement 11, das den Außenumfang des Kühlkörpers 2, der in dem einander zugewand ten Teil eines Paars der scheibenförmigen Isolatorelemente 9 liegt, abdeckt, und einem weiteren umgebenden Isolatorelement 10, das den Verbindungsteil 2a abdeckt. Die scheibenförmigen Isolatorelemente 9 und das umgebende Isolatorelement 11 sind mit einem Isolierklebstoff 12 verklebt, und erforderlichen falls können das weitere umgebende Isolatorelement 10 und das umgebende Isolatorelement 11 ebenfalls mit einem Isolierkleb stoff verklebt sein. The heat sink 2 has a cylindrical shape with a short axial length in the direction of the parallel stacking direction of the semiconductor components, the two axial ends of the cylindri's body are closed, and at the upper part of the heat sink 2 , a cylindrical connecting part 2 a is provided, which in the radial direction runs and can be connected to line 7 , as shown in FIG. 1. The insulator 8 consists of disc-shaped insulator elements 9 , which are arranged at both axial ends of the heat sink 2 and have a slightly larger diameter than the cylindrical cooling body 2 , a surrounding insulator element 11 , the outer circumference of the heat sink 2 , which in the mutually facing part a pair of disc-shaped insulator elements 9 , covers, and a further surrounding insulator element 10 , which covers the connecting part 2 a. The disc-shaped insulator elements 9 and the surrounding insulator element 11 are glued with an insulating adhesive 12 , and if necessary, the further surrounding insulator element 10 and the surrounding insulator element 11 can also be glued with an insulating adhesive.
Das scheibenförmige Isolatorelement 9 besteht aus einem Werk stoff mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Bornitrid, Aluminium nitrid, Aluminiumoxid, Berylliumoxid und Siliziumcarbid, wie bereits erwähnt wurde, aber die umgebenden Isolatorelemente 10 und 11 brauchen nicht unbedingt eine so gute Wärmeleit fähigkeit zu haben, weil die von den Halbleiter-Bauelementen 1 erzeugte Wärme über den Verbindungsleiter 6, den scheiben förmigen Isolator 9 und den Kühlkörper 2 auf das Kühlmittel 3 übertragen wird. Somit kann beispielsweise ein wärmeschrumpf barer Silikonschlauch als die umgebenden Isolatoren 10 und 11 verwendet werden. In einem solchen Fall können die umgebenden Isolatoren 10 und 11 entweder integral geformt sein, oder nach Anbringen eines zylindrischen umgebenden Isolators 11 - mit Ausnahme des entsprechenden Teils auf dem Verbindungsteil 2a - mit etwas größerer axialer Länge als der Kühlkörper 2 und eines zylindrischen umgebenden Isolators 10, der den Ver bindungsteil 2a umgibt, können beide Isolatoren integral ge formt sein, während sie gleichzeitig infolge von Aufschrump fen durch Wärme eng auf dem Kühlkörper 2 sitzen. Ferner wer den die axialen Enden des umgebenden Isolators 11 bevorzugt nach dem Aufschrumpfen abgeschnitten, so daß sie mit den End flächen des Kühlkörpers 2 zum Zweck des Verklebens mit dem scheibenförmigen Isolator 9 ausgerichtet sind.The disk-shaped insulator element 9 consists of a material with good thermal conductivity such as boron nitride, aluminum nitride, aluminum oxide, beryllium oxide and silicon carbide, as already mentioned, but the surrounding insulator elements 10 and 11 do not necessarily have to have such good thermal conductivity because of The heat generated by the semiconductor components 1 is transferred to the coolant 3 via the connecting conductor 6 , the disk-shaped insulator 9 and the heat sink 2 . Thus, for example, a heat shrinkable silicone tube can be used as the surrounding insulators 10 and 11 . In such a case, the surrounding insulators 10 and 11 can either be integrally formed, or after attaching a cylindrical surrounding insulator 11 - with the exception of the corresponding part on the connecting part 2 a - with a slightly greater axial length than the heat sink 2 and a cylindrical surrounding insulator 10 , which surrounds the connecting part 2 a, both insulators can be integrally formed, while at the same time they sit tightly on the heat sink 2 due to heat shrinking. Furthermore, who the axial ends of the surrounding insulator 11 preferably cut off after shrinking, so that they are aligned with the end surfaces of the heat sink 2 for the purpose of gluing to the disc-shaped insulator 9 .
