DE4322932A1 - Flüssigkeitskühlkörper mit Isolierscheiben, elektrischen Anschlußblechen und einem Isolationsring - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitskühlkörper mit Isolierscheiben, elektrischen Anschlußblechen und einem Isolationsring gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Flüssigkeitskühlkörper mit Isolierscheiben, elektrischen Anschlußblechen und einem Isolationsring ist aus der DE 37 40 233 A1 bekannt, bei der zwei Schalen aus Kupfer einen kühlflüssigkeitsdurchströmten Kühldosenkern bilden, dessen thermische Kontaktflächen mittels Isolier­ scheiben abgedeckt sind, wobei äußere elektrische Anschluß bleche den Wärmekontakt sowie den elektrischen Anschlußkon­ takt für druckkontaktierte Leistungshalbleiter bilden und ein äußerer Isolationsring den derartig gebildeten, einen Kühldosenkern, zwei Isolierscheiben und zwei elektrische Anschlußbleche aufweisenden Flüssigkeitskühlkörper zusam­ menhält.

Dabei ist ein spannungsfreier Einbau der äußerst bruch­ empfindlichen, vorzugsweise aus Keramik bestehenden Iso­ lierscheiben von großer Wichtigkeit, da beim bekannten Flüssigkeitskühlkörper bei Bruch einer Isolierscheibe in nachteiliger Weise der ganze Flüssigkeitskühlkörper aus zu­ tauschen ist. Problematisch sind desweiteren feine Haarris­ se in der Isolierscheibe, die zu Glimmentladungen und einem elektrischen Durchschlag führen können, wenn Feuchtigkeit zwischen eine elektrische Anschlußplatte und eine Isolier­ scheibe eingedrungen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssig­ keitskühlkörper mit Isolierscheiben, elektrischen Anschluß­ blechen und einem Isolationsring der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem keine unzulässige Beanspruchung der Iso­ lierscheiben auftritt.

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

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß die eingelegten, weder mit dem Kühldo­ senkern noch mit den elektrischen Anschlußblechen verbun­ denen (z. B. verlöteten oder verklebten) Isolierscheiben nur auf Druck beansprucht werden, und zwar lediglich im Bereich der thermischen Kontaktierung. Außerhalb dieser thermischen Kontaktflächen werden die Isolierscheiben mechanisch nicht belastet. Bei Bruch der Isolierscheiben tritt kein Kühlmit­ telverlust ein. Zudem läßt sich ein Flüssigkeitskühlkörper mit gebrochener Isolierscheibe in einfacher und preiswerter Art reparieren, indem die defekte Isolierscheibe nach Zurückbiegen der Rastzungen und Entfernen des elektrischen Anschlußbleches entnommen, eine neue Isolierscheibe einge­ legt sowie das elektrische Anschlußblech aufgesetzt und nach Druck gegen die Gleitflächen der Rastnasen "aufge­ schnappt" wird. Vorteilhaft muß bei einer derartigen Reparatur der Kühlflüssigkeitskreislauf nicht geöffnet wer­ den. Die Dichtringe verhindern zuverlässig, daß Schmutz und Feuchtigkeit in den Innenraum zwischen elektrischen An­ schlußblechen, Isolierscheiben, Isolationsring und Kühldo­ senkern gelangt. Durch die Rastzungen ist gewährleistet, daß diese Abdichtung auch bei nicht innerhalb des Spannver­ bandes eingebautem Flüssigkeitskühlkörper, z. B. bei Lage­ rung vor der Montage oder bei Ersatzteilbevorratung, konti­ nuierlich gewährleistet ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet. Dabei stellen die abgestuften Randzonen der elektrischen Anschlußbleche sicher, daß die Rastnasen nicht über die Außenoberfläche der Anschlußbleche ragen, sondern bündig mit dieser Oberfläche sind. Die Di­ stanzscheiben-Spalt-Konfiguration im Innenraum des Flüssig­ keitskühlkörpers stellt einerseits sicher, daß die Druckbe­ anspruchung lediglich im Bereich der thermischen Kontakt­ flächen des Kühldosenkerns und keinesfalls zusätzlich über den Isolationsring verläuft, was beim elastischen Nachgeben des Isolationsringes zum Bruch der Isolierscheiben führen könnte. Durch diese Konfiguration wird andererseits ein zu­ sätzlicher verlängerter interner Kriechweg in der Randzone zwischen elektrischem Anschlußblech und Isolierscheibe ge­ schaffen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Ausschnitt ei­ nes Spannverbandes mit dem prinzipiellen Aufbau eines Flüssigkeitskühlkörpers,

Fig. 2 eine Sicht auf einen aufgeschnittenen Kühldosenkern mit Kühlmittelanschluß,

