DE8401409U1 - Einrichtung zur Verlustwärmeabfuhr von Halbleiterelementen - Google Patents

Description

Lieentia f>atent-VerwaltUfige~GmbH PTL-HH/Sa/bl Theodor-Stern-Kai 1 HM 83/26 D-βΟΟΟ Frankfurt 70 Einrichtung zur Verlustwärneabfuhr von Halbleitereleaenten "y

Die Erfindung befaßt eich «it einer Einrichtung gemäß dea Oberbegriff dee Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß die Belastbarkeit von Halbleiterkristallen ia wesentlichen durch die thermisehen Verhältnisse bestimmt wird. Die wirksamsten zur Zeit ausgeführten Kiihleystene arbeiten nach dea Siedekühlprinzip bzw. mit Kühldosen und Wasser als Kühlmedium. Ein solches System ist in der Zeitschrift "Bull. SEV/VSE" 72 (1981) 5, Seiten 239 ff beschrieben worden. Die zu kühlenden Bauelemente befinden sich in ein** Siedekuiilflüesigkeit, die ein Gehäuse bis auf einen Danpfrauü füllt. Dieser steht über eine Leitung »it einen Wäraetauscher ia Verbindung, der die Verlustwäree auf ein anderes KÜhlsedium überträgt. Das Siedekühlsystenr erfordert einen diskreten Wärnetauscher und gegebenenfalls eine Einrichtung zur Erhöhung der Daepfgeschwindigkeit, im das Volumen des Wärmetauschers herabzusetzen. Es ist somit eine umfangreiche Infrastruktur erforderlich. Derartige Kühlsysteee sind überall dort nicht einsetzbar, wo aus Baum- und Gewichtsgründen die Unterbringung des Wärmetauschers nicht möglich ist. Hinzu kommt, daß das verwendete BhI-

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medium zur Erzielung einer genügend hohen elektrischen Festigkeit hochrein und damit ein elektrischer Isolator sein muß. Un diesen Reinheitsgrad bei Benutzung von Wasser als Siedefltissigkeit 2u gewährleisten, ist ein erheblicher Aufwand wie ionenaustauscher, Filter und tiber-OS Wachungeeinrichtungen erforderlich.

Die aufwendige RUckktihlperipherie des herkömmlichen Kühlsystem· kann, wie in der deutschen Patentanmeldung P 33 02 Θ4Ο.0 beschrieben wird, ver-Mieden und dealt eine Kühleinrichtung nit geringen Bauabmeesungen ersielt werden, wenn das die zu kühlenden elektronischen Bauelenente aufnehmende Gehäuse vollständig «it der SiedekühlflUssigkeit ausgefüllt und der Rückkühler in das Gehäuse integriert wird. Durch Ausnutzung der Blasenturbulenz wird die Kondensation erheblich verbessert. Dadurch verbessert sich das Leistungevoluinen und das Lelstungsgewieht der elektroniechen Bauelenente wesentlich. Ein besonders ökonomisches System wird erzielt, wenn Wasser zur Rückkühlung ssur Verfügung steht. Wenn auch mit diesem WHrmetauschersyetem «it Siedekühlung ein kompaktes Aggregat erzielt wurde, so ist nach wie vor eine Flüssigkeit «it hoher elektrischer Festigkeit erforderlich, sei es eine inerte Flüssigkeit oder 5>*fihreines

Wasser. Bei Einsatz von Wasser gehen, wie schon eingangs ausgeführt,

einige der erzielten Vorteile wegen der notwendigen und aufwendigen Infrastruktur zur Aufrechterhaltung der Isolationsfestigkeit wieder verloren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein· Einrichtung au schaffen, die trotz hoher elektrischer Potentialdiffereftzen die Verwendung von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten zuläBt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Ansprache 1 angegebenen Merkaale gelöst.

Die Einrichtung nach der Erfindung hat erhebliche Vorteile gegenüber den Vorbekannten insofern, ale ein kompaktes Modul mit integrierter hoch wirksamer Kühlung für den oder die Halbleiterbauelemente geschaffen wird, bei dem Kuhlaedien alt beliebigen elektrischen Eigenschaften verwendet werden können. Es wird somit eine Verringerung des Bauvolumens der pe-

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ripheivn Anlagenteile und der Wärmewideretände «it der Folge einer höheren Strombelastbarkeit der Halbleiter erzielt.