Da nahezu die gesamte Außenfläche des Kühlkörpers 2 von dem Isolator 8 abgedeckt ist, ist die dielektrische Festigkeit zwischen dem metallischen Kühlkörper 2 und dem Verbindungs leiter 6 durch die dielektrische Durchschlagsfestigkeit des Isolators 8 bestimmt, so daß eine kleine Kühlvorrichtung realisierbar ist.Since almost the entire outer surface of the heat sink 2 is covered by the insulator 8 , the dielectric strength between the metal heat sink 2 and the connecting conductor 6 is determined by the dielectric strength of the insulator 8 , so that a small cooling device can be realized.
Der Verbindungsleiter 6 ist jedoch plattenförmig und hat eine vorbestimmte relativ geringe Breite (Fig. 5), die von den kreisrunden Endflächen des Kühlgehäuses 2 verschieden ist, und ist in einer Richtung herausgeführt, die senkrecht zur Austrittsrichtung des Verbindungsteils 2a des Kühlkörpers 2 verläuft, bzw. ist bei einem anderen Ausführungsbeispiel ent gegengesetzt zu der Herausführungsrichtung des Verbindungs teils 2a herausgeführt. Wenn man also die elektrische Isola tion zwischen dem Verbindungsleiter 6 und dem Kühlkörper 2 betrachtet, so ist die elektrische Isolation entlang der Herausführungsrichtung des Verbindungsleiters 6 wichtig. Der Verbindungsleiter 6 bildet nämlich ein Anschlußelement, indem er über die Fläche des Kühlgehäuses 2 und die dieser gegen überstehende Fläche des scheibenförmigen Isolators 9 heraus geführt ist, und an diesem Herausführungsteil tritt das in Verbindung mit Fig. 12 angesprochene Isolationsproblem auf.However, the connecting conductor 6 is plate-shaped and has a predetermined relatively small width ( FIG. 5), which differs from the circular end faces of the cooling housing 2 , and is led out in a direction which is perpendicular to the exit direction of the connecting part 2 a of the cooling body 2 , or is in another embodiment ent opposite to the lead-out direction of the connection part 2 a led out. So if you consider the electrical insulation between the connecting conductor 6 and the heat sink 2 , the electrical insulation along the lead-out direction of the connecting conductor 6 is important. The connecting conductor 6 namely forms a connection element in that it is led out over the surface of the cooling housing 2 and the surface of the disc-shaped insulator 9 which projects against the surface thereof, and the insulation problem mentioned in connection with FIG. 12 occurs at this lead-out part.
Streng genommen genügt es also, wenn der den Kühlkörper 2 um gebende Isolator 8 so angebracht ist, daß er einen Teil des Kühlkörpers 2 wenigstens nahe dem Herausführungsteil des Ver bindungsleiters 6 abdeckt. In einem solchen Fall ist ein Iso lator mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise der schei benförmige Isolator 9, an den einander zugewandten Teilen des Verbindungsleiters 6 und des Kühlkörpers 2 angeordnet, und in bezug auf den Außenumfang des Kühlkörpers 2, der zwischen den scheibenförmigen Isolatoren 9 liegt, genügt es, wenn ein um gebender Isolator vorgesehen ist, der wenigstens den Heraus führungsteil des Verbindungsleiters 6 abdeckt.Strictly speaking, it is therefore sufficient if the heat sink 2 is provided around insulator 8 so that it covers part of the heat sink 2 at least near the lead-out part of the connecting conductor 6 . In such a case, an isolator with good thermal conductivity, for example the disk-shaped insulator 9 , is arranged on the mutually facing parts of the connecting conductor 6 and the heat sink 2 , and with respect to the outer circumference of the heat sink 2 , which lies between the disk-shaped insulators 9 , it is sufficient if a surrounding insulator is provided, which covers at least the lead-out part of the connecting conductor 6 .