Fig. 3 den Randzonenbereich eines Flüssigkeits­ kühlkörpers in vergrößerter Darstellung.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Ausschnitt eines Spannverbandes mit dem prinzipiellen Aufbau des Flüssig­ keitskühlkörpers dargestellt. Es sind zwei Flüssigkeits­ kühlkörper 1, 26 zu erkennen, zwischen denen ein Leistungs­ halbleiter 21 druckkontaktiert angeordnet ist. Jeder Flüssigkeitskühlkörper 1, 26 weist einen Kühldosenkern 2 auf, der mit einem hydraulischen Kühlmittelanschluß 3 ver­ bunden (z. B. verlötet) ist. Kühldosenkern 2 und Kühlmittel­ anschluß 3 bestehen aus einem Metall, vorzugsweise aus Kup­ fer oder Aluminium. Die beiden Hauptoberflächen des Kühldo­ senkerns 2 bilden thermische Kontaktflächen 12, 13, gegen die Isolierscheiben 14, 15 aus einem gut wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Material gepreßt werden. Die Iso­ lierscheiben 14, 15 bestehen vorzugsweise aus Keramik, ins­ besondere aus Aluminiumnitrid. Ist der Flüssigkeitskühlkör­ per 1 jedoch an einem Ende eines Spannverbandes angeordnet, so daß nur eine der thermischen Kontaktflächen zur Übertra­ gung der in einem Leistungshalbleiter produzierten Wärme­ energie erforderlich ist (einseitige Kühlung), kann an der anderen thermischen Kontaktfläche des Kühldosenkerns eine Isolierscheibe aus einem Kunststoff angeordnet werden. Hierdurch ergeben sich Preisvorteile.

Gegen die Isolierscheiben 14, 15 werden mittels nicht dar­ gestellter, jedoch allgemein bekannter Bauelemente eines Spannverbandes (Druckplatten, Tellerfedern, Spannstäbe) elektrische Anschlußbleche 16, 17 gepreßt. Diese Anschluß­ bleche 16, 17 weisen nicht gezeigte Anschlußkontakte für externe Anschlußkabel auf und bestehen vorzugsweise aus Kupfer. In einem Spannverband mit mehreren Flüssigkeits­ kühlkörpern und Leistungshalbleitern ergibt sich auf diese Art und Weise eine elektrische Druckkontaktierung über die Anschlußbleche 16, 17 zu den elektrischen Hauptanschlüssen der Leistungshalbleiter und eine Wärmeübertragung von den Leistungshalbleitern über die Anschlußbleche 16, 17, die Isolierscheiben 14, 15 und die thermischen Kontaktflächen 12, 13 der Kühldosenkerne 2 zur in den Kühldosenkernen zir­ kulierenden, extern rückgekühlten Kühlflüssigkeit.

Die einzelnen Bauteile 2, 14, 15, 16, 17 des Flüssigkeits­ kühlkörpers werden mittels eines Isolationsringes 11 zusam­ mengehalten. Im Bereich des Kühlmittelanschlusses 3 ist der Isolationsring 11 zum Erhöhen der Kriechwege mit Rippen 25 versehen.

Dabei kann der Isolationsring 11 beispielsweise aus zwei miteinander verklebten Kunststoffschalen gebildet werden. Alternativ hierzu ist es zur Schaffung des Isolationsringes auch möglich, den Kühldosenkern mit Kunststoff zu umsprit­ zen, wobei selbstverständlich bei beiden Varianten die thermischen Kontaktflächen 12, 13 des Kühldosenkerns 2 frei von Kunststoffmaterial bleiben.

Mit x ist eine Einzelheit (Randbereich eines Flüssigkeits­ kühlkörpers) bezeichnet, die in Fig. 3 vergrößert darge­ stellt ist.

In Fig. 2 ist eine Sicht auf einen aufgeschnittenen Kühl­ dosenkern mit Kühlmittelanschluß dargestellt. Der hydrauli­ sche Kühlmittelanschluß 3 weist zwei Kanäle 4, 5 auf. Die Hauptoberflächen innerhalb des Kühldosenkerns 2 sind zur Vergrößerung der zur Wärmeübertragung geeigneten Oberfläche mit Zapfen 22 versehen. Es ergibt sich eine Kühlflüssig­ keitsströmung vom ersten Kanal 4 zum Kühldosenkern 2 und von dort zum zweiten Kanal 5, wobei die Kühlflüssigkeit die Zapfen 22 im Kühldosenkern 2 und den Boden des Kühldosen­ kerns umspült und hierdurch Wärmeenergie auf nimmt.

Die Anordnung der Kanäle 4, 5 kann auch in anderer Art und Weise als in Fig. 2 gezeigt erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, die Kanäle 4, 5 gegenüberliegend am Umfang des Kühldosenkerns 2 anzuordnen, wie gestrichelt angedeutet.