Weiterbildungen der Erfindung eind in den UnteransprUehen enthalten. 05

In der Zeichnung eind Aueführungsbeiepiele nach der Erfindung schema ti sch dargestellt.

Ee zeigen
Fig. 1 einen Halbleiterkrietall mit integrierter Kühleinrichtung

und
Fig. 2 eine Variante dee Prinzips nach Fig. 1 mit kleiner thermischer

Zeitkonetante.

Nach Fig. i wird ein Halbleiterkrietall 1 durch zwei Elemente 2 elektrisch kontaktiert, die gleichzeitig die Funktion von Kühlkörpern und elastischem Auegleicherand erfüllen. Die KUhlwirkung wird dadurch erreicht, daß in die Elemente 2 mit einem Kühlmedium 4 durchströmte Kühlrohre 3 eingelassen und thermisch leitend mit ihnen verbunden eind, eo daß sich gute Wärmeübergänge ergeben. Ale Kühlmedium kann elektrisch leitfähiges Wasser eingesetzt werden. Das Material dieser Kühlrohre muß gut wärmeleitend» jedoch elektrisch isolierend sein. Diese Eigenschaften können gleichzeitig z.B. von einigen keramischen Werkstoffen erfüllt werden. Die Trennung der spannungsführenden Elemente 2 wird von einer isolierenden Zwischenwand 5 übernommen. Welche die Durchführung für einen eventuell vorhandenen Steueranschluß 6 des Halbleiterkristalls beinhaltet. Bei geeigneter konstruktiver Ausführung dieser Anordnung kann eine definierte Strömung des KUhlmediums 4 in unmittelbarer Nähe der Wärmequelle, dee Baibleiterkrietalls, erfolgen. Fügeepalte, die den Wärmewideretand erhöhen, entfallen bis auf die Kontaktierung an der Seite des Steueransehiusses 6. Auf diese Weise können kleine Wärmewideretände realisiert werden, so daß der Halbleiterkrietall 1 höher als bei herkömmlichen Kühlverfahren ausgelastet werden kann. Bei verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten von Kühlrohrnaterial und elektrisch leitendem Katerial der Elemente 2 kann es erforderlich sein, die Rohre mit einer ausgleichenden Schicht zu ummanteln.

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Gemäß dem AuefUhrungebeispiel nach Fig. 2 erfolgt der Energietransport im wesentlichen mittel« der latenten Dampfenergie einer siedenden

i' Flüssigkeit, so daß die Wärmeübergänge an den Verbindungsstellen von

' untergeordneter Bedeutung sind.

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Der Halbleiterkristall 1 wird durch zwei Elemente 2 elektrisch kontak-

ί tiert, die gleichzeitig die Funktion von Siedekühlkörper, elastischen

Ausgleicherand und elektrischer Schirmung übernehmen. Dadurch kann der ,; Siedeprozess in unmittelbarer Nähe der Wärmequelle erfolgen. Auch hier

ί 10 können FUgespalte bis auf die Kontaktierung auf der Seite des Steueranschiussee 6 entfallen, so daß sich die denkbar kleinsten Wärmewiderstände realisieren lassen« Der Halbleiterkristall 1 kann bedeutend höher als mit herkömmlichen Anordnungen ausgelastet werden. Ein elektrisches j; Feld wird nur zwischen den Elementen 2 aufgebaut, so daß kapazitive Ver-

-^:· 15 sehiebeströme (λ.Β. beim Takten eines Halbleiters) vollkommen von der I Siedeflüssigkeit 7 ferngehalten werden. Dieser Umstand ist besonders bei

Γ hohen Taktfrequenzen (t = U· W · C) von Bedeutung. Zur Verbesserung

ja dieses Effektes können alle in den Kammern liegenden Flächen mit elek-

'. trisch leitendem Material beschichtet sein.