Fig. 6 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Hauptteils eines weiteren Ausführungsbeispiels der Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement. Dabei ist die Herausführungsrich tung des Verbindungsleiters 6 so gewählt, daß sie entgegen gesetzt zu derjenigen des Verbindungsteils 2a verläuft. Fig. 6 is an enlarged cross section of a main part of another embodiment of the cooling apparatus for a semiconductor device. The outward direction of the connecting conductor 6 is selected so that it runs opposite to that of the connecting part 2 a.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein ähnlicher Vor teil erzielt, indem der umgebende Isolator 11 um den Außen umfang des Kühlkörpers 2 herum, der zwischen dem Paar von Verbindungsleitern 6 liegt, vorgesehen ist, aber die dielek trische Festigkeit zwischen dem Paar von Verbindungsleitern 6 wird primär durch die Kriechweglänge des umgebenden Isolators 11 aufrechterhalten, und daher ist der umgebende Isolator 11 mit einer unregelmäßigen Außenfläche versehen, um seine di elektrische Kriechfestigkeit zu erhöhen.Also in this embodiment, a similar part is achieved by the surrounding insulator 11 around the outer circumference of the heat sink 2 , which lies between the pair of connecting conductors 6, is provided, but the dielectric strength between the pair of connecting conductors 6 becomes primary is maintained by the creepage distance of the surrounding insulator 11 , and therefore the surrounding insulator 11 is provided with an irregular outer surface to increase its dielectric creep resistance.
Fig. 7 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Hauptteils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement, wobei der Isolator 8, der zwischen dem Verbindungsleiter 6 und dem Kühlkörper 2 angeordnet ist, durch ein Paar von kastenartigen Isolatoren 22 und 23 mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet ist. Diese beiden kasten artigen Isolatoren 22 und 23 sind so zusammengesetzt, daß sie an dem Abschnitt, der der Herausführungsrichtung des Verbin dungsleiters 6 entspricht, einen Überlappungsteil 24 bilden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Kriechweglänge durch den Überlappungsteil 24 des Isolators 8 vergrößert. Fig. 7 is an enlarged cross section of a main part of another embodiment of a cooling device for a semiconductor device, wherein the insulator 8 , which is arranged between the connection conductor 6 and the heat sink 2 , is formed by a pair of box-like insulators 22 and 23 with good thermal conductivity is. These two box-like insulators 22 and 23 are composed so that they form an overlap portion 24 at the portion corresponding to the leading direction of the connec tion conductor 6 . According to this embodiment, the creepage distance is increased by the overlap portion 24 of the insulator 8 .
Fig. 8 ist eine Modifikation des Ausführungsbeispiels von Fig. 7, wobei der Abschnitt, der eine hohe dielektrische Festigkeit verlangt, also der Überlappungsteil 24 des Paars von kastenförmigen Isolatoren 22 und 23, die den Kühlkörper 2 zwischen den Verbindungsleitern 6 abdecken, durch eine Mehr zahl von Überlappungen gebildet ist, um die Kriechweglänge weiter zu vergrößern. Fig. 8 is a modification of the embodiment of Fig. 7, the portion requiring high dielectric strength, i.e. the overlap portion 24 of the pair of box-shaped insulators 22 and 23 covering the heat sink 2 between the connection conductors 6 , by a more number of overlaps is formed to further increase the creepage distance.
Fig. 9 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Hauptteils eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement. Der Grundaufbau dieses Ausfüh rungsbeispiels entspricht im wesentlichen demjenigen von Fig. 6, aber zusätzlich sind der Kühlkörper 2 und der Isolator 8 sowie der Isolator 8 und der Verbindungsleiter 6 mit Hilfe eines Klebstoffs mit guter Wärmeleitfähigkeit fest miteinan der verklebt. Somit sind die thermischen Kontaktwiderstände zwischen diesen Teilen verringert, so daß das Halbleiter-Bau element von dem Kühlmittel 3 mit hohem Wirkungsgrad gekühlt wird. Fig. 9 is an enlarged cross section of a main part of another embodiment of a cooling apparatus for a semiconductor device. The basic structure of this example approximately corresponds to that of FIG. 6, but in addition the heat sink 2 and the insulator 8 and the insulator 8 and the connecting conductor 6 are firmly bonded to one another with the aid of an adhesive with good thermal conductivity. Thus, the thermal contact resistances between these parts are reduced, so that the semiconductor device is cooled by the coolant 3 with high efficiency.
Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt durch ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel der Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bau element. Fig. 2 is a vertical section through another embodiment of the cooling device for a semiconductor device.
Bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel besteht der Kühl körper 2 aus einem metallischen Material, und der Isolator 8 ist zwischen dem Verbindungsleiter 6 und dem Kühlkörper 2 angeordnet, um diese gegeneinander zu isolieren; bei dem vor liegenden Ausführungsbeispiel jedoch ist der Kühlkörper 2 aus einem Isolierstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Daher entfällt der den Kühlkörper 2 abdeckende Isolator 8, und auch bei Verwendung von elektrisch leitfähigem Wasser als Kühlmittel 3 werden die Anschlüsse der Halbleiter-Bauelemente niemals kurzgeschlossen, so daß eine Kühlvorrichtung erhalten wird, die in keiner Weise umweltschädlich ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ähnlich wie im Fall von Fig. 6 der Kühlkörper 2 mit einer unregelmäßigen Oberfläche an dem zwi schen den beiden Verbindungsleitern 6 liegenden Außenumfang versehen, um dadurch die dielektrische Kriechfestigkeit des Kühlkörpers 2 zwischen dem Paar von Verbindungsleitern 6 zu erhöhen. Wenn ferner, wie Fig. 10 zeigt, der Verbindungslei ter 6 und der Kühlkörper 2 aus einem Isolierstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe eines gut wärmeleitfähigen Klebstoffs 25 miteinander verklebt sind, wird der thermische Kontaktwiderstand zwischen ihnen verringert, und das Halb leiter-Bauelement wird von dem Kühlmittel 3 mit hohem Wir kungsgrad gekühlt.In the previous embodiment, the cooling body 2 consists of a metallic material, and the insulator 8 is arranged between the connecting conductor 6 and the cooling body 2 in order to isolate them from one another; in the embodiment lying before, however, the heat sink 2 is made of an insulating material with good thermal conductivity. Therefore, the insulator 8 covering the heat sink 2 is omitted, and even when using electrically conductive water as the coolant 3 , the connections of the semiconductor components are never short-circuited, so that a cooling device is obtained which is in no way harmful to the environment. In this embodiment, similar to the case of FIG. 6, the heat sink 2 is provided with an irregular surface on the outer periphery between the two connection conductors 6 , thereby increasing the dielectric creep resistance of the heat sink 2 between the pair of connection conductors 6 . Furthermore, as shown in FIG. 10, the Verbindungslei ter 6 and the heat sink 2 made of an insulating material with good thermal conductivity are glued together with the aid of a highly thermally conductive adhesive 25 , the thermal contact resistance between them is reduced, and the semiconductor component is made of the coolant 3 cooled with a high degree of efficiency.
Fig. 3 ist ein Vertikalschnitt eines weiteren Ausführungsbei spiels der Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement. Der Aufbau in Verbindung mit dem Kühlkörper 2 und weiteren zuge hörigen Elementen entspricht demjenigen des Ausführungsbei spiels von Fig. 2, und gleiche Teile sind mit gleichen Be zugszeichen versehen und werden nicht nochmals erläutert. Nachstehend werden nur die Teile beschrieben, die sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel unterscheiden. Fig. 3 is a vertical section of a further Ausführungsbei play of the cooling apparatus for a semiconductor device. The structure in connection with the heat sink 2 and other associated elements corresponds to that of the exemplary embodiment of FIG. 2, and the same parts are provided with the same reference numerals and will not be explained again. Only the parts that differ from the previous embodiment will be described below.
An den Verbindungsteil 2a des Kühlkörpers 2 ist ein Einlaß rohr 16, das als Einlaß für das Kühlmittel 3 dient, und ein Auslaßrohr 17, das als Auslaß für das Kühlmittel 3 dient, angeschlossen. Das andere Ende des Auslaßrohrs 17 ist mit dem Wärmestrahlungskörper 4 verbunden, und das andere Ende des Einlaßrohrs 16 ist mit dem Wärmestrahlungsteil 4 über eine Pumpe 14 verbunden. Somit wird das Kühlmittel 3 im Kühlkörper 2, das durch die Wärme der Halbleiter-Bauelemente erwärmt wird, dem Wärmestrahlungskörper 4 durch das Auslaßrohr 17 zugeführt, und dort wird das erwärmte Kühlmittel gekühlt und dann durch das Einlaßrohr 16 wiederum dem Kühlkörper 2 zuge führt, um die Halbleiter-Bauelemente zu kühlen.At the connecting part 2 a of the heat sink 2 , an inlet tube 16 , which serves as an inlet for the coolant 3 , and an outlet pipe 17 , which serves as an outlet for the coolant 3 , is connected. The other end of the outlet pipe 17 is connected to the heat radiation body 4 , and the other end of the inlet pipe 16 is connected to the heat radiation part 4 via a pump 14 . Thus, the coolant 3 in the heat sink 2 , which is heated by the heat of the semiconductor components, is supplied to the heat radiation body 4 through the outlet pipe 17 , and there the heated coolant is cooled and then leads through the inlet pipe 16 to the heat sink 2 again to cool the semiconductor components.