In Fig. 3 ist der Randbereich eines Flüssigkeitskühlkör­ pers vergrößert dargestellt. Es ist die Ausbildung des aus zwei verklebten Kunststoffschalen bestehenden Isolations­ ringes 11 im Detail zu erkennen. Der Isolationsring 11 weist an seinen Außenkanten ringförmig angeordnete Rast­ zungen 23, 27 auf, die über sich nach außen hin verjüngende Gleitflächen ein zentriertes Aufsetzen, "Einschnappen" und Fixieren der elektrischen Anschlußbleche 16, 17 ermögli­ chen. Die Anschlußbleche 16, 17 sind zweckmäßig mit abge­ stuften Randzonen 24, 28 versehen, damit der Flüssigkeits­ kühlkörper bündige Hauptoberflächen ohne störende überste­ hende Bauteile (Rastnasen 23, 27) aufweist.

Auf diese Art und Weise werden die elektrischen Anschluß­ bleche 16, 17 bereits vor Montage innerhalb des Spannver­ bandes unverlierbar am Flüssigkeitskühlkörper befestigt. Neben der Führung der elektrischen Energie haben die elek­ trischen Anschlußbleche 16, 17 die zusätzliche Aufgabe, einen mechanischen Schutz der bruchempfindlichen Isolier­ scheiben 14, 15 zu gewährleisten und den Halbleiter inner­ halb eines Spannverbandes zu zentrieren.

Für die Abdichtung der innerhalb des durch den Isolations­ ring 11 und die elektrischen Anschlußbleche 16, 17 gebilde­ ten Raumes sind Dichtringe 18, 19 in Nuten des Isolations­ ringes 11 eingelegt, wobei die Anschlußbleche 16, 17 gegen diese Dichtringe 18, 19 gepreßt werden. Hierdurch wird eine hochwertige Verschmutzungssicherheit gewährleistet, was vorteilhaft eine Reduzierung der Isolationsstrecken zwi­ schen Anschlußblechen, Isolierscheiben und Kühldosenkern oder eine Erhöhung der Spannungsklasse zur Folge hat.

Fig. 3 zeigt ein weiteres wichtiges Detail des Flüssig­ keitskühlkörpers, und zwar zwischen jeder Isolierscheibe 14, 15 und dem angepreßten elektrischen Anschlußblech 16, 17 befindliche Distanzscheiben 29, 34. Diese Distanzschei­ ben weisen einen Durchmesser auf, der dem Durchmesser des Kühldosenkerns 2 entspricht, während die Durchmesser der Isolierscheiben 14, 15 und der Anschlußbleche 16, 17 größer sind als der Durchmesser des Kühldosenkerns. Wie zu erken­ nen ist, bilden sich hierdurch im Randzonenbereich zwischen elektrischen Anschlußblechen 16, 17 und Isolierscheiben 14, 15 Spalten 30, 35 aus, die eine Kriechwegverlängerung zwi­ schen Anschlußblechen und Kühldosenkern im Innenraum des Flüssigkeitskühlkörpers bewirken.

Claims (5)

1. Flüssigkeitskühlkörper für Leistungshalbleiter, mit einem einen hydraulischem Kühlmittelanschluß (3) auf­ weisenden Kühldosenkern (2), dessen thermische Kontaktflä­ chen (12, 13) über Isolierscheiben (14, 15) mit elektrischen Anschlußblechen (16, 17) für die Leistungshalbleiter in Wär­ mekontakt stehen und dessen weitere Oberfläche mit einem Isolationsring (11) bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet daß der Isolationsring (11) über die Randzone der elektri­ schen Anschlußbleche (16, 17) greifende Rastzungen (23, 27) aufweist und die Randzonen der elektrischen Anschlußbleche über Dichtringe (18, 19) gegen den Isolationsring (11) pres­ sen.

2. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlußbleche (16, 17) abgestufte Randzonen (24, 28) aufweisen.

3. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Distanzscheiben (29, 34) zwi­ schen den elektrischen Anschlußblechen (16, 17) und den Iso­ lierscheiben (14, 15) vorgesehen sind, wobei die Distanz­ scheiben einen dem Kühldosenkern (2) entsprechenden Durch­ messer aufweisen und über dem Kühldosenkern angeordnet sind, so daß sich Spalte (30, 35) zwischen den über den Kühldosenkern ragenden Randzonen der elektrischen Anschluß­ bleche (16, 17) und der Isolierscheiben (14, 15) ausbilden.

4. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Isolierscheiben (14, 15) aus Keramik, insbesondere aus Aluminiumnitrid verwendet werden.

5. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einseitiger Kühlung die nicht zur Kühlung eines Leistungshalbleiters herangezo­ gene thermische Kontaktfläche (12, 13) des Kühldosenkerns (2) mit einer Isolierscheibe (14, 15) aus Kunststoff abge­ deckt ist.