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Die Elemente 2 sind z.B. durch Lötung alt einem Rückkühler 3 hermetisch dicht verbunden, der von einem Kühlmedium 4 durchströmt wird und gleicht zeitig die Trennung der spannungsführenden Elemente übernimmt. Wird für

'j· die Gehäuseteile 8 ein elektrisch leitender Werkstoff eingesetzt., kann

25 der Rückkühler 3 dergestalt ausgeführt werden, daß die außenliegenden

t Kriechstrecken bedeutend verlängert werden. Durch das Aufsetzen von zwei

t; Gehäusehälften 8 entstehen zwei galvanisch getrennte Kammern, die im einfachsten Fall durch O-Ringe 9 nach außen abgedichtet sind. Durch eine solche Anordnung werden die zum Betrieb dee Halbleiterkristalls l von 30 außen aufzubringenden Anpresskräfte nicht behindert. Durch die vollständige elektrische Trennung der Flüesigkeitsvolumina können elektrisch leitende Siedeflüssigkeiten, z.B. Wasser eingesetzt werden, was aufgrund der hohen Verdampfungewärme und der sehr guten Wärmeübergänge vom wärmetechnischen Standpunkt aus gesehen, sehr vorteilhaft ist. Aus dem gleichen 35 Grund sind mit der Einrichtung hohe Potentialdifferenzen zu beherrschen,

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ohne daB an die Siedeflüssigkeit besondere Qualitätsansprüche gestellt werden missen (üb Falle von Wasser nur entkalkt, um Ablagerungen zu vermeiden). Der bei der Siedekühlung entstehende Dampf niet ein größeres Volumen als die äquivalente Siedeflüssigkeitsmenge ein. Die Kamera sind deshalb mit volumenveränderlichen Elementen 10 verbunden, welche eine Volunendifferenz zumindest teilweise aufnehmen können, da sonst der Kammerdruck und damit der Betriebspunkt unzulässig verändert werden kann. Venn auf die volumenveränderlichen Elemente 10 definierte Kräfte 11 einwirken, kann der Betriebspunkt je nach Anwendungsfall beliebig gewählt bzw. während des Betriebes geändert werden, so daß die Värmeübertragungsmechanismen des Siedeprozesses immer optimal genutzt werden können. Werden die Elemente 10 in Vorkammern 12 eingesetzt, so können die Kräfte 11 dadurch aufgebracht werden, daß in die Vorkammern ein bestimmtes Gasvolumen eingeschlossen wird.

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Claims (2)

1. Einrichtung nach dem FlUesigkeitskühlprinzip zur VerluetwSrmeabfuhr und Verbesserung der Stromauenutzung von geeteuerten und unversteuerten Halbleiterelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die den Halbleiterkristall (1) kontaktierenden, stromführenden Elemente (2) gleichzeitig ale iGihlkörper und Auegleicherand dienen, welche über eine elektrisch isolierende Zwischenwand (5) hermetisch dicht verbunden sind, die eine Durchführung für den Steueranschluß (6) aufweist, und mit einem von einem Kühlmedium (4) durchströmten Rückkühler (3) eine Einheit bilden.

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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkörper (2) zugleich die elektrische Schirmung übernehmen, wobei durch zwei Geha'useha'lften (8) zwei galvanisch getrennte, nach außen abgedichtete Kammern entstehen, die »it einer Flüssigkeit (?) gefüllt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern mit volumenverä'nderliehen, ebenfalle flUseigkeitegefUllten Elementen (10) verbunden sind, auf die von außen definierte Kräfte (11) zur Einstellung

des Kammerdruckes einwirken.

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4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dafi der Rückkühler (3) sowohl in seiner For« als auch in seiner Anordnung an den jeweiligen Verwendungszweck angepaßt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch ein handelsüblicher Halbleiter in die Kühleinrichtung einsetzbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge-

häusehälften (8) ait den übrigen Elementen thermisch leitend verbunden sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elemente (2,3,5,8) zur Bildung einer kompakten Einheit unlösbar mitteinander verbunden sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kühlmodule zu einer Stromrichterschaltung zusammenbaubar sind.

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Q. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die volumenveränderlichen Elemente (10) derart ausgeführt sind, daß «ie Volumenänderungen ober- und unterhalb des Gefrierpunkte der Flüssigkeit aufzunehmen vermögen.

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10. Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand (5) und die Rohre (3) zur Aufnahme der Kühlflüssigkeit (4) aus elektrisch isolierendem Material zusammengesetzt oder aus einem Stück gefertigt sind.

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11. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Elemente (10) einwirkenden Kräfte (11) durch *,nen in Vorkammern (12) einmalig eingebrachten Gasdruck realisiert sind.