Wenn der Zwangsumlaufkreis mit Hilfe der Pumpe 14 für das Kühlmittel gebildet ist, wird die Konstruktionsfreiheit insbesondere hinsichtlich der Lage des Wärmestrahlungskörpers 4 erhöht. Denn bei den Kühlvorrichtungen der Fig. 1 und 2, die mit der Verdampfung des Kühlmittels 3 arbeiten, ist die Lage des Wärmestrahlungskörpers 4 innerhalb eines Kühlmittel zirkulationsbereichs begrenzt, der durch seine Temperaturdif ferenz bestimmt ist, und im Fall der Zwangsumwälzung ist die Lage des Wärmestrahlungskörpers 4 in Abhängigkeit von der Ka pazität der Pumpe 14 bestimmt. Die Konstruktion in Verbindung mit dem Kühlkörper 2 und den zugehörigen Teilen gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann durch diejenige der Fig. 1 und 6-10 mit im wesentlichen den gleichen Vorteilen ersetzt werden.If the forced circulation circuit is formed with the aid of the pump 14 for the coolant, the freedom of design is increased, in particular with regard to the position of the heat radiation body 4 . Because with the cooling devices of Figs. 1 and 2, the work with the evaporation of the coolant 3, the position of the heat radiating body 4 within a coolant circulation area limited, which is determined by its Temperaturdif conference, and in the case of forced circulation, the location of the heat radiation body 4 determined depending on the Ka capacity of the pump 14 . The construction in connection with the heat sink 2 and the associated parts according to the present exemplary embodiment can be replaced by that of FIGS. 1 and 6-10 with essentially the same advantages.
Fig. 4 ist ein Vertikalschnitt, der ein weiteres Ausführungs beispiel der Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement zeigt. Die Konstruktion dieses Ausführungsbeispiels hinsicht lich des Kühlkörpers 2 und der zugehörigen Teile entspricht derjenigen der Ausführungsbeispiele der Fig. 2 und 3, und gleiche Teile sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut beschrieben. Nachstehend werden nur die Teile beschrieben, die gegenüber den Ausfüh rungsbeispielen der Fig. 2 und 3 verschieden sind. Fig. 4 is a vertical section showing another embodiment of the cooling device for a semiconductor device. The construction of this embodiment with regard to the heat sink 2 and the associated parts corresponds to that of the embodiments of FIGS. 2 and 3, and the same parts are again provided with the same reference numerals and will not be described again. Only the parts that are different from the exemplary embodiments of FIGS . 2 and 3 are described below.
Wärmeaufnahmeteile 18a von jeweiligen Wärmerohren 18 sind in die entsprechenden Kühlkörper 2 eingebaut und damit verbun den, und Wärmestrahlungsrippen 19 aufweisende Wärmestrah lungsteile 18b der Wärmerohre verlaufen von diesen nach außen.Heat absorption parts 18 a of respective heat pipes 18 are installed in the corresponding heat sink 2 and thus verbun, and heat radiation fins 19 having heat radiation processing parts 18 b of the heat pipes extend from these to the outside.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel die jeweiligen Wärmerohre 18 gegenüber den Halbleiter-Bauelementen 1 und dem Verbin dungsleiter 6 durch den Kühlkörper 2 isoliert sind, der aus einem gut wärmeleitfähigen Isolierstoff besteht, treten keine Kurzschlüsse zwischen den Anschlußelementen der Halbleiter- Bauelemente 1 auf, auch wenn benachbarte Wärmestrahlungsrip pen 18 der Wärmerohre 18 einander berühren. Ferner können die jeweiligen Wärmerohre 18 nach dem Verbinden miteinander ge erdet werden, und in einem solchen Fall werden elektrische Schläge auch dann verhindert, wenn eine Person die Wärmerohre 18 berührt. Im übrigen kann die Konstruktion des Kühlkörpers 2 mit den zugehörigen Teilen gemäß dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel ebenfalls durch diejenigen der Fig. 1 und Fig. 6-10 im wesentlichen mit den gleichen Vorteilen ersetzt werden.Since in this embodiment the respective heat pipes 18 are insulated from the semiconductor components 1 and the connec tion conductor 6 by the heat sink 2 , which consists of a highly thermally conductive insulating material, no short circuits occur between the connection elements of the semiconductor components 1 , even if neighboring ones Heat radiation ribs 18 of the heat pipes 18 touch each other. Furthermore, the respective heat pipes 18 can be grounded after being connected to each other, and in such a case, electric shocks are prevented even when a person touches the heat pipes 18 . The other construction of the heat sink 2 can also exporting the present example approximately by those of FIG. 1 and FIG with the associated parts according to. 6-10 are substantially replaced with the same advantages.
Wie vorstehend erläutert, ist gemäß einem Aspekt der Erfin dung ein Isolator an dem Teil zwischen dem Verbindungsleiter und dem Kühlkörper sowie an dem zwischen dem Paar von Verbin dungsleitern liegenden Außenumfang des Kühlkörpers vorgese hen, und als Isolator wird ein Isolierstoff mit guter Wärme leitfähigkeit an dem Teil zwischen dem Verbindungsleiter und dem Kühlkörper verwendet, und der Kühlkörper ist mit einem elektrisch leitfähigen Kühlmittel gefüllt; dadurch kann die Kühlvorrichtung klein gebaut werden, elektrische Kurzschlüsse zwischen Anschlußelementen der Halbleiter-Bauelemente bei spielsweise durch das Kühlmittel und den Kühlkörper werden vermieden, und es wird eine umweltfreundliche zuverlässige Kühlvorrichtung für ein Halbleiter-Bauelement erhalten. As discussed above, in one aspect, the inventions an insulator on the part between the connecting conductor and the heat sink as well as on that between the pair of connec the outer circumference of the heat sink hen, and as an insulator is an insulating material with good heat conductivity on the part between the connecting conductor and used the heat sink, and the heat sink is with a electrically conductive coolant filled; this enables the Cooling device can be built small, electrical short circuits between connection elements of the semiconductor components for example, by the coolant and the heat sink avoided and it becomes an environmentally friendly reliable Obtained cooling device for a semiconductor device.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Kühlkörper aus einem Isolierstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet, der Verbindungsleiter ist gegenüber dem Kühlkörper elektrisch isoliert, ohne daß ein spezielles Isolierrohr benötigt wird, und es wird ein elektrisch leitfähiges Kühlmittel verwendet, so daß eine einfache und kleine Kühlvorrichtung für ein Halb leiter-Bauelement erhalten wird, bei der keine Umweltprobleme auftreten.According to a further aspect of the invention, the heat sink made of an insulating material with good thermal conductivity, the connecting conductor is electrical with respect to the heat sink insulated without the need for a special insulating tube, and an electrically conductive coolant is used so that a simple and small cooling device for half Head component is obtained with no environmental problems occur.
Claims (10)
daß als das Kühlmittel ein elektrisch leitfähiges Kühlmittel verwendet wird,
daß der dem Verbindungsleiter (6) zugewandte Teil des Kühl körpers (2) oder der zwischen einem Paar von Verbindungslei tern (6) liegende Außenumfang des Kühlkörpers (2) von einem Isolator (8) abgedeckt ist, und
daß wenigstens der Isolator auf dem dem Verbindungsleiter (6) zugewandten Teil des Kühlkörpers (2) ein Isolator mit guter Wärmeleitfähigkeit ist. 1. Cooling device for a semiconductor component, a heat sink ( 2 ) between a plurality of semiconductor components ( 1 ) via a connecting conductor ( 6 ) for this is arranged, a heat radiation body ( 4 ) with the connec tion part ( 2 a ) the heat sink is connected and coolant ( 3 ) is filled into the heat sink ( 2 ), the connecting part ( 2 a) and the heat radiation body ( 4 ), characterized in that
that an electrically conductive coolant is used as the coolant,
that the connecting conductor ( 6 ) facing part of the heat sink ( 2 ) or between a pair of Verbindungslei tern ( 6 ) lying outer periphery of the heat sink ( 2 ) is covered by an insulator ( 8 ), and
that at least the insulator on the part of the heat sink ( 2 ) facing the connecting conductor ( 6 ) is an insulator with good thermal conductivity.
daß als das Kühlmittel ein elektrisch leitfähiges Kühlmittel verwendet wird und
daß der Kühlkörper (2) von einem Isolator mit guter Wärme leitfähigkeit gebildet ist. 6. Cooling device for a semiconductor component, a heat sink ( 2 ) between a plurality of semiconductor construction elements ( 1 ) via a connecting conductor ( 6 ) for this is arranged, a heat radiation body ( 4 ) with the connec tion part ( 2 a ) the heat sink ( 2 ) is connected and the coolant ( 3 ) is filled into the heat sink ( 2 ), the connecting part ( 2 a) and the heat radiation body ( 4 ), characterized in that
that an electrically conductive coolant is used as the coolant and
that the heat sink ( 2 ) is formed by an insulator with good thermal conductivity.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8130 | Withdrawal |